第3章 直流电机的过渡过程
直流电机换向的物理过程
直流电机换向的物理过程
直流电机的换向是指电机的电流方向和磁场方向在运转过程中发生变化，从而使电机转向。
具体来说，直流电机的换向过程包括下列几步：
1. 电机的旋转：在电机启动时，电流从直流电源流入电机绕组，形成一个磁场。
磁场与电机中的磁铁产生相互作用，导致转子开始旋转。
2. 切断电源：当电机转到一定角度时，需要切断电源，以便反转电流方向。
一般采用机械式换向器，在转子转到一定位置时，换向器自动切换电流方向。
3. 反转电流：当电源被切断后，电机绕组中的电流也被切断。
此时，磁场也停止了。
然而，由于转子的惯性作用，电机仍然继续旋转。
在这个过程中，磁场发生了变化，导致了电动势的产生。
这个电动势反向了电机绕组中的电流方向。
4. 再次接通电源：当电机旋转到另一个位置时，需要再次接通电源，以便让电流流入反向的绕组。
这使得磁场方向发生了改变，并且电机开始沿着反向方向旋转。
5. 重复以上步骤：这个过程不断重复，直到电机达到所需的转速和方向为止。
总之，直流电机的换向是通过周期性改变电流方向和磁场方向来实现的。
它是电机工作的关键过程之一，直接影响到电机的运行效率和性能。
机电传动控制第五版课后答案--最全版
机电传动控制第五版课后答案--最全版机电传动控制是一门涉及机械、电气和控制等多领域知识的重要学科，对于相关专业的学生和从业者来说，掌握这门课程的知识至关重要。
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第一章绪论1、机电传动控制的目的是什么？答：机电传动控制的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速、反转以及各种生产工艺过程的要求，以满足生产的需要，提高生产效率和产品质量。
2、机电传动系统由哪些部分组成？答：机电传动系统通常由电动机、传动机构、生产机械、控制系统和电源等部分组成。
电动机作为动力源，将电能转化为机械能；传动机构用于传递动力和改变运动形式；生产机械是工作对象；控制系统用于控制电动机的运行状态；电源则为整个系统提供电能。
3、机电传动系统的运动方程式是什么？其含义是什么？答：运动方程式为 T M T L ＝J(dω/dt) 。
其中，T M 是电动机产生的电磁转矩，T L 是负载转矩，J 是转动惯量，ω 是角速度，dω/dt 是角加速度。
该方程式表明了机电传动系统中电动机的电磁转矩与负载转矩之间的平衡关系，当 T M ＞ T L 时，系统加速；当 T M ＜ T L 时，系统减速；当 T M ＝ T L 时，系统以恒定速度运行。
第二章机电传动系统的动力学基础1、为什么机电传动系统中一般需要考虑转动惯量的影响？答：转动惯量反映了物体转动时惯性的大小。
在机电传动系统中，由于电动机的转速变化会引起负载的惯性力和惯性转矩，转动惯量越大，系统的加速和减速过程就越困难，响应速度越慢。
因此，在设计和分析机电传动系统时，需要考虑转动惯量的影响，以确保系统的性能和稳定性。
2、多轴传动系统等效为单轴系统的原则是什么？答：多轴传动系统等效为单轴系统的原则是：系统传递的功率不变，等效前后系统的动能相等。
3、如何计算机电传动系统的动态转矩？答：动态转矩 T d ＝ T M T L ，其中 T M 是电动机的电磁转矩，TL 是负载转矩。
直流电动机的电力拖动特性和过渡过程
[例9-1 ] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：PN 22kW UN 220V IN 116A nN150r/0min
试计算其机械特性。
解
R a3 2 U N II N N 2 P N 3 2 2 2 1 10 1 2 1 26 6 2Ω 0 0 .0 1Ω 0 74
C e N U N n N IN R a 22 1 10 1 5 0 .1 6 07 V 04/( r0 ./1 m V 3i3 /n ()r
起动开始时降低端电压 使 Ist＝(1.5 ～ 2.0)IN,
Tst=(1.5～2.0）TN。
随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制 在一定范围内。
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26
降低电源电压起动
调 压 电 源
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2、电枢回路串电阻起动
将启动电阻串入电枢回路，带转速上升后，逐步 将起动电阻切除。
理想空载点
n0
UN
Ce N
其中
IN，UN及nN为已知，Ra 可以估算
CeNE nN NUN nN INRa
Ra 12~32UNIINN 2PN
额定运行点
TNCTNIN
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（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。
