直流電動機(jī)及其控制

關(guān)于直流電動機(jī)及其控制

第一章直流電動機(jī)及其控制1.1

直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、概述應(yīng)用：1

高精度位置伺服系統(tǒng)；2

大轉(zhuǎn)矩設(shè)備，如軋鋼機(jī)、電氣鐵道牽引機(jī)、起重機(jī)械等；3高精度速度控制系統(tǒng)；4

航天器及其它只有直流電源的場合。第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點(diǎn)：

1)調(diào)速范圍寬，可穩(wěn)定運(yùn)行的速度范圍大；

2）轉(zhuǎn)矩大；

3）控制方法簡單，控制裝置可靠性高。缺點(diǎn)：費(fèi)工費(fèi)料，造價貴，運(yùn)行時換向器需要經(jīng)常維修，壽命較短（350～400h）。特殊點(diǎn)：第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、結(jié)構(gòu)按運(yùn)動狀態(tài)：定子和轉(zhuǎn)子兩部分。按功能：磁極、電樞繞組、換向器和電刷三部分。磁極在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。換向器在轉(zhuǎn)子上，電刷在定子上。第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.磁極和定子鐵心功能：產(chǎn)生磁場電磁式直流電機(jī)：用直流電產(chǎn)生恒定磁場，應(yīng)用：功率大的場合，中、大型電機(jī)。第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天永磁式電機(jī):由永磁體產(chǎn)生恒定磁場。優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：磁場弱。應(yīng)用：微型和小型電機(jī)。第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.電樞繞組和電樞鐵心第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天電樞繞組：電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)的電勢。電機(jī)的中樞和樞紐。電樞繞組的制造方法把帶絕緣的銅導(dǎo)線預(yù)制成形，在鐵心糟內(nèi)放好絕緣層后將繞組嵌入。每個繞組元件的兩個端頭（引出線）按著一定的規(guī)律接到換向器上。直流電樞繞組本身自成閉合回路。第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.換向器和電刷裝置換向器在轉(zhuǎn)子上。電刷在定子上。功能將電刷上的直流變?yōu)槔@組內(nèi)部的交流。第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、圖形符號第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.2

電機(jī)中的磁性材料1.2.1

鐵磁物質(zhì)能產(chǎn)生磁場，在磁場中受力作用。鐵磁性物質(zhì)特點(diǎn)1）磁導(dǎo)率

大，是真空磁導(dǎo)率

0的

2000～6000倍。

2）

不是恒量，隨磁場強(qiáng)度H變化。

3）存在一個臨界溫度——居里點(diǎn)，高于此溫度時，磁導(dǎo)率降到真空磁導(dǎo)率。第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Br

：剩磁磁密（簡稱剩磁）Hc

：矯頑磁力。去磁曲線或退磁曲線：磁滯回線在第2象限或第4象限的部分。第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天軟磁材料：磁滯回線狹窄，磁導(dǎo)率高。如硅鋼片、純鐵、鑄鋼等。常用來作電機(jī)、變壓器的鐵心。硬磁材料：矯頑磁力大，磁滯回線寬。常用作永磁體。第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天B的變化滯后于H的變化。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下，反復(fù)磁化時將要發(fā)熱，引起的損耗。磁滯損耗與頻率f成正比，磁滯回線的面積越大，磁滯損耗也越大。第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天渦流損耗：鐵磁材料處于交變的外磁場中時，鐵心中還會產(chǎn)生渦流，渦流在鐵心中引起的熱損耗。鐵心采用片狀的并有絕緣薄膜的材料疊壓而成，就是為了減少渦流損耗。第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天鐵心損耗（鐵耗）：磁滯損耗加渦流損耗。單位質(zhì)量的鐵耗：第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.3

直流電機(jī)工作原理

1.3.1

電磁力定律和電磁感應(yīng)定律電磁力定律

大?。悍较颍鹤笫侄▌t

第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：同性磁極下電流相同。異性（相鄰）磁極下電流相反。直流電機(jī)要保持恒定方向轉(zhuǎn)矩的條件：每個磁極下導(dǎo)體的電流方向應(yīng)保持不變。第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天電磁感應(yīng)定律

大小：

方向：右手定則

第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.3.2

直流電動機(jī)的工作原理一、模型電機(jī)

第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天換向器的作用：導(dǎo)體從一個磁極轉(zhuǎn)到相鄰的異性磁極時，改變導(dǎo)體電流方向，保持每個磁極下電流方向不變，使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)角范圍小，不用換向器。改變電刷電壓的極性。存在的問題：轉(zhuǎn)矩小，波動大。原因：匝數(shù)少（1匝），磁路是空氣，磁密低。第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

二、環(huán)形繞組的直流電動機(jī)環(huán)形鐵心，多繞組。兩條支路。第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天存在的問題：

1）環(huán)形鐵心內(nèi)部無磁場，內(nèi)部導(dǎo)體不受電磁力，銅的利用率低。

2）制造困難，工藝性和經(jīng)濟(jì)性不好。

第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

三、鼓形繞組

第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5

直流電動機(jī)的特性與控制方法直流電動機(jī)的接線第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5.1

