电力拖动第1章

电力拖动与运动控制第一章

直流电动机主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构基本工作原理直流电动机的结构直流电动机的铭牌数据1.2直流电动机的电枢反应直流电动机的空载磁场直流电动机的电枢磁场电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4直流电动机直流电动机的励磁方式他励直流电动机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单轴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动机的反转1.6生产机械的负载转矩特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他励直流电动机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他励直流电动机的启动直接启动电枢回路串电阻启动降低电枢电压启动1.9他励直流电动机的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10他励直流电动机的调速调速指标调速方法直流调速系统使用的可控直流电源主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构基本工作原理直流电动机的结构直流电动机的铭牌数据1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速1.基本工作原理电动机原理图1.基本工作原理基本工作原理1.基本工作原理基本工作原理

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2.直流电动机结构基本结构2.直流电动机结构1.风扇2.机座3.电枢4.主磁极5.刷架6.换向器7.接线板8.出线盒9.换向极10.端盖直流电动机的结构图基本结构2.直流电动机结构2.直流电动机结构定子部分机座（磁轭）：固定部件，形成电机磁路主磁极：产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁

绕组）组成换向极：改善换向，由换向极铁心和换向极绕组组成电刷装置：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主磁极示意图换向极示意图电刷装置示意图转子部分电枢铁心：形成电机磁路，安放电枢绕组电枢绕组：直流电动机的主要组成部分，产生感应电动势换向器：改善换向电枢铁心示意图换向器示意图3.直流电动机的铭牌数据3.直流电动机的铭牌数据额定运行情况：根据电机的设计和试验数据，按照国家标准规定的电机的正常运行状态和条件额定值（铭牌数据）：表征电机额定运行情况的各种数据主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应直流电动机的空载磁场直流电动机的电枢磁场电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速二、直流电动机的电枢反应

直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产

生的电枢磁场合成的一个合成磁场

直流电动机的运行特性在很大程度上取决于该磁场特性1.直流电动机的空载磁场空载：电动机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1.直流电动机的空载磁场直流电动机空载时磁场分布1.极靴2.极身3.定子磁轭4.励磁线圈5.气隙6.电枢齿7.电枢磁轭动画演示1.直流电动机的空载磁场励磁磁通可以分为两大类：主磁通：同时交链励磁绕组和电枢绕组，占绝大多数漏磁通：不进入电枢绕组，经过气隙直接进入临近的磁极

或磁轭，小部分主磁通是直流电动机进行电磁感应和能量转换所必需的，漏磁通只能使直流电动机效率降低主磁场在电机中的分布动画演示2.直流电动机的电枢磁场直流电动机在带载运行时，电枢绕组中有电流通过，产生电枢磁场。电枢磁场在电机中的分布

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电枢磁场与主磁场共同在气隙里建立合成磁场3.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，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变

使主磁场削弱，每个磁极下的磁通发生变化合成磁场在电机中的分布动画演示主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速1.直流电动机的电枢电动势

电枢绕组在磁场中转动时产生的感应电动势

电枢电动势：直流电动机正、负电刷之间的感应电动势

计算方法：电枢电动势即为每条支路里的感应电动势，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补充内容：直流电动机电枢绕组1.直流电动机的电枢电动势1.直流电动机的电枢电动势2.直流电动机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动机

电枢铁心半径之积称为电磁转矩2.直流电动机的电磁转矩制造好的直流电动机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比2.直流电动机的电磁转矩主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机直流电动机的励磁方式他励直流电动机的基本方程式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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速四、他励直流电动机直流电动机的励磁方式他励、并励、串励、复励他励直流电动机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1.直流电动机的励磁方式

根据直流电动机励磁绕组和电枢绕组与电源连接关系的不同，直流电动机可分为

他励式并励式串励式复励式1.直流电动机的励磁方式2.他励直流电动机的基本方程式电动势平衡方程式2.他励直流电动机的基本方程式转矩平衡方程式2.他励直流电动机的基本方程式功率平衡方程式直流电动机功率流图主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式单轴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动机的反转1.6生产机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速五、电力拖动系统的运动方程式

