电机与拖动：第三章 直流电动机的电力拖动

1、第三章 直流电动机的电力拖动第一节 他励直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(Te)一、机械特性方程式 2理想空载转速 电动机实际空载转速 电动机带负载后的转速降 当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。3例3-1 一台他励直流电动机额定功率PN=96KW，额定电压UN=440V，额定电流IN=250A，额定转速nN=500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.078，忽略电枢反应的影响，求： （1）理想空载转速n0； （2）固有机械特性斜率。 解（1）理想空载转速计算,电动机的 理想空载

2、转速 （2）斜率计算 斜率 4例3-2 某他励直流电动机额定功率PN=22KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.1，忽略空载转矩T0，电动机拖动恒转矩负载TL=0.85TN（TN为额定电磁转矩）运行，稳定运行时电动机转速、电枢电流及电动势多大？解理想空载转速额定转速降负载时转速降5电机运行转速电枢电流电枢电动势或他励直流电动机固有机械特性具有以下几个特点：见书P51页0TNTsn0nNNT6二、固有机械特性与人为机械特性 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。 （一）电枢串联电

3、阻时的人为机械特性 他励直流电动机固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性721FFFN（二）改变电压时的人为机械特性 电压不同时的人为机械特性（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性 8三、机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制其中 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。理想空载点从上式中看出，如果能知道额定电枢电动式EaN 或者知道电枢回路电阻Ra,便可算出来，从而计算出理想的空载转速n0。有两种计算方法。1、根据经验估算出额定的电枢电动势EaN 其中小容量电机取小的系数，一般中等容量电机取0.95左右。9 还有一种估算方法

4、，简单实用。它取电机工作在最大效率时候为额定工作点。此时可变损耗=不变损耗，也可以定义为总损耗=2*可变损耗。即， 则 2、根据所选直流电动机，实测它的电枢回路电阻Ra 注意，直流电动机转抽上输出转矩T2N为 其中PN是额定功率，单位为kW。nN是额定转速，单位r/min。T2N与TN二者不相等，相差T0。55页上边公式有误10总之，根据铭牌数据求电动机的固有机械特性，可按如下的次序进行：（1）估算EaN或实测Ra；（2）计算 ； （3）求n0；（4）计算TN；在坐标纸上标出（n0，0），（nN,TN）两点，过此两点联成直线，即为该直流电动机的固有机械特性。例3-3 一台他励直流电动机的铭牌数

5、据为：额定容量PN=50kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=250A，额定转速nN=1150r/min，试计算其固有机械特性。解（1）估算额定电枢电势EaN 根据额定容量知道，这台电动机属于中等容量电机，取 11（2）计算CeN（3）计算n0（4）计算TN 于是得到固有机械特性上的两个特殊点：理想空载点（ 0 ，1208.8 ），额定工作点（434.5 ，1150 ）。即可画出这台直流电动机的固有机械特性。12（二）人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。 例3-3 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其机械特性

6、。 解理想空载点额定点13第二节 他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动方法如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍 特性图电路图14二、他励直流电动机起动电阻的计算（一）图解解析法1绘制固有机械特性 2选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电流 I2 （或T1 与T2）3画出分级起动特性图 1516（二）解析法在b点 切换在c点 两级起动时 推广到m级起动的一般情况 称为起动电流比nb=nc，Eb=Ec17例补一台他励直流电动机的铭牌数据为： 试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。 解已知起动级数m=4 选择18各分段电阻如下 ：则各级起动总电阻如下： 19二、

7、 降压启动降压电源电源电压到U，启动电流 负载TL已知，根据启动条件的要求，可以确定电压U的大小。有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到UN。实际上，电源电压由于可以连续升高，所以启动更快、更稳。 他励直流电动机空载启动或拖动反抗性转矩负载启动，改变电源电压U的方向或改变励磁电流的方向，电动机都要反向启动。然后稳定运行。例3-420第三节 他励直流电动机的制动1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。 2） 制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。

8、 一、能耗制动 21能耗制动时，因而其机械特性方程式为能耗制动的机械特性曲线是通过原点0的一条直线 22假定制动前电动机在固有机械特性的A点稳定运行。开始切换到能耗制动瞬间，转速nA不能突变，电动机从工作点A过渡到能耗制动机械特性的B点上。因B点电磁转矩TB0，拖动系统在转矩TB和TL相同方向的作用下迅速减速，运行点沿能耗制动机械特性下降，制动转矩的绝对值也随之减小，直到原点0，电磁转矩及转速都降到0，拖动系统停止运转。电枢回路外串电阻的最小值为 用例3-5说明 23图（a)为电压反接（又称电源反接）制动时的接线图，当开关S闭合在电源侧时，电动机拖动反抗性恒转矩负载在固有机械特性的A点运行，如

