第9章直流电动机的电力拖动

合集下载

第二部分(直流电机的电力拖动-思考题与习题)Word版

第二部分直流电机的电力拖动思考题与习题1、什么叫电力推拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。

2、写出电力拖动系统的运动方程式，并说明该方程式中转矩正、负号的确定方法。

3、怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？4、研究电力拖动系统时为什么要把一个多轴系统简化成一个单轴系统？简化过程要进行哪些量的折算？折算时各需遵循什么原则？5、起重机提升重物与下放重物时，传动机构损耗由电动机承担还是由重物承担？提升或下放同一重物时，传动机构的效率相等吗？6、电梯设计时，其传动机构的上升效率η<0.5，若上升时η=04，则下降=15N·m，则下降时的负载时的效率η是多少？若上升时负载转矩的折算值TL转矩折算值为多少？7、从低速轴往高速轴折算时，为什么负载转矩和飞轮矩都要减小？8、起重机提升某一重物时，若传动效率小于0.5，那么下放该重物时传动效率为负值，此时的特理意义是什么？9、生产机械的负载转矩特性常见的哪几类？何谓位能性负载？10、表1中所列各电力拖动系统的数据不全，请通过计算把空格填满，计算时忽略电动机的空载转矩。

表14 17.6 128 0.85 85 78 5.5 16.5 减速11、表2所列电动机拖动生产机械在稳态运行时，根据表中所给数据，忽略电动机的空载转矩，计算表内未知数据并填入表中。

表2生产机械切削力或重物重F,G/N切削速度或升降速度v/m·s-1电动机转速n/r·min传动效率负载转矩TL/N·m电磁转矩Tem/N·m刨床3400 0.42 975 0.80 起重机9800 提升1.4 1200 0.75下降1.4电梯1500 提升1.0 950 0.42下降1.012、如图所示的运动系统中，已知n1/n2=3,n2/n3=2, GD21=80N·m2，GD22=250N·m2，GD 23=750 N·m2，I’L=90 N·m2，（反抗转矩），每对齿轮的传支效率均为η=0.98，求折算到电动机轴上的负载转长和总飞轮矩。

习题二：直流电动机的电力拖动

习题二1、已知切削力F=2000N ，工件直径d=1500mm ，电动机转速n=1450转/分，传动机构的各级速度比为：j 1=2，j 2=1.5，j 3=2。

各转轴的飞轮转矩分别为：()225.3m N GD M ⋅=，()2212m N GD ⋅=，()2227.2m N GD ⋅=，()2239m N GD ⋅=。

各级传动效率分别为：η=0.9，试求：（1）切削功率（2）电动机输出功率（3）系统总的飞轮转矩（4）忽略电动机的空载制动转矩时，电动机的电磁转矩（5）车床开车未切削时，若电动机转速加速度dn/dt =800r/min s ，忽略电动机的空载制动转矩，但不忽略传动机构的损耗转矩时，求电动机的电磁转矩。

解：由于上述问题都与电动机有关，所以，首先将各种参数折算到电动机轴上，等效为一简单的单轴系统。

由图可知，系统为4轴变速系统。

于是有：系统总的飞轮转矩为：()()()()223212322122212122 4.5536997.25.05.3111m N j j j GD j j GD j GD GD GD M ⋅=+++=⋅⋅+⋅++=等效()m N 24225.121450321⋅=⨯⨯=⋅⋅=j j j n n m L()()m N 3450.72925.122/5.120002/11321⋅=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅=⋅=D F j j j T j T C L C C L ηη等效于是切削功率为：()()kW 38105.024275.0200060/22/≈⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=Ω⋅=L L L L n D F T P π 电动机输出功率为：()kW 52.12629.0383===CLm P P η 如电动机的空载制动转矩视为T 0，电机处于平稳状态时的电磁转矩则为：()m N 4530⋅=+=等效L em T T T当电动机处于加速状态，但仍为空载时，由牛顿第二定律可知：C L em dt dn GD T T T η/37520⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=--等效等效此时的电磁转矩为： ()m N 13.3150.729/8003754.55/37502⋅=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=等效等效L C emT T dt dn GD T η 2、已知龙门刨传动机构如图所示。

