2直流电动机及其控制 (1)

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2.1.2 直流电机的分类
直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、 并励电动机、串励电动机和复励电动机 1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。
I
+
+
Uf
_
If
Rf
M
Ia
Rst
U If
_
+ E M _
+
Ia
U
_
Rst
他励 并励 2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。
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3．换向器和电刷装置 换向器在转子上。
电刷在定子上。
将电刷上的直流
变为绕组内部的交 流。
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换向器的作用：导体从一个磁极转到相邻的
异性磁极时，改变导体电流方向，保持每个 磁极下电流方向不变，使电机连续转动。 转角范围小，不用换向器。 反转：改变电刷电压的极性。 存在的问题：转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝），磁路是空气，磁密低。
（3）额定转矩 （4）反电动势
P2 22 T 9550 9550 210 N . m n 1000
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E U Ra Ia 110 0.04 234 100.6 V
2.3.1 直流电动机的静态特性与 控制方法
一、概述
静态：电流和转速不变。 静态特性：静态时各变量间的关系。
n n0 n
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Ra U n T n0 n 2 K EΦ KT K EΦ U n0 :理想空载转速 式中： K EΦ Ra n T : 转速降 2 KT K EΦ n0 n
n= f (T) 特性曲线
nN
n
并励电动机在负载变化 时， 转速 n 的变化不大— 硬机械特性（自然特性）。
Ua Ra I a Ea
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四大关系式
d T T T J 动态： em 0 L dt
通用：
静态
d Ia U a La Ra I a Ea dt
Tem Ct I a Kt I a
Ea Cen Ke
Ua Ra I a Ea
Tem T0 TL
0
TN
T
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改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线
例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P２=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知 Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。 解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为
能量守恒定律： 2 2 P P P I R K I K I I 1 M cu a a e a t a a Ra
Ke Kt
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4.电阻 Ra
电枢回路总电阻。 包括电枢绕组电阻，电刷接触电阻，电枢回 路中存在或故意加入的其他电阻，如功放内 阻，调节电阻等。
静态： d /d t 0
Tem T0 TL
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静态转矩平衡方程式

T2 Tem T0 TL d /d t 0
加速
T2 Tem T0 TL d /d t 0 减速
T2 Tem T0 TL d /d t 0
匀速
a a
E
换向片
a a
式中：U — 外加电压 Ra — 绕组电阻
U
–
M
–
E
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3. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁 通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T=KT Ia
KT: 与电机结构有关的常数 : 线圈所处位置的磁通 Ia：电枢绕组中的电流 单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿•米)
d T
n
– U + 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动 势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向 相反。 1. 电枢感应电动势 KE: 与电机结构有关的常数 E=EK n n: 电动机转速 ：磁通 14
换向片
电刷
b
N
a c
S
I F I
E F E
d T
n
– U + 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或 外加电压方向总是相反，所以称反电势。 Ia Ra 2. 电枢回路电压平衡式 + + U E I R K n I R
电动机从电源输入的电功率为
2 2 P U I ( I R E ) I I R I E I 1 a a a a a a a a a a a Ra Ke I a
电动机做出的总的机械功率为 电枢绕组发出的热能功率为
PM Tem Kt I a
2 P I cu a Ra
9
Rf
3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
If
+
Ia
+ M
I
Ia
M
U
_
U
_ 复励
串励
4. 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
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图形符号
11
2.2 直流电机的基本工作原理
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2.2 直流电机的基本工作原理
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。 电刷 b N a
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2.3 直流电动机的机械特性
特点: 励磁绕组与电枢并联 由图可求得
U E I a Ra U If Rf
I
+ E M _ +
UE If Ia Ra
Rf
Ia
U
_
Rst
I Ia If Ia
由上分析可知： 当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则
22 P1 26.19 KW 0.84
P2
额定电流 P1 26.19 103 I 238 A U 110 u 110 额定励磁电流Βιβλιοθήκη BaiduI f 4A Rf 27.5 额定电枢电流
Ia I If 238 4 234 A
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（2）电枢电路铜损
PaCu Ra I
电枢绕组：单个绕组元件组成。
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电机的负载电流，发电机的电势和电动机的
转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢 和枢纽。 电枢绕组的制造方法是，把带绝缘的铜导线 预制成形，在铁心糟内放好绝缘层后将绕组 嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线）按着一 定的规律接到换向器上。直流电枢绕组本身 自成闭合回路。
第2章 直流电动机
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 直流电机的构造 直流电机的基本工作原理 直流电动机的机械特性 并励电动机的起动与反转 并励(他励)电动机的调速 直流伺服电动机 直流力矩电动机 有限转角直流力矩电动机
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第2章 直流电动机
本章要求
1. 了解直流电动机的基本构造和工作原理。 2. 掌握他励（并励）和串励直流电动机的电 压与电流的关系式，接线图、机械特性。 3. 搞清他励（并励）和串励直流电动机的起 动、反转和调速的基本原理和基本方法。
2.1.1 直流电动机的构造
直流电机由定 极掌 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。 转子
极心
· · ·
S
· N· ·
S
励磁绕组 机座
N
直流电动机的磁极和磁路
4
1. 磁极 用来在电机中产生磁场。
永磁式: 由永久磁铁做成。 励磁式: 磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。 励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。 2. 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。 电枢铁心：由硅钢片叠装而成。
T2: 机械负载转矩 T0: 空载转矩
T
T KT ΦIa
Ia
U Ea Ia Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
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2.2.1 直流电动机的基本关系式
一、电磁转矩与电枢反电势
由电磁力定律 F IlB
可以推得直流电机电枢
所受到的电磁转矩为 Tem Ct I a Tem Kt I a 当磁通Φ 为常值时该式可写为 由电磁感应定律 e vBl 可以推得直流电机电枢 绕组感应电势（电动机中称为电枢反电势）为 Ea Cen Ke

