直流电机电力拖动

直流电机电力拖动电机分类：变压器直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压变压器、降压变压器动力电机微特电机感应电机同步电机感应电动机感应发电机交流电机同步电动机同步发电机同步补偿机直流电动机直流发电机旋转电机静止电机特种变压器：自耦、三绕组、互感器直流电机的可逆原理直流电机直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。感应电动势——“发电作用”电磁转矩——“电动作用”发电机：主电动势反转矩电动机：反电动势主转矩原动机Ea>U电负载电源Ea<U

机械负载发电机电动机☞电机分交流电机和直流电机两种：直流电机—工作电压为直流；交流电机—工作电压为交流。☞直流电机分直流电动机和直流发电机两种：直流电动机—将电能转换为机械能；直流发电机—将机械能转换为电能。直流电机与交流电机的比较☞交流电机较直流电机的结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠；☞直流电机有交流电机不能比拟的启动和调速性能；☞直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和制动频繁的场合；☞直流电机即可作电动机使用，亦可作发电机使用；☞交流电机的正反转和调速需借助于复杂的控制电路。直流电机的基本工作原理电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。力的方向用左手定则确定：

若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·IF：力，NB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mI：导体中的电流，A若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=B·L·VE：感应电势，VB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mV：导体的运动速度，m/s感应电动势的方向用右手定则确定：

直流电机的基本工作原理(2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。直流电机的基本工作原理(3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。磁场的方向用右手螺旋定则确定：

直流电机基本工作原理AB直流电机物理模型

直流电机的物理模型如图所示。线圈在磁场中旋转，线圈的两条边分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接，铜片上又各压着一个固定不动的电刷。电刷换向片直流发电机原理IaEaT1T1.原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时针旋转，当换向片A接电刷A’，换向片B接电刷B’时线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位；电流：由A流出，由B流入；电磁转矩：方向顺时针；2.原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时针旋转，当换向片A接电刷B’，换向片B接电刷A’时线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位；电流：由B流出，由A流入；电磁转矩：方向顺时针；BA结论：线圈内部电流I交变，感应电动势Ea交变，但电刷电动势方向不变，电磁转矩T方向与T1相反。直流电动机原理IaEaT1.电源正接换向片A，电源负接换向片B电流：由A流进，由B流出；电磁转矩：方向逆时针；线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位。2.线圈逆时针旋转——电源正接换向片B，电源负接换向片A电流：由B流进，由A流出；电磁转矩：方向逆时针；线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位。AB结论：线圈内部电流Ia交变，感应电动势Ea交变，且与电流方向相反，电磁转矩T方向不变。发电机①右手定则判定电流方向②左手定则判定转矩方向

电动机①左手定则判定T方向②右手定则判定感应电动势方向电动机和发电机都有电磁转矩。T与n方向相反，

E与Ia方向相同吸收输入机械功率，输出电功率。

空载阻转矩

NS

n·○TT0T1电磁转矩原动机T与n方向相同输出机械功率S□×N

n·○T2·○TT0负载电枢电势的性质直流发电机的工作原理图直流电动机的工作原理图直流发电机：电源电势(与电枢电流同方向)直流电动机：反电势(与电枢电流反方向)

电磁转矩的性质直流发电机的工作原理图直流电动机的工作原理图发电机——制动转矩(与转速方向相反)电动机——驱动转矩(与转速方向相同)

主磁极换向磁极电刷装置机座端盖磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置转子定子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）转轴电枢铁心电枢绕组换向器1、结构直流电机直流电机整体结构图励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组与励磁的串联接线直流电机定子2.主磁极在主磁极铁心上固定励磁绕组，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极铁心是由1~1.5mm的低碳钢板叠成。极身极靴机座主磁极励磁绕组3.换向极一般用于1kW以上的直流电机中，位置在两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢或钢板绝缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且与电枢绕组相串联。主极换向极直流发电机☞直流发电机通常按励磁方法分为：他励、并励、串励和复励。☞其余三种发电机的励磁绕组中的励磁电流均为电枢电流或电枢电流的一部分——故称自励发电机。直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式分为四类：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

枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合直流电动机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种直流发电机稳态运行的基本方程发电机惯例发电机外特性比较他励并励过复励IN平复励欠复励差复励OI

