1、第三章 直流电机及其控制系统第一节 直流电机的基本原理 直流电机电刷间的感应电势为：式中：一个磁极的磁通；n：电枢转速；KE：KE=pN/60a是与电机结构有关的常数。a：电枢绕组并联支路数。如将图3-1中与电刷相连的负载去掉，使之通入直流电源，电流流入电枢线圈，再将原动机作为机械负载。两个有效边导体受到的电磁力方向一致，电枢因产生扭矩而转动，此时，图3-1就变成了直流电动机。当电枢在磁场中转动时，线圈也要产生感应电动势，该电动势的方向与电流的方向相反反电动势 发电机的电动势电源电动势 直流电机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）Ia与磁通相互作用产生电磁力和电磁转矩，直流电动机电磁转矩可表示为：
2、式中：一个磁极的磁通；Ia：为电枢电流。KT=pN/2a是与电机结构有关的常数。KT=9.55 KE p：磁极对数；a：电枢绕组并联支路数。N：切割磁通的电枢总导体数。发电机的电磁转矩为阻转矩，它与电枢转动的方向（原动机的驱动转矩方向）相反。在等速转动时，原动机的驱动转矩T1与发电机的电磁转矩T和空载损耗转矩T0相平衡。直流电动机的电磁转矩是使电枢转动的驱动转矩。在等速转动时，电动机的电磁转矩T需与电机轴输出的机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。在电机轴上的负载转矩变化时，则电动机的转速、电动势、电枢电流及转矩将自动进行调整，以适应负载的变化。第二节 直流电机的构造第三节 直流发电机的分
3、类和运行特性 一、按励磁方法分类 直流发电机内的磁通是在主磁极的励磁绕组内通以直流电产生的。励磁电流。励磁电流如果由独立的直流电源供给他励直流发电机。励磁电流若由发电机本身供给自励直流发电机。自励直流发电机并励、串励、复励二、直流发电机的运行特性 他励发电机 上图中：RL负载电阻 IL负载电流 Rf励磁调节电阻 Ra电枢电阻 Ia电枢电流 E发电机电动势 U发电机输出端电压 根据电路原理，可得：当发电机空载时：空载特性：当发电机空载运行时，转速n为常数时，发电机电动势与励磁电流的关系空载特性曲线。外特性：转速和励磁电流不变电压变动百分数：调节特性：当转速n为常数时，同时保持U=UN为常数时，励
4、磁电流If与电枢电流Ia之间的关系曲线。并励发电机 并励发电机的电压、电流的关系为：式中：U为发电机端电压、Rf为包括电位器在内的励磁回路的总电阻。空载特性（n不变）外特性（n不变、Rf不变）对并励发电机，当负载增加时（即外电路电阻减小），负载电流IL增加，当负载增加到一定程度，电流达到最大ILm。若负载电阻继续减小，电流则不在增加，反而减小，当负载短路时，仅有不大的短路电流Ia。并励发电机输出短路的危险性比他励发电机小。调节特性 并励发电机的调节特性与他励发电机的调节特性相似。并励发电机的电压变动百分数U%较他励大。串励发电机 发电机空载时，由于Ia=If=IL=0，所以空载特性无法画出。对
5、串励发电机的外特性：当IL=0时，U=E为剩磁电动势。接入负载后，负载电流增加，励磁电流亦增加，电动势升高。当电压上升到一定限度后，由于磁路趋于饱和，磁通及电势增加不大。当负载电流再增加时，由于电枢反应及电枢电阻压降增大，使输出电压反而降低。由上可知，串励发电机的端电压U在负载变动时，极不稳定。复励发电机 复励发电机在磁极上有两个励磁绕组：一个绕组与电枢并联，导线细匝数多并励绕组；另一个绕组与电枢串联，导线粗而匝数少串励绕组。发电机空载时，串励绕组中没有电流，故空载特性与并励发电机相同。和复励、差复励 对和复励发电机，当负载电流增加时，由于电枢反应、电枢电阻与串励绕组所引起的电压降落，可由串励
6、绕组的磁动势增强来补偿。所以，和复励发电机在任何负载下，其端电压U几乎可以保持不变。对差复励发电机，由于其串励绕组磁动势与并励绕组磁动势相反。当有负载时，使它的磁通大为削弱，端电压急剧下降。和复励发电机主要应用于负载变动激烈，或负载距发电机距离较远，而又需要保持端电压相对平稳的场合。第四节 直流电动机的分类和运行特性 直流电动机的基本结构与直流发电机结构完全一样。励磁方式也分为他励、并励、串励和复励四种。在控制系统中，常用他励电动机和复励电动机。一、他励直流电动机运行特性 稳态运行的基本方程 电动势平衡方程 式中：U为电动机外加直流电压、Ea为反电动势、Ia为电枢电流、If为励磁电流、为主磁通