直流電動機(jī)的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢一根導(dǎo)線受力一根導(dǎo)線的電磁轉(zhuǎn)矩各導(dǎo)線轉(zhuǎn)矩相加可得

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5.1

直流電動機(jī)的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)磁通Φ為常值時該式可寫為Kt——轉(zhuǎn)矩靈敏度，或稱轉(zhuǎn)矩系數(shù)第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天電樞反電勢由電磁感應(yīng)定律，一根導(dǎo)線的電勢各導(dǎo)線電勢相加可得電樞繞組感應(yīng)電勢為電動機(jī)中稱為電樞反電勢

Ke

：反電勢系數(shù)

采用國際單位制（SI）第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由轉(zhuǎn)子受力圖和力學(xué)定律

動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式動態(tài)：

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

三、電壓平衡方程式電樞繞組有自感和電阻，轉(zhuǎn)動時電樞中又有感應(yīng)電勢，稱電樞反電勢，因此電樞等效電路。第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、電壓平衡方程式動態(tài)電壓平衡方程式動態(tài)：靜態(tài)：靜態(tài)電壓平衡方程式：

第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天四大關(guān)系式

第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天※Ke

和Kt

的關(guān)系電動機(jī)從電源輸入的電功率為電動機(jī)做出的總的機(jī)械功率為

電樞繞組發(fā)出的熱能功率為能量守恒定律：第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5.2直流電動機(jī)的靜態(tài)特性與控制方法

一、概述靜態(tài)：靜態(tài)特性：常用靜態(tài)特性機(jī)械特性：調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速與控制量（如電壓）的關(guān)系。

第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天靜態(tài)時的電樞等效電路圖靜態(tài)時的電樞電流

直流電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用上式求轉(zhuǎn)速：第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天靜態(tài)時的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速又一表達(dá)形式靜態(tài)特性方程第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天調(diào)速：開環(huán)調(diào)速方法：改變電樞電壓，磁通，電樞回路電阻。電樞控制：磁場控制：輸入量是磁通，激磁電流或激磁電壓。第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

二、電樞控制時的機(jī)械特性磁通Φ不變，電樞電壓為常數(shù)或參變量時轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。表達(dá)式

圖象：下垂的直線。斜率：第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、電樞控制時的機(jī)械特性斜率：理想空載轉(zhuǎn)速實(shí)際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、電樞控制時的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速n0

實(shí)際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts

機(jī)械特性硬度：

的大小。

小，機(jī)械特性硬。第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天機(jī)械特性族改變電樞電壓，機(jī)械特性族是平行直線。分析：電壓提高時，工作狀態(tài)如何變化。

Tc

不變，

第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

三、電樞控制時的調(diào)節(jié)特性

電磁轉(zhuǎn)矩為參變量時轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。表達(dá)式斜率直流電機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。

直線過原點(diǎn)。第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

三、電樞控制時的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。

Tem=Tc=0時直線過原點(diǎn)。

直線與橫軸交點(diǎn)：起動（死區(qū)）電壓。由摩檫力和負(fù)載引起。起動電流：第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天電樞控制的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線，這表明直流電機(jī)是理想的線性元件。電樞控制的缺點(diǎn)：控制功率UaIa

大，對于較大電機(jī)，要用較大容量的功率放大器。第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

四、磁場控制時的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

機(jī)械特性：磁通是參變量，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系。機(jī)械特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式n與Tem是線性關(guān)系。斜率與磁通有關(guān)機(jī)械特性族是交叉的直線。第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

四、磁場控制時的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)矩是參變量，

轉(zhuǎn)速n與磁通Φ的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性數(shù)學(xué)表達(dá)式調(diào)節(jié)特性是非線性曲線。具有明顯的非線性?？刂品椒ǎ焊淖兗ご烹妷篣f，電流If。磁場控制的優(yōu)點(diǎn)：

控制功率UfIf

小，可控制大功率電機(jī)。第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5.3直流電動機(jī)的動態(tài)特性一、電樞控制時的動態(tài)特性

1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速

為輸出。擾動力矩為Tc。第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5.5直流電動機(jī)的動態(tài)特性一、電樞控制時的動態(tài)特性1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速ω

為輸出。擾動力矩為Tc。

繪框圖，求傳遞函數(shù)。

第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電動機(jī)的動態(tài)框圖從輸出Ω(s)開始。第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電動機(jī)的動態(tài)框圖第58頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電動機(jī)的動態(tài)框圖第59頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)機(jī)電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)第60頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)1/

e

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了控制系統(tǒng)的通頻帶第61頁,共67頁，2024年2月25日，星期天直流電機(jī)傳遞函數(shù)參數(shù)與靜態(tài)特性的關(guān)系機(jī)電時間常數(shù)與機(jī)械特性斜率成正比。1/Ke

是調(diào)節(jié)特性斜率線性元件：靜態(tài)特性平行直線。第62頁,