电机拖动第九章直流电动机的拖动
2021年电机拖动知识点概要
电机拖动知识点概要1、直流发电机工作原理当原动机拖动电枢以恒定方向旋转式，线圈边将切割磁力线并感应出交变电动势，由于电刷和换向器的“整流”作用，使电刷极性保持不变，在电刷间产生直流电动势。
2、直流电动机的工作原理在电刷两端加直流电压，经电刷和换向器作用使同一主磁极下线圈边中的电流方向不变，该主磁极下线圈边所受电磁力的方向亦不变，从而产生单一方向的电磁转矩，使电枢沿同一方向连续旋转。
3、直流电机的可逆原理同一台电机既能作电动机亦能作发电机运行的现象。
4、直流电机的结构主要由静止的定子和旋转的转子构成，定子和转子之间存在气隙。
①定子由主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。
②转子转子的作用是感应电动势并产生电磁转矩；它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。
5、直流电机电枢绕组（基本形式叠绕组和波绕组）分类单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等。
单叠绕组特点同一个元件的出线端连接于相邻的两个换向片上，相邻元件依次串联，后一个元件的首端与前一个元件的尾端连在一起并接到同一个换向片上，最后一个元件首端与第一个元件尾端连在一起，形成一个闭合回路。
【注支路对数a等于电机的极对数p，即a=p】单波绕组特点同一个元件的两个出线端所接的两个换向片相隔接近于一对极距，元件串联后形成波浪形，所以称为“波绕组”。
【注并联支路数总是2，即极对数a=1】★单叠与单波绕组区别单叠绕组可通过增加磁极对数来增加并联支路对数，适用于低电压、大电流的电机。
单波绕组的并联支路对数a=1，每条并联支路数串联的元件数较多，适用于小电流、较高电压的电机。
6、直流电机分类（按励磁方式分）他励、并励、串励、复励7、主磁通和漏磁通定义及其作用同时与电枢绕组（即转子绕组）和励磁绕组（即定子绕组）相交链的磁通称为主磁通；只与励磁绕组（即定子绕组）相交链的磁通称为漏磁通。
主磁通与通电的转子绕组相作用产生电磁转矩，使电机转动；漏磁通无用。
直流电机的拖动.ppt
Ea
bk lv lv
K 1
a
bk
K 1
Na
1
Bav Na
2p
b k
2P k 1
v 2R n 2 p n
60 60
Ea
pNa 60a
( Bavl )n
CEn
Bavl 为电机每极磁通量(Wb)，
CE
pNa 60a
称为电动势常数
直流电机电刷间感应电势Ea的大小与磁通、转速及电机的 结构参数都有关。
2.2 他励直流电动机的机械特性
在直流电动机的电枢电压和励磁条件不变的情况 下，其电磁转矩和转速的关系，即称为直流电动 机的机械特性，即
n f (T )
2.2.1 固有特性
当电压和磁通为额定值，即U＝UN和Φ＝ΦN时， n＝f(T)的关系称为固有机械特性。
n
U CEΦ
Ra CEΦ
直流电机的气隙
在静止的主磁极与电枢之间，有一空气 间隙，由于空气的磁阻较大，因而它在电机 的磁路中有重要的影响。小型电机的气隙约 为1~3mm，大型电机的约为10~12mm。
直流电机的铭牌数据
标注着额定数据和使用条件。额定数据是电机制 造厂按照国家标准的要求，对电机的一些电量或 机械量所规定的数据。
额定电流ＩN 对应额定电压、额定输出功率时 的电流值。
额定转速nN 是指在电压、电流和输出功率都 为额定值时的转速，单位为 r/min 转/分。
电机在实际应用时处于什么运行状态，要由 负载大小来决定。一般不允许电机超过额定 值运行，这会降低电机的使用寿命，甚至损 坏电机。但若长期处于低负载下工作，电机 的容量得不到充分利用，使得电机的效率降 低，不经济。所以应根据负载情况选用电机， 使电机接近于额定状态运行。
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 )
电机拖动第九章直流电动机的拖动
未来直流电动机将更加注重集成化设计，将驱动、控制和 保护等功能集成于一体，简化系统结构，提高可靠性。
市场发展前景
工业自动化
随着工业自动化程度的 不断提高，直流电动机 作为重要的动力设备， 其市场需求将持续增长。
新能源汽车
新能源汽车的发展将进 一步推动直流电动机市 场的增长，特别是在电 动汽车和混合动力汽车 领域。
