第三章 他励直流电动机的基本调速原理

杭州电子科技大学《电机学》自动化学院第三章他励直流电动机的基本调速原理电力拖动系统，亦称电气传动系统，是以电动机作为原动机带动生产机械来满足生产设备所需要的工艺要求的电气系统的总称。直流电力拖动系统：由直流电动机构成的电力拖动系统；交流电力拖动系统：由交流电动机构成的电力拖动系统。电力拖动系统的组成(1)电源：电动机和控制单元的电能量来源。（交流电源和直流电源）(2)电动机：为生产设备提供机械能的原动机，作用是将电能转换成机械能。（交流电动机和直流电动机）。(3)控制单元：控制电动机的运转，由各种控制电器（继电器、接触器等）、功率转换单元（IGBT、MOSFET等）及控制器（单片机、DSP或者工业计算机等）等组成。(4)传动机构：在电动机与生产机械的工作机构之间传递动力的装置，例如减速箱、传动带和联轴器等。(5)机械负载：有多种性质的负载，例如恒功率负载、恒转矩负载和风机、泵类负载等。3.1电力拖动系统的基本理论3.1.1电机运动系统方程式直线运动的拖动系统：电动机运动方程式旋转运动的拖动系统：电动机运动方程式其中（1）当，，则为常值，即电机静止或者恒速旋转；动转矩飞轮矩（3）当，，则逐渐减小，即电动机处于减速状态。（2）当，，则逐渐增大，即电动机处于加速状态；折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.1.2负载的转矩特性负载转矩TL

和转速n

之间的关系称为生产机械的负载转矩特性。大多数生产机械的负载转矩特性分为三种：恒转矩负载特性泵与风机类负载特性恒功率负载特性1.恒转矩负载特性恒转矩负载特性：负载转矩

TL

与转速

n无关的特性，即当转速变化时，负载转矩

TL

保持恒定的值。恒转矩负载分为：反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载反抗性恒转矩负载特性

位能性恒转矩负载特性

2.泵与风机类负载特性泵与风机类负载：负载转矩TL的大小与转速n的平方成正比。属于泵与风机类负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对于机械叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。3.恒功率负载特性恒功率负载：当转速n变化时，电动机轴上的输出机械功率基本不变。汽车的负载性质具有恒功率负载的特性，爬坡时需要大的扭矩必须降低挡位，而高速加速时必须提高挡位。（汽车电机输出功率不变时）杭州电子科技大学《电机学》自动化学院T2n13.1.3电力拖动系统的稳定运行条件负载扰动电压突变BTLTL2A1T1TL10TnAn1G1nGn2G20TnAnGBTLG1G2G3不稳定情况的分析电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，在交点处负载转矩等于电动机的电磁转矩（T=TL

），且转速升高时，电机的电磁转矩小于负载转矩（T<TL

），转速降低时，电机的电磁转矩大于负载转矩（T>TL

），即，在交点处电力拖动系统稳定运行的充分必要条件杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.2他励直流电动机的起动他励直流电动机起动时应注意的两点：应该在额定励磁电流情况下起动；小功率直流电动机可直接起动，大于1kW的直流电动机应避免直接起动。直流电动机的起动方法：降压起动串电阻起动理想空载转速直接起动电流0TnUnGTL1.降压起动他励直流电动机的降压起动适合于电源电压可以调节的场合；当电源电压无法调节时，可以采用在电枢回路中串联电阻方法进行起动。T1U1T29U2U3U4n48n367n24531n12AU>U4>U3>U2>U1Ra+Ra1+Ra2+Ra3+Ra4n0Ra+Ra1Ra+Ra1+Ra2Ra+Ra1+Ra2+Ra32.串电阻起动0TnRaTLT1T29n487531n12An24n36nG选择起动电流Is的原则：不超过电动机的最大电流Imax。最大电流Imax为额定电流的2~2.5倍，因此必须保证：若要求快速起动，Is选择大一点，若要求平稳起动，则Is可以小一点。切换点电流的选择原则：保证起动的快速性，同时要考虑起动设备的合理性，一般切换点的电流为1.1~1.2倍的额定电流。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.3他励直流电动机的调速采用一定的方法改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种人为改变生产机械速度的过程就称为调速。调速方法：机械调速方法：调节传动机构的传动比电气调速方法：调节电动机的转速机械电气配合的方法：配合调节传动机构的传动比和电动机的转速电动机的转速是由其工作点决定的，当电动机的工作点改变了，电动机的转速也会随之发生改变。对于具体的生产机械负载而言，负载转矩特性是一定的，不会改变。他励直流电动机的机械特性却可以根据生产机械的负载转矩特性进行人为地调节。通过改变电动机的机械特性，使电动机的工作点发生变化，便可以实现电动机的调速。

