电力拖动与运动控制课件直流电动机

1、第一章直流电主要内容1.1 直流电的基本工作原理与结构基本工作原理直流电直流电的结构的铭牌数据的电枢反应的空载磁场的电枢磁场1.2 直流电直流电直流电电枢反应1.3 直流电的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4 直流电直流电他励直流电的励磁方式的基本方程式重点内容主要内容1.5 电力拖动系统的运动方程式拖动系统的运动方程式运动方程式中正、负号的规定拖动系统的运动状态他励直流电的反转1.6 生产机械的负性恒转矩负载特性恒功率负载特性 通风机型负载特性1.7 他励直流电的机械特性机械特性方程式固有机械特性和人为机械特性主要内容1.8 他励直流电的启动直接启动电枢回路串电阻启动降低电枢电压启

2、动1.9 他励直流电的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10 他励直流电的调速调速指标调速直流调速系统使用的可控直流电源主要内容CSSSE1.1 直流电的基本工作原理与结构基本工作原理直流电直流电的结构的铭牌数据的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩1.2 直流电1.3 直流电1.4 直流电1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负载转矩特性1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速2016-11-4第一章 直流电5CSSSE一、基本工作原理与结构电动机示意图2016-11-4第一章 直流电6CSSSE一、基本工作原理与结构

3、基本工作原理2016-11-4第一章 直流电7CSSSE一、基本工作原理与结构2016-11-4第一章 直流电8CSSSE一、基本工作原理与结构基本工作原理N、S：定子磁极a、b、c、d：转子线圈首端a和末端d连接到换向器上，通过电刷连接外电路 工作原理：电枢线圈通入直流电流，导体在定子磁场中受电磁力作用，产生电磁转矩，线圈在此转矩作用下旋转虽然导体中流通的电流为交变的，但是电磁转矩方向不变 2016-11-4第一章 直流电9CSSSE一、基本工作原理与结构基本结构定子：机、换向极、电刷装置直流电转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器气隙：定、转子间的间隙2016-11-4第一章 直流电10CSSS

4、E一、基本工作原理与结构基本结构1. 风扇3. 电枢5. 刷架7. 接线板9. 换向极直流电2. 机座4. 主磁极6. 换向器8. 出线盒10. 端盖的结构图2016-11-4第一章 直流电11CSSSE一、基本工作原理与结构2016-11-4第一章 直流电12CSSSE一、基本工作原理与结构2016-11-4第一章 直流电13CSSSE定子部分l 机座（磁轭）：固定部件，形成电机磁路l 主磁极：产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）组成l 换向极：换向，由换向极铁心和换向极绕组组成l 电刷装置：与换向器配合，将电枢绕组电路和外电路连接，并将电枢绕组中的交流量转变成电刷端的直流量2

5、016-11-4第一章 直流电14电刷装置示意图换向极示意图主磁极示意图CSSSE转子部分l 电枢铁心：形成电机磁路，安放电枢绕组l 电枢绕组：直流电的主要组成部分，产生感应电动势l 换向器：换向2016-11-4第一章 直流电15换向器示意图电枢铁心示意图CSSSE直流电的铭牌数据2016-11-4第一章 直流电16CSSSE直流电的铭牌数据l 额定运行情况：根据电机的设计和试验数据，按照电机的正常运行状态和条件标准规定的l 额定值（铭牌数据）：表征电机额定运行情况的各种数据额定功率PN (W )：电额定电压UN (V )：电额定电流IN ( A)：电转轴上输出的机械功率输入的额定电压在额定

6、电压下，运行于额定功率时的电流值额定转速nN (r / min)：对应于额定电压、额定电流，电功率时所对应的转速运行于额定2016-11-4第一章 直流电17主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应 的空载磁场的电枢磁场直流电直流电电枢反应1.3 直流电1.4 直流电1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负载转矩特性的电枢电动势和电磁转矩1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速2016-11-4第一章 直流电18CSSSE二、直流电的电枢反应 直流电的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和

