第二节 直流电动机的电力拖动

1、 根据电动机的工作原理，直流电动机的组成可分三个部分：主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。定定 子：子：转转 子：子：换向器：换向器：第二节 直流电动机的电力拖动 直流电动机工作电压或输出的电压为直流；将电能转换为 机械能；需要直流电源供电。 直流电动机的分类直流电动机的分类 按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 1他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。 2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电

2、源一起供电。 3串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外部电源一起供电。 4复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组串联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。直流电动机具有良好的调速性能。不同类型的直流电动机其机械特性不同。在实际生产中，可根据生产机械的要求，按电动机的机械特性选配合适的电动机。矿山生产中大型设备所用的直流电动机他励和串励，因此我们着重讲这两种电动机的机械特性。一、直流他励电动机的机械特性和启动1、机械特性方程IREUnCEe ICMM （1-5）（1-6）（1-7）转矩方程感应电动势方程 电枢回路电压方程将式（1-7）带入（1-6）得到以I为变量的方程为：ICRCUC

3、IRUCEeeeen（1-8）该式表示电枢电流I与转速n之间的关系，称为电动机机械特性的电流表达式。将（1-5）带入（1-8）得到M与n之间的关系，即)(nMf的机械特性方程式：MCCRCUnMee2（1-9）由图1-11可知，当电路参数U、 R、不变时，机械特性方程为一直线，直线的斜率为2MeCCR在式（1-8）和（1-9）中，我们令0nCUenMCCRICRMee2（1-10）（1-11）则可得到机械特性的转速表达式为：nnn0（1-12）上式中 n0称为理想空载转速，其大小取决于电动机端电压U和磁通的数值。n称为转速降落，它与负载电流I或转矩M、电阻R及磁通的大小有关。2、固有特性当他励

4、电动机的供电电压U、磁通均为额定值NNU,电枢回路不串接其他电阻时所得到的机械特性称为固有特性。其方程为：MCCRCUnNMesNeN2（1-13）这时的理想空载转速为：NeNCUn0（1-14）MCCRnNMes2转速降落为：（1-15）Mnn0直流他励电动机的机械特性固有特性曲线如图，这时电动机的转速n随着转矩M的增大而下降。由于电枢绕阻的电阻RS很小，所以其机械特性属于硬特性。n3、人为特性我们人为地改变电动机电枢端电压U，改变磁通或在电枢回路串接附加电阻RA，都可以改变电动机的机械特性。1）电枢电路串联附加电阻的人为特性在UN和N不变的情况下，电枢回路串接附加电阻RA时，其特性方程为：

5、MCCRRCUnNMeASNeN2（1-16）与（1-13）相比，理想空载转速相同，转速降落变为MCCRRnNMeAs2由上可知，n与电枢回路的总电阻RS+RA成正比，在转矩相同的情况下，这时的转速降落比固有特性的转速降落大，特性硬度降低。当在电枢回路串入不同附加电阻时，人为特性是一些通过n0点、斜率不同的直线族，如图所示。Mnn0MLRSRS+RA1RS+RA2电枢串接电阻的人为特性2）改变电枢端电压的人为特性保持磁通为额定值n,电枢回路无附加电阻，改变电枢端电压时，此时的机械特性方程为：MCCRCUnNMeSNe2（1-17）即直线的斜率不变，其空载转速与外加电压成MnU0U01U02UN

6、U1U2UNU1U2改变电枢端电压的人为特性一般情况下，电动机的端电压只能在低于额定电压的方向改变，及n0随U的下降而减小。3）改变磁通的人为特性当电枢电压为额定，电枢回路无附加电阻时，在定子励磁电路串入附加电阻使磁通发生变化，这时的特性方程为：MCCRCUnMeSeN2（1-18）电动机在额定状态下，磁通也趋于饱和，我们在励磁回路中串入附加电阻，可降低励磁电流，以减弱磁通的方式改变其机械特性。由式（1-18）可知 ，n0和n都会增大，其特性曲线如图所示Mnn0n01n02N12改变磁通时的人为特性与固有特性曲线相比，是一族空载转速升高、斜率增大的直线，所以其机械特性脚软。N124、电动机的启

