电传动控制原理第二章 直流牵引电机及其调速方式.
直流电动机调速原理
直流电动机调速原理直流电动机是一种常见的电动机类型，它在工业生产中有着广泛的应用。
而电动机的调速则是其在实际应用中非常重要的一个方面。
本文将介绍直流电动机调速的原理和方法。
首先，我们来了解一下直流电动机的工作原理。
直流电动机通过直流电源提供电能，将电能转换为机械能，驱动负载进行工作。
在电动机内部，有一个旋转部件称为转子，和一个固定部件称为定子。
在电动机中，通过电流在磁场中产生力矩，从而驱动转子旋转。
而电动机的转速与电压成正比，转矩与电流成正比。
在实际应用中，我们经常需要对电动机的转速进行调节，以满足不同工况下的需求。
直流电动机调速的原理主要有以下几种：1. 电压调速。
电压调速是通过改变电动机的输入电压来实现调速的方法。
当电压增大时，电动机的转速也会增加；反之，当电压减小时，电动机的转速会降低。
这种方法简单易行，但是需要考虑电动机的额定电压和最大电压之间的关系，以及对电动机的影响。
2. 串联电阻调速。
串联电阻调速是通过改变电动机的电流来实现调速的方法。
在电动机的串联电路中加入电阻，可以降低电动机的起动电流，从而实现调速的目的。
但是这种方法会导致电动机的效率降低，且需要考虑电阻的功率损耗和散热问题。
3. 电枢调速。
电枢调速是通过改变电动机的电枢电流来实现调速的方法。
通过改变电枢电流的大小，可以改变电动机的转速。
这种方法可以实现较大范围的调速，但是需要考虑电枢电流对电动机的影响和电动机的稳定性。
4. 外加磁场调速。
外加磁场调速是通过改变电动机的外加磁场来实现调速的方法。
通过改变外加磁场的大小，可以改变电动机的转速。
这种方法可以实现较大范围的调速，但是需要考虑外加磁场对电动机的影响和电动机的稳定性。
总的来说，直流电动机调速的原理主要是通过改变电动机的电压、电流、电枢电流和外加磁场来实现的。
不同的调速方法有着各自的特点和适用范围，需要根据具体的工况和要求来选择合适的调速方法。
除了以上介绍的调速原理外，还有一些先进的调速技术，如PWM调速、矢量控制调速等，这些调速技术能够更精确地控制电动机的转速和转矩，提高电动机的效率和性能。
电传动控制原理第二章 直流牵引电机及其调速方式.
机械稳定性的条件：
牵引特性曲线斜率<基本阻力曲线斜率
即：
dF/dv < dW0/dv
一般dW0/dv > 0
∴差复励电动机dF/dv >0 不具有稳定性
其他电动机dF/dv <0 均具有机械稳定性
F/ W0 2
机械稳定性分析图示
3 1. 基本阻力曲线W0=f(v)
F3=f3(v) 0
A
△v v1 v
2. 大齿 轮节圆
DK
FK
1.小齿轮节圆
• 机车速度特性 Vk= f ( Ia )
机车动轮转速 nk 电动机转速 n 齿轮传动比
nk = n /
机车线速度 Vk = (D k/60) • nk (m/s)
ＤＫ：机车动轮直径
Vk = (D k/60) • nk = (D k/60) • (n/) • (3600/1000)
T
Tn12 n2
T1
0
Id1
T
n 并励： 由相同的转速差引起 Id1 Id2 差值较大 T1 T2 差值也较大
Id2 Id
（三）电压波动对牵引电机的影响
Tn n 1
2
n
T1 T2
0
Id2 Id1
T
串励： 转速不变 工作曲线
由n1变为n2 Id1 Id2 差值较小 T1 T2 差值也较小
Id
并励
T T1 n
机车轮周牵引力与电机转矩成正比 FK T 机车牵引力特性与电机转矩特性具有相同的形状
• 机车牵引特性 FK = f ( VK )
速度特性 VK = f ( Ia ) 牵引力特性 FK = f ( Ia )
牵引特性 FK = f ( VK )
直流电机调速器的工作原理
直流电机调速器的工作原理
直流电机调速器是通过对电机的电压或电流进行调节来实现电机转速的控制。
其工作原理主要包括以下几个方面：
1. 采样调节：通过采集电机转速的反馈信号，比较其与设定值的差距，计算出控制电压或电流的误差。
2. PID控制：采用比例、积分和微分三个环节的控制算法，根据误差计算出相应的控制量，以控制电机的转速。
3. 调节元件：根据控制算法的控制量输出，通过开关或调节电阻等手段，调节电机的供电电压或电流，以达到对电机转速的调节。
