第二章 直流电动机及其调速系统
直流电动机调速系统
直流电动机调速系统的能耗分析
能效比
直流电动机的能效比通常较高，可以在较高的效率下运行，减少 能源浪费。
功率因数
直流电动机的功率因数较高，可以减少无功损耗，提高电网效率。
热效率
直流电动机的热效率也较高，可以在长时间运行下保持稳定的性 能。
直流电动机调速系统的稳定性分析
抗干扰能力
直流电动机的调速系统通常具有较强的抗干扰能力，可以在复杂 的工作环境下稳定运行。
直流电动机调速系统的调速性能
调速范围
直流电动机的调速范围通常较大，可以在较 宽的转速范围内实现平滑调节，满足不同工 况下的需求。
调速精度
直流电动机的调速精度较高，可以通过精确的控制 算法实现转速的精确控制，提高生产过程的稳定性 和产品质量。
动态响应
直流电动机的动态响应较快，可以在短时间 内达到稳定转速，满足动态负载变化的需求 。
输标02入题
调压调速是通过改变电枢电压来控制电动机的转速， 具有调节方便、平滑性好等优点，但调速过程中能量 损失较大。
01
03
串级调速是通过改变转子回路的电阻来控制电动机的 转速，具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节
范围较小且对电机结构有特殊要求。
04
调磁调速是通过改变励磁电流来控制电动机的转速， 具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节范围较 小。
系统调试
在系统集成完成后，进行全面的 调试，确保各部分工作正常，满 足设计要求。
性能测试
对系统的性能进行测试，包括调 速范围、动态响应、稳态精度等 指标，确保系统性能达标。
优化改进
根据测试结果和实际应用情况， 对系统进行必要的优化和改进， 提高系统的稳定性和可靠性。
04
直流电机调速控制ppt课件
参考教材 电子技术基础 维修电工 电机与变压器 p半pt精导选体版变流技术 电力电子技术 元器件手册 上21 网
④反馈信号用光电耦合电路取样。
参考教材
电子技术基础 维修电工（技师 高级技师） 半导体变流技术 电力电子技术 自动控制原
理 上网
ppt精选版
22
⑤可控整流电路和电机励磁电源的 改进
调速系统分交流和直流调速系统， 由于直流调速系统的调速范围广，静 差率小、稳定性好以及具有良好的动 态性能。因此在相当长的时期内，高 性能的调速系统几乎都采用了直流调 速系统。
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8
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
用晶闸管触发可控整流电路 实现电枢电压可调，从而达到改 变电机转速的目的。
参考教材
电子技术基础 维修电工（技 师 高级技师） 半导体变流技 术 电力电子技术 自动控制原 理 电机与变压器 上网
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23
⑥调速旋纽的改进
1、触摸式音量控制器代替RP22速度控制电位 器。
2、将电路改动后试运行。
参考教材 电子技术基础 上网
场效应管增强型N-MOS
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⑦全电路测量与调试
④电路中反馈信号直接在主电路取样，设备维护和检修 时有安全隐患，建议用光电耦合器隔离取样。
⑤可控整流电路和电机励磁电源有改进空间。
⑥手动调速旋纽使用时间长了会接触不良，影响系统稳 定，建议用触摸式电压调节器来改进。
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2、在原电路基础上提出改进意见，并重新绘
制系统原理图。
①用比例调节器代替原来的放大和比 较节。
他励直流电机的调速
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
电力拖动自动控制系统的重点复习,考试必过(优选.)
压Un
也相应下降，而转速给定电压
U
* n
不变，
∆U
n
=
U
* n
−U n
增加。转速调节器 ASR 输出 U c
增加，
使控制角α 减小，晶闸管整流装置输出电压 U d 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可
简述为：
TL ↑→ Id ↑→ Id (RΣ + Rd ) ↑→ n ↓→ U fn ↑→ ∆U ↑→ Uc ↑→
保产品质量。
3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则
要求起、制动尽量平稳。
6.解 释 反 馈 控 制 规 律 ？
答（1）被调量有静差（2）抵抗扰动与服从给定（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度
7.闭环空载转速 n0cl 比开环空载转速 n0op 小多少?