7、。转矩平衡方程 式中，T：电磁转矩；T0：空载转矩；T2：负载阻转矩。功率平衡方程 式中：P1=U*Ia是电源对电机输入的功率；Pe=Ea*Ia是电机向机械负载转换的电功率；Pcua=Ia2*Ra是电枢回路总的铜损耗。式中：Pe=T*为电磁功率；P2=T2*为转轴输出的机械功率；P0=T0*为包括机械摩擦损耗Pm和铁损耗PFe在内的空载损耗。总损耗P=Pcua+Pcuf+Pm+PFe 工作特性 直流电动机的工作特性是指U=UN、If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩T以及效率与电枢电流Ia之间的关系。IfN的条件是：当电动机加额定电压UN，拖动额定负载，使Ia=IaN，转速也为nN时的励磁电
8、流。转速特性：当U=UN、If=IfN时，n=f（Ia）的关系曲线转速特性 上式表明：当Ia增加时，转速n要下降，但因Ra较小，转速n下降不多。随着电枢电流的增加，由于电枢反应的去磁作用又使每极下的气隙磁通减小，反而使转速增加。一般情况下，电枢电阻压降IaRa的影响大于电枢反应的去磁作用的影响。故：转速特性是一条略有下倾的直线。转矩特性：当U=UN、If=IfN时，T=f（Ia）的关系曲线转矩特性 T=KTIa 当每极气隙磁通=N时，电磁转矩与电枢电流成正比，考虑到电枢反应的去磁作用，当Ia增加时，T略有下降。效率特性：当U=UN、If=IfN时，=f（Ia）的关系曲线效率特性 电动机总损耗P
9、中，可以分为不变损耗和可变损耗两部分。不变损耗Pm+PFe=Po 可变损耗Pcua与Ia的平方成正比 所以：当Ia从零开始增加时，效率逐步增加，但当Ia增加到一定程度后，效率又逐步减小。直流电动机的效率约在0.750.94之间。他励直流电动机的机械特性 机械特性：U=常数、If=常数以及电机电枢回路电阻也为常数时，电动机的电磁转矩T与转速n的关系，即 n=f（T）。机械特性方程式 将Ia=T/（KT）带入转速公式：式中，n0=U/（KE）为理想空载转速；=（Ra+R）/（KE KT2）为机械特性的斜率；n=（Ra+R）T/（KE KT2）为转速降。上式为机械特性的一般方程。从该式可看出：当磁通
10、为常数时，机械特性是一条随着T的增加 n 略有下降的直线。电机空载运行时，机械负载转矩为零，但作用于电动机轴上的空载转矩不为零而应为T0，将T0带入，可得到电机的实际空载转速为：固有机械特性 当U=UN、=N，电枢回路没有串电阻R时的机械特性固有机械特性。固有机械特性的特点：T=0时，n=n0=UN/（KEN）为理想空载转速。此时，Ia=0，Ea=UN。T=TN 时，n=nN=n0-nN 为额定转速，其中nN=RaTN/（KE KTN2）为额定转速降，一般nN约为0.95 n0，nN=0.05 n0。特性斜率为N=Ra/（KE KTN2），由于Ra很小，因此N较小。表明他励直流电机的固有机械特
11、性较硬。n=0时，即起动时，Ea=KE N=0，此时电枢电流Ia=UN/Ra=Ist 起动电流。起动时刻的电磁转矩T=KTNIst 起动转矩。由于Ra很小，所以Ist比额定值大得多，若nN=0.05 n0，则起动电流Ist=20TN，这样大的起动电流和起动转矩会烧坏换相器。一般的大、中型电机不允许在额定电压和额定输出功率下直接起动。人为机械特性 他励直流电机，当电枢端电压U、励磁电流If和电枢回路电阻改变时的机械特性人为机械特性。电枢回路串电阻R的机械特性：保持U=UN、=N，电枢回路串电阻R，此时：电枢回路串电阻R的机械特性与固有机械特性相比有下面特点：理想空载转速n0=UN/（KEN）保持
12、不变。机械特性斜率=(Ra+R)/(KE KTN2)，由于增加了R，则随R的增加而增加。不同的R值，可得到不同的人为机械特性。当T=TN时，nnN，电动机随电阻R的增加，机械特性变软。改变电枢电压时的人为机械特性：保持If=IfN、即=N，电枢回路不串电阻R，改变电枢电压U时的人为机械特性为：电动机运行时，通常以额定工作电压为上限。因此，电枢电压只能在U U N范围内改变。有以下特点：当负载转矩保持不变时，降低电枢电压时，电动机的稳定转速随之降低。减小励磁磁通时的人为机械特性：保持U=UN，电枢回路不串电阻R，改变励磁电流If时的人为机械特性为：与固有机械特性相比较，减小时的人为机械特性的特点
