电动机的工作原理及调速特性
电机的工作原理及特性
电机的工作原理及特性电机是一种将电能转化为机械能的装置，它通过电流在导线中产生的磁场与外部磁场相互作用，从而实现转动。
电机的工作原理主要基于安培力和楞次定律。
根据安培力定律，当导体通电时，在导体上会产生感应磁场，而磁场与电流之间的关系由楞次定律决定。
根据楞次定律，感应磁场的方向与导体内电流方向以及磁场之间的关系是相互作用的。
当导体中的电流与磁场相互作用时，会产生一个力矩，通过这个力矩就能带动电机的旋转。
电动机可以根据其工作原理分为直流电动机和交流电动机两大类。
直流电动机的工作原理是基于直流电流通过电枢线圈产生磁场，通过刷子与换向器使电流方向反向，从而改变电枢线圈上的磁极，产生一个旋转力矩。
直流电动机通常由电枢、磁极和电刷以及换向器组成。
电枢是由绕组绕成的，放在固定的磁极上，而刷子则用来与电枢的接触，换向器则用于改变电流的方向。
交流电动机的工作原理是基于交流电通过定子上的绕组产生交变磁场，而旋转的转子会在磁场作用下产生力矩。
交流电动机通常由定子和转子组成。
定子上的绕组通常被称为“电枢”或“感应线圈”，而转子上的绕组则被称为“励磁线圈”或“转子绕组”。
电动机的特性主要包括转速、转矩和效率。
转速是指电动机旋转的速度，通常以每分钟转数（RPM）为单位。
转速可以通过改变电源电压或电动机的机械负载来调节。
转矩是指电动机提供的旋转力矩，通常以牛顿米（Nm）为单位。
转矩取决于电动机的设计和电源电压。
效率是指电动机将输入电能转化为机械能的比例，通常以百分比表示。
电动机的效率取决于损耗的大小，其中包括电阻损耗、转子绕组电流损耗、机械损耗等。
除了以上的特性外，电动机还具有启动、制动、定位、调速等功能。
电动机的启动通常需要提供一个较大的启动转矩，而制动则需要提供一个可控制的制动转矩。
定位和调速通常通过改变输入电压来实现。
同步电动机的结构特点和工作原理
同步电动机的结构特点和工作原理同步电动机是一种常见的旋转电动机，也被称为同步机。
它的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
本文将重点介绍同步电动机的结构特点和工作原理。
一、同步电动机的结构特点1. 定子结构：同步电动机的定子由若干个相同的定子线圈组成。
这些线圈一般均匀地分布在定子铁心上，并按照一定的排列方式连接。
定子线圈一般采用导电线圈绕制而成，导电线圈之间通过绝缘材料进行隔离，以防止电流短路。
2. 转子结构：同步电动机的转子通常是由永磁体构成，也可以通过直流电源或交流电源提供励磁，以形成磁场。
转子一般采用圆形或长条形的形状，具有一定的磁导率和导磁性能。
转子的形状和材料的选择对同步电动机的性能具有重要影响。
3. 传动机构：同步电动机的传动机构通常是由轴、轴承和联轴器组成。
轴承起到支撑和固定转子的作用，联轴器用于连接电动机和外部负载，传递力和扭矩。
4. 冷却系统：同步电动机由于工作过程中会产生大量的热量，所以通常需要配备冷却系统。
冷却系统可以通过通风散热、水冷或气冷等方式来降低电动机的温度，保证其正常运行。
5. 控制系统：同步电动机的控制系统包括调速装置、控制器和传感器等。
调速装置可以调节电动机的转速和扭矩，控制器用于控制电动机的启动、停止和运行状态，传感器用于实时监测电动机的运行参数。
二、同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
当电动机通电时，电流通过定子线圈，产生的磁场会与转子上的磁场相互作用，从而使转子受到电磁力的作用而转动。
1. 磁场同步：同步电动机的转子上的磁场与定子线圈产生的磁场同步运动。
这意味着转子上的磁场和定子线圈的磁场具有相同的频率和相位，使得转子能够以同步速度旋转。
2. 磁场锁定：同步电动机在运行时可以实现磁场的锁定。
这意味着当电动机的负载发生变化时，磁场可以自动调整以保持同步。
这种磁场锁定特性使得同步电动机在变负载情况下仍能保持稳定的运行。
3. 高效率：同步电动机具有较高的效率。
电动机控制系统工作原理