之比，称作静差率 s ，即 s
=
∆n N n0
或用百分比表示
s=
∆nN n0
× 100%
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速 N n
则
s
=
∆nN n0
=
∆nN nmin + ∆nN
∴ nmin
=
∆nN s
− ∆nN
=
(1 −
s)∆nN s
D
=
nmax nmin
=
nN s ∆nN (1 −
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。 （3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反 馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是 被反馈环包围的前向通道上的扰动。 （ 2-13） 为 什 么 用 积 分 控 制 的 调 速 系 统 是 无 静 差 的 ？ 在 转 速 单 闭 环 调 速 系 统 中 ， 当 积 分 调 节 器 的 输入偏差电压 ∆U = 0 时，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？
直流电动机的调速
一概述随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。
直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。
一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。
直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。
三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。
前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。
而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。
从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。
这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。
二设计的总体思路2.1 直流电动机的调速方法采用改变电动机端电压调速的方法。
当额定励磁保持不变，理想空载转速n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。
变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。
二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。
晶闸管变流装置输出的直流脉动电压U加在电抗器L和电动d机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。
改变晶闸管触发电路的移相控制电压U，就可改变触发脉冲的控制角。
他励直流电动机的调速【精品-PDF】
他励直流电动机的调速【精品-PDF】直流电动机是一种重要的电动机类型，广泛应用于各种机械和工业设备中。
直流电动机有广泛的应用范围，从家用电器到工业机械，都有其使用的市场。
直流电动机的特点是其调速性能非常优越，可以实现比其他电动机更好的速度控制。
因此，在各种应用中，调速技术是直流电动机使用中关键的一个因素。
本文将重点介绍直流电动机的调速技术，包括直流电动机的调速控制器、调速方法以及相关技术应用等方面的内容，以帮助读者了解直流电动机和其调速技术。
一、直流电动机及其调速直流电动机是一种可以将电能转换为机械能、实现运动的电动机，其构造简单，使用方便，广泛应用于各种机械和工业设备中。
直流电动机的转速高、速度调节范围大，并且可以实现快速反应，因此被用于需要精确控制转速的系统中。
直流电动机有以下几个特点：（1）调速性能好：直流电动机的转速可以通过改变电枢电流大小或改变励磁电流大小调节，因此其调速性能非常优越，可以实现比其他电动机更好的速度控制。
（2）启动性能好：直流电机启动时，电枢和励磁电流都比较小，在其转速上升之前可以承受一段时间较大的负载，具有启动性能好的特点。
（3）负载能力强：直流电机的负载能力强，可承受瞬时负载、过载和其他恶劣的工况条件。
（4）电机效率高：直流电机效率高，因为在高负载时，电机磁通强、因而转子铜损耗小，从而水平轴的效率高。
直流电动机可以通过两种方式进行调速：改变电枢电流大小、改变励磁电流大小。
（1）改变电枢电流大小当直流电机的励磁电流保持不变时，电枢电流决定了电机的转矩大小，从而对电机的速度和负载产生影响。
当电枢电流增加时，可以增加电机的转矩和速度，当电枢电流减小时，可以降低电机的转矩和速度。