参数关系
Ke Kt
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四、几点说明 1.感应电势
实际的感应电势是波动的。波 动的主要原因是因为实际电机有齿槽存在， 电枢导体集中在有限的槽内而不在电枢表面。
感应电势的平均值仍符合前式，瞬时值随着电枢
转动而上下波动，如图所示。 波动的频率为齿频率
fs
纹波系数：
zn 60
U max U min U max U min
2
2.1 直流电机的构造
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂 ，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起 动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或 者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动 机驱动。 直流电机的优点： (1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。 应用: 1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等 3
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2.电磁转矩
由于有齿槽，由前式求得的电 磁转矩是它的平均值，瞬时转矩是波动的， 与电势相同。 槽中磁密较小。 由电磁理论可知铁磁性物质 表面所受磁场作用力与其 法向磁密的平方成正比，方向向外。 有齿槽时，主要是铁心的齿受力。
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和 Kt 的关系 利用能量守恒定律证明
3. K e
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三、电压平衡方程式 电枢绕组有电阻和自感，在外磁场中转动时电枢中 又有感应电势（电枢反电势），因此电枢回路可用 图1-27表示。

d Ia U a La Ra I a Ea dt
动态电压平衡方程式 动态： d I a /d t 0 静态： d Ia /d t 0 静态电压平衡方程式：
I F I
换向片
F
d T
n
c S
– U + 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流 方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论 线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N 极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后 中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。 13
电刷
b
N
a c
S
I F I
E F E
Kt ——转矩灵敏度，或称转矩系数 Ke ——反电势系数 采用国际单位制（SI）
Ke Kt
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二、转矩平衡方程式
由转子受力图和力学定律
d Tem T0 TL J dt
Tem T0 TL J d dt

动态转矩平衡方程式
动态：
d /d t 0
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T=KT Ia = KT Ia 即：并励电动机的磁通 = 常数，转矩与电枢电流 成正比。 由以下公式
I
If
Rf
+ Ia E M _ Rst
+
U
_
U E I a Ra 求得 Ra U E K EΦ n n T 2 K EΦ KT K EΦ T K TΦ I a Ra U n T n0 令： 2 KT K EΦ K EΦ
4. 转矩平衡关系 电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。 在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空 载损耗转矩相平衡，即
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T T2 T0
转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电 动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时 例： ， 若T2突然增加，则调整过程为 E K E Φn E T2 n
励磁电路铜损
2
a
0.04 234 2190W
2
总损失功率
PfCu Rf I 2f 27.5 42 440 W
P P1 P2 26190 22000 4190W
P0 P1 PaCu 4190 2190 2000W
空载损耗功率
常用静态特性
机械特性：转速与转矩的关系
调节特性：转速与控制量（如电压）的关系
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电机的电流
电流与转速有关 转速（利用上式）：
Ua Tem Ra n Ce CeCt 2
U a Ea U a Ce n Ia Ra Ra
U a Tem Ra K e K e Kt