他励直流电动机的调速特性是在其机械特性图中进行分析的。

3.3.1调速的性能指标调速系统的调速性能指标分为动态指标和静态指标。动态指标是指系统在过渡过程中的性能指标，主要包括跟随性能指标和抗干扰性能指标。静态指标是指系统在稳定运行时的性能指标。重点研究他励直流电动机的静态性能指标，分为三个主要方面：静差率和调速范围调速的平滑性调速的经济性

(1)静差率静差率又称为转速变化率，是指电动机由理想空载转速n0到额定负载时转速n的变化率，用δ表示R1：静差率δ满足最低要求（δ最大）。转速降Ra+R1n0RaTN0TnGnmaxG1nminΔnΔn’理想空载转速相同时，机械特性越硬，转速降越小，则静差率越小。U1n’0n0UTN0TnGnmaxG1nminΔnU>U1U1：静差率δ

满足最低要求（δ最大）。机械特性硬度相同时，转速降相同，理想空载转速越大，则静差率越小。Δn(2)调速范围调速范围是指电动机在拖动额定负载进行调速时，电动机的最高转速nmax与最低转速nmin

之比，用D

表示

调速范围必须在满足具体的静差率约束下才有意义，否则电动机的最低转速可以为零，这在实际中是毫无意义的。电力拖动系统希望调速范围越大越好，静差率越小越好，但是实行起来存在一定的困难，因为这两个指标相互制约。当静差率要求不高（δ

较大）时，nmin可以小一点，D才能大一点；当静差率要求高（δ

较小）时，nmin就会变大，D相应地减小。静差率与调速范围之间的关系可以表示为2.调速的平滑性定义：相邻两级转速中，高一级转速ni

与低一级转速ni-1

的比。平滑性用平滑性系数

φ

表示。φ

越接近1，说明调速越平滑。无级调速的平滑性最好。3.调速的经济性调速系统必须考虑技术要求和经济性之间的关系，当技术要求相对较高，且前期的费用要求也高时，则应在成本和技术要求之间进行折中。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.3.2他励直流电动机的调速方法根据他励直流电动机的机械特性，他励直流电动机的调速方法主要有三种：电枢串电阻调速调压调速弱磁调速T2T1电枢串入的电阻增大1.电枢串电阻调速他励直流电动机带负载运行，保持UN

和IfN

，在电枢回路中串入电阻。Ra+R1Ra+R1+R20TnRaTLGn1G2G4n2G1G3n3T2T1电枢串入的电阻减小Ra+R1RaRa+R1+R20TnTLGn1G2G4G3n3G1n2电枢串电阻调速的特点(1)理想空载转速不变，而机械特性的斜率随串电阻的增加而不断增大。(2)增大电阻时，稳态转速下降，机械特性的过渡过程在负载特性曲线的左边；

减小电阻时，稳态转速上升，机械特性的过渡过程在负载特性曲线的右边。(3)将增大电阻和减小电阻配合起来，就可以实现电动机的升、降速。(4)调速性能指标不高，调速范围不大，机械硬度较小，调速的平滑性不高，