电动机控制系统工作原理电动机控制系统是指对电动机进行控制和管理的一套系统，其工作原理是通过控制电源电压、电流和频率等参数，以实现对电动机速度、方向和转矩等性能的精确控制。
本文将介绍电动机控制系统的工作原理及其基本组成部分。
一、直流直流电动机控制系统是电动机控制系统中最常见和常用的一种类型。
其工作原理基于直流电机的特性，可分为电阻调速、励磁调速和PWM调速等方式。
1. 电阻调速方式电阻调速是通过加入外部可调电阻来改变电动机回路中的电阻，从而改变电动机的转矩和速度。
通过改变电阻的大小，可以调整电动机输出的转矩和速度。
电阻调速方式简单实用，但效率较低。
2. 励磁调速方式励磁调速是通过改变电动机的励磁电流来调整电动机的转矩和速度。
励磁调速方式具有响应速度快、控制精度高的特点，但也存在励磁能力有限的缺点。
3. PWM调速方式PWM调速方式是通过改变电动机供电电压的脉冲宽度来控制电动机的转矩和速度。
通过不断调整脉冲宽度，可以实现对电动机的精确控制。
PWM调速方式具有高效、精准的特点，被广泛应用于各种工业控制场景中。
二、交流交流电动机控制系统是对交流电动机进行控制和管理的一种方式。
交流电动机控制系统采用变频器作为主要控制设备，通过改变电源电压和频率，实现对电动机转速、转向和转矩等性能的精确控制。
变频器是一种能够改变电源频率和电压的装置，通过调整输出电压的频率和幅值来改变电动机的运行状态。
交流电动机控制系统通过变频器控制电源电压和频率，实现对电动机速度的精确调节。
变频器可以根据需要调整电源频率和电压，同时也能提供对电动机的保护功能。
三、电动机控制系统的基本组成部分1. 控制器控制器是电动机控制系统中的核心部件，负责接收控制信号并产生相应的控制动作。
控制器可以是硬件或软件实现的，其功能包括调速、转向、起停等。
2. 传感器传感器用于感知电动机的状态和环境参数，通过传感器采集到的数据，控制器可以实时了解电动机的运行情况，并做出相应的控制决策。
直流电动机调磁调速原理
直流电动机调磁调速原理小伙伴们！今天咱们来唠唠直流电动机调磁调速这个超有趣的事儿。
直流电动机呢，就像是一个小机灵鬼，它的转速可不是一成不变的。
那调磁调速是咋回事呢？咱得先从直流电动机的基本构造说起。
直流电动机有定子和转子，定子就像一个稳定的家，给转子提供一个稳定的磁场环境。
转子呢，就像一个好动的小娃娃，在磁场里欢快地转着。
当我们想要调节直流电动机的速度的时候，调磁就登场啦。
想象一下，磁场就像是一条无形的轨道，转子就在这个轨道上跑。
如果我们把磁场变弱，就好像把轨道变窄了一点。
那转子这个小娃娃就会跑得更快啦。
为啥呢？因为磁场变弱了，对于转子来说，它受到的约束就小了。
就好比我们在马路上走路，如果马路上的栏杆少了，我们走起来就更自在，速度可能就更快了。
从原理上讲呢，直流电动机的转速公式是n=(U - IaRa)/(CeΦ)。
这里面的n就是转速啦，U是电枢电压，Ia是电枢电流，Ra是电枢电阻，Ce是一个常数，Φ就是磁通，也就是磁场的强度。
当我们改变磁通Φ的时候，在其他条件不变的情况下，转速n就会跟着变化。
如果我们减小磁通Φ，分母变小了，那n就会变大，电动机的转速就提高了。
不过呢，这个调磁调速也不是想怎么调就怎么调的。
就像我们做饭，盐放多放少都得有个度。
如果把磁场调得太弱了，可能会出现一些小问题。
比如说，电动机的转矩会变小。
转矩是啥呢？就像是电动机的力气。
如果转矩变小了，电动机可能就带不动很重的东西了。
这就好比一个人本来力气很大能搬很重的箱子，突然力气变小了，重箱子就搬不动了。
而且呢，调磁调速还有个特点，就是它在调速的时候，电动机的机械特性会变软。
这机械特性就像是电动机的性格。
变软了就是说它对负载的变化更加敏感了。
比如说，原来负载有点变化，电动机的转速可能没怎么变，但是调磁调速后，如果负载变化了，电动机的转速可能就会有比较大的波动。
这就像一个人本来很沉稳，不太受外界影响，但是突然变得很敏感，外界有点风吹草动，他就有很大反应。
直流他励电动机的调速特性
02
CATALOGUE
直流他励电动机的调速特性
调速性能分析
调速范围