U

UN

他励直流电动机的机械特性

电动机的转速n与电磁转矩Te

之间的关系n=f(T)。机械特性方程式电枢电压：U励磁电流：If电枢总电阻:Ra+Rc

1、机械特性：是指=常数nTMEa＋U－Ia＋Uf－TLRc

2、机械特性方程式的推导：

电枢回路电压平衡方程式

U=Ea+Ia(Ra+Rc)电枢电动势：Ea=CeΦn

电磁转矩：T=CTΦIan=UCeΦ－Ra+Rc

CeCTΦ2

T

=n0－β

T理想空载转速机械特性斜率Ra—电枢电阻Rc

—电枢回路外串电阻Ce—电动势常数，

CT—电磁转矩常数，Ce=pN60aCT=pN2a=9.55

CeOTnTAnTkn0BC3、理想空载点、堵转点

理想空载点A：对应转速

堵转点B，也称起动点

额定运行点Cn0=U/

CeΦ

α=

1β——机械特性的硬度α越大机械特性越硬α越小机械特性越软二、固有机械特性

当电磁转矩为额定转矩时，其对应转速为额定转速，

△nN为额定转速降。n=f(T)UaN,

ΦfN

,RaN

点：额定状态

满足条件：

U=UN,Φ=ΦN

,Rc

=0n=－TUNCeΦNRaCeCTΦN2=n0－βN

TN=n0－△nNOTnn0nNTNNT0特点：1）由于Ra很小，则固有机械特性很硬，静差率有3%~5%2）n0为理想空载转速，由于空载转矩T0的存在，电机的实际空载转速为`n0=UNCeΦN－Ra

CeCTΦN2

T0

`n03）当转速n=0时，电动机处于堵转状态，则其堵转电流为Ist=UNRaTst=CTΦN

Ist

=CTΦN

UNRN电枢电阻Ra很小，因此堵转电流很大，可达额定10-20倍OTn人为机械特性

改变UN、ΦN、Rc中的任何一个条件，都会改变机械特性。共3类：(Ra＋Rc)→

→

即机械特性变软n=－

TUNCeΦNRa＋RcCeCTΦN2

1、增加电枢回路电阻时的人为特性

n0RaRb＜TLRc＜

2、降低电枢电压时的人为特性特点：

1）理想空载转速n0不变（即：与电枢回路电阻无关）2）转速降△

n（或

）随Ra＋Rc

成正比地增大。在相同转矩下，Rc

越大，△

n越大，特性越软

电枢回路串电阻的人为机械特性可用于直流电动机的起动及调速。n0"n0'OTnUa'Ua"

＜特点：

1）理想空载转速n0与Ua

成正比2）转速降△

n（或

）不变，各条特性均与固有特性相平行Ua↓→n0↓但β、

不变→机械特性的硬度不变。n=－

TU

CeΦNRa

CeCTΦN2

改变电枢回路电压的人为机械特性常用于平滑调速3、减小励磁电流If（即减小磁通Φ）时的人为特性n=UN

CeΦ

－Ra

CeCTΦ

2TIf

→Φ→n0

→

、→机械特性变软。OTnn0"n0'If"If'＜特点：

1）理想空载转速n0与If或Φ成反比2）转速降△

n（或

）与Φ2成反比3）If

/Φ减弱，所以只能从额定转速向上调速机械特性的计算

已知额定功率PN，额定电压UN，额定电流IN，额定转速nN

,计算和绘制机械特性。1、固有机械特性的计算直线上任意两点确定一条直线，选择两特殊点：理想空载点（T=0,n=n0

）额定工作点(T=TN,n=nN

)CeΦN

==EaNnNn0=UNCeΦN？UN–INRanN？方式2（估算）：根据普通直流电机额定运行时，额定铜耗约占总损耗的1/2—1/3！方式1：已直接给出Ra或者查技术手册得到求Ra1）电机总损耗∑pN

=UNIN-PN额定铜耗pCuN=I2NRaUNIN-PN(2~3)I2NRa=I2NRa=（UNIN-PN）13~2）TN=CTΦN

IN=9.55CeΦN

IN额定转矩的计算：根据铭牌数据计算固有特性步骤：

（1）根据UN、PN、IN估算Ra

（2）计算CeΦN

（3）计算n0

（4）计算TN2、总结固有机械特性的计算步骤在坐标纸上标出（0，n0）、（TN、nN）两点，连成一条直线，即是固有特性曲线！2200.137=

r/min=1606r/min

UaNCeΦ

n0=

解：

计算固有机械特性CeΦN

=UN-INRanN220-115×0.1251500==0.137UNIN-PN2I2NRa=220×115-22×1032×1152==0.125【例2.1.1】一台他励直流电动机PN=22kW，UaN