9、图（b）直线1所示。制动时，将电源电压反极性，同时电枢回路中串入了电阻RC。这时，U=-UN,电枢回路总电阻为Ra+RC，=N。电动机的机械特性方程式为(一)电压反接制动二、反接制动24这种制动是通过把电源电压极性反接实现的，所以称为电压反接制动，或电枢反接制动。25电压反接制动时，U=-UN0,Ea=0,电枢电流为: 在电压反接制动过程中，电动机从轴上输入的机械功率，扣除空载损耗功率后即转变电功率，这部分功率和从电源输入的电功率，两者都消耗在电枢回路的电阻上。 如果制动前电动机在固有机械特性上运行， 为了把电枢点电流限制在最大允许值Iamax，电枢外串电阻的最小值为26 对同一台电动机，由换

10、向条件决定的最大允许电枢电流Iamax只有一个，所以采用电压反接制动时，电枢回路外串电阻的最小值差不多比采用能耗制动增大了1倍，机械特性的斜率也几乎比能耗制动时增大了1倍，如图所示的机械特性（图中直线2和3）。 由图不难看出，如果制动开始时有2种制动方法的电枢电流都等于最大允许值Iamax，那么在制动停车过程中，电压反接制动的制动转矩比能耗制动大，因此制动停车的时间短。但是采用电压反接制动，不如能耗制动容易实现准确停车。 27(二)电动势反接制动（倒拉反接，位能负载） 他励直流电动机拖动位能性负载，电动机工作在正向电动状态，工作点在固有机械特性（图中直线1）的A点，以转速nA提升重物，如图中第

11、象限所示。为了降低下放重物，将电阻RC串入电枢回路中。（书P64第1行有误） 因此，电动机将从固有机械特性1的A点过渡到人为机械特性（图中直线3）上的E点。 电动机在第象限的F点运行时，T0,nn02，所以EaU1,电枢电流将改变方向，Ia0，电磁转矩T=TB0与n的方向相反，成为制动转矩，电动机进入再生发电制动状态。在T与TL的作用下，电动机减速，运行点沿机械特性曲线2位于第象限的BC段变化。至C点，n=n01，Ea=U1,Ia及T均降到0，再生发电制动结束。 30电动机回馈制动电路图(带位能负载)（三）位能负载下放重物时的再生发电制动（反向回馈制动）当起重机把重物提升到一定的高度时，如欲停

12、止提升，可切断电动机电源，同时施以机械闸，使电动机转速n=0,重物被吊在空中。31 为了高速下放重物，在松开机械闸后转速由正向变成反向旋转，即反向启动电动机。此时电动机的机械特性位于第象限，电动机工作在反向电动状态，如下图所示。在反向启动的过程中，电动机的电磁转矩T0,两者反向一致，都是拖动转矩。在它们的共同作用下，电动机转速迅速升高。运行点从电动机机械特性的A点向B点变化。随着反向转速的升高， 增大，减小，也相应减小，直到B点，n=n0,Te=0,但在位能负载转矩TL作用下系统仍将继续反向升速。 当时，电动机进入第象限。此时, ,电枢电流改变了反向，Ia 0,电磁转矩也相应改变方向，称为制动

13、转矩，电动机工作状态变成再生发电制动状态。 32 由于电磁转矩的制动作用，重物下降的加速度减少，并且随着 增加，电磁转矩不断的加大，制动作用不断的加强，重物下降的加速度也越来越小，知道B点，Te=TL,电动机以转速nB稳定运行，重物以恒定的速度下降。这种再生发电制动又称为反向回馈制动。例题3-7；3-833他励电动机降压、减速过程中回馈制动特性例补一台他励直流电动机的数据如下：（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放， ，求电动机反向下放转速。（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， 时，转速 ，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗

14、的功率。 （3）电动机带动反作用负载，从 进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。 34解 （1）电动机反向下放转速 （2）电枢电路总电阻 电枢串接电阻 电网输入功率 电枢电路电阻上消耗的功率 35轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率） （3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为 电枢电路总电阻 电枢电路串接电阻 36四、他励直流电动机的各种运行状态分析他励直流电动机机械性方程式的一般形式为当按规定的正方向用曲线表示机械特性时，电动机的固有机械特性及人为机械特性将位于直角坐标系的四个象限之中。在 ,象限内为电动状态，, 象限内为制动状态。电

15、动机的负载有反抗性负载、位能性负载以及风机泵类负载等。它们的机械特性也位于直角坐标系的四个象限之中。在电动机机械特性与负载机械特性的交点处 电动机稳定运行，该交点为电动机的工作点。所谓运转状态就是指电动机在各种情况下稳定运行时的工作状态。下图表示了他励直流电动机的各种状态。3738例补 一台他励直流电动机的额定数据为：电枢绕组的电阻电刷接触压降设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743,求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁通 减少10%，当达

