直流电动机的电力拖动

β=

dndTRaCECTΦ2=α=1β——机械特性的硬度3、理想空载点、堵转点OTnTAnTkn0BC第1页/共67页第一页，共68页。4.固有特性OTnn0Nn=f(T)UaN,

IfN,RanNTNMnMTM

N

点：额定状态。

M

点：临界状态。5.人为特性(1)增加电枢电路电阻时的人为特性n=－TUNCEΦNRa＋RrCECTΦN2OTnn0Ra'Ra"

＜(Ra＋Rr)→→

即机械特性变软。第2页/共67页第二页，共68页。(2)降低电枢电压时的人为特性n=UaCEΦN－RaCECTΦN2Tn0"n0'Ua↓→n0↓但β、

不变→机械特性的硬度不变。OTnUa'Ua"

＜(3)减小励磁电流时的人为特性n=UNCEΦ－RaCECTΦ2TOTnn0"n0'If"If'＜If

→Φ→n0

→

、→机械特性变软。第3页/共67页第三页，共68页。6、机械特性计算已知额定功率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）固有机械特性计算（2）人为机械特性计算第4页/共67页第四页，共68页。【例2.1.1】

一台他励直流电动机，PN=10kW，UaN=220V，IaN=210A，nN=750r/min，求固有特性。解：忽略T0

，则509.55210=

=2.426TNIaNCTΦ

=

2200.254=

r/min=866.25r/min602PNnNTN=606.2840×103750=×N·m=509.55N·m260CEΦ=CTΦ6.2860=

×2.426

=0.254UaNCEΦ

n0=连接n0和N(TN，nN)两点即可得到固有特性。第5页/共67页第五页，共68页。2.2他励直流电动机的起动

起动性能

①起动电流Ist

②起动转矩Tst。直接起动起动瞬间：n=0，E=0，

Ist=UaRa对于他励电机=(10~20)IN——换向决不允许!

T

=

Tst=CTΦIst=(10~20)TN1.降低电枢电压起动需要可调直流电源。第6页/共67页第六页，共68页。OT(Ia)n2.电枢串联电阻起动T1(I1)TL(IL)T2(I2)abdMIfIa＋Uf－Rst1cefghw＋UN－Rst2Rst3RaR1R2R3KM1KM2KM3R1=Ra+Rst1R2=Ra+Rst1+Rst2R3=Ra+Rst1+Rst2+Rst3T1=(1.5~2)TNT2=(1.1~1.2)TN第7页/共67页第七页，共68页。OT(Ia)n2.电枢串联电阻起动(续)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－Rst1Rst2TMba第8页/共67页第八页，共68页。OT(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。加速瞬间n不变第9页/共67页第九页，共68页。②起切电流（转矩）比：③求出电枢电路电阻Ra(2)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)IL(TL)=I1I2

Ra=UaNIaN

－

IaNPN22第10页/共67页第十页，共68页。④求出起动时的电枢总电阻Rm⑤确定起动级数mm

=RmRa

lg

lgRm

=UaN

I1第11页/共67页第十一页，共68页。nb2=nc1即：Eb2=Ec1UaN－R1I2=UaN－R0I1

R1I2=R0I1R1=R0同理，由na2=nb1可得

R2=R1对于m级起动，有

Rm=

mR0⑥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

=RmRam第12页/共67页第十二页，共68页。⑦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第13页/共67页第十三页，共68页。(3)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。第14页/共67页第十四页，共68页。【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I2I1=(1.5~2.0)IaN=(745.5~994)AI2

=(1.1~1.3)IaN=(546.7~596.4)A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

第15页/共67页第十五页，共68页。(4)求出起动级数m取m=5。(5)重新计算，校验I2

440840=

Ω=0.524ΩRm

=UaN

I1m

=RmRa

lg

lg==4.760.5240.076

lg1.5lg

=RmRam0.5240.076==1.4758401.47=

A=571AI2=I1

(在规定的范围内)第16页/共67页第十六页，共68页。(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第17页/共67页第十七页，共68页。2.3他励直流电动机的制动制动的目的：快速停车、匀速下放重物等。制动方法：机械制动电气制动电气制动特点：电磁转矩与转速方向相反！能耗制动反接制动回馈制动电压反接制动电势反接制动正向回馈制动反向回馈制动第18页/共67页第十八页，共68页。1.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，被电阻消耗掉。第19页/共67页第十九页，共68页。制动前：特性1。制动开始后：