=220V，IaN=115A，nN

=1500r/min

，求其固有特性。若负载转矩为额定值不变，计算其在下列情况下的电流和电机的稳定转速。1）电枢回路串入Rc=0.75的电阻；2）电枢电压降为U=100V；3）弱磁Φ=0.85ΦN时。连接n0和N(TN，nN

)两点即可得到固有特性。TN

=9.55

CeΦN

IN

=

9.55×0.137×115

=1501）电枢回路串电阻不影响电机的主磁通，因此当负载转矩为额定不变时，即电磁转矩Te保持不变，又

Te

=CTΦNIa，则有Ia=IN=115An=UN–(Ra+Rc)IaCeΦ220–(0.125+0.75)×1150.137=则电动机的稳定转速为:2）降低电枢电压也不影响电机的主磁通，因此当负载转矩为额定不变时，即电磁转矩Te保持不变，又

Te

=CTΦNIa，则有Ia

=IN=115An=U–Ra

IaCeΦ100–0.125×1150.137==625r/min3）当弱磁Φ=0.85ΦN时,负载转矩为额定不变时，即电磁转矩Te保持不变,Te

=CTΦ

Ia，得=871.4r/min则电动机的稳定转速为:则电动机的稳定转速为:Ia=CTΦNINCTΦ=ΦNIN0.85

ΦN==135.3ACTΦ

Ia=CTΦNIN，则n=UN–Ra

IaCeΦ220–0.125×135.30.85×0.137=1150.85=1744r/min电机起动需满足的条件：

①足够大的起动转矩，一般Tst

>1.1TL

②起动电流限制在安全范围内，一般Ist<(1.5-2.0)IN

直接起动后果起动瞬间：n=0，Ea

=0，对于他励电动机他励直流电动机的起动

起动：指电动机接通电源后，转速从n=0上升到稳定负载转速nL的过程称为起动过程或起动。

Ist

=UNRa=(10~20)IN

——换向决不允许!

T

=

Tst=CTΦNIst

=(10~20)TN

四个后果：电磁力大，损坏绕组；换向困难；加速过快，损坏传动机构；电网电压波动

OT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)abdcefp降低电枢电压起动过程需要可调直流电源从低到高调节电枢回路电压

降低电枢电压起动起动瞬间Ist

通常限制在(1.5~2)IN

起动时最低电压为U=(1.5~2)IN

Ra

1.1TL<Te<(1.5~2)TN

他励直流电动机的三种起动方法：直接起动、降压起动和电枢回路串电阻起动。二、电枢回路串联电阻分级起动电枢回路允许串入的最大电阻值

Rst

=UNImax-Ra

1、起动过程

可以达到限制起动电流的目的起动后，若仍串接Rst系统只能在较低转速下运行，为了得到额定转速，必须逐渐切除Rst以三级起动为例OT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)abdcefghwMIfIa＋Uf

－Rst1＋UN－Rst2Rst3RaR1R2R3KM1KM2KM3R1=Ra+Rst1R2=Ra+Rst1+Rst2R3=Ra+Rst1+Rst2+Rst3T1=(1.5~2)TN

T2=(1.1~1.2)TN

OT(Ia)n2.电枢回路起动电阻的计算T1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2(1)起动过程①串联(Rst1+Rst2)起动：

R2=Ra＋Rst1＋Rst2

起动转矩(电流)：T1(I1)=(1.5~2)TN(IaN)②切除Rst2：R1=Ra＋Rst1

切换转矩(电流)：T2(I2)

=(1.1~1.2)TL(IL)b2b1MIf＋Ua－Ia＋Uf－Rst1Rst2TMbaOT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1TMba③切除Rst1：R0=RaMIf＋Ua－Ia＋Uf－Rst1Rst2起动

a1

点a2点加速瞬间n不变

b1点cc1c2p切除Rst1b2点加速切除Rst2

c1点c2点加速p

点。加速一般级数取m=2~4②起切电流（转矩）比：③求出电枢电路电阻

Ra

(1)起动级数未定时的起动电阻的计算①确定起动电流I1

和切换电流I2

I1(T1)=(1.5~2.0)IaN

(TN)I2(T2)

