第二章 直流电动机拖动系统

第二章

直流电动机电力拖动

DCMotorDrives2.1他励直流电动机的机械特性2.1.1一般概念机械特性：指电源电压U、气隙磁通Φ、电枢回路电阻R均为常数时，电动机产生的电磁转矩T与电力拖动系统的转速n之间的关系，即n=f(T)。方程：。机械特性分析硬度：斜率β的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：α越大（β越小），特性越硬，称为硬特性。即T变化时，Δn

的变化不大。2.1.2固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(T)的机械特性，其数学表达式为：

式中β称为斜率，Δn为负载时的转速降。固有机械特性2.1.3人为机械特性人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变R或变Φ得到机械特性。1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性条件：当U=UN，Φ=ΦN，电枢回路外串电阻RΩ时1.串电阻接线和特性2.改变电动机供电电源的人为特性条件：当U<UN，Φ=ΦN，电枢外串电阻RΩ=0时，有变电压接线和特性3.改变磁通时的人为特性条件：当U=UN，Φ<

ΦN，电枢外串电阻RΩ=0时，有变磁通接线和特性2.1.3电枢反应对机械特性影响

在上述讨论固有特性和人为特性时，对变R

和变U，认为

为常数。而他励直流电动机由于有电枢反应，产生去磁作用，使

↓，则n0

↑，即n

↑

→特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。加装稳定绕组

加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响,认为

为常数。上翘曲线3.1.4电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行的概念：当T=TL，

n=f(T)与n=f(TL)有交点称静态平衡，这是稳定运行的必要条件T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力拖动中，为使问题简化均忽略即T0≈0,T=T2=TL。问题问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?答:(1)要看系统出现干扰后在新的条件下能否平衡。(2)干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果能满足以上两条件，即为稳定运行。例1.电网电压波动分析

系统原工作在平衡点A，这时电网电压向下波动，从UN

降到U’，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。负载转矩TL

没变，则UN↓→Ia↓→T↓→T<TL破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系统沿BA’特性减速，n↓→Ea↓→Ia↑→T↑→到A’点,

TA’=TL达到新的平衡状态。电压扰动消失后分析在扰动消失后，U1(U=UN)→Ia↑→T↑→T>TL

从B’点过渡到C点，TL

没变，T>TL系统加速。n↑→Ea↑→Ia↓→T↓→系统沿CA特性加速到A点，n=nN时，T=TL，达到原来平衡点A。说明：当U<UN，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡(A’点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点(A点)，所以能稳定运行。讨论稳定运行示意图平衡稳定运行充要条件平衡稳定运行的充要条件为：1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点处T=TL处，实现了转矩平衡。2.在交点处有3.2他励直流电动机的起动和反转3.2.1他励直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起动过程。1.系统对起动的要求不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间tst小些，则起动转矩Tst大些。起动电流Ist为起动电流，也称为堵转电流(在起动瞬间n=0)。从式T=CTΦIa可知，当Φ一定时，T与Ia成正比，Ist越大，Tst也越大。但起动电流不能太大。否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。

Ist不能太大，一般为1.5~2IN，因为T大小是受机械强度限制，T太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。2.降压起动

起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到U=(1.5~2.0)INRa，随着转速n的上升，电势Ea也逐渐增大，Ia

相应减小，此时电压U必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持在(1.5~2.0)IN范围内，直到电压升到额定电压UN

，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大。3.电枢回路串电阻起动

电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使

1）串入恒值电阻起动

在电枢回路串入固定的起动电阻RΩ，电机拖动恒转矩负载，在额定磁场下，将刀开关K合向电源使电机起动。缺点：起动时间tst

较长，稳态转速ns低，长期串入电阻不经济。串固定电阻起动特性2)分级起动(逐级切除起动电阻的起动)

为了在起动过程中使电枢和转矩被限制在允许的范围之内，采用分级起动。逐级切除起动电阻的起动分析起动瞬间，电枢回路总电阻为设λ为电动机的过载倍数，λ=1.5~2.0切换电流或切换转矩求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩(T2和TL之差)不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。综合考虑，选I2=（1.1~1.2

）IL，则切换转矩T2=（1.1~1.2

）TL。电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=3~4，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。3）起动电阻的计算方法解析法计算起动电阻忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变。计算公式如有m级，则通用公式为：式中Rm为最大起动电阻，各段电阻值：讨论m为起动级数，一般取m=3~4,m大，起动平滑，但设备多。I1为起动电流；I2为切换电流，IL为负载电流。由m求

时由

求m时m取整数，然后代入式中，修正

，之后再求各级起动电阻。3.2.2他励直流电动机反转两种方法：1.改变电枢绕组端接线；2.改变励磁绕组端接线。课后复习要点1.固有机械特性和人为特性2.他励直流电动机的起动方法3.逐级切除起动电阻的解析算法思考题：P953-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-8作业:P963-28、3-29、3-30本次课程内容和重点内容：他励直流电动机调速方法、调速的性能指标、调速时允许输出的转矩和功率、调速方式与负载类型配合问题，以及他励直流电动机制动的基本概念。重点：调速的性能指标、调速方式与负载类型配合。3.3他励直流电动机调速调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。2.3.1调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。调速方法2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。3.电气——机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）3.3.2电气调速1.降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。2.电枢回路串电阻调速电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率β变大，负载转速降变大，导致转速下降。3.弱磁调速减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(Φ<ΦN),导致理想空载转速n0与特性斜率β均增加。在一定负载条件下，转速将增大。说明注意：调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。3.3.2调速的基本指标1.静差率δ(或称相对稳定性)