电机与拖动基础9

四象限可逆式直流PWM变换器
具有四象限运行功能的直流PWM变换器如下图所示。
具有四象限运行的H桥直流PWM变换器
下面对直流PWM变换器在四象限的运行情况分别讨论如下：
第I象限运行：第I象限对应于直流电机处于正向电动机运行状态，此时，电枢电流和转速（或反电势）的方向均为正。
图a给出了第I象限运行时主回路的电路图。此时，主开关
电子与信息工程学院
电机与拖动基础
直流电动机的电力拖动
直流电动机的四象限运行
到此为止，他励直流电动机四个象限的运行状态全部讨论过，现将四个象限运行的机械特性画在一起，如右图所示。可见，电动机运行状态分成两大类， T与n同方向时为电动运行状态，T与n反方向时为制动运行状态。
第II象限运行的直流PWM变换器
下图给出了第II象限运行时的电枢电压和电流的波形。
第II象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形
由上图可见，电枢两端的平均电压为正，而平均电枢电流为负，表明电功率由直流电机流向电源。
第III象限运行：第III象限对应于直流电机处于反向电动机状态，此时，转速（或反电势）与电枢电流均反向。
电流增加。若
下图a给出了第III象限运行时主回路的电路图。图中，主开关 T3 和T4 同时导通，
T4 关断，则电枢回路通过
短路，如图b所示。 D1
第III象限运行的直流PWM变换器 a、b分别给出了电流连续和断续时的电枢电压和电流波形。
第III象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形第III象限时系统的运行情况与第I象限类似。
反并联连接的两式下直流电的调速
斩控式PWM变换器（又称为斩波器）可以将恒定的直流电源电压变换为大小和极性均可调的直流电压，从而方便地实现直流电动机的平滑调速以及四象限运行。由于采用全控型器件（如IGBT、MOSFET、GTR），其开关频率高，系统的动态响应快，调速范围宽（可达 1:20000），综合指标明显优于相控式变流器。

电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第九章

图9-12 双环位置伺服系统结构图
§9.3伺服系统的设计
三.双环位置伺服系统
系统的开环传递函数为
W op (s)
系统的开环放大系数
K p ( i s 1) CT /( jJ ) K ( i s 1) 3 2 is s (Ti s 1) s (Ti s 1)
K
三.双环位置伺服系统
由Routh稳定判据求得系统稳定的条件
i d Ti ( i d ) K ( i d )( i d Ti ( i d )) 1
图9-13 采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性
§9.3伺服系统的设计

常用的调节器有比例－微分（PD）调节器、比例－积分（PI）调节器以及比例－积分－微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。
§9.3伺服系统的设计
一.调节器及其传递函数

在系统的前向通道上串联PD调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。

机械传动机构的状态方程
d m dt j
§9.2伺服系统控制对象的数学模型
一.直流伺服系统控制对象的数学模型

驱动装置的近似等效传递函数

状态方程
Ks Ts s 1
dUd 0 Ks 1 Ud0 uc dt Ts Ts
§9.2伺服系统控制对象的数学模型
一.直流伺服系统控制对象的数学模型
图9-11 双环位置伺服系统
§9.3伺服系统的设计
三.双环位置伺服系统
忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为
Wobj ( s )

直流电机的电力拖动第部分

C、调速方式与负载类型旳配合
调速系统须满足下列两个准则：（1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求： Ia ；IN （2）电动机旳负载能力要尽量得到充分利用。
鉴于此，不同类型旳负载必须选择合适旳调速方式。
下面分别就不同调速方式以及多种调速方式所适合旳负载类型加以讨论。
1. 调速方式
电力拖动系统旳调速方式主要分为两大类：（1）恒转矩调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下，保Tem持不变；（2）恒功率调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下，保Pe持m 不变。
直流电机旳电力拖动
3.6 直流电动机旳调速
A、与调速有关旳性能指标
a、调速范围D：
定义：调速范围定义为拖动系统旳最高转速（或速度）与最低转速（或
速度）之比，即：
b、静差率：
D nmax vmax nmin vmin
（3-46）
定义：对调速系统旳静差率即转速变化率，它是指理想空载转速与额定
老式旳可调压电源可采用如图3.24所示旳发电机-电动机旋转机组方案。
图3.24 直流发电机-电动机机组旳可调直流电源目前应用较为广泛旳是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，有关内容已在《电力电子技术》中简介过。
2. 弱磁升速
图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时旳人工机械特征。
图3.25 励磁变化情况下旳直流电动机人工机械特征和负载特征
结论：基速下列，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以上，
则采用恒功率调速方式。
图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中旳机械特征与负载能力曲线。
图3.27 他励直流电动机调速过程中所允许旳转矩和功率
2. 调速方式旳选择

他励直流电动机的运行

电网输入功率 P1 UNIa 4 4 5 W 0 0 22 W 0 2 k 0 2 W 0
电枢电路电阻上消耗的功率
P Ia2R 52 0 1.4 3 W 8 33 W 7 3.7 0 k 30 W
轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）
P 2 E a Ia (U N Ia R )Ia( 4 5 4 1 0 .4 ) 3 5 8 W 0 11 W 7 1 .7 k 0 1
B′
B
电气参数：＝ N， U ＝-UN，电枢回路总电
阻R＝Ra＋Rc
n0
nn0 T
A
TB′
C点n=0时
CE
TB -TC -TL o
TL
T
D
Iac
UNEa RcRa
0
Tc 0
Rc限制制动初始时刻的电流
若Tc <TL 系统停车
-n0
若Tc > TL Tc-TL<0 n<0 反向加速到D点稳定运行
例9-6 一台他励直流电动机，PN=5.6KW，UN=220V， IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4，负载转矩 TL=49 N·m，
电枢电流不得超过2倍额定电流。试计算：(略T0）
1).电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300r/min速度下放重物，采用倒拉反接运行，电枢回路应串入多大电阻？若采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大电阻？
电动机带动反作用负载，从 n50r0/mi进n行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。
解
CeUN
INRa nN
4407.620.3930.39 1050
串接在电枢电路中的电阻值