w f d
b
g e
c
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a
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二、起动电阻的计算
各级起动电阻的计算，以起动过程中最大起动转矩
T1和切换转矩T2不变为原则：
I1 1.5 ~ 2IN I2 1.1 ~ 1.2IN
注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切换 瞬间的电枢电势不变，切换两点的电压降相等。
[工学]刘锦波 电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动第2部分
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图3.32 他励直流电机反接制动时的接线图
1. 反接制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算
反接制动过程中电机的机械特性可表示为：
n
U1 Ce
(Ra CeCT
RB ) 2
Tem
n0
Tem
（3-72）
上式可用图3.33所示曲线表示之。很显然，反接制动时电机的机械特性是一条位于第II 象限的直线。
反接制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小。为防止制动电流过大，一般按照下列
规则选择制动电阻 RB ，即：
IB
U N EaN Ra RB
2IN
23
式中，I B 为反接制动的起始电流。相应的制动电阻为：
RB
UN EaN 2IN
Ra
UN IN
Ra
（3-73）
图3.33 反接制动时直流电机的机械特性
K ni ni1
（3-49）
上式中，K 越接近于1，则平滑性越好。若采用无级调速，即速度连续可调，则 K 1 。
d：原始投资与运行成本
调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是
指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：
4
P2 100% P2 100%
P1
P2 p
现说明如下：
图3.28分别给出了恒转矩负载采用恒功率调速方式以及恒功率负载采用恒转矩调速方式 时的负载转矩特性和电动机的机械特性。
图3.28 调速方式与负载类型不匹配的说明
14
a、假若恒转矩负载选择恒功率调速方式（见图3.28a）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足：Tem TL 。根据图3.28a，显然，
结论： 随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁
控制电机第三章 直流伺服电动机_OK
改进。
35
I a3
2.反接制动工作状态
适用情况：驱动电机反转
原因：本身和负载的转动惯
量，n1维持不变。
U a 2
工作特点：
（1）既非发电机，又非电动机。
（2）Ia3很大（设计放大器时必须考虑的问题）。
（3）T很大，制动转速。
（4）吸收电能，又吸收机械能——电机电枢铜耗。
36
3.动能制动工作状态
突变：U a1
U a2
U a 2 Ea1 I a 2 Ra
当 U a2
时，
Ia2
Ea1 为负。
Ia2
U a2
T为制动转矩，电机处于发电机状
态。当Ea1下降到比Ua2小时，电
机将回到电动机状态。
发电机状态加快了电机转速的衰减过程，提高了系统快速性。
34
U a2
实际电路中晶闸
管供电不允许反
措施：采用低速性能好的直流力矩电动机和低惯量直流电
动机。
30
由调节特性可知：
（1） 一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。
（2） Ua=0时，电机立即停转，无自传现象。
（3）电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
（4）低速工作不稳定。
机械特性和调节特性的比较
31
4 过渡过程的运行状态
l
I a
Dl
2a 2 2a
T CT I a kT I a
转矩系数kT
11
➢电磁转矩和转矩平衡方程
电磁转矩
T CT I a
稳态转矩平衡方程
T2 T T0 TL
Ts T0 TL
Ts T
动态转矩平衡方程
直流电机的工作原理
直流电机的工作原理
直流电机是一种将直流电能转化为机械能的装置。
它的工作原理基于洛伦兹力和电动行为的相互作用。
直流电机的核心部件是电枢，由大量线圈组成。
当直流电源施加在电枢上时，电流流经线圈，产生一圈圈的磁场。
在电枢旁边，有一个磁体称为永磁体或者磁场极，它产生恒定的磁场。
当电流通过电枢的线圈时，根据右手定则，线圈内的磁场与永磁体的磁场产生相互作用，产生力矩。