地铁和轻轨
在地铁和轻轨车辆中，直流电动机作为牵引动力，确保列车安全、 高效地运行。
在家用电器中的应用
空调和冰箱
直流电动机在家用空调和冰箱中作为风机的动力源，实现空气循环 和制冷剂循环。
洗衣机和干衣机
直流电动机在洗衣机和干衣机中起到关键作用，驱动波轮或滚筒的 旋转，实现衣物的洗涤和烘干。
吸尘器和电动剃须刀
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
直流电动机还广泛应用于吸尘器和电动剃须刀等家用电器中，提供强 劲的动力和稳定的运行。
04
直流电动机的维护与保 养
日常维护保养
定期检查
定期检查直流电动机的外观、紧固件、接线端子 等，确保没有异常情况。
清洁
清洁电动机表面灰尘和杂物，保持清洁干燥，防 止腐蚀和短路。
润滑
根据电动机的润滑要求，定期加注润滑油或更换 润滑脂，保证轴承和齿轮的正常运转。
注意电动机的运行温度，避免过高或过低，影 响电动机的性能和使用寿命。
维护保养记录
建立电动机维护保养记录，记录每次维护保养的内容和时间，方便管理。
05
直流电动机的发展趋势 与展望
技术发展趋势
高效能
随着技术的不断进步，直流电动机的效率和性能将得到进 一步提升，以满足更高效、更节能的需求。
直流电机的电力拖动
直流电机的电力拖动
一、概述
直流电机是一种常见的电动机，利用直流电流产生的磁场来实现转动。
在工业领域，直流电机的电力拖动应用广泛，包括但不限于电动车辆、机器人、工业生产线等领域。
二、直流电机的结构
直流电机通常包括定子和转子两部分。
定子上绕有电磁线圈，转子上则安装有电刷和电枢。
当电流通过电磁线圈产生磁场时，磁场与转子上的磁铁相互作用，导致转子产生转动。
三、直流电机的工作原理
直流电机的工作原理是基于洛伦兹力的作用。
当电流流过电磁线圈时，产生的磁场与磁铁相互作用，使转子受到一个力矩，从而实现转动。
这种力矩被称为电力拖动的基础。
1. 电动车辆
直流电机在电动车辆中广泛应用。
电动汽车利用直流电机将电能
转化为机械能，驱动车辆行驶。
电力拖动的优势在于高效、省时省力。
2. 机器人
机器人是另一个常见的使用直流电机电力拖动的例子。
直流电机
提供了机器人运动的动力，使其具备移动、抓取等功能。
3. 工业生产线
在工业生产线中，直流电机常用于传送带、旋转机械等设备的驱动。
通过电力拖动，提高了生产效率和精确度。
电力拖动具有高效、响应速度快、控制方便等特点。
通过调节电
流大小和方向，可以实现精准的转动控制，适用于多种工业应用。
六、结语
直流电机的电力拖动在现代工业中扮演着重要的角色，其应用范
围广泛且效果显著。
通过适当的控制和调节，直流电机可以实现高效、精准的电力拖动，推动各种机械设备的运行和发展。
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——电机拖动控制(机电传动控制)课件PPT
Ia
n0
n
n
U Ke
Ra KeKm2
T
n0
n
特点：特性硬度变软，n0变大，∆n变大、起动力矩Tst变小。
注意：Φ=0时，理论上n→∞，实际上n上升到超过机械强度
容许的值，发生“飞车”。
他励直流电动机运行中，决不允许励磁电路短开或If=0。 措施：1）起动前先加励磁；2）设置“失磁”保护。
n
Φn>Φ1>Φ2>Φ3
图3--17
5.他励电动机的人为机械特性 固有机械特性
n
U Ke
Ra Ke
Ia
n
U Ke
Ra KeKm2
T
获得人为机械特性的方法只有3种（改变U、φ、Rad）： ☆电枢回路中串接电阻Rad ☆改变电枢电压U ☆改变磁通φ
（1）电枢回路中串接电阻 Rad的人为机械特性
n
UN Ke
Ra Rad KeKm2
机电传动控制
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流电动机的机械特性 3.3 直流他励电动机的启动特性 3.4 直流他励电动机的调速特性 3.5 直流他励电动机的制动特性 3.6 串励直流电动机
3.1 直流电机的基本结构和工作原理
一、 直流电机的工作原理
二、直流电机的基本结构
n0 A
nA Δn
B
0
T1
图3-26
T2
T
二、调速方法：
n
U Ke
Ra Rad KeKm2
T
☆改变电动机电枢电路外串电阻Rad调速 ☆改变电动机电枢电压U调速 ☆改变电动机主磁通φ调速
