机电传动与控制(华中科技大学第四版)

1．发电机原理 ： 将机械能转换为电能 。 直流发电机工作原理 ． 发电机原理：将机械能转换为电能。 如图所示： 图如图所示：c3-1.swf 作为发电机运行时： 作为发电机运行时：导体在磁场内 作切割磁力线运动， 作切割磁力线运动，导体中便感应出电 动势。 动势。
E = Keφ n
(3.1)
2．电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图 ．电动机原理：将电能转换为机械能。 如图所示： 如图所示： C3-2.swf 作为电动机运行时： 作为电动机运行时：带电导体在磁 场中要受到电磁力（ 的作用。 场中要受到电磁力（矩）的作用。
T = Ktφ Ia
(3.2)
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩， 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的 是阻转矩 驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须 驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩 与发电机的电磁转矩T 及空载损耗转矩T 相平衡。 与发电机的电磁转矩 M及空载损耗转矩 0相平衡。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此， 是驱动转矩 的电磁转矩T 必须与机械负载转矩T 及空载损耗转矩T 相平衡。 的电磁转矩 M必须与机械负载转矩 L及空载损耗转矩 0相平衡。
四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 1．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的 ．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电， 大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（ ）所示。 大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。t35-1.swf
电枢回路部分 U = E + I a Ra
励磁回路部分
式中: 式中 U ——外加电枢电压（V）； 外加电枢电压（ ）； 外加电枢电压 感应电势（ ） 感应电势 E ——感应电势（V）； 电枢电流（ ） 电枢电流 I a ——电枢电流（A）； Ra ——电枢回路内阻（ ） 电枢回路内阻（ 电枢回路内阻
从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时， 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时， 虽然都产生电动势E和电磁转矩 ，但二者的作用正好相反， 虽然都产生电动势 和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ： 和电磁转矩 电机运行 方式 发电机 电动机 E与I的方 与 的方 向 相同 相反 E的作用 的作用 电源电动势 反电动势 TM的性质 阻转矩 驱动转矩 转矩之间的 关系 T1=TM+ T0 TM= TL+ T0
n = f (T )。
三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压 和励磁磁 的大小以及电枢回路串接附加电阻R 通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻 ad所得到的机械特性。 的大小以及电枢回路串接附加电阻 所得到的机械特性。 1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 (U = U N ,Φ = Φ N )
3、4—换向器：电刷固定不动， 换向片与电枢绕组一起旋转， 、 换向器： 换向器 电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转， 主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电 刷间的直流电势。对电动机而言， 刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为 电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下， 电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方 向不变，以产生恒定的电磁转矩。 向不变，以产生恒定的电磁转矩。
U n0 = K eΦ
2. 转速降落
R a n −n= T 2 0 K K Φ e m
3. 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念， 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念， 其定义为： 其定义为： dT ∆ T β= = × 100% dn ∆ n
即转矩变化与所引起的转速 变化的比值， 变化的比值，称为机械特性的硬 度。 值的不同， 根据β值的不同，可将电 动机机械特性分为三类。 动机机械特性分为三类。
式中： 式中：η N =
PN UN IN Ia = I N
是额定运行条件下电动机的效率， 是额定运行条件下电动机的效率，且此时
故得
PN U N Ra = (0.5 ~ 0.75)(1 − ) UN IN IN
K (2) 求 eΦ N 额定运行条件下的反电势为： 额定运行条件下的反电势为： E N = K eΦ nN = U N − I N Ra
励磁电流I 励磁电流 f的大小与电枢电流 Ia的 大小无关，它的大小只取决于 Rf、 大小无关， Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定 的大小， 为定值， 为定值。 时, If为定值，即磁通Φ为定值。 对应的机械特性如图所示： 对应的机械特性如图所示：
理想空载点
1. 理想空载转速： 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转 时的转速称为理想空载转 表示。 速，用n0表示。 根据机械特性可知： 根据机械特性可知：
4．复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并 ．复励电动机：励磁绕组分为两部分， 联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（ ）所示:t3-5-4.swf 联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示
