直流电动机的电力拖动

直流电动机的电力拖动1第1页，课件共126页，创作于2023年2月第一节他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程式n=f(T)电磁转矩：感应电动势：电枢回路感应电动势平衡方程：2第2页，课件共126页，创作于2023年2月式中：R——电枢回路总电阻，包括Ra及电枢串联电阻RΩ；Ce——电动势常数，Ce=pZ/(60a);CT——转矩常数，CT=pZ/(2πa);3第3页，课件共126页，创作于2023年2月理想空载转速（T=0）

他励直流电动机的机械特性他励直流电动机机械特性特点1）当U、R、Φ为常数时，n=f(T)为一条向下倾斜的直线。2）

转速n随转矩T的增大而降低，即电动机一加负载转速就会有一些降落。理想空载转速与U或Φ有关，调节U或Φ可改变n0实际空载转速（T=T0）4第4页，课件共126页，创作于2023年2月他励直流电动机的机械特性电动机带负载后的转速降β——机械特性的斜率。β愈大，Δn愈大，机械特性愈软。β小的机械特性为硬特性，β大的机械特性为软特性。一般他励直流电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。如国产Z2系列他励直流电动机，按规定ΔnN为10%-18%,而大容量电动机为3%-8%。ΔnN为额定转速变化率。5第5页，课件共126页，创作于2023年2月电枢反应对机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响电枢反应：当电刷放在几何中性线上，电枢电流不大时，电枢反应影响很小，可以忽略不计；但当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用，使每极磁通量略有下降。在电流较大时，电枢反应不可忽略。此时，磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象，如图9-3。图9-3电枢反应对机械特性的影响6第6页，课件共126页，创作于2023年2月二、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由于Ra较小，他励直流电动机的固有机械特性较硬。

特点：（1）n0不变（2）β增大，机械特性硬度降低（3）在一定的负载转矩时，转速降Δn随串电阻的加大而增加。7第7页，课件共126页，创作于2023年2月（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特点：（1）n0随电压的降低而降低；（2）β不变；（3）一般他励直流电动机的电压向低于额定电压的方向改变，改变电压的人为机械特性是几根平行线。8第8页，课件共126页，创作于2023年2月（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性

他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。改变磁通实际上就是减弱磁通。调节励磁回路电阻rQ，可以改变磁通Φ。上式特点：（1）n0变大；（2）堵转电流不变（Ik=UN/Ra=常值）（3）改变磁通时，n=f（Ia）交横坐标于同一点。①n=f(Ia)9第9页，课件共126页，创作于2023年2月21F>F>FN特点：（1）当ΦN>Φ1>Φ2时，TkN>Tk1>Tk2,不同的特性在第一象限内有交点。（2）一般情况下，电动机的额定负载TN比Tk小很多，故减弱磁通使电动机转速升高。（3）负载特别重或磁通Φ特别小时，若再减弱Φ，转速反而会发生下降现象。②n=f(T)10第10页，课件共126页，创作于2023年2月三、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IN，UN及nN

为已知，Ra可以估算额定运行点11第11页，课件共126页，创作于2023年2月（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9-1]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。解理想空载点额定点12第12页，课件共126页，创作于2023年2月四、电力拖动稳定运行的条件他励直流电动机带动恒转矩负载的稳定性情况分析：（1）将他励直流电动机的固有机械特性和负载特性画到同一个坐标图上。（2）分析固有机械特性和负载特性是否有交点。两者存在交点是系统稳定的必要条件。他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T与Tz方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态。13第13页，课件共126页，创作于2023年2月图9-8中，交点A处，T=TZ=TZ1，A点为一个平衡状态。但是这个平衡状态是否稳定呢？电力拖动系统稳定：电力拖动系统在某种扰动情况下，在新的条件下达到平衡，并且在扰动消失后，还能回到原来的平衡位置。“扰动”的来源：电网电压的波动或负载的微小变化。他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性A点这个平衡状态是否稳定？以负载变化为例，比如负载由TZ1变化到TZ2。分析过程:(1)T-TZ<0,n将减小;(2)n减小,Ea减小，Ia变大，T变大;(3)一直到n=nB，T=TZ=TZ2，重新进入平衡状态。当扰动消失后，T=TZ1，转速又将增加到n=nA。则：A点是稳定的平衡点。14第14页，课件共126页，创作于2023年2月稳定运行点不稳定运行点分析上图A点和B点的稳定性。(1)A点：当扰动引起转速增加时，一旦扰动消失，则T<TZ,系统会减速，最后稳定在A点。(2)B点：当扰动引起转速增加时，一旦扰动消失，则T>TZ，系统将进一步加速，不能稳定。15第15页，课件共126页，创作于2023年2月

