1、电 力 拖 动 基 础电力拖动：用电动机作为动力的拖动。学习目的：运动控制、自动控制的直接基础 自 动 化 电 气非 电 气 过 程 自 动 化单 机 自 动 化 开 环 自 动 控 制闭 环 自 动 控 制现 代 电 气 自 动 控 制 系 统 的 基 本 构 成指 令 系 统计 算 机 控 制 器单 片 机 、 数 字 模 拟 器件 、 控 制 电 器 功 率 放 大变 流 装 置 执 行电 动 机 执 行机 械反 馈 检 测 器 件反 馈 控 制 理 论微 机 原 理 电 路 、电 子 学 功 率 电 子 技 术 检 测 技 术 电 力 拖 动 基 础电 力 拖 动 自 动 控 制 系
2、统C语 言计 算 机 控 制 技 术单 片 机 原 理与 控 制 技 术学习内容：交直流电动机的运行原理、起动、调速、制动运行控制方法。1 直流电动机原理电动机是工业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一，不难列出许多电动机的应用例子：洗衣机、洗碗机、抽油烟机、录像机、VCD、随身听、计算机硬件中的软驱、硬盘、散热风扇、各种金属加工机床的拖动等等。电动机根据它使用的电源可分为交流和直流两大类。其中直流电动机由于其在控制性能方面的优势，在 20 世纪 70 年代以前一直在控制要求较高的电力拖动领域占踞主导地位，近年来虽然这种情况因交流电动机控制技术的巨大进步已有很大改变，但直流电动机在近
3、代工业中的地位仍然十分重要。例如在一辆豪华轿车中就使用了多达 80 多台的直流电动机作各种辅助自动控制的驱动。因此，学习直流电动机的工作原理，掌握对它的控制方法，仍然是十分必要的。11 直流电动机的基本工作原理、结构和额定数据一、基本原理两个重要公式：法拉第电磁感应定律发电机原理：e =Blv有效长度为 l 的导体以线速度 v 在磁通密度为 B 的磁场中运动时，导体内将产生感应电动势 e ，若 B、 l、v 在空间相互垂直，则 e 的大小等于三者的乘积，方向由右手定则确定。B 为媒介，机电转换 数学描述。安培力定律 电动机原理：F Bli有效长度为 l 并载有电流 i 的导体在磁通密度为 B
4、的磁场中时，导体上将受到电磁力 F 的作用 ，若 B、 l 在空间相互垂直，则 F 的大小等于三者的乘积，方向由左手定则确定。B 为媒介，电机转换 数学描述。 直 流 电 动 机直 流 发 电 机 机 械 功 率ie Bl FvBl 直 流 电 功 率直流电动机的物理模型N Sia bcdFFii+-n电 动 机 模 型 1主 磁 极 线 圈电 枢气 隙N Sia bcdF Fii+-n电 动 机 模 型 1主 磁 极 线 圈电 枢气 隙特点：每个磁极下的线圈元件边中电流方向固定不变。N Sea bcd e+AB-电 刷换向片 n发 电 机 模 型n原 动 机特点：电枢旋转方向不变时，电刷上的
5、电压极性恒定。N Sia bcdF Fii+AB-n电 动 机 模 型N Sea bcde+AB-n发 电 机 模 型同一直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性质；发电机原理和电动机原理总是同时出现的。发电：输出电功率同时导体元件中产生电流依电动机原理产生反转矩；平衡原动机拖动转矩，使发电机转速稳定。电动：轴上输出机械功率同时导体元件在主极下运动产生反电动势。平衡外加电源电压，限制导体元件电流和电动机电磁转矩，平衡负载转矩，使电动机转速稳定。二、基本结构1、 主磁极 2、电枢绕组 3、电枢铁心 4、换向器 5、换向极 6、电刷装置 7、机座三、直流电动机的额定参数额定电
6、压 ：额定工况下加在电枢绕组上的工作电压。NU（V、kV）额定电流 ：额定工况下长期运行的最大电枢电流。 （A）I额定功率 ：额定工况下电机轴上允许长期输出的最大机械NP功率。 （W、kW ）NIU：额定工况下直流电动机的工作效率。N额定转速 ：额定工况下电动机的运行速度。 （r/min ）n额定转矩 ：额定工况下电动机轴上 的输出转矩。T（Nm）； 的单位为 kW。NNnP95012 直流电动机的结构特征与工作特性物理概念和定律的复习：1、 磁感应强度（磁通密度）B Wb/m 2：单位截面积上的磁通，描述磁场强弱及方向。B 与产生它的电流(励磁电流)之间的关系用毕奥(Biot)萨伐(Sava
