電工電子技術（第5版）課件 電子 徐淑華 15- 機電轉換15.2 15.3

15.2.1直流電動機的構造及工作原理15.2.2并勵（他勵）電動機的機械特性15.2.3并勵（他勵）電動機的使用15.2直流電動機1學習目標

了解直流電動機的基本構造和工作原理；理解并勵（他勵）電動機的機械特性；理解并勵（他勵）電動機的啟動、反轉與制動、調速的基本方法；了解伺服電動機和步進電動機的結構及工作原理。2直流電機的應用：軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備、蓄電池的充電、同步電動機勵磁、電鍍和電解等。直流電機的特點：優(yōu)點：調速性好，啟動轉矩大。缺點：結構復雜，維修不便。直流電機概述直流電機：直流發(fā)電機：將機械能轉換為直流電能；直流電動機：將直流電能轉換為機械能；315.2.1直流電動機的構造及工作原理1.直流電動機的組成2.直流電動機的工作原理4組成：磁極、電樞、換向器。1.直流電動機的組成5（1）

磁極（定子）:產生固定磁場極心：放置勵磁繞組，通入直流勵磁電流，產生固定磁場。極掌：使空氣隙中磁感應強度的分布最合適。永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成磁場。6（2）

電樞（轉子）:產生感應電動勢鐵心：表面有沖槽，放置電樞繞組。電樞繞組7（3）

換向器:使電樞繞組與外電路連接

換向器與電樞轉軸緊固在一起，電樞繞組按一定規(guī)則與換向片連接。

換向器表面用彈簧壓著固定電刷，使轉動的電樞繞組與外電路相連。U+–NS電刷換向片II注意：換向片和電樞固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。8在電刷之間加入直流電iinFFee將直流電源接在兩電刷之間，電流通過電樞線圈

N、S極下的有效邊的電流方向固定

產生的磁場力方向一致

電樞轉動

產生與外加電壓方向相反的感應電動勢：反電動勢驅動轉矩NSU+_abcdAB2.直流電動機的工作原理（1）

直流電動機的轉動原理9直流電動機基本工作原理小結：●

電樞繞組內的電勢、電流是交變的，而電刷間的電勢、電流是直流的；

●由于換向器的作用，使得N極和S極下導體的電勢、電流方向不變；

●

在直流電動機中，換向器的作用是使得N極和S極下導體電流方向不變，產生單方向的電磁轉矩。10線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。1)電樞中的感應電動勢電樞反電動勢E的大小和磁通、轉速成正比，若想改變E，只能改變

或niiNSU+_nFFeeKE：與電機結構有關n：電動機轉速

：磁通的常數(shù)（2）

直流電動機的運行方程式11

2)電樞回路電壓平衡方程E與通入的電流方向相反，所以稱反電勢。式中：U—外加電壓

Ra—電樞繞組電阻MRaIaE+–+–U12KT：與線圈的結構有關的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對數(shù)等有關）

:線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3)電磁轉矩由轉矩公式可知：a)產生轉矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。b)改變電機旋轉的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。驅動轉矩134)轉矩平衡關系電磁轉矩T為驅動轉矩，在電機運行時，必須與外加負載和空載損耗的阻轉矩相平衡，即T2：負載轉矩T0

：空載轉矩

當負載轉矩T2發(fā)生變化時，通過電機轉速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉矩自動調整，以實現(xiàn)新的平衡。如：當負載增加時：