电力拖动稳定运行的条件

（1）电机的机械特性和负载的转矩特性有交点；（2）在交点所对应的转速之上应保证T<TZ,而在这一转速之下应保证T>TZ.稳定运行点不稳定运行点16第16页，课件共126页，创作于2023年2月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1、直接起动在接通励磁之后，不采取任何限制起动电流的措施，把电枢直接接到额定电压的电源上起动。如直接加额定电压起动，Ia可能突增到额定电流的十多倍。缺点：（1）电动机的换向情况恶化，产生严重的火花；（2）与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。因此，需要设法限制起动电流。17第17页，课件共126页，创作于2023年2月一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1)起动电流限制在一定范围内，即Ist≤IN，

为电机的过载倍数；2)足够大的起动转矩，Tst≥（1.1～1.2）TN；3)起动设备简单、可靠。如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist=UN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。

18第18页，课件共126页，创作于2023年2月2、降压起动当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速n=0，反电动势Ea=0，降低电源电压U，将起动电流限制在允许的范围内。

19第19页，课件共126页，创作于2023年2月3、电枢回路串电阻起动在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。下图为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。20第20页，课件共126页，创作于2023年2月二、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21第21页，课件共126页，创作于2023年2月二、他励直流电动机起动电阻的计算（一）图解解析法由得：如图，当T=T1时：22第22页，课件共126页，创作于2023年2月二、他励直流电动机起动电阻的计算关于图解解析法的说明：(1)作图过程中T1=（1.5~2.0）TN,T2=（1.1~1.2）TN；(2)作图过程中，若不能保证de与ha的交点在固有机械特性上，则可以对选取的T1或T2数值稍作变动。(3)求分级起动电阻过程中，也可以取T=T2或TN，量出对应的转速降来计算分级电阻。但是T取得越大，转速降相对越大，误差越小。23第23页，课件共126页，创作于2023年2月（二）解析法在b点在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24第24页，课件共126页，创作于2023年2月（1）起动级数m未定①选定T1和T2，即β；②计算m，注意Rm=U/I1,并将m取整；③根据m求出β；④计算分级起动电阻用解析图解法计算分级起动电阻的步骤：（2）起动级数m已知①选定T1；②计算Rm=U/I1,求β；④计算分级起动电阻25第25页，课件共126页，创作于2023年2月[例9-2]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26第26页，课件共126页，创作于2023年2月各分段电阻如下：则各级起动总电阻如下：27第27页，课件共126页，创作于2023年2月三、他励直流电动机起动的过渡过程由于两个稳定状态的转速n、转矩T、电流Ia及功率P的大小是不同的，因而在过渡过程中，n、T、Ia及P均在变化。电力拖动运行的负载图：过渡过程中各参数变化规律，n=f(t)、T=f(t)、Ia=f(t)及P=f(t)。电力拖动运行的负载图是正确选择和校验电动机功率的依据。

电力拖动的过渡过程：电力拖动由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程，如起动、制动、反转、调速、负载突变等。研究过渡过程的作用：①可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；②探讨减小过渡过程损耗的途径，从而提高电动机的利用率；③研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全运行。对状态变化频繁、过渡过程时间较长的生产机械意义重大。28第28页，课件共126页，创作于2023年2月在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程。电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：(1)．机械惯性——反映在系统的飞轮惯量GD2上，它使转速不能突变。(2)．电磁惯性——反映在电枢回路电感La及励磁回路电感Lf上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。(3)．热惯性——它使电动机的温度不能突变。由于温度的变化比转速、电流等参量的变化要慢得很多，因此一般不考虑。电力拖动的过渡过程：(1).机械过渡过程：只考虑机械惯性，而忽略影响较小的电磁惯性。(2).电气-机械过渡过程：同时考虑电磁与机械两种惯性。29第29页，课件共126页，创作于2023年2月（一）起动时的机械过渡过程他励直流电动机串固定电阻全压起动1．电枢串固定电阻起动的过渡过程(1)Ia=f(t)起动过程中电流变化规律其中：30第30页，课件共126页，创作于2023年2月——负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流——电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量。Ttm与飞轮惯量GD2及电枢总电阻R成正比，又与电动机磁通的二次方(Φ2)成反比。电力拖动系统的机械惯性主要反映在飞轮惯量GD2上。31第31页，课件共126页，创作于2023年2月【补充】一阶线性微分方程的标准形式及解标准形式：通解：求的通解32第32页，课件共126页，创作于2023年2月其解为常数C可由特殊初始条件决定，即：或起动过程中电枢电流的变化曲线33第33页，课件共126页，创作于2023年2月或——过渡过程开始时转速的起始值当起动转速为零时——机械特性上负载转矩（或负载电流）对应的转速，即过渡过程结束时电动机的稳定转速。(2)n=f(t)起动过程中转速变化规律考虑到起动过程中转速的上升曲线34第34页，课件共126页，创作于2023年2月起动过程中转速的上升曲线起动过程中电枢电流的变化曲线图9-12起动时，电枢电流的变化曲线图9-12起动时，转速的上升曲线起动过程中电流、转速变化规律①电流在起动开始时达到最大值，以后按指数规律下降。起动完毕，电枢电流下降到IZ，转矩下降到TZ，电动机即稳定运行。

