Chapter 02第二章 直流电动机的电力拖动

第2章直流电动机的电力拖动,第2章直流电动机的电力拖动,电力拖动是指电动机使生产机械的工作机构产生运动。本章以他励直流电动机的机械特性为基础，来研究电力拖动的有关问题，如能量传递、起动、制动和调速等。研究电力拖动系统静态特性的目的，在于掌握拖动系统的转矩和转速的特性，各种不同状态特性的变化规律，以及各种参数对特性的影响，例如，电网电压，励磁电流以及电枢电阻等参数对特性的影响。本章除研究他励直流电动机静特性之外，还研究电力拖动系统的动态特性。定性分析和定量计算过渡过程中的转速，转矩和电流的变化规律与过渡过程的时间计算。,2.1他励直流电动机的机械特性,机械特性,是指电动机产生的电磁转矩T与转速n之间的关系,即n=f(T),它是电动机机械性能的主要体现,故称为机械特性。,固有机械特性,1机械特性方程图21所示，是他励直流电动机电枢电路原理图，为电枢回路串接的附加电阻，为励磁回路绕组电阻。由21图中可以列出他励直流电动机的电压平衡方程式：(21)式中U为电源电压；为电动机反电动势；为电枢电流；为电枢回路电阻。,从第2章已知和，将其代入式(21)整理得到：(22)式(22)反映了转速n与转矩T的关系，称为他励直流电动机的机械特性方程式。当电枢回路中串接附加电阻时，则可得出机械特性的通用方程式：(23)式中叫理想空载转速；,是机械特性的斜率，为转速降落。式(22)与式(23)用曲线表示,如图22所示。可见它是跨越三个象限的一条直线。随着电磁转矩T自负到正的增大，转速n要下降，直至反转。图22中1点：，T0，由此可知，。此时电动机没有产生转矩，电机以转速旋转。这是电动机轴上没有负载，空载转矩也不存在的情况，是一种理想的状态，称为理想空载运行。,图22中2点：，n0，则，由此可知。该电流为起动电流，对应的2点转矩，叫做起动转矩。,2.1.1固有机械特性,当保持,电枢回路不串接附加电阻时,所得到nf(T)特性曲线称为电机的固有机械特性,又称为自然机械特性。机械特性方程式为：（24）图23所示，为他励直流电动机的固有机械特性曲线。由图可见：,（1）当T0时，直流电动机工作在理想空载状态。（2）当时，直流电动机轴上无输出功率，此时，为他励直流电动机的实际空载转速。,（3）当时，令称为固有机械特性斜率。则转速。从特性曲线上可以看出，随着电动机的电磁转矩增加（即轴上负载增大），转速下降。由于电枢回路中未串入附加电阻，R=0，所以其斜率N值较小，额定速降nN也较小，属硬特性。,2.1.2人为机械特性,人为机械特性是指由于生产实际的需要，人为地改变式（23）中某一个电动机参数得到的不同的机械特性。1.电枢回路串接附加电阻R时的人为机械特性当保持,的条件下，电枢回路中串接附加电阻时，其电路原理图如图21所示，机械特性方程式为：（25）依据式（25）可知，电枢回路串接电阻人为特性的特点：,（1）因为,，所以。（2）由于R0，当式（25）中R分别为：R1R2R3时，得一族人为机械特性曲线如图24所示。由于n0=常数，所以n随R的增大而增加，特性变软，是一族起始于n0的放射状特性曲线。且所串电阻越大,特性越软。,2.改变电动机电枢电压的人为机械特性,保持电机气隙磁通=N（即:If=IfN），电枢回路一般不串接电阻的条件下，通过改变电枢两端电压U得到的人为特性，其电路原理图和人为特性如图25所示，机械特性方程式为：（26）,由式（26）可知，改变电压U人为特性的特点：（1），当电压U变化时，导致n0与U正比变化，即U下降，n0下降（2）由于=N不变，R=0，所以特性硬度不变，当负载不变时，即转速降n不变。由此可见调压人为特性，是一族与固有特性平行的特性曲线。,3.减弱电动机磁通的人为机械特性,当保持U=UN，电枢不串接附加电阻条件下，通过改变电动机励磁磁通（即改变励磁电流）得到人为特性。其电路原理图和特性曲线如图26所示。机械特性方程式为：（27）由于一般电动机在额定励磁下运行时，电机的磁路已接近饱和，所以只能在额定值以下减弱磁通。从式（27）中可知弱磁人为特性特点：,（1）因为，所以下降小于N时，n0与成反比，下降，n0增加。（2），可见斜率，n=T，T一定时，下降，n增大，特性变软。由此可见,在弱磁时,得到一族不平行人为特性。从前面分析中可知，减弱磁通时，理想空载转速n0升高，而且n0与成反比，转速降n与平方成反比。这是因为理想空载时，外施电压UN与电机反电势Ea相等，,因为Ea=Cen，当减弱时，只有n0相应升高，才能维持UN=Ea的平衡关系，所以n0与成反比。