電力拖動第1章

電力拖動與運動控制第一章

直流電動機主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構基本工作原理直流電動機的結構直流電動機的銘牌數據1.2直流電動機的電樞反應直流電動機的空載磁場直流電動機的電樞磁場電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩電樞電動勢電磁轉矩1.4直流電動機直流電動機的勵磁方式他勵直流電動機的基本方程式重點內容主要內容1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式運動方程式中正、負號的規(guī)定拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)他勵直流電動機的反轉1.6生產機械的負載轉矩特性恒轉矩負載特性恒功率負載特性通風機型負載特性1.7他勵直流電動機的機械特性機械特性方程式固有機械特性和人為機械特性主要內容1.8他勵直流電動機的啟動直接啟動電樞回路串電阻啟動降低電樞電壓啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動能耗制動反接制動回饋制動1.10他勵直流電動機的調速調速指標調速方法直流調速系統(tǒng)使用的可控直流電源主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構基本工作原理直流電動機的結構直流電動機的銘牌數據1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速1.基本工作原理電動機原理圖1.基本工作原理基本工作原理1.基本工作原理基本工作原理

N、S：定子磁極

a、b、c、d：轉子線圈

首端a和末端d連接到換向器上，通過電刷連接外電路

工作原理：

電樞線圈通入直流電流，導體在定子磁場中受電磁力作用，產生電磁轉矩，線圈在此轉矩作用下旋轉

雖然導體中流通的電流為交變的，但是電磁轉矩方向不變2.直流電動機結構基本結構2.直流電動機結構1.風扇2.機座3.電樞4.主磁極5.刷架6.換向器7.接線板8.出線盒9.換向極10.端蓋直流電動機的結構圖基本結構2.直流電動機結構2.直流電動機結構定子部分機座（磁軛）：固定部件，形成電機磁路主磁極：產生氣隙磁場，由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵磁

繞組）組成換向極：改善換向，由換向極鐵心和換向極繞組組成電刷裝置：與換向器配合，將電樞繞組電路和外電路連接，

并將電樞繞組中的交流量轉變成電刷端的直流量主磁極示意圖換向極示意圖電刷裝置示意圖轉子部分電樞鐵心：形成電機磁路，安放電樞繞組電樞繞組：直流電動機的主要組成部分，產生感應電動勢換向器：改善換向電樞鐵心示意圖換向器示意圖3.直流電動機的銘牌數據3.直流電動機的銘牌數據額定運行情況：根據電機的設計和試驗數據，按照國家標準規(guī)定的電機的正常運行狀態(tài)和條件額定值（銘牌數據）：表征電機額定運行情況的各種數據主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應直流電動機的空載磁場直流電動機的電樞磁場電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速二、直流電動機的電樞反應

直流電動機的磁場是由主磁極產生的勵磁磁場和電樞繞組電流產

生的電樞磁場合成的一個合成磁場

直流電動機的運行特性在很大程度上取決于該磁場特性1.直流電動機的空載磁場空載：電動機軸上不帶機械負載運行此時，電樞電流等于零或近似等于零空載磁場可以認為僅僅是勵磁電流通過勵磁繞組產生的勵磁磁通所建立1.直流電動機的空載磁場直流電動機空載時磁場分布1.極靴2.極身3.定子磁軛4.勵磁線圈5.氣隙6.電樞齒7.電樞磁軛動畫演示1.直流電動機的空載磁場勵磁磁通可以分為兩大類：主磁通：同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組，占絕大多數漏磁通：不進入電樞繞組，經過氣隙直接進入臨近的磁極

或磁軛，小部分主磁通是直流電動機進行電磁感應和能量轉換所必需的，漏磁通只能使直流電動機效率降低主磁場在電機中的分布動畫演示2.直流電動機的電樞磁場直流電動機在帶載運行時，電樞繞組中有電流通過，產生電樞磁場。電樞磁場在電機中的分布