电力拖动系统是由电动机拖动生产机械系统，生产机械称为电动机的负载。电源控制设备电动机传动机构生产机械电力拖动系统组成示意图1.单轴拖动系统的运动方程式单轴拖动系统：电动机输出直接拖动生产机械运转的系统1.单轴拖动系统的运动方程式What？1.单轴拖动系统的运动方程式2.运动方程式中正、负号的规定正方向规定（1）规定正方向通常以电动机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时为正（3）电磁转矩方向与规定正方向相同时为正（4）负载转矩方向与规定正方向相反时为正3.拖动系统的运动状态4.他励直流电动机的反转要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定只要将磁通或者电枢电流中的任意一个参数改变方向，电磁转矩即可改变方向常用的直流电动机反转实现方法有：改变励磁电流方向：保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流即改变方向主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速六、生产机械的负载转矩特性生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小负载转矩特性：表征生产机械的转速与负载转矩之间的关系三种常见生产机械特性：

恒转矩负载特性（反抗性、位能性）

恒功率负载特性

通风型负载特性1.恒转矩负载特性所谓恒转矩负载是指

生产机械的负载转矩Tl的大小不随转速n变化，Tl的大小为常数根据负载转矩的方向特点又分为反抗性和位能性负载两种（1）反抗性恒转矩负载特点：

负载转矩的大小不变，但方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转举例：轧钢机、机床的平移机构（2）位能性恒转矩负载特点：

负载转矩由重力作用产生，无论生产机械运动方向变化与否，大小和方向始终不变举例：起重机2.恒功率负载特性方向特点：属于反抗性负载大小特点：当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为

恒定值，即负载转矩与转速成反比举例：切削机床3.通风机型负载特性方向特点：属于反抗性负载大小特点：负载转矩的大小与转速的平方成正比举例：通风机、水泵、油泵主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机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1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速七、他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢总电阻为恒值的条件下，转速调整特性1.机械特性方程式他励直流电动机电路原理图Backto人为机械特性1.机械特性方程式他励直流电动机的机械特性电源电压&电枢回路总电阻&励磁磁通均为常数2.固有机械特性和人为机械特性固有机械特性是当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性2.固有机械特性和人为机械特性人为机械特性是人为地改变电路参数或电枢电压而得到的机械特性一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个他励直流电动机有下列三种人为机械特性：

电枢串电阻时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性他励直流电动机原理图（1）电枢串电阻时的人为机械特性他励直流电动机串电阻时的机械特性动画演示（2）改变电枢电压时的人为机械特性他励直流电动机改变电枢电压时的机械特性动画演示（3）减弱磁通时的人为机械特性他励直流电动机改变励磁磁通时的机械特性主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动直接启动电枢回路串电阻启动降低电枢电压启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速八、他励直流电动机的启动启动：电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程电动机在启动过程中，电枢电流Id、电磁转矩Tem、转速n都随时间变化，是一个过渡过程启动电流Ist：开始启动的一瞬间，转速等于零时的电枢电流启动转矩Tst

：与启动电流相对应的电磁转矩八、他励直流电动机的启动对直流电动机的启动有如下要求：

启动转矩足够大（Tst

>Tl，电动机才能顺利启动）

启动电流Ist要限制在一定范围内

启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉1.直接启动

直接启动时启动电流将达到很大的数值；启动转矩也很大，可能造成设备损坏

除个别容量很小的电动机外，一般不允许直流电动机直接启动

对于一般他励直流电动机，为限制启动电流，可采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+_M+_2.电枢回路串电阻启动

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：设备简单，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动机，可用于小型电动机启动MKMKM1KM2KM3R1R2R3动画演示3.降低电枢电压启动

启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低以减小启动电流，电动机启动后再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值

特点：需要专用电源，投资较大，但启动电流小，启动平稳，启动能耗小主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10他励直流电动机的调速九、他励直流电动机的电气制动电动机的制动分为机械制动和电气制动两种电气制动是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩，该电

磁转矩起到阻碍运动的作用电动机制动有两方面意义：使拖动系统迅速减速停车（制动过程）限制位能性负载的下降速度（制动运行）他励直流电动机的电气制动方法有：

能耗制动、反接制动、回馈制动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。此时，电动机励磁不变，电枢电压为0，n不能突变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1.能耗制动

