第8章 直流电动机的电力拖动

1、2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作1第第 8 章章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动8.1 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性8.2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动8.4 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动8.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速8.1 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性8.2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动8.4 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动8.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速8.5 他励直流电动机的四象限运行他励直流电动机的四象限运行8.5 他励

2、直流电动机的四象限运行他励直流电动机的四象限运行2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作2本章基本要求本章基本要求1. 熟练掌握直流电动机的机械特性及机械特熟练掌握直流电动机的机械特性及机械特性的绘制。性的绘制。2. 掌握电动机的起动、制动和调速方法。掌握电动机的起动、制动和调速方法。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作38.1 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性8.1.1 机械特性的方程式机械特性的方程式直流电动机直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励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

3、值的条件下，即电动机磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：关系：( )enf T02eeEETURnTnTCC C由电动机的电势平衡方程式、电枢电势和电磁转矩由电动机的电势平衡方程式、电枢电势和电磁转矩的公式，得的公式，得机械特性的表达式：机械特性的表达式：2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作4他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性n0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n = Ua CE R CECT2 Te = n0 Te=

4、 n0n = dndTRCECT2=特性曲线的斜率特性曲线的斜率转速降转速降n R CECT2=nTeTeTNT0nnNn0n0n0 = Ua CE R CECT2 T0 2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作58.1.2 固有机械特性固有机械特性当当U=UN， = N，R=Ra 时的机械特性称为固有机械时的机械特性称为固有机械特性。特性。由于由于电枢电阻很小，特性电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。机械特性是硬特性。n = UN CEN Ra CECT2N Te 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性OTe

5、nn0NnNTNN 点：额定状态。点：额定状态。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作6他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性8.1.3 人为人为机械特性机械特性当认为地改变电机参数或电枢电压得到当认为地改变电机参数或电枢电压得到的机械特性的机械特性称为人为机械特性。称为人为机械特性。1. 电枢串接电阻时的人为特性电枢串接电阻时的人为特性 保持保持 U=UN，=N 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RC的的人为特性人为特性n = UN CEN Ra+RC CECT2N Te nn0RaTeRa+RC(RaRC) 即机械特性变软。即

6、机械特性变软。 特点：理想空载特点：理想空载转速不变，斜率转速不变，斜率增加增加2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作7他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性2. 降低电枢电压时的人为特性降低电枢电压时的人为特性 保持保持 R=Ra，=N 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压U的的人为特性人为特性n = Ua CEN Ra CECT2N Te Uan0 但但不变不变机械特性的硬度不变。机械特性的硬度不变。nn0UNTen01U1U1UN特点：理想空载转速随电压特点：理想空载转速随电压变化，但曲线斜率不变，曲变化，但曲线斜率不变，曲线线是一组平行线。

7、是一组平行线。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作8他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性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 特点：随着磁通的减弱，理特点：随着磁通的减弱，理想空载转速想空载转速 增大；机械特性增大；机械特性曲线的斜率也增大。曲线的斜率也增大。保持保持 R=Ra，U=UN 不变，只减少磁通的人为特性。不变，只减少磁通的人为特性。n = UN CERa CECT2 Te nTen0NTkTk1n011n022Tk221 1.2IN ，I2 满足要求。满足要求。 (4) 计算各级电阻电阻计算各级电阻电阻 st1a(1)

8、1.641)0.20.128RR（st2st11.640.1280.210RRst3st21.640.210.344RRst4st31.640.3440.564RR他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作22 【例例83】 例例8-2 的他励直流电动机采用电枢串电的他励直流电动机采用电枢串电 阻分级起动，试确定起动级数并计算各级起动电阻。阻分级起动，试确定起动级数并计算各级起动电阻。 解：解：(1) 初选初选 I1、I2 和和 I1 = 1.5IN，I2 = 1.1IN 1N2N1.51.361.1IIII(2) 计算最大起

9、动电阻计算最大起动电阻 Nm12201.931.576URI(3) 计算起动级数计算起动级数 ma1.93lg()lg()0.27.34lg( )lg(1.36)RRm 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作23取整取整 m = 8，重新确定起切电流比为，重新确定起切电流比为(4) 校验校验 I2 m8a1.931.3270.2mRR1N2N1.51.131.327IIII可见可见 I2 1.1IN，符合起动要求。，符合起动要求。 (5) 计算各段起动电阻计算各段起动电阻st1a(1)1.3271)0.20.065RR（s