=(1.1~1.2)IaN(TL)=

I1I2

Ra=UaN

IaN－

IaN

PN22④求出起动时的电枢总电阻

(即电枢回路最大总电阻)Rm⑤确定起动级数mm

=RmRa

lglgRm

=UaN

I1nb2=nc1即：Eb2=Ec1

UaN－R1I2=UaN－R0I1

R1I2=R0I1R1=

R0同理，由na2=nb1可得

R2=

R1对于m级起动，有

Rm=

mRa⑥重新计算

，校验I2是否在规定的范围内=

2R0OT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1bacc1c2p

=RmRam⑦确定各段总电阻值和各段电阻值

各段总电阻值：R1=

R0=

RaR2=

R1=

2RaR3=

R2=

3Ra…Rm=

Rm－1=

mRa各段电阻值：

Rst1=R1－RaRst2=R2－R1Rst3=

R3－R2…Rstm=Rm－Rm－1(2)起动级数已定时的起动电阻的计算①选择起动电流I1;②测出或由铭牌数据估算出Ra;③计算Rm;④计算

;⑤计算切换电流

I2，并校验之;⑥确定各段总电阻值和各段电阻值。

【例2.2.1】

一台Z4系列他励直流电动机，PN=200kW，UaN

=440V，IaN

=497A，nN

=1500r/min，Ra=0.076Ω，采用电枢串电阻起动。求起动级数和各级起动电阻

。

解：

(1)选择I1和I2

I1=(1.5~2.0)IaN

=(745.5~994)AI2

=(1.1~1.2)IaN

=(546.7~596.4)A选取I1=840A，I2

=560A。(2)求出起切电流比(3)求出起动时的电枢总电阻Rm840560=

=1.5

=I1I2

(4)求出起动级数

m取m=5。(5)重新，校验I2

440840=

Ω=0.524Ω

Rm

=UaN

I1m

=RmRa

lg

lg==4.76

0.5240.076

lg1.5lg

=RmRam0.5240.076

==1.47

58401.47=

A=571AI2=

I1

(在规定的范围内)

(6)求出各段总电阻值和各段电阻值

R1=RaR2=

2RaR3=

3RaR4=

4Ra

R5=

5RaRst1=R1－RaRst2=R2－R1Rst3=

R3－R2Rst4=R4－R3Rst5=R5－R4=1.47×0.076Ω=0.11Ω=1.472×0.076Ω=0.16Ω=1.473×0.076Ω=0.24Ω=1.474×0.076Ω=0.35Ω=1.475×0.076Ω=0.52Ω=(0.11－0.076)Ω=0.034Ω=(0.16－0.11)Ω=0.05Ω=

(0.24－0.16)Ω=0.08Ω=(0.35－0.24)Ω=0.11Ω=(0.52－0.35)Ω=0.17Ω他励直流电动机的调速调速概念：

为满足生产机械工艺的速度要求，通过改变电机参数使电机转速发生改变，称为电气调速。区别两个概念：调速、速度变化一、调速指标

调速范围、调速的静差率、调速平滑性、经济性、容许输出

调速范围

指电动机在额定负载时所能达到的最高转速与最低转速之比。

例如：车床D=2~120，龙门刨床D=10~40，造纸机D=1~20，轧钢机D=3~120D=nmaxnmin

扩大调速范围D的两条限制

nmax受到电动机的机械强度和换向条件的限制，nmin受到相对稳定性的限制

调速的静差率

指在同一条机械特性上，额定负载时的转速降与理想空载转速之比。

机械特性越硬，Δn愈小，静差率就愈小，转速相对稳定性就愈好。普通车床要求δ%≤30%，龙门刨床小于10%，高精度的造纸机要求小于0.1%δ%=Δnn0ⅹ100%=n0-nn0ⅹ100%OTnRaTNbn0aΔn

调速平滑性指相邻两级转速之比，用系数ψ表示

调速经济性

容许输出

比值越接近于1，调速平滑性越好。一定范围内调速级数越多，平滑性越好。ψ=nini-1指调速设备的初期投资、运行效率、维护费用等。

指电机在得到充分利用时，调速过程所能输出的功率和转矩。稳态时，电机的实际输出由负载决定，应使调速方法适应负载的要求。n=CeΦUa－RaCeCTΦ

2T二、调速方法OTnMIf＋Ua－Ia＋Uf－Rc

RaRa＋Rcbcn0a1.改变电枢电阻调速三种方法：电枢串电阻调速、降压调速、减弱磁通调速TLaOTnRaRa＋Rc

n0TLTLbcOTnRaRa＋Rc

n0bca①

调速方向：在nN

以下调节。

(Ra+Rc)→n，(Ra+Rc)→n

。②

调速的稳定性

(Ra+Rc)

→β

→δ

→稳定性变差。

③

调速范围：受稳定性影响，D较小。

④

调速的平滑性

电枢电路总电阻PCu=R

Ia2=Ua

Ia－E

Ia

=Ua

Ia

(1－E/

Ua)