7、动起动：电动机从静止到稳定运行的过程。电动机拖动生产机械到稳定运行的条件：电动机的起动转矩大于负载转矩有平稳的起动过程他励直流电动机起动时，首先要建立磁场，即先给历次绕组送电，以便产生起动转矩，而后加电枢电压。在起动的瞬间，由于转速 n=0 ,则感应电势 E=0。则有SNSNRUREUI由此我们可以看出，在额定电压UN的作用下，由于电枢绕组RS很小，所以在电枢回路产生很大的冲击电流。这个电流会对电网的正常运行和电动机本身以及他所拖动的生产机械设备都将产生不利影响。因此，限制起动电流是电动机起动必须考虑的问题。他励直流电动机常用的起动方法有：直接起动电枢回路串电阻起动降低电枢端电压起动直接起动不

8、采取任何限流措施，将额定电压直接加在电枢端，使电动机在较大的电流下起动。这种方法只用于小容量直流他励电动机。，电枢回路串电阻起动U+UBERSR1R2R31Q2Q3Q112345678MNM2M1Mn切换转矩在起动过程中，电枢回路串接的三段电阻顺序短接。为了得到平稳的起动过程，要求每短接一段电阻时转矩的变化应相同。降低电枢端电压起动这种方法需要专门的可调电源。起动时，先把电源调至最低，以限制起动电流。起动过程中，可逐步升高电源电压使转速按要求上升，最后使电压升高到额定值UN，电动机运行在稳定工作点稳定运行。优点起动电流小，起动平稳。设电动机某一转动方向n为正，TM与n一致方向为正；TL与n相反

9、的方向为正。当Td0时，系统加速；当Td0时，系统减速；当Td=0时，系统恒速。转矩正方向约定：二 直流他励电动机的制动 根据上述约定，可以从转矩与转速的符号上来判定的性质（拖动转矩或制动转矩）。若与n符号相同(同为正或同为负)，则表示的作用方向与n相同、 为拖动转矩；若与n符号相反，则表示的作用方向与n相反， 为制动转矩。而若与n符号相同，则表示的作用方向与n相反，为制动转矩；若与n符号相反，则表示的作用方向与n相同， 为拖动转矩。限速制动对于具有位能负载的生产机械，如提升机，在下放重物时，其位能转矩的方向与拖动系统的旋转方向是一致的。为了限制下放速度，应使电动机产生一个与系统旋转方向相反的

10、转矩，当这个转矩与负载转矩相等时，系统达到稳定的下放速度。即把速度限制在某一个值减速制动电力系统的制动限速制动制动是使电动机速度是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。制动与自然停车的区别： 自然停车电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。 这种停车过程需时较长，不能满足生产机械快速停车的要求； 制动外加阻力转矩使电动机迅速停车。 为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。减速制动即把速度减为零对于机械惯性大的拖动系统，停车时减速时间较长，为了缩短时间，

11、应使电动机产生一个与系统转向相反的转矩，加快系统的减速。在减速过程中，由于速度一直在变化，所以称为减速制动状态。1、电动机的可逆性 电动状态电动机的作用是将电能转换机械能，其特点是电动机所发出的转矩T的方向与转矩n的方向相同； 制动状态电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能，其特点是电动机所发出的转矩T的方向与转矩n的方向相反。电动状态和制动状态是电动机可以相互转化的两种基本工作状态。2、发电反馈制动当电动机的转速在生产机械的作用下超过理想空载转速时，电动机由电动状态变为发电反馈制动状态。发电反馈制动的条件 ：nn0则有：RUERnnCRnnCRnCnCREUIeeee)()(000上式中的负号