7、电枢绕组电生的电枢磁场的一个磁场 直流电的运行特性在很大程度上取决于该磁场特性2016-11-4第一章 直流电19CSSSE1. 直流电的空载磁场空载：电轴上不带机械负载运行 此时，电枢电流等于零或近似等于零 空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通所建立 2016-11-4第一章 直流电20CSSSE1. 直流电的空载磁场直流电空载时磁场分布1.2.3.4.5.6.7.极靴极身定子磁轭励磁线圈气隙电枢齿电枢磁轭2016-11-4第一章 直流电21动画演示CSSSE1. 直流电的空载磁场l 励磁磁通可以分为两大类：主磁通：同时励磁绕组和电枢绕组，占绝大多数 v 漏磁通：不进入电

8、枢绕组，经或磁轭，小部分隙直接进入的磁极v 主磁通是直流电漏磁通只能使直流电进行电磁感应和能量转换所必需的，效率降低2016-11-422第动一章画直流演电 示主磁场在电机中的分布CSSSE2. 直流电的电枢磁场l 直流电场。在带载运行时，电枢绕组中有电流通过，产生电枢磁n 电枢电流的方向总是以电刷为界限划分。只要电刷固定不动，电枢磁场即静止不动n 电枢磁场与主磁场共同在气隙里建立磁场2016-11-423第动一章画直流演电 示电枢磁场分布CSSSE3. 电枢反应 电枢反应：电枢磁场对主磁场的影响 电枢反应对磁场的影响如下： 使磁极下的磁力线扭斜，布不均匀，磁场发生畸变 使主磁场削弱，每个磁极

9、下的磁通发生变化2016-11-424第动一章画直流演电 示磁场在电机中的分布主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电1.3 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4 直流电1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负载转矩特性1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速2016-11-4第一章 直流电25CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩1. 直流电的电枢电动势电枢绕组在磁场中转动时产生的感应电动势电枢电动势：直流电电刷之间的感应电动势计算：电枢电动势即为每条支路里的感应电动

10、势，可先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势， 再乘以一条支路里总的导体数即为电枢电动势2016-11-4第一章 直流电26CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩1. 直流电的电枢电动势一根导体中的感应电动势 ea = Ba LvBa为一个主磁极下的平均气隙磁通密度FLtB 与每极主磁通之间满足 F = B Lt，即B =aaan线速度 v = 2 pt60t为极距；p为极对数；n为电枢转速；L为导体有效长度ne = 2 pF可得a602016-11-4第一章 直流电27CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩1. 直流电的电枢电动势每条支路中的感应电动势NpNE=e =Fn =

11、 C naaee2a60a= pN 为电动势常数，仅与电C结构有关e60aN为电枢导体总数；a为电枢并联支路对数C = C Fee2016-11-4第一章 直流电28CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩2. 直流电的电磁转矩电磁转矩：通电的电枢绕组在磁场中受到的电磁力与电电枢铁心半径之积称为电磁转矩fa = Ba Lia一根导体在磁场中所受电磁力Idi =为一根导体中流过的电流a2aId为电枢总电流一根电枢导体产生的电磁转矩 D2T = faaD = 2 pt 为电枢铁心直径p2016-11-4第一章 直流电29CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩2. 直流电的电磁转矩总的电磁转矩a= N fD

12、= N B Li Daaa22IdN 2 pt= B L Id N D = F L IdN D = FpN2p a=FILttpad2a22a24a= C FI= C ITdTd好的直流电其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比2016-11-4第一章 直流电30CSSSE三、电枢电动势和电磁转矩2. 直流电的电磁转矩pN2p a=C 为转矩常数，仅与电结构有关TC= C FTT为N m为A，磁通为Wb时，电磁转矩当电枢电流C 、C 均为电结构常数，两者之间的数量为Te= 9.55CC= 9.55CC TeTe2016-11-4第一章 直流电31主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电1.