电机拖动精简版讲解

20012-2013《电机与拖动》复习精简版提纲第一部分直流电机及直流电动机的电力拖动一、填空题：4、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_________ 直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向______ 。

（相反；相同）6、直流电机的电磁转矩是由_______ 和_______ 同作用产生的。

（每极气隙磁通量；电枢电流）8直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 ___________ 。

（交流的。

）9、并励直流电动机，当电源反接时，其中l a的方向 _________ ，转速方向_________ 。

（反向，不变。

）10、直流发电机的电磁转矩是转矩________ ，直流电动机的电磁转矩是转矩_________ O （制动，驱动。

）11、电枢反应对并励电动机转速特性和转矩特性有一定的影响，当电枢电流la增加时，转速n将 _________ ，转矩Te将 __________ O（下降，增加）13、直流电动机调速时，在励磁回路中增加调节电阻，可使转速_______ ，而在电枢回路中增加调节电阻，可使转速__________ 。

（升高，降低。

）14、电磁功率与输入功率之差，对于直流发电机包括___________ 损耗；对于直流电动机包括损耗。

（空载损耗功率，绕组铜损耗。

）15、串励直流电动机在电源反接时，电枢电流方向________ ，磁通方向_______ ，转速n的方向___________ 。

（反向，反向，不变）16、当保持并励直流电动机的负载转矩不变，在电枢回路中串入电阻后，则电机的转速将_________ 。

（下降）17、并励直流发电机的励磁回路电阻和转速同时增大一倍，贝U其空载电压 _____ 。

（不变）18、直流电机若想实现机电能量转换，靠_________ 电枢磁势的作用。

（交轴）20、他励直流电动机的固有机械特性是指在________ 件下，_________ 和 _______ 的关系。

电机拖动重点归纳

第二章一、负载的转矩特性：负载的转矩特性是指生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系即：n=f(TL)___恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速n无关,恒转矩负载分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。

反抗性恒转矩负载特性:恒值负载转矩Tf 总是与转速nf的方向相反，即作用方向是阻碍运动的方向。

当正转时nf 为正，Tf与nf方向相反，应为正，即在第一象限,当反转时nf为负，Tf 与nf方向相反，应为负，即在第三象限；当转速nf=0时外加转矩不足以使系统运动。

位能性恒转矩负载特性特点:Tf 的方向与nf的方向无关。

Tf具有固定不变的方向。

例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。

当nf >0时，Tf>0，是阻碍运动的制动性转矩;当nf <0时，Tf>0，是帮助运动的拖动性转矩。

故转矩特性在第一和第四象限。

恒功率负载转矩特性特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。

电力拖动系统的稳定运行的必要条件：动转矩为零，即n不变，T=TL第三章直流电机的用途：把机械能转变为直流电能的电机为直流发电机；把直流电能转变为机械能的电机是直流发电机。

直流发电机用来作为直流电动机和交流发电机的励磁直流电源。

直流电动机的工作原理：线圈不由原动机拖动；电刷接直流电源；直流电源通过静止的电刷与随电枢转动的换向器的滑动接触把直流电源转换成电枢中的交流电，保证电枢转矩的方向不变，电枢保持逆时针旋转。

直流发电机的工作原理:用两个相对放置的导电片(换向片)代替交流发电机的两个滑环，电刷接触的换向片始终是相同一侧的线圈边，所以N极一侧的电刷得到的电压始终是（+），S极一侧的电刷得到的电压始终是（-）。

直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。

如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。

机车直流电机的电力拖动—牵引电动机的一般概念

牵引电动机的一般概念
Zd103脉流牵引电动机额定功率： 800(kw) 重量：4000(kg) 励磁方式：串励最高转速：1920(r/min) 绝缘等级：H/F 主要用途：SS3 、SS3B型电力机车
ZD107脉流牵引电动机额定功率： 800(kw) 重量：3100(kg) 励磁方式：串励最高转速：1990(r/min) 绝缘等级：H/H 悬挂方式：架承式传动方式：电枢空心轴主要用途：TM1型电力机车
牵引电动机的一般概念
(4)各部件应具有足够的机械强度，以保证电机在最恶劣的运行条件下可靠工作。 (5)牵引电动机的绝缘必须具有很高的电气强度，并具有良好的防潮和耐热性能，以保址电机有足够的过载能力，并在其寿命期限内可靠工作。 (6)牵引电动机的结构应充分适应机车运行和检修的需要。如电机的传动与悬挂应使机车与钢轨间的动力作用尽量减小；对灰尘、潮气及雨雪的侵入有良好的防护；便于检修和更换电刷等。 (7)必须尽可能地降低牵引电动机单位功率的重量，使电磁材料和结构材料得到充分利用。
牵引电动机的一般概念
近些年来，国内外一些机车采用滚动抱轴承。与滑动抱轴承相比，滚动抱轴承的优点为滚动轴承工作可靠，维修工作最小，而且减小了抱轴承的径向间隙，改善牵引齿轮的啮合条件，延长牵引齿轮的使用寿命。
牵引电动机的一般概念弹性轴悬式也属于牵引电动机半悬挂（轴悬式）
弹性轴悬式的结构与刚性轴悬式相似，牵引电动机的一端弹性支在转向架构架上，另一端通过抱轴承支承在空心轴上，此空心轴套装在车轴的外面，从动大齿轮固装在空心轴端部，空心轴两端通过弹性元件支承在轮心上，牵引电动机输出的力矩通过小齿轮传至大齿轮，通过空心轴、弹性元件传至轮对，空心轴与车轴一同旋转。装在轮心上的弹性元件，既要支承牵引电动机约一半的重量和空心轴及大齿轮的全部重量，还要传递牵引电动机通过大齿轮传来的力矩。

