《章直流電機》課件

直流電機直流電機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電機。直流電機廣泛應用于各種工業(yè)和民用領域，例如汽車、火車、電梯、電風扇等。學習目標1了解直流電機的基本結構掌握直流電機的基本組成部分及其工作原理。2理解直流電機的運行特性掌握電流-力矩特性、電壓-轉(zhuǎn)速特性等重要特性。3掌握直流電機的控制方法了解直流電機的速度控制、啟動和制動等控制方法。4熟悉直流電機的主要應用領域了解直流電機在工業(yè)自動化、交通運輸?shù)阮I域的應用。直流電機的基本結構直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是靜止部分，主要包括磁極、磁軛和勵磁繞組。轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，主要包括電樞、電刷和換向器。電樞繞組安裝在轉(zhuǎn)子上，并與電刷和換向器連接，構成閉合回路。當勵磁繞組通電時，會在定子磁極間產(chǎn)生磁場，磁場作用于轉(zhuǎn)子上的電樞繞組，產(chǎn)生電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流電機的工作原理1磁場電機繞組通電產(chǎn)生磁場，形成磁力線。2電磁力磁場與電流相互作用，產(chǎn)生電磁力。3旋轉(zhuǎn)電磁力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機械能。電流-力矩特性電流力矩增加增加減少減少電壓-轉(zhuǎn)速特性直流電機電壓越高，轉(zhuǎn)速也越高直流電機的主要性能參數(shù)額定功率電機在額定工作條件下所能輸出的最大功率，單位為瓦特(W)或千瓦(kW).額定電壓電機正常工作所需的電壓，單位為伏特(V).額定電流電機在額定工作條件下所允許通過的最大電流，單位為安培(A).額定轉(zhuǎn)速電機在額定工作條件下所能達到的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分鐘(rpm)或弧度每秒(rad/s).直流電機的速度控制磁場調(diào)速通過改變勵磁電流，改變電機磁場強度，從而改變轉(zhuǎn)速。電樞電壓調(diào)速通過改變電樞電壓，改變電樞電流，從而改變轉(zhuǎn)速。電樞電流調(diào)速通過改變電樞電流，改變電磁轉(zhuǎn)矩，從而改變轉(zhuǎn)速。直流電機的啟動和制動1啟動電機轉(zhuǎn)速從零開始逐漸增加2制動電機轉(zhuǎn)速逐漸降低，直到停止3方法電阻制動，反接制動，再生制動直流電機的勵磁方式他勵勵磁繞組與電樞繞組分別由獨立電源供電。自勵勵磁繞組由電樞繞組產(chǎn)生的電流供電。他勵勵磁繞組與電樞繞組分別由獨立電源供電。自勵勵磁繞組由電樞繞組產(chǎn)生的電流供電。串勵直流電機的特點轉(zhuǎn)速變化大負載增加時，電流增大，磁場增強，轉(zhuǎn)速下降幅度較大。啟動轉(zhuǎn)矩大啟動時，電樞電流和磁場電流都很大，因此啟動轉(zhuǎn)矩很大。速度調(diào)節(jié)困難由于轉(zhuǎn)速與負載電流密切相關，因此速度調(diào)節(jié)比較困難。易于過載負載電流過大時，磁場會過強，可能導致電樞電流過大，甚至燒毀電機。并勵直流電機的特點轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，受負載變化影響較小，適合于對轉(zhuǎn)速要求較高的場合。啟動轉(zhuǎn)矩較小啟動轉(zhuǎn)矩比串勵電機小，但比他勵電機大，適用于一般負載的場合。調(diào)速性能好可以通過改變勵磁電流或電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍較廣。復式勵磁直流電機的特點獨立控制獨立控制串勵和并勵繞組的電流，可以更靈活地調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)定性高串勵和并勵繞組的共同作用，使直流電機具有更好的穩(wěn)定性，不容易出現(xiàn)過載或失速現(xiàn)象。效率高復式勵磁直流電機可以實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換，提高電機的工作效率。磁場調(diào)速的原理及控制方法1改變磁場強度通過調(diào)節(jié)勵磁電流，改變磁場強度，進而影響電機轉(zhuǎn)速。2調(diào)節(jié)勵磁電壓通過改變勵磁電路的電壓，控制勵磁電流，進而改變磁場強度。3應用范圍適用于低速、大功率的直流電機，如起重機、軋機等。電樞電壓調(diào)速的原理及控制方法1改變電樞電壓通過改變電樞兩端的電壓來改變電機轉(zhuǎn)速，是常用的直流電機調(diào)速方法。2調(diào)速范圍廣電樞電壓調(diào)速可以實現(xiàn)從零到額定轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，滿足多種應用需求。3控制方式多樣可以通過各種方法改變電樞電壓，例如直流調(diào)速器、脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術等。電樞電流調(diào)速的原理及控制方法1電樞電流調(diào)速通過改變電樞電流大小來控制電機轉(zhuǎn)速2調(diào)速方法串聯(lián)電阻調(diào)速、晶閘管調(diào)速3控制方法電流閉環(huán)控制、模糊控制直流電機的綜合調(diào)速方法磁場調(diào)速通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)磁場強度，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。電樞電壓調(diào)速通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。電樞電流調(diào)速通過改變電樞電流來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。直流電機的應用領域工業(yè)自動化直流電機在工業(yè)自動化領域廣泛應用，例如傳送帶、起重機、機械手等。