②转速起动开始时，转速上升最快，然后上升速度逐渐减小，最后稳定到转速nZ。35第35页，课件共126页，创作于2023年2月起动过程中转速的上升曲线图9-12起动时，转速的上升曲线起动过程中加速度变化规律：①t=0时，加速度有最大值nZ/TtM，若一直维持此加速度，则加速到nZ的时间为TtM。②实际上，在t=0时，加速度有最大值nZ/TtM之后加速度减小，越来越接近于0。③理论上只有t=∞时，速度才能达到nZ。④工程上，一般可认定起动时间tst=(3~4)TtM,系统基本上达到稳定运行状态。36第36页，课件共126页，创作于2023年2月求出过渡过程中某一段的时间例如，求Ia由Ist变化到Ix，或由nst变到nx所需的时间。或或

上式是求过渡过程的一般形式，可用以求起动、制动、反转、调速及负载突变等过程的某段时间，但使用时要注意起始值、终了值及稳定值在不同状态下的特点。37第37页，课件共126页，创作于2023年2月2．电枢串多级电阻起动的过渡过程以他励电动机二级起动[图9-10]来说明起动过程中电流、转速的变化规律。第一级起动时，电流由零突变到I1，再由I1变到I2；转速由零变到n1。第一级起动时38第38页，课件共126页，创作于2023年2月第一级起动时间的计算：Ist=I1，Ix=I2，TtM1=TtM1第二级起动时，电流从I2突变到I1，但转速不能突变。39第39页，课件共126页，创作于2023年2月40第40页，课件共126页，创作于2023年2月转速变化曲线机械特性曲线电流变化曲线41第41页，课件共126页，创作于2023年2月直流电动机电枢串多级电阻起动过程总结：①不同加速级的机电时间常数是不同的，电枢电阻愈大，则TtM愈大。②不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的，这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T2特性及恒负载转矩TZ特性的交点是不同的。③各级的起始电流均限定为I1，除末节外，各级的终了电流均限定为I2，各级的稳定电流IZ与稳定转矩TZ均由恒转矩负载决定，其值是不变的。④各级起动时间的计算，由于I1(Ist)、I2(Ix)、Iz均为定值，计算方便。随着电阻的逐级切除而减小，机电时间常数减小，因而过渡时间逐级减小。④总的起动时间由各级起动时间相加求得。42第42页，课件共126页，创作于2023年2月[例9-3]一台他励直流电动机铭牌数据为：已知四段起动电阻为：电枢电阻系统飞轮惯量求分级起动总的起动时间。解：

43第43页，课件共126页，创作于2023年2月设=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)×1.61s+4×0.0306s=0.922s44第44页，课件共126页，创作于2023年2月3．加快起动过程的途径起动过程延缓的主要原因：1）系统本身有机械惯性，惯性越大，即GD2或拖动系统的机电时间常数越大，转速上升越慢。2）起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度在起动过程中不断衰减。欲加快起动过程，可以针对上述两个原因采取措施。可以采取的措施：1）设法减小系统的飞轮惯量GD2以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性。整个电力拖动系统中，电动机电枢的飞轮惯量占主要部分，因此可以设法减小之。比如某些生产机械采用双电机拖动。2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形。最理想的方式：起动电流不是按指数规律下降，而是一直保持电动机过载能力所允许的最大电流值Ist；起动完毕后电流才突然下降到IZ。理想的起动电流变化规律45第45页，课件共126页，创作于2023年2月（二）电枢电路电感对起动过程的影响在晶闸管整流电路向直流电动机供电时，电枢回路会串有电感线圈以起滤波作用。此时，电枢回路的电磁惯性不能忽略，其电磁时间常数为：式中，La为电枢电路的总电感，包括电枢绕组的电感和串联线圈的电感。

当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段:

(1)由于电磁惯性的影响，使电枢电流不能突变，只能由开始时的零值逐渐增大，在电流增大到IZ值前，由于T<TZ,电动机转速为零。(2)过了tZ后，Ia>IZ，电动机开始加速，此时电磁惯性和机械惯性同时存在，并且互相影响。46第46页，课件共126页，创作于2023年2月第一阶段：电枢电流从零增加到Iz

