电机及拖动第九章直流电动机电力拖动

1、第九章第九章直流电动机的电力拖动l机械特性：指在电枢电压、励磁电流及电枢回机械特性：指在电枢电压、励磁电流及电枢回路电阻一定时，电动机的转速与电磁转矩之间路电阻一定时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系。的关系。一一 、机械特性方程式、机械特性方程式l他励直流电动机的转速随电磁转矩增大而降低。他励直流电动机的转速随电磁转矩增大而降低。其中：理想空载转速为其中：理想空载转速为 特性斜率为特性斜率为TnTCCRCUnTee029.1他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性eCUn02TeCCR 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 额定运行点额定运行点注：注：1 1）电动机的实际

2、空载转速为：）电动机的实际空载转速为： 而空载转矩为：而空载转矩为：2 2）从空载到带负载后，转速的变化为转速降）从空载到带负载后，转速的变化为转速降 即特性的斜率越大，转速降越大。通常称斜率即特性的斜率越大，转速降越大。通常称斜率小的机械特性为硬特性，而斜率大的机械特性小的机械特性为硬特性，而斜率大的机械特性为软特性。为软特性。3 3）额定转速变化率）额定转速变化率000TnnTTCCRnnnTe2000aTICT%100%00nnnnNN二、固有机械特性与人为机械特性二、固有机械特性与人为机械特性1.1.固有机械特性固有机械特性l指他励电动机电枢外加额定电压，励磁电流为指他励电动机电枢外加

3、额定电压，励磁电流为额定励磁电流，电枢没有串联附加电阻时的机额定励磁电流，电枢没有串联附加电阻时的机械特性。械特性。l机械特性方程式机械特性方程式l特点：固有机械特性的斜率较小，为硬特性。特点：固有机械特性的斜率较小，为硬特性。TCCRCUnNTeaNeN22.2.电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性l指他励电动机电枢外加额定电压，励磁电流指他励电动机电枢外加额定电压，励磁电流为额定励磁电流，电枢回路串联附加电阻时为额定励磁电流，电枢回路串联附加电阻时的机械特性。的机械特性。l机械特性方程式机械特性方程式l特点：与固有机械特性相特点：与固有机械特性相 比，增大外串电阻时，理

4、想空载转速不变，比，增大外串电阻时，理想空载转速不变，特性的斜率增大。特性的斜率增大。TCCRRCUnNTeaNeN23.3.改变电枢电压时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性l指他励电动机励磁电流为额定励磁电流，电指他励电动机励磁电流为额定励磁电流，电枢回路没有串联附加电阻，改变电枢电压时枢回路没有串联附加电阻，改变电枢电压时的机械特性。的机械特性。l机械特性方程式机械特性方程式l特点：与固有机械特性相特点：与固有机械特性相 比，降低电枢电压时，理想空载转速降低，比，降低电枢电压时，理想空载转速降低，特性的斜率不变。特性的斜率不变。TCCRCUnNTeaNe24.4.减弱磁通（弱磁）时

5、的人为机械特性减弱磁通（弱磁）时的人为机械特性l指他励电动机电枢电压为额定电压，电枢指他励电动机电枢电压为额定电压，电枢回路没有串联附加电阻，改变励磁电流时回路没有串联附加电阻，改变励磁电流时的机械特性。的机械特性。l机械特性方程式机械特性方程式l特点：与固有机械特特点：与固有机械特 性相比，降低磁通时，理想空载转速升性相比，降低磁通时，理想空载转速升 高，特性的斜率增大。高，特性的斜率增大。TCCRCUnTeaeN2注：减弱磁通时的转速特性和人为机械特性比较注：减弱磁通时的转速特性和人为机械特性比较l堵转电流的大小为常数。堵转电流的大小为常数。l堵转转矩的大小随磁通减小而减小。堵转转矩的大小

6、随磁通减小而减小。ConstRUInaNK0KTKICT三、机械特性的绘制三、机械特性的绘制1.1.固有机械特性的绘制固有机械特性的绘制u首先由铭牌数据估算电枢电阻首先由铭牌数据估算电枢电阻u计算磁通常数计算磁通常数u计算理想空载点计算理想空载点23221NNNNaIPIUR)0(0TCUnNeN，NaNNNenRIUCu计算额定运行点计算额定运行点u连接理想空载点和额定运行点，绘制出固有连接理想空载点和额定运行点，绘制出固有机械特性。机械特性。2.2.人为机械特性的绘制人为机械特性的绘制 人为机械特性的绘制与固有机械特性的绘人为机械特性的绘制与固有机械特性的绘制方法类同。首先计算出理想空载点