T2↑

T<T2

n↓

E↓

Ia↑

T↑

T=T2轉矩平衡過程：1415.2.2并勵（他勵）電動機的機械特性1.機械特性2.電動機的穩(wěn)定運行15直流電動機的分類：他勵：勵磁和電樞繞組的電源獨立。并勵：勵磁和電樞繞組并聯(lián)。串勵：勵磁和電樞繞組串聯(lián)。復勵：勵磁和電樞繞組一部分串聯(lián)、一部分并聯(lián)。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U16——理想空載轉速

n——轉速降T

n

Ra

n

n=f(T)1.并勵（他勵）電動機的機械特性17nTn0nNTN

noRa很小時，負載變化，轉速變化不大。并勵電動機的機械特性比較硬。一般要求電動機按額定值運行。18nTn0nNTN

noT2

T<T2

減速

n

T

T=T2

穩(wěn)定T2

T>T2

加速

n

T

T=T2

穩(wěn)定2.電動機的穩(wěn)定運行19直流電機的銘牌數(shù)據(jù)根據(jù)國家標準，直流電機的額定數(shù)據(jù)有：額定容量（功率）PN（kW）；額定電壓UN（V）；額定電流IN（A）；額定轉速nN（r／min）；勵磁方式和額定勵磁電流IfN（A）

有些額定值如額定效率

N、額定轉矩TN等則不一定標在銘牌上。除了上述額定值外，銘牌數(shù)據(jù)還包括電機的型號、絕緣等級、電機重量等。20(1)額定電壓UN(V):

在額定工作條件下，電樞出線端的平均電壓。

對電動機是指輸入額定電壓，

對發(fā)電機是指輸出額定電壓。(2)額定電流IN(A):

電機在額定電壓條件下，運行于額定功率時的電流。

對電動機而言，是指帶額定負載時的輸入電流；

對發(fā)電機而言，是指帶額定負載時的輸出電流。(3)額定容量PN

(kW或W):

在額定電壓條件下，電機所能供給的功率。

對電動機而言，是指電動機軸上輸出的額定機械功率:

PN=UNIN

N

對發(fā)電機而言是指向負載端輸出的電功率:

PN=UNIN21(4)額定轉速nN:

電機在額定電壓、額定電流條件下，且電機運行于額定功率時電機的轉速。單位為r／min。(5)額定效率

N:

電機在額定條件下，輸出功率與輸入功率的百分比:ηN=

100%P2NP1N(6)額定轉矩TN:

電動機軸上輸出的額定轉矩，即：

TN=9550P2NnN其中：PN的單位為kW，TN的單位是N·m;2215.2.3并勵（他勵）電動機的使用1.啟動2.制動3.調速231.啟動電機正常運行：Ra很小，但由于U和E十分接近，

Ia不很大。電機啟動：n=0

E=0

Iast

（10~20）IN同時：T

Ia，T很大。T很大會產生強烈的機械沖擊而破壞傳動機構。電機啟動時，必須減小啟動電流。24（1）

電樞回路串聯(lián)啟動電阻（他勵和并勵電動機）MIaIfR'f+_E+_URst并勵電動機MIa+_E+_URstR'fIf+_Uf他勵電動機

在電樞回路中串聯(lián)啟動電阻Rst，啟動時，將Rst調到最大，隨著n

Rst

，當n達到穩(wěn)定時，Rst全部切除。

要求：Iast不超過IN的1.5~2.5倍。25（2）降低電樞電壓（他勵電動機）根據(jù)，U

Ia

起動時，使U小于UN，隨著n

，U

，n穩(wěn)定時：U=UN。思考：降低電樞電壓起動是否適合并勵電動機？MIaIfR'f+_E+_URst并勵電動機不適合。U=Uf

U

直流電動機在起動或正常工作時，必須保證勵磁回路接通。（起動時要滿勵磁）26磁通太小，會產生：1）電機起動時：T=KT

Ia

、E=KE

n

Tst

電機不能起動。

E

Ia

燒壞電樞繞組。2）電機有載運行時：

E

Ia

T

（

減小超過了Ia增大的影響）T<T2

電機迅速減速到n=0Ia

燒壞電機。3）電機空載運行時：

n

（n上升到很高的值，稱為“飛車”）27反轉

要改變直流電動機的轉動方向，必須改變電磁轉矩的方向：磁場方向固定：改變電樞電流方向。電樞電流方向固定：改變磁場方向。思考：并勵電動機能否改變電源的方向使其反轉？不能！