之前，电动机转速为零。式中由于T<TZ,电动机转速n=0考虑t=0，Ia=0，求解上式第一阶段起动时间：47第47页，课件共126页，创作于2023年2月第二阶段:过了tz

后，电机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在①转速变化规律又稳定时转速表达式考虑到48第48页，课件共126页，创作于2023年2月该方程的解为:式中：因为：其中c1及c2——积分常数，由初始条件决定

49第49页，课件共126页，创作于2023年2月考虑电枢电感时，无振荡情况下的变化曲线1）当时，α1和α2为负实数②电流变化规律50第50页，课件共126页，创作于2023年2月2）当时，α1和α2为负共轭复数考虑电枢电感时，有振荡情况下的变化曲线式中式中51第51页，课件共126页，创作于2023年2月第三节他励直流电动机的制动1、他励直流电动机的两种运转状态：

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。制动的目的是使电力拖动系统停车，有时也为了使拖动系统的转速降低，对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下降速度。2、电力拖动系统停车的主要方法：①自由停车法断开电枢电源，系统会减速直至停车。其主要缺点是停车过程很长，若希望缩短停车时间，可以采用电磁制动器，即“抱闸”②电气制动方法常见的有能耗制动和反接制动，使电动机产生一个负的转矩；在调速系统减速过程中，还可应用回馈制动。52第52页，课件共126页，创作于2023年2月一、能耗制动

电动状态能耗制动能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电枢回路的外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。制动过程：磁场保持不变，常开触点K1、K2断开，电枢脱离电源，同时常闭触点K3把电枢接到制动电阻RZ上去。制动开始时，转速方向与电动状态方向相同，因此电枢感应电动势Ea与电动状态方向相同；由于U=0,此时电流Ia与Ea方向相同，而与电动状态时相反，磁场方向不变，则转矩T也与电动时方向相反，为制动状态。53第53页，课件共126页，创作于2023年2月能耗制动的机械特性方程式能耗制动机械特性的特点：（1）n为正时，T为负；n=0时，T=0，所以机械特性位于第二象限且特性斜率与电枢回路串电阻RZ时的人为机械特性相同。（2）如果制动前转速是n1，开始制动时，工作点平移到能耗制动特性上，因而制动转矩T1为负，在（-T1-TZ）的作用下，电动机减速，工作点沿特性下降，而制动转矩逐渐减小，直至零为止，电动机停车。能耗制动时制动电阻RZ的选择：制动电阻RZ越小，则机械特性越平，T1的绝对值愈大，制动愈快。但RZ太小会使I1及T1超过允许值。54第54页，课件共126页，创作于2023年2月能耗制动时带位能负载的情况当电动机停止时（T=0，n=0），在位能负载作用下，电动机将在反方向加速，机械特性进入第四象限。随着转速的增加，转矩T也不断增大，直到T=TZ时，系统加速度为零，转速稳定，实现等速下放。电动机带位能负载时的能耗制动电路图55第55页，课件共126页，创作于2023年2月当时能耗制动过程中n=f(t)、I=f(t)曲线上式与电动状态时的转速微分方程表达式一样，但是必须考虑参数的正负号。对于反作用负载，则转速和电流变到零时，能耗制动过渡过程结束；对于位能性负载，直到n=-nZ，I=IZ稳定运行状态。56第56页，课件共126页，创作于2023年2月能耗制动时间为①由nZ为能耗制动时的机械特性与负载转矩在第四象限的交点对应的转速，故应取负号。则：②由Ix为0，Ist前应取负号。则：57第57页，课件共126页，创作于2023年2月二、反接制动

反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。（一）转速反向的反接制动电动机以电动状态一样的电路导通，其转矩的方向拟使重物G向上提升。由于电枢回路里串入较大的电阻RΩ使Tst<TZ，这样在位能负载TZ的下拉作用下，使电动机反向起动。此时，T的方向与电动状态时相同，而n为负方向，为制动状态。

反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向的一种制动方式。58第58页，课件共126页，创作于2023年2月转速反向的反接制动特性方程式为

