直流电动机的拖动
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电机拖动与控制原理
电机拖动与控制原理
电机拖动是指通过电机来控制物体的运动。
电机通常由电源、定子和转子构成。
当电源给定一定的电压和电流时，电流通过定子线圈，将产生磁场。
定子的磁场会与转子上的永磁体或电极产生相互作用，从而使转子开始转动。
电机拖动的控制原理是通过调节电机的输入电压、电流和频率来控制电机的转速和扭矩。
这可以通过控制电机的电源电压和频率来实现。
常见的电机控制方法有直流电机控制、交流电机控制以及步进电机控制。
直流电机控制常用的方法有电压控制和PWM控制。
电压控制是通过调节电机的输入电压来改变电机的转速和扭矩。
PWM（Pulse Width Modulation）控制是通过调节电压的脉冲
宽度来改变电机的转速和扭矩。
交流电机控制有多种方法，如电压频率控制、矢量控制和矢量空间矢量控制等。
其中，电压频率控制是通过调节电源的电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
矢量控制是通过测量电机的电流和位置信息，并根据反馈信号来控制电机的转速和扭矩。
矢量空间矢量控制是一种更高级的控制方法，它可以实现更精确的控制效果。
步进电机控制是通过控制电机的脉冲信号来控制电机的转动角度和速度。
步进电机通常由步进驱动器和控制器组成。
控制器通过产生一系列的脉冲信号来控制步进驱动器，从而使步进电机按照设定的步数和速度进行旋转。
总而言之，电机拖动与控制原理是通过调节电机的输入电压、电流和频率来控制电机的转速和扭矩。
不同类型的电机有不同的控制方法，如直流电机控制、交流电机控制和步进电机控制等。
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
第3章
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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。
第3章
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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
第3章
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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。
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
电机与拖动技术直流电机的基本知识(1)
定子
转子
这是一台直流电机的结构装配图和结构 剖面图。旋转电机都是由定子和 转子两大部分组成，每一部分也都由 电磁部分和机械部分组成，以便满足 电磁作用的条件，换向极用来改善换向 。
定子：
主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成 。
主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多
数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励 磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主 磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主 磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴， 它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场 分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子 转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心 采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固 定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极 用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶 数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极 性按 N，S 极交替出现。
电机运用与训练
电气工程系自动化教研室
李靖
项目1：直流电机的运行与维护
项目目标
