电机与电气控制技术：项目七：轧钢机电动机的调速控制

项目七：轧钢机电动机的调速控制4123直流电机的工作原理与基本结构他励直流电动机的起动与反转他励直流电动机的制动控制他励直流电动机的调速控制5直流电动机的方程式和机械特性项目情境描述轧钢机是一种将热的金属（主要是钢坯）重复通过轧辊以辗轧成形的机器，简称轧机。两辊式轧机的基本结构图轧辊是一套两个或两个以上的有关联的辊子。按轧辊的数目不同，轧钢机可分为两辊式、三辊式、四辊式和多辊式。轧钢机由轧钢机械和传动机构组成。轧钢机械主要包括主机和辅机两大部分。传动机构包括齿轮机座、减速机、飞轮、联轴器、万向节等。项目情境描述◆轧钢机的工艺流程从炼钢厂出来的钢坯是由钢锭轧制成的半成品，形状比较简单，经过轧钢厂的轧制以后，才能成为合格产品。1.热轧工艺热轧：从炼钢厂送来的连铸坯（厚度为150～250mm），被送入加热炉加热、除磷，然后通过辊道送入轧机，经过初轧机反复轧制之后，再进入精轧机（由7架4辊式轧机组成）进行轧制。热轧后的钢轨分为钢卷和锭式板两种，厚度一般为几毫米。如果用户要求钢板更薄，还要经过冷轧。轧钢机的压轧工艺流程分热轧和冷轧两步。项目情境描述2.冷轧工艺从热轧厂送来的钢卷，先用盐酸除去氧化膜，然后才能送到冷轧机上，由开卷机将钢卷打开，再将钢带引入五机架连轧机轧成薄带卷。冷轧产品主要有普通冷轧板、涂镀层板也就是镀锡板、镀锌板和彩涂板。一、直流电机简介1.直流电机的定义任务1.直流电机的工作原理与基本结构与交流电机一样，直流电机的工作也遵循“导体切割磁力线产生感应电动势”“载流导体在磁场中会受到电磁力的作用”，这两条基本物理原理。直流电机是通产生或者使用直流电的旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。将机械能转换为电能的是直流发电机；将电能转换为机械能的是直流电动机。2.直流电机的特点（与交流电机相比）●直流电机的缺点调速性能好，起动转矩大，过载能力强。运行性能好，能提供无脉动的大功率直流电源，输出电压可以精确调节和控制。1）制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高。2）运行时电刷和换向器之间容易产生火花，工作可靠性较差，维护比较困难。●直流电动机的优点●直流发电机的优点3.直流电机的应用在调速性能要求不高的领域，直流电机已逐渐被交流变频调速系统所取代。在某些要求调速范围大、调速性能好、精密度高、控制性能优越的场合，直流电机的应用仍占有较大的比重。●直流电动机的应用：大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、电力机车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械等。●直流发电机的应用：化学工业中所需的低电压大电流直流电源、直流电焊机电源等。直流电机的应用，远不如交流电机广泛。二、直流电机的基本结构气隙转子定子1-机座2-主磁极3-转轴

4-电枢铁心

5-换向磁极6-电枢绕组7-换向器8-电刷二、直流电机的基本结构定子结构示意图由机座、主磁极、换向磁极、电刷装置、端盖等组成。直流电机的机座和端盖，与交流电机的机座和端盖基本相同。电刷装置前端盖后端盖二、直流电机的基本结构1.直流电机的定子主磁极结构示意图主磁极通常由螺杆固定在机座上，N、S两极成对出现。●主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。励磁绕组通入直流电，就产生了N、S磁极。NS

定子结构简图+-1.直流电机的定子换向极是直流电机所特有的小磁极，位于两个主磁极之间，包括铁心和绕组两部分。当直流电机的功率很小时，换向极可以减少到主磁极极数的一半，甚至可以不装换向极。换向极绕组与电枢绕组串联，在电机运行时产生附加磁场，能减小电刷与换向片之间的火花，改善换向性能。●换向磁极1.直流电机的定子●电刷装置交流电机没有电刷装置，直流电机才有。电刷装置由电刷座、电刷盒、刷辫、压簧等组成。1.直流电机的定子三相绕线转子异步电动机转子绕组连接的电刷与此并不相同。●电刷装置电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，由弹簧压指压紧在换向器上。电枢绕组通过换向器和电刷装置与外电路相连。电刷结构图1.直流电机的定子直流电机的转子也称为电枢，电枢槽内放置电枢绕组。由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽。小型电机的电枢绕组通常是铜导线。大中型电机的电枢绕组多是成型线圈。与交流电机相比，直流电机的转子上多了个换向器。2.直流电机的转子电枢铁心由许多0.5mm厚的硅钢片冲压成，各个硅钢片相互绝缘。电枢硅钢片电枢铁心的外圆周上均匀开设了许多形状相同的槽，这些槽用来嵌放电枢绕组。电枢铁心内部开有一些与转轴平行的孔，称为轴向通风孔，专门用来散热。2.直流电机的转子换向器剖面图1-螺旋压圈2-换向器套筒

3-V形压圈4-V形云母环

5-换向铜片6-云母片2.直流电机的转子换向器又称整流子，由所有换向片组合而成。制作换向器的材质通常是紫铜或铜合金，导电性能好，又比较耐磨。直流电机在工作时，换向器和电刷不断相互摩擦，很容易磨损，磨损严重就要更换。换向器和电刷是日常维护和检修的重要部位。3.直流电机的总结构图直流电机结构图1-直流电机总成2-后端盖3-通风器4-定子总成5-转子（电枢）总成6-电刷装置7-前端盖3.直流电机的总结构图主磁极固定不动，通常用N、S来表示。主磁极可以由永久磁铁制成。不过，生产实际中的直流电机通常在磁极铁心上缠绕励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电，使之产生磁场。物理模型实物简化NS三、直流电机的物理模型转子通常又称为电枢。它是由铁磁性物质构成的圆柱体，安装在主磁极之间。电枢外表面的槽中嵌放着电枢线圈。如果有足够大的转矩作用在电枢上，电枢就会带着电枢线圈在主磁极之间旋转。NS三、直流电机的物理模型换向片1和2是半圆形的铜环，分别连接在电枢线圈的两端，能随电枢旋转。两个换向片彼此绝缘。电刷A和B固定不动。电刷和换向片紧密接触，形成电枢电流和外电路的通路。三、直流电机的物理模型NS四、直流发电机的工作原理1）励磁绕组通入直流电，产生静止的、恒定的磁场。1.直流发电机的工作条件SN两个条件缺一不可：2）原动机拖动电枢，以恒定的转向、恒定的转速旋转。给直流发电机的电刷两端接上负载，并用原动机带动电枢逆时针旋转。电枢导体切割磁力线，在电枢线圈中产生感应电动势与感应电流。图a导体ab处于N极下当电枢导体ab处于N极下、cd处于S极下时，用右手定则可判定ab中的感应电流方向由b指向a，cd中的感应电流方向由d指向c，整个电枢线圈中的感应电流为逆时针方向。感应电流自换向片1流经电刷A，流向外电路，再经电刷B和换向片2回流到电枢线圈中。对外电路而言，电刷A为正极性，电刷B为负极性。2.直流发电机的工作原理分析直流发电机物理模型