7、rt)拉普拉斯(Laplace)定律描述：设在载流导线上沿电流方向取线元 d ，其中通过电流强度为 I。电流元 Id 在l l真空中给定点 P所产生的磁感应强度 dB 的大小和 I、d 及线元到 P 点的矢径 r 间的夹角（d ,r）的正弦成正比，l和由线元到 P 点的距离的平方 成反比： 。2r 24),sin(rdIlBl方向垂直于由线元和矢径所决定的平面，指向由右手螺旋法则确定。磁感应强度服从叠加原理：某一给定的电流分布在空间某点所产生的磁感应强度等于组成这电流分布的各电流元分别地在这同一点上所产生的磁感应强度的矢量和。磁力线方向与电流方向满足右手螺旋关系。2、 磁感应通量（磁通）Wb：
8、穿过某截面 S 的磁感应强度 B 的通量dB在均匀磁场中，如果截面 S 与 B 垂直，则S3、 磁场强度 H 安培/ 米 ：计算导磁物质中的磁场用辅助物理量： HB：导磁物质磁导率。空气的磁导率为 。0铁磁材料的 （几千几万倍） 。04、 安培环路定律：磁场强度矢量 H 沿任何闭合路径的线积分等于该回路所环链的所有电流的代数和： IdllHI l2l1 l3S2S1 NIdddId llll lHHlH321设各段磁路中磁通均匀分布，l 为磁路平均长度，则上式简化为： FUNIHl m 常其中 称为该段磁路的磁压； F NI 称为磁通lUm势（磁势） 。N 为线圈匝数5、 磁路欧姆定律：或mR
9、FUSlHSB常mR其中定义磁阻为： lRm结 构 特 征 工 作 特 征B主 极 （ 定 子 ）电 枢 （ 转 子 ） 绕 组换 向 极换 向 片 、 电 刷主 极 磁 场 、 励 磁 方 式电 枢 磁 场 、 电 枢 反 应换 向B的 安 排的 安 排B、 的 共 同 作 用一、 主磁极与主极磁场 NS 励 磁 绕 组定 子 磁 轭极 靴极 身气 隙电 枢 齿电 枢 磁 轭四 极 直 流 电 机 空 载 时 磁 场 示 意 图漏 磁 通主 磁 通主 磁 感 应 线 ： N极 N极 下 气 隙 电 枢 铁 心 相 邻 S极 下 气 隙 相 邻 S极 定 子 磁 轭主磁极：套装有励磁绕组的电磁
10、铁。磁路的等效简化： 设 1 个主极的励磁磁通势、主磁通量分别为 ， ；0FIN极S极 F0F0f 0o F00直 流 电 动 机 的 磁 化 曲 线为主磁极磁感应线所经路径上的总磁阻。则有：mRmF02具有一定饱和特性包含气隙的整个磁路由两个基本公式：F=Bli 、 e=Blv为知道 F、 e 的大小，必须知道电枢铁心表面 B 的大小，因为产生电磁力矩的载流导体都分布于此。在磁极下： msmRFRBS022铁心磁阻 SRSlRmsm022常02FB在极靴外，B几 何 中 性 线NSB 0并在两极分界处降为 0。几何中性线：与主磁极轴线正交的电枢径向轴线；磁场中性线、物理中性线：电枢表面 B0
11、 处的电枢径向轴线。仅存在主磁通时二者重合。S N极 距 xF取磁力线穿出电枢表面的 B 为正。相邻两主磁极轴线间的距离称为极距 。二、 电枢绕组（l）：保证在同一主磁极下电流方向不变。由于磁力线具有垂直出入介质表面的性质，两个基本公式 F=Bli、 e=Blv 的正交条件成立。当绕组元件中 I=常数时，元件边受电磁力 F 的大小决定于元件边所在空间位置上 B的大小。当电枢作匀速旋转时，F(t)的变化规律与 B(x)的空间分布规律一致，但因电刷和换向片的作用，F 的方向不变： xtT0 0.5T1 TBn 电 磁 转 矩 T1=F电 枢 半 径存在问题：转矩小、波动大、有零转矩点。对策：增加绕
12、组元件数、合理联接，增大转矩、减小脉动。例：1 对磁极、6 绕组元件模型：223344556611456123nNSN S NA B (A)6 1 2 3 4 5 6 16 1 2 3 4 5 6va+i -电枢以线速度 Va 运动时，绕组元件和电刷 A 的123654+ -A B两 条 并 联 支 路换接顺序为 123456，换接后仍保持使同一磁极下的电流方向不变。特点：1、元件头尾相接，自成闭合回路。2、加上电刷后，变成两条并联支路。，a 为aiI并联支路对数3、同支路绕组元件上层边均在同主磁极下4、电刷位于主磁极轴线通过的换向片上5、并联支路对称，电枢旋转不改变特点 3。6、电磁转矩等于
13、各绕组元件建立的 T 之和：幅值增加，脉动减小，零转矩消除。7、进一步增加绕组元件数， 、脉动。em实际电枢的常用绕组结构：叠绕(a=p)、波绕(a=1)：阅读。三、 电枢反应（B，l） 电枢电流产生磁场的影响tT01 tT02tT03Temt0T/62T/63T/64T/65T/6TSN电 枢 磁 场 分 布电枢反应磁势 Fa 的性质：空间静止；与 F0 正交。合成磁通使主磁极轴线扭曲；b,d 附近 B 增加，a,c 附近 B 减小。饱和特性使增加值小于减小值，导致每极总磁通量随电枢电流增加而下降。电枢反应具有去磁作用。几 何 中 性 线NSB 0几 何 中 性 线NS物 理 中 性 线带