指同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与理想空载转速n0之比。定义为：静差率电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。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，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机床δ≤1%～５%;精度高的造纸机δ≤0.1%静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，β1=β2

，但静差率不同。静差率比较同样硬度的特性，转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要求。2.调速范围D定义：指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制，

nmin受低转速时相对稳定性的限制。调速范围不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20~120，龙门刨床：D=10~40,机床进给机构：D=5~200；轨钢机：D=3~120;造纸机：

D=3~20等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。调速范围3.平滑性用平滑系数表示调速的平滑性，定义即相邻两级转速之比。在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。k接近1，平滑性好。通常第i级表示较高的转速，第

i-1级表示较低的转速，因此系数k>1

，显然，调速的级数越多，k

越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1

时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。4.经济性

在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。3.3.3调速时允许输出的转矩和功率

电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。1.恒转矩调速

调速过程中保持Ia=IN，Ф=ФN=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=TΩ，T=常数Ω↓→P

↓,即电动机转速越低，输出功率越小,P

Ω。允许输出转矩和功率2.恒功率调速调速中，保持Ia=IN，若Ф↓→n↑，P=常数。在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如改变电动机主磁通Ф

的调速方法就属于恒功率调速方法。说明在图中，T=f（n）和P=f（n）曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖动的负载转矩和负载功率特性来决定。实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。3.调速方式与负载类型配合问题调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下，可较充分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。(指转矩及功率选的较小)匹配最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。

这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且

Ia=IN

不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。调速方式与负载类型配合恰当(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合(2)恒转矩负载与恒功率调速方法配合3.4他励直流电动机制动电动状态与制动状态1.电动状态

特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转矩，Ia

与Ea

方向相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、三象限。2.制动状态特点：转速n与转矩T方向相反，Ia

与Ea

方向相同，电机工作在发电状态。直流电机拖动系统示意图3.4.1制动的概念制动：指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.实现制动方法实现制动方法有：机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。电气制动的分类电气制动方法分：能耗制动，反接制动，再生制动。直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：(1)要求停车切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中：在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。制动的分类(3)提升机构下放重物提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。(4)反转电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。课后复习要点1.调速的性能指标2.调速方式与负载类型配合问题3.他励直流电动机制动基本概念思考题：P953-16、3-17作业:P973-35本次课程内容和重点内容：能耗制动、反接制动、回馈制动方法、特点和应用。重点：各种制动的特性。3.4.2能耗制动1.能耗制动实现及机械特性(1)实现方法：a.电动状态

接触器KM1闭合，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电机运行在A点。b.能耗制动接触器KM2闭合(电机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R将电枢短接。（2）能耗制动分析

U=0,由于电机惯性，n≠0，Ea≠0，在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向，电动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的IA

方向相反，TB反向，与n相反,转速下降，当n=0，停车。（3）能耗制动特性（4）特性方程及制动电阻特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻Rad。分析Rad越大，特性越斜，Rad越小，特性越平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(2~2.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB

，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。2.能耗制动运行3.能耗制动特点(i)制动时U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rad).(ii)制动时，n与T成正比,所以转速n

下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩T

，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0时T=0,可实现准确停车。4.应用

能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。5.功率流程图3.4.3反接制动1.电压反接的反接制动(1)方法：将正在运行的电机电枢串入制动电阻Rc，且电枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采用。反接制动实现（2）方程式方程式为：特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制动状态到n=0告终，所以只有实线部分为反接制动特性。(3)机械特性曲线特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制动状态到n=0告终，所以只有实线部分为反接制动特性。(4)制动电阻Rc的计算制动电阻的比较

当制动初始转速nL>nN，可用近似公式计算，即：

反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。2.电动势反接制动又称转速反向的反接制动或倒拉反接制动(1)方法电枢回路串入大电阻（2）特性

从C点至D点为电动减速状态，从D点至B点为发电状态。（3）电阻计算3.反接制动时的能量关系(1)电压反接制动时说明从电源吸收电能说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。(2)电动势反接制动时

说明从电源吸收电能说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样。反接制动功率流程图4.两种反接制动的异同点共同点：能量关系相同。不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制动特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。5.应用应用：

转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在n<n0

的条件下稳速下降。电压反接制动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，当制动到n=0时，应迅速切断电源，否则有反向起动的可能性。3.4.4回馈制动(再生发电制动)1.特点：

n>n0

则Ea>U

，Ia与Ea同方向，T

与n

方向相反，电机工作在发电状态，回馈能量给电源，经济。2.变电压过程中的回馈制动说明在回馈过程中，电动机向