10、t2st11.3270.0650.086RR他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作24st3st21.3270.0860.114RRst4st31.3270.1140.151RRst5st41.3270.1510.2RRst6st51.3270.20.265RRst7st61.3270.2650.352RRst8st71.3270.3520.467RR他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作258.2.2 降降压压起起动动起动电流小起动电流小，升速平稳升

11、速平稳，起动能耗小起动能耗小；减压起动只有在电动机有专用电源时才能使用减压起动只有在电动机有专用电源时才能使用。起动时起动时，降低电源电压降低电源电压, ,电流随之减小电流随之减小；起动后起动后，逐步提高电源电压逐步提高电源电压，使电磁转使电磁转矩矩维持维持在一定数值在一定数值，保证电机按需要的加速度升速保证电机按需要的加速度升速；设备投资大设备投资大。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作26 TenTs1TLOTs2an02022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作27 Te n n0 -n0 O Ra+Rc Ra Ra Ra+Rc

12、 n = UN CE N RaRc CECT N Te 2 2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作28他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速n =CEURaCECT2Te他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为 弱磁调速弱磁调速。电气调速方法：电气调速方法： 调压调速；调压调速； 电枢串电阻调速；电枢串电阻调速；8.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作29他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速n =CENUaRa+RCCECT2NTeOTnMIfUaIaUfRC RaRaRC

13、TLbcn0a未串电未串电阻时的阻时的工作点工作点串电阻串电阻RC后后,工工作点由作点由abc8.3.1 改变电枢电阻调速改变电枢电阻调速2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作30aOTenRaRaRc n0TLTL他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速bcOTenRaRaRc n0bca(Ra + Rc) n ，(Ra + Rc) n 。 低速的稳定性变差。低速的稳定性变差。 调速范围：受稳定性影响，调速范围：受稳定性影响，D 较小。较小。 调速的稳定性调速的稳定性(Ra + Rc) 调速方向：在调速方向：在 nN 以下以下 调节。调节。串电阻调速的特点：串

14、电阻调速的特点：2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作31 调速的平滑性调速的平滑性 电枢电路总电阻电枢电路总电阻PCu = R Ia2 = Ua Ia E Ia = Ua Ia (1 E / Ua) = Ua Ia (1 n / n0) = P1pP1=nn0 低速效率低。低速效率低。 调速的经济性调速的经济性 P1 = Ua Ia = E IaR Ia2他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速取决于取决于 RC的调节方式，一般为有级调速。的调节方式，一般为有级调速。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作32他励直流电动机的调速

15、他励直流电动机的调速调速过程电流调速过程电流变化曲线调速变化曲线调速前、后电流不前、后电流不变变调速过程调速过程转速变化转速变化曲线曲线tt=t0n2n1Ia1ianian他励电动机改变电枢回路电阻的调速过程他励电动机改变电枢回路电阻的调速过程中电流中电流和转速的变化规律（设带恒转矩负载）和转速的变化规律（设带恒转矩负载）2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作33 结论：结论：(1) 调速方法简单，控制设备不复杂。调速方法简单，控制设备不复杂。他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速(2) 调速的经济性很差。调速的经济性很差。一般用于串励或复励直流电动机拖一般用

16、于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械。生产机械。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作342. 减弱磁通调速减弱磁通调速TLn不能跃变不能跃变E = CE n 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速OTn21 bcan0If E Ia Te n 连续调节连续调节Uf（或（或Rf）可实现无级调速。）可实现无级调速。 E 下降至某一最小值后回升下降至某一最小值后回升 Ia 和和 T e上升至某一最大值后下降上升至某一最大值后下降T = TL，n = nc 。 调速方向调速方向在在 nN 以上（以上（IfN 以

17、下）调节。以下）调节。 调速的平滑性调速的平滑性n0减弱磁通调速的特点：减弱磁通调速的特点：2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作35 n ，n0 变化小，变化小， 稳定性较好。稳定性较好。 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速调节调节Uf 则需要专用直流电源。则需要专用直流电源。调节调节Rf 比较经济；比较经济； 调速的经济性调速的经济性普通普通 M ：D = 2，特殊设计的，特殊设计的 M ：D = 4。受机械强度（受机械强度（nmax）的限制，）的限制，D 不大。不大。 调速范围调速范围 调速的稳定性调速的稳定性2022年7月2日星期六山东理工大学电工

