直流电机拖动

§1直流电动机机械特性机械特性电动机静态特性，相同时间过程里，电动机产生的转矩T(或电流Ia)与电力拖动系统的转速n之间的关系。T=f(n)动态特性：电动机转矩T与时间t的关系及系统转速n与时间t的关系。T=f(t)；n=f(t)机械特性的硬度：表征机械特性形状的特点。指在机械特性曲线的工作范围内，某一点的转矩对该点转速的微分。§1直流电动机机械特性不同类型的直流电动机具有不同的机械特性不同生产机械要求不同机械特性的电动机Tn3142DUDUDUUf§2他励直流电动机机械特性机械特性方程他励直流电动机Ud=Ea+IaRT=CTΦI;CT=pN/2πaEa=CNΦn;CN=pN/60a转速公式机械特性DUUf+-+-IaIfEa转矩平衡T2=T–T0=TfzT≈Tfz

；T0≈0§2他励直流电动机机械特性自然（固有）机械特性自然机械特性U=UN;Φ=ΦN;R=RN理想空载转速点堵转点机械特性下斜T增，Ia增，Δn增，n减机械特性下斜，下斜程度与R有关。T=0，n=n0=U/Ce

ΦT=TN

，n=n0–Δn=nN额定转速点n=0,Idu=UN/Ra,Tdu=CTΦNIdunTTfzTdu§2他励直流电动机机械特性人为机械特性人为改变U，Φ，电枢回路总电阻

R。电枢回路串电阻人为特性降压人为特性弱磁通人为特性DUUf+-+-IaIfEaRΩU=UN;Φ=ΦN;串电阻

RΏΦ=ΦN;R=Ra;降压UU=UN;R=Ra;

弱磁nTTfzn0§2他励直流电动机机械特性人为机械特性人为改变U，Φ，电枢回路总电阻

R。电枢回路串电阻人为特性降压人为特性弱磁通人为特性U=UN;Φ=ΦN;串电阻

RΏΦ=ΦN;R=Ra;降压UU=UN;R=Ra;

弱磁nTTfzn0DUUf+-+-IaIfEa§2他励直流电动机机械特性人为机械特性人为改变U，Φ，电枢回路总电阻

R。电枢回路串电阻人为特性降压人为特性弱磁通人为特性U=UN;Φ=ΦN;串电阻

RΏΦ=ΦN;R=Ra;降压UU=UN;R=Ra;

弱磁DUUf+-+-IaIfEaTn0nTfz§2他励直流电动机机械特性机械特性的计算与绘制参数计算自然特性绘制人为特性绘制额定值:PN,UN,IN,nN理想空载转速点：n=n0,T=0额定转速点：n=nN,T=CTΦNIN堵转点:n=0,Idu=UN/Ra,Tdu=CTΦNIdunTTNTdun0nN§2他励直流电动机机械特性电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统运行状态：他励直流电动机拖动恒转矩负载的系统在电网或负载波动时是稳定的。差复励直流电动机拖动恒转矩负载的系统在负载波动时不是稳定的nTTNTdun0nNT1nTTNTdun1nNT1平衡状态：T=Tfz

，T决定于Tfz

机械特性与负载特性有交点，平衡是稳定运行的必要条件平衡稳定：电力拖动系统在某种扰动下离开平衡位置，在新的条件下达到新的平衡，或在扰动消失后，还能回到原来的平衡位置。平衡是否稳定：决定于电机机械特性与负载特性的配合§2他励直流电动机机械特性电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件：平衡点A：非平衡点，n=nA+ΔnT=TA+ΔTTfz’=Tfz+ΔTfz微分方程：nTΔnΔTABTfz=f(n)T=f(n)ΔTfz微分方程的解Δnqa

：起始转速增量§2他励直流电动机机械特性电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件：结论：平衡稳定运行的充要条件:

nTΔnΔTABTfz=f(n)T=f(n)ΔTfz平衡稳定运行条件：在两特性曲线交点所对应的转速以上，应保证的T<Tfz

，在这一转速以下，应保证T>Tfz

。小结他励直流电动机机械特性：机械特性的计算和绘制:拖动系统稳定运行条件:在平衡点nTTNTdun0nN§3他励直流电动机起动直接起动的问题起动方法：降压串电阻

起动过程：从静止运行到某一稳态转速的过程。

起动电流：DUUf+-+-IaIfEaRΩnTTNTdun0nN

影响：大电流形成环火和火花大Tdu

机械冲击电网波动§3他励直流电动机起动电枢回路串电阻起动

基本方法：

多级串电阻起动过程串电阻起动达到n1时切除，运行到自然机械特性。DUUf+-+-IaIfEaRΩKTnTTfzTdun0nfzn1abcT1启动过程。存在的问题：二次电流冲击。§3他励直流电动机起动电枢回路串电阻起动DU+-IaEaRΩ1KT1RΩ2RΩ3RaR1R2R3KT2KT3nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFW§3他励直流电动机起动起动参数的选择nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFW最大起动转矩T1切换转矩T2起动级数小，启动速度快起动级数m启动速度快,但m小m=3~4§3他励直流电动机起动起动电阻的计算nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFW电势平衡方程：

m级起动电阻：起动电阻：§3他励直流电动机起动起动电阻的计算nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFW起动电阻的计算（m已知)

