电电 力力 拖拖 动动 基基 础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、基本原理一、基本原理 两个重要公式：两个重要公式： 法拉第电磁感应定律发电机原理：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，方向由右手定右手定 则则确定。 B 为媒介，机电转换 数学描述。 安培力定律安培力定律 电动机原理：电动机原理：FBli有效长度为 l 并载有电流 i 的导体在磁通密度为 B 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，方向由左手定则左手定则确 定。 B 为媒介，电机转换 数学描述。 直直流流电电动动机机直直流流发发电电机机机机械械功功率率i i e eB Bl lF F v vB Bl l直直流流电电功功率率直流电动机的物理模型N SiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线线圈圈电电枢枢气隙N SiabcdFF ii+-n电动机模型1主磁极线线圈圈电电枢枢气隙特点：每个磁极下的线圈元件边中电流方向固定不变。特点：每个磁极下的线圈元件边中电流方向固定不变。N Seabcde+AB-电电刷刷换换 向向 片片n发电机模型n原动机特点：电枢旋转方向不变时，电刷上的电压极性恒定。N SiabcdFFii+AB-n电动机模型N Seabcde+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三、直流电动机的额定参数额定电压：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）NI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）NNNNIUP：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）Nn额定转矩：额定工况下电动机轴上轴上的输出转矩。NT（Nm）；的单位为 kW。NNNnP9550TNP12 直流电动机的结构特征与工作直流电动机的结构特征与工作 特性特性物理概念和定律的复习物理概念和定律的复习：1、磁感应强度（磁通密度）磁感应强度（磁通密度）B Wb/m2：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(Savart)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ll 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l （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：。2r24),sin(rdIdldB rl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）磁感应通量（磁通）Wb：穿过某截面 S 的磁感应强度 B 的通量dSBS在均匀磁场中，如果截面 S 与 B 垂直，则BS3、磁场强度磁场强度 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：IdllHIl2l1l3S2S1NIdddIdlllllHlHlHlH 321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： FUNIHlm常其中称为该段磁路的磁压；FNI称为磁通HlUm势（磁势） 。N 为线圈匝数5、 磁路欧姆定律磁路欧姆定律：或mmm RF RUSlHlHSBS常 mRF其中定义磁阻为： SlRm结构特征工作特征Bl l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l lB、l l的共同作用一、一、 主磁极与主极磁场主磁极与主极磁场N NS S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主磁磁通通主磁感应线：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，；0F0IN极S极F0F0f 0oF00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：mRmRF002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：msmmRRF RFBS 00022Q铁心磁阻SRSlRm sms 0022 常常常常常常00 22FB在极靴外， B几何中性线N NS SB0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 处的电枢径向轴线。仅存在主磁通时二者重合。SN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极距。二、电枢绕组电枢绕组（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：xt tT00 0. .5 5T T1T 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：2 2 233445 55661145 61 23nNSN NS SN NA AB B( (A A) )6 61 12 23 345 56 61 16 61 12 23 34 45 56 6va+ +i-电枢以线速度 Va 运动时，绕组元件和电刷 A 的123 654+-AB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aaaiI2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。 emT实际电枢的常用绕组结构：叠绕(a=p)、波绕(a=1)：阅读。三、 电枢反应电枢反应（B，l） 电枢电流产生磁场的影响t tT01t tT02t tT03Temt t0T/62T/63T/64T/65T/6TS SN N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每极总磁通量随电枢电流增加而下降电流增加而下降。电枢反应具有去磁去磁作用。几何中性线N NS SB0几何中性线N NS S物理中性线带负载 磁场分布可能影响运行的稳定。四、 换向换向：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、五、 励磁方式励磁方式他励M MUU IaIffM MUIaIf他励（并励）M MUIaIfM MUIaIf1串励If2复励1-3 电磁转矩与电枢电动势电磁转矩与电枢电动势直流机原理的基础 FBli一条支路T Te em mI Ia a各支路电流之和E Ea an n13关系？42e e= =B Bl lv v一条支路1 电磁转矩2 电枢电动势3 电动势平衡方程4功率平衡方程机械特性1-31-41-5一、 电磁转矩电磁转矩 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 dTTdT 22pTTem2分析：1、1 根导体：)2(aaxxaxxDliBTliBF Q2、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：dxNliBdxDNTdTax ax2)(4、一个主极下导体产生的转矩：222222axaNildxBNidTT其中磁通ldxBx225、aaaiI2aTaaemIKIapN aaiNppTT222 222重要结论重要结论：aTemIKT其中转矩系数、转矩常数apNKT2特点：增加电机磁极对数 p 或总导体数 N 可增大电磁转矩。对他励 DCM，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有常常常常常TTaTemKCICT 优点：直流电动机的转矩直接受电枢电流控制。二、二、 电枢电动势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npp602常Ea 为支路各串联绕