1. 改变电枢电路外串电阻Rad调速
电机拖动(直流发电机)
目 录
• 电机拖动基础 • 直流发电机工作原理 • 直流发电机的应用 • 直流发电机的维护与保养
01
电机拖动基础
电机拖动原理
电机拖动是将电能转换为机械能的过程，通过磁场与电流相互作用产生转矩，使电 机转动。
直流电机拖动原理基于电流在磁场中受力的安培定律，通过改变电流方向或磁场强 度来控制转矩方向或转速。
直流发电机在汽车领域的应用主要是 为汽车提供电源，如为车载电器、照 明、空调等设备供电。
直流发电机在汽车中还起到调节电压 的作用，通过调节励磁电流来控制输 出电压的稳定。
汽车发电机通常与蓄电池配合使用， 当发动机运转时，发电机为蓄电池充 电并提供电源，确保汽车电器设备的 正常运行。
航空应用
1
直流发电机在航空领域的应用主要是为飞机上的 电子设备和控制系统提供电源。
03
当输出端接入负载时，感应电动势驱动负载电流， 产生反作用力矩，使发电机转动。
直流发电机的特性
01
02
03
04
输出电压特性
随着转速的增加，输出电压逐 渐升高。
输出电流特性
随着负载的增加，输出电流逐 渐增大。
效率特性
随着负载的增加，效率逐渐降 低。
外特性
随着转速的增加，输出电压逐 渐升高，但电压调节率增大。
交流电机拖动原理基于电磁感应定律，通过改变电压或频率来控制转矩或转速。
电机类型与选择
直流电机
具有较好的调速性能和启动转矩，适 用于需要精确控制速度的场合，如机 床、纺织机械等。
交流电机
结构简单、维护方便、可靠性高，适 用于高负载、高效率的场合，如泵、 风机等。
电机控制系统
电机控制系统是实现电机拖动控制的 关键部分，包括控制器、传感器、执 行器等。
直流电机拖动系统概述解读
1. 直流电拖动系统概述机直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出优点。
首先直流电动机具有良好的启动、制动性能、调速性能和控制性能，这个优点使直流电动机运动控制系统（简称直流调速系统）在需要调速的高性能电力拖动中得到广泛的应用。
另外，它的电枢电压、电枢电力、电枢回路电阻、电机输出转矩、电机转速等各参数、变量之间的关系几乎都是近似的线性函数关系，这使直流电动机的数学模型较为简单、准确、相应地使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，且经过较长时间的实践，直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是及交流调速控制系统的基础。
但常规的意义的直流电动机也具有它不可克服的缺点---带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火花和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换；而交流电动机则不存在机械换向的问题。
2. 单闭环直流调速系统3. 双闭环直流调速系统在许多工程实践中，有一些生产机械由于生产工艺的要求，要求电机经常处于启动，制动的工作状态，其速度图多为梯形或三角形。
这类生产机械要求电机经常过载或堵转，例如，往返运动的龙门刨床，可逆轧钢机等。
这类机械要求尽量缩短启、制动过程的时间，来提高生存率。
为此，要求电机在最大允许电流和转矩条件下，充分利用电机的过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，达到稳态转速时，立即让电流减下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想启动过程中，启动电流呈方波型，转速按线性增长。
这是在最大的电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动过程。
如图1。
图13.1 双闭环直流调速系统的基本构成双闭环直流调速系统是指含有：○1转速负反馈，实现转速的无静差调节；○2电流负反馈环，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程。
在单闭环控制系统中，一个调节器的动态参数无法保证两种调节器过程同时具有良好的动态品质。
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。