13、3 直流电1.4 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩直流电他励直流电的励磁方式的基本方程式1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负载转矩特性1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速2016-11-4第一章 直流电32CSSSE四、他励直流电l 直流电的励磁方式他励、并励、串励、l 他励直流电的基本方程式电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式2016-11-4第一章 直流电33CSSSE1. 直流电的励磁方式根据直流电励磁绕组和电枢绕组与电源连接的不同，直流电可分为 他并串式2016-

14、11-4第一章 直流电34CSSSE1. 直流电的励磁方式2016-11-4第一章 直流电35CSSSE2. 他励直流电的基本方程式电动势平衡方程式U = E+ I RU：电枢两端电压Id：电枢电流Ea：电枢电动势R：电枢电阻2016-11-4第一章 直流电36CSSSE2. 他励直流电的基本方程式转矩平衡方程式=TemTem：电磁转矩Tl：负载转矩T0：空载转矩2016-11-4第一章 直流电37CSSSE2. 他励直流电的基本方程式功率平衡方程式= Pcua + Pcub + Pcuf+ PemP1= Pcua + Pcub + Pcuf+Pw + PFe + Pad + P2= P +

15、P2直流电功率流图2016-11-4第一章 直流电38主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电1.3 直流电1.4 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩1.5 电力拖动系统的运动方程式拖动系程式运动方程式中正、负号的规定拖动系统的运动状态他励直流电的反转1.6 生产机械的负载转矩特性1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速第一章 直流电2016-11-439CSSSE五、电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统是由电拖动生产机械系统，生产机械称为电的负载。电力拖动系统组成示意图2016-11-4第一章 直

16、流电40生产机械传构电电源CSSSE1.拖动系统的运动方程式拖动系统：电输出直接拖动生产机械运转的系统第二定律运动方程式 F - Fl = ma直线运动F：拖动力( N )Fl：阻力( N )度(ms2 )m：物体的质量(kg )a：物体获得的2016-11-4第一章 直流电41CSSSE1.拖动系统的运动方程式= m dvv：物体运动的线速度(m s )F - Fldtwhat= J dw运动方程式 T- T旋转运动emldt的拖动转矩(电磁转矩)( N m)Tem：电Tl：生产机械的阻力矩(负载转矩)( N m)w：拖动系统的旋转角速度(rads )J：拖动系统的转动惯量(kg m2 )第

17、一章 直流电2016-11-442CSSSE1.拖动系统的运动方程式G D 2GD2J = mr 2 =g 2 4gm：转动体的质量(kg )G：转动体所受的重力( N )度(ms2 )g：重力r：转动体的惯性半径(m)D：转动体的惯性直径(m)GD2dn- Tl =Tem运动方程式375dtGD2：转动物体的飞轮矩(N m2 )，GD2 = 4gJ第一章 直流电2016-11-443CSSSE2. 运动方程式中正、负号的规定（1）规定正方向通常以电处于电动状态时的旋转方向为规定正方向（2） 转速方向与规定正方向相同（3） 电磁转矩方向与规定正方向相同（4） 负载转矩方向与规定正方向相反正方向

18、规定2016-11-4第一章直流电44CSSSE3. 拖动系统的运动状态(1)(2)(3)= Tl时，dn dt = 0，电力拖动系统处于 Tl 时，dn dt 0，电力拖动系统处于TemTem Tem状态（静止不动/匀速运动）状态状态 Tl 时，dn dt Tl，能顺利启动） 启动电流Ist 要限制在一定范围内 启动操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉2016-11-4第一章 直流电65CSSSE八、他励直流电的启动直接启动时启动电流将达到很大的数值；启动转矩也很大，可能1. 直接启动+造成损坏UN_除个别容量很小的电外，Q2一般不直流电直接启动M对于一般他励直流电，为限制启动电流，可采

19、用电枢回路串电阻启动或者降低电枢电压启动的启动方式Q1_+Uf2016-11-4第一章 直流电66CSSSE八、他励直流电的启动2. 电枢回路串电阻启动KM1KM2KMMR1R2R3KM在启动时在电枢回路串入电阻以减小启动电流，然后逐级切除电阻以保证足够的启动转矩。电机启动前应使励磁回路附加电阻为0，以使磁通最大特点：简单，操作方便，能耗较大应用场合：不易用于频繁启动的大中型电，可用于小型电启动2016-11-4第一章 直流电673动画演示CSSSE八、他励直流电的启动3. 降低电枢电压启动启动前将施加在电电枢两端的电源电压降低以减小启动电流，电启动后再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一