电枢电路的电压平衡方程式变为在额定转速nN时，U+Ea可达近于2UN的数值，此时RΩ必须够大，以限制电枢电流。随着n及Ea的增大，Ia及Ta也不断增加，即T随n之增加而增加。此时，U及Ia的方向与电动状态时相同，故UIa仍表示由电网输入的功率；Ea的方向与电动状态时相反，EIa为输入的机械功率在电枢内变成的电磁功率；UIa与EIa两者之和消耗在电枢电路的电阻Ra+RΩ之上。59第59页，课件共126页，创作于2023年2月（二）电枢反接的反接制动断开和，接通和电枢反接的反接制动电路图电流Ia为负值，T也为负值，而n为正值，T与n反向，为制动状态。由运动方程式可知，电枢反接制动过程中，-T-TZ<0,系统迅速制动。60第60页，课件共126页，创作于2023年2月最大电流也不超过≥电枢反接制动的机械方程式电枢反接制动机械特性通过（0，-n0）这点，而且斜率为β=（Ra+RΩ）/CeCTΦ2电枢反接制动过程中RΩ的选择：电枢反接制动过程中,RΩ比能耗制动时的RZ大一倍，特性比能耗制动陡很多，因此比能耗制动时的制动作用更强烈，制动更快。61第61页，课件共126页，创作于2023年2月电枢反接时的过渡过程1．反作用负载

反抗性负载终止在D点反接制动阶段（第二象限）其中IZ及nst取正，Ist及nZ取负。反向电动阶段（第三象限）其中IZ及Ist取负，nst为0，及nZ取负。62第62页，课件共126页，创作于2023年2月2．位能负载位能性负载终止在E点反接制动阶段（第二象限）：B→C反向电动阶段（第三象限）：C→(0,-n0)在D点，-T-TZ<0,系统继续反向加速到,-n0。回馈制动阶段（第四象限）：(0,-n0)→ET-TZ<0,此时T为正，随着n的增加而增加，直到T=TZ，系统稳定。在以上三个阶段中，TZ保持不变，因此为能行电枢反接时电流和速度变化曲线按指数规律变化，在n=0没有转折点。63第63页，课件共126页，创作于2023年2月电枢反接时的人为机械特性和转速及电流变化曲线反抗性负载终止在D点位能性负载终止在E点64第64页，课件共126页，创作于2023年2月三、回馈制动（或称再生制动）（一）位能负载拖动电动机

电动机回馈制动电路图(带位能负载)这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率后，大部分回馈给电网（），小部分变为电枢回路的铜耗。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。反向电动时，n<n0,所以|Ea|<|U|。此时-U=-Ea+IaR，电流为负。回馈制动时，n>n0，|Ea|>|U|,电流为正。

回馈制动是电机的实际转速超过理想空载转速的运行状态。在这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制动又称为再生制动。65第65页，课件共126页，创作于2023年2月（二）他励电动机改变电枢电压调速

在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生Ea>U的情况，亦即出现了回馈制动状态。他励电动机降压、减速过程中回馈制动特性如图，当速度从nN降到n01期间，U<Ea,电流反向。此时UIa<0,有功率回馈电网。66第66页，课件共126页，创作于2023年2月[例9-4]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。67第67页，课件共126页，创作于2023年2月解

（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68第68页，课件共126页，创作于2023年2月轴上功率（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69第69页，课件共126页，创作于2023年2月第四节他励直流电动机的调速为了使生产机械以最合理的速度工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，大量的生产机械要求在不同的情况下以不同的速度工作。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。调速的方法：（1）机械方法；（2）电气方法；（3）机械电气配合的方法。机械方法：速度的调节是用改变传动机构的速比来实现，结构复杂电气方法：电动机在一定的负载下可获得多种转速，电动机可以工作机构同轴，或其间只用一套变速机构。机械电气配合的方法：电动机获得几种转速，配合几套机械变速机构来调速。

70第70页，课件共126页，创作于2023年2月一、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D＝20～120，龙门刨床D＝10～40，机床的进给机构D＝5～200，轧钢机D＝3～120，造纸机D＝3～20等D是生产机械总的调速范围，可以由机械、电气或机械电气配合的方法实现。如果用机械电气配合的调速方案时，则D应为机械调速范围与电气调速范围的乘积。nmax与nmin代表电动机在额定负载下可能达到的最高和最低转速。对一些负载很轻的生产机械（如精密磨床）可用实际负载时的最高与最低转速来计算D71第71页，课件共126页，创作于2023年2月1.调速范围

要提高调速范围D，可以提高nmax及降低nmin

nmax受电动机机械强度、换向等方面的限制，一般在额定转速以上转速提高的范围不大。nmin受低速运行时的相对稳定性的限制。相对稳定性：负载转矩变化下转速变化的程度。负载转矩变化时，转速变化愈小，相对稳定性愈好，能得到的nmin愈小，D也就愈高。72第72页，课件共126页，创作于2023年2月2．静差率（或称相对稳定性）

