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文檔簡介
關(guān)于直流電動機及其控制第一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
第一章直流電動機及其控制1.1
直流電機及其基本結(jié)構(gòu)第二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二一、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、電氣鐵道牽引機、起重機械等;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。第三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二優(yōu)點:
1)調(diào)速范圍寬,可穩(wěn)定運行的速度范圍大;
2)轉(zhuǎn)矩大;
3)控制方法簡單,控制裝置可靠性高。缺點:費工費料,造價貴,運行時換向器需要經(jīng)常維修,壽命較短(350~400h)。特殊點:第四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二二、結(jié)構(gòu)按運動狀態(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。第五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.磁極和定子鐵心功能:產(chǎn)生磁場電磁式直流電機: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。第七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二永磁式電機:由永磁體產(chǎn)生恒定磁場。優(yōu)點:體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊。缺點:磁場弱。應(yīng)用:微型和小型電機。第八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二2.電樞繞組和電樞鐵心第九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二電樞繞組:電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的電勢。電機的中樞和樞紐。電樞繞組的制造方法把帶絕緣的銅導線預制成形,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。第十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二3.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。第十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第十二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二三、圖形符號第十三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.2
電機中的磁性材料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1)磁導率大,是真空磁導率0的
2000~6000倍。
2)不是恒量,隨磁場強度H變化。
3)存在一個臨界溫度——居里點,高于此溫度時,磁導率降到真空磁導率。第十四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第十五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第十六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第十七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二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。第十八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二軟磁材料:磁滯回線狹窄,磁導率高。如硅鋼片、純鐵、鑄鋼等。常用來作電機、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。第十九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二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。第二十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二渦流損耗: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。第二十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二鐵心損耗(鐵耗):磁滯損耗加渦流損耗。單位質(zhì)量的鐵耗:第二十二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.3
直流電機工作原理
1.3.1
電磁力定律和電磁感應(yīng)定律電磁力定律
大小:方向:左手定則
第二十三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二電動機產(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。直流電機要保持恒定方向轉(zhuǎn)矩的條件:每個磁極下導體的電流方向應(yīng)保持不變。第二十四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二電磁感應(yīng)定律
大?。?/p>
方向:右手定則
第二十五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.3.2
直流電動機的工作原理一、模型電機
第二十六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二換向器的作用:導體從一個磁極轉(zhuǎn)到相鄰的異性磁極時,改變導體電流方向,保持每個磁極下電流方向不變,使電機連續(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。第二十七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
二、環(huán)形繞組的直流電動機環(huán)形鐵心,多繞組。兩條支路。第二十八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二存在的問題:
1)環(huán)形鐵心內(nèi)部無磁場,內(nèi)部導體不受電磁力,銅的利用率低。
2)制造困難,工藝性和經(jīng)濟性不好。第二十九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
三、鼓形繞組
第三十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二第三十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5
直流電動機的特性與控制方法直流電動機的接線第三十二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5.1
直流電動機的基本關(guān)系式
一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢一根導線受力一根導線的電磁轉(zhuǎn)矩各導線轉(zhuǎn)矩相加可得
直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩為第三十三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5.1
直流電動機的基本關(guān)系式
一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩為當磁通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)第三十四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二電樞反電勢由電磁感應(yīng)定律,一根導線的電勢各導線電勢相加可得電樞繞組感應(yīng)電勢為電動機中稱為電樞反電勢
Ke
:反電勢系數(shù)
采用國際單位制(SI)第三十五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由轉(zhuǎn)子受力圖和力學定律
動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式動態(tài):
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式第三十六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
第三十七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
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。第三十八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二三、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:
第三十九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二四大關(guān)系式
第四十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二※Ke
和Kt
的關(guān)系電動機從電源輸入的電功率為電動機做出的總的機械功率為
電樞繞組發(fā)出的熱能功率為能量守恒定律:第四十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5.2直流電動機的靜態(tài)特性與控制方法
一、概述靜態(tài):靜態(tài)特性:常用靜態(tài)特性機械特性:調(diào)節(jié)特性:轉(zhuǎn)速與控制量(如電壓)的關(guān)系。
第四十二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二靜態(tài)時的電樞等效電路圖靜態(tài)時的電樞電流
直流電機的電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用上式求轉(zhuǎn)速:第四十三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二靜態(tài)時的直流電機轉(zhuǎn)速又一表達形式靜態(tài)特性方程第四十四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二調(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。第四十五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
二、電樞控制時的機械特性磁通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。表達式
圖象:下垂的直線。斜率:第四十六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二二、電樞控制時的機械特性斜率:理想空載轉(zhuǎn)速實際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩第四十七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二二、電樞控制時的機械特性理想空載轉(zhuǎn)速n0
實際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts
機械特性硬度:
的大小。
小,機械特性硬。第四十八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二機械特性族改變電樞電壓,機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,
第四十九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
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。表達式斜率直流電機調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。
直線過原點。第五十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
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。
直線與橫軸交點:起動(死區(qū))電壓。由摩檫力和負載引起。起動電流:第五十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二電樞控制的優(yōu)點:機械特性和調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線,這表明直流電機是理想的線性元件。電樞控制的缺點:控制功率UaIa
大,對于較大電機,要用較大容量的功率放大器。第五十二頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
四、磁場控制時的機械特性和調(diào)節(jié)特性
機械特性:磁通是參變量,轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系。機械特性的數(shù)學表達式n與Tem是線性關(guān)系。斜率與磁通有關(guān)機械特性族是交叉的直線。第五十三頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二
四、磁場控制時的機械特性和調(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)學表達式調(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:
控制功率UfIf
小,可控制大功率電機。第五十四頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5.3直流電動機的動態(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。第五十五頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二1.5.5直流電動機的動態(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)。
第五十六頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電動機的動態(tài)框圖從輸出Ω(s)開始。第五十七頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電動機的動態(tài)框圖第五十八頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電動機的動態(tài)框圖第五十九頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電動機的傳遞函數(shù)機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)第六十頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電動機的傳遞函數(shù)1/e
遠遠超過了控制系統(tǒng)的通頻帶第六十一頁,共六十七頁,編輯于2023年,星期二直流電機傳遞函數(shù)參數(shù)與靜態(tài)特性的關(guān)系機電時間常數(shù)與機械特性斜率成正比。1/Ke
是調(diào)節(jié)特性斜率線性元件:靜態(tài)特性平行直線。第六十二頁,共六十七頁,編輯于2
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