【培训课件】电机学课件--直流电动机的电力拖动
（1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点， 即存在Tem=TL
(2)充分条件：在交点的转速以上存在Tem＜TL，而在交点的转速以 下存在Tem＞TL
•21
•稳定运行
• 不稳定运行
•22
§3
§3.1 电枢回路串电阻起动 §3.2 降压起动
•23
起动过程：电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。 起动转矩Tst：电动机起动瞬间的电磁转矩。 起动电流Ist：起动瞬间的电枢电流。
电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作机构。
一、运动方程式
1、单轴系统
•3
•2、实用表达式
• 通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系
为J=mp
• 式中 m与G－转动部分的质量与重量；
•
p与D－惯性半径与直径（m）；
•
g=9.81m/s2 －重力加速度；
•
再将机械角速度用转速n表示 可得：
•38
•2、机械特性 •由上所述，可能在第四象限，也 可能在第二象限。
•3、分析 •回馈制动过程中，有功率UIa回 馈电网，能量损耗最少。
•4、使用场合 •用于高速匀速下放重物和降压、 增加磁通调速过程中自动加快减 速过程。
•39
§4.4 直流电动机的反转
许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机的转向由电枢 电流方向和主磁场方向确定。
• 足，另选T1或m值，直到满足条件。
•三、三点起动器（简单了解） • 人工手动办法起动
•27
§3.2 降压起动 当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。 发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动机
《2011年10月电机与拖动基础》习题选
《电机与拖动基础》习题选电力拖动(1)5-1他励直流电动机的铭牌数据：P N=1.75千瓦,U N=110伏,I N=20.1安,n N=1450转/分，试计算：（1）固有特性曲线，并用坐标纸画出；（2）50%额定负载时的转速；（3）转速为1500转/分时的电枢电流值。
5-2 他励直流电动机的铭牌数据同上，试计算磁通为80%额定值、电枢电压为50%U N时的人为特性，并用坐标纸画出。
5-3他励直流电动机的数据：P N=10千瓦;U N=220伏;I N=53.7安,n N=3000转/分；试计算：（1）固有特性；（2）当电枢电路总电阻为50% R N ()时的人为特性；R N=U N/I N（3）当电枢电路总电阻为150% R N时的人为特性；（4）当电枢电路端电压U=50% U N时的人为特性；（5）当磁通为80%额定值时的人为特性。
并作出其机械特性图。
5-4 一台他励电动机数据如下：P N=21千瓦,U N=220伏,I N=112安,n N=950转/分（1）若负载转矩为0.8T N时，求电动机转速；（2）若负载转矩为0.8T N时，在电枢电路中串联30%R N附加电阻，求电阻接入瞬间和转入新的稳态时的转速、电枢电流和电磁转矩；（3）若将电枢电压降低至额定电压的20%，磁通为额定磁通的70%，求额定负载时电机的转速。
5-5一直流电动机有下列数据：U N=220伏,I N=40安,n N=1000转/分，电枢电路总电阻R a=0.5欧，当电压降到180伏，负载为额定负载时，求：（1）电机接成他励时（励磁电流不变）的转速和电枢电流；（2）电机接成并励时（励磁电流随电压正比变化）的转速和电枢电流（设铁心不饱和）。
5-6他励电动机铭牌数据：P N=2.5千瓦，U N=220伏，I N=12.5安，n N=1500转/分，R a=0.8欧。
（1）运行中在n=1200转/分时使系统转入能耗制动停车，问保证起始制动电流为2I N时，电枢应串入多大电阻？如电枢不接入制动电阻，则制动电流为多大？（2）若负载转矩为位能转矩，要求在T2=0.9T N时保证电机以120转/分的转速能耗制动稳速下放重物，问所需制动电阻为多大？（3）绘出上述两种情况的机械特性。