再看n，当电机轴上加一负载时，电动机转速下降，反电势Ea减少，电枢电流Ia增大，电机的转矩T增大，与负载转矩相平衡。又由于磁通减弱，会使Ia增大的更多，即转速降n更大。,从上面讨论的他励直流电动机固有机械特性和人为机械特性中可知，对于一台特定的电动机而言，固有特性只有一条，而它的人为特性有三种型式，无限多条。前面在讨论固有特性和人为特性时，都是认为=常数不变的条件下，实际上，电动机在负载运行，当电枢电流较大时，由于磁路的饱和影响，电枢反应的去磁作用不可忽略。由于电枢反应的去磁作用，使每极磁通量有所减小，其结果使转速n升高。,于是在负载较大时，机械特性会呈上翘现象，这对电动机稳定运行不利。为了避免特性的上翘，往往在主磁极上加一个匝数不多的串励绕组，其磁势可以抵消电枢反应的影响，这样电机实质上已变为积复励，由于串励绕组匝数很少，串励磁势较弱，机械特性几乎与没有电枢反应时相同，这样，仍可视为他励直流电动机。因为加了串励绕组，有利于电动机的稳定运行，所以称此绕组为稳定绕组。这样在讨论问题时，就完全可以忽略电枢反应的影响，而认为磁通为常数了。,2.1.3根据名牌数据计算机械特性,机械特性是直流电动机的重要特性之一，它是研究电力拖动系统运行状态的主要依据，为此，必须很好地掌握机械特性的绘制与计算。他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性都是直线，只要的找出特性上两个任意点，便可以画出机械特性曲线。工程上绘制机械特性时，通常都是依据产品目录查得有关的数据，经过计算绘制出来的。下面先看固有特性的计算与绘制。一般从电动机铭牌上给出了额定功率PN，额定电压UN，额定电流IN和额定转速nN等数据。依据这些数据经过一定分析计算，即可绘制固有机械特性，步骤如下：,1.计算n0式中CeN未知，可由电压平衡方程式求得：式Ra中未知，可由下面两种方法求得。,（1）实测，对于实际电动机，可用伏安法实测，测试线路如图57所示。由于电刷与换向器的接触电阻受电流影响很大，当渡过的电流很小时，接触电阻很大，与实际运行时数据不符，因此不能用万用表测量Ra，需要用伏安法。测试时，励磁绕组开路，给电枢绕组加上直流电压。如果由于剩磁的作用，会使电动机爬行，这时可将电枢绕组断开电源，给励磁绕组加一电压，以使励磁绕组中流过电流产生的磁通与剩磁方向相反。去磁后，再将电枢绕组合向直流电源，调节Ua，将电枢电流Ia调整在0.5INIa1.2IN之间，并转动电枢，在互差120左右位置上测量三组数据，计算Ra(Ra=Ua/Ia)，取平均值作为Ra实测值。,(2)估算:如果没有实际电机,可依据经验公式估算Ra。（28）式中单位为PN单位瓦，UN单位为伏,IN单位为安。式（58）依据是，额定负载下的铜损耗约占总损耗的。由于电机容量越大，相对铜损耗越小，这样容量大的电机Ra取小值，小容量的电机Ra取大值。有了Ra便可以计算CeN，从而计算出n0。,2.计算额定电磁转矩TN,额定工作点的转速nN为已知数，只需求出TN在工程计算中,T0很小时，可以忽略不计，则：式中PN单位为千瓦。如果常数取9.55时,式中PN单位为应瓦。最后根据求到的两个点（n=n0,T=0）与（n=nN,T=TN）画出固有机械特性。在此基础上绘制人为机械特性就比较简单了，只要将相应的参数值代入人为机械特性方程式便可求出。,例21他励直流电动机，PN=10kW，UN=220V，IN=53.7A，nN=3000(r/min)，计算：（1）固有机械特性（2）电枢回路串R=1.74电阻人为特性;（3）电枢回路串R=5.84电阻人为特性（4）电枢电压U=110V时人为特性；（5）当=0.8N时人为特性。,解：利用机械方程式：绘制机械特性，先求电枢电阻：,（1）固有机械特性或。过（0,n0），（TN,nN）两点作图，见图28。,（2）串接R=1.74电阻人为特性人为特性方程式为或当T=TN,时，Ia=IN则：过（0,n0）和（TN,n）两点作图，见图28。,（3）串接电阻R=5.84人为特性此时人为机械特性方程式或当T=TN,Ia=IN时则：过（0，n0）和（TN,n）两点作图，见图28。,（4）电枢电压U=110V时人为特性人为机械特性方程式或当T=TN,Ia=IN时，则：过（0，n0）和（TN,n）两点作图，见图28。,（5）当=0.8N时人为特性人为机械特性方程式为：,或当时T=TN,时，则，过（0，n0）和（TN,n）两点作图，见图28。,2.1.4电力拖动系统稳定运行的条件,1.电力拖动系统平衡与稳定运行的概念如图29所示，电动机外加额定电压UN，励磁电流也为额定值。