动态响应
直流他励电动机的调速范围较宽，可 以在较广的转速范围内实现平滑调速 ，满足不同负载和工艺流程的需求。
直流他励电动机的动态响应较快，可 以在短时间内实现快速加减速，满足 动态负载和快速响应系统的要求。
调速精度
直流他励电动机的调速精度较高，可 以通过精确的控制算法实现转速的精 确调节，适用于对速度精度要求较高 的应用场景。
调速方法
通过改变电枢电流的大小来调节直流他励电动机的转速。具体来说，可以通过改变 输入电压或电阻来调节电枢电流的大小。
另外，还可以通过改变励磁电流的大小来调节电动机的转速。具体来说，可以通过 改变励磁绕组的输入电压或电阻来调节励磁电流的大小。
需要注意的是，在调节直流他励电动机的转速时，应保持电枢电流和励磁电流的相 位差不变，以保持电动机的正常运转。
调速系统的稳定性
稳定性分析
直流他励电动机的调速系统稳定性取决于多种因素，如电枢 电阻、电枢电感、负载转矩等。需要根据具体应用场景进行 稳定性分析和设计。
稳定性控制
为了提高直流他励电动机的调速系统稳定性，可以采用多种 控制策略，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。通过合 理的控制策略选择和参数调整，可以显著提高系统的稳定性 。
直流他励电动机的调速特性实验与分析
实验设备与环境
直流他励电动机
作为实验对象，需要选择性能 稳定、参数符合要求的直流他
励电动机。
电源与控制器
为直流他励电动机提供电源和 控制信号，确保电机正常运转 。
测速装置
用于测量电机的转速，可以采 用光电编码器或霍尔元件等测 速方式。
电动机无极调速的方法及原理
电动机无极调速的方法及原理电动机无级调速是指电动机能够在一定的转矩输出范围内实现连续调速，不需要通过切换传动装置或者变速机构来实现调速。
无级调速方法多样，下面将介绍几种常见的无级调速方法以及其原理。
1.电压调制法电压调制法是通过改变电动机供电电压的大小和频率来调整电机的转速。
这种方法常用于交流异步电机调速。
原理是通过改变供电的电压和频率，来改变电动机转矩-转速特性曲线的斜率，从而实现无级调速。
具体的调速方式有调制幅值比、调制波形以及调制脉宽等。
2.频率变换法频率变换法也是一种常见的交流异步电机调速方法。
该方法通过实现电压和频率的变换来改变电机的转速。
原理是利用变频器将电源的交流电转换为可变频率、可变电压的交流电，从而调整电机的转速。
通过改变供电频率，可以改变电机转速，从而实现无级调速。
变频器的基本结构由整流器、滤波器、逆变器和控制电路组成。
3.极数变换法极数变换法是通过改变电机的极对数来实现调速。
当电动机的极对数改变时，电机的转子磁场变化情况也会发生变化，从而影响电机的转动性能。
通过改变极对数，可以改变电机转速，实现无级调速。
该方法常用于直流电机调速。
4.直流切换法直流切换法是一种将半导体开关器件辅助应用于调整转矩输出的方法。
原理是通过改变电动机的极性来调整电机的转速。
该方法常用于永磁同步电机调速。
通过轮流切换电动机的北极和南极，可以改变电机的转速，实现无级调速。
以上是几种常见的电动机无级调速方法及其原理。
通过改变电机的供电电压、频率、极数和极性等参数，可以实现电机的无级调速。
在实际应用中，可以根据具体的调速要求选择适合的调速方法。
5.5 异步电动机调速特性
采用恒磁通调压调速（也称恒转矩调速）。
即:
U1 f1
4.44N1kw1m
常数
分析：
当 f1↑时，再继续保持U1/f1=常数比较困难，因为 f1>50Hz时，UΦ↑> U1N不允许，这样只能保持UΦ不变。
f1↑→ Xm↑→ Im↓→ Φm↓→T↓ ，而 f1↑→n↑， P =TΩ属恒功率调速。所以工频以上采用恒压调速。
已知：n0=60f/p，当 f 改变，n0和n都将改变。 1.变频变压调速：
UΦ EΦ 4.44 f N1kw1Φ
当 f↓而UΦ不变时，Xm↓→ Im↑→ Φm↑→I0→I1↑ 引起电动机过热。
而Im↑→cosφ1↓Φm↑→pFe↑造成电动机带载能力 下降。
为了克服上述缺点，在工频（50Hz）以下调速时，