第九章 第一节 机械特性方程
根据上面的公式，有哪些方式可以人为地 改变机械特性呢？
1 电枢串联电阻
他励直流电动机 固有机械特性
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
稳定运行点
不稳定运行点
具体是如何变化的？
电压变化时的情况 负载变化时的情况
1 Ra ~ 2
额定运行点
2 U N I N PN 2 3 IN
TN CT N I N
（二）人为机械特性的绘制
各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入 相应的人为机械特性方程式即可。 [例9-1 ] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：PN 22kW
三、机械特性的绘制
（一）固有机械特性的绘制
固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可 绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。 理想空载点
UN n0 Ce N
其中
EN U N I N Ra Ce N nN nN
IN， UN及nN 为已知，Ra 可以估算
一、机械特性方程式
写出下列方程式：
感应电动势：Ea=？
电磁转矩： Te=？
电路电动势平衡方程： U=？ 能量守恒： P=F（Ea）=F（Te）
一、机械特性方程式
感应电动势： Ea Cen 电磁转矩： T CT I a 电路电动势平衡方程： Ea I a R U
电机转速特性：
将
n0 nN nN % 100% nN
6 为什么最后一段的机械特性曲线会上翘？
当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁 通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。
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机 学
电机学及拖动基础
及
拖
动
基
础
重庆大学自动化学院
1
电
机 学
第九章
直流电动机的
及
拖 动
电力拖动
基
础
2
主要内容
第一节
电 机
第二节
学 第三节
及
拖 第四节
动
基
础
他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动 他励直流电动机的调速
3
第一节 他励直流电动机的机械特性
定义及其理解
电 • 电动机的机械特性：是指电动机的转速n与转矩T 机 的关系n=f(T)
4
一 机械特性方程式
直流电动机的基本方程式：（他励直流电动机）
电 机 • 电磁转矩 学
—— T CT Ia
及 • 感应电动势 —— Ea Cen 拖
动 基
• 电动势平衡式 ——
U Ea Ia R
础 • 转速特性
—— n U Ia R Ce
5
机械特性方程式：
n U R T Ce CeCT 2
T
学 及 • RΩ=0
拖 • 一般：UN>U1>U2 动
基
础 特点：
• 与固有机械特性具有相同的斜率，特性硬度不变
• 理想空载转速n0随电压的降低而降低 • 人为机械特性是几根平行线
13
3、减弱电动机磁通时的人为机械特性
n UN Ra T Ce CeCT2
电
n
UN Ce
Ra Ce
及
拖
（3）额定运行点（TN,nN）
动
基
（4）堵转点（Tk,0）
础
（5）稳定运行点
9
电枢反应对机械特性的影响
n U R T
电
Ce CeCT2
机
学 • 当电枢电流较大时，由
及 于饱和的影响，产生去
拖 磁作用。磁通降低，转
动 速就要回升，机械特性
基 在负载大时呈上翘现象
础
电枢反应对机 械特性的影响
基 • 转速降：电动机带负载后的转速降落
础
n R T T
CeCT 2
• 机械特性的斜率：
R CeCT 2
——β愈大，Δn愈大
7
• 硬度：斜率的倒数或定义为转矩对转速的导数
电
1
——表示T变化时，Δn的变化大小 斜率β表征了机械特性的硬度，β愈大，
机
Δn愈大，硬度愈小，机械特性愈软
电 试计算其机械特性。
机 学
解
及
Ra
2 3
U
N
IN
I
2 N
PN
2 3
220116 1162
22000 Ω
0.174Ω
拖 动
Ce N
