直流电动机机械特性2

1、 第二章 直流电动机的电力拖动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.1 电力拖动系统的运动方程式： 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。一、运动方程式MemTnLTU 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：dtdJTTLem其中 为系统的惯性转矩。dtdJ运动方程的实用形式：dtdnGDTTLem3752系统旋转运动的三种状态1)当 或 时,系统处于静止静止或恒转速恒转速运行状态，即处于稳态。LemTT0dtdn2)当 或 时,系统处于加

2、速加速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn3)当 或 时,系统处于减速减速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩 与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。emTn（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。LTnemTLT（3）惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。dtdnGD37522. 2 负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载

3、和位能性恒转矩负载两种。nLT1.反抗性恒转矩负载T TL Ln2.位能性恒转矩负载T TL Ln二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。nLTT TL Ln三、泵与风机类负载特性 负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。LTnT TL Ln12TL02.3 他励直流电动机的机械特性方程方程TUnTLRa+RcEaIaRIEUaa(回路总电阻回路总电阻)nCEeaaTICTTCCRRCUnTeCae2Tnn0(理想空载转速理想空载转速)(特性斜率特性斜率)大时大时 特性曲线越特性曲线越陡陡 机械特性机械特性

4、软软小时小时 特性曲线越特性曲线越平平 机械特性机械特性硬硬 机械特性的软硬度机械特性的软硬度图图3 32 2他励直流电动机的机械特性曲线他励直流电动机的机械特性曲线0nACB0TLTATnn0理想空载点（ 0， ）0neaCUnEU0实际空载点（ ， ）0n0T02TTT02T当时，0TT 000Tnn故有：（ ）00nn人为通过外界经电机轴上转入与人为通过外界经电机轴上转入与 同方向的拖动转距同方向的拖动转距 ，克服，克服 。n0TT0n0nACB0TLTATnn0额定工作点（ ， ）NTNn堵转点（ ， 0 ） 堵转转矩： 堵转电流： 仅由外加电压和电枢回路总电阻决定。KTKTKIKTK

5、ICTCaKRRUI（空载堵转电流很大，（空载堵转电流很大， ）0nACB0TLTANKII2010KI0aaMIEPTnn02.3 他励直流电动机的机械特性2.3.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：机的转速与电磁转矩之间的关系：)(emTfnememTeeTnTCCRCUn02由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：0 n

6、0nNnnemTNT0T0n称为称为理想空载转速理想空载转速。实际空载转速实际空载转速020TCCRCUnTee2.3.2 固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当当 时的机械特性称为固有机械特性时的机械特性称为固有机械特性：aNNRRUU,emNTeaNeNTCCRCUn2 由于电枢电阻很小，特性曲由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。是硬特性。 当当T=TN时，时，n=nN，此点为电此点为电动机额定工作点，转速差动机额定工作点，转速差nn=n=n0 0- -nN，为额定转速差，为额定转速差。 当当n=0时，即电动机起动时，电时，即电动

7、机起动时，电磁转矩磁转矩Tem=Ts，称为起动转矩，称为起动转矩。1 1、电枢串电阻时的人为机械特性、电枢串电阻时的人为机械特性 保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特性的人为特性NNUU,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR 0nnaRemT特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软越大，特性越软。0n二、人为机械特性当改变当改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。UaR 故电枢串电阻的人为机械特故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性是通过理想空载点的一

8、簇放射性直线。性直线。2 2、降低电枢电压时的人为机械特性、降低电枢电压时的人为机械特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性：NaRR,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU 101n0nnNUemT特点：特点：1)1) 随随 变化变化, , 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线曲线是一组平行线。0nUU 因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线是一组平行于固有机械特性的直线。3、减弱励磁磁通时的人为特性减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调

9、节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：NaUURR,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n 注：他励直流电动机起动和运行注：他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开过程中，绝不允许励磁回路断开。2.3.3 机械特性求取一、固有特性的求取一、固有特性的求取 ), 0(0nnTem),(NNemnnTT已知已知 ，求两点求两点:1:1）理想空载）理想空载点点 和额定运行和额定运行 。NNNNnIUP,具体步骤：具体步骤：（1）估算

