第5讲 交流电机控制技术.pdf

机电液系统控制 —直流电机控制技术 哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所 本章内容 直流电机基本原理 直流电机的基本结构与铭牌 直流电机的电枢绕组和磁场 直流电机的电枢电势和电磁转矩 他励直流电机的稳态方程和外特性 一、直流电机原理  定义 直流电机是指发出直流电的发电机或通以直流电而转 动的电动机，是电机的主要类型之一。  用途 （1）由于直流电动机能在宽广的范围内平滑而经济地 调节速度，所以它在精密机床和以蓄电池为电源的小型起 重运输机械等设备中应用较多； （2）在机器人领域，小容量直流电动机的应用也很广 泛。 一、直流电机原理  直流电动机的基本工作原理 图3-1 直流电动机物理模型 一、直流电机原理 图3-1是最简单的直流电动机的物理模型，N和S是一对 固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁) 。磁极之 间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表 面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd ，线圈的两端 分别接到相互绝缘的两个圆弧形铜片上。弧形铜片称为换 向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不 动而与换向片滑动接触的电刷A 和Ｂ，线圈abcd通过换向器 和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的 整体叫作转子或称为电枢。 一、直流电机原理 此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A 和B 。例如将电源正极加于电刷A ，电源负极加于电刷B ， 则线圈abcd 中流过电流，在导体ab 中，电流由a流向b ，在 导体cd 中，电流由c流向d 。载流导体ab和cd均处于N 、S极 之间的磁场当中，受到电磁力的作用，其方向由左手定则 确定，可知这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩， 电磁转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋 转。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极，如 图3-1所示，由于电流仍从电刷A 流入，使cd 中的电流方向 变为由d流向c ，而ab 中的电流由b流向a ，从电刷B流出，用 左手定则可判别，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。 一、直流电机原理 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向 器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流， 方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不 变，确保了直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直 流电动机的基本工作原理。 实际的直流电动机，电枢四周上均匀地嵌放许多线圈； 相应地，换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的 总电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较 均匀。 一、直流电机原理  直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变 电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引 出时变为直流电动势。 直流发电机的模型与直流电动机相同，不同的是电刷 上不加直流电压，而是利用原动机拖动电枢朝某一方向 （例如逆时针方向）旋转，如图3-2所示。 一、直流电机原理 图3-2 直流发电机物理模型 一、直流电机原理 这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，感应产生 电动势，电动势的方向用右手定则确定。图示情况下，导体ab 中电动势的方向由b指向a ，导体cd 中电动势的方向由d指向c ， 所以电刷A 为正极性，电刷B 为负极性。电枢旋转180°时，导 体cd转至N 极下，感应电动势的方向由c指向d ，电刷A 与d所连 换向片接触，仍为正极性；导体ab转至S极下，感应电动势的方 向变为a指向b ，电刷B 与a所连换向片接触，仍为负极性。可见， 直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过 换向器和电刷的作用，在电刷A 、B 两端输出的电动势是方向不 变的直流电动势。若在电刷A 、B 之间接上负载，发电机就能向 负载供给直流电能，这就是直流发电机的基本工作原理。 一、直流电机原理 从以上分析可见：一台直流电机原则上既可以作为电 动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条 件。如果在电刷端外加直流电