熟悉直流电机的基本工作原理与结构 掌握直流电机的运行原理和运行特性 掌握直流电动机电力拖动技术 具备直流电机拆装与维修能力 具备直流电机故障检测和排查的能力
单元1：直流电机的基本知识(1)
概述
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
二 直流电机的电枢绕组简介
1 直流枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过 电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件 有两个元件边）里仅有一根导体。对多匝元件来说， 一个元件边里就不止一根导体了，左图就是一个多 匝元件。
第3章 直流电动机的电力拖动基础
他励直流电动机的接线如图所示。电枢回路的总电阻称为 电枢内阻 ，电枢回路有时还串入附加电阻，此时电枢回路 电阻包括附加电阻。为了使电动机能正常工作，在励磁电路中 一般加入一个可调节大小的电阻，用于调节励磁电流的大小。
15
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.1 直流电动机机械特性的表达式
16
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.2 固有机械特性
降低电枢电压后，理想空载转速 不变，因此降低电枢电压情况下
下降，特性曲线的斜率
的人为机械特性是一组平行线，
改变电枢电压可以调速。当负载 转矩不变时，电压越低，转速也 越低。
20
3.4 直流电动机的机械特性
3. 减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通时的人为机械特性方程式为：
减弱磁通时的人为机械特性的特点是：
起重机提升重物时，其钢绳受到重物的拉力，龙门刨床工
作台带动工件前进时，受到切削阻力，这两种力豆浆通过传动
机构在电动机轴上体现为制动转矩 。折算的方法与上述相 同，也是以传送功率不变为原则，并考虑到这两种工作状态时 传动损耗是由电动机承担的，所以，不难得出折算后的等效转 矩为
如果起重机放下重物，则传动耗由负载承担，这时等效 转矩为：
22
3.5 电力拖动系统的稳定运行条件
3.5.2 电力拖动系统的稳定运行条件 电力拖动系统的稳定运行的充分必要条件是： （1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须 有交点，即存在 ； 处，满足 。或
（2）充分条件：在交点
者说，在交点的转速以上存在
在 。
，而在交点的转速以下存
23
了拖动系统的运动状态。但是要对运动方程式求解，首先必须
知道电动机的机械特性
特性 。
15
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.1 直流电动机机械特性的表达式
16
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.2 固有机械特性
降低电枢电压后，理想空载转速 不变，因此降低电枢电压情况下
下降，特性曲线的斜率
的人为机械特性是一组平行线，
改变电枢电压可以调速。当负载 转矩不变时，电压越低，转速也 越低。
20
3.4 直流电动机的机械特性
3. 减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通时的人为机械特性方程式为：
减弱磁通时的人为机械特性的特点是：
起重机提升重物时，其钢绳受到重物的拉力，龙门刨床工
作台带动工件前进时，受到切削阻力，这两种力豆浆通过传动
机构在电动机轴上体现为制动转矩 。折算的方法与上述相 同，也是以传送功率不变为原则，并考虑到这两种工作状态时 传动损耗是由电动机承担的，所以，不难得出折算后的等效转 矩为
如果起重机放下重物，则传动耗由负载承担，这时等效 转矩为：
22
3.5 电力拖动系统的稳定运行条件
3.5.2 电力拖动系统的稳定运行条件 电力拖动系统的稳定运行的充分必要条件是： （1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须 有交点，即存在 ； 处，满足 。或
（2）充分条件：在交点
者说，在交点的转速以上存在
在 。
，而在交点的转速以下存
23
了拖动系统的运动状态。但是要对运动方程式求解，首先必须
知道电动机的机械特性
特性 。
第4章 直流电动机的电力拖动
展，已将直流电机的励磁部分用永磁材料替代，产生了永磁无刷直流电机。
电机内部的电磁作用原理与直流电机相同。所以无刷直流电机的过载能力 高，高速性能好。由于这种直流电机的体积小，结构简单，效率高，无转
子损耗，所以目前已在中、小功率范围内得到广泛的应用。
25
4.4
直流电机的应用
4.4.1 直流电机应用概述
4
4.1
4.1.2