由于电流的方向是可逆的，所以直流电机的转向也是可逆的。
当电流改变方向时，电枢产生的磁场方向也会改变，进而改变了与永磁体的相互作用，实现了转向。
为了实现连续的旋转运动，直流电机需要一个机械装置来改变电枢线圈的方向。
这个装置通常由一个可调整的组件（如换向器和刷子）组成，它能够使电流从一个线圈转移到下一个线圈，从而保持电枢的旋转方向。
总之，直流电机工作的基本原理就是利用洛伦兹力和电动行为，通过电磁感应和相互作用实现电能到机械能的转换。
直流电机的换向
直流电机的换向旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。
一、换向过程分析电刷是支路的分界线；我们讨论电刷与1、2片换向片分别和同时接触时的状况。
换向刚开头时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由+ia变为-ia（左→右）。
一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。
换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期。
Th=0.5～2ms换向问题非常简单，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。
当火花大到肯定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。
产生火花的缘由除电磁缘由外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。
二、换向元件中的电势1．电抗电势ex一般, 换向周期特别短暂,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势称为电抗电势,用ex表示。
依据楞次定理，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化,亦即ex 的方向企图与换向前的电流方向相同。
或者说电抗电势是阻碍换向的。
电抗电势大小反比于换向周期。
2．电枢反应电势ea换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势。
其方向与ex相同，即其性质也是阻碍换向的。
其大小为: Ea=2Wy Ba l va3．换向极电势eK换向极电势是由于换向元件切割换向磁极感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的。
其方向企图与换向后的电流方向相同，或者说换向极电势是关心换向的。
三、影响换向的因素电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向.机械、化学、材料等缘由机械方面的缘由如：换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。
第3章 直流电机的过渡过程
第3章 直流电机的过渡过程
3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
由直流他励电动机的机械特性方程式
n
改变电枢回路的电阻Ra、端电压U及主磁通Φ可得不同的人为调速机械特性
Ra U T Ce Ce CT1）理想空载转速不变，只能在额定转速下调节 （2）改变机械特性硬度。电阻大，特性软稳定性差 （3）属于有级调速，调速的平滑性很差。 （4）串电阻越大，且运行时间越长，损耗也就越大 （5）属于强电流调速。电枢回路的电阻变化，直接控 制电枢电流变化，而电枢电路为主电路，电枢电流 一般来说要比励磁电流大，所以属于强电流调速。 （6）串电阻调速在电气控制上实现简单操作方便可靠 （7）属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长 时间输出的额定转矩基本未变。
（8）应用：只能用在调速平滑性要求不高，低速工作时间 不长，容量较小的电动机。一般在采用其他调速方法不 值得的地方采用这种调速方法。
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(a) 升速特性
(a) 降速特性 图3.9电枢串电阻的调 速特性
第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
电机拖动
第 第 3 章 直流电机的过渡过程 直流电机的过渡过程
3.1 3.2 3.3 3.4 电力拖动系统的过渡过程 直流电动机的起动 直流电动机的调速 他励直流电机的制动 它励直流电机的制动
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第3章 直流电机的过渡过程
3.1
3.1
电力拖动系统的过渡过程
电力拖动系统的过渡过程