3.直流电动机的调速控制器为了控制直流电动机的转速，需要使用一个调速控制器。
调速控制器是电子电路装置，以实现直流电动机的调速控制为目的，能够根据需求变化，控制直流电机的运行状态和输出功率。
例如，当直流电机需要解决急剧变化的工作负荷时，调速控制器可以根据工作要求，自动调节电机运行状态，以输出恰当的功率。
第2章直流电机习题解答
第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。
估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。
解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。
2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。
拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。
直流电动机的调速方法
直流电动机的调速方法
直流电动机是一种常见的电动机类型，可通过多种方法进行调速。
下面将介绍几种常用的直流电动机调速方法。
1. 电阻调速法：
通过改变外接电阻来改变电动机的终端电压，进而控制其转速。
调速范围相对较小，不适用于大功率电机。
2. 变磁调速法：
通过改变电动机的磁场强度来改变转矩和转速。
涉及到控制
电动机的励磁电流和电枢电流，调速范围较大。
3. 反电动势调速法：
利用电动机内部产生的反电动势，通过控制电源电压或电动
机的励磁电流来调节电机转速。
调速范围较大，但需要使用复杂的控制装置。
4. PWM调速法：
利用脉冲宽度调制技术，通过改变电源给电动机的占空比来
调节电机转速。
调速范围广，控制简单，效果较好。
5. 使用可变频率变电压供电系统：
通过改变电源的频率和电压来改变电机的转速。
调速范围广，但需要较复杂的电力电子设备。
以上是几种常见的直流电动机调速方法，不同的方法适用于不
同的场景和需求。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的调速方法。
第二章 单闭环直流调速系统ppt课件
由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大 于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造 成飞车事故。
在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速 升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程： nCKep1KsUKn*Ce1RKId 闭环转速降
nb
IdR
1 K Ce
机械特性方程： n U d I d R
Ce
开环转速降
nk
IdR Ce
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk
1 K
②
闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，
1、开环调速系统采用正给定电压，为什么单闭环调速系统要采用负 给定电压？改变给定电压时调节哪个旋钮？
2、为什么要求触发电路中Ulf端接地？ 3、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？ 4、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？ 5、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？ 6、怎样将两个可调电阻并联使用？ 7、怎样判断转速反馈是负负馈？如果接成了正反馈，怎样改正？ 8、怎样测试调节器放大系数、整流装置放大系数和转速反馈系数？
② 被控量总是跟随给定量变化。 即转速跟随给定电压变化。 ③ 闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。 而作用于 闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。
.
14
.
15
思考题：
1．什么是有静差调速系统？
2．闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？ 试举例说明。
.
16
第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统参考文档
s nN 100 % n0
式中 nN = n0 - nN 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。 调速范围和静差率两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