他励直流电动机的启动
直接启动
直接起动又称为全压起启动: 直接起动不需要专用起动启设备，操作简便，主要缺
点是起动启电流太大。额定功率在几百瓦以下的直流电动
机才能直接起启动 。
直接起动机特性曲线
5
4.1
他励直流电动机的启动
4.1.3 电枢回路串电阻起动 一般的直流电动机，在起动时在电枢回路中串入电阻来限 制起动电流。
10
4.2
他励直流电动机的制动
4.2.2 反接制动 1.电源反接制动
电源反接原理接线
+ 1 2 RZ
2 TL d o T em
电源反接机械特性
R a+ R Z n n0 a 1 Ra
-
Ia
TM Ea n TM
f -n
0
+
-
c
机械特性方程式:
Ra RZ Ra RZ U n Tem n0 Tem CE CE CT 2 CE CT 2
+ RZ T Ia
em
机械特性
U Ia
n n0 1
正向
U
-
+ RZ T em
n
n
Ea
+ TL Uf -
Ea
d
机车直流电机的电力拖动—牵引电动机的一般概念
牵引电动机的一般概念
Zd103脉流牵引电动机额定功率： 800(kw) 重 量：4000(kg) 励磁方式：串励 最高转速：1920(r/min) 绝缘等级：H/F 主要用途：SS3 、SS3B型电力机车
ZD107脉流牵引电动机额定功率： 800(kw) 重 量：3100(kg) 励磁方式：串励 最高转速：1990(r/min) 绝缘等级：H/H 悬挂方式：架承式 传动方式：电枢空心轴 主要用途：TM1型电力机车
牵引电动机的一般概念
(4)各部件应具有足够的机械强度，以保证电机在最恶劣的运行条件下可靠工作。 (5)牵引电动机的绝缘必须具有很高的电气强度，并具有良好的防潮和耐热性能，以 保址电机有足够的过载能力，并在其寿命期限内可靠工作。 (6)牵引电动机的结构应充分适应机车运行和检修的需要。如电机的传动与悬挂应使 机车与钢轨间的动力作用尽量减小；对灰尘、潮气及雨雪的侵入有良好的防护；便于检 修和更换电刷等。 (7)必须尽可能地降低牵引电动机单位功率的重量，使电磁材料和结构材料得到充分 利用。
牵引电动机的一般概念
近些年来，国内外一些机车采用滚动抱轴承。与滑动抱轴承 相比，滚动抱轴承的优点为滚动轴承工作可靠，维修工作最小， 而且减小了抱轴承的径向间隙，改善牵引齿轮的啮合条件，延 长牵引齿轮的使用寿命。
牵引电动机的一般概念 弹性轴悬式也属于牵引电动机半悬挂（轴悬式）
弹性轴悬式的结构与刚性轴悬式相似，牵引电动机的 一端弹性支在转向架构架上，另一端通过抱轴承支承在 空心轴上，此空心轴套装在车轴的外面，从动大齿轮固 装在空心轴端部，空心轴两端通过弹性元件支承在轮心 上，牵引电动机输出的力矩通过小齿轮传至大齿轮，通 过空心轴、弹性元件传至轮对，空心轴与车轴一同旋转。 装在轮心上的弹性元件，既要支承牵引电动机约一半的 重量和空心轴及大齿轮的全部重量，还要传递牵引电动 机通过大齿轮传来的力矩。
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直流电动机的电力拖动
（1）这反类抗负性载恒的转特矩点是负：载负载转矩的大小恒定不变，
而负载转矩的方向总是与转速的方向相反，即负载 转矩始终是阻碍运动的。
直流电动机的电力拖动
桥式起重机的行走机构的行走车轮，在轨 道上的摩擦力总是和运动方向相反的。b图为对 应的机械特性曲线，显然，反抗性恒转矩负载 特性位于第一和第三象限内。
本章主要分析直流电机拖动系 统的运动方程、机械特性、启动、 调速及制动的原理及方法。
直流电动机的电力拖动
一、单轴电力拖动系统的运动方程式 最简单的电力拖动系统是电动机转轴与生产 机械的工作机构直接相连，称为单轴电力拖动 系统
TL 电动机
T
生产机 械
T：电磁转矩 TL：负载转矩
直流电动机的电力拖动
：系统转动部分的转动半径，m D ：系统转动部分的转动直径，m
g ：重力加速度=9.8m/s2
直流电动机的电力拖动
T
- TL
GD2 375
dn dt
（T-TL）为动转矩 （T-TL）=0 系统处于恒转速运
行的稳态
（T-TL）>0 系统处于加速运行
过程
（T-TL）<0 系统处于减速运行
过程
直流电动机的电力拖动
转速降Δn=n0－n=βT是电动机在某一定负载和电枢电 路电阻时理想空载转速与实际转速之差。在转矩一定时， 与机械特性的斜率β成正比；在机械特性的斜率β一定时 （电动机磁通Φ和电枢电路电阻一定时），负载越大，转 速降越大。
直流电动机的电力拖动
多轴系统由于电机的转速和生产机械 的转速不同，需通过折算来分析。同样 平移机械和升降机械也需折算来解决。
电气传动系统转速是在一定范围内变 化的，要解决整个生产过程中的速度问 题，必须要了解负载的机械特性，同时 要考虑电动机的机械特性与负载的机械 特性的稳定性关系。
直流电动机的电力拖动
直流电动机的电力拖动
一般计算理想空载点（T=0，n=n0） 和额定运行点（T=TN，n=nN）的 数据来绘制。