=Ua

Ia

(1－n/

n0)=P1－△PP1=nn0——低速效率低。⑥

调速时的允许负载

T=CTΦNIaN——恒转矩调速。

取决于Ra

的调节方式，一般为有级调速。⑤

调速的经济性

P1=Ua

Ia

=E

Ia＋R

Ia2

结论：优点：设备简单，初期投资少。缺点：(1)属于有级调速，且有限级数，平滑性差(2)轻载时，调速范围小(3)低速时，效率低，电能损耗大(4)低速时，转速稳定性差(5)一般用于对调速性能要求不高的场合

【例2.3.1】

一台他励电动机，PN=22kW，UN

=220V，IN

=115A，nN

=1500r/min，Ra=0.125Ω，现拖动恒转矩负载在额定工作点稳定运行。要使电动机转速降低至1000r/min，需在电枢电路串联多大的调速电阻？

由于拖动恒转矩负载，且磁通不变，根据Te=CTΦ

Ia=Te=C可知，调速前后电枢电流不变，故转速降为1000r/min时，应串联的电阻值为解：220-0.125×1151500=

=0.137CeΦ

=UN-RaINnN

Rc

=UN-CeΦnIN

-Ra

=220

-0.137×1000115-0.125=0.6Ω2.改变电枢电压调速TL＞OTnUa'Ua"bcn0'n0"a①调速方向：

在UN（或nN）以下调节。

Ua

→n

，Ua→n

。②

调速的平滑性：连续调节Ua

，可实现无级调速。③调速的稳定性：改变Ua④调速范围：D不大（D≤8）。⑤调速的经济性：需要专用直流电源。⑥

调速时的允许负载:T=CTΦNIaN

→

不变，但

→稳定性变差。

——恒转矩调速。

【例2.3.2】

例2.3.1中的他励电动机，PN=22kW，UN

=220V，IN

=115A，nN

=1500r/min，Ra=0.125Ω，拖动恒转矩负载运行，TL=TN。现采用改变电枢电压调速。试问要使转速降低至1000r/min，电枢电压应降低到多少

？解：拖动恒转矩负载，且磁通不变，根据Te=CTΦ

Ia=Te=C可知，调速前后电枢电流不变，故转速降为1000r/min时，电枢电压应降为Ua

=CEΦn+RaIN

=0.137×1000+0.125×115=151V3.改变励磁电流调速n不能跃变E=CeΦ

nTL＞OTnΦ2Φ1

bcan0'n0"If

→Φ

E

→Ia

→T→n→E

下降至某一最小值后回升→

Ia和T

上升至某一最大值后下降

→T=TL，n=nc。①

调速方向在nN

以上（IfN以下）调节。②

调速的平滑性

连续调节Uf（或Rf）可实现无级调速。

③

调速的稳定性

Φ

④

调速范围受机械强度（nmax）的限制，D不大。普通M：D=2，特殊设计的M：D=4。⑤

调速的经济性

调节Rf

比较经济；调节Uf

则需要专用直流电源。⑥

调速时的允许负载

Φ

→T，n

，→n

，n0

→

不变，

稳定性好。

P基本不变，

为恒功率调速。

应用不经常逆转的重型机床。如：国产C660、C670等机床，重型龙门刨床的主传动在高速区的调速。通常把降压调速和弱磁通调速配合起来用，以电动机的额定转速作为基速，在基速以下调压，在基速以上调磁，可扩大D，实现双向调速。

由于电动机在弱磁状态下的电枢电流是额定值的1.25倍，故不能长期使用。此时电动机的转速为

【例2.3.3】

例2.3.1中的他励电动机，拖动恒功率负载运行，现采用改变励磁电流调速。当磁通降低为Φ=0.8ΦN时，电机转速为多少？电动机能否长期运行于弱磁状态？解：由于负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程式可得，CTΦNIN=CT(0.8ΦN)

Ia，所以

Ia

=1.25IN=1.25×115=143.75An=UN-RaIaCN(

0.8ΦN)

=220

-0.125×1.25×1150.8×0.137=1843制动的目的：快速停车、匀速下放重物等。第四节他励直流电动机的制动

制动：使拖动系统从某一稳定转速很快减速停车，或是为了限制电动机转速的升高（如起重机下放重物时、电车下坡时），使其在某一转速下稳定运行，以确保设备和人生安全。能耗制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车