14、负 载 磁 场 分 布可能影响运行的稳定。四、 换向：两点结论换向器是电机中最薄弱的环节，限制 DCM 的容量、转速、过载能力、最大 Ia改善换向：增设换向极，利用 Ia 励磁产生磁通抵销电枢反应磁通。五、 励磁方式 他 励MU U IaIff MU IaIf他 励 （ 并 励 ） MU IaIf MU IaIf1串 励 If2复 励1-3 电磁转矩与电枢电动势 直 流 机 原 理 的 基 础FBli一 条 支 路Tem Ia各 支 路 电 流 之 和Ea n1 3关 系 ？42e=Blv一 条 支 路1电 磁 转 矩2电 枢 电 动 势3电 动 势 平 衡 方 程4功 率 平 衡 方 程机
15、械 特 性1-31-41-5一、 电磁转矩 emTB(x) 是 x 的函数某一根导体的 T(x) dx 弧长内导体所建立的 dT Td2 pTem2分析：1、 1 根导体： )2(axaxDliBTliBF 2、 dx 弧长中的导体数（假设导体在电枢表面均分，总数 N）：dxDNa3、 dx 区间内导体所建立的转矩：dxNliBdxDNTdaxax 2)(4、 一个主极下导体产生的转矩： 222 axaNildBNidT其中磁通 lx25、 aaiI2aTaaem IKIpNiNpT 22重要结论： aTeIK其中转矩系数、转矩常数 pN2特点：增加电机磁极对数 p 或总导体数 N 可增大电磁
16、转矩。对他励 DCM，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有 常TaTemKCI 优点：直流电动机的转矩直接受电枢电流控制。二、 电枢电动势电角度和机械角度：机械角度 ：电枢旋转一周，机械角度变化 360 度或 2 弧度。x机械角速度 弧度/秒=n602电角度 ：电枢旋转经过 2 个极距，电角度变化 360 度或 2e弧度。 mep电角速度 np602常Ea 为支路各串联绕组元件内感应电动势之和。任一元件转过 ， ，各元件内感应电动势瞬时值不同，2但转过一极距时感应电动势的平均值相等。由电磁感应定律： ； 为每个绕组元件的匝数。dtNess一元件转过一极距后感应电动势的平均值（数值）：转过一
17、极距：电角度 ,即te tpnNnpNtNE ssssav 604602电枢绕组总元件数为 S，每支路串联元件数为 aS2电枢表面总导体数： sSN2电枢电动势 nKapNnaEesva 604重要结论： （电势系数、电KnKeea 常势常数）特点：对他励，磁通不变时， 常eeaKnCE 方程代表电动机机电能量的转换关系。 5.9260eTeCK14 电动势平衡方程与功率平衡方程他励直流电动机的原理电路(稳态) +MEa+-RaIaIf-URa 为电动机电枢绕组和换向器总电阻各电量假定正向按电动机惯例：与电动机正常运行状态下的实际方向一致重要结论：稳态电动势平衡方程： aaIREU常2aaII
18、I忽略励磁功率时，输入功率 aP1铜耗 2acuIRP电磁功率： emeemeTemea PTnnKnKIE 602 重要关系式： 机 械 角 速 度电 磁 功 率电 磁 转 矩 eemP空载损耗 ：轴承摩擦、冷却风扇风阻、铁心涡流损耗0P轴上输出功率 02Pem功率平衡方程（忽略励磁损耗）： 201PPcuemcu常20TTem即轴上输出转矩电磁转矩空载转矩通常将空载转矩作为一种负载转矩并入机械负载转矩考虑认为电磁转矩就是电动机轴上输出转矩，称为电动机转矩： emT15 转速特性和机械特性电势平衡方程：emTaeaTaeaa KRnIKRnIREU 常认为： Tem重要关系式：机械特性方程： TKRUneae2转速特性方程： aeeI特性形状：他励：忽略电枢反应时，磁通为常数为线性方程， 称为理TCRnea0 eCUn0想空载转速 nn00 T硬 度 Tn 特 性 硬特 性 较 软硬 度 高硬 度 较 低他 励 电 机 机 械 特 性 n=f(T)串励： TIaKRUnTee2nn00 T特 性 软串 励 电 机 机 械 特 性 n=f(T)空 载 速 度 高重 载 速 度 低用 于 电 车 、 钢 水 包复励：避免串励在空载时飞车。本章小结（阅读）习题：16、17、18；第 8 题要求画出机械特性图。
