第二章 直流电机的拖动-限选.

1、第二章第二章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第二章第二章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般构成如图所示。电力拖动系统一般构成如图所示。 本章首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍电本章首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍电动机和生产机械的转矩特性，最后主要研究他励电动机应用动机和生产机械的

2、转矩特性，最后主要研究他励电动机应用的四大问题的四大问题起动、反转、制动、调速起动、反转、制动、调速电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、单轴电力拖动系统的运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程式 单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。熟悉的直线运动方程旋转运动的电力拖动系统运动方程物体的飞轮力矩飞轮力矩，它是一个整体物理量，反映转动体的惯性惯性 2GD第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动二、电力拖动系统运动状态分析二、电力拖动系统运动状态分

3、析 一个电力拖动系统处于静态（静止不动或匀速）还是一个电力拖动系统处于静态（静止不动或匀速）还是动态（加速或减速），都可以从运动方程式来判定，当电动态（加速或减速），都可以从运动方程式来判定，当电力拖动系统的力拖动系统的正向运动状态正向运动状态时分析如下：时分析如下： 1).当当L时，时，dn/dtdn/dt=0，则，则n0 或或n常数，即电力常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。 2).当当 L时，时，dn/dtdn/dt 0 ，电力拖动系统处于加速状态，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。即处于过渡过程中。 3).当当T T

4、L 时，时，dn/dtdn/dt 0 ，电力拖动系统处于减速状态，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过程。也是过渡过程。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动例例2-1 分析下图中电力拖动系统的运动状态。解：解：设a图为正向运动，T帮助正向运动为正， TL 反对正向运动为正，且TTL，所以运动方程式中： T - TL 0，dn/dt0，系统处于正向减速状态。 设b图为反向运动， T帮助反向运动为负， TL 帮助反向运动为正， 且数值上T=TL，所以运动方程式中： -T- TL0，dn/dt0，系统处于反向加速状态。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动

5、直流电动机的电力拖动第二节第二节 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 不同生产机械的负载转矩不同生产机械的负载转矩TL L随转速随转速n变化规律变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即不同，用负载转矩特性来表征，即n=f(TL)。各种。各种生产机械的特性大致可分为以下三种类型生产机械的特性大致可分为以下三种类型恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒功率负载特性恒功率负载特性 通风机型负载特性通风机型负载特性 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动恒转矩负载特性恒转矩负载特性TL=常数，与转速常数，与转速n无关无关反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性负载转矩的

6、方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，如轧钢机、机床的平移机构、电力机车等。 当下放重物时负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。 起重设备提升重物时，负载转矩TL为阻力矩，与电动机旋转方向相反位能性负载转矩由重力作用产生，其大小和方向始终不变电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动恒功率负载特性恒功率负载特性通风机型负载特性通风机型负载特性 PL=常数 ,TL=9.55P/nTL=Kn2 例：车床切削粗加工时,切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小(TL小)，用高速档 电扇、水泵、油泵等 注意注意：以上三类

7、是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第三节第三节 他励直流电动机的机械特他励直流电动机的机械特性性 直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性nnTnTCCRCUCRCTUCRRIUCEnTeeeTepaa

8、aea002)()(理想理想 空载空载 转速转速机械特性机械特性的斜率的斜率转速降转速降斜率斜率越小，越小，特性越平，特性越平，称为称为硬特性硬特性。反之称为软反之称为软特性特性机械特性曲线实际空载转速一般表达式一般表达式他他励励电电动动机机的的接接线线图图电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性1、他励电动机的固有机械特性、他励电动机的固有机械特性U=UN、=N， R Rpapa=0=0的机械特性称固有机械特性R Rpapa=0, =0, R Ra a很小，很小， = N数值最大，数值最大，机械特性斜率机械特

9、性斜率最小，他励最小，他励直流电动机的固有机械特性是硬特性。直流电动机的固有机械特性是硬特性。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性2、人为机械特性、人为机械特性 如果人为地改变固有机械特性中的气隙磁通、电源电压和电枢回路电阻R Rpa中的任意一个参数，这样的机械特性称为人为机械特性。 （1 1）电枢回路串电阻时的人为机械特性）电枢回路串电阻时的人为机械特性 斜率斜率 增加增加电电 阻阻 增增 加加n n0 0 不变不变电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动2、人为机械特性、人为

10、机械特性(2)改变电源电压的人为机械特性改变电源电压的人为机械特性(3)改变磁通的人为机械特性改变磁通的人为机械特性磁磁通通减减小小电电压压降降低低U降低，降低， 不变，n0减小减小(2)改变电源电压的人为机械特性改变电源电压的人为机械特性 减小，减小， 增大，n0增大增大电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动电力拖动系统稳定运行的必要条件必要条件： 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点： 即 T=TL 电力系统要稳定运行的充分条件充分条件： 两条特性配合恰当，即在交点处满足：dT/dndTL/dn二、电力拖动稳定运行的条件二、电力拖动稳定运行的条件电机及拖动基础