电压反接制动电势反接制动正向回馈制动反向回馈制动制动方法：电气制动特点：电磁转矩与转速方向相反！自由停车：

电机运行时，切断电枢电源，系统的转速慢慢的降下来机械制动：采用机械抱闸的方式进行制动电气制动：由电动机本身产生一个与转动方向相反的电磁转矩（即制动转矩）来实现制动电气制动优点：制动转矩大，制动时间短，便于控制，容易实现自动化一、能耗制动电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－M＋Uf－RbIaTnE制动状态能耗制动时：动能转换成电能

制动前：特性1。制动开始后：

Ua

=0，Ia=n=－

Ra＋Rb

CECTΦ2

T特性2

制动过程(1)能耗制动过程

——迅速停机a点→b点，→Ia

反向(Ia＜0)制动开始→n=0，E=0

na=nb，Ea=Eb→T反向(T＜0)，→T和TL的共同作用

→Ia=0，T=0，→n↓→O点

自动停车。

bOTn1n0TLaTL2-Ea

Ra＋Rb

制动效果

Tb

Tb'2(Rb大)bOTn1TLa2'(Rb小)b'Rb

→Ia

→|Tb

|

→制动快，停车迅速。

Ia

=EbRa＋Rb

≤

Iamax

切换点（b点）

Rb

的选择

Ra＋Rb

≥

EbIamaxM＋Uf－RbIaTnE(2)能耗制动运行——下放重物a点→b点→O

点→T

=0，TL≠0→n

反向起动(n＜0)→E反向(E＜0)→Ia再次反向(Ia＞0)→T再次反向(T＞0)，→n

→T

→E

→Ia

→T=TL(c点)。

bOTn1n0TLa2c反向起动制动过程能耗制动运行nTTL制动过程电动状态nTMEa＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－RbIaTnEaTL反向起动TM＋Uf－RbTLnEaIa能耗制动运行nLnL'2bOTn1TLac

制动效果

2'(Rb小)b'TT'Rb

→特性2斜率

→下放速度|

nL

|

。Rb

的选择（各量取绝对值）

Ra＋Rb

=

EcIac=

CEΦnL

T/CTΦ

校验

Ra＋Rb

≥EbIamax

=

CECTΦ2nL

Tc'(Rb大)=

CE

CTΦ2nL

TL－T0稳定运行c点的E和Ia（对切换点b点电流的限制）

【例2.3.1】

一台他励直流电动机，PN=40kW，UaN=220V，IaN

=210A，nN

=1000r/min，电枢内阻Ra

=0.07Ω，T0忽略不计。试求：

(1)在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IaN

时，电枢应外接多大电阻？

(2)求出它的机械特性方程式？

(3)如果电枢直接短接，制动电流应多大？

(4)拖动TL=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以800r/min的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？

解：(1)额定负载时，电动机电动势EaN=UaN–IaNRa

=220-210×0.07=205.3V按要求

Imax=-2IaN=-2×210

=-420A

能耗制动时，电枢应外接电阻

(2)机械特性方程式机械特性方程式为：

(3)如果电枢直接短接，则制动电流为

此电流约为额定电流的14倍，由此可见能耗制动时，不允许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻

(4)当TL=0.8TN时，电机稳定下放重物时电枢电流为二、反接制动反接制动时，电压U与电枢电动势Ea变为同方向，实现反接制动有两种方法电压反向反接制动转速反向反接制动M＋Uf－1.电压反向反接制动Rb电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLIaTnE制动状态－Ua＋TL

作用？

限制IamaxIa的方向？T

的方向？1)制动原理：

电枢反接时：Ua和电动势Ea

方向一致，使得电枢回路有近两倍的额定电压；由于电枢电阻Ra很小，导致大的反向电流；为限制过大的电流，在电压反接的同时，在电枢回路中需串入反接制动电阻Rb电枢反接时：

动能、电源电能均被Rb

消耗掉。

2－n0OTn1n0TL制动前：特性1

n=Ua

CeΦ

－Ra

CeCTΦ

2

T制动开始后：

特性2

制动过程－TLn=－Ua

CeΦ

－Ra＋RbCeCTΦ2

Tbacda点→b点，→Ia

反向(Ia＜0)→T和TL

的共同作用→n=0，T≠

0，na=nb，Ea=Eb，

→T反向(T＜0)，

→n↓

立刻断电，未断电，反向起动

制动开始；↓→c点停机。

→d点，反向电动运行。

立刻断电e电压反接制动到达c点时：n=0,电磁转矩Tc为负值，此时：

a.

若要求停车，就必须马上断开电源，并施加机械抱闸

b.

若负载是反抗性负载时，当时，使，电动机将反向起动，并加速到d点稳定运行（-Td

=-TL）。则电动机工作在反向电动状态。

c.

