第3章 直流电机及电力拖动
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
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❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
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0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
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❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
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电机与电力拖动基础教程第3章(3)
(0，-n0)，斜率为b，与电动状态时 电枢串入电阻RW时的人为机械特性 相平行的直线。
b
Ra RW CeCT Φ 2
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(3)电压反接制动过程 电压反接时，n不能突变，工 作点由第一象限A点平移至第 二象限B点。T＝-TB＜0，T与 TL共同作用使电机减速，直至 n＝0。反接制动过程结束。 如果电机拖动反抗性负载，n＝0时， T＝-TC＞-TL，电动机反向电动(第三 象限)直至T＝-TL(D点)，电动机稳定 运行。
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2.电动势反接的反接制动 电动势反接的反接制动仅 适用于位能性恒转矩负载， 又称倒拉反接制动或转速 反向反接制动。 (1)电动势反接制动的实现
当开关K闭合，电动机运行
于电动状态。 当开关K断开，电枢回路串 入较大电阻RW，使n＝0时， 电磁转矩小于负载转矩，电动 机反向加速，T与n反向，进 入电动势反接的反接制动运行。
Ra RW n T nC 2 CeCT ΦN
T=TL
CeCT Φ n RW Ra TL
2 N C
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5.能耗制动பைடு நூலகம்点
(1)制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电 机单独运行，把系统存储的动能或位能性负载的位能转变 成 电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+RW)。 (2)制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下降，故 低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少RW，以增大 制动转矩T ，此即多级能耗制动 C Φ n T CT ΦN I a CT ΦN e N , T n Ra RW
电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动
B、他励直流电动机的常用的起动方法
为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下 步骤进行：（1）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；（2） 待主磁场建立之后再加入电枢电压。
电枢回路串电阻起动
直流电机的 起动方法
降压起动
a、电枢回路串电阻起动
3.18 直流电动机人工起动器的电气原理图
B、电力拖动系统的稳定运行条件
定义： 对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电 压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一 旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称系统是稳定 的；否则，系统是不稳定的。
图3.13 电力拖动系统的稳定运行分析
电力拖动系统稳定运行的条件为：
B、多轴电力拖动系统的折算
a、折算的概念
图3.3 多轴电力拖动系统的简化
折算的原则是：确保折算前后系统所传递的功率或系统储存的动能 不变。
b、折算的方法
1) 机械机构的转矩折算
折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。现分析如下： （1）当电动机驱动机械负载时，传动机构的损耗是由电动机承担的。于是有：
TL TL Lt
根据上式，折算后的负载转矩为：
TL
TLt TLt j ( ) L
（3-5）
2）直线作用力的折算
折算时同样应考虑功率的流向问题。 图3.4给出了电机拖动起重机负载实现升降运动的示意图。
图3.4 电机带动起重机负载的示意图 （1）当重物提升时，传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有： 又
Tem n
nA
TL n
（3-15）
nA
上述结论可以通过系统的动力学方程式或上图的分析求得。其 物理意义是：当在A点处于稳定运行系统受到外部扰动使得转速增 加时，负载转矩的增加应大于电磁转矩的增加，系统才能够减速， 回到原来的运行点。此时，系统在A点处是稳定运行的。
电机与电力拖动
电机与电力拖动1. 引言电机是一种将电能转化为机械能的设备，广泛应用于各个领域中。
电力拖动则指的是利用电动机驱动机械设备或系统进行运动或操作的过程。
本文将介绍电机的基本原理以及电力拖动的应用。