在一条机械特性上运行时，电动机由理想空载加到额定负载，所出现的转速降ΔnN与理想空载转速之比。电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率δ%小于某一允许值。不同生产机械，其允许的静差率是不同的，如普通机床可允许δ%≤30%，而精度高的造纸机则要求δ%≤0.1%静差率与机械特性的硬度的关系：两条互相平行的机械特性，硬度相同，但静差率不同。对同样硬度的机械特性，转速愈低，静差率愈大，愈难满足生产机械对静差率的要求。

不同机械特性下的静差率73第73页，课件共126页，创作于2023年2月不同机械特性下的静差率调速范围D与低速静差率%间的关系：系统可能达到的最低转速nmin决定于低速特性的静差率，因此D受低速特性的静差率δ%的制约。74第74页，课件共126页，创作于2023年2月不同机械特性下的静差率nmax即由电动机的额定转速决定，低速静差率δ由生产机械提出允许值。如果已选定某一调速方法，低速特性已定，这样在一定的ΔnN下可计算D，以校验能否满足生产机械的工艺要求。一般设计前，D和δ已由生产机械的要求确定，这时可算出允许的转速降ΔnN

如果生产机械对D和δ的要求较高（D大δ小

），则低速容许转速降ΔnN较低，如果用简单地降低电源电压的调速方法不能满足时，可以采用反馈控制系统提高机械特性的硬度，减小转速降。75第75页，课件共126页，创作于2023年2月3．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。平滑的程度用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速或线速度之比。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。对于不同类型的电动机采用不同的调速方法时，容许输出的功率与转矩随转速变化的规律是不同的。76第76页，课件共126页，创作于2023年2月（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9-5]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？77第77页，课件共126页，创作于2023年2月解（1）低速静差率（2）不能满足原有调速范围的要求调速方法由电枢电压方程式可得（当电枢串RΩ时）Ea=U-Ia(Ra+RΩ)=(U-IaRΩ)-IaRa=Ua-IaRa式中：Ua——电枢的端电压，Ua=U-IaRΩ如果忽略电枢电阻压降IaRa，并考虑到Ea=CeΦn78第78页，课件共126页，创作于2023年2月

要改变电动机的转速，可以改变电枢端电压Ua或改变励磁磁通Φ。①改变电枢端电压Ua提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，根据规定，只允许比额定电压提高30%，因此提高Ua的可能范围不大。实际上改变Ua常应用在减压时，从额定转速向下调速。②改变励磁磁通增加Φ的可能性不大，因为一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和。因此改变Φ一般应用在减弱的方向，成为弱磁调速，使额定转速从额定值向上调节。

在调速范围要求较宽的情况下，可结合应用上述两种方法，即在额定转速以下减压，而在额定转速以上弱磁。79第79页，课件共126页，创作于2023年2月nTTLRan0nAA0CBnBRa+RΩ1Ra+RΩ2nC

保持U＝UN且＝N不变，电枢回路中串入调速电阻RΩ，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。二、降低电枢端电压调速（一）电枢串联电阻80第80页，课件共126页，创作于2023年2月调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。nTTLRan0nAA0CBnBRa+RΩ1Ra+RΩ2nC81第81页，课件共126页，创作于2023年2月分析电枢串接电阻调速的经济性效率①电动机由电网吸收功率P1:式中R——电枢回路的总电阻②损耗ΔP如电动机带动额定恒转矩负载，Ia=IN，P1=P1N=UNIN为定值，随着n的降低，损耗增大，效率降低。当n=n0/2时，ΔP=P1/2,η=0.5，即转速调到n0/2时，由电网吸取功率的一般消耗在电枢回路总电阻上，效率仅为50%82第82页，课件共126页，创作于2023年2月电枢回路串电阻调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差调速范围不大。3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使T和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；83第83页，课件共126页，创作于2023年2月电枢串并联电阻调速：为了提高电枢回路串电阻调速时机械特性的硬度，在串接电阻RΩ的同时，再在电枢两端并联电阻RB，如图9-30a所示。用戴维南定理可以将图9-30a等效成图9-30b。①等效电源电压：电枢两端的开路电压URB/(RΩ+RB)②等效串联电阻：电源短路时从电枢两端看进去的电阻，即RΩ与RB并联。电枢串并联电阻调速的机械特性与电枢回路串电阻相比：①理想空载转速n0’降低②机械特性硬度提高84第84页，课件共126页，创作于2023年2月TTLAA’B调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点保持电动机的＝N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。（二）降低电源电压85第85页，课件共126页，创作于2023年2月降低电源电压调速的形式：（1）晶闸管整流装置（图9-32）晶闸管装置输出可调的直流电压（2）交流电动机直流发电机组（图9-33）用直流发电机作为可调直流电源，而用晶闸管装置调节发电机G的励磁电流，此时改变G的励磁电流就能调节发电机的感应电动势EG。

