第二章 直流电动机及其调速系统.pdf

第二章 直流电机及其拖动系统 第二章 直流电动机工作原理及单闭环调速系统 内容提要：介绍了基本的电磁定律及支流电机工作原理、直流电机种类、结构和电机模型。重点介绍了它励直流电机 的调速方法，对于调压调速系统，介绍了三种调压方式。分析了转速单闭环调速系统的组成、模型和稳定性，给出了 无静差调速系统的基本校正电路和公式。对于电压负反馈、电动势反馈和电流截止负反馈调速系统也作了较为详细的 介绍。针对永磁无刷直流电机，介绍了其工作原理、基本结构和数学模型。 2.1 直流电机发展过程 电机发明至今，已有近200 年的历史。电机学科已发展成为一个比较成熟的学科，电机工业也已 成为近代社会的支柱产业之一，其发展历史可简述如下。 2.1.1 直流电机的产生和形成 工业革命以后，蒸汽动力得以普遍应用。但随着生产力的发展，蒸汽动力输送和管理不便的缺点 日益突出，迫使人们努力寻找新的动力源。19 世纪初期，人们已积累了有关电磁现象的丰富知识。在 此基础上，法拉第(Faraday)于1821 年发现了载流导体在磁场中受力的现象(即电动机的作用原理) ，并 首次使用模型表演了这种把电能转换为机械能的过程。很快，原始型式的电动机就被制造出来了。但 由于驱动源是蓄电池，当时极为昂贵，经济性远不能与蒸汽机相抗衡，因而也就不能被推广。 为此，人们积极寻求能将机械能转换为电能的装置。法拉第本人亦坚持研究。在进行了大量的实 验研究以后，1831 年，他又发现了电磁感应定律。在这一基本定律的指导下，第二年，皮克西(Pixii) 利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型旋转磁极式直流发电机。这就 是现代直流发电机的雏形。虽然早在1833 年，楞次(Lenz) 已经证明了电机的可逆原理，但在1870 年 以前，直流发电机和电动机一直被看作两种不同的电机而独立发展着。 电磁感应定律发现了，直流发电机也发明了，但经济性、可靠性、容量却未达到实用化要求即廉 价直流电源的问题并没有很快得到解决，因而电动机的应用和发展依然缓慢。加之在1860 年以前，人 们还不善于从F=Bli 的角度考察问题，几乎都将电磁铁之间的相互吸引和排斥作为电动机结构设计的 基本指导思想，这本身就带有很大的局限性，更何况以蓄电池为主的昂贵的供电方式也确实起到了制 约作用。需求产生动力。为解决廉价直流电源这一电动机应用中的瓶颈问题，直流发电机获得了快速 发展。在1834—1870 年这段时间内，发电机研究领域产生了三项重大的发明和改进。在励磁方面，首 先从永磁体转变到采用电流线圈，其后，1866 年，西门子兄弟(W C W Siemens)又从蓄电池他励发 展到发电机自励。在电枢方面，格拉姆(Gramme)于1870 年提出采用环形绕组。虽然这种绕组早在电 1 运动控制系统讲义 动机模型中就已经提出过，但没有受到重视，直至在发电机中被采用之后，人们才将发电机和电动机 中的这两种结构进行了对比，并最终使电机的可逆原理被大家所接受，从此，发电机和电动机的发 展合二为一。 1870—1890 年是直流电机发展的另一个重要阶段。1873 年，海夫纳阿尔泰涅克(HefnerAlteneck) 发明了鼓形绕组，提高了导线的利用率。为加强绕组的机械强度，减少铜线内部的涡流损耗，绕组的 有效部分被放入铁心槽中。1880 年爱迪生(Edison)提出采用叠片铁心，进一步减少了铁心损耗，降低 了绕组温升。鼓形电枢绕组和有槽叠片铁心结构一直沿用至今。 上述若干重大技术进步使直流电机的电磁负荷、单机容量和输出效率大为提高，但换向器上的火 花问题随之上升为突出问题。于是，1884 年出现了换向极和补偿绕组，1885 年开始用碳粉制作电刷。 这些措施使火花问题暂告缓和，反过来又促进了电磁负荷和单机容量的进一步提高。 在电机理论方面，1886 年霍普金森兄弟(J E Hopkinson)确立了磁路欧姆定律，1891年阿诺尔 特(Anoret)建立了直流电枢绕组理论。这就使直流电机的分析和设计建立在更为科学的基础上。因此， 到19 世纪90 年代，直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。1882 年是电机发展史上的一 个转折点。这一年，台勃莱兹(Depratz)把米斯巴哈水电站