假定这时电动机以某一速度n运行，由动力学知识可知，这时电动机产生的电磁转矩T，必定与负载转矩TN（空载转矩T0忽略）相平衡，即T=TN，这种运行状态称为平衡状态。也就是说，电动机平衡运行状态时产生的转矩，取决于轴上负载转矩的大小，两者大小相等，方向相反。拖动系统的这种运行状态可用图210所示特性曲线予以描述。,只有在电动机机械特性和负载机械特性曲线有交点（T=TN），在交点处电动机的转矩与负载转矩才相平衡。在交点A处T=TZ，转速为nA,在交点B处T=TZ，转速为。由此可见A点与B点都是电动机的平衡运行状态。所谓稳定运行，是指电力拖动系统，若原来处于一种平衡运行状态，在某种扰动作用下，离开了原来的平衡状态。但是能够在新的条件下达到另一种平衡状态，或者在扰动消失后，能够恢复到原来的平衡状态。于是我们说电力拖动系统原来的运行状态是平衡的，又是稳定的。称为平衡稳定运行状态，反之则不是稳定运行状态。,2.运行状态分析（1）图210是他励直流电动机拖动的恒转矩负载，当突然增加负载的变化过程。在A点，负载转矩TZ较小,T=TZ,n=nA，这时是一种平衡运行状态。由于生产工艺要求，负载转矩TZ突然增加为TZ。在突加负载的一瞬间，由于机械惯性原因，电机的转速还来不及改变，仍为nA，可是TZTZ，从运动方程式可知，系统减速。,在减速过程中，。一直到T升高到时T=TZ，系统由交点A过渡到交点B，进入新的平衡状态，以n=nB转速平衡运行，减速终止，系统稳定运行在B点。当负载转矩由TZ突然减小到TZ时，系统会从B点过渡到A点的。我们把这种情况的平衡状态称为稳定的平衡运转状态。,(2)图211是电源电压波动时情况变化过程。系统原工作在平衡点A，电源电压为U1，相应地电机机械特性为曲线1。由于某种原因，电网电压突然由U1降为U2，电机的机械特性曲线变为曲线2。电压波动瞬间，由于机械惯性的影响，转速来不及变化。由Ua=Ea+IaRa式可知：由于U突然下降,反电势Ea不变,则电枢电流突然减小,转矩T也相应突然减小,工作点由A点过渡到C点。,负载转矩TZ未变，于是出现了TTZ，破坏了原来的平衡状态。从运动方程式可知，系统减速系统沿曲线2减速到B点，出现了T=TZ，n=nB又以nB转速恒速运行。也就是说，系统在扰动作用下，离开了原来的平衡位置（A点），在新的条件下又达到了新的平衡位置（B点）。如果扰动消失，电压由U2恢复到U1，系统运行点会从BDA，能恢复到原来的平衡位置。所以这个平衡状态是稳定的。A点是稳定运行点。,同理，电压突然升高，这个平衡状态也是稳定的运行状态，读者可自行分析。图212是恒转矩负载特性与上翘的机械特性相配合的情况。他励直流电动机存在较强的电枢反应。当电压为U1时，电力拖动系统运行在特性曲线1上的A点，T=TZ，n=nA，系统处于平衡状态，但能否稳定运行呢？假如由于某种原因使电网电压降低，电压由突然由U1降至U2（对应曲线2），降压瞬间nA来不及变化，由于电枢反应的作用较强，此时电磁转矩突然变为TB，则有TBTZ，使系统加速。,。随转速的增加，转矩也增大，则转速继续增加，直到系统转速太高，电枢电流过大，使得换向困难，电机过热。同时转速n过高，机械强度不够，导致电机毁坏。可见系统不会达到新的平衡状态，A点不是稳定运行点。,通过对图210，图211，图212的分析，可见系统能否稳定运行，完全取决于电动机的机械特性与负载机械特性的配合。下斜的电机特性与恒转矩（或风机、泵类负载）负载特性相配合，电力拖动系统能够稳定运行；上翘的电机特性与恒转矩负载相配合时，电力拖动系统不能够稳定运行。这也是他（并）励直流电动机得到广泛应用，而差复励电动机很少被采用的原因所在。同时也解释了电枢反应电动机机械特性上翘，为什么不利于电动机稳定运行的问题。,3.稳定运行的条件,从上面对于稳定运行与否的分析看出，在电力拖动系统中，电动机的机械特性与负载转矩的特性有交点，即nA，T=TN仅仅是系统稳定运行的必要条件。系统要稳定运行，还需要电动机特性与负载特性两条特性配合恰当。,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：（1）电动机的机械特性与负载的机械特性必须有交点，即T=TN；（2）在交点（T=TN）处，；对恒转矩负载，因为，所以平衡稳定的充要条件是,在T=TN处，。,此外还可以用另一方法来判断电力拖动系统是否稳定运行。因为不论什么扰动，都使转速n产生一个增量。如果这个增量是正的，即转速上升一n个，应有TTZ。当扰动消失后，迫使转速n下降，又回到原来的平衡状态。