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1、第三章是DC電機及其控制系統(tǒng)。第一節(jié)是DC電機的基本原理。DC電機電刷間的感應電勢為：其中：一個磁極的磁通量；n:電樞速度；Ke: ke=pn/60a是與電機結構相關的常數。a:電樞繞組并聯(lián)支路的數量。例如，移除圖3-1中連接到電刷的負載，使其通過DC電源，電流流入電樞線圈，然后將原動機作為機械負載。兩個有效側導體上的電磁力方向相同，電樞因扭矩而旋轉。這時，圖3-1變成了DC馬達。當電樞在磁場中旋轉時，線圈也會產生感應電動勢，這與電流方向相反。反電動勢發(fā)生器的電動勢、DC電機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia) Ia與磁通量相互作用產生電磁力和電磁轉矩。DC電機的電磁轉矩可以表示為：一個磁極的磁通

2、量；Ia:是電樞電流。KT=pN/2a是與電機結構相關的常數。KT=9.55 KE p:磁極對數；a:電樞繞組并聯(lián)支路的數量。n:用于切割磁通量的電樞導體的總數。發(fā)電機的電磁轉矩是阻力轉矩，與電樞旋轉方向(原動機的驅動轉矩方向)相反。在恒速下，原動機的驅動轉矩T1與發(fā)電機的電磁轉矩t和空載損耗轉矩T0相平衡。DC電機的電磁轉矩是轉動電樞的驅動轉矩。當以恒定速度旋轉時，電機的電磁轉矩t需要與電機軸輸出的機械負載轉矩T2和空載損耗轉矩T0相平衡。當電機軸上的負載轉矩變化時，電機速度、電動勢、電樞電流和轉矩將自動調整以適應負載的變化。第二節(jié)是DC電機的結構，第三節(jié)是DC發(fā)電機的分類和運行特點。首先，

3、根據勵磁方式的分類，DC發(fā)電機的磁通是由主磁極勵磁繞組中的直流電流產生的。激勵電流。如果勵磁電流由獨立的DC電源提供給單獨勵磁的DC發(fā)電機。如果勵磁電流由發(fā)電機本身提供給自激DC發(fā)電機。自激DC發(fā)電機有并聯(lián)勵磁、串聯(lián)勵磁和復合勵磁。2.DC發(fā)電機、獨立勵磁發(fā)電機的運行特性。在上圖中：R1負載電阻IL負載電流Rf勵磁調節(jié)電阻Ra電樞電阻Ia電樞電流E發(fā)電機電動勢U發(fā)電機輸出端電壓。根據電路原理，我們可以得到：當發(fā)電機空載時，空載特性：當發(fā)電機空載且轉速N不變時，空載特性曲線上的發(fā)電機電動勢與勵磁電流之間的關系。外特性：恒定轉速和勵磁電流，電壓變化百分比：調節(jié)特性：轉速n恒定，U=UN恒定時，勵磁

4、電流If和電樞電流Ia的關系曲線。并聯(lián)發(fā)電機的電壓和電流之間的關系如下：其中u是發(fā)電機的端電壓，Rf是包括電位計在內的勵磁電路的總電阻?？蛰d特性(n不變)、外部特性(n不變、Rf不變)，對于并聯(lián)發(fā)電機，當負載增加時(即外部電路電阻減小)，負載電流IL增加，當負載增加到一定程度時，電流達到最大值ILm。如果負載電阻繼續(xù)減小，電流不會增加，而是減小。當負載短路時，只有很小的短路電流Ia。并聯(lián)發(fā)電機的輸出短路風險小于單獨勵磁發(fā)電機。并聯(lián)勵磁發(fā)電機的調節(jié)特性與單獨勵磁發(fā)電機相似。并聯(lián)勵磁發(fā)電機的電壓變化百分比大于其他勵磁發(fā)電機。串聯(lián)勵磁發(fā)電機，當發(fā)電機空載時，因為Ia=If=IL=0，所以不能得出空載

5、特性。串聯(lián)勵磁發(fā)電機的外部特性：當IL=0時，U=E為剩磁電動勢。負載連接后復合勵磁發(fā)電機在磁極上有兩個勵磁繞組：一個繞組與電樞并聯(lián)，導線有許多細匝，并聯(lián)勵磁；另一繞組與電樞串聯(lián)，導線粗，匝數少。發(fā)電機空載時，串聯(lián)勵磁繞組中沒有電流，因此空載特性與并聯(lián)勵磁發(fā)電機相同。當負載電流增大時，電樞反應、電樞電阻和串聯(lián)繞組引起的電壓降可以通過增強串聯(lián)繞組的磁動勢來補償。因此，在任何負載下，混合發(fā)電機的端電壓u幾乎可以保持不變。差動復合勵磁發(fā)電機中，串聯(lián)勵磁繞組的磁動勢與并聯(lián)勵磁繞組的磁動勢相反。當有負載時，它的磁通量大大減弱，其端電壓急劇下降。和復合勵磁發(fā)電機主要用于負載急劇變化的情況，或者負載遠離發(fā)電