4. 可编程控制：一些先进的直流电机调速器还具备可编程的功能，能够设置不同的调速曲线、加速/减速时间、电机保护和故障诊断等功能。
总的来说，直流电机调速器通过采样调节、PID控制和调节元件的配合，实现对电机供电电压或电流的调节，从而控制电机的转速。
第二章 直流电动机及其调速系统
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。
直流电动机调速原理
直流电动机调速原理直流电动机是一种常见的电动机，广泛应用于各种机械设备中。
为了实现对直流电动机的调速，可以采用不同的方法，其中最常见的就是采用调节电压的方式来实现调速。
本文将介绍直流电动机调速的原理及实现方法。
直流电动机调速的原理主要是通过改变电动机的输入电压来改变其转速。
一般来说，直流电动机的转速与电压成正比，即电压越高，转速越快；电压越低，转速越慢。
因此，通过调节电动机的输入电压，可以实现对电动机转速的调节。
实现直流电动机调速的方法有很多种，其中比较常见的包括：电阻调速、串联调速、分流调速和PWM调速。
1. 电阻调速：电阻调速是最简单的调速方法之一，通过串联接入电阻来减小电动机的输入电压，从而降低电动机的转速。
这种方法成本低廉，但效率较低，且需消耗较多的能量。
2. 串联调速：串联调速是通过在电动机的电路中串联接入一个可变电阻，通过改变电阻值来改变电动机的输入电压，从而实现调速。
这种方法比电阻调速效率要高一些，但仍然存在能量消耗较多的问题。
3. 分流调速：分流调速是通过在电动机的电路中并联接入一个可变电阻，通过改变电阻值来改变电动机的输入电压，从而实现调速。
这种方法比串联调速效率更高一些，但仍然存在一定的能量损耗。
4. PWM调速：PWM调速是通过脉宽调制技术来实现对电动机的调速。
通过改变PWM信号的占空比来改变电动机的平均输入电压，从而控制电动机的转速。
这种方法效率高，能量损耗小，是目前应用较广泛的调速方法之一。
总的来说，直流电动机调速原理主要是通过改变电动机的输入电压来改变其转速。
不同的调速方法有各自的特点和适用范围，可以根据具体的需求选择合适的调速方法。
希望本文能够帮助读者更好地理解直流电动机调速的原理及实现方法。
内燃机车电力传动第二章牵引电机
內燃机车电力传动（二）第一节直流牵引电动机一、直流牵引电动机的工作原理在交一直流电力传动装置中，广泛采用直流串励电动机作为驱动机车车辆的牵引电动机，它的工作原理与一般直流串励电动机相同。
图2—2直流电动纵向剖面1—吊环；2—机座，3—端盖；4—风扇；5—电枢绕组； 6—后压圈；7—轴承；8—轴；9—电枢铁芯；10—前压圈; 11—换向器压圈；12—换向器；13—电刷；14—刷握装置;图2—1直流电动机横向剖面1—主极线圈；2—主磁极；3—换向极线圈；4—换I H !极；5—电枢绕组；6—底脚；7—电枢槽；8—机座（磁辘）；9—电枢铁芯; 10—极靴。
15—前端盖；16—主极线圈；17—主极铁芯。
•:•直流电动机的基本工作原理图2—3 直流电动机的工作原理＞改变电源正负极，或改变磁场方向时, 电枢线圈所受的电磁力都将反向，电枢反向旋转。
主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方向：N 一S静止的电刷（A和B）与换向器滑动接触, 将直流电引入电枢线圈abed电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用电磁力大小：f x = B x l z s电磁力的方向：由左手定则决定一对电磁力形成电磁转矩Mx电磁感应定律：运动导体切割磁力线必感应出电势（电动机中为反电势）感应电势大小：e = BJv 感应电势的方向：按右手定则决定中电流换向，从而保证每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，使电磁转矩的方向不变，电机按一定方向连续旋转。
换向器:其作用是使旋转中的电枢线•:•具有八个线圈的直流电动机在实际的直流电机中，电枢上都不只有一个线圈，而是有许多线圈均匀且牢固地嵌放在电枢铁芯槽中。
＞换向器由八个互相绝缘的换向片组成。
＞八个线圈通过换向片联接，构成了一个闭合的绕组。
＞位于磁极中性线上两个电刷将闭合的绕组分成了两个并联的支路。