電樞電流的方向總是以電刷為界限劃分。只要電刷固定不

動，電樞磁場即靜止不動電樞磁場與主磁場共同在氣隙里建立合成磁場3.電樞反應

電樞反應：電樞磁場對主磁場的影響

電樞反應對磁場的影響如下：

使磁極下的磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，合成磁場發(fā)生畸變

使主磁場削弱，每個磁極下的磁通發(fā)生變化合成磁場在電機中的分布動畫演示主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩電樞電動勢電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速1.直流電動機的電樞電動勢

電樞繞組在磁場中轉動時產生的感應電動勢

電樞電動勢：直流電動機正、負電刷之間的感應電動勢

計算方法：電樞電動勢即為每條支路里的感應電動勢，可先求出一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁通密度的平均感應電動勢，再乘以一條支路里總的導體數即為電樞電動勢補充內容：直流電動機電樞繞組1.直流電動機的電樞電動勢1.直流電動機的電樞電動勢2.直流電動機的電磁轉矩電磁轉矩：通電的電樞繞組在磁場中受到的電磁力與電動機

電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩2.直流電動機的電磁轉矩制造好的直流電動機其電磁轉矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比2.直流電動機的電磁轉矩主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機直流電動機的勵磁方式他勵直流電動機的基本方程式1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速四、他勵直流電動機直流電動機的勵磁方式他勵、并勵、串勵、復勵他勵直流電動機的基本方程式電動勢平衡方程式、轉矩平衡方程式、功率平衡方程式1.直流電動機的勵磁方式

根據直流電動機勵磁繞組和電樞繞組與電源連接關系的不同，直流電動機可分為

他勵式并勵式串勵式復勵式1.直流電動機的勵磁方式2.他勵直流電動機的基本方程式電動勢平衡方程式2.他勵直流電動機的基本方程式轉矩平衡方程式2.他勵直流電動機的基本方程式功率平衡方程式直流電動機功率流圖主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式運動方程式中正、負號的規(guī)定拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)他勵直流電動機的反轉1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速五、電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

電力拖動系統(tǒng)是由電動機拖動生產機械系統(tǒng)，生產機械稱為電動機的負載。電源控制設備電動機傳動機構生產機械電力拖動系統(tǒng)組成示意圖1.單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式單軸拖動系統(tǒng)：電動機輸出直接拖動生產機械運轉的系統(tǒng)1.單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式What？1.單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式2.運動方程式中正、負號的規(guī)定正方向規(guī)定（1）規(guī)定正方向通常以電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為規(guī)定正方向（2）轉速方向與規(guī)定正方向相同時為正（3）電磁轉矩方向與規(guī)定正方向相同時為正（4）負載轉矩方向與規(guī)定正方向相反時為正3.拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)4.他勵直流電動機的反轉要使電動機反轉，必須改變電磁轉矩的方向，而電磁轉矩的方向由磁通方向和電樞電流的方向決定只要將磁通或者電樞電流中的任意一個參數改變方向，電磁轉矩即可改變方向常用的直流電動機反轉實現方法有：改變勵磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，磁通即改變方向改變電樞電壓極性：保持勵磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流即改變方向主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性恒轉矩負載特性恒功率負載特性通風機型負載特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速六、生產機械的負載轉矩特性生產機械運行時常用負載轉矩標志其負載的大小負載轉矩特性：表征生產機械的轉速與負載轉矩之間的關系三種常見生產機械特性：

恒轉矩負載特性（反抗性、位能性）

恒功率負載特性

通風型負載特性1.恒轉矩負載特性所謂恒轉矩負載是指

生產機械的負載轉矩Tl的大小不隨轉速n變化，Tl的大小為常數根據負載轉矩的方向特點又分為反抗性和位能性負載兩種（1）反抗性恒轉矩負載特點：

負載轉矩的大小不變，但方向始終與生產機械運動的方向相反，總是阻礙電動機的運轉舉例：軋鋼機、機床的平移機構（2）位能性恒轉矩負載特點：

負載轉矩由重力作用產生，無論生產機械運動方向變化與否，大小和方向始終不變舉例：起重機2.恒功率負載特性方向特點：屬于反抗性負載大小特點：當轉速變化時，負載從電動機吸收的功率為