3．2 直流他励电动机的机械特性 ． 一、机械特性的一般形式 电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 转速与电磁转矩之间的关系 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同， 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介 绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理 ． 一、直流电机所示：
根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子 转子和 定子、 根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换 向器三大部分。 向器三大部分。 三大部分 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成 换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上， 换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与 由换向片和电刷组成 电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。 电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
(1) 估算电枢电阻 a 估算电枢电阻R 依据：电动机在额定负载下的铜耗 约占总损耗∑ 依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗∑∆ PN的 50%～75%。 ～ 。
输入功率－ ∵ ∑∆ PN＝输入功率－输出功率 ＝ U NI N − PN ＝ U N I N − η NU N I N ＝(1 − η N )U N I N ∴ I a 2 Ra = (0.5 ~ 0.75)(1 − η N )U N I N
第三章 直流电机的工作原理及特性 重点掌握： 重点掌握： • 了解直流电机的基本结构及工作原理； 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及 掌握实现直流电动机启动、 它们的使用场所。 它们的使用场所。 电机分交流和直流两种。 电机分交流和直流两种。 直流电机—工作电压或输出的电压为直流； 直流电机 工作电压或输出的电压为直流； 工作电压或输出的电压为直流 交流电机—工作电压为交流 工作电压为交流。 交流电机 工作电压为交流。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机—将电能转换为机械能 将电能转换为机械能； 直流电动机 将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能 将机械能转换为电能。 直流发电机 将机械能转换为电能。
直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求 即可绘出固有的机械特性。 出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。 和 即可绘出固有的机械特性 通常直流电动机铭牌上给出额定功率P 通常直流电动机铭牌上给出额定功率 N 、额定电压 UN 、额 定电流I 定电流 N和额定转速 nN。 固有机械特性的计算步骤如下。 固有机械特性的计算步骤如下。
1— 主磁极：励磁绕组上加上直 主磁极： 流电压， 流电压，励磁绕组上有励磁电流 通过，使定子铁心产生固定磁场， 通过，使定子铁心产生固定磁场， 即定子的主要作用是产生主磁场。 即定子的主要作用是产生主磁场。
2—电枢绕组 ： 在固定的磁场中 电枢绕组： 电枢绕组 旋转， 旋转，主要作用是产生感应电动 势或产生机械转矩， 势或产生机械转矩，实现能量的 转换。 转换。 3—电刷 电刷 4—换向片 换向片
（1）绝对硬特性β→∞ ） （2）硬特性β>10 ） （3）软特性β<10 ）
β=
dT ∆ T = × 100% dn ∆ n
二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（ 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压 UN和额定磁通 ΦN )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T) 下和电枢电路内不外接任何电阻时的 即: UN Ra n= T 是一条直线。 − 是一条直线。 2 K eΦ N K e K mΦ N
U N − I N Ra 故 K eΦ N = nN (3) 求理想空载转速 求理想空载转速: UN n0 = 得 (0 , n0 ) K eΦ N (4) 求额定转矩 求额定转矩: PN PN TN = = 9.55 得 (TN , nN ) ϖN nN
根据 (0 , n0 )、(TN , nN ) 两点， 两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线
2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接， 起供电。如图（ ）所示。 起供电。如图（b）所示。t3-5-2.swf
四、直流电动机的分类 3．串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源 ．串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接， 一起供电。如图（ ）所示： 一起供电。如图（c）所示：t3-5-3.swf
电压平衡方程式为： 电压平衡方程式为：U = E + I ( R + R ) N a a ad 得到的人为机械特性方程式为： 得到的人为机械特性方程式为： = U N − Ra + Rad T n 2 K eΦ N K e K mΦ N
UN Ra + Rad UN Ra T T 与n = − 把n = − 2 2 K eΦ N K e K mΦ N K eΦ N K e K mΦ N 空载速度不变； 空载速度不变；
二、基本的工作原理 为了讨论直流电机的工作原理， 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化 为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈， 为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联 在两个换向片上，换向片上压着电刷A和 。如图所示： t3-2.swf 在两个换向片上，换向片上压着电刷 和B。如图所示：
T ∵ E = K eΦ n、 = K mΦ I a ∴U = K eΦ n + I a Ra Ra U 即：n = I a ……转速特性 − 转速特性 K eΦ K eΦ
Ra U n= T ……机械特性 − 机械特性 2 K eΦ K e K mΦ 由他励电动机的特性可知： 由他励电动机的特性可知：