6、機，并且終端電壓需要保持相對穩(wěn)定的情況。第四節(jié)，DC電機的分類和運行特點，DC電機的基本結構與DC發(fā)電機完全相同。勵磁方式也分為單獨勵磁、并聯(lián)勵磁、串聯(lián)勵磁和復合勵磁。在控制系統(tǒng)中，通常采用單獨勵磁電機和復合勵磁電機。1.分別勵磁的DC電機的運行特性，穩(wěn)態(tài)運行的基本方程電動勢平衡方程：U是電機施加的DC電壓，Ea是反電動勢，Ia是電樞電流，If是勵磁電流和主磁通。扭矩平衡方程，其中t:電磁扭矩；T0:空載扭矩。T2:負載阻力扭矩。功率平衡方程，其中P1=U*Ia是從電源到電機的功率輸入；Pe=Ea*Ia是從電機轉換成機械負載的電能；Pcua=Ia2*Ra是電樞電路的總銅損耗。其中，Pe=T*是

7、電磁功率；P2=T2*是旋轉軸輸出的機械功率；P0=T0*為空載損耗，包括機械摩擦損耗Pm和鐵損PFe。DC電機的工作特性是指當U=UN和If=IfN時，電機轉速n、電磁轉矩t、效率和電樞電流Ia之間的關系。IfN的條件是：當額定電壓UN加到電機上，額定負載被拖動，Ia=IaN，轉速為nN時的勵磁電流。轉速特性：當U=UN，If=IfN時，n=f(Ia)的關系曲線。上述公式表明，當Ia增加時，轉速n將降低，但由于ra較小，轉速n不會降低太多。隨著電樞電流的增加，電樞反應退磁降低了各極下的氣隙磁通，但提高了轉速。一般來說，電樞電阻壓降IaRa的影響大于電樞反應退磁的影響。因此，速度特性是稍微向下

8、的直線。轉矩特性：當U=UN，If=IfN，T=f(Ia)曲線轉矩特性T=KTIa，當每極氣隙磁通=N時，電磁轉矩與電樞電流成正比，考慮電樞反應的退磁，當Ia增加時，T略有下降。效率特性：當U=UN且If=IfN時，關系曲線f=Ia的效率特性在電機總損耗p中可分為恒定損耗和可變損耗。恒定損耗Pm PFe=Po可變損耗Pcua與Ia的平方成正比。因此，當Ia從零開始增加時，效率逐漸增加，但是當Ia增加到一定程度時，效率逐漸降低。DC電機的效率約為0.750.94。分勵DC電機的機械特性機械特性：當U=常數，If=常數，電機電樞電路電阻也為常數時，電磁轉矩T與電機轉速n的關系為n=f(T)。機械特

9、性方程將Ia=T/(KT)引入轉速公式：其中n0=U/(KE)為理想空載轉速；=(Ra R)/(KE KT2)是機械特性的斜率；N=(Ra R)T/(KE KT2)是速度降。上述公式是力學特性的一般方程。從這個公式可以看出，當磁通量不變時，隨著t的增加，機械特性是一條直線，n略有下降。當電機空載運行時，機械負載轉矩為零，但是固有的機械特性：當T=0時，n=n0=UN/(KEN)是理想的空載速度。此時，Ia=0，Ea=UN。T=TN，n=nN=n0 -nN為額定速度，其中nN=RaTN/(KE KTN2)為額定速度降，一般nN約為0.95 n0，nN=0.05 n0。特征斜率為N=Ra/(KE

10、KTN2)，因為Ra小，所以N小。這說明單獨勵磁DC電機固有的機械特性是很難實現的。n=0，即起動時，Ea=KE N=0，電樞電流Ia=UN/Ra=Ist起動電流。起動時的電磁轉矩=起動轉矩。因為Ra非常小，Ist比額定值大得多。如果nN=0.05 n0，起動電流Ist=20TN，那么大的起動電流和起動轉矩將燒毀逆變器。一般大中型電機不允許在額定電壓和額定輸出功率下直接啟動。人為機械特性當電樞端電壓、勵磁電流和電樞電路電阻發(fā)生變化時，單獨勵磁的DC電機的機械特性就是人為機械特性。電樞電路串電阻r的機械特性：保持U=UN，=N，電樞電路串電阻r。此時，與固有的機械特性相比，電樞電路串電阻r的機械

11、特性具有以下特性：理想空載速度n0=UN/(KEN)保持不變。力學特性斜率=(Ra R)/(KE KTN2)，其隨R的增加而增加。不同的R值可以獲得不同的人工力學性能。當T=TN，nnN時，隨著電阻r的增加，電機的機械特性變軟。改變電樞電壓時的人為機械特性：保持If=IfN，即=N，電樞電路不串聯(lián)電阻r，而改變電樞電壓u時的人為機械特性是：當電機運行時，額定工作電壓通常是上限。因此，電樞電壓只能在聯(lián)合國范圍內變化。它具有以下特點：當負載轉矩保持不變，電樞電壓下降時，電機的穩(wěn)定轉速下降。勵磁磁通減小時的人為機械特性：保持U=UN，電樞電路不串聯(lián)電阻r，而勵磁電流If改變時的人為機械特性如下：與固