20、定数值特点：需要电源，投资较大，但启动电流小，启动平稳，启动能耗小2016-11-4第一章 直流电68主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电1.3 直流电1.4 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电的机械特性的启动的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10 他励直流电的调速2016-11-4第一章 直流电69CSSSE九、他励直流电的电气制动电的制动分为机械制动和电气制动两种 电气制动是指使电该电磁转矩起到阻碍运产生一个与转速方向相反的电磁转矩， 电制动有两方

21、面意义： 使拖动系统迅速停车（制动过程）1.限制位能性负载的下降速度（制动运行）2.他励直流电的电气制动有： 能耗制动、反接制动、回馈制动2016-11-4第一章 直流电70CSSSE九、他励直流电的电气制动1. 能耗制动需要制动时，利用电阻RH将电枢回路闭合，则进入能耗制动。KM+此时，电励磁不变，电枢电IaKM压为0，n不能突变U-EEI= aaRaR + RHnTemaH_KM电流方向与原来运行时相反，电磁转矩因此反向，成为制动转矩2016-11-4第一章 直流电71CSSSE九、他励直流电的电气制动1. 能耗制动nn01BA电靠惯性旋转，电Ra枢通过切割磁场将机械能转变成电能，消耗在电

22、枢回路电阻上，因而称这种制动方式为能耗制动2+ RRaHTOTLCem反抗性负载：O点，能耗制动停车位能性负载：C点，能耗制动运行2016-11-4第一章 直流电72CSSSE九、他励直流电的电气制动2. 反接制动（1）电枢电压反向反接制动需要制动时，使电枢电压反阻，则进入电枢电压KM1向KM 2反接制动。UKM 2E+ EaI= - UNaRFn TaR + RaFemKM1电磁转矩因电流反向而反向，成为制动转矩2016-11-4第一章 直流电73CSSSE九、他励直流电的电气制动2. 反接制动（1）电枢电压反向反接制动nn01AB如果要求系统停车，则在电枢电流为0时应当Ra2立即使电脱开电

23、源，CDTL系统制动过程结束TOemnTDL+ RR反接制动适合于要求频繁正、反转的电力拖动系统，先用反接制动达到迅速停车，再接着反向启动并进入反向稳态运行aF-n02016-11-4第一章 直流电74CSSSE九、他励直流电的电气制动2. 反接制动KM1（2）倒拉反接反转制动提升重物时，将较大电阻电RH串入电路，使提升转矩小于下降的转矩，系统将进入倒拉反转反接制动此时转速反向，使得反电动势反+RFTemUNEa向，则n_aU+ ETLIa = NanR + RdaFG电磁转矩与转速方向相反2016-11-4第一章直流电75CSSSE九、他励直流电的电气制动2. 反接制动（2）倒拉反接反转制动

24、n此运行状态是由于位能负nA0 载转矩拖动电反转而形B的，因此称为倒拉反接制动电进入倒拉反接制动状态必TOCTLDem位能负载反拖电回路要串入较大电阻。，同时电枢这种制动方式不能用于停车，只能用于重物下放2016-11-4第一章 直流电76CSSSE九、他励直流电的电气制动3. 回馈制动在电动运行状态下，由于某种条件的变化，使得电电枢转速超过理想空载转速，则进入回馈制动= U - Ean n 使得E U，则I 00aaRa电枢电流反向使得电磁转矩反向，成为制动转矩此种运行方式下，电源输入功率为负，而电磁功率也为负，表明电处于发电状态，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网，故称为回馈制动201