12、说明在 nn0时，电枢绕组的感应电势E大于电枢端电压U，因而电枢电流I改变了方向，电动机工作在发电制动状态。由于这时电枢电流I与感应电势E的方向相同，电动机以发电运行方式将位能负载的机械能转变为电能反馈回电网，称这种方式为发电反馈制动。发电反馈制动状态的机械特性方程式与电动状态的相同。但由于nn0,电枢电流方向改变，其电磁转矩方向随之改变。其特性将沿着电动特性曲线穿过n轴延长到第二象限，如图所示。n0nU1U2MLM1、当电动机电枢电压不变时，发电反馈制动只能用于限速制动。2、电枢供电电压连续可调，即可用于减速制动。3、动力制动1.动力制动实现及机械特性(1)实现方法：a.电动状态 电枢电源断

13、开前，转矩M与转速n同向，电枢电流与电势方向相反，电机运行在A点。b.动力制动电枢电源断后(电机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻RA将电枢短接。EURARSUBI 动力制动原理图MnAA0BCDRA1RA2RA1RA2 动力制动机械特性曲线动力制动分析： U=0, 由于电机惯性， n0，E0 ，在电动势E的作用下产生的电枢电流I反向，电动机的转矩也反向。这时 ASASRRERREUI电动机工作在发点状态。其电磁转矩变为阻碍运动的转矩，电动机将机械能转化为电能消耗在RS和RA中。所以动力制动也称为能耗制动。)( , 02ICMICRRnMCCRRnUMNeSANMeSA或 由方程可知，特性曲线

14、是一条过原点的直线，在第二、四象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 RA。动力制动的机械特性方程由式（1-9）可得动力的制动特点：(1) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能消耗在电枢电路的总电阻(RA+RS)上。(2) 制动时， n与M成正比 ,所以转速n 下降时，M也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少RA，以增大制动转矩M ，此即多级能耗制动(3) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时M=0 ,可实现准确停车。nTRRnCCICMSANeNMNM , 动力制动应用： 能耗制动多用于一般生产机械的制

15、动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。4、反接制动 将正在运行的电动机电枢串入制动电阻 RA，且电枢两端电压极性改变。EURARSUBIQ1221电枢反接制动原理图1.电枢反接的反接制动(1)方法：-n0BAMMLnn0CTCCRRCUnNTecaeN2制动特性曲线方程式为：特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由制动状态到 n=0 告终，所以BC段为反接制动特性。转速反向的反接制动EURARSUBI转速反向反接制动原理图(1) 方法电枢回路串入大电阻R制动特性：从C点至D点为电动减速状态，从D点至B点为发电状态。ABCDMn制动特性曲

16、线反接制动时的能量关系00 ,0UIIU00 , 00EIIEn上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。( 1 ) 电压反接制动时说明从电源吸收电能；说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。( 2 )转速反向反接制动时00 , 0000 , 0EIIEnUIIU说明从电源吸收电能说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电枢反接制动时一样。反接制动的应用应用： 转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在n n0 的条件下稳速下降。电枢反接制动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车

17、时，当制动到n=0 时，应迅速切断电源，否则有反向起动的可能性。直流他励电动机的四个象限上的运行电动状态：特性在第一，三象限，其中第一象限是正向电动状态，第三象限是反向电动状态。制动状态：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压反接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态时进行电压反接的电压反接制动。三、直流他励电动机调速特点是：调速时必须停。指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，1.机械调速：调速方法：调速调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。2. 电气调速： 指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法

18、，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）3.电气机械调速 减少直流他励电动机的励磁电流If，使磁通减少(1 ，显然，调速的级数越多， 越接近于1，调速的平滑性越好。当 =1 时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。电气调速可知他励电动机有三种调速方法：1、改变电枢回路电阻R的调速；2、改变励磁磁通的调速；3、改变电枢端电压U的调速。MCCRCUnMee2由他励电动机的机械特性方程：1