86第86页，课件共126页，创作于2023年2月晶闸管整流器供电的直流调速系统：改变U0，可得一组平行的机械特性，其中理想空载转速正比于U0，机械特性的斜率相同。晶闸管整流器供电的直流调速系统降低电源电压调速时的机械特性87第87页，课件共126页，创作于2023年2月降低电源电压调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。

2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5〜12。

4）电能损耗较小。缺点：

需要一套电压可连续调节的直流电源。88第88页，课件共126页，创作于2023年2月三、弱磁调速对于小容量系统，可在励磁回路中串接可调电阻rQ来实现，如图9-35(a)容量大时则用单独的晶闸管装置向电动机的励磁回路供电，如图9-35(b)较大容量系统小容量系统图9-35弱磁调速电路示意图89第89页，课件共126页，创作于2023年2月减弱磁通的人为机械特性弱磁调速时，机械特性方程式是：当Φ减弱，理想空载转速n0=U/(CeΦ)将升高，特性的斜率β=Ra/(CeCTΦ2)将增大，但n0比βT增加得快。因此一般情况下，Φ减弱使转速升高，即从额定转速向上调速。90第90页，课件共126页，创作于2023年2月①起动前：工作于a点②当励磁回路串电阻rQ，在励磁回路未饱和的情况下，励磁电流及磁通Φ都将按指数规律下降。由于转速n不能突变，所以电动机的反电动势Ea将降低，这时Ia将增大。Ia的增加的相对数量比Φ下降的相对数量要大，所以T=CTΦIa增大，系统加速。n的上升使Ea由一开始的下降经某一最小值逐渐回升，Ia及T由一开始的上升到某一最大值开始下降，直到T=TZ，系统重新平衡。91第91页，课件共126页，创作于2023年2月减弱磁通时的电枢电流、转速、磁通变化曲线

减弱磁通时的电枢电流、转速、磁通变化曲线如图所示,注意在磁通减弱前后的电枢电流关系：Ia2>Ia1弱磁调速的调速范围不大，主要是因为弱磁调速在额定转速以上调节，而电动机的nmax受机械强度及换向的限制。另外，调磁电动机的电枢绕组必须按较大的电流设计（因为弱磁调速会使电枢电流增大）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。92第92页，课件共126页，创作于2023年2月【例9-6】93第93页，课件共126页，创作于2023年2月四、调速时的功率与转矩电动机在额定转速下容许输出的功率主要决定于电动机的发热，而发热又主要决定于电枢电流。因此,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。（一）他励直流电动机调压调速时容许输出转矩和功率调压调速时要求Φ=ΦN不变，调速过程中保持I=IN，则：

94第94页，课件共126页，创作于2023年2月弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；而容许输出转矩与转速成反比。

（二）他励直流电动机弱磁调速时容许输出转矩和功率弱磁调速过程中，Φ是变化的，显然容许输出转矩是变化的。要求P与n的关系，先求Φ与n的关系95第95页，课件共126页，创作于2023年2月机械特性和容许输出转矩容许输出转矩和功率图9-38他励直流电动机调速时的容许输出转矩和功率96第96页，课件共126页，创作于2023年2月第五节晶闸管—直流电动机系统电流连续时的整流电压的平均值三相半波零式晶闸管—电动机系统的主电路负载为电动机时的整流电压波形对于三相零式晶闸管整流电路式中，一逆变角。97第97页，课件共126页，创作于2023年2月图9-41电流连续时的整流电压的平均值

一、以α=60°为例说明电流不连续时带直流电动机负载的电流波形。①触发时刻到uU>Ea,iU从0开始增加②uU<Ea，iU开始下降直到0，L的储能释放完毕98第98页，课件共126页，创作于2023年2月二、电流断续时直流电动机的机械特性电流波形包围的面积与整流电流的平均值Ia成正比。当Ia较小时而引起电流不连续时，如继续降低电流，因为电流波形底部较窄，会使Ia较大幅度地下降，这要求（uU-Ea）较大幅度地下降，也即是要求Ea或n上升较多。99第99页，课件共126页，创作于2023年2月电流不连续时的机械特性α=60°时，如电流连续，则U0=1.17E2cos60°=0.585E2，理想空载时，Ea=U0，则理想空载转速n0’=0.585E2/Ce/Φ