＞所有的线圈都被利用来产生电磁转矩和感应电势，其合成感应电势和电磁转矩的大小取决于并联支路线圈和总线圈数量的多少。
直流电机及调速系统工作原理课件
直流电机调速系统的基本原理
调速系统的组成
直流电机调速系统主要由控制器、功率驱动器和直流电机三部分组成。控制器负责接收速度指令和反馈信号，根 据指令和反馈信号计算出控制电压或电流，输出控制信号给功率驱动器。功率驱动器根据控制信号调节电机的输 入电压或电流，从而改变电机的转速。
调速系统的基本原理
调速系统的基本原理是通过改变电机的输入电压或电流，调节电机的输入功率，实现对电机转速的调节。具体来 说，当电机的输入电压或电流增加时，电机的转速增加；当电机的输入电压或电流减小时，电机的转速减小。通 过控制电机的输入电压或电流，可以实现电机的平滑调速和精确控制。
直流电机的工作原理
当直流电源通过电刷和换向器加到电 枢绕组上时，通电的电枢绕组在主磁 极产生的磁场中受到安培力而产生转 矩，驱动转子旋转。
直流电机输出的机械功率通过联轴器 或带轮等传动装置驱动负载转动。
随着转子的旋转，电枢绕组中的电流 方向不断改变，以保持电磁转矩的方 向不变。
直流电机的分类与特点
电机过热
可能是由于电机散热不良或负载过大等原因引起的，应检 查电机的散热系统和负载情况，如有需要可更换更大功率 的电机。
调速系统失灵
可能是由于控制线路故障或传感器、执行器等部件损坏等 原因引起的，应检查控制线路和相关部件，如有需要可更 换损坏的部件。
电机噪音过大
可能是由于机械部件松动或电机轴承损坏等原因引起的， 应检查电机的机械部件和轴承，如有需要可更换轴承。
1 2
医疗器械
直流电机调速系统用于医疗器械中，如呼吸机、 输液泵等，实现精确的流量和速度控制。
航空航天
在航空航天领域，直流电机调速系统用于控制舵 机、起落架等机构，确保飞行的安全和稳定。
直流电机的调速
直流电机的调速在生产实践中，由于电动机拖动的负载不同，对速度的要求也不同。
例如，龙门刨床在切削工作时，刀具切入和切出工件用较低的速度，中间一段切削用较高的速度，而工作台返回时用高速度;又如，轧钢机轧制不同种类、不同截面的钢材时，需要不同的转速。
这就要求采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产需要，这种方法通常称为调速。
电力拖动系统通常采用两种调速方法。
一种是电动机的转速不变，通过改变机械传动机构(如齿轮、带轮等)的速比实现调速，这种方法称为机械调速。
机械调速机构较复杂，适用生产机械只要求有几级固定转速。
另一种方法是通过改变电动机的参数调节电动机的转速，从而调节生产机械转速的方法，称为电气调速，其特点是传动机构比较简单，可以实现无级调速，且易于实现电气控制自动化。
此外，还可以将机械调速与电气调速配合使用，以满足调速要求。
值得注意的一点是，调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。
前者是用改变电动机参数的方法，使电力拖动系统运行于不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度。
而后者是由于负载的变化，使电动机在同一条机械特性上发生的转速变化。
曲线1为他励直流电机带恒转矩负载T工作在固有特性上，工作点为A，转速为n。
若在电枢回路中串电阻R时，机械特性曲线变为2，工作点为B，转速为Hg，速度变化了△n=nл一ng，这属于调速。
如果电动机参数不变，负载转矩由T增大为TL，使工作点由A点转移到C点，电动机转速为mc，速度变化了△n=n一ne，这属于负载变化引起的转速变化。
根据他励直流电机的机械特性可以看出，人为地改变端电压U，电枢回路所串电阻R和电机气隙磁通中中的一个参数，就可以得到不同的转速。
因此，他励直流电机的调速方法有3种:电枢串电阻调速、降压调速和弱磁调速。
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G
M
M
• 改变同步牵引发电机定子绕组的接法
T1 T2 T3 T11 T12 T13
AS1 AS2
双星形：T1 M M
T2
T3
T1 1 T12 T13 低速：AS1和AS2断开 并联 高速：AS1和AS2闭和 串联
二、调节主极磁通