直流电机的电机拖动

减弱电机主磁通的人为机械特性
保持端电压为额定值不变,电枢回路不串电阻 (Rc=0),只改变励磁电流的机械特性. 表达式:
n n0 Φ N' ΦN 固有 Φ N> Φ N' 0 人为
U Ra n= N M em Ceφ CeCM φ 2
' ' = n0' β N M em
额定时,接近饱和,一般都为减弱的磁通.
直流电机的电机拖动
1.电力拖动的动力学基础; 2.他励电动机的机械特性; 3.他励直流电动机的起动; 4.他励直流电动机的制动; 5.他励直流电动机的调速;
电力拖动系统的动力学基础
以电动机作为原动机,按人们所给定的规律来带动生产机械, 称为电力拖动. 电源控制设备电动机传动机构工作机构
电力拖动系统的构成
dM em dM Z 稳定点的条件: dn < dn
M
0
n
他励直流电动机的机械特性
直流电动机的基本方程式: 电磁转矩: 感应电动势: 电枢回路电势平衡式: 电动机转速特性: 机械特性一般表达式:
M em = CM φ I a
E a = C Eφ n
U = E a + I a Ra
U IaR n= C Eφ
U R n= M em 2 Ceφ CeCM φ
他励直流电动机的固有机械特性
当U=UN,φ= φN,电枢回路无外接电阻时,转速与转矩之间的关系.
UN Ra n= M em 2 Ceφ N CeCM φ N
分析: 1. 电磁转矩越大, 转速越低, 机械特性是一条下斜直线;
n n0 n'0 nN
基础
运动方程:M M Z
d GD 2 dn =J = dt 375 dt

直流电机及其电力拖动工作原理

直流电机及其电力拖动工作原理直流电机是实现直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机，分为直流发电机和直流电动机。

如果作为发电机，必须由原动机拖动，把机械能转换为直流电能，以满足生产的需要，如直流电动机的电源、同步发电机的励磁电源（称为励磁机）、电镀和电解用的低压电源；如果作为电动机，将电能转变成机械能来拖动各种生产机械，以满足用户的各种要求。

由于直流电动机具有良好的起动特性，能在宽广的范围内平滑而经济地调速，所以它广泛地用于对起动和调速性能要求较高的生产机械上，如轧钢机、高炉卷扬设备、大型精密机床等。

小容量直流电机广泛作为测量、执行元件使用。

一、直流电机的基本原理和结构直流电机主要由定子和转子组成，定子由主磁极（产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成）、换向磁极（改善换向）、电刷装置（与换向片配合，完成直流与交流的互换）、机座和端盖（起支承和固定作用）组成；转子由电枢铁心（主磁路的一部分，放置电枢绕组）、电枢绕组（由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分）、换向器（与电刷装置配合，完成直流与交流的互换）、转轴、轴承组成。

直流电机是根据电磁感应定律和电磁率定律实现机械能与直流电能转换的电器设备。

按照转换方向不同可分为直流发电机（机械能转换为电能）和直流电动机（电能转换为机械能）。

二、直流电机的电力拖动原理由直流电机作为原动机的拖动系统称为直流电力拖动系统。

其优点是：系统的起动转矩大，在较大范围内能平滑地进行速度调节，控制简便。

然而，由于直流电机具有换向器和电刷，给使用带来了不少限制，如不能使用在易燃、易爆的场合；另外，换向器还限制了电机向高速、大容量方面发展。

尽管如此，直流电机在电力拖动系统的调速和起动方面的优势，使其至今仍在各个工业传动中发挥着重要的作用，特别是小型直流控制电机。

不同类型、励磁方式的电机特性各不相同，它们分别适用于不同类型的生产机械和工艺要求，本节以应用最为广泛的他励直流电机拖动系统为典型，研究他励直流电机的机械特性、起动、制动、调速运行及电力拖动系统稳定运行的条件。

第9章,电力拖动自动控制系统,运动控制系统,第5版,阮毅

9.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统
图9 -12 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图
9.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统
图9 -13 PWM逆变器输出电压图9 -14 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动
9.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第 9章
同步电动机变压变频调速系统
同步电动机变压变频调速系统

同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动困难两大问题，曾制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。

同步电动机变压变频调速系统
变频技术的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。随着变频技术的发展，同步电动机调速系统的应用日益广泛。同步电动机调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。
Te max
图9 -3 隐极同步电动机的矩角特性
3U s Es m xd
9.1.4 同步电动机的稳定运行
0