2. 电机的基本原理电机是通过电磁感应原理将电能转化为机械能的设备。
其基本原理为根据施加在导体上的电流产生的磁场与外部磁场之间的相互作用，进而产生力或转矩。
电机根据其工作原理的不同可以分为直流电机和交流电机。
直流电机是利用直流电源供电，通过直流电源的正反极性变化来产生旋转运动。
交流电机则是利用交流电源供电，通过交流电源的频率来产生旋转运动。
电机的主要构成部分包括定子和转子。
定子是固定不动的部分，其中包含了产生磁场的线圈。
转子则是可以转动的部分，通过与定子的磁场相互作用来产生力或转矩。
3. 电力拖动的应用电力拖动广泛应用于各个领域，例如工业自动化、交通运输以及家用电器等。
以下列举了几个常见的电力拖动应用：3.1 工业自动化在工业自动化中，电力拖动被广泛应用于各种生产设备和机械系统。
通过电动机驱动，可以实现自动化生产线的运行，提高生产效率和质量。
例如，自动化生产线中的输送带系统就是通过电动机驱动的。
电动机的转动产生的转矩传递给输送带，使其能够带动物料或产品在生产线上移动。
3.2 交通运输电力拖动在交通运输领域中起到了重要作用。
例如，电动汽车就是利用电动机作为动力源来驱动车辆运行。
电动汽车相比传统的内燃机汽车具有环保、高效等优势。
此外，电力拖动还被应用于电动火车、电动船舶等交通工具中，实现了对传统燃油动力的替代。
3.3 家用电器家用电器中的电机和电力拖动也是不可或缺的。
例如，洗衣机、空调、冰箱等家电产品都需要电机来驱动其工作。
电机驱动使得家用电器能够实现自动化、智能化的功能，提高生活质量和舒适度。
4. 总结电机作为将电能转化为机械能的设备，通过电磁感应原理实现了这一转化过程。
电力拖动则是利用电动机驱动机械设备或系统进行运动或操作的过程。
电机拖动第三章
由图可见，位能性恒转矩负载的转矩不随转速 方向的改变而改变。无论电机正、反转，负载转 矩始终为单一方向。
B、通风机负载特性 特点:
负载转矩基本上和转速的平方成正比，
即
TL Kn
2
例：通风机、水泵及油泵等，负载转动时， 其中空气、水、油等介质对机器叶片的 阻力基本上和 2 成正比。
n
C、恒功率负载的转矩特性 恒功率负载：如 车床、恒张力卷 取机，随着卷取 直径增大，力矩 增大。但为了保 持张力不变，线 速度应不变，相 应地转速就要降 低，结果是功率 不变。
2
当电机工作在A点时，
TemA TLA
则有:
GD2 dn Tem TL 375 dt
考虑到微小增量为在A点的偏 导数乘上 n ，上式为
Tem n
nA
TL n n
nA
GD2 dn n 375 dt
整理为线性微分方程
Tem n TL n
为了简化计算，把多轴复杂系统等效成
一个单轴简单系统，方法是把电机轴后面 的传动机构和工作机构部分（如下图中虚
线框部分所示）都折算到电机轴上，用一
个等效负载来代替它，这样就可以用单轴
系统的运动方程式来研究多轴系统，这时
运动方程式为
折算
折算方向：一般是从生产机械轴向电动 机轴折算。原因是研究对象是电动机。 且电动机轴一般是高速。根据传送功率 不变的原则，高速轴上的负载转矩数值 小。 折算的原则是：确保折算前后系统所传 递的功率或系统储存的动能不变。
例3-2： 用稳定运行的概念判断图中 的A点是否为稳定运行点？
系统原在A点平衡运转
TL1 TL 2
n nA
Tem TL1
第三章 直流电动机的电力拖动
U
Ec R1
两级起动时
I1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 Rm Rm1 R2 R1
I 2 Rm1 Rm2
R1 Ra
I1 / I2 称为起动电流比
30
R1 Ra
R2 R1 Ra 2
Rm1
Rm 2
Ra
m1
Rm Rm1 Ra m
17
B、风机与泵类负载的转矩特性
通风机负载转矩与转速的大小有关，基本上与转速的平方成正比
特点： TL Kn2
通风机类负载的转矩特性
如实际生产机械中的水泵、油泵、离心式通风机等其介质 对叶片的阻力基本上与转速的平方成正比。
18
C、恒功率负载的转矩特性
特点：
TL
k
1 n
恒功率负载的转矩特性
在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比,其功率基本
恒转矩负载 大多数生产机械可归纳为： 风机与泵类负载
恒功率负载
14
各类生产机械的负载转矩特性 A、恒转矩负载的转矩特性
特点： 负载转矩不受转速变化的影响。在任何转速下，负载转矩
总是保持恒定或大致恒定。
反抗性恒转矩负载 恒转矩负载
位能性恒转矩负载
15
(1) 反抗性恒转矩负载的转矩特性如下图所示。
反抗性恒转矩负载的转矩特性
22000 Ω
0.174Ω
Ce N
UN
I N Ra nN
220 116 0.174 V/(r/min) 1500
0.133 V/(r/min)
理想空载点 Te 0
n
n0
UN
Ce N
220 r/min 1650r/min 0.133
电力拖动控制系统第三章
第三章★微机数字控制系统：以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）★微型计算机数字控制的主要特点：微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。
★由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化★数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种： 1. 数模混合控制系统 2.数字电路控制系统 3. 计算机控制系统★数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路★数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成★在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。
