機(jī)電傳動(dòng)控制_第三章1

1、第三章第三章直流電機(jī)的工作原理及特性直流電機(jī)的工作原理及特性重點(diǎn)掌握：重點(diǎn)掌握：了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等各種特性；掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等各種特性；掌握實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以及掌握實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以及它們的使用場(chǎng)所。它們的使用場(chǎng)所。電機(jī)分交流和直流兩種。電機(jī)分交流和直流兩種。直流電機(jī)直流電機(jī)工作電壓或輸出的電壓為直流；工作電壓或輸出的電壓為直流；交流電機(jī)交流電機(jī)工作電壓為交流。工作電壓為交流。直流電機(jī)分直流電動(dòng)機(jī)和直

2、流發(fā)電機(jī)兩種。直流電機(jī)分直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩種。直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)發(fā)明較早，最早使用的電源是電池，后來出直流電機(jī)發(fā)明較早，最早使用的電源是電池，后來出現(xiàn)了交流電機(jī)，并得到廣泛、迅速的應(yīng)用。現(xiàn)了交流電機(jī)，并得到廣泛、迅速的應(yīng)用。直流電機(jī)特點(diǎn)：直流電機(jī)特點(diǎn)：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動(dòng)、制動(dòng)和過載轉(zhuǎn)矩大；啟動(dòng)、制動(dòng)和過載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性高。易于控制，可靠性高。多用于調(diào)速要求高的生產(chǎn)機(jī)械上，如：軋鋼機(jī)、電多用于調(diào)速要求高的生產(chǎn)機(jī)械上，如：軋鋼機(jī)、電車、

3、電氣鐵道牽引車、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。車、電氣鐵道牽引車、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。主要缺點(diǎn)：換向問題。主要缺點(diǎn)：換向問題。31直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示：直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示：根據(jù)電機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分為根據(jù)電機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分為定子定子、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子和和換換向器向器三大部分。三大部分。定子部分定子部分主要由機(jī)座、定子鐵心、勵(lì)磁繞組、換向級(jí)、端蓋和主要由機(jī)座、定子鐵心、勵(lì)磁繞組、換向級(jí)、端蓋和軸承組成。軸承組成。轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心、電樞繞組、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和軸承組成

4、。主要由電樞鐵心、電樞繞組、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和軸承組成。換向器換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。（一）定子部分（一）定子部分1、機(jī)座、機(jī)座整體機(jī)座（導(dǎo)磁和機(jī)械支撐的作用）整體機(jī)座（導(dǎo)磁和機(jī)械支撐的作用）材料：鑄鋼或厚鋼板壓成材料：鑄鋼或厚鋼板壓成2、主磁極、主磁極主磁極鐵心：主磁極鐵心：11.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，厚的低碳鋼板沖成一定形狀，疊在一起，并柳接。疊在一起，并柳接。勵(lì)磁繞組：絕緣銅線勵(lì)磁繞組：絕緣銅線小直流電機(jī)的主磁極用永久磁鐵（永磁式電

5、機(jī)）小直流電機(jī)的主磁極用永久磁鐵（永磁式電機(jī)）3、換向極、換向極形狀較主磁極簡(jiǎn)單，一般用整塊鋼板制成，外面套換形狀較主磁極簡(jiǎn)單，一般用整塊鋼板制成，外面套換向向極繞組，用于改善電樞電流的換向性能。極繞組，用于改善電樞電流的換向性能。（二）轉(zhuǎn)子部分（二）轉(zhuǎn)子部分1、電樞鐵心、電樞鐵心為減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)在其中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，常為減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)在其中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，常用用0.5mm厚的硅鋼片沖成一定的形狀的沖片，并兩面涂漆后疊厚的硅鋼片沖成一定的形狀的沖片，并兩面涂漆后疊狀而成。狀而成。2、電樞繞組、電樞繞組絕緣銅線繞制成，嵌入電樞鐵心槽中。絕緣銅線繞制成，嵌入電樞鐵心槽中。（三）換向器（

6、三）換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上，由許多換向片組成，彼此絕緣。換向安裝在轉(zhuǎn)軸上，由許多換向片組成，彼此絕緣。換向片數(shù)量與電樞繞組數(shù)相同，并與電樞繞組連接。片數(shù)量與電樞繞組數(shù)相同，并與電樞繞組連接。電刷裝置固定在定子上，與換向器保持滑動(dòng)摩擦，電電刷裝置固定在定子上，與換向器保持滑動(dòng)摩擦，電刷一般用石墨制成，以增加其導(dǎo)電性。刷一般用石墨制成，以增加其導(dǎo)電性。作用作用對(duì)發(fā)電機(jī)：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電對(duì)發(fā)電機(jī)：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動(dòng)勢(shì)。刷間的直流電動(dòng)勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)：將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流對(duì)電動(dòng)機(jī)：將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流電流，保證每一磁極下，電樞