恒定值，即負載轉矩與轉速成反比舉例：切削機床3.通風機型負載特性方向特點：屬于反抗性負載大小特點：負載轉矩的大小與轉速的平方成正比舉例：通風機、水泵、油泵主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性機械特性方程式固有機械特性和人為機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速七、他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞總電阻為恒值的條件下，轉速調整特性1.機械特性方程式他勵直流電動機電路原理圖Backto人為機械特性1.機械特性方程式他勵直流電動機的機械特性電源電壓&電樞回路總電阻&勵磁磁通均為常數2.固有機械特性和人為機械特性固有機械特性是當電動機的電樞工作電壓和勵磁磁通均為額定值，電樞電路中沒有串入附加電阻時的機械特性2.固有機械特性和人為機械特性人為機械特性是人為地改變電路參數或電樞電壓而得到的機械特性一般只改變電壓、磁通、附加電阻中的一個他勵直流電動機有下列三種人為機械特性：

電樞串電阻時的人為機械特性改變電樞電壓時的人為機械特性減弱磁通時的人為機械特性他勵直流電動機原理圖（1）電樞串電阻時的人為機械特性他勵直流電動機串電阻時的機械特性動畫演示（2）改變電樞電壓時的人為機械特性他勵直流電動機改變電樞電壓時的機械特性動畫演示（3）減弱磁通時的人為機械特性他勵直流電動機改變勵磁磁通時的機械特性主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動直接啟動電樞回路串電阻啟動降低電樞電壓啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速八、他勵直流電動機的啟動啟動：電動機轉子從靜止狀態(tài)開始轉動，轉速逐漸上升，最后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程電動機在啟動過程中，電樞電流Id、電磁轉矩Tem、轉速n都隨時間變化，是一個過渡過程啟動電流Ist：開始啟動的一瞬間，轉速等于零時的電樞電流啟動轉矩Tst

：與啟動電流相對應的電磁轉矩八、他勵直流電動機的啟動對直流電動機的啟動有如下要求：

啟動轉矩足夠大（Tst

>Tl，電動機才能順利啟動）

啟動電流Ist要限制在一定范圍內

啟動設備操作方便，啟動時間短，運行可靠，成本低廉1.直接啟動

直接啟動時啟動電流將達到很大的數值；啟動轉矩也很大，可能造成設備損壞

除個別容量很小的電動機外，一般不允許直流電動機直接啟動

對于一般他勵直流電動機，為限制啟動電流，可采用電樞回路串電阻啟動或者降低電樞電壓啟動的啟動方式+_M+_2.電樞回路串電阻啟動

在啟動時在電樞回路串入電阻以減小啟動電流，然后逐級切除電阻以保證足夠的啟動轉矩。電機啟動前應使勵磁回路附加電阻為0，以使磁通最大特點：設備簡單，操作方便，能耗較大應用場合：不易用于頻繁啟動的大中型電動機，可用于小型電動機啟動MKMKM1KM2KM3R1R2R3動畫演示3.降低電樞電壓啟動

啟動前將施加在電動機電樞兩端的電源電壓降低以減小啟動電流，電動機啟動后再逐漸提高電源電壓，使啟動電磁轉矩維持在一定數值

特點：需要專用電源，投資較大，但啟動電流小，啟動平穩(wěn)，啟動能耗小主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動能耗制動反接制動回饋制動1.10他勵直流電動機的調速九、他勵直流電動機的電氣制動電動機的制動分為機械制動和電氣制動兩種電氣制動是指使電動機產生一個與轉速方向相反的電磁轉矩，該電

磁轉矩起到阻礙運動的作用電動機制動有兩方面意義：使拖動系統(tǒng)迅速減速停車（制動過程）限制位能性負載的下降速度（制動運行）他勵直流電動機的電氣制動方法有：