并勵電動機改變電源方向時：磁場和電樞電流的方向同時發(fā)生改變，電磁轉矩的方向不變，轉速n方向不變。

他勵電動機的反轉可以改變勵磁電源的方向或者電樞電壓的方向。282.制動（他勵電機）直流電動機的制動，產生反向的電磁轉矩。（1）能耗制動M+_E+_UR'fIf+_UfRQ運行時，Q接通電源：E和Ia反向。制動時，Q接電阻R：E和Ia同向。產生制動的電磁轉矩。29（2）反接制動MIa+_E_+URstR'fIf+_Uf反接制動

制動時，電樞電壓反接，使電樞電流反向，產生反向的電磁轉矩。當n

0，斷開電源。采用反接制動時：E和U同向。E+U=IaRa因此：制動電流很大，需串聯(lián)制動電阻。30直流電動機的調速范圍寬，調速性能好。（1）改變電樞電壓調速(調壓調速)條件：保證If（

）、Ra

為額定值。調整U：n0發(fā)生變化，

n不變。

機械特性是一組平行線。n0nToU降低U變化n變化3.調速31n0nToU降低T2調速過程：調速時，當T2不變，T=T2不變；

、Ra不變

Ia不變。U

n

E

變壓調速適合恒轉矩負載。T=KT

IaE=KE

nU=IaRa+E32

改變電壓調速方法必須有連續(xù)可調的大功率直流電源，這種方法投資大，目前廣泛使用的方法是可控硅整流電路調節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調速的特點:2)工作時電樞電壓不允許超過UN，而n

U，所以調速只能向下調。4）均勻改變電樞電壓，可得到平滑無級調速。5）調速幅度較大。1)條件：

、Ra、Ia不變。3)硬度不變，調速范圍寬，適用于恒轉矩負載.33例：他勵電動機：UN=220V、IaN=53.8A、nN=1500r/minRa=0.7

，電樞電壓降低到0.5UN時，T2、

不變，求：降壓后的電機轉速。解：降壓調速時，T2不變：

、Ia不變。E=KE

n34（2）

改變磁通調速（弱磁調速）條件：U、Ra不變，調節(jié)Rf改變

。

n0

n

nTo

降低T2在弱磁調速過程中，機械特性變軟。在勵磁回路串上電阻Rf，改變Rf大小可調節(jié)勵磁電流，從而改變

的大小。35

Rf

If

n

，但在額定情況下，

已接近飽和，If再加大，對

影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。改變磁通調速的方法:一般只采用減少勵磁電流的方法調速。If的調節(jié)有兩種情況：（

減?。㏕2Rf增加Tn

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調速方法。361）調速平滑，可做到無級調速，但只能向上調，受機械本身強度所限，n不能太高。

2）調的是勵磁電流（該電流比電樞電流小得多），調節(jié)控制方便。

減小

調速的特點：1）若調速后Ia

保持不變，則高速運轉時負載轉矩必須減小。

2）這種調速方法只適用于恒功率調速。使用調磁調速時應注意：37思考：弱磁調速是否適用于恒轉矩負載？對于恒轉矩負載，T一定，U和Ra不變：由T=KTIa知：

Ia

（Ia>IaN

）因此：弱磁調速不適用于恒轉矩負載。調速過程中，應使Ia近似不變：

T

。n

T

P2近似不變。弱磁調速適用于恒功率負載。38例：并勵電機，P2N=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500r/min，且Ra=0.4

，Rf=193

，采用弱磁調速，在勵磁電路中串聯(lián)Rf'=50

（1）若保持TN不變，求調速后的Ia'、n'、P2'