7、，然后计制方法类同。首先计算出理想空载点，然后计算特性上的任意一点。例如：串电阻时的特性。算特性上的任意一点。例如：串电阻时的特性。)55. 9,(NeNNTNICICTnn),55. 9(2NNTeaNeNNNeNTCCRRCUnICT一一 、他励直流电动机的起动方法、他励直流电动机的起动方法l直流电动机的起动过程：将一台直流电动机接直流电动机的起动过程：将一台直流电动机接上直流电源，使电动机从静止状态开始，直到上直流电源，使电动机从静止状态开始，直到转速达到规定转速稳定运行的过程。转速达到规定转速稳定运行的过程。l对他励直流电动机起动要求：起动瞬间电枢电对他励直流电动机起动要求：起动瞬间电

8、枢电流小，起动转矩大。流小，起动转矩大。l他励直流电动机起动时存在的问题：起动瞬间他励直流电动机起动时存在的问题：起动瞬间电枢电流很大，起动转矩很大。电枢电流很大，起动转矩很大。 NaNaaNaIRUREUI)2010(9.2他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动NaNTTICT)2010(l常用的起动方法常用的起动方法1 1）对小容量的直流电动机采用直接起动；）对小容量的直流电动机采用直接起动；2 2）降压起动：）降压起动： 降低电枢电压，使起动瞬间的电枢电流为降低电枢电压，使起动瞬间的电枢电流为这时起动转矩为这时起动转矩为3 3）电枢回路串起动电阻起动）电枢回路串起动电阻起动NaaIRU

9、I)0 . 25 . 1 (NaNaIRRUI)0 . 25 . 1 (ZNaNTTTICT)0 . 25 . 1 (l电枢回路串电阻分级起动电枢回路串电阻分级起动 起动原理线路起动原理线路 二级起动特性图二级起动特性图NaNaIRRRUI)0 . 25 . 1 (211二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算l解析法解析法起动过程中的最大起动电流为起动过程中的最大起动电流为而切换电流而切换电流在切换瞬间有在切换瞬间有所以有所以有故故aeCaREUREUREUI121aRRRRII11221edCbnnnnedCbEEEE122REUREUIdb推广到推广到 级起动，设

10、起动电流比（起动转矩比）级起动，设起动电流比（起动转矩比）则有则有各级电枢电路总电阻各级电枢电路总电阻2121TTII ammmmRRRRRRRRII11221121mmammaaRRRRRRRR12121各分段电阻各分段电阻l最大起动电流和切换电流的选取原则：最大起动电流和切换电流的选取原则：计算分级起动电阻有两种情况：计算分级起动电阻有两种情况：1 1）起动级数一定，计算步骤为）起动级数一定，计算步骤为l首先选取最大起动电流；首先选取最大起动电流；NII)2 . 11 . 1 (2NII)0 . 25 . 1 (1111112211) 1(mmmmaaRRRRRRRRRRRRl计算计算 级

11、电阻：级电阻： ，然后计算起，然后计算起 动电流比；动电流比；l计算切换电流：计算切换电流：l计算各级电枢起动总电阻及各分段电阻。计算各级电枢起动总电阻及各分段电阻。2 2）起动级数未定）起动级数未定l首先选取最大起动电流，切换电流，初选首先选取最大起动电流，切换电流，初选起动电流比。起动电流比。mamRR1IURNmm12II l计算计算 级电阻及起动级数级电阻及起动级数l计算实际的起动电流比及切换电流计算实际的起动电流比及切换电流l计算各级电阻及分段电阻值。计算各级电阻及分段电阻值。mamRR取整lglgamRRmm1IURNmNIII)2 . 11 . 1 (12l他励直流电动机的运行状

12、态有：电动运行状态他励直流电动机的运行状态有：电动运行状态和制动运行状态两种。和制动运行状态两种。l电动机制动运行的目的：使电力拖动系统停车电动机制动运行的目的：使电力拖动系统停车或减速；对位能性负载获得稳定的下降速度。或减速；对位能性负载获得稳定的下降速度。l他励直流电动机制动运行的特点：他励直流电动机制动运行的特点：1 1）电磁转）电磁转矩的方向与转速的方向相反；矩的方向与转速的方向相反；2 2）电动机吸收）电动机吸收机械能转化为电能。机械能转化为电能。l对不同性质的负载，常用的制动方法：对不同性质的负载，常用的制动方法：1 1）能耗制动；）能耗制动；2 2）反接制动（转速反向的反接制）反