过渡过程就是电机从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态的过程 动态特性是电力拖动系统在过渡过程的变化规律和性能
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(1.8 ~ 2.5)I N
(a) 电路图
4.电枢回路串电阻起动的特点
（1）电枢串接的附加电阻RK 越大，电枢电流流过
RK所产生的损耗就越大；
（2）属于有级起动，主要是电阻连续变化困难引
起的；
（3）只能用于容量较小、不频繁起动、也不长时
间运行的电动机；
(b) 特性图
（4）实现方法简单。
图3.4 直流他励电动机 二级起动电路和特性
障影响生产的成本，维修元器件的成本，以及维护人员的成本等都在维护费用中。
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
由直流他励电动机的机械特性方程式
n U Ra T
Ce CeCT 2
改变电枢回路的电阻Ra、端电压U及主磁通Φ可得到不同的人为调速机械特性。
枢电流变化 。
（6）控制简单，容易实现。
（7）属于恒功率的调速方式。因为电动机发热所允
许的电枢电流不变，所以电动机的转矩随磁通的减小而减
小，故这种调速方法是恒功率调节。
（8）可调磁电动机的设计是在允许最高转速的情况
下，降低额定转速以增加调速的范围。适用于高转速工作，
一般调速范围可达1∶2、1∶3或1∶4。常与调压调速联合
态特性是电力拖动系统在过渡过程的变化规律和性能
3.1.1 电力拖动系统动态分析的假设条件
（1）忽略电磁过渡过程，只考虑机械过渡过程；
（2）电源电压在过渡过程中基本不变；
（3）磁通量基本保持不变；
（4）负载转矩基本保持不变。
3.1.2 电力拖动系统转速动态方程
综合机械特性 可得 n n0 (TL
tTx
TM
ln Tis Tx
Tss Tss
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(a) 电动机的加速过程
(b) 电动机的减速过程 图3.3 电力拖动系统转矩 的过渡过程曲线
第3章 直流电机的过渡过程
3.2 直流电动机的起动
3.1.1 电力拖动系统的起动
起动就是电动机从静止状态过渡到某一稳定运行状态的过程；实际
n n与0 运T动方程式
GD 2 375
dn) dt
n0
TL
GD 2 375
T TL dn dt
GD 2 375
dn dt
令 nss n0为过T渡L 过程的稳态值，
TM
为 G过D 2 渡过程的时间常数也称电机时间常数。
375
则上式可写成
n
nss
TM
dn dt
使用，以扩大调速范围，因而在生产中得到了广泛应用。
(a) 升速特性
(a) 降速特性 图3.11改变主磁通 的调速性能
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.4 调速方式与负载类型的配合
电动机实际输出的转矩和功率随转速如何变化，由负载的性质来决定。 1.恒转矩调速方式配恒转矩负载
第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.2 调速指标(技术指标、经济指标)
技术指标包括调速范围、相对静差度（调速的稳定性）、调速的平滑性、调速
时的容许输出；经济指标主要是是指在调速时的经济性等。
1.技术指标
(1)调速范围：一定负载下，电动机可能运行的最大转速与最小转速之比。 D nmax (2)调速的静差率（也称为静差度或相对稳定性）负载转矩在给定范围内变化 nmin
(3)调速是无级的，调速的平滑性很好。 (4)损耗较小，比较经济。 (5)降低电枢电压，属于强电流调速。 (6)电源成本高。因采用电压可调的电源技术，所以 电源装置技术含量，在结构上比较复杂。 (7)属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长 时间输出的额定转矩基本未变。 (8)适用于对调速性能要求较高的中、大容量拖动系 统，以及自动化程度较高的系统。在冶金、机床、轧钢、 重型机床(龙门刨)、精密机床、矿井提升以及造纸机等方
反比，即磁通当下降时，一般情况下转速上升。普通非调
磁电动机额定转速一般可高达1500r/min左右，但弱磁调
节的专用电动机速度可更高。
（2）特性变软，稳定性差。
（3）调速是无级的，调速的平滑性很好。
（4）损耗较小，比较经济。
（5）属于小电流调速。因励磁电流较小，调节控制
中的控制电流也较小，但可通过磁场的变化，间接引起电
ni 1
ni
(4)调速时的容许输出：是指电动机在某一转速下长期可靠工作时，所能输出
的最大功率和转矩。
2.经济指标
(1)调速设备的投资：调速方法不同技术含量不同，调速设备价格不同；
(2)运行损耗 ：调速方法不同，设备运行损耗不同，运行费用也不同；
(3)维护费用：调速方法不同，设备可靠性不同，则故障概率也不同；另外故
， 速度n= 稳态值 ns-s （稳态值 -n起ss 始值 ） nis e t TM 可得