能耗制動、反接制動、回饋制動1.能耗制動+_需要制動時，利用電阻RH將電樞回路閉合，則進入能耗制動。此時，電動機勵磁不變，電樞電壓為0，n不能突變電流方向與原來運行時相反，電磁轉矩因此反向，成為制動轉矩1.能耗制動

電動機靠慣性旋轉，電樞通過切割磁場將機械能轉變成電能，消耗在電樞回路電阻上，因而稱這種制動方式為能耗制動12反抗性負載：O點，能耗制動停車位能性負載：C點，能耗制動運行2.反接制動（1）電樞電壓反向反接制動

需要制動時，使電樞電壓反向并串入電阻，則進入電樞電壓反接制動。

電磁轉矩因電流反向而反向，成為制動轉矩

如果要求系統(tǒng)停車，則在電樞電流為0時應當立即使電動機脫開電源，系統(tǒng)制動過程結束

反接制動適合于要求頻繁正、反轉的電力拖動系統(tǒng)，先用反接制動達到迅速停車，再接著反向啟動并進入反向穩(wěn)態(tài)運行122.反接制動（1）電樞電壓反向反接制動

電動機提升重物時，將較大電阻RH串入電路，使提升轉矩小于下降的位能轉矩，系統(tǒng)將進入倒拉反轉反接制動

此時轉速反向，使得反電動勢反向，則

電磁轉矩與轉速方向相反+_G2.反接制動（2）倒拉反接反轉制動

此運行狀態(tài)是由于位能負載轉矩拖動電動機反轉而形成的，因此稱為倒拉反接制動

電動機進入倒拉反接制動狀態(tài)必須有位能負載反拖電動機，同時電樞回路要串入較大電阻。

這種制動方式不能用于停車，只能用于重物下放2.反接制動（2）倒拉反接反轉制動3.回饋制動

電動機在電動運行狀態(tài)下，由于某種條件的變化，使得電樞轉速超過理想空載轉速，則進入回饋制動

電樞電流反向使得電磁轉矩反向，成為制動轉矩

此種運行方式下，電源輸入功率為負，而電磁功率也為負，表明電動機處于發(fā)電狀態(tài)，將電樞轉動的機械能變?yōu)殡娔懿⒒仞伒诫娋W，故稱為回饋制動3.回饋制動12

由于電樞電壓、電樞回路電阻、勵磁磁場均與電動運行時一樣，所以回饋制動的機械特性與電動狀態(tài)時完全一樣，是電動狀態(tài)機械特性延伸到第二象限的一條直線

回饋制動時電樞回路不允許串入電阻，否則將會穩(wěn)定運行在很高的轉速B點主要內容1.1直流電動機的基本工作原理與結構1.2直流電動機的電樞反應1.3直流電動機的電樞電動勢和電磁轉矩1.4直流電動機1.5電力拖動系統(tǒng)的運動方程式1.6生產機械的負載轉矩特性1.7他勵直流電動機的機械特性1.8他勵直流電動機的啟動1.9他勵直流電動機的電氣制動1.10他勵直流電動機的調速調速指標調速方法直流調速系統(tǒng)使用的可控直流電源十、他勵直流電動機的調速調速：人為改變速度的方法可以用機械的方法或電氣的方法實現調速電氣調速：人為地改變電氣參數，有意識地使電動機工作點由一條機械特性曲線轉換到另一條機械特性曲線上，為了生產需要而對電動機調速進行的一種控制調速與電動機在負載或電壓隨機波動時而引起的轉速擾動變化是兩個不同的概念1.調速指標

為了評價各種調速方法的優(yōu)缺點，對調速方法提出了一定的技術經濟指標（1）調速范圍電動機在額定負載下調速時，其最高轉速與最低轉速之比不同生產機械對調速范圍的要求不同1.調速指標（2）靜差率（轉速變化率）