電動汽車直流電機是電動汽車的核心動力部件，具有效率高、扭矩大等優(yōu)點。航空航天直流電機在航空航天領域也得到廣泛應用，例如飛機的姿態(tài)控制系統(tǒng)、衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)等。直流電機的優(yōu)缺點優(yōu)點結構簡單，易于制造和維修調(diào)速性能好，可以實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速啟動轉(zhuǎn)矩大，適用于起動負載較大的場合缺點效率相對較低成本較高維護成本高對環(huán)境溫度和濕度敏感直流電機的發(fā)展趨勢1智能化直流電機正朝著智能化的方向發(fā)展，集成更多傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自適應控制和故障診斷。2數(shù)字化數(shù)字化技術在直流電機領域得到廣泛應用，例如數(shù)字化控制、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡通信。3小型化隨著電子技術和材料科學的進步，直流電機朝著小型化和輕量化的方向發(fā)展，滿足小型化設備的需求。4高效率提高電機效率是直流電機發(fā)展的重要方向，降低能耗和減少環(huán)境污染。直流電機控制系統(tǒng)的組成控制單元控制單元是直流電機控制系統(tǒng)的核心，負責接收指令，生成控制信號，并根據(jù)反饋信息進行調(diào)整。功率單元功率單元負責將直流電源轉(zhuǎn)換成所需的電壓和電流，為直流電機提供能量。傳感器單元傳感器單元負責測量直流電機運行狀態(tài)，包括速度、電流、電壓、溫度等，并將信息反饋給控制單元。執(zhí)行單元執(zhí)行單元是指直流電機本身，它接收控制信號，并根據(jù)控制信號進行運行。直流電機控制系統(tǒng)的拓撲結構直流電機控制系統(tǒng)的拓撲結構主要包括以下幾種：集中式控制系統(tǒng)分散式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)直流電機控制系統(tǒng)的主要控制策略1PID控制PID控制器是直流電機控制中最常用的策略，可實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制。它通過調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)性能。2模糊控制模糊控制利用模糊邏輯來處理不確定性，適用于難以建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)，例如電機負載變化較大或環(huán)境變化復雜的情況。3神經(jīng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制利用機器學習能力，通過學習電機特性和運行數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)適應性和魯棒性。4自適應控制自適應控制可以根據(jù)電機負載或環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)更優(yōu)化的控制效果。直流電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性定義系統(tǒng)在受到擾動后，能夠保持穩(wěn)定運行的能力。穩(wěn)定性分析方法常用的方法包括：根軌跡法、頻率響應法、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論等。影響穩(wěn)定性的因素電機參數(shù)、控制器的設計、負載變化等因素都會影響穩(wěn)定性。穩(wěn)定性改善措施通過控制器設計、反饋補償?shù)确椒梢蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性。直流電機控制系統(tǒng)的性能指標1響應速度系統(tǒng)對控制信號的響應速度，反映了系統(tǒng)的快速性。2穩(wěn)態(tài)精度系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出與設定值的偏差，反映了系統(tǒng)的準確性。3抗干擾能力系統(tǒng)在受到外部干擾時保持穩(wěn)定運行的能力，反映了系統(tǒng)的魯棒性。直流電機控制系統(tǒng)的設計流程1需求分析明確系統(tǒng)功能和性能指標2系統(tǒng)建模建立電機和控制器的數(shù)學模型3控制策略設計選擇合適的控制算法4系統(tǒng)仿真驗證控制策略的有效性5硬件選型選擇合適的電機、控制器和傳感器6系統(tǒng)調(diào)試調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能直流電機控制系統(tǒng)的建模與仿真1模型構建建立準確的直流電機模型2參數(shù)估計確定模型參數(shù)3仿真驗證測試模型的準確性直流電機控制系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化參數(shù)調(diào)整根據(jù)實際情況，對控制器參數(shù)進行微調(diào)，以獲得最佳的控制性能。性能測試進行一系列測試，評估系統(tǒng)的動態(tài)響應、穩(wěn)定性、魯棒性等性能指標。故障排除分析并解決系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障，確保系統(tǒng)正常工作。優(yōu)化方案根據(jù)測試結果和故障診斷，制定優(yōu)化方案，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。直流電機控制系統(tǒng)的故障診斷與維護1預防性維護定期檢查和保養(yǎng)2故障診斷系統(tǒng)監(jiān)測和分析3故障排除修復或更換部件典型應用案例分析直流電機在工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、航空航天等領域具有廣泛的應用。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，直流電機用于驅(qū)動各種機器，例如機床、泵、