当电枢转过180°，导体ab处于S极下、cd处于N极下时（图b），用右手定则判定电枢线圈中的感应电流仍为逆时针方向。感应电流自换向片2流经电刷A，流向外电路，再经过电刷B和换向片1，回流到电枢线圈中。图b导体cd处于N极下对外电路而言，电刷A仍为正极性，电刷B仍为负极性。2.直流发电机的工作原理分析图a导体ab处于N极下图1假想起点图2和图4：导体ab和cd位于磁场的物理中性面上，导体运动方向与磁力线平行，不切割磁力线，不产生感应电动势，电压表的指针指在0位，无偏转。图1：电枢导体ab处于N极下、cd处于S极下，电压表的指针向下偏转。图3：电枢导体cd处于N极下、ab处于S极下，电压表的指针向上偏转。图2转过90°

图3转过180°

图4转过270°

直流发电机电枢旋转过程分解图电压表结论：电枢导体中产生的感应电动势的方向是变化的！2.直流发电机的工作原理分析电刷A、B两端输出的是直流电动势。电枢导体ab和cd中流过的是交变的感应电流。位于N极下的导体电流，总是由线圈流入换向片，再流入电刷A，A的极性总为正；位于S极下的导体电流，总是由电刷B流入换向片，再流入线圈，电刷B的极性总为负。直流发电机物理模型

2.直流发电机的工作原理分析图b导体cd处于N极下图a导体ab处于N极下实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，不用担心有导体位于磁场的物理中性面上时，发电机会断流。NSNS-E+-E+如果原动机带动电枢顺时针旋转，则电枢线圈中的电流顺时针流动，电刷A的极性总为负，电刷B的极性总为正。ABAB2121FFFF电枢线圈里有电流，在磁场中就会受到电磁力的作用。该电磁力与原动机的作用力方向相反，其数值较小，改变不了电枢的转向。2.直流发电机的工作原理分析电刷AB两端极性恒定，输出直流电原动机带动

电枢旋转电枢绕组中产生交变的感应电动势和感应电流电枢在定子磁场中受到电磁转矩的作用被克服（做功）Φ换向Φ阻转矩3.直流发电机的电磁关系1.直流电动机的工作条件两个条件缺一不可：1）励磁绕组通入直流电，产生静止的、恒定的磁场。2）在电刷AB两端接上直流电源。S+-N五、直流电动机的工作原理当导体ab处于N极下、cd处于S极下时，ab中的电流由a流向b，cd中的电流由c流向d，整个线圈中的电流顺时针流动。2.直流电动机的工作原理分析电刷AB接直流电源：A接正极，B接负极。图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转用左手定则判定：导体ab受力方向从右向左；导体cd受力方向从左向右，形成逆时针方向的电磁转矩，带动电枢逆时针旋转。当电枢转过90°，使导体ab和cd位于磁场的物理中性面上时，换向片1和2与电刷A和B都接触，电枢线圈被短路，其中无电流，电磁转矩消失。图b导体ab和cd位于物理中性面上时，线圈中无电流，电枢因惯性旋转图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转在机械惯性作用下，电枢仍能转过一个角度，使电刷A与换向片2接触、电刷B与换向片1接触。2.直流电动机的工作原理分析图c导体ab处于S极下时，电枢逆时针旋转当电枢转到90°~180°之间，电刷A与换向片2接触，电刷B与换向片1接触，则导体ab和cd中的电流都反向，但是整个电枢线圈中的电流流向仍为顺时针。用左手定则可判定：电枢仍然受到逆时针方向的电磁转矩作用，电枢继续逆时针旋转。图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转2.直流电动机的工作原理分析直流电动机电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢线圈中的电流，却是交变的。在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。直流电动机工作过程分解图2.直流电动机的工作原理分析图a图c图b图d实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。NSAB21NS电枢一旦旋转起来，电枢线圈就会切割磁力线，就会在电枢线圈中产生感应电动势和感应电流。此感应电动势称为反电动势，因为它产生的感应电流（黑色）与电枢电流（红色）的方向相反。AB21FFFF2.直流电动机的工作原理分析电直刷流两电端源接电流枢过线交圈流中电电电枢磁受转电矩磁的力作和用

带动机械负载工作克服反电动势做功换向Φ旋转Φ动力矩3.直流电动机的电磁关系注意事项：直流电机物理模型中只有一对N、S磁极和一个电枢线圈。实际上，很多直流电机的磁极不止一对，电枢线圈往往有很多个，每个电枢线圈的两端都连接一个换向片。这些换向片构成换向器，通过电刷连接外电路。4.直流电动机的工作过程演示六、直流电机的可逆原理励磁绕组通入直流电原动机拖动电枢旋转直流电机的可逆原理：一台直流电机，既可作发电机运行，也可作电动机运行。励磁绕组通入直流电电刷两端接直流电源直流发电机直流电动机它以永磁体提供励磁，使结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了集电环和电刷，提高了运行的可靠性；无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了功率密度和效率(>90%)。七、永磁同步电机永磁同步电机主要由定子、转子、机座和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，由叠片叠压而成以减少运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢。a)突出式b)内置式两种结构形式的转子的磁路结构（一）永磁同步电机的结构转子可以制成实心的形式，也可以由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同，永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式。突出式转子的磁路结构简单，制造成本低，但由于其表面无法安装起动绕组，不能实现异步起动。内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种，主要区别在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。三种不同形式内置式转子的磁路结构a)径向式b)切向式c)混合式（一）永磁同步电机的结构由于永磁体置于转子内部，转子表面便可制成极靴，极靴内置入铜条或铸铝等便可起到起动和阻尼的作用，稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称，这样就会在运行中产生磁阻转矩，有助于提高电机本身的功率密度和过载能力，而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势，其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍，即式中，F为圆形旋转磁动势，单位是T・m；Fφl为单相磁动势的最大幅值，单位是T・m；k为基波绕组系数；p为电机极对数；N为每一线圈的串联匝数；I为线圈中流过电流的有效值。（二）永磁同步电机的工作原理由于永磁同步电机的转速恒为同步转速，因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用，在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场，它与转子主磁场发生相互作用，产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩Te，即（二）永磁同步电机的工作原理根据气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同，永磁同步电机的运行状态可在电动机和发电机之间切换。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，电机处于发电状态；相反，当气隙合成磁场超前于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相同，电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角，称为功率角。1.按供电频率分永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型，作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电，后者需要正弦波型逆变器供电。（三）永磁同步电机的分类2.按气隙磁场分布分正弦波永磁同步电机：磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场按正弦规律分布，简称永磁同步电机。梯形波永磁同步电机：磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机，称为无刷直流电机。（四）调速永磁同步电机的电路结构比亚迪e5车型采用的是交流永磁同步电机，它是汽车的动力源之一，能向外输出转矩，驱动汽车前进或后退；也能在滑行、制动过程中把动能转化成电能存储起来。丰田普锐斯混合动力系统采用了两台驱动电机：发电机MG1和电动机MG2，它们也都是永磁同步电机。项目七：轧钢机电动机的调速控制4123直流电机的工作原理与基本结构他励直流电动机的起动与反转他励直流电动机的制动控制他励直流电动机的调速控制5直流电动机的方程式和机械特性1.直流电动机必备的工作条件S+-N一、复习：直流电动机的工作原理1）励磁绕组通入直流电，产生静止的、恒定的磁场。2）在电刷A、B两端接上直流电源。S+-N励磁绕组接入直流电，产生静止、恒定的定子磁场。2.直流电动机的工作原理电枢绕组接入直流电，在定子磁场中受到电磁力的作用。电磁力与电枢铁心半径之积为电磁转矩，电磁转矩是带动电枢旋转的动力矩。↓↓一、复习：直流电动机的工作原理电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢线圈中的电流，却是交变的。在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。直流电动机工作过程分解图2.直流电动机的工作原理图a图c图b图d实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。电磁转矩的方向由左手定则判断。二、直流电动机的电磁转矩电磁转矩的大小为：直流电动机的电磁转矩T、转速n及轴上的输出功率P，满足：结论：直流电动机的电磁转矩T，与定子每极磁通Φ和电枢电流Ia的乘积成正比。其中p为磁极对数，N为电枢绕组总导体数，a为单波绕组并联支路对数，CT为转矩常数。这些参数只与电机的结构有关。电磁转矩T是带动直流电动机旋转的动力矩，它是个既有大小、又有方向的向量。Ce称为电动势常数，它只与电动机的结构有关。结论：直流电动机电枢电动势Ea的大小，与定子每极磁通Φ和电枢的转速n的乘积成正比。