反之，如果这个增量是负的，即转速下降了一个n，则应有TTZ使转速上升，也可以使系统回到原来的平衡点运行。这样的平衡运行状态是稳定运行状态。所以平衡稳定运行的条件，也可以规定为：“在两条特性曲线的交点处所对应的转速以上，应该保证TTZ；在这一转速以下，应该保证TTZ。,2.2他励直流电动机的起动2.2.1他励直流电动机的起动过程,起动是指电动机接通电源后，转速从n0开始升高，一直到某一稳态转速的全过程。众所周知,电机在起动开始瞬间,由于n0,反电势Ea=0,电机电枢绕组电阻Ra很小,所以将电机直接接入电网额定电压时,将会产生过大的电枢堵转电流Idu:(29)堵转的电枢电流,一般情况可达到额定电流的1020倍,即=（1020）IN。,这种超过电机允许电枢电流很多倍的堵转电流，将会引起严重后果。（1）从电机本身来说，过大的起动电流通过电刷和换向器表面，会导致换向困难，电刷电流密度过份增大，在换向器表面产生强烈的火花，严重时还会形成环火，烧伤换向器表面，甚至损坏换向器；（2）在电枢绕组中通过远远超过设计范围的电流,瞬时间产生很大电动应力,会损坏绕组；（3）由于过大的电枢电流,产生过大的起动转矩,引起过大的加速度,可能会损坏机械传动部件;,（4）过大的电枢电流，会引起网路的电压波动，甚至导致保护装置动作。综上所述，除非在特殊情况下，否则直流电动机是不允许直接起动的。在直流电动机起动的过程中，为了限制起动电流过大，一般采用两种方法：一种是在电枢回路中串接适当的附加电阻,来限制过大的起动电流待转速升高，由于转速升高导致反电势增大,又进一步使电枢电流相对减少，当电机达到某新的转速后再逐级切除附加电阻，直到电动机达到要求的转速。第二种是降低电枢电压，来限制电机的起动电流。当然，在电机起动时，为了保持有足够的转矩，应该将励磁绕组通入额定的励磁电流。,2.2.2电枢回路串起动电阻的计算,接线图如图213所示，图中用接触器1K，2K，3K分别短接起动电阻RR1,R2,R3。电枢回路串接起动电阻后，将电流限制在允许范围之内。一般允许最大电枢电流为（1.82.5）IN,最大起动转矩为（1.82.5）TN。随转速的上升，反电势升高，电枢电流和转矩T减小。通常只要T(1.11.2)TZ,系统便可以继续加速。,为了限制起动电流，起动瞬间应该串入全部电阻，即接触器1K，2K，3K的线圈全不通电，其接点处于常开状态。将电枢回路合向电源，电枢电流Ia=I1，电机沿图213（b）中所对应的特性由a点加速，到b点，令接触器3K常开触点闭合，切除R3。在切除R3瞬间，由于转速来不及变化，电枢电流突然增大为Ia=I1，电机电磁转矩突然增大，从b点过渡到c点，电机沿特性加速到d点。这样逐级切除电阻，直至加速到稳态运行点W，起动过程结束。,电枢回路电阻分级起动的特点：适当地选择起动级数，可以得到较佳的起动效果，即起动过程平衡性能较好，起动过程持续时间合理。因为起动电阻级数越多，起动设备越庞杂，为了保证直流电动机顺利起动，又使起动设备不过于庞杂，通常电阻级数m24，如果各级电阻的容量按长期工作制选取，则分级起动电阻，可兼做调速电阻。这种起动方法，起动速度不平衡，能量损耗大，经济性能不好。,4.2.3降压起动,降低电枢外施电压U，可以限制起动过程中电枢电流在允许范围之内。原理图214所示。因为电源电压是可调的，所以整个起动过程中，利用自动控制方法，可以使电枢电流保持为某值近似不变，以获得最佳的起动效果。降压起动的特点：起动性能好，指起动过程中，平滑性好，能量损耗小，起动过程持续时间短等；可调压的直流电源装置还可以实现无级调速；易于实现自动控制。这种装置要求有单独的可调压直流电源装置，设备复杂，运行费用高。,可调压直流电源有直流发电机与直流电动机组成的GM系统，以及由晶闸管整流装置与直流电动机组成的SCRM系统。但是由于GM系统的缺点比较突出，正在逐渐被SCRM系统所取代。,2.3他励直流电动机的调速,为了提高生产率和产品质量，生产机械的合理运行速度必须随具体的工艺要求而改变。例如，车床切削加工时，精加工用高转速，粗加工用低转速。龙门刨刨切时，刀具切入和切出工件用低速度，中间一段切削用较高速度，而工作台返回时用高速度。轧钢机，在轧制不同钢种或不同规格的钢材时就要求用不同轧制速度。总之，各种各样的生产机械，根据其工艺过程，对电力拖动系统提出调速的要求，也是不一样的。调速是指通过人为的方法改变电力拖动系统的转速,以满足生产工艺需要的过程。又称为速度调整。