18、电子教研室weipeiyu制作36他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速减弱磁通调减弱磁通调速前、后转速前、后转速变化曲线速变化曲线减弱磁通前、减弱磁通前、后的电枢电后的电枢电流变化曲线流变化曲线改变励磁电流调速时电流和转速的变化过程改变励磁电流调速时电流和转速的变化过程（设带（设带恒转矩负载）恒转矩负载）n1n2Ia1Ia2t=t0t2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作37 应用应用 不经常逆转的重型机床；不经常逆转的重型机床； 如：国产如：国产C660、 C670 等机床；等机床； 重型龙门刨床的主传动在高速区的调速。重型龙门刨床的主传动在高速区的调速。

19、 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。磁回路不能开路。为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速调速，在额定转速以下采用降压调速。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作383. 改变电枢电压调速改变电枢电压调速他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速OTenUaUaTLbcn0n0aUa n ，Ua n 。 、

20、不变，不变， 但但 稳定性变差。稳定性变差。 调速方向：调速方向： 调速的经济性：需要专用直流电源。调速的经济性：需要专用直流电源。 调速范围：调速范围：D 不大（不大（D8） 。改变改变 Ua 调速的稳定性：调速的稳定性：连续调节连续调节 Ua ，可实现无级调速。，可实现无级调速。 调速的平滑性：调速的平滑性：在在 UN（或（或nN）以下调节。）以下调节。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作398.4 他励直流电动机的电气制动他励直流电动机的电气制动8.4.1 能耗制动能耗制动在在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性电动状态，电枢电流、电枢电动势、转

21、速及驱动性质的电磁转矩如图所示。质的电磁转矩如图所示。需要制动时需要制动时,电枢绕组去掉电源接上电枢绕组去掉电源接上制动电阻即制动电阻即可。可。当电磁转矩与电机转速的方向相同时，电机运行于电当电磁转矩与电机转速的方向相同时，电机运行于电动机状态，当两者方向动机状态，当两者方向相反时，电机运行于制动状态。相反时，电机运行于制动状态。 电动状态电动状态nTMEUaIaUfMUfRbIaTnE制动状态制动状态2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作40他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动制动开始瞬间，由于惯性，电枢保持原来方向继续制动开始瞬间，由于惯性，电枢保持原来

22、方向继续旋转，电动势方向不变。旋转，电动势方向不变。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。阻上，直到电机停止转动。2. 能耗制动时的机械特性为能耗制动时的机械特性为n = RaRb CeCT2 Te1. 能耗制动的定义能耗制动的定义由电势产生的电枢电流的方向与电动状态时的电流由电势产生的电枢电流的方向与电动状态时的电流方向相反，对应的电磁转矩与电动机时方向相反，方向相反，对应的电磁转矩与电动机时方向相反，为制动性质，电机处于制动状态。

23、为制动性质，电机处于制动状态。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作41制动前：制动前：特性特性 1。 制动开始后：制动开始后： Ua = 0， n0 = 0 特性特性 2 n = RaRb CeCT2 T制动过程制动过程他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动bOTn 1n0TLaTL(1) 能耗制动过程能耗制动过程 迅速停机迅速停机 na = nb，Ea = Eb nO 点点 自动停车。自动停车。 2Ia= 0，T = 0，n = 0，Ea = 0制动开始制动开始Ia 反向反向(Ia0)a 点点b 点，点，T 和和 TL的共同作用的共同作用T 反向反向 (T

24、0 ) ，2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作42(2) 能耗制动运行能耗制动运行 下放重物下放重物 bOTn 1n0TLa2cn 反向起动反向起动(n0)反向起动反向起动制动过程制动过程能耗制能耗制动运行动运行 E Ia 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动T = TL (c 点点)。T n T 再次反向再次反向 (T0)， Ia再次反向再次反向 (Ia0)Ea反向反向(Ea0)a 点点b 点点O 点点T = 0， TL02022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作43MUf RbIaTnE制动过程制动过程电动状态电动状态nTM

25、EUaIaUfTLTL反向起动反向起动TMUf RbTLnEIa能耗制动运行能耗制动运行他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作44能耗制动操作简单，但随着转速下降，电动势减小能耗制动操作简单，但随着转速下降，电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小，制动效果变差。制动电流和制动转矩也随着减小，制动效果变差。若为了尽快停转电机，可在转速下降到一定程度时若为了尽快停转电机，可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻，增大切除一部分制动电阻，增大制动转矩。制动转矩。他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动8.4.2 反接制动反