2
能够稳定运行
图9 -4 隐极同步电动机的矩角特性
9.1.4 同步电动机的稳定运行

2
不能稳定运行，产生失步现象。
图9 -5 隐极同步电动机的矩角特性
9.1.5 同步电动机的起动

9.3.1自控变频同步电动机
需要两套可控功率单元，系统结构复杂。
图9 -9 自控变频同步电动机调速原理图 UI——逆变器 BQ——转子位置检测器
9.3.1自控变频同步电动机

电机与电力拖动基础 (全)

何中性线处的导体上. 2.绕组只画一层,都在电枢表面上. 3.电流方向以电刷为分界线. 4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷处磁势最强,主磁极的极轴线处
⊕⊙⊕⊙⊕⊙S⊕⊙⊕⊙⊕⊙⊕⊙⊕N⊙⊕⊕⊙⊙
电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极
磁势正交,称交轴电枢磁势 .
把电枢圆周从电刷处切开展成直线并以主磁极轴线与电枢表面的交点为空间坐标的起点,这点的电枢磁动势为零. 电枢磁动势沿空间的分布: 电枢线负荷--- 电枢圆周表面单位
一、直流电机的电枢电动势
电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势。
刷间电动势等于其中一条支路的电动势。推导过程: 设绕组为整距元件,电刷在几何中线上.
如电枢绕组总导体数为N, 并联电路数为2a 则绕组每条支路的导体数为N/(2a). 如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势,
本课程的性质、任务及学习方法
1、性质：在工业电气自动化专业中，《电机原理及拖动》是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课。
2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还要有一定深度的了解。
长度上的安培导体数.
A=
N ia πD
应用全电流定律,有ΣHl=2Ax
认为总磁势全部降在两段气隙上
2Fax=2Ax 即 Fax=Ax 磁密 Bax=μ0Hax=µ0Fax /δ
n
N
S
⊙⊙⊙⊙ ⊕⊕⊕⊕
xx xx Fax
0x
Bax
x n
二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应
此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这

电机拖动复习资料答案

直流电机1、直流电机的静止部分称为定子，它的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置、等部分组成。

转动部分称为转子，它的作用是产生电磁转矩和感应电动势，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

2、单叠和单波绕组，极对数均为p时，并联支路数分别为2p 、 2 。

3、直流电机电枢绕组有叠绕组和波绕组两种基本联接方式，一般来说对电流大、电压较低的直流电机，电枢绕组应采用叠绕组。

4、直流电机的电枢反应的定义是通常把电枢磁动势对空载气隙磁通密度分布的影响称为电枢反应，当电刷在几何中性线时，对于电动机来讲，产生气隙磁场畸变性质的电枢反应，其结果使前极端磁场增强和后极端磁场减弱，物理中性线（逆着）电枢旋转方向偏移。

5、电枢绕组的感应电动势简称电枢电动势。

电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的感应电动势。

6、直流电机的电磁转矩是由电枢电流和磁场共同作用产生的。

直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向相反，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向相同。

7、直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷短路从一条支路转到另一条支路里时，电流的方向改变的过程称为换向。

改善换向的方法一般有装换向极和选择合适的电刷两种方法。

8、直流电机的励磁方式有并励、他励、串励和复励。

9、并励直流发电机自励建压的条件是电机磁路中要有剩磁、励磁绕组并联到电枢两端的极性正确、励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。

10、直流电动机的工作特性是指电动机在端电压U=U N、励磁电流I=I N、电枢回路不串电阻的条件下，电动机的转速n、电磁转矩T、效率与电枢电流I a之间的关系。

11、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当 U=E a+R a I a时为电动机状态，当 U=E a-R a I a时为发电机状态。

12、直流电机的转向是由电枢电流方向和磁场方向确定的，改变转向的方法有改变电枢电流方向和改变励磁方向两种。

电机拖动基础试题及答案

《电机与拖动基础》试题库及答案第一部分直流电机一、填空题：1、并励直流发电机自励建压的条件是_______;_______;_______。

(主磁路存在剩磁；并联在电枢两端的励磁绕组极性要正确，使励磁电流产生的补充磁通方向与剩磁磁通方向相同；励磁回路的总电阻必须小于临界电阻)2、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当_______时为电动机状态，当_______时为发电机状态。

（Ea 〈U；Ea〉U）3、直流发电机的绕组常用的有_______和_______两种形式，若要产生大电流，绕组常采用_______绕组。

（叠绕组；波绕组；叠）4、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______。

（相反；相同）5、单迭和单波绕组，极对数均为p时，并联支路数分别是_______，_______。

（2p；2）6、直流电机的电磁转矩是由_______和_______共同作用产生的。

（每极气隙磁通量；电枢电流）7、直流电机电枢反应的定义是_______，当电刷在几何中线时，电动机产生_______性质的电枢反应，其结果使_______和_______，物理中性线朝_______方向偏移。

（电枢磁动势对励磁磁动势的作用；交磁；气隙磁场产生畸变；对主磁场起附加去磁作用）二、判断题1、一台并励直流发电机，正转能自励，若反转也能自励。

（）（F）2、一台直流发电机，若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。

（）（T）3、一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电机转向也改变。

（F）4、直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。

（）（F）三、选择题1、直流发电机主磁极磁通产生感应电动势存在于（）中。

（1）（1）电枢绕组；（2）励磁绕组；（3）电枢绕组和励磁绕组2、直流发电机电刷在几何中线上，如果磁路不饱和，这时电械反应是（）（3）（1）去磁；（2）助磁；（3）不去磁也不助磁。