转速 n nA (nA 0)et TM nA nAet TM
转矩 T TL (TL Tst )e t TM 2.多级电阻起动时的过渡过程
（1）第一级起动 （2）二级过渡
（3）固有特性级
3. 调速与负载变化转速变化的区别
调速一般是在某一不变的负载条件下，人为地改变电路的参数，而得到不 同的速度。调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。调速是主动的，它 需要人为地改变电气参数，使机械特性变化。
负载变化引起的电机转速变化，不是自动进行，而是被动的，机械特性也 不变化。
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图3.9电枢串电阻的调速特性
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第3章 直流电机的过渡过程 3.3 直流电动机的调速
3.3.3 直流他励电动机的调速方法及其调速性能
2.改变电源电压的调速方法及其调速性能
n
U
Ce
Ra
CeCT 2
T
(1)理想空载转速发生变化,随电源电压降低的而降低。
(2)理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。特 性斜率不变，因此机械特性斜率硬,稳定性好。故调速的 范围也相对大得多。
（1）恒转矩调速方式：调速过程中保持电动机电磁转矩不变的调速方式。 （2）负载转矩和电动机的容许输出转矩均为常数，负载功率和电动机的容许输出 功率均与转速成正比（P=TΩ）；这是因为由T=CTΦIa，可知当Ia=IN时，若Φ =ΦN， 则转矩为常数。因此，只要选择电动机的容许输出转矩(也就是额定转矩)与负载转矩 相等，则负载转矩特性与电动机的容许输出转矩特性就完全重合，此时，电动机既 满足了负载的要求，又得到了充分利用，因此恒转矩调速方式配恒转矩负载是一种 理想的配合。需要指出的是，此时电动机的额定转速为系统的最高转速。
解微分方程可得通解 n ns可s 得Ke三t T要M 素法
n 速度 = 稳态值 n-s（s 稳态值 -起ns始s 值 ） nis e t TM
(a) 电动机的加速过程
(b) 电动机的减速过程 图3.2 电力拖动系统转速 的过渡过程曲线
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第3章 直流电机的过渡过程 3.1 电力拖动系统的过渡过程
上也就是转子的速度从零升速到某一稳定速度的过程。
3.2.1 直流电动机起动的基本要求
1．直流电动机起动线路控制的要求
必须先保证有磁场(即先通励磁电流)，而后加电枢电压。如果先加
电枢电压，而后有磁场，则会出现不能正常起动的问题。下面分析：
（1）空载或轻载起动:出现“飞车” ；
（2）负载起动:会烧毁绕组。
（4）起动过程的综合分析
总的时间为
（a）机械特性 （b）转速的变化 （c）转矩的变化
t
t1
t2
t3
(TM 1
TM 2 ) ln
T1 T2
TL TL
(3
~
4)TM
图3.8他励直流电动二级起动过渡过程
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第3章 直流电机的过渡过程
3.3 直流电动机的调速
3.3.1 调速的概念
产生超过电动机的最大允许电流为限。待电动
机转动以后，随着转速升高，其反电动势也升
高，再让外加电压也随之升高。这样如果能够
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制得好，则可以保持起动过程电枢电流为最
大允许值，并几乎不变和变化极小，从而获得
恒加速无级起动过程。
(3)电源装置比较复杂，技术含量高。
(4)适用于自动化程度较高的情况。
图3.6 电枢电压降压起动的 机械特性
时引起的速度变化；实质上是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到
满载时的转速降落与理想空载转速的比值。
n0 n 100% n 100%
n0
n0
(3)调速的平滑性：在一定的调速范围内，相邻两级速度之比。 K
ni
或K ni1
K→1时称为无级调速；K=2、3、4时称为有级调速。
2．直流电动机起动性能的要求
(1) 要有足够大的起动转矩； (2) 起动电流要限制在一定范围内 (3) 起动设备要简单、可靠；
Ia
U
Ea Ra
U 0。 U
Ra Ra
(4
~
7)I N
一般限制起动电流的方法有两种，一种方法是在电枢回路内串入适
当的外加电阻起动，另一种方法是降低电枢电压的降压起动。
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第3章 直流电机的过渡过程 3.2 直流电动机的起动
3.2.3 降低电枢电压的降压起动
1.电枢电压降压起动电路
2.电枢电压降压起动的机械特性
3.电枢电压降压起动的特点