11、电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动电力拖动系统稳定运行的分析电力拖动系统稳定运行的分析结论：结论：下斜的机械特性与恒转矩负载配合, 系统能够稳定运行; 上翘的机械特性与恒转矩负载配合, 系统不能稳定运行。 恒转矩负载恒转矩负载特性在特性在A点点的斜率：的斜率：d dn n/d/dT TL L=,则则d dT TL L/d/dn n=0=0下斜的机械特性在A点其dn/dT0,则dT/dn0，在A点满足dT/dn0,则dT/dn0，在A点不满足dT/dnTL)。 （2）起动电流要限制在一定的范围内。 （3）起动设备简单、可靠，操作方便，起动时间短。对直流电动机的起动的要求：对直

12、流电动机的起动的要求：电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动减压起动减压起动注意：起动时应保证注意：起动时应保证电动机的磁通为最大电动机的磁通为最大值，以在限制起动电值，以在限制起动电流的情况下使转矩较流的情况下使转矩较大。大。 对于容量较大的电机，为限制起动电流，可用电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动2 2、减压起动、减压起动 减压起动即起动前将电源电压降低，以减小起动电流I Ist。为获得足够的起动转矩（TstTL），起动时电流通常限制在(1.52)I IN 内，则起动电压应为： Ust=I IstR Ra=(1.52)I INR Ra 当n，Ea Ia,

13、Tst 须U 保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。至U=UN，起动结束。 3 3、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动 电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻Rst，达到限制起动电流的目的。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动采用采用4 4级起动时电动机的电路接线图级起动时电动机的电路接线图 及其机械特性及其机械特性 串入全串入全 部电阻部电阻逐级切逐级切 除电阻除电阻稳定运行点稳定运行点转速逐步上升转速逐步上升切换转矩切换转矩T TSt2St2起动点起动点I Ist1st1和和T Tst1st1为最大值为最大值电机及拖

14、动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动二、他励直流电动机的反转二、他励直流电动机的反转 要使电动机反转，必须改变电磁转矩T的方向。只要将磁通和Ia任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种：由： 1、改变励磁电流方向改变励磁电流方向 ：保持电枢两端电压极性不变，将 励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向。 2、改变电枢电压极性：、改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流a即改变方向。实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机

15、的反转。的反转。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第五节第五节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动电动机的两种运行状态：电动机的两种运行状态： 电动状态电动状态 ：T T与与n n方向相同，机特方向相同，机特、象限象限制动状态制动状态 ：T T与与n n方向相反，机特方向相反，机特、象限象限制动方法：制动方法：能耗制动能耗制动 反接制动反接制动 回馈制动回馈制动 制动目的：快速停车（反向）或限速。制动目的：快速停车（反向）或限速。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、能耗制动一、能耗制动制动原理：制动原理：电动机靠生电

16、动机靠生产机械惯性力的拖动切产机械惯性力的拖动切割磁场而发电，将生产割磁场而发电，将生产机械储存的动能转换成机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电动机停电阻上，直到电动机停止转动为止。止转动为止。能耗制动能耗制动U=0U=0运行时运行时KMKM1 1常开闭合，与电源连接；常开闭合，与电源连接； 制动前的电动状态T与n方向一致制制动动时时连连接接电电阻阻Rbk制动时，T与n方向相反电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动原运行于原运行于a a点点 制动时，对于制动时，对于 反抗性负载将反抗性负载将 经经b b点到达点到达O O点点

17、停下来。停下来。 能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性 U U=0,=0,机特机特过原点过原点 斜率取决于限流电阻Rbk一般限流：IbK(22.5)IN 对位能性负载对位能性负载 将达到将达到C点。点。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 二、反接制动二、反接制动1.1.电枢反接制动电枢反接制动制动原理：制动原理：I Ibkbk产生很大的反产生很大的反向电磁转矩向电磁转矩T T，从而产生很强，从而产生很强的制动作用，的制动作用，n n 快速下降。快速下降。U=-UN, R=Ra+Rbk机械特性过机械特性过-n0机械特性：机械特性：制动过程制动过程当制动的目的

18、为停车时，在电机当制动的目的为停车时，在电机n0时，须立即断开电源。时，须立即断开电源。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻路中串接制动电阻R Rbkbk 一般：一般：I Ibkbk(2(22.5)2.5)I IN N 故故制动电阻的计算制动电阻的计算： 电枢反接制动过程中，电动机一方面向电源吸取电功电枢反接制动过程中，电动机一方面向电源吸取电功率率P1UIUI，另一方面将系统的动能转换成电磁功率，另一方面将系统的动能转换成电磁功率PemEaI Ia，这些

19、电功率全部消耗在电枢电路的电阻，这些电功率全部消耗在电枢电路的电阻(RaRbk)上。上。其能量损耗很大。其能量损耗很大。电机的能耗：电机的能耗：电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 二、反接制动二、反接制动2.2.倒拉反接制动倒拉反接制动只适用于位能性恒转矩负载，下放重物只适用于位能性恒转矩负载，下放重物 U=UN，电枢串大电阻Rbk机械特性过机械特性过+n0，与负载特性的交点落在第，与负载特性的交点落在第象限象限n0从提升重物至下放重物过程：abcd ，Rbk越大，下放转速也越大。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动三、回馈制动

