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

15.2.1直流電動機的構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)與制動、調(diào)速的基本方法；了解伺服電動機和步進電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理。2直流電機的應(yīng)用：軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)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(diào)速性好，啟動轉(zhuǎn)矩大。缺點：結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為直流電能；直流電動機：將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能；315.2.1直流電動機的構(gòu)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(chǎn)生固定磁場極心：放置勵磁繞組，通入直流勵磁電流，產(chǎn)生固定磁場。極掌：使空氣隙中磁感應(yīng)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(zhuǎn)子）:產(chǎn)生感應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生的磁場力方向一致

電樞轉(zhuǎn)動

產(chǎn)生與外加電壓方向相反的感應(yīng)電動勢：反電動勢驅(qū)動轉(zhuǎn)矩NSU+_abcdAB2.直流電動機的工作原理（1）

直流電動機的轉(zhuǎn)動原理9直流電動機基本工作原理小結(jié)：●

電樞繞組內(nèi)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(chǎn)生單方向的電磁轉(zhuǎn)矩。10線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。1)電樞中的感應(yīng)電動勢電樞反電動勢E的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或niiNSU+_nFFeeKE：與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)n：電動機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對數(shù)等有關(guān)）

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

：空載轉(zhuǎn)矩

當負載轉(zhuǎn)矩T2發(fā)生變化時，通過電機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速

n——轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩TN:

電動機軸上輸出的額定轉(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)生強烈的機械沖擊而破壞傳動機構(gòu)。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(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)

要改變直流電動機的轉(zhuǎn)動方向，必須改變電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)？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(zhuǎn)矩的方向不變，轉(zhuǎn)速n方向不變。

他勵電動機的反轉(zhuǎn)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(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)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(chǎn)生制動的電磁轉(zhuǎn)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(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)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(diào)速范圍寬，調(diào)速性能好。（1）改變電樞電壓調(diào)速(調(diào)壓調(diào)速)條件：保證If（

）、Ra

為額定值。調(diào)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(diào)速31n0nToU降低T2調(diào)速過程：調(diào)速時，當T2不變，T=T2不變；

、Ra不變

Ia不變。U

n

E

變壓調(diào)速適合恒轉(zhuǎn)矩負載。T=KT

IaE=KE

nU=IaRa+E32

改變電壓調(diào)速方法必須有連續(xù)可調(diào)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(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的特點:2)工作時電樞電壓不允許超過UN，而n

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

、Ra、Ia不變。3)硬度不變，調(diào)速范圍寬，適用于恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。解：降壓調(diào)速時，T2不變：

、Ia不變。E=KE

n34（2）

改變磁通調(diào)速（弱磁調(diào)速）條件：U、Ra不變，調(diào)節(jié)Rf改變

。

n0

n

nTo

降低T2在弱磁調(diào)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(diào)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(diào)速的方法:一般只采用減少勵磁電流的方法調(diào)速。If的調(diào)節(jié)有兩種情況：（

減?。㏕2Rf增加Tn

Rf

If

n

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

2）調(diào)的是勵磁電流（該電流比電樞電流小得多），調(diào)節(jié)控制方便。

減小

調(diào)速的特點：1）若調(diào)速后Ia

保持不變，則高速運轉(zhuǎn)時負載轉(zhuǎn)矩必須減小。

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

Ia

（Ia>IaN

）因此：弱磁調(diào)速不適用于恒轉(zhuǎn)矩負載。調(diào)速過程中，應(yīng)使Ia近似不變：

T

。n

T

P2近似不變。弱磁調(diào)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(diào)速，在勵磁電路中串聯(lián)Rf'=50

（1）若保持TN不變，求調(diào)速后的Ia'、n'、P2'

（2）若保持Ia不變，求調(diào)速后的T'、n'、P2'MIaIfR'f+_E+_URstIN解：調(diào)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(diào)速后：n

、T

、P基本不變。41第15.2節(jié)小結(jié)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(zhuǎn)矩:反電動勢:電樞電壓、電流關(guān)系：三、直流電動機的機械特性：四、直流電動機的啟動與反轉(zhuǎn)啟動性能，啟動方法，反轉(zhuǎn)方法五、并勵（他勵）電動機的調(diào)速：調(diào)壓調(diào)速：方法，特點，計算調(diào)磁調(diào)速：方法，特點，計算42電能轉(zhuǎn)換新技術(shù)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(zhuǎn)換和傳遞控制信號。13.3.1伺服電動機作用：把電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象，當信號電壓的大小和極性變化時，其輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向能準確隨之變化。特點：（1）靈敏度高（對控制信號反應(yīng)靈敏）

（2）無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即當控制電壓為零時，能迅速挺轉(zhuǎn)。

（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(nèi)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(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特點：（1）結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成直線位移或角位移；對應(yīng)每個輸入的脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定角度。脈沖信號：反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)：

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(zhuǎn)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(zhuǎn)子總力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。第1個脈沖：A相通電，轉(zhuǎn)子齒對齊AA'。第2個脈沖：B相通電，轉(zhuǎn)子齒對齊BB‘。順時針轉(zhuǎn)過30°第3個脈沖：C相通電，轉(zhuǎn)子齒對齊CC‘。順時針轉(zhuǎn)過60°48

在單三拍工作中，按A-B-C-A的順序通電，轉(zhuǎn)子按順時針方向不斷一步步轉(zhuǎn)動，每步的轉(zhuǎn)角都是30°，這個角度叫：步距角。電流換接三次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒數(shù)m——運行拍數(shù)

反應(yīng)式步進電動機既可以進行角度控制，也可以進行轉(zhuǎn)速控制。515215.3.3永磁式同步電動機同步電動機的轉(zhuǎn)速恒定不變。不會隨負載阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的自動控制裝置中得到了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場其轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速n0定子:轉(zhuǎn)子：54

旋轉(zhuǎn)磁場以同步速n0朝著圖示的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)N極與S極互相吸引的道理，定子旋轉(zhuǎn)磁極就要與轉(zhuǎn)子永久磁極緊緊吸住，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。工作原理55轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩超出一定限度，轉(zhuǎn)子就不再以同步速運行，甚至最后會停轉(zhuǎn)，這就是同步電動機的“失步”現(xiàn)象。