13、接制动（转速反向的反接制动和电枢反接的反接制动）；动和电枢反接的反接制动）；3 3）回馈制动。）回馈制动。9.3他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动一一 、能耗制动、能耗制动1.1.能耗制动的原理电路能耗制动的原理电路 2.2.能耗制动的机械特性及制动过程能耗制动的机械特性及制动过程l机械特性方程式机械特性方程式特性曲线位于二、四象限。特性曲线位于二、四象限。l制动的物理过程制动的物理过程反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载TCCRRnTeZa2位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载3.3.制动电阻的选取：按制动时最大电枢电流为额定制动电阻的选取：按制动时最大电枢电流为额定 电流的两倍选取。电流的两

14、倍选取。aNNaNNZRIURIER22二、反接制动二、反接制动1.1.转速反向的反接制动（带位能性负载）转速反向的反接制动（带位能性负载）1 1）转速反向的反接制动原理电路）转速反向的反接制动原理电路2 2）机械特性及制动过程）机械特性及制动过程l机械特性方程式机械特性方程式特性曲线位于第四象限特性曲线位于第四象限的的CDCD段部分。在该区间段部分。在该区间电磁转矩与转速方向相电磁转矩与转速方向相反，为制动性质。反，为制动性质。l制动过程制动过程TCCRRCUnTeaeN2l功率关系功率关系由电枢回路由电枢回路在制动运行时的功率关系为在制动运行时的功率关系为1 1） ，即从电源输入电功率；，

15、即从电源输入电功率；2 2） ，电枢输入负的电磁功率，电枢输入负的电磁功率，即电枢绕组输出电磁功率，与电动运行时相即电枢绕组输出电磁功率，与电动运行时相反，所以从转轴上输入机械功率，转变为电反，所以从转轴上输入机械功率，转变为电枢的电磁功率输出；枢的电磁功率输出；3 3）两部分功率全部消耗在电枢回路电阻上。）两部分功率全部消耗在电枢回路电阻上。01aUIP0aaemIEP)(2RRIIEUIaaaaaaaaaaIEUIRRI)(22.2.电枢反接的反接制动电枢反接的反接制动1 1）制动的原理电路）制动的原理电路2 2）机械特性及制动过程）机械特性及制动过程l机械特性方程式机械特性方程式特性曲线

16、位于第二、四象特性曲线位于第二、四象限的限的BCBC段和段和-n-n0 0E E段。在该段。在该区间电磁转矩与转速方向区间电磁转矩与转速方向相反，为制动性质。相反，为制动性质。l制动过程制动过程TCCRRCUnTeaeN23 3）制动电阻的选取）制动电阻的选取原则：电枢反接瞬间最大电枢电流限制在两倍原则：电枢反接瞬间最大电枢电流限制在两倍 额定电流以内。即额定电流以内。即则制动电阻应则制动电阻应注意：制动电阻如果选取的过大，则机械特性注意：制动电阻如果选取的过大，则机械特性 的斜率大，反接瞬间的制动转矩小。的斜率大，反接瞬间的制动转矩小。NaBNIRREU2aNNaNBNRIURIEUR2三、

17、回馈制动三、回馈制动1.1.反向回馈制动（带位能性负载下放重物）反向回馈制动（带位能性负载下放重物）1 1）反向回馈制动原理电路）反向回馈制动原理电路2 2）制动运行的特点）制动运行的特点l转速高于对应的理想空载转速转速高于对应的理想空载转速l从电源输入的电功率为从电源输入的电功率为 即向电源输出（回馈）电功率，相当于发电机即向电源输出（回馈）电功率，相当于发电机运行。而电磁功率为运行。而电磁功率为 从转轴上输入机械功率。从转轴上输入机械功率。0)(1aNIUP0EemTP0nnnE2.2.正向回馈制动正向回馈制动1 1）正向回馈制动原理（降压调速过程）正向回馈制动原理（降压调速过程）2 2）

18、制动运行的特点）制动运行的特点l转速高于理想空载转速转速高于理想空载转速l从电源输入的电功率为从电源输入的电功率为 即向电源输出（回馈）电功率，相当于发电机即向电源输出（回馈）电功率，相当于发电机运行。而电磁功率为运行。而电磁功率为 从转轴上输入机械功率。从转轴上输入机械功率。l转矩与转速方向相反。转矩与转速方向相反。01aNIUP0 TPem0nn l直流电动机的调速是指电动机在一定的直流电动机的调速是指电动机在一定的负载下，人为改变电气参数，使电动机负载下，人为改变电气参数，使电动机的转速发生变化。的转速发生变化。l他励直流电动机常用的调速方法：他励直流电动机常用的调速方法：1)1)改变电