CT

=

9.55CeCT与Ce的关系:两电刷间总的电枢电动势大小为：电枢电动势的方向由右手定则判断，其方向与电枢电流反向，因而称为反电动势，它对电枢电流有一定的限制作用。电枢旋转时，电枢绕组中的导体不断切割磁力线，每根载流导体中都要产生感应电动势，称为电枢电动势。三、直流电动机的电枢电动势他励并励串励复励Ia+Uf－IfIIfIa+U－+U－IIa+Ua－+U－IIfIa根据励磁绕组与电枢绕组连接关系的不同，直流电机的励磁方式分为他励、并励、串励、复励四类。1.直流电动机的励磁方式四、直流电机的励磁方式励磁方式：给直流电机的励磁绕组提供电流的方式。他励串励复励并励+Uf－+Ua－IfIa+U－IfIIa+U－IfIIa+U－IIaIf自励并励绕组一般电流较小，导线细，匝数较多。串励绕组一般电流较大，导线粗，匝数较少。2.直流发电机的励磁方式五、直流电动机的基本方程式电动机在运行过程中，电压、电流、转矩、功率等物理量都在不断变换，各参数之间的关系错综复杂，要分析电动机的运行情况实属不易。1.电动势平衡方程式（电路系统）2.转矩平衡方程式（机械系统）3.功率平衡方程式（能量转换过程）他励直流电动机电路图电动机在稳态运行时，电动势、转矩和功率之间存在着一定的平衡关系，可以用电机平衡方程式来表达：他励直流电动机的励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。Uf→If→ΦUa→Ia→T→n→Ea

励磁电路：Uf=RfIf

利用基尔霍夫电压定律，可得电动势平衡方程式为：电枢电路的电源电压有小部分被电枢电阻损耗（RaIa），其余都被电动机吸收，转化为反电动势Ea带动电枢转动。

电枢电路的电动势平衡方程表明：电枢电路：Ua=Ea+RaIa1.电动势平衡方程式（Ea为反电动势，与电枢电流Ia反向）Ia+Uf-If+Ua-+Ea-励磁电路：电枢电路：☆输入功率P1：☆电磁功率Pem：电枢绕组从电网吸收的电功率传递到电动机电枢上的电磁功率输入到电枢中的电功率P1被电枢绕组消耗（铜损Pcua）掉一部分，剩下的才转变成电磁功率Pem。他励直流电动机电刷两端接上直流电源Ua，电枢绕组流过电流Ia时，电源向电动机输入的电功率。Pem=P1–Pcua2.功率平衡方程式P1=UaIa☆铜损Pcua：Pcua=Ia2Ra电枢绕组的电阻上消耗的电能，以发热的形式散失掉了。2.功率平衡方程式☆机械损耗Pm：转轴与轴承之间、电刷与换向器之间、转动部分与气隙之间都存在着摩擦，也都伴随着摩擦损耗。☆铁心损耗PFe：磁滞损耗：铁心内部的磁畴旋转过程中摩擦生热造成的损耗。涡流损耗：交变磁场在导体中引起涡流而使导体发热造成的损耗。机械损耗和铁心损耗在“电动机空载运行时就存在”，二者之和又称为“空载损耗”。P0=

Pm＋PFe☆空载损耗P0：空载损耗产生空载转矩T0，T0与旋转方向相反，是制动转矩。电枢在旋转过程中，因克服摩擦阻力而产生的损耗。电枢铁心中通过交变磁场而引起磁滞与涡流损耗。☆附加损耗Ps：附加损耗又称杂散损耗，其值很难计算和测定，通常取：Ps=（0.5%~1%）PN。P总损耗=PCua＋Pm＋PFe＋Ps

总损耗：2.功率平衡方程式结论：直流电动机电枢上输入的电功率P1，除去铜损PCua、机械损耗Pm、铁损PFe和附加损耗Ps之后，余下的才是转轴上输出的机械功率P2。☆输出功率P2：P2=P1－P总损耗直流电动机功率流程图P2P1

=×100%电动机的效率：P1-P总损耗=P2通常情况下，中小型直流电动机的效率为75%~85%，大型直流电动机的效率为85%~94%。功率平衡方程式：2.功率平衡方程式他励直流电动机的电磁转矩T为拖动转矩，与电动机转速n方向一致。负载转矩TL、空载转矩T0（损耗）皆为制动转矩，与转速n方向相反。他励直流电动机转矩示意图3.转矩平衡方程式带负载稳定运行时：T

=T0+TL空载运行时：T

=T0他励直流电动机的转矩平衡方程为：作用在转轴上的转矩有3个：电磁转矩T、负载转矩TL、空载转矩T0。2）电动机带负载稳定运行时，作用在转轴上的电磁转矩T一部分被空载转矩T0所消耗，另一部分与负载转矩TL相平衡，对负载做功。3.转矩平衡方程式