19、.电枢回路串电阻调速 方法：电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机 械特性斜率 变大，导致转速下降。ABCDMnMNnAnCRA1RA2 电枢回路串电阻的调速特性特点：1）这种调速方法得到的转速只能低于额定转速，且电枢串入电阻后特性变软，这样会造成低速时静差率 增大。00nnn 2MeCCRk n0 2）调速范围一般不超过2，即： 否则电动机在转速很小时，效率将大大降低。这是因为低速运行时，电源提供的功率有一部分消耗在附加电阻上，速度越低所需要串入的电阻越大，在额定负载下，电枢的电流不变，故附加电阻上消耗的功率 增大。3）这种调速方法尽管简单，但损耗大，效率低，故多用于短时调速2minmaxnn

20、DARRIPA22. 弱磁调速方法：在励磁回路串接附加电阻，减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(N)，导致理想空载转速 与特性斜率 均增加。在一定负载条件下，转速将增大Mnn0n01MN1ABCCeCUn02MeCCRk 改变磁通的调速特性。特点：1）这种方法得到的转速高于额定转速。2）这种调速方法其转速较高，电枢电流的增大nCEesREI 2MeCCRk 3） 增大，其特性变软，引起静差率4）励磁电流减小，调速电阻耗电少，且容易实现无极调速。会造成电动机过负荷。增大，其稳定性差。3.降压调速：ABeCUn 0改变电枢端电压的调速nMC特点：1）若U连续可调，即可实现无极调速。2

21、）这种调速斜率k不变，平行于固有特性，所以在低速时保持了较高的硬度，在允许的n0MN降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速 下降，导致转速下降。方法：范围内可获得较大的调速范围，一般可达到1020。3）运行经济、损耗小、稳定性好、调速平滑等优点；但需要设置单独的可调电源。作业：1-14四、直流串励电动机的机械特性直流串励电动机的原理图如右图所示：特点：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，因而磁通 将随电枢电流儿变化。1、固有机械特性由于励磁电流等于电枢电流，因此，串励电动机的磁通 是电枢电流I的函数，即)(If由于电动机磁路的饱和特性， 与I的关系不能用准确的方程式表示，因而不能求准

22、确的机械特性方程式。为了分析串励电动机的机械特性，可用电动机铁芯的磁化曲线分段近似求其机械特性。II电动机铁芯的磁化曲线电动机铁芯的磁化曲线如图所示，当负载电流较小 时，可认为 与I近似成正比。即IC-磁通与励磁电流的比例系数C由公式nCEe可得串励电动机的转速特性ICCIRUCIRUCEneeebIaCCRICCUnee即：CCUaeCCRbe则当给定电压U和电阻R不变时，若电动机磁路未饱和，串励电动机的转速特性n=f(I)为一双曲线。由公式ICMM可得串励电动机的电磁转矩方程为2ICCICMMMCCMIM有此时串励电动机的机械特性方程为bMAbCCMabIanM其中CCaAM由上式可得到串

23、励电动机的机械特性曲线如图所示。在磁路未饱和时n=f(M)为一双曲线。MnM串励电动机的固有特性曲线当电枢电流较大时，电动机铁芯趋于饱和，磁通基本不随I的变化而变化，这时串励电动机的机械特性方程与他励电动机基本相同，即MCCRCUnMee2因此，当电枢电流大到一定程度后，n=f(M)近似变为线性关系，如特性曲线M以后的部分2ICCMM（3）由于M与I的平方成正比，因此串励电动机的起动转矩大，过载能力强。由机械特性曲线可以看出：（1）特性曲线是一条非线性的软特性，随着负载转矩的增大（减小），转速自动减小（增大），保持功率基本不变，即有很好的牵引性能，广泛用于机车类负载的牵引动力。 （2）理想空载转速为无穷大，实际上由于有剩磁磁通存在，n0较高，空载运行会出现“飞车”现象。因此，串励电动机是不允许空载或轻载运行或用皮带传动的。 串励直流电动机同样可以采用电枢串电阻、改变电源电压和改变磁通的方法来获得各种人为特性，其人为机械特性曲线的变化趋势与他励直流电动