系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI 算法，由软件实现转速、电流调节。
★微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构系统由以下部分组成：主电路；检测电路；控制电路；给定电路；显示电路★主回路——微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE 有两种方式：直流PWM 功率变换器；晶闸管可控整流器★检测回路——检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速★转速检测有模拟和数字两种检测方法。
对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。
★故障综合——利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。
这也是采用微机控制的优势所在。
★数字控制器——数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）★系统给定——系统给定有两种方式：（1）模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。
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4. 各种制动线路。
3.2 他励直流电动机的基本控制线路
3.2.1他励直流电动机的启动控制线路
直流电动机的正反转
改变电动机的旋转方向有两种方法:
1. 电枢反接法 这种方法是保持磁场方 向不变而改变电枢电流的方向，使电动 机反转。此法常用于并励直流电动机。 2. 磁场反接法 这种方法是保持电枢电 流方向不变而改变磁场方向（即励磁电 流的方向）使电动机反转。此法常用于 串励电动机，
第3章
பைடு நூலகம்
直流电机及其电力拖动
由直流电源供电,拖动机械负 载旋转,输出机械能的电机称为 直流电动机; 由原动机拖动旋转,将机械能 转变为直流电能的电机称为直流 发电机。
第3章
直流电机及其电力拖动
3.1 直流电动机的结构与原理 3.1.1直流电动机的基本结构 1. 静止部分(定子) (1) 主磁极 (2) 换向极 (3) 电刷装置 2.转动部分(转子) (1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组 (3) 换向器
按照直流电机的主磁场不同，一般分两大类: 由永久磁铁作为主磁极，称为永磁式； 利用给主磁极通入直流电产生主磁场，称 为电磁式。 按照主磁极与电枢绕组接线方式的不同， 电磁式通常可分为他励式和自励式两种。 自励式又可分为并励、串励、复励等几种。
3.1.3 直流电动机的分类
3.1.3 直流电动机的分类
3.4.4 串励直流电动机的制动
3.4.4 串励直流电动机的制动
3.5 直流电动机的保护
3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.5 短路保护 过载保护 零励磁保护
3.5.4 零压和欠压保护
超速保护
带有过载保护与零励磁保护的电路
本章知识小结
1. 各种启动控制线路; 2. 正反转控制线路; 3. 各种调速控制线路;
3.3.3 并励直流电动机的 调速控制线路
3.3.4 并励直流电动机 能耗制动控制线路
3.4 串励直流电动机的基本控制线路
3.4.1 串励直流电动机的启动控制线路
3.4.2 串励直流电动机的 正反转控制线路
3.4.3
串励直流电动机的 调速控制线路
3.4.4 串励直流电动机的制动
3.4.4 串励直流电动机的制动
3.2.4 他励直流电动机的调速
1.电枢回路串电阻调速 2.改变励磁电流调速 3.改变电枢电压调速
3.3
3.3.1
并励直流电动机的基本 控制线路
并励直流电动机的启动控制
3.3.2
并励直流电动机的 正反转控制
3.3.3 并励直流电动机的 调速控制线路
3.3.3 并励直流电动机的 调速控制线路
3.2.3 他励直流电动机的制动 控制线路
3.2.3 他励直流电动机的制动 控制线路
3.2.3 他励直流电动机的制动 控制线路
电动机的调速
调节转速简称为调速，就是在一定 的负载下，根据生产工艺的要求，人为 地、有意地改变电动机的转速。 调速方法有: 1. 机械调速; 2.电气调速; 3. 机械电气相配合调速。
3.1.2 直流电动机的工作原理
3.1.2
直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理：直流电动 机在外加电压的作用下，在电枢绕组中 形成电流，电枢绕组在磁场中受到电磁 力的作用，由于换向器对电枢绕组中电 流的换向作用，使直流电动机能够连续 旋转，把直流电能转换成机械能输出。
3.1.3 直流电动机的分类
直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性是指U、 If、Ra 都不变时，电动机的转速n 与电磁转矩 T 之间的关系。
机械特性是研究直流电动机稳
定运行、起动、调速和制动力等运 行的基础。
电动机的启动
电动机从静止状态加速达到稳定运行状态 的过程，称为电动机的启动。 电动机的启动性能主要由下列各项来决定： 1.启动电流的大小; 2.启动转矩的大小; 3.启动时间的长短; 4.启动过程是否平滑，即加速是否均匀; 5.启动过程的经济性.
3.2.2
他励直流电动机的正反转 控制线路
直流电动机制动
所谓制动，就是给电动机加上与原 来转向相反的转距，使电动机迅速停转 或限制电动机的转速。 直流电动机制动方法有机械制动和 电力制动两种。 电力制动常用的方法有能耗制动、 反接制动、回馈制动(又称再生制动)。
3.2.3
他励直流电动机的制动 控制线路