直流电机原理与控制方法

电机简要学习手册

2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法

1直流电机简介

直流电机(DM)就是指能

将直流电能转换成机械能(直

流电动机)或将机械能转换成

直流电能(直流发电机)的旋

转电机。它就是能实现直流电能与机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时就是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时就是直流发电机,将机械能转换为电能。

直流电机由转子(电枢)、定子(励磁绕组或者永磁体)、换向器、电刷等部分构成,以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展,直流电机的弊端也逐渐显现,在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位,广泛用于对调速要求较高的生产机械上,如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械,龙门刨床等等,所以对直流电机的了解与研究仍然意义重大。

2 直流电动机基本结构与工作原理

2、1 直流电机结构

如下图,就是直流电机结构图,电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用,产生转矩。定子按照励磁可分为直励,她励,复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角,称为电枢反应,通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。

2、2 直流电机工作原理

如图所示给两个电刷加上直流电源,如上图(a)所示,则有直流电流从电刷 A 流入,经过线圈abcd,从电刷 B 流出,根据电磁力定律,载流导体ab与cd收到

电磁力的作用,其方向

可由左手定则判定,两

段导体受到的力形成了

一个转矩,使得转子逆

时针转动。如果转子转

到如上图(b)所示的位

置,电刷 A 与换向片2接触,电刷 B 与换向片1接触,直流电流从电刷 A 流入,在线圈中的流动方向就是dcba,从电刷 B 流出。

此时载流导体ab与cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就就是直流电动机的工作原理。外加的电源就是直流的,但由于电刷与换向片的作

用,在线圈中流过的电流就是交流的,其产生的转矩的方向却就是不变的。

发电机的原理则就是电机的逆过程:原动机提供转矩,利用法拉第电磁感应产生直流电流。

如下图,比较清晰的说明了直流电动机的原理。

3直流电机重要特性

如下图,更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。

我们可以得到直流电机的四个基本方程:

U=E+I*R (1)

电枢绕组端电压等于反电动势+内阻电流压降

E=Ce*n (2)

反电动势=与电机相关的常数*转速

T=Ct*I (3)

转矩=与电机相关的常数*电流

Tm-TL-T0=J*dw/dt (4)

动力学方程

3、1直流电机反电动势推导

3、2 转矩方程推导

一个主极下导体产生的转矩:

由φπ

=τ2a

Ni T ,因a a ai I 2=,p 为磁极对数,

则电枢全部导体产生的电磁转矩为: a T a a em

I K I a

pN

a ai N p pT T φφπφπτ====222222

重要结论:a T em I K T φ=∴ 其中转矩系数、转矩常数a

pN

K T π2= 特点:

直流电动机电磁转矩与每极磁通与电枢电流的乘积成正比。

对她励DCM,不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时,有 ＝常数

＝，φT T a T em

K C I C T =〖有量

纲:[Wb]〗

优点:直流电动机的电磁转矩直接受电枢电流控制【线性、能观能控】

KT 与Ke 的关系

公式T*Ω=Pm=Ea*Ia 正好验证了反电动势产生的电磁能全部转化成总的机械能。

其中,T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9、55 (单位:W)

3、3 能量关系

⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫

⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫

⎝⎛, 摩擦损耗的能

通风上加输出的机械能铁芯中损耗的能量上加磁场中能量的增加电阻中能量损耗

去减电源输入的电能

并励时

a

a f UI UI UI UI +=+==cuf 1P P

忽略励磁电路铜耗:

2

0cua 2Fe cua em cua a 1P P P P P P P P P UI P ++=+++=+=≈Ω

c u f

电动机的功率流图

其中P0就就是空载转矩,基本可认为变化不大,常当做恒定值。

现在瞧第四个方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,两边同乘于Ω,用电机常用参数表示,则可得公式

Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt 、

3、4 直流电机特性曲线

在励磁磁通恒定的情况下,电机特性曲线如下图,由于良好的线性特性,所以电机调速范围广,线性度好。

4直流电机控制系统

传统的直流电机调速,通常就是以下几种

4、直流电机调速

由于传统调速原理已被大家广为熟知,所以不再赘述,这里主要介绍直流双闭环调速系统。

近年来,随着电力电子技术的迅速发展,由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统,它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别就是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展,使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管,出现了性能更好的直流调速系统。

以下就是基于直流电机的双闭环调速系统:

该调速系统的特点就是:

动态特性如图所示:

启动时,能保证电机以最大允

许启动电流快速启动,保证了电机

启动转矩,提高了快速性能,一旦达