12、有機械特性相比，減小時的人為機械特性為：理想空載速度n0=UN/(KE)成反比。機械特性斜率=(Ra R)/(KE KT2)與的平方成反比。減小的人工機械特性是一組直線，其理想空載速度n0減小，機械特性斜率增大。分離勵磁DC電機的起動、調速和反向運行特性分離勵磁DC電機的起動特性DC電機從靜止狀態(tài)到穩(wěn)定運行狀態(tài)的起動過程。起動電流Ia的大小、起動轉矩Tst的大小、起動時間t的長度、起動過程的平穩(wěn)性和起動過程的經濟性，電動機驅動負載起動的一般條件是：Ist(22.5)IN Tst(1.11.2)TN。獨立勵磁DC電動機的起動方式是：直接起動、電樞串聯(lián)電阻起動和降壓起動。在直接起動之前，應接通勵磁

13、電路以建立勵磁磁場，然后接通電樞電路。在這種起動模式下，起動時電機轉速n=0，反電動勢Ea=0。起動電流Ist=UN/Ra，因為電樞電阻Ra非常小，Ist非常大，可以達到1050倍in。這種電流對電網有很大影響。因此，除小容量電機外，大、中容量電機不能采用直接起動。一種起動方法，在降壓起動的起動時刻，通過降低電樞兩端的電源電壓來降低起動電流Ist。為了獲得足夠的起動轉矩Tst，起動電流通常限制在(22.5)英寸以內。因此，啟動時，電源電壓降低至U=(22.5) IN Ra。隨著轉速的增加，電樞電位ea逐漸增大，電樞電流ia相應減小。此時，電源電壓持續(xù)增加。電樞電路串電阻啟動電樞電路串電阻r。啟

14、動電流為：為了保持啟動過程的穩(wěn)定性，希望串聯(lián)電阻能平穩(wěn)調整，并使電樞電路串電阻r當R=0時，電機以具有固有機械特性的“基本速度”運行，“基本速度”以具有固有機械特性的轉速運行。隨著串聯(lián)電阻的增加，速度降低，串聯(lián)電阻的速度從基本速度開始調整。當負載是恒定轉矩并且電機以不同的速度n1、n2和n3運行時，當電磁轉矩為T=TL時，電機的電樞電流Ia是恒定的。當t1不變時，Ia不變，與速度無關。當通過串聯(lián)電阻調節(jié)速度時，由于大的電樞電流Ia在轉子中流動，將會有很大的損耗。轉速越低，損耗越大。串聯(lián)電阻調速，電機工作在一組機械特性上，每個特性都經過同一個理想空載點n0，但斜率不同。R越大，斜率越大，特性越軟

15、，電機低速穩(wěn)定性差。通過降低電樞電壓并保持速度不變以及在R=0時改變電樞電壓，可以獲得一組與固有機械特性平行且低于固有機械特性的人工機械特性。當電源電壓降低時，電機機械特性的斜率不變，即硬度不變。與串聯(lián)電阻調速相比，通過降低電源電壓，在低速范圍內運行時，速度穩(wěn)定性更好。對于恒定轉矩負載，電樞電流Ia在不同轉速下是恒定的。改變勵磁磁通U=UN，R=0的弱磁調速具有以下特點：勵磁回路中連接的調節(jié)電阻損耗很小，通過不斷調節(jié)Rf值可以實現基本速度的無級調速。由于換向能力和機械強度的限制，弱磁調速的速度不能太高。一般來說，它是根據(1.21.5)nN設計的。特殊電機設計可達到(34) nN。當弱磁速度調

16、整時，速度和轉矩滿足以下要求：電機的電磁功率為：如果電機驅動恒功率負載，即：2。單獨激勵的DC電機的功率和轉矩降低。當電樞電壓根據恒定的允許輸出轉矩進行調節(jié)時，N=常數，因此電機的允許輸出轉矩為：Tal=KT N IN=常數，稱為恒定轉矩輸出。此時，允許的輸出功率被改變。磁通量與轉速n之間的關系如下：將該公式帶入T=KT Ia:并將T=C/n帶入其中：從上面可以看出，當磁通量較弱且負載恒定時，允許輸出扭矩Tal與轉速n成反比。恒轉矩和恒功率是為了保持電樞電流在額定值，為電機輸出功率和轉矩。分離勵磁DC電機的反向運行特性改變了磁通和電樞電流的方向。3 .分離勵磁DC電機的制動運行特性電動運行狀態(tài)與電動運行狀態(tài)相同。此時，DC電源向電機輸入電能，并將其轉換成機械能來驅動負載。制動操作狀態(tài)與方向相反。這時，馬達吸收機械能并將其轉化為電能。制動機械、電磁制動器；電動制動。制動開始時，由于電機的慣性，Ea的大小和方向不變，