Ua

=0，n0=0

特性2n=－Ra＋Rb

CECTΦ2T制动过程bOTn1n0TLaTL(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=0na=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。

2第20页/共67页第二十页，共68页。Tb

Tb'

制动效果Rb

2(Rb大)bOTn1TLa2'(Rb小)b'→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第21页/共67页第二十一页，共68页。(2)能耗制动运行——下放重物bOTn1n0TLa2ca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

反向起动制动过程能耗制动运行→E

→Ia

→T=TL(c点)。nTTL第22页/共67页第二十二页，共68页。M＋Uf－RbIaTnE制动过程电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLTL反向起动TM＋Uf－RbTLnEIa能耗制动运行第23页/共67页第二十三页，共68页。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=CEΦ

nL

T

/

CTΦ

校验Ra＋Rb

≥EbIamax=CE

CTΦ2nL

Tc'(Rb大)=CE

CTΦ2

nL

TL－T0稳定运行c点的E和Ia（对切换点b点电流的限制）第24页/共67页第二十四页，共68页。【例2.3.1】

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，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动TL=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以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PNIaNE

=22×10365.3

=V=336.91VRa=UaN－

IaNPNIaN=Ω=1.58Ω440－

65.3

22×103

34.4第25页/共67页第二十五页，共68页。(1)迅速停机时

TL=0.8TN=0.8×350.32N·m=280.256N·mCTΦ=9.55CEΦ=9.55×0.562=5.365602PNnNTN=606.2822×103

600=×N·m=350.32N·m336.91600=

=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

）

第26页/共67页第二十六页，共68页。Rb≥－Ra

EbIamax(2)下放重物时357.46

2×65.3=－1.58Ω=1.16ΩRb=－Ra

CE

CTΦ2nL

TL=0.562×5.365×300

280.256－1.58Ω=1.65Ω该值大于1.16Ω，故满足Iamax的要求。第27页/共67页第二十七页，共68页。M＋Uf－2.反接制动1.电压反向反接制动——迅速停机Rb电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLIaTnE制动状态－Ua＋电枢反接时：动能、电源电能均被Rb

消耗掉。TL

作用？

限制IamaxIa的方向？T

的方向？第28页/共67页第二十八页，共68页。2－n0OTn1n0TL制动前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

T制动开始后：特性2

制动过程－TLn=－UaCEΦ－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。

立刻断电第29页/共67页第二十九页，共68页。制动瞬间b点的ERa＋Rb≥Ua＋EbIamax

制动效果2'(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＋第30页/共67页第三十页，共68页。M＋Uf－＋Ua－TL(2)电动势反向反接制动——下放重物电动状态nTME＋Ua－Ia＋Uf－TLRbIaT制动状态电枢接入Rb瞬间→Ia

→T→T＜TL→n

E→Ia

T

,T＜TLn

=0，T＜TL→反向起动→

n＜0

→|

n|

→|

E

|

→Ia

→T

→T=TL。nEIa的方向？T

的方向？第31页/共67页第三十一页，共68页。OTn1n0TLa2c

制动运行状态制动前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

T制动开始后：特性2n=UaCEΦ－Ra＋RbCECTΦ2

Tbd※

Ia和T始终没有改变方向。第32页/共67页第三十二页，共68页。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＋CEΦ

nL)

CTΦ

TL－T0M＋Uf－＋Ua－RbIaE稳定运行d点的E和Ia第33页/共67页第三十三页，共68页。【例2.3.2】

例2.3.1中的他励电动机，迅速停机和下放重物的要求不变，但改用反接制动来实现，试求电枢电路应串联的制动电阻值。解：(1)

迅速停机在例2.4.1中已求得切换点的电动势，由公式可得Rb≥－RaUa＋EbIamax440＋357.46

2×65.3=－1.58Ω=4.526Ω第34页/共67页第三十四页，共68页。(2)下放重物时（忽略T0

）Rb=(Ua＋CEΦn)

－RaCTΦ

TL5.365

280.256=(440＋0.562×300

)－1.58Ω=10.07Ω第35页/共67页第三十五页，共68页。

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

＞

n0

→电动机处于发电状态，→动能转换为电能回馈电网。3.回馈制动

特点：

→E＞UaOTn1n0(1)正向回馈制动——电车下坡TL12TL23→n

→n

ab第36页/共67页第三十六页，共68页。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－TLnEIaT第37页/共67页第三十七页，共68页。TL