通常采用的方法：,（1）机械调速，它是借助于机械的齿轮减速箱和离合器来完成，其特点是在调速时必须停机，多为有级调速；（2）电气调速，它是用改变电动机的参数来实现地，它简化了机械传动与变速机构，其特点是在调速时不用停机，可以实现无级调速；（3）电气机械调速，上述两种方法都采用的混合方法，称为电气机械调速。,必须指出，所谓速度调节和速度变化是两个不同概念。速度变化，是指由于负载转矩的增大（或减小），而引起电机沿某一条相应的机械特性上发生转速的下降（或升高）。这种是负载变化而一起的转速变化，它不属于调速范围。速度调节，是指在任何一个不变的负载下，人为地改变电机电路中的参数，以改变电动机转速。,本节主要分析电气调速的有关问题。直流电机的机械特性方程为从直流电动机的机械特性方程式，可见，改变串接到电枢回路中的电阻R，改变施加在电枢两端电压U，以及改变主磁，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，达到速度调节的目的。,2.3.1.电枢回路串电阻调速,当电枢回路串入不同的电阻时，可以改变电动机的转速。图215所示是串电阻调速原理图和机械特性。通过控制接触器1K，2K，3K。可以在电枢回路中串接不同电阻R1，R2，R3，从而得到人为特性1、2、3、4。显然，在某一负载转矩下，改变R值的大小（R3R2R1），就可以得到不同的稳定转速nD,nC,nB,nA。,这种调速方法的特点是：串入的电阻值越大，得到的转速越低，通常在额定负载时电机运行在固有特性上，转速n=nN，nN称为基速。那么串电阻调速是在基速以下调速；由于电阻只能分段变化，所以是有级调速，平滑性差；由于负载运行时，电枢电流较大，电阻上消耗能量很大，效率低，经济性能不好,当=N时TCTNIa=常数，属恒转矩调速性质。其输出功率与转速成正比，即P=T=Kn。此种调速方法线路简单，所用设备少，在一些对调速性能要求不高的设备上应用。如起重机，电车和电机车等。,2.3.2.降压调速,保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串接附加电阻，降低电枢两端施加电压为不同的大小，在负载转矩不变时，可以得到不同运行速度。如图216所示。目前广泛采用晶闸管供电调速装置。机械特性方程式为：式中USCR为晶闸管整流装置电压；RSCR晶闸管整流装置的等效内阻；,当USCR=UN时得到固有特性，若改变USCR大小时，理想空载转速n0发生变化，n0USCR。当USCRUN时，电动机拖动负载运行在不同的转速上，如图216（b）所示，该图中所示负载为恒转矩负载，当USCR由UN降到U1，U2，U3时，工作点由A点变为A1，A2，A3各点。电压USCR越低，转速也越低。,这种调速方法的特点：电压降低时转速降低，是在基速以下调速；调速稳定性好，在降压时，由于n0U下降，而特性斜率与电压无关，所以特性硬，稳定性好，而且调速范围大；调速平滑性能好，这是因为电压USCR可以连续调节，从而实现了无级调速；这种调速方法可以改变USCR来起动电动机，而不需其它起动设备。在n0时，反电动势Ea0，在开始起动时到正常运行过程中，,升高电压应以电枢电流不超过最大值为限，可由调整电压上升速度达到；调速的允许输出，降压时，=N，Ia不变，故输出转矩不变，与转速无关。调压调速属恒转矩调速方法；调速过程中因R=0所以能量损耗小，效率高，经济性能好；负载转矩不变时，转速降n与U无关。降压调速时，机械特性为硬特性，系统的稳定性好。,鉴于上述特点，降压调速对于要求调速性能较高生产机械中，得到广泛应用。如重型机床、龙门铣床、轧钢机等。应当指出调压的限制条件，当向高速调节时，最高电压受到换向器片间电压限制，不能超过额定电压，通常都是在UN以下调节。这种调速方法，需要可调电压的装置，投资较多，设备比较复杂。,2.3.3.弱磁调速,改变磁通的调速方法，一般是指在额定磁通以下改变，即N。这是因在额定磁通时，电机磁路已接近饱和，既使励磁电流增加很大，磁通也不能显著增加。而且，使磁路更加饱和。所以改变磁通调速时，只能是在额定磁通以下调节，称为弱磁调速。小容量的系统可以在励磁回路中串调节电阻，大容量的系统中，目前多采用晶闸管整流装置。其线路原理图如图217所示。机械特性方程式为：（211）,可见，弱磁时不仅可以改变n0（n01/），同时负载不变时可以改变速降n（n1/2）图中曲线1为固有特性，弱磁后N，得到曲线2，曲线3。下面分析理想空载转速n0（212）当UN不变时，减少，n0增大。为什么减少会使n0升高呢？因为减弱的瞬间，其反电势Ea必然减少；又因为n=n0时，Ia=0，这时要使电枢电路中电压平衡，反电动势必须增加到与电压相等才可以，即U=Cen,可见反电动势增加只能靠转速的增大。