直流电动机的电力拖动
他励直流电动机固有机械特性是一条过理想
空载点（n=n0，T=0）斜率很小的特性曲线。当空 载转矩为T0时，实际空载转速为n0’（由于存在空 载损耗）。
直流电动机的电力拖动
直流电动机的电力拖动
（2）这位类能负性载恒的转特矩点负是载：不仅负载转矩的大小
恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。属 于这一类的负载有起重机的提升机构
直流电动机的电力拖动
负载转矩是由重力作用产生的，无论起重机 是提升重物还是下放重物，重力作用方向始终不 变。图b为对应的机械特性曲线，显然位能性恒 转矩负载特性位于第一与第四象限内。
课程介绍
课程性质：本课程是电气类专业的技术基础课， 是一门既有基础性又有专业性的课程。
课程任务：掌握电机基本结构和工作原理，以 及 拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择 及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分 析和解决问题的能力，为今后学习和工作打 下坚实的基础。
第二章 直流电动机的电力拖动
主要内容
单轴电气传动的动力学方程式为：
T：电磁转矩；
TL：负载转矩,N.m
T
- TL
J
d dt
J：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2
：电动机角速度,rad/s
在工程计算中,常用n代替表示系统速度, 用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性。
直流电动机的电力拖动
2n
60
J m 2 G D2
g4
Gm：：系系统统转转动部动分部的分重的量质，量N ，Kg
二、生负产载机的械机的械负特性载就特是性生产机械的负载
特性。它表示同一转轴上转速与负载转矩之 间的函数关系，即n=f (TL)。
直流电动机的电力拖动
（一）它恒的转机矩械负特载性特的性特点是：负载转矩TL
的大小与转速n无关，即当转速变化时，负 载转矩保持常数。根据负载转矩的方向是否 与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转 矩负载和位能性恒转矩负载两种。
一、机械特性方程
直流电动机的电力拖动
以他励电动机为例，电动 机的电压方程
将电枢U电动E势a 和 电RI磁a 转矩的
公式代入
Ea Cen T CTIa
n
U
Ce
R
CeCT 2
T
n0
T
n0
n
n0称为理想空载转速(T0=0)
实际空载转速
n0
U Ce
R CeCT 2
T0
β为机械特性的斜率
直流电动机的电力拖动
n的正方向相反时为正，相同时为负； 由T和TL的代数和决定。
的正负
dn dt
直流电动机的电力拖动
实际的拖动系统，电动机和工作机构之间 由若干级传动齿轮或其他传动机件联接。这 样通过一套传动机构，才能使电动机的转速n 变换成工作机构所需要的转速nL，这种系统 我们称为多轴系统。
（a）实际的多轴系统；（b）等效的单轴系统
实际的负载转矩特性往 往是几种典型特性的综 合。如实际的鼓风机除 了主要是通风机负载特 性外，轴上还有一定的 摩擦转矩。
直流电动机的电力拖动
第二节直流他电励动直机流的机电械动特机性的是机指械电特动机性在电枢电
压，励磁电流、电枢回路电阻为恒定值的条件下， 即电动机处于稳定运行时，电动机的转速n与电 磁转矩T之间的关系：n=f(T)。
直流电动机的电力拖动
（二）恒恒功功率率负负载载的特特性点是：负载转矩与转速
的乘积为一常数 ,成反比。
PL
JL
JL
2
60
n
常数
JL与n成反比 ，机械
特性是一条双曲线
直流电动机的电力拖动
（三）负转载矩转随矩转与速转而速变的的平其方它成负正载比特，性即
TL∝kn²，其中k是比例常数。负载特性是一 条抛物线 。
二 （一、）固固有有机机械械特特性性和人为机械特性
他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压 U机=械U特N，性气，隙其磁数通学Ф表=Ф达N式，为电：枢外串电阻Rs=0时，n=ƒ(T)的
n UN
Ce N
Ra
Ce
CT
2 N
T
n0 N
T
0
nN
式中
N
Ra
C
e
CT
2 N
称为斜率，ΔnN为额定负载时的转降速。
在电力拖动系统中，由于生产机械负载类型的
不同，电动机的运行状态也发生变化。即电动机 的电磁转矩并不都是驱动性质的转矩，生产机械 的负载转矩也并不都是阻转矩，它们的大小和方 向都可能随系统运行状态的不同而发生变化。
规定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速
n的正方向。电动机的电磁转矩T与转速n的正方
向相同时为正，相反时为负；负载转矩TL与转速