电机拖动课程设计直流电动机调速系统设计

直流电动机调速系统设计直流电动机直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械;直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械;它与交流电动机如三相异步电动机相比,虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等,目前已不如交流电动机应用普遍,但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩,得到广泛应用;本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍;下图为直流电动机的结构原理图,图中的N和S是一对固定不动的磁极,用以产生所需要的磁场;容量较大一些的电机,磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生;为了清晰,图中只画出了磁极的铁心,没有画出励磁绕组;在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组;直流电机这部分称为电枢,而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内,电枢绕组的电流称为电枢电流;线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接,铜片上有各压着一个固定不动的电刷;在直流电动机中,为了产生方向始终如一的电磁转矩,外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流,这一过程称为电流的换向;换向的铜片称为换向片;互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器;图1：直流电动机原理图一、直流电动机的结构与工作原理直流电动机的结构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成;1磁极;磁极是电动机中产生磁场的装置,如图2所示;它分成极心1和极掌2两部分;极心上放置励磁绕组3,极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适,并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的,固定在机座4即电机外壳上,机座也是磁路的一部分;机座常用铸钢制成;图2直流电动机的磁极及磁路1-极心 2-极掌 3-励磁绕组 4-机座2电枢;电枢是电动机中产生感应电动势的部分;直流电动机的电枢是旋转的,电枢铁心呈圆柱状,由硅钢片组成,表面冲有槽,槽中放有电枢绕组;3换向器整流子;换向器是直流电动机的一种特殊装置,其外形如图3所示,主要由许多换向片组成,每两个相邻的换向片中间是绝缘片;在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷,使转动的电枢绕组得以同外电路联结;换向器是直流电动机的结构特征,易于识别;图3：换向器1—换向片 2—连接部分图4 直流电机装配结构图图5 直流电机纵向剖视图1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心直流电动机的工作原理U + -ABNSII FFCabd图6 直流电动机原理图图6是直流电动机的示意图;若在A、B之间外加一个直流电压,A接电源正极,B接负极,则线圈中有电流流过;当线圈处于图5所示位置时,有效边ab在N 极下,cd在s极上,两边中的电流方向为a→b,c→d;由安培定律可知,ab边和cd 边所受的电磁力为：F=BIL式中,I为导线中的电流,单位为安A;根据左手定则知,两个F的方向相反,如图6所示,形成电磁转矩,驱使线圈逆时针方向旋转;当线圈转过180°时,cd边处于N极下,ab边处于S极上;由于换向器的作用,使两有效边中电流的方向与原来相反,变为d→c、b→a,这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变,因而其受力方向、电磁转矩方向都不变;由此可见,正是由于直流电动机采用了换向器结构,使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变,在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转;这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转,即由电动机向机械负载输出机械功率;在直流电动机中,除了必须给电枢绕组外接直流电源外,还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场;电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电,也可以由一个公共电源供电;按励磁方式的不同,直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式;由于励磁方式不同,它们的特性也不用;他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电,如图7所示;他励电动机由于采用单独的励磁电源,设备较复杂;但这种电动机调速范围很宽,多用于主机拖动中;图7 他励电动机二、他励直流电动机的调速与交流电动机相比,直流电动机具有较好的调速性能,它能在宽广的范围内平滑而经济的调速,因此多用于调速要求较高的场合;根据直流电动机调速公式n=ψ+-Ce Rpa Ra Ia U )(可见,当电枢电流不变时即负载不变,只要在电枢电压U 、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中,任意改变一个,都能引起转速的变化;因此,他励直流电动机可以有三种调速方法;为了评价各种调速方法的优缺点,对对调速方法提出了一定的技术经济指标,通常称为调速指标;下面下面对调速指标做一简要说明;调速指标1调速范围调速范围是只指电动机在额定负载下调素时,其最高转速与最低转速之比,用D 表示,即 D=m in m axn n不同的生产机械对对调速范围的要求不同,如车床D=20~100,龙门刨床D=10~40,扎钢机D=~3等;电动机最高转速nmax 受电动机的换向及机械强度限制,最低转速相对稳定即静差率要求的限制;2静差率调速的相对稳定性静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落△n 与该机械特性的理想空载转速n0之比,用表示,即σ=0n n∆=00n n n -式中,n 为额定负载转矩Tem=TL 时的转速图8从上式可以看出,在△n相同时,机械特性越“硬”,额定负载时转速降越小,静差率σ越小,转速的相对稳定性越好,负载波动时,转速变化也越小;图3-1中机械特性1比机械特性2“硬”;静差率除了与机械特性硬度有关外,还与理想空载转速n0成反比;对于同样“硬度”的特性,如图3-2中特性1和特性3,虽然转速将相同,但其静差率却不同;为了保证转速的相对稳定性,常要求静差率应不大于某一允许值允许值;图9调速范围D与静差率σ两项性能指标是相互制约的,当采用同一种方法调速时,静差率要求较低时,则可以得到较低的调速范围；反之,静差率要求较高时,则调速范围小;如果静差率要求一定时,采用不同的调速方法,其调速范围不同,如果改变电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大;调速范围与静差率是相互制约的,因此需要调速生产机械,必须同时给出静差率与调速范围这两项指标,以便选择适当的调速方法;3调速的平滑性调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度,用平滑系数ψ表示,即Ψ=1 i