27
2、静差率s
s nN 100 % n0
机械特性越硬，静差率就
越小，转速的稳定度越高。
➢ 特性a和b的硬度相同， ➢ 特性a和b额定速降相同， ➢ 特性a和b的静差率不相同。
21
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压限制
在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来
限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗 掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数 值时接通。
+
UUss
+ CC
过电压信号
RRbb VVTTbb
-
泵升电压限制电路
PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不 可逆与可逆两大类。
脉宽调制（PWM-Pulse Width Modulation）
4
(1). 不可逆PWM变换器
①简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT 可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路 又称直流降压斩波器(buck变换器)。
2
2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
主要研究问题 1 PWM变换器的工作状态和波形； 2 直流PWM调速系统的机械特性； 3 PWM控制与变换器的数学模型； 4 电能回馈与泵升电压的限制。
3
1．PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用脉冲宽度调 制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一 定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平 均输出电压的大小，以调节电动机转速。
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
我们将重点学习：●转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性●双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析●调节器的工程设计方法●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器●弱磁控制的直流调速系统2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性问题的提出：第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
1. 主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。
2．理想的启动过程a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统b) 理想的快速起动过程 2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形性能比较：带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。
理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
3. 解决思路为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
直流电动机转速负反馈调速系统工作原理分析
直流电动机转速负反馈调速系统工作原理
分析
直流电动机转速负反馈调速系统电路中的运算放大器的作用有：一、为了解决因反馈信号作用，正常工作为得到足够的触发器掌握电压，使所需给定电源电压过高的问题，二是提高闭环掌握精度的需要。
电动机M的转速是通过测速发电机TG的电压反映出来的。
我们知道测速发电机的电枢电动势为：
其中：——电机电动势常数，仅与电机结构有关；
——动子（电枢）转速/r/min；
——每磁极的气隙磁通/Wb；
由于近似认为不变，测速发电机与电动机同轴连接，是同一个转速。
所以测速发电机的电枢电动势反映了电动机的转速。
又由于测速发电机即使工作于最高转速时，其电枢电流也不过是数十毫安级，此电流在电枢电阻上引起的压降很小，于是测速发电机电动势与其电枢端电压相差无几。
在这个意义上我们认为，测速发电机电枢两端的电压反映了电动机的转速。
上述电枢电压被分压后，得到反馈到系统的输入端与给定电压相比较，其差值作为运放的输入电压。