若负载是位能性负载时，无论多大，都有在位能负载和Tc的共同作用下，电动机都将反向加速，并加速到e点稳定运行。电动机工作在回馈制动状态。2)机械特性及制动电阻的计算：

电压反接制动的特点：Ua

反向，Φ=ΦN，R=Ra+Rb

故理想空载转速为：－=n0

Ua

CeΦ

－故机械特性方程式为：n=－Ra＋RbCeCTΦ2

T-n0

制动瞬间b点的ERa＋Rb≥

Ua＋EbIamax2'(Rb小)b'TT'Rb

→特性2斜率

→制动转矩

→制动快。

Rb

的选择

（各量取绝对值）2(Rb大)n0－n0bOTn1TLaM＋Uf－RbIaE－Ua＋

制动效果2电动势(转速)反向反接制动——下放重物

制动原理：拖动位能性负载时，在电枢回路串联制动电阻，使Tst<TL，在位能性负载转矩作用下，电动机逆电磁转矩的方向转动，电机便处于倒拉反接制动状态。M＋Uf－＋Ua－TL电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLIaT制动状态nEIa的方向？T

的方向？

电枢接入Rb

瞬间→Ia

→T→T＜TL

→n

→|E|

→Ia

→T

→T=TL。

OTn1n0TLa2c

制动运行状态bdn

=0，重物停止提升，电动状态减速过在c点结束，在c点T＜TL

→（由于重物的拖动）反向起动→

n＜0→

n制动前：特性1

n=Ua

CeΦ

－RaCeCTΦ2

T制动开始后：特性2n=Ua

CeΦ

－Ra＋RbCeCTΦ2

T※

Ia和T始终没有改变方向。因Rb很大，

故n为负值－Ra＋RbCeCTΦ2

>02)机械特性及制动电阻的计算：

2dn0bOTn1TLa

制动效果

Rb

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(Rb大)d'nLnL'(Rb小)

Ua＋Ed

IadRa＋Rb

=

Rb的选择(各量取绝对值)

=

Ua＋CeΦnL

T/CTΦ=(Ua＋CeΦnL)

CTΦ

TL－T0M＋Uf－＋Ua－RbIaE稳定运行d点的E和Ia

【例2.3.2】

一台他励电动机，PN

=22kW，UaN

=440V，IaN

=65.3A，nN

=600r/min，Iamax=2IaN，T0忽略不计。试求：(1)拖动TL

=0.8TN

的反抗性恒转矩负载(2)拖动TL

=0.8TN

的位能性恒转矩负载，采用反接制动以300r/min

的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？

解：由额定数据求得

PN

IaN

E

=22×10365.3

=V=336.91VRa=UaN－

IaN

PN

IaN=Ω=1.58Ω440－

65.3

22×103

34.4(1)迅速停机时

TL=0.8TN=0.8×350.32=280.256N·m

CTΦ=9.55CEΦ=9.55×0.562=5.365602PNnNTN=606.28

22×103

600=×N·m=350.32N·m

336.91600=

=0.562CEΦ=EnN

280.2565.365=

A

=52.24AIa

=

TLCTΦ

E

=UaN－RaIa=(440－1.58×52.24)V=357.46V（切换点b点的Eb

）

RF≥－Ra

Ua＋EbIamax=－1.58Ω=4.526Ω

440＋357.46

2×65.3(2)下放重物时（忽略T0

）

Rb=(Ua＋CEΦn)

－Ra

CTΦ

TL

5.365

280.256=(440＋0.562×300

)－1.58Ω

=10.07Ωn

＞n0

T也变向，使T与n反向，T为制动转矩

→电动机处于发电状态，

→动能转换为电能回馈电网。

特点：

→Ea

＞U，迫使Ia改变方向,由电枢流向电源三、回馈制动

在电动机制动的同时，使电动机转速高于理想空载转速，把拖动系统的动能转换成电能回馈给电网。

电动机既工作在制动状态，又向电源回馈能量的工作状态称为回馈制动正向回馈制动

反向回馈制动

1正向回馈制动——电车下坡

平地或上坡行驶时工作在a点。下坡行驶时

TL反向→TL2→n＞n0→E＞Ua→Ia＜0→T＜0→b点（TL2=T

）。→n

→n

OTn1n0TL12TL23ab电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－＋Ua－TLIaTnE下坡n→E→Ia(T)→n=n0,