所以在理想空载时，减弱，n0必须升高。,其次分析转速降：n（213）由式(213)可见,当减弱时,n1/2，n增大。因为减少，反电动势Ea减少，电枢电流Ia增大。但由于负载转矩TZ不变，电机在弱磁的条件下，仍应产生和负载转矩相等的电磁转矩。当稳定时，由于减少，要维持T=TZ=常数，必然使电枢电流Ia增加的更大。,这是由于通过电枢电阻Ra上的压降，比不减弱时的大，于是转速降n比没有弱磁时大。而且n1/2，所以，减弱时，n将与的减少成平方倍增大，减少的越多，n也相应地增加的越多。再分析堵转点时的电流Idu和转矩Tdu，所谓堵转，即电枢转速n=0，电流为堵转电流Idu。（214）而堵转时转矩为Tdu（215）,与此时对应的机械特性和转速特性如图218示。从式（214）和图218（a）中均可看出，堵转时电流Idu不论为多少总是不变的。只与外加电压UN和电枢电阻Ra有关。这是因为n0时,Ea=0,的大小对Ea已无影响了,虽然此时0,但Ea=0，Idu与无关恒定不变。由式（215）和图218(b)中均可看出,堵转时的转矩Tdu随着的减少而减少。这是因为在堵转时，Idu虽然不受的影响，但因为Tdu=CTIdu所以减少时，Tdu将减少。,下面分析一下弱磁调速过程，假设电动机原工作在图217（c）中的A点，将磁通从N减弱到1瞬间，由于转速n不能突变，反电动势,Ea与成比例减小为Ea1=Ce1nA。从UN=Ea+IaRa知，由于Ea减小Ea1到，电枢电流由原值增加为Ia1，而且由于EaIaRa，Ea减小的数值与IaRa增加的数值相等，同时Ea基数大，IaRa基数小，相对地讲，Ea减小的不多时，Ia就增加很多。,由于电枢电流增加很多，即使减小了，也使得转矩T增加到A点，数值为TA，出现了TATZ，使系统沿特性2升速。在系统升速过程中，电动机随着n的升高，Ea升高又使Ia下降很大，则T下降很大，最终稳定B点，以nB转速稳定运行。需要说明的问题：（1）从T=CTIa看到，在改变的瞬间电流突然增加了，虽然减小了，可是T还是增加，这是因为Ia增加的量大于减小的量所致。,（2）在调速过程中，开始时Ia增加，后又减小，当负载转矩TZ不变时，两个稳定时的转矩不变，即CT1Ia1=CT2Ia2，由于12,显然Ia1Ia2说明，他励直流电动机拖动额定的恒转矩负载（Ia1=IN）时，如果进行弱磁调速，电枢电流将超过额定值，长期运行是不允许的。（3）励磁回路中有很大的电感，不容忽视，所以IL与都将按指数规律衰减，而且不能突降，以致Ea、Ia也不能突变，结果是电流最大值减小并且滞后，使得转速上升过程缓慢。,弱磁调速特点：调速方向，是基速以上调速；由于IL较小，可以连续调节，所以调速的平滑性好，能够实现无级调速；相对稳定性好；考虑到长期运行时电枢电流Ia=IN，在弱磁时，Tmax=CTIN=K，在下降时，Tmax相应下降，因为，则有：,K，C和C均为比例常数。从而可以得出，弱磁调速允许输出属恒功率性质；调速经济性好，损耗小，效率高，投资少，控制方便。弱磁调速多用于具有恒功率性质的生产机械上，如重型机床，大型立式车床，轧钢机等。为了扩大调速的使用范围，弱磁调速多与降压调速配合使用。,例22某台他励直流电动机，P0=100KW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，电枢电阻Ra=0.044，电机拖动恒转矩负载额定运行，求：（1）若使电机以500r/min运行，如何实现；并计算有关参数。（2）若将磁通减小为0.9N，求电动机的稳定转速及电枢电流为多少？,解：（1）因为要求转速低于额定转速运行，所以只能采用电枢回路串附加电阻和降压调速，两种方式运行。,采用电枢回路串电阻时，R为：采用降压时，所需电压U为：,（2）弱磁调速时转速要高于额定转速，额定负载时电枢电流超过额定电流。因为=0.9N所以，CT=0.9CeN，则稳定转速为：,弱磁后，由于TN=CTNIN=CTIa，所以稳定电枢电流Ia为：,2.4他励直流电动机的制动运行状态,我们讨论了拖动系统中电机的电磁转矩T与转速n的方向一致时的运行状态，即电机的电动运行状态。此时电网向电动机输入电能，电动机将电能变为机械能以拖动负载。电动机的电磁转矩T与转速n的方向相反时，说明电机从其轴上吸收机械能，并转化为电能，这是制动状态的主要特征，可见，从能量转换的角度看，电动机的制动运行状态和发电机运行状态相近。