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直流电机道理与独揽门径

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2020/01/28点击数:

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  专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3 word 完美格式 一、直流电机原理与控制方法 1 直流电机简介 直流电机(DM)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机) 或将机械能转换成直流电能 (直流发电机)的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机,将 电能转换为机械能;作发电机 运行时是直流发电机,将机械 能转换为电能。 直流电机由转子(电枢)、定子(励磁绕组或者永磁体)、换向器、 电刷等部分构成,以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基 本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展, 直流电机的弊端也逐渐显现,在很多领域都逐渐被交流电机所取代。 但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位,广泛用于对调速要求较 高的生产机械上,如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械,龙门 刨床等等,所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图,是直流电机结构图,电枢绕组通过换向器流过直流电流 与定子绕组磁场发生作用,产生转矩。定子按照励磁可分为直励,他 励,复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生 一个偏角,称为电枢反应,通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源,如上图(a)所示,则有直流 电流从电刷 A 流入,经过线圈 abcd,从电刷 B 流出,根据电磁力 定律,载流导体 ab 和 cd 收到电磁力的作用, 其方向可由左手定则判 定,两段导体受到的力 形成了一个转矩,使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图(b)所 示的位置,电刷 A 和换向片 2 接触,电刷 B 和换向片 1 接触,直流 电流从电刷 A 流入,在线圈中的流动方向是 dcba,从电刷 B 流出。 此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定 则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动 机的工作原理。外加的电源是直流的,但由于电刷和换向片的作用, 在线圈中流过的电流是交流的,其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程:原动机提供转矩,利用法拉 第电磁感应产生直流电流。 如下图,比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3 直流电机重要特性 如下图,更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的 关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程: U=E+I*R ………………………………………………(1) 电枢绕组端电压等于反电动势+内阻电流压降 E=Ce*n…………………………………………………(2) 反电动势=与电机相关的常数*转速 T=Ct*I…………………………………………………(3) 转矩=与电机相关的常数*电流 Tm-TL-T0=J*dw/dt……………………………………(4) 动力学方程 3.1 直流电机反电动势推导 3.2 转矩方程推导 一个主极下导体产生的转矩: 由 T? ? Nia 2? ? ,因 Ia ? 2aia ,p 为磁极对数, 则电枢全部导体产生的电磁转矩为: Tem ? 2pT? ? 2p N 2? ? 2aia 2a ? pN 2?a ?I a ? K T ?I a 重要结论:?Tem ? KT?Ia 其中转矩系数、转矩常数 KT ? pN 2?a 特点: 直流电动机电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正 比。 对他励 DCM,不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时, 有 Tem ? CT Ia , CT=KT?=常数〖有量纲:[Wb]〗 优点:直流电动机的电磁转矩直接受电枢电流控制【线 性、能观能控】 KT 与 Ke 的关系 公式 T*Ω=Pm=Ea*Ia 正好验证了反电动势产生的电磁能全部转化成总的机 械能。 其中,T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (单位:W) 3.3 能量关系 ??电源输入的电能 ?? ??磁场中能量的增加 ?? ??输出的机械能 ? 减 去 ??? 加 上 ??? 加 上 ??电阻中能量损耗 ? ? ? ? 铁芯中损耗的能量 ? ? ? ? 通风, 摩擦损耗的能 并励时 P1 ? UI ? UI f ? UI a ? Pcuf ? UI a 忽略励磁电路铜耗: P1 ? UI a ? Pcua ? Pem ? Pcua ? PFe ? P? ? P2 ? Pcua ? P0 ? P2 电动机的功率流图 P1 Pe m P2 Pc u f Pc u a PF Pe0P? 其中 P0 就是空载转矩,基本可认为变化不大,常当做恒定值。 现在看第四个方程 Tm-TL-T0=J*dw/dt,两边同乘于Ω,用电机常用参数表示, 则可得公式 Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt. 3.4 直流电机特性曲线 在励磁磁通恒定的情况下,电机特性曲线如下图,由于良好的线性特性,所 以电机调速范围广,线 直流电机控制系统 传统的直流电机调速,通常是以下几种 4.直流电机调速 由于传统调速原理已被大家广为熟知,所以不再赘述,这里主要 介绍直流双闭环调速系统。 近年来,随着电力电子技术的迅速发展,由晶闸管变流器供电的 直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统,它的调速性 能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路 技术以及计算机技术的飞速发展,使直流电动机调速系统的精度、动 态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中 IGBT 等大功率器 件的发展正在取代晶闸管,出现了性能更好的直流调速系统。 以下是基于直流电机的双闭环调速系统: 该调速系统的特点是: 动态特性如图所示: 启动时,能保证电机以最大允 许启动电流快速启动,保证了电机 启动转矩,提高了快速性能,一旦 达到额定转矩,电机电流下降,转 速快速进入稳定范围。 该调速系统能抗负载扰动和电 网电压波动,是一种高性能的调速 系统。 二.交流异步电机 1.异步电机简介 1.1 物理结构 定子结构 1.2 物理模型 转子结构 2.异步电机矢量控制基本理论 2.1 异步电机的数学模型 在研究异步电动机的数学模型时,还需做如下假设: 1)忽略其在空间谐波,设三相绕组对称,且在空间互差 120°电角度,所 产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布; 2)忽略磁路饱和,各绕组的自感和互感都是恒定的; 3)忽略铁心损耗; 4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 三相异步电动机的物理模型如图 2.1 所示,转子绕组轴线 a 、 b 、 c 以角 速度 ? 随转子旋转,定子三相绕组轴线 A 、 B 、 C 在空间上是固定的。以定子 轴线 A 轴为参考坐标。