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？

回馈制动过程第38页/共67页第三十八页，共68页。M＋Uf－nE－Ua＋TL(2)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Iamax第39页/共67页第三十九页，共68页。(2)反向回馈制动——下放重物OTn1n0TL2－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回馈制动第40页/共67页第四十页，共68页。OTn1n0TL2－n0acbde

制动效果Rb

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(Rb小)e'nLnL'(Rb大)Ee－UaIaeRa＋Rb

=Rb

的选择

（各量取绝对值）

=CEΦ

nL－Ua

T

/

CTΦ=(CEΦ

nL

－Ua)CTΦ

TL－T0M＋Uf－－Ua＋RbIaE稳定运行e点的E和Ia第41页/共67页第四十一页，共68页。

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电压反接后瞬间第42页/共67页第四十二页，共68页。

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43页/共67页第四十三页，共68页。【例2.3.3】

例2.3.1中的他励电动机，改用回馈制动下放重物。在电压反接瞬间，电枢电路串联较大的制动电阻，以保证Ia≤Iamax；当转速反向增加到n0时，将制动电阻减小，使电动机以1000r/min下放重物。试求这时的制动电阻值。解：根据例2.4.1求得的数据，可得Ra＋Rb

=(CEΦ

n

－Ua)CTΦ

TL－T0Rb

=(CEΦ

n－Ua)－RaCTΦ

TL5.365

280.256Rb=×(0.562×1000－440)－1.58Ω=0.755Ω第44页/共67页第四十四页，共68页。2.4他励直流电动机的调速1.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2.调速指标调速范围、调速的静差率、调速平滑性、经济性、容许输出第45页/共67页第四十五页，共68页。

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第46页/共67页第四十六页，共68页。

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第47页/共67页第四十七页，共68页。

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。第48页/共67页第四十八页，共68页。n=CEΦUa－RaCECTΦ2TUaRaΦΦ3.调速方法OTnMIf＋Ua－Ia＋Uf－RcRaRa＋RCTLbcn0a4.改变电枢电阻调速三种方法：电枢串电阻调速、降压调速、减弱磁通调速第49页/共67页第四十九页，共68页。aOTnRaRa＋Rcn0TLTLbcOTnRaRa＋Rcn0bca①

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。第50页/共67页第五十页，共68页。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第51页/共67页第五十一页，共68页。

结论：(1)优点：设备简单，初期投资少。(2)缺点：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：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生产机械。第52页/共67页第五十二页，共68页。【例2.4.1】

一台他励电动机，PN=4kW，UaN=160V，IaN=34.4A，nN=1450r/min，用它拖动恒转矩负载运行。现采用改变电枢电路电阻调速。试问要使转速降低至1200r/min，需在电枢电路串联多大的电阻Rr？解：电枢电阻116.311450=

=0.0802CEΦ=EnN

Ra=UaN－

IaNPNIaN=Ω=1.27Ω160－

34.4

4000

34.4额定运行时

E=UaN－Ra

IaN

=(160－1.27×34.4)V=116.31V第53页/共67页第五十三页，共68页。CTΦ=9.55CEΦ=9.55×0.0802=0.766602PNnNTN=606.2840001450=×N·m=26.36N·mOTnRaRa＋RrTLbcn0an

=n0-n=795r/minn0

=UN/CEφN=1995r/minRa+RrCECTΦ2

nTN

=β=Rr=nCECTΦ2

TN-Ra=0.583Ω第54页/共67页第五十四页，共68页。5.改变电枢电压调速＞OTnUa'Ua"TLbcn0'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。第55页/共67页第五十五页，共68页。【例2.4.2】

例2.3.1中的他励电动机，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：已知Ra=1.27Ω，CEΦ=0.0802，CTΦ=0.766，TN=26.36N·m。=544.94r/minn0

=n＋n

=(1000＋544.94)r/min=1544.94r/minUa

=CEΦn0

=0.0802×1544.94V=123.9VRaCECTΦ2n

=T1.27

0.0802×0.766

=×26.36r/min第56页/共67页第五十六页，共68页。6.改变励磁电流调速TLn不能跃变E=CEΦ

n＞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。第57页/共67页第五十七页，共68页。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