直流电机及其控制系统

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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：φ：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φ相互作用产生电磁力和电磁转

2、矩，直流电动机电磁转矩可表示为：式中：φ：一个磁极的磁通；Ia：为电枢电流。KT=pN/2πa是与电机结构有关的常数。KT=9.55KEp：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，

3、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㈠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：⒈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

4、——空载特性曲线。⒉外特性：转速和励磁电流不变电压变动百分数：⒊调节特性：当转速n为常数时，同时保持U=UN为常数时，励磁电流If与电枢电流Ia之间的关系曲线。㈡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。⒈空载特性（n不变）⒉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。⒊调节特性并励发电机的

5、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ΔU%较他励大。㈢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。㈣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

6、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、

7、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㈠稳态运行的基本方程⒈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、φ为主磁通。⒉转矩平衡方程式中，T：电磁转矩；T0：空载转矩；T2：负载阻转矩。⒊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*Ω为电磁功率；P2=T2*Ω为转轴输出的机械功率；P0=T0*Ω为包括机械摩擦损耗Pm和铁损耗PFe在内的空载损耗。总损