,但是，发电机运行状态下的电机必有电功率输送到电网或负载，而制动状态下这部分电功率则可能全部消耗在电机内部。因此在电机理论中，将电机的制动状态与发电机状态和电动机状态一起并列为电机的三种基本运行状态。电动运行，制动运行及发电状态。其中电动状态分为正向电动运行状态和反向电动运行。,（1）正向电动运行状态,正向电动运行时，电动机工作在电动机机械特性曲线的第一象限。电磁转矩T0，转速n0。T与n同方向，T为拖动性转矩。如图219所示。,（2）反向电动运行,电动机拖动反抗性负载，正转时电动机工作在第一象限。反转时，电动机工作在第三象限，这时电压为负值（反极性）。在第三象限运行时，电磁转矩T0,转速n0,T与n仍旧同方向，电磁转矩T仍为拖动性转矩，电动机的功率关系与正向电动运行完全相同，这种运行状态称为反向电动运行状态。,2.4.1能耗制动,1.他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载的能耗制动过程他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载运行于正向电动运行状态,接线如图220所示。当接触器1K触点闭合,2K触点断开时,电动机工作在一象限A点,作正向电动状态运行.当接触器1K触点断开的瞬间2K触点闭合，也就是突然切除了电动机的电源电压，并在电枢回路串入了电阻Rz。,因为U0，在切换瞬间，由于转速n不能突变，在电势作用下电枢电流：TB=CTIaB0于是电动的工作点由AB，运行在曲线2上。此时T反向，变为制动性转矩，系统进入了能耗制动状态。TBTZ，动转矩TB-TZ0，在电磁转矩T与负载转矩TZ的共同作用下，系统沿曲线2迅速减速。在减速过程中，n下降，Ea下降，Ia及T逐渐增大（绝对值逐渐减小），直至0点，这时n0，Ea0,Ia0，T0系统停车。,上述过程是使正转的电动机拖动系统停机的制动过程。在整个过程中，电磁转矩T0，转速n0，T与n是反方向的，T始终起制动作用。他励直流电动机能耗制动过程中功率关系如表21所示。,因为能耗制动时，U0，所以输入电功率P1=0；电磁功率PT0为负值，说明功率传送方向与电动状态时相反，即把机械能转变电能；输出功率P20，也说明功率传送方向与电动状态时相反，即负载向电机输入机械功率，扣除空载损耗p0，其余的通过电磁作用转变成电磁功率PT。如221（a）所示为他励直流电动机能耗制动的功率的流程图。,能耗制动时机械特性方程式为（219）机械特性是一条通过原点的直线。在第二象限时处于能耗制动过程。特性的斜率决定于能耗制动电阻Rz的大小，Rz越大，特性越斜，Rz越小，特性越平，制动越快。但Rz不能太小，Rz太小，在制动开始的瞬间会产生过大的制动电流，会造成换向困难，Imax限制在允许范围之内，,即ImaxIN这样制动电阻Rz应选为：（220）式中Ez制动瞬间电势；电动机过载倍数。,2.他励直流电动机拖动位能性负载时的能耗制动运行情况,他励直流电动机拖动位能性负载时，原运行在电动状态，突然采用能耗制动，如图222所示，电动机的运行点从AB0，B0是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但是到了原点以后，如果不采用其它办法停车（如抱闸），则系统由于n0，T0，TTZ在TZ的作用下系统会继续减速，也就是开始反转运行。,n0，Ea反向，Ia0，T0，此时T与n仍反方向，T是制动性转矩。电动机的运行点沿着能耗制动机械特性曲线2，进入四象限，从0C，在C点处，系统稳定运行于工作点C。这种稳定运行状态称为能耗制动运行。此时负载转矩为拖动性转矩。改变制动电阻，可以改变运行转速。能耗制动线路简单，制动过程中，电机脱离电源不需要输入电功率，比较经济，安全。常用于反抗性负载电气制动停车，有时也用于下放重物。,2.4.2电源反接制动,1.他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载的反接制动制动运行情况电气制动停车方法除了能耗制动外，还可以采用反接制动停车。反接制动停车，是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接来实现的。为了限制制动瞬间反接制动电流，必须在电枢回路中串入制动电阻。其机械特性和反接制制动线路图如图223所示。,将接触器ZK触点打开，FK触点闭合，电枢回路中串一足够大电阻RF接到电网上，于是电源电压反向，U0，电机运行点由AB点。电源电压反接瞬间，n不变，Ea不变，U与Ea同方向，Ia使和T反向，于是T与n反方向，T是制动性转矩，在T作用下（或T和TZ共同作用下），系统减速，由BC。