在稳态工作时，假设电动机工作在额定转速，当负载增加时，为增大输出的电磁力矩以平衡增大的负载。
电动机M的电流增大，电动机转速下降，测速发电机电枢电压减小，
按分压关系成比例减小，由于速度给定电压没有转变，所以增大，它使晶闸管整流电压增加，电动机转速回升到接近原来的额定转速值。
其过程可示意为：
同理当负载下降时，转速上升，其调整过程可示意为：
可见，当转速下降，调整的结果使回升到接近原来的值；当转速上升时，调整的结果使下降到接近原来的值。
这就形成了速度负反馈闭环系统，被控量也参与了掌握作用，掌握形成闭环。
第2章1直流电动机调速方法讲课教案
常用的可控直流电源有以下三种
旋转变流机组——用交流电动机和直流发 电机组成机组，以获得可调的直流电压。
静止式可控整流器——用静止式的可控整 流器，以获得可调的直流电压。
直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定 直流电源或不控整流电源供电，利用电力 电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产 生可变的平均电压。
i
O
用晶闸管 VT1 和VT4 中仍流过
VT 2,3
O i
电流id，并不关断
2
O u
VT 1,4
至ωt=π+a 时刻，给VT2和VT3 O
加触发脉 冲 ，因VT2 和 VT3本
已承受正电压，故两管导通
wt
I
d
I
d
I
d
I
d
wt Id
wt
wt wt wt
wt
b)
图2-8 单相半控桥带 阻感负载时的电路及波形 21
制电压 Uc 来移动触发脉冲
的相位，即可改变整流电压
Ud ，从而实现平滑调速。
图2-8a 单相全控桥电路
20
晶闸管整流电路原理
➢ 为便于讨论，假设电路已工作
于稳态，id的平均值不变。
2
O
➢ 假设负载电感很大，负载电流 u
d
id连续且波形近似为一水平线
O
i
d
u2过零变负时，由于电感的作
iO
VT 1,4
n0
调节过程：
增加电阻 Ra R R n ，n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性 O 曲线斜率变大，特性
变软。
UR n I
Ke Ke
nN
n1
Ra
n2 n3
第二章 直流电动机
把电枢外圆展开成直线，为分析气隙的磁动势画出. 如图+x O x 闭合回路。忽略铁心部分所需的磁压降， 则消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
。
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
式中 ——电枢表面单位长度上的安培导 体数； ia导体的电流；N电枢总导体数；Da电枢的直 径。
Nia A πDa
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为
Ba ( x) 0 H a 0 Fa
0
Ax
Ba ( x) 0
Ax
Fa ( x) Ax
2.3.3 电枢反应
直流电机电枢磁动势对励磁磁场的影响，称为电枢反应 1、使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离。 2、电枢反应有一定的去磁作用。
2. 换向的基本概念 直流电机工作作时，电抠绕组各元件不断地 从一个支路，换入另一个支路，元件中的电 流也不断地改变方向，过程叫做换向。
磁通密度不为为 零
磁通密度为零
空载磁场
负载磁场
常用的改善换向方法有两种： 加装换向磁极和移动电刷
1、加装换向磁极: 换向极绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势与 电枢反应磁动势方向相反，
2.1 直流电机的工作原理
2.1.1 直流电动机的工作原理
直流电动机组成： NS磁极、绕有线圈的圆柱体电枢、换 向器、电刷
电刷和换向器
把转动的电枢与外 部固定的电源连接在 一起。 产生方向不变的电 磁转矩使电机连续转 动。 将输入的直流电能 变换为机械能输出。
2.1 直流电机的工作原理
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第二章直流电动机工作原理及单闭环调速系统内容提要：介绍了基本的电磁定律及支流电机工作原理、直流电机种类、结构和电机模型。
重点介绍了它励直流电机的调速方法，对于调压调速系统，介绍了三种调压方式。
分析了转速单闭环调速系统的组成、模型和稳定性，给出了无静差调速系统的基本校正电路和公式。
对于电压负反馈、电动势反馈和电流截止负反馈调速系统也作了较为详细的介绍。
针对永磁无刷直流电机，介绍了其工作原理、基本结构和数学模型。
2.1直流电机发展过程电机发明至今，已有近200 年的历史。
电机学科已发展成为一个比较成熟的学科，电机工业也已成为近代社会的支柱产业之一，其发展历史可简述如下。