10、）估算:aR2)3221(NNNNaIPIUR（2 2）计算）计算:NTNeCC和NeNTCC55.9（3）计算理想空载点：）计算理想空载点：NeNemCUnT0, 0（4 4）计算额定工作点）计算额定工作点：NNNTNnnICT,NNNNenRIUCa 估算估算 ，计算，计算 ; 计算计算 , ; 求求 ， ; 计算计算NNNenTnC0RNUNnnn000nUUnNNUNnnn00nTnaRRNn2.4 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，由静止状态加速到稳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。定运行状态的过程。aNststTstRUII

11、CT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采用电枢回路串电为了限制起动电流，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。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、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

12、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一、起动过程2.4.1 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三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S二、分组起动电阻的计算 设对应转速设对应转速n n1 1、n n2 2、n n3 3时电势分别为时电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，则有：，则有：b b点点12

13、3aNEUIRc c点点112aNEUIRd d点点222aNEUIRe e点点211aNEUIRf f点点321aNEUIRg g点点31aNaEUIR比较以上各式得比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa 在已知起动电流比在已知起动电流比和电枢电和电枢电阻阻R Ra a前提下，经推导可得各级串联前提下，经推导可得各级串联电阻为电阻为: :11223121)1()1()1()1( stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR二、分组起动电阻的计算（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2 2

14、）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；m（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比：maNRIU1 取整数取整数m（5 5）计算转矩）计算转矩:12TT，校验：LTT) 3 . 11 . 1 (2如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止。值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤计算各级起动电阻的步骤：2.4.2 降压起动 当直流电源电压可调时，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，起动电流

15、随电源电起动时，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。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增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，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的大，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，但它起动平稳，起动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，因此得到广泛应用。过程能量损耗小，因此得到广泛应用。 2.5 他励直流电动机的制动2.5.1 概述概述1、制动的目的：、制动的目的

16、： 1）使电动机减速或停车。使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）2、制动的方式：、制动的方式： 1）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电得电松闸、失电抱闸松闸、失电抱闸 ）2）电磁制动：当电磁制动：当 电磁转矩电磁转矩Tem 与与 n的方向相同时，电磁的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当 Tem 与与 n方方向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状向相反时，电

17、磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状态（态（本质本质）。）。a) 能耗制动能耗制动b)反接制动反接制动c) 回馈（再生）制动回馈（再生）制动 注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。 很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零

18、速），然后再机械抱闸制动，这较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。2.5.2 能耗制动 在电动状态（开关在电动状态（开关S打到电源上），电打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。电磁转矩如图实线箭头所示。 制动时将开关制动时将开关S打到制动电阻打到制动电阻RB上，由上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势势 Ea 方向不变。由方向不变。由 Ea 产生的电枢电流产生的电枢电流I IaBaB的方向

19、与电动状态时的方向与电动状态时 I Ia a 的方向相反的方向相反,对应的对应的电磁转矩电磁转矩 TemB与与 Tem方向相反方向相反,为制动性质为制动性质,电机处于能耗制动状态。电机处于能耗制动状态。 U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT P1=UI Ia a=0 P2=T2=Tem n0情况，情况，此时此时Ea U， Ia 反向，反向， Tem 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态电机处于发电状态回馈制动状态（回馈制动状态（ P1=U Ia 0 、 P2=Tem 0 ）。）。稳定运行有两稳定运行有两种情况种情况: :1 1

20、）正向回馈）正向回馈2 2）反向回馈）反向回馈Bn0nA0LTemTLT 0n当电车下当电车下坡时，运坡时，运行转速可行转速可能超过理能超过理想空载转想空载转速速, ,进入第进入第二象限二象限电压反电压反接制动接制动带位能带位能性负载性负载进入第进入第四象限四象限 发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动、降压调速时产生的回馈制动Bn02nA0LTemT1U01nCnAn2UC12UU 制动过程制动过程为为 段段。02Bn2、增磁调速时产生的回馈制动增磁调速时产生的回馈制动Bn02nA0LTemT101nCnAn2C1

21、2制动过程制动过程为为 段。段。02Bn 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。制动相比，回馈制动是比较经济的。2.6.1、调速指标：影响调速范围的因素影响调速范围的因素:1）最高转速受电动机机械强度和换向等方面的制；）最高转速受电动机机械强度和换向等方面的制；2）最小转速受相对稳定性限制。）最小转速受相对稳定性限制。 2.6 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速minmaxnnD 1、调速范围、调速范围: %越小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和与机械特性硬度和n n0