5.5 三相异步电动机的调速方法与特性
依据：
n
n0 (1 s)
60 f p
(1 s)
三相异步电动机的调速大致可以分成以下几种类型：
（1）改变转差率s调速，包括降低电源电压、绕线式异步 电动机转子回路串电阻等方法； （2）改变旋转磁场同步转速调速，包括改变定子绕组极 对数、改变供电电源频率等方法； （3）双馈调速，包括串级调速，属改变理想空载转速的 一种调速方法； （4）利用滑差离合器调速。
R M 3～
Rf
K2
+ -
(3)能耗制动时的机械特性：
2
3n 1 ns
Tmax2 Tmax1
0
Tz
T
(4)特点： 机械特性过原点，即n=0时T=0。能迅速、准确停车。
反馈制动、反接制动和能耗制动。
5.6.1 反馈制动 由于某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速
交流异步电动机的调速方法及特点
交流异步电动机的调速方法及特点异步电动机是一种常用的电动机类型，其调速方法主要有电压调制调速、转子电流调制调速和频率调制调速。
下面将分别介绍这三种调速方法的特点。
1. 电压调制调速：电压调制调速是通过改变电动机的供电电压来实现调速的方法。
在这种方法中，通过改变电动机的输入电压，可以改变电动机的转矩和转速。
电压调制调速主要通过改变电动机的输入电压和功率因数来实现调速。
其特点是调速范围广，调速精度高，但是调速过程中容易产生谐波和电磁干扰。
2. 转子电流调制调速：转子电流调制调速是通过改变电动机的转子电流来实现调速的方法。
在这种方法中，通过改变电动机的转子电流，可以改变电动机的转速和转矩。
转子电流调制调速主要通过改变电动机的转矩特性来实现调速。
其特点是调速范围广，调速精度高，但是调速过程中容易产生转子电流过大和电磁干扰的问题。
3. 频率调制调速：频率调制调速是通过改变电动机的输入频率来实现调速的方法。
在这种方法中，通过改变电动机的输入频率，可以改变电动机的转速和转矩。
频率调制调速主要通过改变电动机的输入频率和电压来实现调速。
其特点是调速范围广，调速精度高，但是调速过程中需要改变电动机的输入电压和频率，所以需要特殊的调速设备。
总的来说，异步电动机的调速方法主要有电压调制调速、转子电流调制调速和频率调制调速。
这三种调速方法各有特点，可以根据实际需求选择合适的调速方法。
电压调制调速适用于调速范围广、调速精度高的场合；转子电流调制调速适用于调速范围广、对调速精度要求较高的场合；频率调制调速适用于调速范围广、对调速精度要求较高的场合。
在实际应用中，根据不同的调速需求和系统要求，可以采用不同的调速方法。
同时，还可以结合多种调速方法，如电压调制和转子电流调制相结合，以实现更精确的调速效果。
在选择调速方法时，需要考虑电动机的负载特性、调速精度要求、系统稳定性等因素，并选择合适的调速设备和控制策略，以实现理想的调速效果。
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(3)改变磁通的人工机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
• 从机械特性方程可知,改变磁通时,电动
机的理想空载转速和转速降落都会随 磁通的变化而变化.
• 磁通只能在额定值以下调节,理想空载
转速和转速降落都要增大-------弱磁增 速.
• 使用中,要防止电动机过载,更要防止飞
车,因此,直流他激电动机设有失磁保护.
串激直流电动机的机械特性
• 1)特点:电枢电流就是激磁电流.
• 2)机械特性分析:
• 第一段,电动机轻载时,机械特
性具有双曲线的形状,理想空 载转速趋近无穷大.
• 第二段,电动机负载较重时,磁
路趋于饱和,机械特性近似一 条直线.
• 3)注意事项:
• 直流串激电动机不允许空载运
行----飞车事故.
4 直流他激电动机的起动特性
• 直流他激电动机的起动电流是额定
电流的(10-20)倍,不允许直接起动. 限制其起动电流的方法有两种.
1.降压起动:
组成SCR-M自动调速系统的起动环 节.是后面学习的一个重点.