inn平滑系数Ψ越接近1,说明调速的平滑性越好;如果转速连续可调,其级数趋于无穷多,称为无级调速,Ψ=1,其平滑性最好；调速不连续,级数有限,称为有级调速;4调速的经济性经济性包含两方面的内容,一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗,另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用;一台电动机当采用不同的调速方法时,电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的,但电动机实际输出的功率和转矩是有负载需要所决定的,而不同的负载,其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的,因此在选择调速方法时,既要满足伏在要求,又要尽可能是电动机得到充分利用;经分析可知,电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速,而若此调速适用于恒功率负载的调速;电枢串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时,保持电源电压及励磁电流为额定值不变,在电枢回路中串入不同阻值的电阻,电动机将运行于不同的转速,如图3—3所示,图中的负载为恒转矩负载;从图10可以看到,当电枢回路串入电阻R时,电动机的机械特性的斜率将增大,电动机和负载的机械特性的交点将下移,即电动机稳定运行转速降低;nnT L T em a +R 1图10电枢串电阻调速机械特性如图10中传入的电阻2R >1R ,交点2A 的转速2n 低于交点1A 的转速1n ,它们都比原来没有外串电阻的交点A 的转速n 低;电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单,调节方便,缺点是调速范围小,电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”,使负载变动时电动机产生较大的转速变化,即转速稳定性差,而且调速效率较低改变电枢电源电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻,由一可调节的直流电源向电枢供电,最高电压不应超过额定电压;励磁绕组由另一电源供电,一般包保持励磁磁通为额定值;电枢电压不同时,电动机拖动负载将运行于不同的转速上从图11中可以看出,当电枢电源电压为额定值时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n ；电压降到1U 后,交点为1A ,转速为`1n ；电压为2U ,交点为2A ,转速为2n ；电压为3U ,交点为3A ,转速为3n ；电枢电源电压越低,转速也越低;同样,改变点数电源电压调速方法的范围也只能在额定转速与零转速之间调节;改变电枢电源电压调速时,电动机机械特性的“硬度”不变,因此,集市电动机在低速运行时,转速随附在变动而变化的幅度较小,即转速稳定性好;当电枢电源电压连续调节时,转速变化也是连续的,所以这种调速称为无级调速;n0nn nU1U23U NT L T em 图11改变电枢电源电压调速方法的有电视调速的平滑性好,即可实现无级调速,调速效率高,转速稳定性好,缺点是所需的可调电源设备投资较高;这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛使用;弱磁调速励直流电机电枢电流电压不变,电枢回路也不串接电阻,在电动机拖动负载转矩不很大小于额定转矩时,减少直流电动机的励磁磁通,可使电动机的转速提高;他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速,如图12所示;从图12中可以看出,当励磁磁通为额定值ΦN时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n:励磁磁通减少为Φ2时,理想空载转速增大,同时机械特性斜率也变大,交点为A1,转速为n1;励磁电流减少为Φ1,交点为A2,转速为n2;弱磁调速的范围是在额定转速与电动机的所允许最高转速之间进行调节,至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制,一般约为1.2m左右,特殊设计的调速电动机,可达3 nN或更高;弱磁调速的优点是设备简单,调节方便,运行效率也较高,适用于恒功率负载,缺点是励磁过弱时,机械特性的斜率大,转速稳定性差,拖动恒转矩负载时,可能会使电枢电流过大;在实际的电力拖动系统中可以将几种调速方法结合起来,这样,可以得到较宽的调速范围,电动机可以在调速范围之内任何转速上运行,而且调速时的损耗较小,运行效率较高,能很好的满足各种生产机械对调速的要求;n o2n o1n oT L T em图12弱磁调速机械特性三、课程设计内容第四章课程设计内容一台他励直流电动机,参数如下：P N=6KWU aN=200VI aN=42An N=1500r/minR L=Ω1. 用其拖动通风机负载运行,若采用电枢串电阻调速时,要使转速降至200r/min,试设计电枢电路中的调速电阻;2. 用其拖动恒转矩负载运行,负载转矩等于电动机的额定转矩,采用改变电枢电压调速时,要使转速降至1000r/min,试设计电枢电压值;3. 用其拖动恒功率负载运行,采用改变励磁电流调速,要使转速增至1800r/min,试设计CeΦ的值;内容解析：1.采用电枢串电阻调速：电动机的电枢电阻Ra=U aN - P N I aN/ I aN =200-6000/42/42Ω=Ω在额定状态运行时E= U aN -R a I aN =×42V=CeΦ=E/ n N =1500=C TΦ=60CeΦ/2π=60/2××=T N=60 P N /2πn N =60/2××6000/=. m由于通风机负载的转矩与转速的平方成反比,故n=1200r/min时的转矩为T=n/ n N2T N=1200/1500 2×n0= U aN/ CeΦ=200/min=2100r/min∆n= n0-n=2100-1500r/min =600r/min由于∆n= Ra +RrT/ C T CeΦ2由此求得Rr=∆n CT CeΦ2/T- Ra =600××采用电枢电压调速：由上题求得：Ra=ΩCeΦ=C TΦ=T N =电枢电压减小后∆n=Ra T N / C T CeΦ2=××r/min=minn0=n+∆n=1000+r/min=min由此求得Ua= CeΦn0=×=3.采用改变励磁电流调速由上求得R a=ΩT N=由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系,故忽略空载转矩时,调速后的电磁转矩为T= n N T N /n=1500×= 1800=200/ CeΦ×C T CeΦ2得CeΦ=或结论三种调速方法各有优缺点,改变电枢电阻调速的缺点较多,所以只适用于调速范围不大,调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法,被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中,来扩大调速范围和实现双向调速;对容量较大的直流电动机,通常采用降电压起动;即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电,控制电源电压既可使电机平滑起动,又能实现调速;此种方法电源设备比较复杂;本设计采用增加电枢电阻启动非常简单,设备轻便,广泛应用于各种中小型直流电动机中;设计体会经过一周的奋战,课程设计完成了,在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结,但通过这次课程设计发现自己的看法片面;课程设计不仅是对所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的提高;通过课程设计,让我更加明白学习是一个长期的积累过程,经后的工作、生活中应该不段的学习,努力提高知识和综合能力;设计过程中,我查阅了大量的有关资料,并与同学交流,学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获还是很多的;在设计中培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心;让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦;经过对这些资料的整理、理解和消化,使我对直流电机的调速尤其是对他励直流电动机的串电阻调速有了更深一层的理解;这次课程设计也许会又很多不足的地方,希望老师多多批评,我也会在以后的日子里不断学习提高自己动手的能力,使以后的设计会更好,也使自己得到更全面的提高参考文献1.唐介. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社.2.唐介. 控制微电机. 北京：高等教育出版社.3.周绍英.电机与拖动.中国广播电视大学出版社1995年出版4.李海发. 电机学.科学出版社2001年出版5.刘起新. 电机与拖动基础. 中国电力出版社2005年出版。