只能实现有级调速。直流电动机从电网吸收的电功率电枢串电阻调速的效率分析直流电动机的功率损耗为（忽略空载损耗）直流电动机的效率U2U1T2T12.调压调速降压调速他励直流电动机带负载运行，保持IfN

，电枢回路不串入电阻，调节U。（U≤UN

）UNTL0TnGn1G4G2n2n3G1G3UN>U1

>U2U1TL0Tnn1G升压调速U2T1UNT2G3G4G2U1

<U2<UNG1n2n3调压调速的特点（1）理想空载转速随电压而变化，而机械特性的斜率不随电压而变化。（2）降压调速时，机械特性的过渡过程在负载特性曲线的左边；

升压调速时，机械特性的过渡过程在负载特性曲线的右边。（3）将升压调速和降压调速配合起来，就可实现升、降速调速。（4）调压调速的性能要比电枢串电阻调速好，调速的范围大，调速的机械特性硬，可以实现无级调速。ΦNn01TL0Tn1Gn3.弱磁调速他励直流电动机带负载运行，保持UN

，电枢回路不串入电阻，调节If。（If≤IfN

）T1Φ1

<ΦNn2Φ1n02G1G2他励直流电动机三种调速方法的比较串电阻调速调压调速弱磁调速调速方向额定转速以下额定转速以下额定转速以上调速范围小大较大机械硬度软硬较硬带载能力恒转矩恒转矩恒功率调速平滑性有级调速无级调速无级调速转速稳定性差好较好电能损耗大较少少杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.4他励直流电动机的运行状态分析(1)电动运行状态

T

与n

方向相同，T是拖动性的转矩，将电能转换为机械能。包括正向电动和反向电动。第一象限和第三象限。(2)制动运行状态

T

与n

方向相反，T是制动性的转矩，将机械能转化为电能或被消耗掉。包括能耗制动、反接制动、倒拉反转和回馈制动。第二象限和第四象限。电机的运行状态是由电机机械特性与负载转矩特性的关系决定。机械特性图是分析电机运行的重要根据。电机的稳定运行点是机械特性图中，电机机械特性与负载转矩特性的交点。由于他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性分布在机械特性图的四个象限，同时负载转矩特性也可以分布在四个象限之中，因此通过起动、调速和制动三种运行方式的相互配合，可以使电机带动负载运行在四个象限。3.4.1电动运行状态T

与n

方向相同。正向电动在第一象限，反向电动在第三象限。T>0，n>0T<0，n<0他励直流电动机电动运行稳态时的功率关系第一象限：U、Ia、n为正；第三象限：U、Ia、n为负。电动运行功率流程图杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.4.2能耗制动位能性负载他励直流电动机能耗制动时的功率关系U=0。第二象限：Ia为负，n为正；第四象限：Ia为正，n为负。能耗制动功率流程图能耗制动时，为限制电枢电流，必须在电源断开的瞬间，接入足够大的电阻。则应串入的最小电阻为他励直流电动机能耗制动的特点(1)电源没有向电机提供电功率，即电机与电源之间没有电的联系。(2)电机没有原动机的输入机械功率，机械能来自于系统转速由高速向低速减速的过程中释放的动能。(3)电机由机械能转变而来的电功率没有输出到电源，这部分电能被消耗在电枢回路的总电阻上。(4)机械功率的输入是来自位能性负载减少的位能。（针对位能性负载）杭州电子科技大学《电机学》自动化学院3.4.3反接制动他励直流电动机反接制动时的功率关系第二象限：U、Ia为负，n为正。反接制动功率流程图反接制动的特点(1)电源电功率仍输入；机械功率不仅没有输出，而且还反向发电，转换为电能。(2)电机轴上没有输入外部机械功率，消耗的机械功率是系统由高速到低速的减速过程中释放的动能。(3)输入的电功率和系统释放的动能除去空载损耗外，都消耗在电枢回路的总电阻上。为了保证电动机的反向电流则所串入的最小电阻为反接制动到反向起动在需要频繁快速正反转时，反接制动是非常有效的一种控制方法。停车的时