13、是：理想空载转速n0=UN/（KE）与成反比。机械特性斜率 =（Ra+R）/（KE KT2）与 的平方成反比。减小的人为机械特性为一簇随减小，理想空载转速n0升高，同时机械特性斜率加大的直线。二、他励直流电动机的起动、调速和反转运行特性 他励直流电动机的起动特性 直流电动机从静止状态到稳定运行状态的过程直流电动机的起动过程（起动）。起动电流Ia的大小 起动转矩Tst的大小 起动时间t的长短 起动过程的平稳程度 起动过程的经济性电机拖动负载起动的一般条件是：Ist（22.5）IN Tst（1.11.2）TN 他励直流电动机的起动方式有：直接起动、电枢串电阻起动、降压起动。直接起动 起动前应先接通
14、励磁回路，以建立励磁磁场，然后接通电枢回路。这种起动方式，起动瞬间，电机转速n=0，反电动势Ea=0。起动电流为：Ist=UN/Ra 由于电枢电阻Ra很小，Ist很大，可达IN的1050倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大、中容量的电动机不能直接起动。降压起动 起动瞬间，把加于电枢两端的电源电压降低，以减少起动电流Ist的起动方法。为了获得足够的起动转矩Tst，一般将起动电流限制在（22.5）IN以内。因此，在起动时，把电源电压降低到 U=（22.5）IN Ra。随着转速的上升，电枢电势Ea逐渐加大，电枢电流Ia相应减小。此时，再将电源电压不断升高。电枢回路串
15、电阻起动 电枢回路串电阻R，起动电流为：为了保持起动过程的平稳性，希望串入电阻平滑调节，一般采用分段切除的方法。他励直流电动机的调速特性 调速方法 他励直流电动机的电枢电路电压平衡方程式为：电枢电动势方程为：由上两式可得转速公式为：由上式可知，调速方式有三种：电枢串电阻调速：保持电枢电压U=UN、=N。R=0时，电动机运行于固有机械特性的“基速”上，“基速”运行于固有机械特性上的转速。随着串入电阻的增加，转速降低串电阻调速为从基速下调。串电阻调速时，如果负载为恒转矩的，电动机运行于不同的转速n1、n2、n3时，电动机的电枢电流Ia是不变的，这时，电磁转矩为：T=TL时，电枢电流为：当TL为常数
16、时，Ia为常数，与转速无关。串电阻调速时，由于R上流过很大的电枢电流Ia，R上将有较大的损耗，转速越低，损耗越大。串电阻调速，电机工作于一组机械特性上，各条特性经过相同的理想空载点n0，而斜率不同。R越大，斜率越大，特性越软，电机在低速运行稳定性差。降低电枢电压调速不变、R=0 改变电枢电压，可得到一簇与固有机械特性平行的且低于固有机械特性的人为机械特性。降低电源电压，电动机的机械特性斜率不变，即硬度不变。与串电阻调速相比较，降低电源电压调速在低速范围运行时，转速稳定性要好得多。对于恒转矩负载，对不同转速，电枢电流Ia不变。改变励磁磁通的弱磁调速 U=UN、R=0 弱磁调速有如下特点：励磁回路
17、所串的调节电阻的损耗很小，可借助于连续调节Rf值，实现基速上调的无级调速。弱磁调速，由于受换相能力和机械强度的限制，转速不能过高。一般按（1.21.5）nN设计。特殊电机设计可达（34）nN。弱磁调速时，转速和转矩满足：电机的电磁功率为：如果电机拖动恒功率负载，即：2.他励直流电机的功率和转矩问题 降低电枢电压调速按允许输出转矩不变恒转矩调速 调速时，=N不变，因此电机允许输出转矩为：Tal=KT N IN=常数，称恒转矩输出，此时允许的输出功率为：改变励磁磁通的弱磁调速允许输出功率不变恒功率调速方式 在弱磁调速时，U=UN、Ia=IN。则磁通与转速n的关系为：将该式带入T=KT Ia有：将T