磁场分路法：主极绕组两端并联一级或数级分路电阻， 从而减小励磁电流和磁通
在电动机电压 Ud 保持不变的情况下：
d（Cen + Id∑R）/ dId
正值就具有电气稳定性
> 0
即电动机Cen + Id∑R = f（ Id ）的曲线斜率为
串励电机电气稳定性
Ud
A
在任何负载下斜率均为正 具有电气稳定性
0
Id
并励电机电气稳定性
Ud A B 只有在一定负载范围内 才具有电气稳定性 A：稳定 B：不稳定
第二章 直流牵引电机及其调速方式
§2.1 直流牵引电机的工作特性 和机车牵引特性
一 直流牵引电机特性
• 工作特性:
U = UN If = IfN n、T、 = f (Ia) • 机械特性: n = f (T)
1. 转速特性 n = f (Ia)
n 1.他(并)励 2.积复励 3.串励
n = ( U - Ia∑Ra) / Ce ∑Ra : 电枢回路总电阻
串励电动机防空转性能
1:最大粘着曲线 2:滑动摩擦力曲线 4/5:串励电机机械特性
T(F) B 2 1 1' 假设电机原来工作在B点 v0
粘着条件破坏 1-1’ 2-2’ 牵引力>最大粘着限制 逐渐 发生空转 v A 滑动摩擦 力=牵引力，停止空转
A
5 4 2' v4 n(v)
其他电动机dF/dv <0
均具有机械稳定性
机械稳定性分析图示
F/ W0 2
3
1. 基本阻力曲线W0=f(v) A F2=f2(v)
A : v1
v = v1 + △v F3 > W0 v↑ 不稳定 F2 < W0 v↓ 稳定 v
F3=f3(v)
0
△v
v1 v
• 电气稳定性
指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因， 引起电机电流发生微量变化后，机车本身能恢复到 原有的稳定运行状态。 动态电压平衡方程式： Ud = E + Id∑R + L• (dId/dt)
优点：控制简单 缺点：起动不平稳 粘着利用不好 损耗大
• 改变牵引变压器的输出电压
改变变压器的匝数 改变变压器输出电压 Ud
根据Байду номын сангаас变压 器调 压抽 头的 位置
高压侧调压
SS2
低压侧调压
SS1
• 改变牵引发电机的转速和励磁电流
柴油机转速 同轴的发电机转速 由于牵引发
电机的励磁机是由柴油机驱动的 励磁机的转 速变化 电机电压变化
E = Ce n
∴ Ud = Cen + Id∑R + L• (dId/dt)
电气稳定性分析图示
Ud
A
1
假定 Ud = C A：电气平衡状态 曲线1：电气稳定
2
△ d
曲线2：电气不稳定
I
0
Id1
Id
牵引电机电气稳定的必要条件：
d Ud / d Id < d（Cen + Id∑R）/ d Id
0
v0
二、他励牵引电动机
If1> If2> If3> If4> If5 n
If5 If4 If3 If2 If1
优点： • 合适的调节特性 • 优良的防空转特性 • 充分发挥机车牵引力 • 能实现无级磁场削弱 • 便于牵引制动工况转换
0
Id
三、积复励牵引电机
• 集 中 控 制 各 电 机 他 励 绕 组 串 联 后 进 行 • 串 励 绕 组 与 各 自 的 电 枢 串 联
T T1 n 2 T 1 1 n 2
并励： T2 转速相同 n相同
Id1 Id2 差值很大
T1 T2 差值也较大
0
Id2
Id1 Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
T n
n T
n1 n2 T2 T1
串励：
由相同的转速差引起 Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
0
Id1 Id2
Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
0
Id
（二）牵引电机之间的负载分配
• 牵引电机特性有差异 动轮直径相同
• 动轮直径不同 牵引电机特性相同
• 牵引电机特性有差异（动轮直径相同）
T n 2 n T2 T1 0 Id2 Id1 Id n 1 2 1 T
串励：
转速相同 n相同
Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
• 牵引电机特性有差异（动轮直径相同）