19、枢端电压调速（降低电源电压和改变电枢端电压调速（降低电源电压和电枢串电阻）；电枢串电阻）；2 2）改变磁通调速。）改变磁通调速。一、调速指标一、调速指标1.1.调速的技术指标调速的技术指标9.4他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速（1 1）调速范围）调速范围D D：指电动机在额定负载下可：指电动机在额定负载下可能达到的最高转速与最低转速之比。即能达到的最高转速与最低转速之比。即（2 2）静差率（相对稳定性）：在一条机械）静差率（相对稳定性）：在一条机械特性上运行时，电动机由理想空载加到额特性上运行时，电动机由理想空载加到额定负载时所出现的转速降与理想空载转速定负载时所出现的转速降与理想空载

20、转速之比。之比。%100000nnnnnNNminmaxnnD l机械特性越硬，静差率越小，相对稳定性机械特性越硬，静差率越小，相对稳定性越高。机械特性的斜率称为硬度系数；机越高。机械特性的斜率称为硬度系数；机械特性斜率的倒数称为硬度。械特性斜率的倒数称为硬度。l硬度相同的机械特性，其静差率是不同的。硬度相同的机械特性，其静差率是不同的。l系统可能达到的最低转速取决于低速机械系统可能达到的最低转速取决于低速机械特性的静差率。调速范围特性的静差率。调速范围D D与低速静差率与低速静差率的关系为的关系为额定负载下低速时的转速降额定负载下低速时的转速降)1 (maxDnnN)1 ()1 ()1 (m

21、axmax00max0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD（3 3）平滑性：在一定的调速范围内，调速）平滑性：在一定的调速范围内，调速的级数越多则认为调速越平滑，平滑的程的级数越多则认为调速越平滑，平滑的程度用平滑系数衡量。度用平滑系数衡量。l平滑系数：相邻两级转速之比。平滑系数：相邻两级转速之比。 当当 时，称为无级调速。时，称为无级调速。（4 4）调速时的容许输出：指电动机在得到）调速时的容许输出：指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中转轴上充分利用的情况下，在调速过程中转轴上能够输出的功率和转矩。能够输出的功率和转矩。11iinn2.2.调速的经济指标调速的经济指

22、标调速的经济指标决定于系统的设备投资和运调速的经济指标决定于系统的设备投资和运行费用；而运行费用取决于调速过程的功率行费用；而运行费用取决于调速过程的功率损耗，可用设备的效率说明。损耗，可用设备的效率说明。l衡量调速方案性能优劣的原则：在满足一衡量调速方案性能优劣的原则：在满足一定技术指标下，设备投资少，电能损耗小，定技术指标下，设备投资少，电能损耗小，设备简单、维修方便。设备简单、维修方便。%10022PPP二、降低电枢端电压调速二、降低电枢端电压调速1.1.电枢串电阻调速电枢串电阻调速1 1）调速过程）调速过程当电枢回路电阻增大时，当电枢回路电阻增大时，转速不能突变，电枢电流转速不能突变，

23、电枢电流及电磁转矩减小，转速及及电磁转矩减小，转速及电枢电势降低。随着转速电枢电势降低。随着转速的降低，电枢电流及电磁转矩重新增大，直的降低，电枢电流及电磁转矩重新增大，直到与负载转矩平衡，以新的转速稳定运行。到与负载转矩平衡，以新的转速稳定运行。2 2）调速方法的优缺点）调速方法的优缺点l设备简单，操作方便；设备简单，操作方便；l在轻载或空载时转速变化较小；在轻载或空载时转速变化较小；l低速时机械特性很软，静差率大；调速范低速时机械特性很软，静差率大；调速范围不大。围不大。l调速的平滑性不高，属于有级调速；调速的平滑性不高，属于有级调速；l经济性较差经济性较差 消耗在电枢回路电阻上的电功率为

24、消耗在电枢回路电阻上的电功率为0012nnnPIEIURIPaaaNa2.2.降低电源电压调速降低电源电压调速1 1）调速过程）调速过程当降低电源电压瞬间时，转当降低电源电压瞬间时，转速不能突变，电枢电流及电速不能突变，电枢电流及电磁转矩减小，转速及电枢电磁转矩减小，转速及电枢电势降低。随着转速的降低，势降低。随着转速的降低，电枢电流及电磁转矩重新增电枢电流及电磁转矩重新增大，直到与负载转矩平衡，以新的转速稳定大，直到与负载转矩平衡，以新的转速稳定运行。运行。2 2）调速方法的优缺点）调速方法的优缺点l低速时机械特性的硬度不变，使低速时由低速时机械特性的硬度不变，使低速时由负载变化而引起的转速变化不大，静态稳负载变化而引起的转速变化不大，静态稳定性较好，调速范围大；定性较好，调速范围大；l调速的平滑性高，属于无级调速；调速的平滑