第四章直流电动机运行

1、第四章第四章 他励直流电动机的运行他励直流电动机的运行4.1 4.1 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。由静止状态加速到稳定运行状态的过程。一、起动基本情况一、起动基本情况起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大起

2、动电流要小，起动转矩要大的原因的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。是要保证电源供电质量和起动时间要短。stTstNstaTCIUIR起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。0n 起动时由于转速起动时由于转速 ，电枢电动势，电枢电动势 ，而且电枢电阻，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、

3、使电动机的换向恶化；压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。机不允许直接起动。 0aEaR起动过程起动过程一、电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为1233astststRRRRRLLIT22IT11ITTI0nabn1122aststRRRR1ncd211astRRR2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S二、二、 降压起动降压起动 当直流电源电压

4、可调时，可采用降压方法起动。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛起动平稳，起动过

5、程能量损耗小，因此得到广泛应用。应用。eaaUCnIR4.2 4.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为进行调速的方法称为机械调速机械调速；通过改变电动机；通过改变电动机参数进行调速的方法称为参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作

6、在不同的机械特性上，如调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。则不能称为调速。电气调速方法：电气调速方法：1.1.调压调速；调压调速；2.2.电枢串电阻调速；电枢串电阻调速；3.3.调磁调速。调磁调速。他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为()aaeUIRRnC一、调速方法一、调速方法（一）电枢回路串电阻调速（一）电枢回路串电阻调速nTTLRan0nNA0ABn1Ra+R1未串电阻时未串电阻时的工作点的工作点串电阻串电阻R R1 1后后, ,工工作点由作点由AABAAB结论：带恒结论

7、：带恒转矩负载时转矩负载时,串电阻越大串电阻越大,转速越低。转速越低。Ann开始1R接入 瞬间aEn，暂不变1aaaUEIRRtaTCI n 1aaaaUEEIRRT 到原值优点优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2 2）低速时特性曲线斜率大）低速时特性曲线斜率大, , 所以转速的相所以转速的相对稳定性差；对稳定性差； 3 3）轻载时调速范围小）轻载时调速范围小4 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使调速前、后因增通不变而使T T和和I Ia a不变，输入功不变，输入功率不变，输出功率

8、却随转速的下降而下降，减率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。少的部分被串联电阻消耗了。缺点：缺点：1 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；（二）、降低电源电压调速（二）、降低电源电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1n调速压前工作调速压前工作点点A降压瞬间降压瞬间工作点工作点稳定后工作稳定后工作点点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似变化的曲线也相似。优点优点：1

9、）电源电压能够平滑调节，可实现）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。无级调速。 2 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。高，负载变化时稳定性好。3 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，）无论轻载还是负载，调速范围相同， 4 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。一、调速方法一、调速方法（一）电枢回路串电阻调速（一）电枢回路串电阻调速nTTLRan0nNA0ABn1Ra+R1未串电阻时未串电阻时的工作点的工作点串电阻串电阻R R1 1后后, ,工工作点由作

10、点由AABAAB结论：带恒结论：带恒转矩负载时转矩负载时,串电阻越大串电阻越大,转速越低。转速越低。Ann开始1R接入 瞬间aEn，暂不变1aaaUEIRRtaTCI n 1aaaaUEEIRRT 到原值（三）、减弱磁通调速（三）、减弱磁通调速01n1A1nBNTnTL0nANn调节磁场调节磁场前工作点前工作点弱磁瞬间工作弱磁瞬间工作点点AA弱磁稳定后的弱磁稳定后的工作点工作点Ann开始ffRI 使aeECn n暂不变,aaaUEIRtaTCI n aaaaUEEIRT 到原值（三）、减弱磁通调速（三）、减弱磁通调速结论结论：磁场越弱，转速越高。因此：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路

11、不能开路。电机运行时励磁回路不能开路。优点：优点：由于在电流较小的励磁回路中进行由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。性是比较好。2 2）转速的升高受到电动机换向能力和）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很机械强度的限制，升速范围不可能很大；

12、大； 为了扩大调速范围，通常把降压和为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。速以下采用降压调速。缺点：缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；机械特性的斜率变大，特性变软；二、恒转矩调速恒转矩调速和和恒功率调速恒功率调速当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对应的电磁转矩为额定值，则称为应的电磁转矩为额定值，则称为恒转矩调速恒转矩调

13、速电枢串电阻调速电枢串电阻调速和和降压调速降压调速磁通保持不变，在不同转速下保持电流不变磁通保持不变，在不同转速下保持电流不变 减弱磁通调速减弱磁通调速时，磁通时，磁通 是变化的，是变化的，在不同转速下若保持电流在不同转速下若保持电流 不变，不变，即电机得到充分利用即电机得到充分利用NaII称为恒功率调速称为恒功率调速4.3 4.3 他励直流电动机的电动与制动运行他励直流电动机的电动与制动运行4.34.3.1.1 他励直流电动机的电动运行他励直流电动机的电动运行 U电动MaEaInTfIS20NaeNetNURRnTCC CnT 20NaeNetNURRnTCC CnT一、一、 他励直流电动机

14、的正向电动运行他励直流电动机的正向电动运行二、二、 他励直流电动机的反向电动运行他励直流电动机的反向电动运行20NaeNetNURRnTCC CnT 20NaeNetNURRnTCC CnTn0nA0LTTLT0nB座标图中有座标图中有、个象限。其中，第个象限。其中，第、象限分别为正向、反向电象限分别为正向、反向电动工作状态，属于电动机动工作状态，属于电动机运行，电磁转矩运行，电磁转矩 T 与转速与转速 n 同方向。而第同方向。而第、象象限的电磁转矩与转速反方限的电磁转矩与转速反方向，故均属制动工作状态。向，故均属制动工作状态。n0nA0LTTLT0nB4.34.3.2.2 他励直流电动机的制