20、三、回馈制动 当电动机的n n0时，Ea U，Ia方向与电动运行状态相反，T的方向与电动运行状态时相反，为制动性质，P10，电机向电源回馈电能回馈电能，此时电机的运行状态称为回馈制动。 当位能性负载进行电枢反接制动位能性负载进行电枢反接制动，当n=0时，如不切除电源，电机便在电磁转矩和位能负载转矩的作用下，迅速反向加速，至 n n0时，电机进入反向回馈制动状态，此时因n为负，T为正，机械特性位于第IV象限，最终稳定下放重物运行于d点 反向回馈制动对位能性负载下放时起限速作用限速作用。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第六节第六节 他励直流电动机的调速他励直流电

21、动机的调速调速：调速：机械调速机械调速: :电气调速电气调速: :改变传动机构速比改变传动机构速比 改变电动机参数改变电动机参数, ,人为地改变电动机的机械人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。化。 由由得调速方法：得调速方法：降压降压U U减弱磁通减弱磁通电枢回路串电阻电枢回路串电阻电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、调速指标一、调速指标1.1.调速范围调速范围 电动机在额定负载下可能运行的最高转速与电动机在额定负载下可能运行的最高转速与 最低转速之比，通常又用最低转速之比，通常又用D

22、 D表示表示: :受电动机的机械强度、换向条件、电压受电动机的机械强度、换向条件、电压 等级等方面的限制等级等方面的限制 受到低速运行时转速的相对稳定性的限制受到低速运行时转速的相对稳定性的限制 不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床 20120 ，龙门刨床1040，轧钢机 3120，造纸机320 等。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 显然，在相同的n0情况下，电动机的机械特性愈硬，n愈小，静差率就愈小，相对稳定性就愈好。 生产机械调速时，要求静差率小于一定值，以使负载发生变化时，转速在一定范围内变化，保持一定的稳定程度，生产机械容许的静差率用r表示

23、。例如，普通车床要求r30 ，一般设备要求r50 ，高精度的造纸机要求r0.1 。 静差率与调速范围两个指标是相互制约静差率与调速范围两个指标是相互制约,要统畴考虑。要统畴考虑。2.2.调速的相对稳定性（静差率）调速的相对稳定性（静差率）负载变化时，转速变化的程度。负载变化时，转速变化的程度。 转速变化小，其相对稳定性好转速变化小，其相对稳定性好 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动3.3.调速的平滑性调速的平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，即调在一定的调速范围内，调速的级数越多，即调 速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数：速越平滑，相邻两级转速之比

24、称为平滑系数：1 1，则平滑性好，则平滑性好， 当当 =1=1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。时，称为无级调速，即转速可以连续调节。 调速不连续时，级数有限，称为有级调速。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。4.4.调速的经济性调速的经济性 对调速设备的投资和电能消耗等经济效果的综合比较。对调速设备的投资和电能消耗等经济效果的综合比较。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动二、二、 改变电枢电路串电阻的调速改变电枢电路串电阻的调速电枢回路串电阻的机特，Rpa愈大，特性愈软，转速愈低。调速过程调速过程：电动机原稳定运行在固有机械特性的a点上，当pa接入瞬间

25、，因n不能突变，工作点从a点跳至人为机械特性的b点，这时，IaT L，n ，Ea a ，直到 L，电动机在低速的c点稳定运行。 电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 电枢串电阻调速的特点：电枢串电阻调速的特点： (1)串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。制。13。 (2)调速的平滑性不高；轻载时调速不明显。调速的平滑性不高；轻载时调速不明显。 (3)由于

26、电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。不够经济。 (4)调速方法简单，设备投资少。调速方法简单，设备投资少。电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 例例2-5 一台直流他励电动机，其额定数据为：N100K，N511A，N220，nN1500r/min，电枢电路总电阻a=0.04 ，电动机拖动额定恒转矩负载运行，现用电枢串电阻的方法将转速调至600r/min， 应在电枢电路内串多大电阻？133. 0150004. 0511220NaaNNenRIUC)(paaaaNRRIEU由234. 004. 0511600133.

27、 0220aaaNpaRIEUR且为额定恒转矩负载转矩：Ia=IN得解解电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动三、降压调速三、降压调速Un0nn01n02n03调速过程：a-b-c降压调速的特点降压调速的特点1)无论高速还是低速，机械特性硬度不变，静差率小，调速性能稳定 ，故调速范围广调速范围广。2)电源电压能平滑调节，故调速平滑性好，可达到无级调速无级调速。3)降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，损耗减小，调速经济性好经济性好。4)调压电源设备较复杂。 降压调速的性能好，目前被广泛用于自动控制系统中。如轧钢机，龙门刨床等。降压较大时，会出现回馈制动电机及拖动基础电机及拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 例例2-6 例题2-5的电动