由转矩平衡方程式可知：由于空载转矩T0仅为电动机额定转矩的2%~5%，所以在重载或满载下T0常常可以忽略不计，通常认为：电动机稳定运行时，负载转矩TL近似等于电磁转矩T。1）电动机空载运行时，作用在转轴上的电磁转矩T全部被空载转矩T0消耗掉了。六、复习“三相异步电动机的机械特性”在一定的工作条件下，三相异步电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系曲线:因为转速n与转差率s之间有直接关系，所以机械特性可表示为：1.机械特性的定义机械特性常用电磁转矩的参数表达式描述：三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是一条跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限的曲线。2.固有机械特性根据电磁转矩的参数表达式，在直角坐标系上用描点法画出固有机械特性在第一象限的部分。三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机在额定电压和额定频率下工作，定子绕组按规定的方式接线，定子和转子电路都不外接电阻等其他电路元件时，由本身固有参数所决定的机械特性。1）起动点A2）最大（临界）转矩点B3）额定运行点C4）同步运行点DD-B段：线性段，稳定运行区。B-A段：非线性段，不稳定运行区。DCBA3.三相异步电动机的人为机械特性b.对电动机运行性能的影响人为地改变三相异步电动机的电源参数（U1、f1）或结构参数（p、R1、R2、X1、X2），而得到的机械特性。1）降低定子电压U1的人为机械特性a.关键参数的变化sm和n1都不变，T随U12成正比地降低。

人为机械特性线性段斜率增大，特性变软，不利于稳定运行。起动能力Km和过载能力λm都大幅度下降。带同样的负载，稳定运行的转速降低。电压下降过多时，可能带不动额定负载。TL1TL22）转子回路串电阻的人为机械特性与固有机械特性相比，机械特性的线性段斜率增大，特性变软。a.三个关键参数的变化Tm和n1不变。b.对电动机运行性能的影响sm随外接电阻的增大而增大。一定范围内增加转子电阻可增大Tst，所串电阻使sm=1时，Tst=Tm；若继续增大转子电阻，Tst反而减小。带同样的负载，稳定运行的转速降低，运行稳定性变差。TL七、他励直流电动机的机械特性UaCeΦn=-RaCeCTΦ2T=n0

-β

T理想空载转速机械特性曲线的斜率斜率β大则机械特性就软，斜率β小则机械特性就硬。机械特性越硬，转速降就越小，受到扰动时，稳定性就越好。Δn=βT

电动机带负载后的转速降：由于空载损耗的存在，实际空载转速略低于n0。直流电动机的机械特性是指直流电动机在稳定运行时，其转速n与机械负载TL之间的关系：n=f(TL)。它表明直流电动机的转速因外部负载变化而变化的情况。电枢电动势公式、电磁转矩公式和电枢电动势平衡方程三者联合推导而来电动机稳定运行时，有T≈TL，故机械特性是指：当Ua、Ra、If都为常数时，转速n与电磁转矩T的函数关系n=f(T)。(一)他励直流电动机的固有机械特性当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻时的机械特性，其特性方程为：他励直流电动机的固有机械特性是一条斜率大于0的直线。因电枢绕组的电阻Ra阻值很小，所以斜率β和转速降Δn都很小，固有机械特性为硬特性。他励直流电动机的固有机械特性额定运行点n=-

TUNCeΦN

RaCeCTΦN2=n0

-

βT(二)他励直流电动机的人为机械特性(Ra＋Rr)

→β

→Δn

→特性变软1.增加电枢回路电阻的人为机械特性与固有机械特性相比，增加电枢电阻的人为机械特性的特点：人为地改变他励直流电动机的气隙磁通、电源电压和电枢回路电阻等参数而获得的机械特性，称为人为机械特性。1）理想空载转速n0不变。2）机械特性的斜率β随电枢电阻的增大而增大，特性变软。n=-

TUNCeΦNRa＋RrCeCTΦN2=n0

-

β’

T增加电枢电阻既可用于起动，也可用于调速。电阻值Ra增加得越多，带同样的负载，电动机运行的转速就越低。TL2.降低电枢电压的人为机械特性Ua↓→n0↓，β不变→机械特性硬度不变因受电动机绝缘强度的限制，接入电枢绕组的电源电压只能从额定电压UN往下调节。降低电枢电压的人为机械特性，是一组位于固有机械特性曲线下方，且与之平行的直线。与固有机械特性相比，降低电枢电压的人为机械特性的特点：1）理想空载转速n0随电枢电压成正比地减小。2）机械特性的斜率β保持不变。降低电枢电压既可用于起动，也可用于调速。电压Ua降得越低，带同样的负载，电动机的运行转速就越低。n=UaCeΦN-RaCeCTΦN2T=n0’

-

βTTL3.减弱励磁磁通的人为机械特性If

→Φ

→n0，β

→Δn，机械特性变软因为额定磁通已使励磁磁路基本饱和（电机按此设计），所以只能从ΦN往下调节：增大励磁回路的电阻，使励磁电流减小，磁通就随之减小。与固有机械特性相比，减弱磁通的人为机械特性的特点：1）理想空载转速n0与磁通成反比，Φ减弱，n0升高。2）斜率β与磁通的二次方成反比，Φ减弱，β升高。弱磁时的人为机械特性是一组n0升高，斜率增大的直线。n=UNCeΦ

-RaCeCTΦ2T=n0’-

β’

T磁通Φ越弱，带同样的负载，电动机的运行转速n就越高。TL

表征电机额定运行情况的主要数据，称为电机的额定值。电机的额定运行：按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的，电机的正常运行状态和条件。

额定值一般都标注在电机的铭牌上，也称为铭牌数据。电动机的PN：输出机械功率的额定值。发电机的PN：输出电功率的额定值(UNIN)

。

额定值是正确合理使用电机的依据。八、直流电机的额定值额定功率是指电机的额定输出功率。

1.额定功率PN2.额定电压UN对发电机，额定电压是指输出电压的额定值。对电动机，额定电压是指输入电压的额定值。在额定工况下，电机出线端的平均电压。3.额定电流IN对发电机，额定电流是指输出电流的额定值。对电动机，额定电流是指输入电流的额定值。在额定电压下，电机运行于额定功率时对应的电流。八、直流电机的额定值4.额定转速nN在额定电压和额定电流下，直流电机运行于额定功率时的转速。5.额定励磁电流IfN直流电机在额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时，对应的励磁电流。直流电动机的额定输出功率与额定输入功率的比值，取百分数。6.电动机额定效率ηN八、直流电机的额定值1）电机满载或在额定状态附近运行时，运行效率、工作性能等都很好，处于最佳运行状态。2）长期欠载运行，将造成电机容量的浪费。3）长期过载运行，会缩短电机的使用寿命。满载：指额定工作状态，此时，电机运行的所有物理量都等于额定值。欠载：电机的运行电流小于额定电流的运行状态。过载：电机的运行电流大于额定电流的运行状态。结论：通过电机运行的实际参数与额定值的比较，可将电机的运行状况分为满载、欠载和过载三种。八、直流电机的额定值项目七：轧钢机电动机的调速控制4123直流电机的工作原理与基本结构他励直流电动机的起动与反转他励直流电动机的制动控制他励直流电动机的调速控制5直流电动机的方程式和机械特性1.生产机械对直流电动机的起动要求1）起动转矩Tst要足够大。因为只有Tst>TL时，电动机方可顺利起动。2）起动电流Ist不可太大，一定要限制在一定范围内。3）起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。2.他励直流电动机的起动方法1）全压起动2）降低电枢电压起动3）电枢回路串电阻起动一、直流电动机的起动要求与起动方法他励直流电动机