2.1.1 直流电机的产生和形成工业革命以后，蒸汽动力得以普遍应用。
但随着生产力的发展，蒸汽动力输送和管理不便的缺点日益突出，迫使人们努力寻找新的动力源。
19 世纪初期，人们已积累了有关电磁现象的丰富知识。
在此基础上，法拉第(Faraday)于1821 年发现了载流导体在磁场中受力的现象(即电动机的作用原理)，并首次使用模型表演了这种把电能转换为机械能的过程。
很快，原始型式的电动机就被制造出来了。
但由于驱动源是蓄电池，当时极为昂贵，经济性远不能与蒸汽机相抗衡，因而也就不能被推广。
为此，人们积极寻求能将机械能转换为电能的装置。
法拉第本人亦坚持研究。
在进行了大量的实验研究以后，1831 年，他又发现了电磁感应定律。
在这一基本定律的指导下，第二年，皮克西(Pixii)利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型旋转磁极式直流发电机。
这就是现代直流发电机的雏形。
虽然早在1833 年，楞次(Lenz)已经证明了电机的可逆原理，但在1870 年以前，直流发电机和电动机一直被看作两种不同的电机而独立发展着。
电磁感应定律发现了，直流发电机也发明了，但经济性、可靠性、容量却未达到实用化要求即廉价直流电源的问题并没有很快得到解决，因而电动机的应用和发展依然缓慢。
加之在1860 年以前，人们还不善于从F=Bli 的角度考察问题，几乎都将电磁铁之间的相互吸引和排斥作为电动机结构设计的基本指导思想，这本身就带有很大的局限性，更何况以蓄电池为主的昂贵的供电方式也确实起到了制约作用。
需求产生动力。
为解决廉价直流电源这一电动机应用中的瓶颈问题，直流发电机获得了快速发展。
在1834—1870 年这段时间内，发电机研究领域产生了三项重大的发明和改进。
在励磁方面，首先从永磁体转变到采用电流线圈，其后，1866 年，西门子兄弟(W & C W Siemens)又从蓄电池他励发展到发电机自励。
在电枢方面，格拉姆(Gramme)于1870 年提出采用环形绕组。
虽然这种绕组早在电动机模型中就已经提出过，但没有受到重视，直至在发电机中被采用之后，人们才将发电机和电动机中的这两种结构进行了对比，并最终使电机的可逆原理被大家所接受，从此，发电机和电动机的发 展合二为一。
1870—1890 年是直流电机发展的另一个重要阶段。
1873 年，海夫纳阿尔泰涅克(HefnerAlteneck)发明了鼓形绕组，提高了导线的利用率。
为加强绕组的机械强度，减少铜线内部的涡流损耗，绕组的有效部分被放入铁心槽中。
1880 年爱迪生(Edison)提出采用叠片铁心，进一步减少了铁心损耗，降低了绕组温升。
鼓形电枢绕组和有槽叠片铁心结构一直沿用至今。
上述若干重大技术进步使直流电机的电磁负荷、单机容量和输出效率大为提高，但换向器上的火花问题随之上升为突出问题。
于是，1884 年出现了换向极和补偿绕组，1885 年开始用碳粉制作电刷。
这些措施使火花问题暂告缓和，反过来又促进了电磁负荷和单机容量的进一步提高。
在电机理论方面，1886 年霍普金森兄弟(J & E Hopkinson)确立了磁路欧姆定律，1891年阿诺尔特(Anoret)建立了直流电枢绕组理论。
这就使直流电机的分析和设计建立在更为科学的基础上。
因此，到19 世纪90 年代，直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。
1882 年是电机发展史上的一个转折点。
这一年，台勃莱兹(Depratz)把米斯巴哈水电站发出的2kW 直流电，通过一条长57km 的输电线送到了慕尼黑，从而为电能和电机的应用开辟了广阔的前景。
然而，随着直流电的广泛应用，直流电机的固有缺点也很快暴露出来。
首先，远距离输电时，要减少线路损耗，就必须升高电压，而制造高压直流发电机却有很多不可克服的困难。
此外，单机容量不断增大，电机的换向也就变得越来越困难。
因此，19 世纪80 年代以后，人们的注意力逐渐向交流电机方面转移。
2.1.2 交流电机的形成和发展1832 年，人们就知道了单相交流发电机，而直流电机中的换向器也就是为了实现绕组中交变电流与端口直流电流之间的相互转换而设计的特定装置。
不过，1870 年以前，由于生产上没有需要，加上当时科学水平的限制，人们对交流电的特点还不大了解。
1876 年，亚勃罗契柯夫(Yaporochikov)首次采用交流电机和开磁路式串联变压器给“电烛”供电。
1884年，霍普金森兄弟发明了具有闭合磁路的变压器，同年，齐波诺斯基(Zipernowski)、德拉(Deri)和勃拉弟(Blathy)三人又提出了芯式和壳式结构。
之后，单相变压器就逐渐在照明系统中得以应用，使远距离输电问题得到缓解，但又产生了新的矛盾。
这就是，当时的单相交流电还不能用作电动机电源，换句话说，运用交流电驱动各类生产机械的问题仍未获得解决。
交流感应电动机的发明，与产生旋转磁场这一研究工作紧密相连。
1825 年，阿拉戈(Arago)利用金属圆环的旋转，使悬挂其中的磁针得到了偏转。