26、接制动反接制动电流很大。反接制动电流很大。1. 电枢电枢（电压）（电压）反接制动反接制动若电枢接正极电压，电机处于电动状态。若接上极性若电枢接正极电压，电机处于电动状态。若接上极性相反的电源电压，电机进行制动，并在回路串入制动相反的电源电压，电机进行制动，并在回路串入制动电阻，电枢回路内产生反向电流。电阻，电枢回路内产生反向电流。aaaFababUEUEIRRRR 2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作45MUfRb电动状态电动状态nTMEUaIaUfTLIaTnE制动状态制动状态 Ua电枢反接时：电枢反接时： 动能、电源电能均被电枢总电阻消耗掉。动能、电源电能

27、均被电枢总电阻消耗掉。 TL 作用？作用？ 限制限制 Iamax Ia 的方向的方向？T 的方向的方向？他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用，使电机迅速停车。强的制动作用，使电机迅速停车。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作462n0 OTn1n0 TL制动前：制动前：特性特性1 n =Ua Ce Ra CeCT2 T制动开始后：制动开始后： 特性特性2 制动过程制动过程 TL n = Ua Ce RaRb CeCT2 Tbacda 点点b 点点，Ia 反向

28、反向(Ia0)T 和和TL 的共同作用的共同作用 n = 0，T 0， na = nb，Ea = Eb， T 反向反向(T0) ， n 立刻断电，立刻断电，未断电，反向起动未断电，反向起动 制动开始；制动开始； c 点点 停机。停机。 d点，反向电动运行。点，反向电动运行。 立刻立刻 断电断电他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作47MUfUaTL2. 倒拉反接（电势反向）制动倒拉反接（电势反向）制动 下放重物下放重物 电动状态电动状态nTMEUaIaUfTLRbIaT制动状态制动状态电枢接入电枢接入 Rb 瞬间瞬间 Ia

29、 T TTL n E Ia T , TTL n = 0，TTL 反向起动反向起动 n0 | n | | E | Ia T T = TL 。 nEIa 的方向的方向？T 的方向的方向？他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作48OTn 1n0TLa2c 制动运制动运 行状态行状态制动前：制动前：特性特性 1 n =Ua Ce Ra CeCT2 T制动开始后：制动开始后： 特性特性 2n = Ua Ce RaRb CeCT2 Tbd Ia 和和 T 始终没有改变方向。始终没有改变方向。 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动倒

30、拉反转反接制动只适用于位能性负载倒拉反转反接制动只适用于位能性负载。分析分析2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作49他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，使转速降大于理想空载转速，所以转速为负值。大，使转速降大于理想空载转速，所以转速为负值。倒倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。时电枢串电阻

31、时的人为特性在第四象限的部分。倒倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。相同。8.4.3 回馈制动回馈制动(再生制动再生制动)电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现nn0情况，此时情况，此时EaU，电枢电流反向，电磁转矩，电枢电流反向，电磁转矩反向，由驱动变为制动。反向，由驱动变为制动。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作50他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动回馈制动回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。时的机械特性方程与电动状态时相同。稳定运行有两种情

32、况稳定运行有两种情况:当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限；进入第二象限；电压反接制动带位能性负载进入第四象限；电压反接制动带位能性负载进入第四象限；发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况：发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况：降压调速时产生回馈制动降压调速时产生回馈制动增磁调速时产生回馈制动增磁调速时产生回馈制动从能量方向看，电机处于发电状态从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动回馈制动状态。状态。2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作51 平地或上坡行驶时工作在平地或上坡行驶时工作

33、在 a 点。点。 下坡行驶时下坡行驶时 TL 反向反向TL2 nn0 EUa Ia0 TTL2 b 点（点（TL2 = T ）。）。 n n0 电动机处于发电状态，电动机处于发电状态， 动能转换为电能回馈电网。动能转换为电能回馈电网。回馈制动的特点回馈制动的特点EUa OTn1n0(1) 正向回馈制动正向回馈制动 电车下坡电车下坡 TL12TL23他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动n n ab2022年7月2日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作52电动状态电动状态nTMEUaIaUfTLMUfUaTLIaTnE下下坡坡n E Ia(T) n=n0, E=Ua, T=0nMUfUaTLE制动状态制动状态n E (Ua) Ia(T)0|T| MUfUaTLnEIaT他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2022年7月2日