15、动他励直流电动机的制动实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。 机械制动就是给一个人为地机械阻力；例如，机械制动就是给一个人为地机械阻力；例如，自行车下坡时使用手动抱闸；自行车下坡时使用手动抱闸； 电磁制动是使电机本身在制动时使电机产生与电磁制动是使电机本身在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩，其特点是：制动转其旋转方向相反的电磁转矩，其特点是：制动转矩大，操作控制方便，直流电机的电磁制动类型矩大，操作控制方便，直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。有能耗制动、反接制动和回馈制动。机械制动，结构简单；机械制动，结构简单； 电磁制动

16、，操作控制方便，制动转矩大。电磁制动，操作控制方便，制动转矩大。 当当 与与 的方向相同时，电机运行于电动机状的方向相同时，电机运行于电动机状态，当态，当 与与 方向相反时，电机运行于制动状方向相反时，电机运行于制动状态。态。 TTnnn0nA0LTTLT0nB一、一、 能耗制动能耗制动 U电动MaEaInTfIS制动BRaBIBT 在电动状态，电枢电流、电在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。磁转矩如图所示。需要制动时需要制动时,将开关将开关S S投向制动投向制动电阻电阻 上即可。上即可。BR U电动MaEaInTfIS 由于惯性，电

17、枢保持原来由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向继续旋转，电动势 方方向不变。由向不变。由 产生的电枢电产生的电枢电流流 的方向与电动状态时的的方向与电动状态时的 方向相反方向相反,对应的电磁转矩对应的电磁转矩 与与 方向相反方向相反,为制动性质为制动性质,电电机处于制动状态。机处于制动状态。aEaEaIemTn制动BRaBIBT能耗制动时的机械特性为：能耗制动时的机械特性为：20aBetNRRnTTC C BaRR CBn0naRA0LTemT电动机状态电动机状态工作工作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载，电机停转。负载，

18、电机停转。若电动机带若电动机带位能性负载位能性负载,稳定工作点稳定工作点但制动电阻越小，制动电流越大。选但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是择制动电阻的原则是max(2 2.5)aaBNaBEIIIRR 改变制动电阻改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。载的稳定速度。 越小越小,特性曲线的斜率越小特性曲线的斜率越小,起起始制动转矩越大始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。BRBR即即：(2 2.5)aBaNERRI其中其中 为制动瞬间的电枢

19、电动势。为制动瞬间的电枢电动势。aE能耗制动操作简单能耗制动操作简单,但随着转速下降但随着转速下降,电动势减小电动势减小,制动电流和制动转矩也制动电流和制动转矩也随着减小随着减小,制动效果变差。若为了尽制动效果变差。若为了尽快停转电机快停转电机,可在转速下降到一定程可在转速下降到一定程度时度时,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻,增大制动增大制动转矩。转矩。二、 反接制动 电压反接制动时接线如图所电压反接制动时接线如图所示示。（一）电压反接制动 U电动MaEaInTfIS制动BRaBIBT 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时，电枢侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态接正极电压，电机处于

20、电动状态。进行制动时，开关进行制动时，开关投向投向“制动制动”侧，侧，电枢回路串入制动电阻电枢回路串入制动电阻 后，接后，接上极性相反的电源电压，电枢回路上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：内产生反向电流：BRaaaBaBaBUEUEIRRRR 反向的电枢电流产生反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用生很强的制动作用电电压反接制动。压反接制动。 U电动MaEaInTfIS制动BRaBIBTmaxaaaBaBaBUEUEIIRRRR minmaxaaUERRI 所串电阻最小值为所串电阻最小值为机械特性为：机械特性为：20NaBeNetNURRnT

21、CC CnT 曲线如图中曲线如图中 所示。所示。BCBaRR CBn0naRA0LTTLT0nD工作点变为工作点变为： CBA制动过程中制动过程中, 、 、 均为负，而均为负，而 、 为正。为正。UaITnaE10aPUI, 表明电机从电源吸收电功率表明电机从电源吸收电功率220PTT , 表明电机从轴上吸收机械功率表明电机从轴上吸收机械功率;0MaaPE I, 表明轴上输入的机械功率转变为表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。电枢回路电功率。BaRR CBn0naRA0LTTLT0nD注意注意：电动机拖到反抗性电动机拖到反抗性负载时，若停车应负载时，若停车应及时切断电源，否及时切断电源

22、，否则当则当 时会反时会反向启动向启动LTT（1）反接制动转矩大）反接制动转矩大制动作用较强；制动作用较强；（2）制动转矩大是由于电枢电流大，故制）制动转矩大是由于电枢电流大，故制动过程中会使电机发热，故不适合频繁制动动过程中会使电机发热，故不适合频繁制动的场合。的场合。注意事项：注意事项：BaRR CBn0naRA0LTTLT0nD（二）倒拉反转反接制动（二）倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。BaRR CBn0naRA0LTTBTDKT电枢回路串入较大电电枢回路串入较大电阻阻 后特性曲线后特性曲线BR正向电动状正向电动状态提升重物态提升重物(A A点点)负载作用下负载作用下电机反向旋电机反向旋转转(下放重下放重物物)电机以稳定电机