实际上，这一现象展示的就是多相感应电动机的工作原理。
1879 年，贝利(Beiley)采用依次变动四个磁极上的励磁电流的办法，首次用电的方式获得了旋转磁场。
1883 年，台勃莱兹进一步在理论上阐明，两个在时间和空间上各自相差1/4 周期的交变磁场，合成后可以得到一个旋转磁场。
然而，真正用交流电产生旋转磁场，并制造出实际可用的交流电机的，还是从费拉里斯(Ferraris)和特斯拉(Tesla)两人的工作开始。
1885 年，费拉里斯把用交流电产生旋转磁场和用铜盘产生感应电流这两种思想结合在一起，制成了第一台两相感应电动机。
稍后，他又于1888 年发表了“利用交流电产生电动旋转”的经典论文。
同一时期，特斯拉亦独立地从事于旋转磁场的研究，而且几乎与费拉里斯同时发明了感应电动机。
在此基础上，1889 年，多利夫多布-罗夫斯基(Doliv-Dobrovsky)又进一步提出了采用三相制的建议，并设计和制造了三相感应电动机。
与单相和两相系统相比，三相系统效率高，用铜省，电机的性能价格比、容量体积比和材料利用率有明显改进，其优越性在1891 年建成的从劳芬到法兰克福的三相电力系统中得到了充分显示。
该系统的顺利运行表明，三相交流电不但便于输送和分配，而且更有利于电力驱动。
三相电动机结构简单，工作可靠，很快得到了大量应用。
因此，到20 世纪初，交流三相制在电力工业中就占据了绝对统治地位。
随着交流电能需求的不断增加，交流发电站的建设迅速发展，至19 世纪80 年代末期，研制能直接与发电机连接的高速原动机以替代蒸汽机的要求被提了出来。
经过众多工程技术人员的苦心研究，不久就研制出了能高速运转的汽轮机。
到90 年代初期，许多电站已经装有单机容量为1000kW 的汽轮发电机组。
此后，三相同步电机的结构逐渐划分为高速和低速两类，高速的以汽轮发电机为代表，低速的以水轮发电机为代表。
同时，由于大容量和可靠性等明显原因，几乎所有的制造厂家都采用了励磁绕组旋转(磁极安装在转子上)、电枢绕组静止(线圈嵌放在定子槽中)的结构型式。
随着电力系统的逐步扩大，频率亦趋于标准化，但不同的地区和国家的标准不一，如欧洲的标准为50Hz，美国为60Hz，我国统一为50Hz，等等。
此外，由于工业应用和交通运输方面的需要，19 世纪90 年代前后还发现了将交流变换为直流的旋转变流机，以及具有调速和调频等调节功能的交流换向器电机。
在交流电机理论方面，1893 年左右，肯涅利(Kennelly)和斯泰因梅茨(Steinmetz)原译为“司坦麦茨”。
开始用复数和相量来分析交流电路。
1894 年，海兰(Heyland)提出的“多相感应电动机和变压器性能的图解确定法”，是感应电机理论研究的第一篇经典性论文。
同年，费拉里斯已经采用将一个脉振磁场分解为两个大小相等、方向相反的旋转磁场的方法来分析单相感应电动机。
这种方法后来被称为双旋转磁场理论。
1894 年前后，保梯(Potier)和乔治(Goege)又建立了交轴磁场理论。
1899 年，布隆代尔(Blondel)原译为“勃朗德尔”。
在研究同步电动机电枢反应过程中提出了双反应理论，这在后来被发展成为研究所有凸极电机的基础。
总的说来，到19 世纪末，各种交、直流电机的基本类型及其基本理论和设计方法，大体上都已建立起来了。
2.1.3 电机的现状20 世纪是电机发展史上的一个新时期。
这个时期的特点是：工业的高速发展不断对电机提出各种新的、更高的要求，而自动化方面的特殊需要则使控制电机和新型、特种电机的发展更为迅速。
在这个时期内，由于对电机内部的电磁过程、发热过程及其它物理过程开展了越来越深入的研究，加上材料和冷却技术的不断改进，交、直流电机的单机容量、功率密度和材料利用率都有显著提高，性能也有显著改进，并日趋完善。
以汽轮发电机为例，1900 年，单机容量不超过5MVA，到1920 年，转速为3000r/min的汽轮发电机的容量已达25MVA，而转速为1000r/min 的汽轮发电机的容量达到60MVA，至1937 年，用空气冷却的汽轮发电机的容量已达到100MW。
1928 年氢气冷却方式首次被应用于同步补偿机，1937 年推广应用于汽轮发电机后，就使转速为3000r/min 的汽轮发电机的容量上升到150MW。
20 世纪下半叶，电机冷却技术有了更大的发展，主要表现形式就是能直接将气体或液体通入导体内部进行冷却。
于是，电机的温升不再成为限制容量的主要因素，单机容量也就可能更大幅度地提高。
1956 年，定子导体水内冷、转子导体氢内冷的汽轮发电机的容量达到了208MW，1960 年上升为320MW。
目前，汽轮发电机的冷却方式还有全水冷(定、转子都采用水内冷，简称双水内冷)、全氢冷以及在定、转子表面辅以氢冷等多种，单机容量已达1200MW～1500MW。
水轮发电机和电力变压器的发展情况与此相类似。
水轮发电机的单机容量从20 世纪初的不超过1000kW 增至目前的1200MW，电力变压器的单台容量也完全能够与最大单机容量的汽轮发电机或水轮发电机匹配，电压等级最高已经达到1200kV。