16、到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？39解（1）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间稳态时（2）磁通 减少为原来的0.940第四节 他励直流电动机的调速 采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。问题：直流电动机有几种调速方法？U、R、 一、调速指标 调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标 （一）调速的技术指标 1. 调速范围 不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D20120，龙门刨床D1040，机床的进给机构D5200，轧钢机D3120，造纸机D320等 41不同机械特性下的静差率 2静差率（或称相对稳定性） 电动机的机械特性愈硬，则静差率

17、愈小，相对稳定性就愈高。 调速范围D与低速静差率%间的关系允许的转速降 423平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。 值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。 4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。 平滑系数：43（二）调速的经济指标 调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。 例补 一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速 ，高速机械特性的理想空载转

18、速 如果额定负载下低速机械特性的转速 ，而相应的理想空载转速 。（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率 ；（2）如果生产工艺要求静差率 20%，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？ 44解 （1）低速静差率 （2）不能满足原有调速范围的要求45他励、并励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻值，电动机将运行于不同的转速，如图所示，图中的负载为恒转矩负载。二、电枢串电阻调速 从图可以看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机的机械特性曲线的斜率 将增大。 电动机机械特性曲线和负载的机械特性曲线的交点将下移，即电

19、机稳定运行转速降低。电枢回路串入的电阻值R越大，电动机的机械特性曲线的斜率越大，和负载的机械特性曲线的交点越下移，电机稳定运行转速越低。 46 如图中串入的电阻值R2R1,交点C的转速nC低于交点B的转速nB，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。 通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速,那么电枢回路串电阻调速方法的调速范围只能在基速与零转速之间调节。电枢回路串电阻调速时，如果拖动的是恒转矩负载TL，根据电磁转矩公式 不管电枢回路串多大电阻，电动机运行与多大转速下，电动机电枢电流Ia的大小将不变。可见电动机励磁磁通保持恒定并忽略电枢反应去磁效应的情况下，电枢电流Ia的大小取决于负

20、载转矩TL。TL大，Ia也大；TL小，Ia也小；TL不变，Ia也不变。电动机拖动恒转矩负载采用电枢回路串电阻调速时，虽然电枢电流大小不变，但转速越低，串入电阻上的损耗 将越大，电动机的效率越低。 47降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为晶闸管整流器供电的直流调速系统三、 改变电枢电源电压调速48例题3-9 一条他励直流电动机的额定功率PN=125kw，额定电压UN=220v，额定电流IN=630A，额定转速nN=1000r/min，电枢回路总电阻Ra=0.01484，电动机带额定负载运行。若要求转速调到420r/min，求：（1)采用电枢串电阻调速时，电枢回路需串入多大电阻？该转速下电动机

21、的效率？（2）采用改变电枢电源电压调速时，电枢电源电压应调到多少伏？电机的效率？解：（1） 电枢回路串入电阻值及效率的计算49电枢电源电压即效率的计算50四、弱磁调速 弱磁调速电路示意图较大容量系统小容量系统弱磁调速时，机械特性方程式是 ：例3-10见73页51 弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。 减弱磁通时的电枢电流、转速、磁通变化曲线52五、恒转矩调速方式与恒功率调速方式 恒转矩调速方式是指在某种调速方法中，保持电枢电流Ia=IN不变，若该电动机电磁转矩恒定不变，则

22、称这种调速方式为恒转矩调速方式。他励直流电动机电枢回路串电阻调速和改变电枢电源电压调速就属于恒转矩调速方式；恒功率调速方式是指在某种调速方法中，若该电动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方式为恒功率调速方式。他励直流电动机弱磁调速就属恒功率调速方式。 电动机采用恒转矩调速方式时，如果拖动恒转矩负载运行，并且使电动机额定转矩与负载转矩相等，那么不论运行在什么转速下，电动机的电枢电流Ia=IN不变，此时电动机得到了充分利用，则这种恒转矩调速方式与恒转矩负载的配合是合适的，也称相匹配。53 电动机采用恒功率（书有误）调速方式时，如果拖动恒功率负载运行，并且使电磁功率PM为额定值不变，那么不论运行在什么转速下，电动机的电枢电流Ia=IN不变，电动机被充分利用，则恒功率调速方式与恒功率负载相匹配。 电动机采用恒功率调速方式时，如果拖动恒功率负载运行时，假如让电动机低速运行时，负载转矩等于电动机额定转矩，电动机的电枢电流等于额定电流，此时电动机利用是充分的。但当系统运行在高速时，由于负载是恒功率的，高速时转矩TL 小。因此电动机电磁转矩T就小于额定转矩TN。而恒转矩调速时磁通不变，电磁转矩T减小，电枢电流Ia也必然减小，结果IaIN ，电动机的利用就不充分了。这种情况就叫电动机调速方式与所拖动的负载不匹配。从以上分析可看出，电动机拖动恒功率负载采用恒