18、=C/n带入有：由上可见：在弱磁调速时，当恒功率负载时，允许输出转矩Tal与转速n成反比。恒转矩和恒功率，是在保持电枢电流为额定值，对电动机的输出功率和转矩而言。他励直流电动机的反转运行特性 改变磁通方向 改变电枢电流的方向 三、他励直流电动机的制动运行特性 电动运行状态T与的方向相同。此时，直流电源向电动机输入电能，并转换为机械能拖动负载。制动运行状态与的方向相反。此时，电动机吸收机械能并转换为电能。制动机械、电磁制动器；电气制动。能耗制动 制动开始时，由于电动机的惯性作用，不变，故Ea的大小和方向不变，则：电枢电流为负值，与电动状态的正方向相反，转矩T与电动状态相反，则T与n也相反，电动机
19、为制动运行状态，T制动转矩。制动过程中，电动机把系统的动能转换为电能，消耗在电阻R上能耗制动。能耗制动状态下的机械特性方程为：上式位于机械特性的二象限，过坐标原点。制动前，工作于A点，n=n1。制动开始时，n1不能突变，工作于B点，T1为负值，在-T1、-TL作用下，电动机减速。制动电阻R越小，固有机械特性愈平，T1的绝对值越大，电动机的制动减速越快。R过小，电枢电流Ia和转矩T1过大，可能超过允许值，R应受限制。一般按最大制动电流不超过2IN来选择R，即：若电机拖动如图位能负载。当电机停转时（T=0，n=0），在位能负载作用下，电动机将向反方向加速，此时，n、Ea、Ia和T如图所示，工作于四
20、象限，如上页虚线。随着转速的增 加，转矩T也不断增 加，直到T=T1。系统 加速度为零，转速稳 定，系统匀速下放。反接制动 反接制动有：倒拉反接制动 电枢反接的反接制动 1.倒拉反接制动 电动机在提升重物G时，工作于A点，转速n，平衡时，T=TL。串入电阻R的瞬间，转速不能突变，工作于B点，T TL，电机减速，下降到C点，n=0，这时，T任然小于TL，电动机在转矩 TL-T 的作用下倒拉电机反转，即电机由原来的提升重物变为下放重物的方向。电动机的T未改变方向，而转速n改变了方向，T与n方向相反，因此，电机运行于制动状态，T为制动转矩。由于n反方向，电枢电势Ea也反向，Ia为：过C点后，由于T
21、TL，电机反向加速，使Ea增大，Ia和T相应加大，直到D点，T=TL，倒拉反接制动达到某一制动运行状态，此时，电机转速n=n2。电势平衡方程为：两边同乘Ia得：U*Ia与电动状态相同，是电网输入功率；E*Ia为位能负载产生的机械功率在电枢内转换成的电功率。这两项电功率之和均转换成热能消耗在电枢回路总电阻（R+Ra）上，R越大，稳定下放重物速度越大。机械特性为：2.电枢反接的反接制动 正转时，KM1接通，工作于A点n1、TL，T=TL。停机时，断开KM1，接通KM2，n不能突变，工作于B点，此时Ia为：Ia变为负值，T也变为负值。T与n反向，T为制动转矩。在电磁制动转矩和负载转矩的共同作用下，电
22、动机迅速停车。电枢反接的反接制动的机械特性方程为：式中，由于电枢反接制动时，U反向，n0为负值，T也为负值，而n为正值。特性位于第二象限，工作点由B沿特性线下降到C点，电动机停转。如果要使电动机反向运行，当T=TL时，电动机将稳定运行于E点。为保证反接制动时电枢最大电流不超过2IN，应使：回馈制动 1.正向回馈制动 2.反向回馈制动第五节、直流电动机的闭环控制调速系统 旋转变流机组：由交流电机拖动直流发电机组成机组，实现变流。控制发电机励磁电流If改变发电机输出电压G-M系统。静止可控整流装置：采用晶闸管可控整流器，通过移动触发脉冲的相位，以改变整流输出电压。V-M系统 脉宽调制变换器：通过改
23、变开关管的导通和关断时间来调节直流输出的平均电压，从而调节直流电动机的转速。SCR GTO GTR MOSFET IGBT 一、采用转速负反馈的闭环直流调速系统的组成及分析 Un:直流测速发电机TG发出与电动机转速n成正比的负反馈电压；Un*：转速给定电压；触发装置AT的控制电压Uct=K1*（Un*-Un）；可控整流器的输出电压Ud 系统构成闭环反馈控制的调速系统，该系统是按偏差进行控制的系统。系统的稳定性 电压比较环节：Un=Un*-Un 放大器A：Uct=K1*（Un*-Un）晶闸管触发与整流：Ud=K2*Uct V-M系统开环转速特性：n=（Ud-IaR）/（KEN）测速发电机：Un=