7、導(dǎo)體的電流方向不變。電流，保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流方向不變。二、電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)二、電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)1、額定容量（功率）、額定容量（功率）直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)2、額定電壓（、額定電壓（UN）電流（）電流（IN）額定轉(zhuǎn)速（）額定轉(zhuǎn)速（nN）3、勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流（、勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流（IfN）4、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩NNNIUP NNNNIUP電刷端的輸出電功率電刷端的輸出電功率轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率NNNNNNNnPnPPT55. 9602三、基本的工作原理三、基本的工作原理為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為了討論直流電機(jī)的工

8、作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和和B。1主磁極主磁極：勵(lì)磁繞組上加上直：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。2電樞繞組電樞繞組：在固定的磁場(chǎng)中：在固定的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的勢(shì)或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩

9、，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。3、4換向器換向器：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對(duì)發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電主要作用對(duì)發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為刷間的直流電勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。3電刷電刷4換向片換向片1發(fā)電機(jī)原理：發(fā)電機(jī)原理：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流發(fā)電

10、機(jī)工作原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流發(fā)電機(jī)工作原理圖如圖所示：圖如圖所示：電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊ab和和cd（切割磁力線的導(dǎo)體部分）中便感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（切割磁力線的導(dǎo)體部分）中便感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e。顯然，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在顯然，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在N極下是一個(gè)方極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下時(shí)是另一個(gè)方向。但是，由于電刷極下時(shí)是另一個(gè)方向。但是，由于電刷A總是同與總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷B總是同與總是同與S極下的有效邊

11、極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓，當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)的作用下就在電路中產(chǎn)或電壓，當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。生一定方向的電流。2電動(dòng)機(jī)原理電動(dòng)機(jī)原理：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖如圖所示：如圖所示：直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應(yīng)該直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應(yīng)該是這樣的：是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而極下的有效邊中的電流總是一個(gè)

12、方向，而S極下的有效極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力的邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)線圈的有效邊從方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)線圈的有效邊從N（S）極下轉(zhuǎn)）極下轉(zhuǎn)到到S（N）極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，使電磁力的方向）極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變而使轉(zhuǎn)子以不變，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變而使轉(zhuǎn)子以n的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。上圖僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型，實(shí)際的上圖僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型，實(shí)際的直流電機(jī)電樞絕非僅有一個(gè)線圈，而是根據(jù)直流電機(jī)電樞絕非僅有一

13、個(gè)線圈，而是根據(jù)需要由許多線圈分布在電樞鐵心上，按一定需要由許多線圈分布在電樞鐵心上，按一定規(guī)律連接的，構(gòu)成電樞繞組。規(guī)律連接的，構(gòu)成電樞繞組。四、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩四、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:nKEe 式中：式中：E感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；）；一對(duì)磁極的磁通（一對(duì)磁極的磁通（Wb）；）；n電樞轉(zhuǎn)速（電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；）；Ke與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。直流發(fā)電機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相同，被稱為直流發(fā)電機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動(dòng)勢(shì)。電源電動(dòng)勢(shì)

14、。直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相反，被稱為直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)。2電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩TM電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，其大小可用如下公式表示：其大小可用如下公式表示：atM IKT式中：式中：TM電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）；）；對(duì)磁極的磁通（對(duì)磁極的磁通（Wb）；）；Ia電樞電流（電樞電流（A）；）；Kt與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55 Ke直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不同的。直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是

15、不同的。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM及空載損耗轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。相平衡。從以上分析可知，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從以上

16、分析可知，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E和電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩T，但二者的作用正好相反，見表，但二者的作用正好相反，見表：電機(jī)運(yùn)行電機(jī)運(yùn)行方式方式E與與I的方的方向向E的作用的作用TM的性質(zhì)的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系關(guān)系發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)相同相同電源電動(dòng)勢(shì)電源電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩阻轉(zhuǎn)矩T1=TM+T0電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)相反相反反電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM=TL+T0從原理上講，一臺(tái)電機(jī)無論是直流電機(jī)還是從原理上講，一臺(tái)電機(jī)無論是直流電機(jī)還是交流電機(jī)，都是在某一種條件下作為發(fā)電機(jī)，而交流電機(jī)，都是在某一種條件下作為發(fā)電機(jī)，而在另一種條件下作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且這兩種運(yùn)在另一種條件下作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以相轉(zhuǎn)換，這是電機(jī)的可逆原理。動(dòng)狀態(tài)可以相轉(zhuǎn)換，這是電機(jī)的可逆原理。四、直流電動(dòng)機(jī)的分類四、直流電動(dòng)機(jī)的分類直流電動(dòng)機(jī)按定子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同可分為四類：直流電動(dòng)機(jī)按定子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同可分為四類：1他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組由外加電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁電流的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組由外加電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁電流的大小與電樞兩端電壓或電樞電流的大小無關(guān)。如圖（大小與電樞兩端電壓或電樞電流的大小無關(guān)。如圖