电力拖动思考题答案

第2章
三、思考题
2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。特点略。
2-2 简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。答：直流 PWM 变换器基本结构如图，包括 IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。
2=12 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？（已验证）答：转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节（由转速检测装置和电压放大器构成），可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围。改变给定电压能改变电动机转速。因为改变给定电压则改变实际转速反馈电压与给定电压的偏差，从而改变电力电子变换器的输出电压，即改变电动机的电枢电压，改变了转速。调节转速反馈系数而不改变给定电压能改变转速。因为改变转速反馈系数则改变实际转速反馈电压，而给定电压不变，则电压偏差改变，从而电力电子变换器输出电压改变，即电动机电枢电压改变，转速改变。若测速发电机励磁发生变化，则反馈电压发生变化，当给定电压一定时，则电压偏差发生变化，从而转速改变。故系统无克服测速发电机励磁发生变化干扰的能力。
二、公式和特性
1. 整流电压平均值： Ud0=(m/π)Umsin(m/π)cosα （ Um/m_ 单相全波 / 三相半波 / 三相全波 _√2U2/√2U2/√6U2/2/3/6）

电机拖动复习资料(答案)

●填空1、电枢磁动势对主磁动势的影响称为直流电机的电枢反应。

2、直流电机中同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通是主磁通;只交链_励磁绕组__的是主磁极漏磁通。

3、直流电机的电刷位于几何中性线上时的电枢反应特点为使气隙磁场发生畸变_和_____对主磁场起去磁作用___________。

4、直流电机的电力拖动系统运动方程式描述了___系统的运动状态,系统的运动状态取决于做哟在原动机转轴上的各种转矩__________。

5、他励直流电动机的起动,一般有三点要求:1、_____要有足够大的启动转矩____________;2、___启动电流要限制在一定的范围内_____________3、____起动设备要简单可靠_____________。

6、变压器通过线圈间的__电磁感应作用______作用,可以把____一种电压等级的交流电能____________转换成____另一种电压等级的交流电能____________。

7、对三相变压器而言,额定容量是指__铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率,对三相变压器而言,额定容量指三相容量之和__________。

8、转差率直接反映了转子__转子转速的快慢__________或电动机___负载的大小_。

9、笼型异步电动机的起动方法有两种:____直接起动__和__降压起动。

10、三相绕线转子异步电动机的起动中所用到的频敏变阻器,它的__等效电阻Rm ________是随___频率f2_______的变化而自动变化的。

11、对于单相异步电动机,为获得起动转矩,通常在定子上安装_起动绕组_。

12、同步电机主要用作___发电机_______,也可用作___电动机_______和____调相机。

13、直流电机的电枢绕组根据连接规律的不同,可分为__单叠绕组______、__单波绕组______、__复叠绕组______、___混合绕组______及__复波绕组______。