22、0有关有关。 2nN2nmin1nTnN1n0nNTN2、调速的稳定性（相对稳定性）、调速的稳定性（相对稳定性）：指负载变化时，转速变化的程度，指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。转速变化小，稳定性好。n0nN33%100%100%000nnnnnNN1）静差率：）静差率： 看出低速机械特性的静看出低速机械特性的静差率大，稳定性差。差率大，稳定性差。 一般以系统的最低转速一般以系统的最低转速时的静差率为准。时的静差率为准。 2）D与与%的关系：的关系：)1 (maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnD D与与%相互制约相互制约:越小越小,D越小越小,相

23、对稳定性越好相对稳定性越好;在保证一定的在保证一定的指标的前提下指标的前提下,要扩大要扩大D,须减少须减少n,即提高机械特性的硬度。即提高机械特性的硬度。 3 3、调速的平滑性、调速的平滑性1iinn 越接近越接近1 1，平滑性越好，当，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转时，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。速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。14、调速的经济性、调速的经济性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ： 主

24、要指调速设备的投资、运行效率及维修费用以及调主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用以及调速过程中的电能损耗等速过程中的电能损耗等。 2.6.2、机械调速：、机械调速：改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。2.6.3、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机械特性，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。调速前后，电动机工使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械

25、特性不变，因负载变化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，则不能称为调速。而引起转速的变化，则不能称为调速。电气调速方法：调压调速；电枢串电阻调速；调磁调速电气调速方法：调压调速；电枢串电阻调速；调磁调速。调速方法：调速方法：TCCRCUnTeaeN22.6.4、调速方法1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1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 Rs1s1后后, ,工作点由工作点由AABAABBCRa+Rs1+Rs21）原理：原理：在电枢中串入电阻，在电枢中串入电阻，n 不变，即电机的特性曲线不

26、变，即电机的特性曲线变陡，使变陡，使 n 、在相同力矩下，在相同力矩下，n 。2 2）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线调速过程电流变化曲线调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速前、后电流不变调速过程转调速过程转速变化曲线速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：结论：带恒转矩带恒转矩负载时负载时,串电阻越串电阻越大大,转速越低。转速越低。3）特点）特点： （1）串电阻后，转速只能降低。）串电阻后，转速只能降低。（3 3）串入电阻后机械特性变软，串入电阻后机械特性变软，静差率变大静差率变大, ,所以转速的所以转速的 相对稳定性差；相对稳定性差

27、； （4 4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围为）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围为D=1-3D=1-3受到限制。受到限制。 ）（5 5）电阻上的功率损耗较大电阻上的功率损耗较大，效率低，不经济。，效率低，不经济。（6 6）调速方法简单，设备投资少。）调速方法简单，设备投资少。 （2 2）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； 4）适应场合：这种调速方法适用于调速性能要求不高的中小适应场合：这种调速方法适用于调速性能要求不高的中小型电机。型电机。2 2、降低电源电压调速、降低电源电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1n调速压前

28、工作点A降压瞬间降压瞬间工作点工作点稳定后工作点稳定后工作点 降压调速降压调速过程与电枢串过程与电枢串电阻调速过程电阻调速过程相似，调速过相似，调速过程中转速和电程中转速和电枢电流（或转枢电流（或转矩）随时间变矩）随时间变化的曲线也相化的曲线也相似似。1）原理原理:由机械特性方程知：调电枢电压由机械特性方程知：调电枢电压U，n0变化，变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。 （2）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。 （3）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，静差率）调速前后的机械特

29、性的斜率不变，硬度较高，静差率 小，调速小，调速稳定性好。稳定性好。 （4 4）无论轻载还是满载，调速范围相同，可达）无论轻载还是满载，调速范围相同，可达 D=2.5D=2.51212， 较广。较广。 （5 5）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时， 电能损耗较小，电能损耗较小，故故调速经济性好。调速经济性好。 （6）调压电源设备较复杂。）调压电源设备较复杂。 2 2）特点：）特点： （1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而而n U，所以调速只能向下调。，所以调速只能向下调。3）适用场合）适用场合：这种调速方法适用于对调速性能要求较高的这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。设备，如造纸机、