Ia=Ist=UNRa=(10~20)INT

=

Tst=CTΦIst=(10~20)TNn=0，Ea=0，实现方法：给励磁回路和电枢回路分别加上额定电压，而让他励直流电动机起动。Ua=Ea+RaIa结论：全压起动只适用于容量很小的直流电动机。起动瞬间：起动电流大的危害：1）引起电网电压严重下降，影响其它用电设备的正常工作。2）会产生剧烈的换向火花，容易损坏换向器。3）会使过流保护装置误动作而切断电源，导致起动失败。4）会产生过大的起动转矩Tst，而使电动机的转轴受到强烈的机械冲击而损伤。二、他励直流电动机的全压起动Ea=CeΦnT=CTΦIa在电动机准备起动时，给励磁回路加额定电压，降低加在电枢两端的电源电压Ua，起动过程中逐渐升高Ua，起动结束时Ua升至额定电压UN。起动过程中，随着转速n的升高，电枢电动势Ea增大，电枢电流Ia和电磁转矩T都下降，起动加速度减小，起动过程变慢。他励直流电动机三、他励直流电动机降低电枢电压起动Ua=Ea+RaIa

Ia=Ua-EaRa=Ua-CeΦnRa1.实现方法Ea=CeΦnT=CTΦIa为加速起动过程，缩短起动时间，要有足够大的电磁转矩T。在起动过程中逐渐升高电枢电压Ua，就能达到这个目的。缺点：需要一套可调节的直流电源，设备投资大。优点：起动平稳，起动过程能量损耗小，便于实现自动控制。1）过去，采用直流发电机—电动机组获得可调压直流电源。2）现在，直流发电机逐渐被晶闸管整流装置取代，调节晶闸管的导通角，就可控制加在直流电动机上的起动电压。直流发电机与直流电动机一对一供电，调节直流发电机的励磁电流，就可改变加在直流电动机电枢两端的电压。4.降低电枢电压起动的应用3.降低电枢电压起动的特点2.降低电枢电压起动的注意事项降低电枢电压起动的目的是减小起动电流，但是，降压的同时也减小了起动转矩。为获得足够大的起动转矩，起动电流不能减小得太多，通常要限制在(1.5~2)IN以内。在电动机准备起动时，先在电枢回路串入起动电阻，然后给励磁回路和电枢回路分别加上额定电压。电枢回路串电阻起动，目的也是为了减小起动电流。串接的起动电阻越大，限制起动电流Ist的效果就越显著。四、他励直流电动机电枢回路串电阻起动1.实现方法由于起动转矩Tst正比于起动电流Ist，当串接的起动电阻值太大时，起动转矩Tst可能会小于负载转矩TL而无法起动。UN=Ea+(Ra+RST1+RST2)IaEa=CeΦnT=CTΦIa起动瞬间，n=0，Ea=0，

Ist=UNRa+RST1+RST22.起动过程分析

Ia

=UN-EaRa+RST1+RST2=

UN-

CeΦnRa+RST1+RST2，限流效果明显。起动过程中随着转速n上升，电枢电动势Ea增大，电枢电流Ia和电磁转矩T都下降，加速度逐渐减小，起动过程延长。为保持起动中的加速度不变，就要保持电枢电流Ia和电磁转矩T不变，即随着转速n的上升，应逐渐减小起动电阻。电枢回路电阻：Ra总=Ra＋RST1＋RST22.起动过程分析1）起动之初串入全部电阻起动点为a1，起动运行轨迹对应人为机械特性的a1-a2段。起动转矩：Tst=T1=(1.5~2.0)TNT1(I1)T2(I2)a1a2aTL(IL)起动电流：Ist=I1=(1.5~2.0)IN把起动电阻分为两级，起动之初全部串入。切除RST2后的电枢回路电阻：Ra总=Ra＋RST12）切除起动电阻RST2切除RST2后的运行轨迹对应人为机械特性的a2-b1-b2段。切换转矩：T2=(1.1~1.3)TLT1(I1)T2(I2)a1a2b2b1baTL(IL)切换电流：I2=(1.1~1.3)IL当电动机的运行点到达a2时，切除起动电阻RST2。2.起动过程分析切除RST1后的电枢回路电阻

：Ra总=Ra3）切除起动电阻RST1切除RST2后，运行点移至固有机械特性上，对应c1-c2-p。T1(I1)T2(I2)a1a2b2b1baTL(IL)c1c2pc2.起动过程分析当电动机的运行点到达b2时，切除起动电阻RST1。切换转矩：T2=(1.1~1.3)TL切换电流：I2=(1.1~1.3)IL从起动点a1加速到a2点n不能突变b1点，加速到b2点切除RST1切除Rst2c1点，加速c2点，再加速到p点稳定运行。n不能突变起动全过程：T1(I1)T2(I2)a1a2b2b1baTL(IL)c1c2pc2.起动过程分析只要各级起动电阻值选择适当，使得切换转矩数值不变，就能加速起动过程，并使起动过程趋于平稳。直流电动机的转向由电磁转矩的方向决定。电磁转矩的方向由磁通的方向和电枢电流的方向共同决定：让直流电动机反转的方法有二：1.改变励磁电流的方向。2.改变电枢电压的极性。五、直流电动机的正反转控制注意：若两种方法同时采用，则电动机的转向保持不变！T=CTΦIa2）实际应用中，直流电动机实现反转，大多是采用改变电枢电压极性的方法。1）因励磁绕组的电感量很大，励磁电流从正向额定值变到负向额定值所需的时间比较长，反向过程缓慢，而且励磁绕组断开电源进行反接的瞬间，会产生很大的自感电动势，可能造成绝缘击穿，必须加装吸收装置。4）直流电动机直接反向会产生过大的冲击电流，需要设置制动环节，确保电动机停转后再反向起动。3）改变电枢电压极性实现反转时，若直流电动机容量很大，就需要采用灭弧能力强的大容量直流接触器，这使用不便。因此，容量很大的直流电动机在不要求快速反转时，常采用改变励磁电流方向实现反转。1.直流电动机正反转控制的注意事项他励直流电动机弱磁或失磁时，会引起转速迅速升高，甚至出现“飞车”事故。因此，在起动时，应先接入额定励磁电压，再接入电枢电压，或者二者同时接入，而且还要在励磁回路中设置弱磁保护。R3和VD构成放电回路，吸收励磁绕组的自感电动势，作过电压保护。过电流继电器欠电流继电器电枢绕组励磁绕组起动接触器短接起动电阻接触器起动电阻断电延时时间继电器断电延时时间继电器电枢串两级电阻，按时间原则分级起动。2.直流电动机电枢串电阻单向旋转起动控制延时结束合上Q1和Q2KT1通电KT1常闭触点断开切断KM2、KM3电路按下按钮SB2KM1通电KM1主触点闭合电枢串入起动电阻R1、R2，电动机