2.电枢电路串外接电阻起动
右图为具有三段起动电阻的他激电 动机电路原理图和起动特性,
(2)理想空载转速no计算:
KeN
UN
I N Ra nN
Ra
0
50
0
75
1
pN UNI
N
Hale Waihona Puke UN INn0
UN
K e N
(3)额定转矩Nn的计算:
TN
9 55 PN nN
3)举例
• (1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电
3)制动方法有3种:
反馈制动; 反接制动; 能耗制动.
1.反馈制动
• 1)实现条件:外部作用使电动
机的转速n大于其理想空载 转速no.如,电车下坡,起重机 下放重物.
• 2)机械特性:正转时,是第一象
限的机械特性在第二象限内
3)特点:
(1的)利延用伸位能,如转右矩带图动所电示动机. 发电,将机械能
电动机的工作原理及调速特性
• 掌握直流电动机的电势方程式，转矩方程式
和电压平衡方程式；三相异步电动机的同步 转速和转差率的概念;
掌握电动机的机械特性，特别是人工机械特 性；
• 掌握电动机起动，制动，调速的各种方法和
应用场所；
• 了解用机械特性来分析电动机运行状态的方
法;
• 了解常用控制电机的应用场合.
压220V,额定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然 机械特性.
• 解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械
特性.
•
Ra
0
50
0
75
1
pN UNI
N
UN IN
=0.71
KeN
UN
I N Ra nN
=0.132
no
UN
K e N
• 1.他激和并激直流电动机的机械特性 • 1)原理电路图
1)直流电动机机械特性方程式
• 直流电动机电枢电压平衡方程式
• U E Ia Ra
•
E Ken
式中,Ra为电枢电阻.以 代入得:
n
U
Ke
Re
Ke
Ia
由 T Kt Ia 将Ia值再代入,得::
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
其起动特性就是前面刚刚学习过的 一种人工机械特性.
5.直流他激电动机的制动特性
• 直流他激电动机的工作状态
分 右图为所电示动状. 态和制动状态,如
• 图中,(a)为电动状态; • (b)为制动状态.
1)特点:电动机的转矩T与转速n 方向相反,电机处于发电工作 状态.
2)制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态.
械特性.
落不多,是硬特性;
金属切削机床,冷轧 机,造纸机等宜于选 用硬特性的电动机.
•2)自然机械特性曲线的作法
•Ke已,知N 电n两动o,点TN机,作找出的出自两P然N个,U机点N械,,即IN特理,n性想N.,由空载公点式(o,可no)计和额算定出运R行a点, (TN,nN),通过这
(1)电枢电阻Ra的估算:
=1667r/min
TN
9 55 PN nN
=35Nm
4)电动机人工机械特性(三种)
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
• (1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性
• 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的人
工机械特性方程式:
n
UN
Ke
Rad Ra
1.1直流电机的工作原理及特性
• 1.直流电机的基本结构
主磁极 电枢 换向器 电刷装置
直流电机的结构图
剖面图：电枢1； 主磁极2；换向 极4；机座6
电枢铁心冲片
换向器：换向片3； 连接片4；云母环2
2.直流电机的基本工作原理
简化为一对磁极,一个线圈
发电机
电动机
2.直流电机的基本方程式
• 1)感应电势E
变成电能,向电源馈送. (2)重物下放时电动机的转速仍高于理想空载 转速,运行不太安全.
2.反接制动
• 1)实现条件:电枢电压或电
枢电势反向.
• 2)分类:
• (1)电源反接制动.改变电枢
电压U的方向所产生的制动.
• 机械特性方程式为;
•n
U K e
Ra Rad KeKt 2
T
为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接 制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻.
E K en
式中:E-电动势(V);
-
一对磁极的磁通(Wb); n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.
• 2)电磁转矩T
T KtIa
式中: T-电磁转矩(Nm);
-一对磁极的磁通(Wb); Ia-电枢电流(A); Kt-与结构有关的常数.
3.直流电动机的机械特性
T
n0
n
上式为直流电动机机械特性的一般表达式
机械特n性 曲U 线 N=RFa(T)T
Ke Ke Kt 2
n0
n
• 4.固有(自然)机械特性和人工机械特性
• 1)他激直流电动机的自然机械特性(正转)
• 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻额时定的负机载械时特,性转即速为降自然机
KeKt 2
T
n0
n
附加电阻Rad越大,机械特性越软.
(2)改变电枢电压的人工机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
no
UN
K e N
随U的变化而变化
U改变,但转速降不变
.因此,变电枢电压的人工机械特 性是一簇与自然机械特性平行 的特性曲线.
只允许在额定电压以下调节. 在后面的自动调速系统学习中有