到C点，n0，Ea=0,Ia=Idu=-U/(Ra+RF)0，T=Tdu0。从BC的过程称为反接制动过程。,反接制动过程中的功率关系如表42所示。反接制动电源输入电功率；轴上输出的机械功率，说明功率的传送方向反了，P1反向。扣除后即p0，变为电磁功率PT；PT0说明从电源送入的电功率和从电机轴端送入的机械功率全部转换为电功率，并消耗在电机电枢回路电阻上。其功率流程图见421(b)。所以频繁正，反转的电力拖动系统，常常采用这种反接制动停车。电源反接时，UUN，N，RRaRF，机械特性方程式为：,当0；nn0，TTdu，反接制动的机械特性是一条从起始点B，经过n0的直线。机械特性的斜率由外串电阻RF决定。n0时制动过程结束，反接制动过程特性位于第二象限。反接制动开始瞬时,电枢电流Ia与电枢回路总电阻(Ra+RF)成反比,串入的电阻RF越小,制动电流越Ia大。为了限制制动瞬时的电流Imax,不超过电机允许的最大电流IIN,应在电枢回路中传入足够大的电阻RF,以限制制动电流.则RF为（421）式中Ea制动开始时的电势；电机过载倍数。,当他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载时，反接制动结束后即在C点，电动机进入反向电动状态，整个反向电动状态没有稳定运行点，通过n0点以后，即第4象限，电动机将进入回馈制动状态，这时-n-n0，随着转速不断升高，电动机最后将稳定运行于D点，TTZ。由于第二象限电机没有稳定运行点，所以称为反接制动过程。,2.他励直流电动机拖动位能性负载时的反接制动运行情况,（如果在C点不将电动机的电源切除，在反抗性负载转矩TZ的作用下，电动机将反向起动，并稳定运行在C点，反向电动状态。见图424（b）（c）所示。）,2.4.3倒拉反转运行,他励直流电动机拖动位能性负载时，在电枢回路中串入电阻，转速n下降。如果外串电阻值大到一定程度后，就会使电动机由原工作点AC，沿特性曲线2由CD减速。如图225所示。到D点,n0,Ea0，IaID0,TTD0,电机的电动运行状态结束。,由于TDTz在位能性负载Tz的作用下，电动机将反向加速，进入四象限，开始下放重物。由于n反向，Ea反向，这时与U同方向了，IaU十EaRaRf0，T0，Ea与Ia同方向，电机运行于发电状态。又有T与n反方向，T为制动性转矩，电机为制动状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行。由于n反向，Ea反向，Ia与Ea反方向，故也称为电势反接制动，倒拉反转具备两个条件，一个是电枢回路中串入足够大电阻值，二个是要有位能性负载。在倒拉反转运行时，位能性负载转矩Tz是拖动性的，而电磁转矩T，它是抑制重物下降速度的。,倒拉反转运行的功率关系与电源电压反接制动过程的功率关系一样。机械特性方程式为：（422）机械特性位于第四象限。制动电阻Rf为：（223）倒拉反转运行，不能用于停车，只能用于下放重物，下放重物的速度可以因串入电阻Rf的大小变化。,2.4.4回馈制动（再生发电制动）,1.正向回馈制动过程他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低调节时，电压降低幅度稍大时，会使电动机运行点经过二象限，如图426所示。电机原来运行在固有特性的A点上，电压突然降为U1l瞬间，转速来不及变化，Ea不变，由于UlEa，Ia0，T0。电机工作点从AB，此时nn01，T与n反方向，T为制动性转矩。在T和Tz的共同作用下，转速迅速下降，降到nn01，T0时制动过程结束。电机在T0，时制动过程结束。电机在Tz作用下，进入第一象限电动运行状态运行，最后稳定运行到D点。,这种制动过程的功率关系如表23所示,其功率流程图222（C）所示。此过程与直流发电机功率关系相同。,所不同的是：（1）机械功率的输入不是原动机送进，而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动能所提供；（2）电功率送出不是给用电设备而是给直流电源。这种运行状态称为正向回馈制动过程，“回馈”指电动机把功率回馈给电源，“过程”指没有稳定工作点，而是一个变速过程。,2.正向回馈制动运行他励电动机拖动一台小车，如图427所示电车在平路上行驶时，摩擦转矩是反抗性的TZ10，系统运行于A点。当电车下坡时，TZ10仍然存在，由于车体重量产生了位能性转矩TW，TW是帮助运动的其作用