電動機在一條機械特性上的額定負載時的轉速降與該機械特性的理想空載轉速之比1.調速指標（2）靜差率（轉速變化率）

調速范圍與靜差率兩項性能指標互相制約采用同一種方法調速時，靜差率要求較低時，可得到較寬

的調速范圍若要求靜差率一定時，不同的調速方法其調速范圍不同1.調速指標（3）調速的平滑性平滑性是指相鄰兩級轉速的接近程度

無級調速：轉速連續(xù)可調，其級數趨于無窮大

有級調速：調速不連續(xù)，級數有限1.調速指標（4）調速的經濟性包含兩方面內容：一是指調速所需的設備投資和調速過程中的能量損耗二是指電動機調速時能夠得到充分利用經驗：

1.電樞回路串電阻、降低電樞電壓調速適用于恒轉矩負載的調速

2.弱磁調速適用于恒功率負載的調速2.調速方法

當電樞電流不變（負載不變）時，只要在電樞電壓、電樞電路附加電阻、每極磁通三個參數中，任意改變一個，都能引起轉速的變化電樞串電阻調速：操作簡單方便，調速范圍小，特性變軟變電樞電壓調速：只能降壓調速，特性硬度好，無級調速，調速效率高，可調壓電源設備投資較高弱磁調速：操作方便，效率高，調速范圍小，轉速穩(wěn)定性差2.調速方法

實際生產中往往將弱磁調速和調壓調速配合使用

調壓調速在不同轉速下容許的輸出轉矩恒定，可稱為恒轉矩調速方法

弱磁調速在不同轉速時容許的輸出功率基本相同，稱為恒功率調速方法

為了擴大調速范圍，直流電動機可以采用調壓和弱磁配合控制的混合調速方法，在基速以下保持額定磁通不變，只調節(jié)電樞電壓；在基速之上保持電樞電壓為額定值，減弱磁通升速3.直流調速系統(tǒng)使用的可控直流電源改變電樞電壓調速是直流調速系統(tǒng)采用的主要方法調節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源常用的可控直流電源有以下兩種：靜止可控整流器（如：晶閘管整流裝置）直流斬波器/脈寬調制變換器本章小結

直流電動機由定子和轉子兩大部分組成，定子部分主要作用是建立工作磁場，轉子部分主要作用是傳遞電磁功率。

電樞繞組是直流電動機中傳遞能量的關鍵元件，繞組中的電動勢和電流是交流的，通過換向器和電刷輸出的是直流電動勢和直流電流。

電動機工作的理論基礎是通電導體在周圍產生磁場和通電導體在磁場中要受力。

電樞磁場對勵磁磁場的影響叫電樞反應。電樞反應將使磁場產生畸變，其結果是使功率下降并造成換向困難。本章小結

直流電動機按勵磁方式的不同可分為他勵、并勵、串勵和復勵直流電動機，各種勵磁方式的運行性能不同。

直流電動機內部物理量之間的關系主要由電動勢平衡方程式、轉矩平衡方程式、功率平衡方程式來反映，外部運行性能主要由轉速特性、轉矩特性、效率特性來反映。本章小結

生產機械的負載轉矩特性是根據轉矩方向和大小的變化特點進行分類的，分為：反抗性恒轉矩負載特性、位能性恒轉矩負載特性、恒功率負載、風機型負載等典型類型。

電動機的機械特性是指穩(wěn)態(tài)運行時轉速與電磁轉矩的關系，它反映了穩(wěn)態(tài)轉速隨轉矩的變化規(guī)律。固有特性反映了在額定條件和接線時的運行性能，人為特性是為了改變電動機的運行特性而施加的人為控制。

直流電動機可以直接啟動，也可以通過串接電阻或降壓啟動；電氣制動方法則有能耗制動、反接制動和回饋制動。

電力拖動得到廣泛應用的主要原因是它具有良好的調速性能，對調速性能好壞評價指標是調速范圍、靜差率、