在低电压下起动KM1常开触点闭合自锁KT1断电延时KM2通电短接R1KT2断电延时短接R2电动机全压运行KM1常闭触点断开确保起动电阻R1、R2全接入KM3通电延时结束2.直流电动机电枢串电阻单向旋转起动控制1）起动前的准备2）起动过程电路中的保护环节长期过载和短路保护——过电流继电器KA1弱磁保护——欠电流继电器KA2过电压保护——电阻R3与二极管VD串联欠压失压保护——起动按钮SB2和接触器KM1配合2.直流电动机电枢串电阻单向旋转起动控制主电路控制电路正转接触器短接电阻接触器过电流继电器断电延时型时间继电器正转变反转行程开关反转变正转行程开关断电延时型时间继电器起动电阻欠电流继电器放电电阻反转接触器该电路通过改变直流电动机电枢电压极性实现正反转，能完成对运动部件的自动往返循环控制。3.直流电动机可逆运转起动控制例1.他励直流电动机起动时，没加励磁电压，就接通了电枢电压，会出现什么现象？请以TL=0和TL=TN两种情况来分析。思考与训练答：1）TL=0时：励磁绕组无电流，有一定的剩磁，即：Φ接近0，但不等于0。起动瞬间，转速n=0，反电动势Ea=CeΦn=0。由UN=Ea+IaRa可知，UN全部加在电阻Ra上，Ist=(10~20)IN。Ia很大，Φ≈0，电磁转矩Tst=CTΦIst数值并不大，但是Tst＞TL=0，电动机能够起动。起动后，n＞0，Φ≈0，使Ea＞0，但其值不大，UN的大部分仍加在电阻Ra上，Ia依然很大。由于Φ≈0，电磁转矩T=CTΦIa的数值仍然不大，但仍有T＞TL=0，电动机会不断加速。理想空载转速n0=UN/(CeΦ)，Φ≈0使得n0非常大。电动机的转速上升到接近n0的某一数值后，就达到“飞车”状态，不仅造成换向不良，强大的离心力还可能把转子绕组和整流子甩出来。思考与训练解：2）TL=TN时：起动之初与TL=0时情况相同，Ist=(10~20)IN。根据T=CTΦIa可知，由于Φ≈0，Ist=(10~20)IN，起动转矩Tst大于0，但数值并不大，Tst＜TL=TN，电动机无法起动，处于堵转状态。例1.他励直流电动机起动时，没加励磁电压，就接通了电枢电压，会出现什么现象？请以TL=0和TL=TN两种情况来分析。思考与训练例2.他励直流电动机在额定运行时，若励磁绕组突然断开，而电路中没有设置失磁保护，会出现什么现象？为什么？答：现象1：过流，超速，严重时会损坏电枢绕组及整流子。⑴当Ia增加的幅度大于磁通Φ下降的幅度时，电磁转矩T=CTΦIa增大，使得T>TL，转速n升高，电枢电动势Ea随之增加，Ia从最大值开始减小，使得电磁转矩T下降，当T=TL时，电动机在高转速下稳定运行，此时的电枢电流Ia和转速n都高于额定值。电枢电流Ia过大，会引起电枢绕组过热甚至烧毁；转速n过高会造成飞车事故。电动机额定运行时，T=CTΦIa=TL=TN，n=nN。励磁绕组断开，磁通只有剩磁，Φ大幅度减小。在励磁绕组断线的瞬间，由于机械惯性，nN来不及改变，电枢电动势Ea=CeΦnN跟随磁通Φ成正比地减小。由UN=Ea+IaRa可知，Ia急剧增加到最大值。思考与训练⑵如果剩磁Φ非常小，可能出现电枢电流Ia增大的比率小于磁通Φ下降的比率的情况，使得电枢的电磁转矩T减小，T<TL，转速n就会下降，直至停车，也就是出现堵转。但此种情况下，电枢电流Ia仍然远大于额定电流IN，仍然会引起绕组过热甚至烧毁。例2.他励直流电动机在额定运行时，若励磁绕组突然断开，而电路中没有设置失磁保护，会出现什么现象？为什么？答：现象2：过流，堵转，严重时会损坏电枢绕组及整流子。电动机额定运行时，T=CTΦIa=TL=TN，n=nN。励磁绕组断开，磁通只有剩磁，Φ大幅度减小。在励磁绕组断线的瞬间，由于机械惯性，nN来不及改变，电枢电动势Ea=CeΦnN跟随磁通Φ成正比地减小。由UN=Ea+IaRa可知，Ia急剧增加到最大值。项目七：轧钢机电动机的调速控制4123直流电机的工作原理与基本结构他励直流电动机的起动与反转他励直流电动机的制动控制他励直流电动机的调速控制5直流电动机的方程式和机械特性1.制动目的：一、直流电动机制动的基础知识1）能耗制动2）反接制动3）发电回馈制动4.常用的电气制动方法机械制动、电气制动。让电动机快速停车或匀速运行(安全保护)。3.制动方法：2.制动要求：制动迅速、平滑、可靠，能量损耗少。电气制动——使电动机产生一个与转速n方向相反的电磁转矩T，依靠电磁转矩T的阻碍作用让电动机减速或者停转。机械制动——在切断电枢绕组的电源后，利用机械装置迫使电动机停转。二、他励直流电动机能耗制动电动状态制动状态能耗制动过程中，电动机高速旋转的动能转换成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因而得名能耗制动。对正在电动运行的他励直流电动机，保持其励磁回路状态不变，切除电枢回路的电源，迅速接入一个外加制动电阻Rbk构成闭合回路。1.实现方法RbnIaTEaEa=CeΦnT=CTΦIa★电动状态：运行点在固有机械特性1上的a点n=-

Ra＋Rb

CeCTΦ2TUa=0，n0=0；串入Rb，β增大。2.能耗制动过程分析制动状态bTLa2n=-

T

=n0-βTUaCeΦ

RaCeCTΦ2★能耗制动状态：运行点在人为机械特性2上电动机处于电气制动状态时，运行点一定位于第Ⅱ或者第Ⅳ象限的机械特性上。因为只有在第Ⅱ和第Ⅳ象限，电磁转矩T与电动机转速n才是反向的。na=nb，Ea=Eb→Ia反向(Ia＜0)→T反向(T＜0)，制动开始→在T和TL共同作用下→n