U0多大时，能使Ia=0(理想空载点对应电流)呢？①显然当Ea=U0时整流电压瞬时值仍然有一段时间大于E0，因此必然在电枢电路内有电流产生，U0不是真实的理想空载时的整流电压。②U0=1.414E2时，电枢电流才可能为零，U0=1.414E2是真正的理想空载时的整流电压，对应的理想空载转速为n0=1.414E2/Ce/Φ电流断续时晶闸管直流电动机机械特性的推导100第100页，课件共126页，创作于2023年2月晶闸管供电下直流电机的四象限运行分析四象限运行功能：对于能够实现电机正、反转并具有快速起、制动功能的拖动系统，由于其对应电机的机械特性位于四个象限，因而称为具有四象限运行的电力拖动系统（或可逆电力拖动系统）。反并联连接的两组晶闸管装置向直流电动机供电101第101页，课件共126页，创作于2023年2月四象限运行的晶闸管-电动机系统结构示意图102第102页，课件共126页，创作于2023年2月现对晶闸管-电动机系统四象限运行情况分别如下：第I象限运行：

直流电机作正转、电动机运行，相控变流器1工作在整流状态，相应的控制角。第II象限运行：

直流电机作正转、发电机运行，相控变流器2工作在逆变状态，相应的控制角（或逆变角）。第III象限运行：

直流电机作反转、电动机运行，相控变流器2工作在整流状态，相应的控制角。第IV象限运行：

直流电机作正转、发电机运行，相控变流器2工作在逆变状态，相应的控制角（或逆变角）。103第103页，课件共126页，创作于2023年2月晶闸管—直流电动机系统的优点为：①改变控制角，即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流，从而达到平滑调速的目的。其技术与经济指标较高；

②调速范围大，平滑性高，质量小，占地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低，而且快速响应控制准确。晶闸管—直流电动机系统的缺点是：

①由于电枢电流为脉冲波，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降。

②当调速范围较大时，功率因数较低。

③晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分会造成种种不良影响。

参考书：《谐波抑制和无功功率补偿》王兆安等著机械工业出版社2006

104第104页，课件共126页，创作于2023年2月第六节他励直流电动机过渡过程的能量损耗在电力拖动起动、制动或逆转等过渡过程中，电动机内部会产生过渡过程能量损耗ΔW。在经常起动、制动或逆转的电动机上，该损耗会反复地产生，使电动机温度升高，严重时会使电动机的绝缘损坏。过渡过程的能量损耗主要是铜耗，其他损耗只占很小的比例，为研究的问题简化，研究时只考虑铜耗，而把电动机的铁耗、机械损耗及励磁损耗等略去。105第105页，课件共126页，创作于2023年2月一、空载起动的能量损耗他励电动机起动时在电枢回路中所产生的损耗ΔWst为损耗功率ΔP=I2R对时间的积分。现研究串一级电阻起动，R=Ra+RΩ，电流Ia是变数。电枢回路中功率按下式分配：根据上式，有：106第106页，课件共126页，创作于2023年2月空载起动，则有TZ=0，此时的运动方程式为：107第107页，课件共126页，创作于2023年2月

空载起动过程中，ΔWst仅与J及Ω0有关，而与电阻R的大小及起动级数无关。过渡过程中，能量损耗的一般形式：起动过程中，电源向电动机输入的能量：过渡过程中，电源向电动机输入能量的一般形式：108第108页，课件共126页，创作于2023年2月空载起动时，能量损耗：可见：空载起动过程中，电源输入电动机两倍于系统储存动能的能量，其中一半为拖动系统储存的动能，另一半为起动损耗。空载起动时，电源输入电动机的能量：产生损耗的原因：起动过程中，IRa=U-Ea由U变化到零，电阻上产生损耗。

过渡过程中，能量损耗：过渡过程中，电源输入的能量：

109第109页，课件共126页，创作于2023年2月二、空载能耗制动的能量损耗能量损耗ΔWT1等于拖动系统所储存的动能。

三、空载反接制动的能量损耗空载反接制动的能量损耗ΔWT2等于电源输入电动机的能量WT与系统制动时放出的能量之和。能耗制动时，Ω0=0，角速度由ΩT变化到0。反接制动时，Ω0取负，角速度由Ω0变化到0。110第110页，课件共126页，创作于2023年2月四、空载反转过程的能量损耗空载反转包括反接制动过程和反向起动过程，空载反转过程的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍。五、减少他励直流电动机过渡过程能量损耗的方法（一）减少拖动系统的动能储存量1、通常设计成细而长的形状。相关说明2、也可采用双电动机拖动，它由两台一半功率的电动机组成，这时即相当于电枢的等效长度增加，而直径减小。111第111页，课件共126页，创作于2023年2月（二）合理选择电动机的起、制动方式

采用两台直流电动机串、并联起动与单台电动机起动的比较假定空载起动过程中T恒定，也即Ia恒定。开始时，两台