E=Ua,

T=0nM＋Uf－＋Ua－TLE制动状态n

→E

(＞Ua)→Ia(T)＜0→|T|M＋Uf－＋Ua－TLnEIaTTL

在降低电枢电压调速过程中

＞TLOTnUa1n01Ua2n02acbd

回馈制动过程

在增加励磁电流调速过程中

＞OTnIf1n01If2n02acbd工作点跳到何处？

回馈制动过程M＋Uf－nE－Ua＋TL2反向回馈制动——下放重物电压反向电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLRbIaT制动过程反向起动M＋Uf－Rb－Ua＋TLIaTnEn

→n0n

→

E＞Ua→Ia(T)反向制动状态M＋Uf－Rb－Ua＋TLnEIaTIa的方向？T

的方向？

作用？

限制IamaxOTn1n0TL2－n0acbdea点改变Ua极性n不能跃变c点b点反接制动d点反向起动e点，T=TL。

电压反向反接制动过程反向起动过程

回馈制动过程

回馈制动运行T＜TL回馈制动

制动效果

Rb

→特性2斜率

→下放速度

。

Ee－UaIaeRa＋Rb

=

Rb

的选择（各量取绝对值）

=

CeΦnL－Ua

T/CTΦ=(CeΦnL

－Ua)

CTΦ

TL－T0稳定运行e点的E和Ia

校验（各量取绝对值）

Ra＋Rb≥

Ua＋EbIamaxOTn1n0TL2－n0acbde2'(Rb小)e'nLnL'(Rb大)b'制动瞬间b点的EM＋Uf－－Ua＋RbIaE电压反接后瞬间

电压反向反接制动与反向回馈制动的比较

电压反向制动过程

回馈制动状态电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－RbIaTnE－Ua＋TLM＋Uf－RbIaTnE－Ua＋TL第四节他励直流电动机的调速调速概念：

为满足生产机械工艺的速度要求，通过改变电机参数使电机转速发生改变，称为电气调速。区别两个概念：调速、速度变化一、调速指标

调速范围、调速的静差率、调速平滑性、经济性、容许输出

调速范围

指电动机在额定负载时所能达到的最高转速与最低转速之比。

例如：车床D=2~120，龙门刨床D=10~40，造纸机D=1~20，轧钢机D=3~120D=nmaxnmin

扩大调速范围D的两条限制

nmax受到电动机的机械强度和换向条件的限制，nmin受到相对稳定性的限制

调速的静差率

指在同一条机械特性上，额定负载时的转速降与理想空载转速之比。

机械特性越硬，Δn愈小，静差率就愈小，转速相对稳定性就愈好。普通车床要求δ%≤30%，龙门刨床小于10%，高精度的造纸机要求小于0.1%δ%=Δnn0ⅹ100%=n0-nn0ⅹ100%OTnRaTNbn0aΔn

调速平滑性指相邻两级转速之比，用系数ψ表示

调速经济性

容许输出

比值越接近于1，调速平滑性越好。一定范围内调速级数越多，平滑性越好。ψ=nini-1指调速设备的初期投资、运行效率、维护费用等。

指电机在得到充分利用时，调速过程所能输出的功率和转矩。稳态时，电机的实际输出由负载决定，应使调速方法适应负载的要求。n=CeΦUa－RaCeCTΦ

2T二、调速方法OTnMIf＋Ua－Ia＋Uf－Rc

RaRa＋Rcbcn0a1.改变电枢电阻调速三种方法：电枢串电阻调速、降压调速、减弱磁通调速TLaOTnRaRa＋Rc

n0TLTLbcOTnRaRa＋Rc

n0bca①

调速方向：在nN

以下调节。

(Ra+Rc)→n，(Ra+Rc)→n

。②

调速的稳定性

(Ra+Rc)

→β

→δ

→稳定性变差。

③

调速范围：受稳定性影响，D较小。

④

调速的平滑性

电枢电路总电阻PCu=R

Ia2=Ua

Ia－E

Ia

=Ua

Ia

(1－E/

Ua)

=Ua

Ia

(1－n/

n0)=P1－△PP1=nn0——低速效率低。⑥

调速时的允许负载

T=CTΦNIaN——恒转矩调速。

取决于Ra

的调节方式，一般为有级调速。⑤

调速的经济性

P1=Ua

Ia

=E

Ia＋R

Ia2

结论：优点：设备简单，初期投资少。缺点：(1)属于有级调速，且有限级数，平滑性差(2)轻载时，调速范围小(3)低速时，效率低，电能损耗大(4)低速时，转速稳定性差(5)一般用于对调速性能要求不高的场合

【例2.4.1】

一台他励电