→O点。n=0，Ea=0，Ua=0，Ia=0，T=0，TL=0→电动机停转。在O点:

bTLaTL2制动过程一直在减速1）带反抗性恒转矩负载能耗制动能耗制动（Ua=0）瞬间，在机械惯性作用下，运行点由a点跃变到b点，然后沿人为机械特性2下行：Ua=Ea+RaIa他励直流电动机Ea=CeΦnT=CTΦIa2.能耗制动过程分析2）带位能性恒转矩负载能耗制动n=0，Ea=0，T=0，TL≠0→电动机在TL作用下反向起动(n＜0)在O点，与带反抗性负载不同：→Ea反向(Ea＜0)→T再次反向(T＞0，制动)→在TL(大)和T

(小)作用下

n

→Ea

→Ia

→T

→到达c点，T=TL

，电动机稳定运行。a点→b点→O点，与带反抗性负载相同：能耗制动时，n不反向(n＞0)，Ia和T都反向(Ia＜0，T＜0)，运行点沿人为机械特性2下行。反向起动制动减速能耗制动运行→Ia再次反向(Ia＞0)c点为能耗制动运行点：在c点，n和Ea为负，Ia和T为正，T为制动转矩。结论：1）直流电动机拖动反抗性恒转矩负载能耗制动时，当转速n下降到0时，电动机就停转。在负载转矩TL带动下，电动机会反向起动并加速，运行点沿着人为机械特性进入第Ⅳ象限，并最终在第Ⅳ象限能耗制动稳定运行。反向起动制动减速能耗制动运行2）直流电动机拖动位能性恒转矩负载能耗制动时，当转速n下降到0时，电动机不会停转！2）带位能性恒转矩负载能耗制动制动过程(第Ⅱ象限)电动状态(第Ⅰ象限)Tn能耗制动运行(反向起动进入第Ⅳ象限)＋UfN－RbTLMIaTnTL＋UfN－RbMIaEa对反抗性恒转矩负载：Ea3.能耗制动原理图对位能性恒转矩负载：n=0时会停车(在O点)＋UfN－RbM直流电动机单向旋转能耗制动电气控制原理图电源接触器切除起动电阻接触器制动接触器电压继电器电枢电动势降至一定值时释放，让KM4断电结束能耗制动。制动电阻过电流继电器欠电流继电器断电延时型时间继电器断电延时型时间继电器起动电阻4.电枢串电阻起动、能耗制动控制电路三、他励直流电动机反接制动1.电枢反接制动（迅速停车或反转）

电动状态(第Ⅰ象限)Tn反接制动状态(第Ⅱ象限)－Ua＋系统的动能和反接电源的电能，均消耗在反接制动电阻Rb上。TL限制反接制动电流Ia反向T反向＋UfN－MEaIaRb2）能量关系电动运行的他励直流电动机，保持其励磁系统不变，把电枢反接在直流电源上，并在电枢回路串接制动电阻Rb。1）实现方法电动状态：运行点在固有机械特性1上n=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

T制动状态：运行点在人为机械特性2上n=-Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

Ta点→b点：na=nb，Ea=Eb→Ua反向，Ia反向(Ia＜0)→T反向(T＜0)

→c点

3）电枢反接制动过程→n↓↓

n=0，T≠0。→T和TL共同作用此时如果立刻断电，电动机就能准确停车。

制动过程

应立刻断电c点：

→制动开始若｜T｜<｜TL｜，电动机堵转。若｜T｜>｜TL｜，电动机反向起动，运行点进入第Ⅲ象限，TL反向，仍为阻力矩，T变为动力矩，二者在d点平衡，反向电动运行。若所带负载为反抗性负载，且未及时断电，则：在电磁转矩T和负载转矩TL共同带动下，电动机反向起动，运行点进入第Ⅲ象限，并不断加速，进入第Ⅳ象限。在第Ⅳ象限，转速n高于理想空载转速n0，电动机开始反向发电回馈制动，最终稳定在e点高速运行（下放重物）。

制动过程

应立刻断电n=0，T≠0。c点：若所带负载为位能性负载，且未及时断电，则：e发电回馈制动3）电枢反接制动过程2.倒拉反接制动（匀速下放重物）

电动状态(第Ⅰ象限)T倒拉反接制动状态(第Ⅳ象限)n＋UfN－＋Ua－TLMRbIaEa在提升重物的直流电动机电枢回路中，串接较大的电阻。n电枢回路串入大电阻之初，电动机仍然是电动状态，电枢电流Ia和电磁转矩T的方向都不改变，但是数值都减小了，电磁转矩T小于负载转矩TL，使电动机减速。当转速n减到0时，T仍小于TL，电动机反向起动，就进入了倒拉反接制动状态。1）实现方法n=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

Tn=Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

T电动稳定运行点(机械特性1上a点)制动稳定运行点(机械特性2上d点)制动状态2cbd电动减速反向起动最终，电动机在第Ⅳ象限的d点稳定运行（低速下放重物）。在c点电动机反向起动，进入第Ⅳ象限，转速n的方向改变，电磁转矩T的方向不变，属于倒拉反接制动状态。电动机转子回路串入大电阻后，运行点就跃变到电枢串电阻人为机械特性2上，在第Ⅰ象限时，转速n和电磁转矩T的方向都不变，属于电动减速状态。2）制动过程分析电枢回路接入Rb的瞬间→Ia

→T

→T＜TL

→n(由b到c，电动减速)Ea

→Ia

T,T＜TL→n

在c点，n=0，T＜TL→反向起动，进入第Ⅳ象限倒拉反接制动3）制动过程的物理原理制动状态2cbd电动减速反向起动Ua=Ea+(Ra+Rb)Ia他励直流电动机Ea=CeΦnT=CTΦIa电力拖动系统的运动方程:→

n＜0

，|n|

→Ea<0，|Ea|

→Ia

→T

→到d点，T=TL（匀速下放重物）①转子回路串入的电阻的阻值一定要适当。4）倒拉反接制动注意事项3②所串电阻Rb阻值越大，人为机械特性的斜率越大，稳定下放重物的速度就越高，如图中曲线2’所对应的d’点。③当所串电阻Rb阻值太小时，人为机械特性的斜率不够大，电动机就不能进入倒拉反接制动状态，如图中曲线3所对应的e点，处于低速电动提升重物的状态。en=Ua

