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。
直流电机的调速方法综述
n0
n
Ra
Ra + R
电 阻 增 大
(3)能量损耗大，只用于小型直流
机。
T
三、直流电动机调速方法的特点
直流电动机三种调速方法的特点： 不同的需要，采用不同的调速方式 1.调电枢电压，适合应用在0~基速以下范围内调速。不能达 到电动机的最高转速。 2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上， 弱磁升速。 不能得到电动机的较低转速。 3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。 适合应用在调速范围大的情况。这是直流电动机最完善的 调速方式，但设备复杂，造价高。
二、直流电动机调速的种类与方法
直流电机调速的种类分别有： 1.调节电枢供电电压U 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定 转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑 调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速 响应，但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简 称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化 时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但 所需电源容量小。 3.电枢回路串电阻调速 电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。 但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎 没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
1.调节电枢供电电压U
2.改变电动机主磁通
保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以 改变磁通 。 采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即
Rf If n 改变时的机械特性如图
n0 ' '
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。
直流调速系统的调速原理
直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V —M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。
它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。
从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示Φ-=e K IRU n （2—1）式中 n ——电动机转速；U ——电枢供电电压； I ——电枢电流；R ——电枢回路总电阻，单位为ΩeK ——由电机机构决定的电势系数。
在上式中，eK 是常数，电流I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。
改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。
双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。
直流电机的工作原理，调速原理，常用接线方式，常见故障处理
直流电机的工作原理，调速原理，常用接线方式，常见故障处理对于三项异步电机来说，现场使用非常多，大家对于其工作原理以及调速方式都相当熟悉，但是直流电机在现场也时有出现，今天小编就带大家熟悉一下直流电机的一些常见问题。
1、直流电机的物理模型直流电机的结构包括，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)直流电机的物理模型上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的定子上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在转子上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
2、直流电机的工作原理直流电机原理图对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
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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 )
VK n 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
2T 1
1 2
n
并励：
转速相同 n相同 Id1 Id2 差值很大 T1 T2 差值也较大
Id1 Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
Tn n
T
n1 n2
T2 T1
0
Id1 Id2
串励： 由相同的转速差引起 Id1 Id2 差值较小 T1 T2 差值也较小
Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
0
T
二 机车的牵引特性
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
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 对某一机车 DK = C = C 0 = C
T2
0
Id2
转速不变 工作曲线由n1变为n2
T
1 2
n
结论：当电网电压波 动时，并励电机的电 流冲击和牵引力冲击 比串励电机大得多
Id1 Id
（四）功率利用
T(F)
T(F)
T2
a
• 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）
Tn n 1
2
n
T2 T1
2T 1
串励： 转速相同 n相同 Id1 Id2 差值较小 T1 T2 差值也较小
0
Id2 Id1
Id
• 牵引电机特性有差异（动轮直径相同）
T
T1 n
T2
0
Id2
∴ 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
曲线2：电气不稳定
△ Id
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
在电动机电压 Ud 保持不变的情况下：
三 机车牵引特性的限制
F4
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
5
1 2
v
§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
（一）机械稳定性和电气稳定性
• 机械稳定性
指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因，
引起速度发生变化后，机车本身能恢复到原有的稳 定运行状态。
3.串励
∑Ra : 电枢回路总电阻
Ce ：电势常数
0
Ia(T)
2. 转矩特性 T = f(Ia)
T 2 串励 3 积复励
1. 他(并)励 T = CT Ia CT : 转矩常数
0
Ia
3. 机械特性 n = f(T)
n
1.他(并)励 2.积复励
∵ T ∝ Ia ∴ 机械特性具有
3.串励
与转速特性相 似的形状
= 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
• 机车牵引力特性 FK = f ( Ia )
机车动轮转矩 Tk 牵引电机转矩 T 齿轮传动比
Tk = T •
d（Cen + Id∑R）/ dId > 0
即电动机Cen + Id∑R = f（ Id ）的曲线斜率为 正值就具有电气稳定性
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
0
Id
（二）牵引电机之间的负载分配
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 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
n = ( U - Ia∑Ra) / Ce
F2=f2(v) v
A : v1 v = v1 + △v F3 > W0 v↑ 不稳定 F2 < W0 v↓ 稳定
• 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) E = Ce n