• 改变牵引电机的连接方式
M U U N UN N
M M
M M M M M
M
M Ud U =d U /4N/2 NU = M M
优点：能量损耗少
比较经济
缺点：调压级数有限 需要复杂的转换开关
Ud = UN
和接触器
• 牵引电动机与电阻串联
U UN N
CH M M
逐渐切除 调节斩波 与电枢串 器导通比 联的电阻 进行调速 进行调速
= IL =
(IW) (IW)d R
=
IL•W Id•W
=
IL Id = R RL + R
RL + R
Id
小结
• 直流牵引电机的工作特性与机车的牵引特性 – 工作特性 n=f（Id） T=f（Id） n=f（T） – 牵引特性 v=f（Id） F=f（Id） F=f（v） • 各种励磁方式牵引电机特性分析 – 串并励牵引电机特性比较 – 他励和积复励电机特性 • 直流电传动机车调速方法 – 调节电机端电压 – 调节主极磁通 磁场分路法（）
齿轮传动比
机车线速度 Vk = (D k/60) • nk (m/s)
• 机车牵引力特性 FK = f ( Ia )
机车动轮转矩 Tk
Tk = T • 牵引电机转矩 T
齿轮传动比
机车动轮转矩 Tk = F k • (Dk/2) (m/s)
DＫ：机车动轮直径 Fk = 2 T k / Dk = 2 T / D k 考虑到传动装置的效率0 Fk =( 2T k / Dk) • 0 = (2 T / D k) • 0
机车轮周牵引力 FK 和轮周线速度 VK 之间的关系 FK = f (VK) • 机车的速度特性 VK = f ( Ia ) • 机车的牵引力特性 FK = f ( Ia ) ∴ FK = f(VK) 与 n = f (T)有相同的形状
牵引电机力矩传递图
3. 轮对 Fz : 齿轮齿上所受的力
2. 大齿 轮节圆 DK 1.小齿轮节圆
FK T 机车牵引特性曲线 FK = f ( VK )
与电动机机械特性曲线 T = f ( n )有相同的形状
三 机车牵引特性的限制
F 4 3
2. 最高速度限制
5. 安全换向限制 3. 粘着限制 4. 最大允许电流限制
1 2 v 5
§2.2
各种励磁方式直流 牵引电机特性分析
一、串励和并励直流牵引电机性能比较
FK
• 机车速度特性 Vk= f ( Ia )
机车动轮转速 nk 电动机转速 n
nk = n / ＤＫ：机车动轮直径 Vk = (D k/60) • nk = (D k/60) • (n/) • (3600/1000) = D k • n/5.3 (km/h) 对某一机车 DK = C = C 机车线速度与电机转速成正比 VK n 只要在电 机的转速特性上乘以 DK/5.3 就可得到机车的转速特性
日 本 微 机 控 制 机 车
6K
M
M
M
§2.3 直流电传动机车的调速方法
Ud – IdR n= Ce
• 调节电机电压 • 调节主磁通
一、调节端电压
• • • • • 改变牵引电机的连接方式 牵引电动机与电阻串联 改变牵引变压器的输出电压 改变牵引发电机的转速和励磁电流 改变同步牵引发电机定子绕组接法
T T2 n1 n2
T n 并励： 由相同的转速差引起
T1
Id1 Id2 差值较大 T1 T2 差值也较大
0
Id1
Id2 Id
（三）电压波动对牵引电机的影响
T n
2 n T1 T2 n 1 T
串励：
转速不变 工作曲线 由n1变为n2
Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
0
Id2 Id1
Id
+
Id
M K1、K2断开 • K1闭和 1 R1 2 R2 Id = IL 满磁场 R1分流
Ud
IL
• K2闭和
R2分流
R1、R2分流
• K1、K2闭和
-
磁场削弱系数
磁场削弱系数：在牵引电动机电枢电流相同的条件下， 磁场削弱的磁势(IW)与全磁场时的励
磁磁势(IW)d之比 假设主极绕组匝数为W 电阻为RL 分路电阻为R
对某一机车 DK = C = C 0 = C
机车轮周牵引力与电机转矩成正比 FK T 机车牵引力特性与电机转矩特性具有相同的形状
• 机车牵引特性 FK = f ( VK )
速度特性 牵引力特性 VK n VK = f ( Ia ) FK = f ( Ia ) 牵引特性 FK = f ( VK )