UN
• 推论：电枢反应会影响系统的稳定运行。
10
二 固有机械特性与人为机械特性
• 固有机械特性——当电压及磁通均为额定值UN及 ΦN，电枢没有串联电阻时的机械特性
电 机
n
UN
Ce N
Ra
CeCT N 2
T
学 及 拖 动 基
由于Ra较小，他励直流电动机的固有机械特性较硬
n＞n0时发电机状态：Ea＞U，Ea与Ia同向，发出电功率
CeCT N 2
T
学 及 • RΩ——电枢串联电阻
拖 动
• RΩ2>RΩ1
基
础 特点：
• 与固有机械特性具有相同的理想空载转速n0 • 其斜率随着串联电阻RΩ的增大而增大，硬度则随之降低 • 人为机械特性是经过理想空载点的一族射线族
12
2、改变电压时的人为机械特性
电 机
n
U Ce N
Ra CeCT N 2
学 及
• 由电动机状态下的转矩平衡式： T Td T0
拖 运动方程式中，若Tz作为负载转矩，则T为轴上的拖动转 动 矩，相当于Td；
基 若Tz作为负载转矩与空载转矩T0之和，则T为电磁转矩。
础 工程计算中，一般可略去T0，认为电磁转矩T与轴上的输 出转矩Td相等。
——机械特性中的转矩T是电磁转矩。
U
N
IN
I
2 N
PN
15
• 额定运行点（TN,nN）：
电
TN CTN IN 9.55CeN IN
机
学
及
拖 2、人为机械特性的绘制
动
基
础 • 只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方 程式即可计算出来。
16
[例9-1] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：
PN 22kW U N 220 V I N 116 A nN 1500 r / min
堵转点：n=0、Ea=0，电枢电流Ia=UN/Ra=Ik为短路电流， 转矩T=CTΦNIk=Tk为电机堵转转矩
础 • 人为机械特性——改变电动机参数获得的机械特性
1）电枢串联电阻； 2）改变电压； 3）减弱磁通。
11
1、电枢串联电阻时的人为机械特性
电 机
n
UN
Ce N
Ra RΩ
电 • 固有机械特性是一条直线，确定两点即可绘制 机 • 一般选择理想空载点及额定运行点这两点
学
及 • 理想空载点（0,n0）：拖 Βιβλιοθήκη 基n0UN
Ce N
Ce N
EN nN
UN
I N Ra nN
础 其中，IN、UN及nN为已知，Ra可实测或由经验公式
估算：
Ra
1 2
~
2 3
Ia
机
实质：ΦN>Φ1>Φ2
学
及
拖
动
基
Tk2 Tk1 TkN
础 特点：
• 理想空载转速n0增大
• 短路电流不变Ik=UN/Ra，堵转转矩降低Tk=CTΦIk
• 通常TN<<Tk，故减弱磁通使电动机转速升高；只有当负载 特别重或磁通Φ特别小时，如再减弱Φ，转速反而下降
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三 机械特性的绘制
1、固有机械特性的绘制
学
dT
因此，通常称β小的机械特性为硬特性，
及
dn
而β大的机械特性为软特性。
拖 • 额定转速变化率：
动
基 础
nN
%
n0 nN nN
100%
——硬特性的转速变化率小
• 机械特性方程的简单形式： n n0 T
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几个关键点
电
（1）理想空载点（0,n0）
机
学
（2）实际空载点（T0,n0′）
电 • R ——电枢电路总电阻，包括电枢电阻Ra和串联电阻RΩ
机 学 及
• Ce——电动势常数 CT——转矩常数 • 其中， Ce pZ / 60a CT pZ / 2 a
CT 9.55Ce
拖
动
基 础
• 当U、R、Φ为常数时，得他励直 流电动机的机械特性n=f(T)—— 一条向下倾斜的直线
• 转速n随转矩T的增大而降低
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几个基本概念
• 理想空载转速：当T=0时的转速
电
n0
U Ce
——调节U或Φ，可以改变理想空载转速n0
机
学 • 实际空载转速：当T=T0时的转速
及 拖 动
n0
n0
R CeCT 2
T0
实际电动机旋转时T不可能为零，至少需克 服空载损耗转矩T0
——实际空载转速n0′比n0略低