24、K3*n K1：放大器A的放大倍数；K2：晶闸管触发与整流整流装置的放大倍数；K3：测速反馈系数。从上述关系中，消去中间变量，经整理后得到转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程为：式中，称为闭环系统的开环放大倍数。K的物理意义：从测速发电机输出端将反馈断开，从放大器输入Un计起，直到 测速发电机输出Un为止的总电压放大倍数，它是各环节单独放大倍数的乘积，其中电机环节的放大倍数是 n/Ud=1/（KEN）闭环调速系统的静特性表达了电动机的转速与负载电流（转矩）在闭环条件下的稳定关系。它在形式上与电动机开环机械特性相同，但本质上有很大区别。如将给定作用Un*和扰动作用-IaR看成两个独立的输入量，
25、系统转速n为输出量。将两个输入量分别作用于系统，可得：假设系统是线性的，可将n和n叠加起来，即可得到闭环系统的静特性方程。断开反馈回路，可导出系统的开环机械特性为：而闭环静特性为：其中n0oP和n0cl分别表示系统开环和闭环的理想空载转速。nop和ncl分别表示开环和闭环系统的稳态速降。比较上两式，可得：1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。在相同的负载扰动情况下，两者的转速降分别为：两者关系为：1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。在相同的负载扰动情况下，两者的转速降分别为：两者关系为：显然当K值较大时，ncl比nOP小（1+K）倍。即闭环系统静特性比开环系统硬（1+K）倍。2）
26、比较同一系统的开环和闭环系统，闭环系统的静差度要小得多。当n0cl=n0OP时，可得：3）当要求静差度一定时，闭环系统的调速范围大大提高。假设电动机的最高转速为nN，而最低静差度要求相同，则 调速范围为：对开环系统 对闭环系统 4）上述三项闭环调速系统的结论是否有效，取决于K值要足够大，因此系统必须设置放大器 在闭环系统中，转速由于负载变化稍有降落，反馈电压就反应出来，通过比较、放大，使晶闸管触发电压Uct提升，从而整流输出电压Ud上升，使系统工作在新的机械特性上，转速立即回升。二、转速和电流双闭环调速系统 转速和电流双闭环调速系统的组成 ASR为转速调节器，输入为给定转速电压Un*与测速反馈
27、电压Un之差，其输出电压经限幅，作为电流调节器ACR电流给定输入电压Ui*，与电流反馈信号电压Ui相比较进入ACR。ACR输出电压经限幅作为晶闸管触发、整流装置的控制电压Uct。电流调节环在里面内环反馈 转速调节环在外面外环反馈 ASR的输出限幅电压为Uim*，它决定了电流调节器的给定电压最大值；ACR的输出限幅电压为Uctm，它限制了晶闸管整流装置的输出电压最大值。转速和电流双闭环调速系统的静态结构 ASR和ACR为两个比例调节器。在系统正常运行时，两个调节器均不饱和。稳态时，它们的输入电压偏差都为零，有：由于ASR不饱和，则Ui*Uim*由上式知，IL ILm。一般设计成ILm IN。在两
28、个调节器均不饱和时运行于静特性n0A段。当转速调节ASR饱和时，ASR输出达到限幅Uim，转速外环呈现开环状态，转速的变化对系统不再产生影响；双闭环系统变成只有电流内环无静差的单闭环系统。稳态时有：式中，Ilm为设计最大电流。它决定于电动机的允许过载能力和拖动系统所要求的最大加速度。在转速nno的范围内，工作于静特性的AB段。由上图可见，双闭环调速系统的静特性在负载电流IL Ilm时，表现为转速无静差（n=0）。这时，系统以转速负反馈起主要作用。当IL、Ilm到达Ilm以后，ASR饱和，此时系统以电流调节器起主要作用，系统表现为无电流静差（IL=0）。起过流保护作用。双闭环系统的静态参数 在稳态运行时，两个调节器均未饱和，它们的输出是无静差的，有：由静态结构图有：由上式可看出：系统在稳态工作时，转速n由给定电压Un*决定；ASR的输出电压Ui*是由负载电流IL决定的；而晶闸管触发和整流装置的控制电压Uct同时由n和IL决定。既：两个PI调节器在输出未饱和时的输出量Ui*和Uct，只与转速n和IL的稳态值有关，而与偏差n和IL无关。三、弱磁控制的闭环直流调速系统 采用电枢电压与励磁相配合的直流闭环调速控制系统，目前使用较多。电动机在额定励磁电流下起动，利用恒转矩特性升压起动，使电动机得到较大的起动转矩，当电枢电压达到额定值时，才减小励磁磁通使电动机继续升速。