CeΦ

-RaCeCTΦ2

Tn=Ua

CeΦ

-Ra＋RbCeCTΦ2

T电动稳定运行点(机械特性1上a点)制动稳定运行点(机械特性2上d点)该电路控制他励直流电动机按时间原则串电阻两级起动，带动设备自动往复循环运动，以反接制动加快换向过程。3.直流电动机可逆旋转反接制动控制电路由静止开始正转起动时的电枢电路同时合上Q1、Q2，按下正转起动按钮SB2，KM1得电动作，电枢绕组接入正转直流电源（左端接正极，右端接负极）。KM1触点动作，使得KV1、KT2、KT1得电动作，紧接着KM5得电动作短接电阻R4和KT1线圈，KT1线圈失电延时中，串入起动电阻（R2+R1）正向起动。KT1延时结束常闭触头复位，KM3得电动作，短接电阻R1和KT2线圈，KT2延时中，保留起动电阻R2继续起动。KT2延时结束常闭触头复位，KM4得电动作，短接电阻R2，起动电阻全部被切除，起动结束，M额定运行，带动运动部件前进。前进到位，压下限位开关SQ1，KM1失电（KV1、KM3、KM4、KM5线圈相继断电），切断M正转电源，接着KM2得电，接通M反转电源（右正极，左负极），M串两级电阻反向起动。工作过程分析正转变反转时的反接制动电枢电路正反转电枢电源换接时，由于机械惯性，电动机的转速n和电枢电动势EM的大小和方向都来不及变化，EM的方向与电枢所串电阻的电压降方向相反。当转速n≈0时，EM≈0，KV2线圈电压加大使其常开触点闭合，KM5得电，短接反接制动电阻R4，同时KT1线圈断电开始延时，电动机串入电阻R1+R2反向起动。转速n降低，使电枢电动势EM减小，KV2线圈电压逐渐增加。加在KV2上的电压（EM与电阻电压降之代数和）很小，KV2不能动作，KM3~KM5线圈都不得电，串入全部电阻（R2+R1+R4）反接制动，转速n迅速下降。KT1延时结束常闭触头复位，KM3得电动作，短接电阻R1和KT2线圈，KT2延时中，保留起动电阻R2继续起动。KT2延时结束常闭触头复位，KM4得电动作，短接电阻R2(切除全部电阻)，起动结束，M额定运行，带动运动部件后退。工作过程分析四、发电回馈制动常用的两种发电回馈制动：在某条件下，当直流电动机出现转速n高于理想空载转速n0的情况时，电枢电动势Ea大于电枢电压Ua，电枢电流Ia和电磁转矩T都反向，向电源回馈电能，但转速n方向不变，电动机处于制动状态。1.位能性负载拖动电动机高速运转的发电回馈制动保持直流电动机电动状态的接线不变，拖动位能性恒转矩负载时，位能性恒转矩负载能使电动机加速运行至发电回馈制动状态。2.降低电枢电压调速的发电回馈制动保持直流电动机电动状态的接线不变，通过降低电枢电压使转速由高速变为低速的过程中，电动机可能就会经历一段发电回馈制动状态。1）直流电动机拖动电车在平路上电动运行直流电动机拖动电力机车在平路上运行时，电磁转矩T是动力矩，负载转矩是摩擦转矩Tf，它属于反抗性恒转矩负载，是阻力矩。此时，电动机的转速n低于理想空载转速n0，电枢电压Ua大于电枢电动势Ea，电动机处于电动状态。1.位能性负载拖动电动机高速运转的发电回馈制动2）直流电动机拖动电车下坡的发电回馈制动直流电动机拖动电力机车下坡时，负载转矩是摩擦转矩Tf和机车的重力转矩TW之和，摩擦转矩Tf仍然是阻力矩，重力转矩TW是动力矩，电磁转矩T变成阻力矩。此时，电动机的转速n与电动状态时方向相同，但数值高于理想空载转速n0，电枢电压Ua小于电枢电动势Ea。电枢电动势Ea向电网供电，电动机处于发电回馈制动状态。1.位能性负载拖动电动机高速运转的发电回馈制动合成负载转矩TL2是动力矩，刚下坡时，TL2和电磁转矩T一起使电机加速→运行点进入第Ⅱ象限→n＞n0→Ea＞Ua→Ia＜0→T＜0，制动开始，|T|

→到达b点，TL2=T，电机稳定运行。3）电车下坡的发电回馈制动过程分析OTn1n0TL12TL23ab电车在平地行驶时，电动机在a点稳定运行，T=TL1=Tf，电动状态。电车下坡时对应的电动机机械特性，是固有机械特性在第Ⅱ象限的延伸段，稳定运行点为b点，回馈制动。

直流电动机将电车下坡时失去的位能变成电能，小部分消耗在电枢绕组上，大部分回馈给电网，为发电回馈制动状态。TL1=Tf

>0TL2=Tf

-TW<0电动状态制动状态此时，合成负载转矩TL2是拖动转矩，电磁转矩T是制动转矩，抑制了转速的继续上升，使电车稳定在转速nb匀速下坡。电动状态(第Ⅰ象限)n

→Ea

→Ia(T)

→n=n0,

Ea=Ua,T=0发电回馈制动状态(第Ⅱ象限)n

→Ea

(＞Ua)→Ia(T)＜0→|T|

nTEa＋Ua－Ia＋UfN－TLM4）发电回馈制动原理分析n＋UfN－＋Ua－TLMEa＋UfN－＋Ua－TLIanMTEa＋UfN－＋Ua－TLnIaMTEa电动加速(第Ⅰ象限)位能性负载转矩使n=n0(运行点在纵坐标轴上)2.降低电枢电压调速的发电回馈制动在额定电枢电压下，直流电动机在固有机械特性曲线上的a点，以转速na稳定运行，为电动状态。当转速降至n01之后，电磁转矩T再次反向，变为拖动转矩，电动机恢复电动状态，运行点回到第Ⅰ象限。刚进入第Ⅰ象限时，T小于TL，电动机电动减速，T开始增大。T增大到等于TL时，电动机在a’点以低于na的转速稳定运行。由于机械惯性，转速n不能突变，降压瞬间，运行点由a点跃变到b点，nb=na>n01，Ea>U1，电枢电流Ia和电磁转矩T都反向，T变为制动转矩，与TL共同作用使转速迅速下降，动能变为电能回馈给电网，区间nb至n01为发电回馈制动状态。当电枢电压降为U1时，理想空载转速降为n01，运行点转换到U1对应的人为机械特性上。电动减速发电回馈制动五、三种电气制动方法的比较制动方法优点缺点应用场合能耗制动1）制动线路简单、制动平稳可靠，制动过程不吸收电能，经济、安全。2）能实现准确停车。制动效果随转速下降而成正比地减小。要求平稳减速的场合，例如：反抗性负载准确停车，也用于下放重物。反接制动1）电枢反接制动转矩随转速变化较小，制动转矩较恒定，制动强烈而迅速。2）倒拉反接制动的转速可以很低，安全性好。1）电枢反接制动有自动反转的可能，在转速接近0时，应及时切断电源，能量损失大。2）倒拉反接制动要从电网吸收大量的能量。1）电枢反接制动应用于频繁正、反转切换的电力拖动系统中。2）倒拉反接制动不能用于停车，只能应用于起重设备以较低的稳