（2）若保持Ia不變，求調速后的T'、n'、P2'MIaIfR'f+_E+_URstIN解：調速前：39串聯(lián)Rf'之后：

與If成正比。（1）T不變：由T=KT

Ia知：

T不變時：Ia>IaN

40（2）Ia不變：由U=E+RaIa知：

保持Ia不變，調速后：n

、T

、P基本不變。41第15.2節(jié)小結二、直流電動機的三個方程：一、直流電動機的工作原理電磁轉矩:反電動勢:電樞電壓、電流關系：三、直流電動機的機械特性：四、直流電動機的啟動與反轉啟動性能，啟動方法，反轉方法五、并勵（他勵）電動機的調速：調壓調速：方法，特點，計算調磁調速：方法，特點，計算42電能轉換新技術15.3控制電機15.3.1伺服電動機15.3.2步進電動機15.3.3永磁式同步電動機43控制電機的作用：用來轉換和傳遞控制信號。13.3.1伺服電動機作用：把電壓信號轉換成轉矩和轉速以驅動控制對象，當信號電壓的大小和極性變化時，其輸出轉矩轉速和轉向能準確隨之變化。特點：（1）靈敏度高（對控制信號反應靈敏）

（2）無“自轉”現(xiàn)象，即當控制電壓為零時，能迅速挺轉。

（3）運行穩(wěn)定，即在控制電壓改變時，電動機能在較寬的范圍內穩(wěn)定運行。44交流伺服電動機：

是兩相異步電動機，定子上裝有兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，他們在空間相隔90°，勵磁繞組串聯(lián)電容C，起到分相的作用，產生兩相旋轉磁場，使轉子轉動。轉速受控制電壓控制：T2一定：U

n

U

n

機械特性軟。45直流伺服電動機：結構特點：（1）結構與直流電機相似

（2）電樞電阻大控制方式：（1）電樞電壓控制（2）磁極磁通控制U

n

U

n

U=0

n=04615.3.2步進電動機作用：把電脈沖信號轉換成直線位移或角位移；對應每個輸入的脈沖信號，轉子轉過一個固定角度。脈沖信號：反應式步進電動機的結構：

定子：均勻分布六個磁極，兩個相對的磁極組成一相，繞著一相繞組。

轉子：均勻分布六個齒沒有繞組。齒矩角=90°47單三拍方式：在磁場作用下，轉子總力圖轉到磁阻最小的位置。第1個脈沖：A相通電，轉子齒對齊AA'。第2個脈沖：B相通電，轉子齒對齊BB‘。順時針轉過30°第3個脈沖：C相通電，轉子齒對齊CC‘。順時針轉過60°48

在單三拍工作中，按A-B-C-A的順序通電，轉子按順時針方向不斷一步步轉動，每步的轉角都是30°，這個角度叫：步距角。電流換接三次，轉子轉過一個齒距角——單三拍六拍方式：通電順序：A-AB-B-BC-C-CA-A 步距角=15°

六步轉過一個齒距角——六拍方式4950雙三拍方式：通電順序：AB-BC-CA 步距角=30°

計算：步距角：Zr——轉子齒數(shù)m——運行拍數(shù)

反應式步進電動機既可以進行角度控制，也可以進行轉速控制。515215.3.3永磁式同步電動機同步電動機的轉速恒定不變。不會隨負載阻轉矩或者信號電壓的改變而變化。功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦的各種同步電動機，在需要恒速運轉的自動控制裝置中得到了廣泛的應用5315.3.3永磁式同步電動機由永久磁鋼做成。不需勵磁繞組和勵磁電流。1．永磁式同步電動機的基本結構與工作原理三相電流通入三相繞組或兩相電流通入兩相繞組，產生旋轉磁場其轉速即同步轉速n0定子:轉子：54

旋轉磁場以同步速n0朝著圖示的轉向旋轉時，根據(jù)N極與S極互相吸引的道理，定子旋轉磁極就要與轉子永久磁極緊緊吸住，并帶著轉子一起旋轉。工作原理55轉子轉速只決定于電源頻率和電機極對數(shù)。但是如果軸上負載阻轉矩超出一定限度，轉子就不再以同步速運行，甚至最后會停轉，這就是同步電動機的“失步”現(xiàn)象。