电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变成电能，消耗在电枢回路电阻上，因而称这种制动方式为能耗制动12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，使电枢电压反向并串入电阻，则进入电枢电压反接制动。

电磁转矩因电流反向而反向，成为制动转矩

如果要求系统停车，则在电枢电流为0时应当立即使电动机脱开电源，系统制动过程结束

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122.反接制动（1）电枢电压反向反接制动

电动机提升重物时，将较大电阻RH串入电路，使提升转矩小于下降的位能转矩，系统将进入倒拉反转反接制动

此时转速反向，使得反电动势反向，则

电磁转矩与转速方向相反+_G2.反接制动（2）倒拉反接反转制动

此运行状态是由于位能负载转矩拖动电动机反转而形成的，因此称为倒拉反接制动

电动机进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路要串入较大电阻。

这种制动方式不能用于停车，只能用于重物下放2.反接制动（2）倒拉反接反转制动3.回馈制动

电动机在电动运行状态下，由于某种条件的变化，使得电枢转速超过理想空载转速，则进入回馈制动

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，表明电动机处于发电状态，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3.回馈制动12

由于电枢电压、电枢回路电阻、励磁磁场均与电动运行时一样，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

回馈制动时电枢回路不允许串入电阻，否则将会稳定运行在很高的转速B点主要内容1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.2直流电动机的电枢反应1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机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他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速调速指标调速方法直流调速系统使用的可控直流电源十、他励直流电动机的调速调速：人为改变速度的方法可以用机械的方法或电气的方法实现调速电气调速：人为地改变电气参数，有意识地使电动机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动机调速进行的一种控制调速与电动机在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念1.调速指标

为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标（1）调速范围电动机在额定负载下调速时，其最高转速与最低转速之比不同生产机械对调速范围的要求不同1.调速指标（2）静差率（转速变化率）

电动机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1.调速指标（2）静差率（转速变化率）

调速范围与静差率两项性能指标互相制约采用同一种方法调速时，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，不同的调速方法其调速范围不同1.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程度

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1.调速指标（4）调速的经济性包含两方面内容：一是指调速所需的设备投资和调速过程中的能量损耗二是指电动机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2.调速方法

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，都能引起转速的变化电枢串电阻调速：操作简单方便，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，可调压电源设备投资较高弱磁调速：操作方便，效率高，调速范围小，转速稳定性差2.调速方法

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，可称为恒转矩调速方法

弱磁调速在不同转速时容许的输出功率基本相同，称为恒功率调速方法

为了扩大调速范围，直流电动机可以采用调压和弱磁配合控制的混合调速方法，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3.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方法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：静止可控整流器（如：晶闸管整流装置）直流斩波器/脉宽调制变换器本章小结

直流电动机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。

电枢绕组是直流电动机中传递能量的关键元件，绕组中的电动势和电流是交流的，通过换向器和电刷输出的是直流电动势和直流电流。

电动机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。电枢反应将使磁场产生畸变，其结果是使功率下降并造成换向困难。本章小结

直流电动机按励磁方式的不同可分为他励、并励、串励和复励直流电动机，各种励磁方式的运行性能不同。

直流电动机内部物理量之间的关系主要由电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式来反映，外部运行性能主要由转速特性、转矩特性、效率特性来反映。本章小结

生产机械的负载转矩特性是根据转矩方向和大小的变化特点进行分类的，分为：反抗性恒转矩负载特性、位能性恒转矩负载特性、恒功率负载、风机型负载等典型类型。

电动机的机械特性是指稳态运行时转速与电磁转矩的关系，它反映了稳态转速随转矩的变化规律。固有特性反映了在额定条件和接线时的运行性能，人为特性是为了改变电动机的运行特性而施加的人为控制。

直流电动机可以直接启动，也可以通过串接电阻或降压启动；电气制动方法则有能耗制动、反接制动和回馈制动。

电力拖动得到广泛应用的主要原因是它具有良好的调速性能，对调速性能好坏评价指标是调速范围、静差率、