Ra：

预选T1（I1），计算Rm和γ

验算T2（I2）

计算各级电阻起动电阻的计算（m未知)

Ra：预选T1（(I1)，T2(I2)

计算起动级数mm取整,修正T2，γ

计算各级电阻§4直流电动机起动时过渡过程过渡过程概述过渡过程：原因：机械过渡过程；电磁过渡过程；机电过渡过程研究变量：T=f(t)；n=f(t)；Ia=f(t)过渡过程分类：外因：

T≠Tfz

，指系统从一个稳定工作状态过程过渡到另一个稳定工作状态的过程。内应：存在惯性：机械惯性；电磁惯性；热惯性§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

转速n的变化规律n=f(t)微分方程：DU+-IaEaRΩnTTfzTdun0nwΔnw其中：机电时间常数：§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

转速n的变化规律n=f(t)由初始条件（t=0,n=nqa

)确定CDU+-IaEaRΩ微分方程的解：nTTfzTdun0nwΔnwC=nqa

-nwnqa

=0时：tnnw§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

转矩T的变化规律T=f(t)

由初始条件（t=0,T=Tqa

)确定CnTTfzTdun0nwΔnwtTT1Tfz§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

电流I变化规律I=f(t)

串电阻起动时：

稳态值：Tfz

；IfznTTfzTdun0nwΔnwtII1IfztTT1Tfz§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

过渡过程曲线形状nTTfzTdun0nwΔnwtnnw§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

启动时间tnnw研究起动时间的必要性：

串电阻起动时间：

t=3Tm时，n=0.95nwt=4Tm时，n=0.98nwtq=4Tm从nqa

到任一转速nx时间：Tm3Tm§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

机电时间常数Tm

的物理意义机械特性曲线中的表示：

Tm：机-电-时间-常数nTTfzTdun0nwΔnwGD2–R,φ-aTm：时间常数ntnwTm§4直流电动机起动时过渡过程电枢回路串固定电阻起动的过渡过程

动态特性与静态特性：nTn0nwΔnwtII1Ifzn=f(t)和T=f(t)的起始点n=0，T=Tdu

及稳态点刚好是静态性上两个稳态点坐标动态特性表示n，T随t变化规律，静态特性表示同一时间下，n和T关系。Tm，α，n=f(t)在t=0时斜率

tnwTm§4直流电动机起动时过渡过程以两级串电阻起动为例：逐级切换电组的起动过程nTTfzT1n0T2R1R2RaACBWnqa3nqa2nqa1Dnw1nw2nw3第一级起动过程：第二级起动过程：§4直流电动机起动时过渡过程其中：自然机械特性起动过程：启动时间：逐级切换电组的起动过程nTTfzT1n0T2R1R2RaACBWnqa3nqa2nqa1Dnw1nw2nw3tTT1TfzT2tqa3tqa2tqa1tntqa1tqa2tqa3§4直流电动机起动时过渡过程减小系统的飞轮转矩GD2，主要是电机转子飞轮矩：双电动机拖动GD2大约减小15%机械过渡过程加快加大Tdz-Tfz：

但Tfz

恒转矩，可使T=2TN

且基本恒定。解决办法：在启动过程中，电流保持最大值Imax

不变。此时达到稳态的时间为Tm。tTmnImaxtITm小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算DUdUf+-+-IaIfEaRΩKTnTTfzTdun0nfzn1abcT1nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFWDUd+-IaEaRΩ1KT1RΩ2RΩ3RaR1R2R3KT2KT3小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算nTTfzT1n0T2IfzI1I2IR1R2R3RaACDBEFWm=3~4小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算tnnw小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算tTT1Tfz小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算tII1Ifz小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算nTTfzT1n0T2R1R2RaACBWnqa3nqa2nqa1Dnw1nw2nw3tTT1TfzT2tqa3tqa2tqa1tntqa1tqa2tqa3小结起动方法：电枢回路串电阻起动电枢回路串固定电阻起动电枢回路多级串电阻起动过渡过程：转速n的变化规律n=f(t)

转矩T的变化规律T=f(t)

电流I变化规律I=f(t)