25、6-11-4第一章 直流电77CSSSE九、他励直流电的电气制动3. 回馈制动由于电枢电压、电枢回路电阻、励磁磁场均与电动运行样，所以回馈制动的机械特性与电动状态时完全一样，是电动状态机械特性延伸到第二象限的一条直线BnAn10Ra2Ra + Rpa回馈制动时电枢回路不T-TLOem串入电阻，否则将会很高的转速B点运行在2016-11-4第一章直流电78主要内容CSSSE1.1 直流电1.2 直流电1.3 直流电1.4 直流电的基本工作原理与结构的电枢反应的电枢电动势和电磁转矩1.5 电力拖动系统的运动方程式1.6 生产机械的负1.7 他励直流电1.8 他励直流电1.9 他励直流电1.10 他

26、励直流电的机械特性的启动的电气制动的调速调速指标调速直流调速系统使用的可控直流电源2016-11-4第一章 直流电79CSSSE十、他励直流电的调速l 调速：人为改变速度的l 可以用机械的或电气的实现调速l 电气调速：人为地改变电气参数，有意识地使电工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电调速进行的一种l 调速与电个不同的概念在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两2016-11-4第一章 直流电80CSSSE1. 调速指标为了评价各种调速的优缺点，对调速提出了一定的技术指标 （1）调速范围电在额定负载下调速时，其最高转速与最低转速之比D = nmaxnmi

27、n不同生产机械对调速范围的要求不同2016-11-4第一章 直流电81CSSSE1. 调速指标n （2）静差率（转速变化率）电在一条机械特性上的额定负载时的转速降与该机械特性的理想空载转速之比d = Dn = n0- nn0n0n0相同时，机械特性越硬，d 越小d 与n0成反比2016-11-4第一章直流电82CSSSE1. 调速指标n （2）静差率（转速变化率）调速范围与静差率两项互相制约采用同法调速时，静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围若要求静差率一定时，不同的调速其调速范围不同2016-11-4第一章 直流电83CSSSE1. 调速指标 （3）调速的平滑性平滑性是指相邻两级转速的接近

28、程度niY =ni-1无级调速：转速连续可调，其级数趋于无穷大有级调速：调速不连续，级数有限2016-11-4第一章 直流电84CSSSE1. 调速指标（4）调速的性 包含两方面内容：一是指调速所需的投资和调速过程中的能量损耗二是指电调速时能够得到充分利用经验：1.电枢回路串电阻、降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速2.弱磁调速适用于恒功率负载的调速2016-11-4第一章 直流电85CSSSE2. 调速UN - Id (Ra + Rpa )n =Ce当电枢电流不变（负载不变）时，只要在电枢电压、电枢电路附加电阻、每极磁通三个参数中，任意改变一个， 起转速的变化电枢串电阻调速：操作简单方便，

29、调速范围小，特性变软变电枢电压调速：只能降压调速，特性硬度好，无级调速，调速效率高，可调压电源投资较高弱磁调速：操作方便，效率高，调速范围小，转速性差2016-11-4第一章 直流电86CSSSE2. 调速实际生产中往往将弱磁调速和调压调速配合使用调压调速在不同转速下容许的输出转矩恒定，可称为恒转矩调速弱磁调速在不同转速时容许的输出功率基本相同， 称为恒功率调速为了扩大调速范围，直流电可以采用调压和弱磁配合的混合调速，在基速以下保持额定磁通不变，只调节电枢电压；在基速之上保持电枢电压为额定值，减弱磁通升速2016-11-4第一章 直流电87CSSSE3. 直流调速系统使用的可控直流电源改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源常用的可控直流电源有以下两种：1.2.静止可控整流器（如：晶闸管整流装置）直流斩波器/脉宽调制变换器2016-11-4第一章 直流电88CSSSE本章小结直流电由定子和转子两大部分组成，定子部分主要作用是建立工作磁场，转子部分主要作用是传递电磁功率。件，绕组中的电动势和电的是直流电动势和直流电流。电枢绕组是直流电中传递能量的流是交流的，通过换向器和电工作的理论基础是通电导体在周围产生磁场和通电导体在磁场中要受力。电枢磁场对励磁磁场的影响叫电枢反应。电