逐级切换电组的起动过程起动参数的选择与计算§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态能耗制动电压反接制动电势反接制动回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程电动机状态：制动状态：Ｐ＝Ｉa＊Ｅa>０，电能-机械能T与ｎ同方向，拖动转矩；T与ｎ反方向，制动转矩；出现制动状态的情况：快速停机；降速过程，降压调速比较大下放重物反转过程中

电动机状态能耗制动电压反接制动电势反接制动回馈制动Ｐ＝Ｉa＊Ｅa<０，机械能-电能能耗制动的实现§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动DU+-IaEaRn切断电枢电源，串电阻到电枢回路并构成闭合回路能耗制动的实现机械特性过渡过程特点及应用§５直流电动机制动及过渡过程-DU+IaEaRn切断电枢电源，串电阻到电枢回路并构成闭合回路Ia在Ea作用下反向，T反向，P=IaEa<0，吸收机械能发电输出

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动能耗制动的实现机械特性制动过程及过渡过程特点及应用§５直流电动机制动及过渡过程-DU+IaEaRnTfznfzn0T1AB过原点：T=0，n=0串电阻

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动能耗制动的实现机械特性过渡过程----位能负载§５直流电动机制动及过渡过程Tfznfzn0T1ABntCtnTttn制动时间4Tmn

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动能耗制动的实现机械特性过渡过程----反抗性负载特点及应用§５直流电动机制动及过渡过程Tfznfzn0T1ABTttnntCtn

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动实现及其特性§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动反接制动：U与Ea同方向

电压反接制动：改变电枢电压极性使U与Ea同方向DIaEaU+-RfU+-实现及其特性过渡过程§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动反接制动：DIaEaU+-RfU+-Tfznfzn0T1AB-n0U与Ea同方向，串Rf限制电流

特性在第二象限

实现及其特性过渡过程--位能负载§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动反接制动：过渡过程制动过程Tfznfzn0T1AB-n0CD过渡过程----位能负载§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动Tfznfzn0T1AB-n0CDnttnTttn实现及其特性过渡过程—

反抗性负载§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动反接制动：Tfznfzn0T1AB-n0CDE时间：过渡过程—反抗性负载§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动Tfznfzn0T1AB-n0CDETtnt§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动IaDUd+-EaRfKTnTfzTn0nw转速反向的反接制动过程及实现n反向使Ea

与U同方向转速反向的反接制动过程及实现制动过渡过程§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动IaDUd+-EaRfKTnDTfzTn0nwCBA条件：位能负载反拖串Rf限电流转速反向的反接制动过程及实现制动过渡过程§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动nDTfzTn0nwCBAntTt转速反向的反接制动过程及实现制动过渡过程§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动电压反接：反接制动的比较反接制动时的能量关系UIa

>0，吸收电能；Ea

Ia

<0，吸收机械能；电势反接：UIa

>0，吸收电能；Ea

Ia

<0，吸收机械能；功率平衡：下放重物时的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动降压调速过程中的回馈制动下放重物时的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动Bn0TfznfzT1A-n0CDnBnB>n0

，Ia<0与Ea同向

，T<0,机械能转换为电能回送电网DUd+-IaEa降压调速过程中的回馈制动下放重物时的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动n0Tfz1nfzABTfz2TmTDn正向电动，Tfz1=Tm，U>EaIa

>0与Ea反向

下放重物时的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动TmTDnTωn0Tfz1nfzABTfz2正向电动，Tfz

=Tm-Tω

<0，与TD同向，

U>Ea，Ia

>0与Ea反向

下放重物时的回馈制动降压调速过程中的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动n0Tfz1nfzABTfz2TmTDnTω回馈制动，Tfz

=Tm-Tω

<0，与TD<0反向，

U<Ea，Ia

<0与Ea同向

下放重物时的回馈制动降压调速过程中的回馈制动电车下坡时的回馈制动§５直流电动机制动及过渡过程

电动机状态

能耗制动

电压反接制动

电势反接制动

回馈制动回馈制动:n0TfznfzABT1Cn01n>n0

，Ia<0与Ea同向

，T<0，机械能转换为电能回送电网§6他励直流电动机的速度调节改变电动机参数的方法，使电力拖动系统运行于不同的人为特性，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度。调速方法：在同一机械特性下，因负载的变化而引起电动机转速的改变。改变电枢电压U；电枢回路串电阻；改变磁通Ø；速度调节：速度变化：§6他励直流电动机的速度调节一.调速的基本指标调速范围：

n0变化时，特性硬度和静差率关系不确定调速的静差率：

n0不变时，特性越硬δ越小，稳定性越高。额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高速度与最低转速之比。nnminn0TN同一条特性上，额定负载时的转速降与n0之比

nmin所对应的机械特性上，应该具有足够大的起动转矩,即nmin

应在T=λTN

,n=0和T=TN,n=nmin连点所决定的特