直流电机电力拖动

什么是电力拖动系统,电力拖动系统的原动机是什么？电力拖动系统的组成电力拖动系统的运动方程及运动状态运动方程中转矩的正、负规定

电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。2.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式2.1.1

根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：其中为系统的惯性转矩。2.1.1机械角速度rad/s飞轮矩机械转动惯量2.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式运动方程的实用形式：系统旋转运动的三种状态1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。常把或称为动负载转矩,把称为静负载转矩.2.1.1375具有加速度量纲

规定电动机处在电动状态运行时的旋转方向为转速的正方向，即二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩与转速的正方向相同取正（2）负载转矩与转速的正方向相反取负(3)惯性转矩的大小由和的代数和决定。2.1.1转矩与电动状态运行时的旋转方向一致为正，相反为负。在电力拖动系统中，2.1.2负载的转矩特性一、恒转矩负载特性

由摩擦力产生转矩的机械属于反抗性恒转矩负载。例如：皮带运输机、轧钢机等

恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载2.1.2即负载转矩方向总与转速方向相反的，具有阻转矩性质。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。即与n的关系2.位能性恒转矩负载负载转矩的大小和方向均恒定不变。

3.恒转矩负载举例

（1）传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载；（2）起重机、提升机等重力负载，提升和下降重物时，负载转矩的方向不变；例如：起重机反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载传送带起重机空气压缩机球磨机往复式注塞泵二、恒功率负载特性

恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即与成反比，特性曲线为一条双曲线。TLn

例如：

（1）轧钢机轧制钢板时，小工件需高速度低转矩，大工件需要低速度高转矩。（2）车床的切削：粗加工时需要较大的进刀量和较低的转速；精加工时需要较小的进刀量和较高的转速。

三、泵与风机类负载特性

负载的转矩基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。TLn理想的通风机特性实际通风机特性TL02.1.2例如：水泵、油泵、通风机、螺旋桨等（图片见下屏）。实际的负载特性可能很复杂，是几种特性的结合：例如：通风机：轴承上还存在摩擦转矩。水泵油泵螺旋桨通风机直流电动机的机械特性是在什么条件下的特性？试着从电动机的电压平衡方程式推导出电动机的机械特性机械特性斜率？转速降？如何评述机械特性的软、硬特性？什么是固有机械特性？人为机械特性？几种人为机械特性参数变化后对它的影响如何？2.2.1机械特性的表达式

电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速2.2.12.2他励直流电动机的机械特性△n转速降2.2.2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：二、人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。

由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。2.2.21、电枢串电阻时的人为特性

保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；

2）越大，特性越软。2.2.22、降低电枢电压时的人为特性

保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。2.2.23、减弱励磁磁通时的人为特性

保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大2.2.2扰动使转速有微小下降，由下降到。2.2.4电力拖动系统稳定运行条件

处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由上升到，。扰动消失,系统减速，回到点运行。扰动消失,系统加速，回到点运行。2.2.4在点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由上升到，,系统加速

。即使扰动消失,也不能回到点运行。扰动使转速有微小下降，由下降到,系统减速。即使扰动消失,也不能回到点运行。2.2.4这样的情况，系统不稳定。2.2.4

大多数负载转矩随转速的升高而增大或保持恒定，因此只要电动机具有下降的机械特性，就能满足稳定运行的条件，就是说系统就是稳定的。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：(1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点,即存在(2)充分条件:在交点的转速以上存在,在交点的转速以下存在1.起动的定义、起动转矩和起动电流2.对起动的基本要求3.电机起动时电流过大会有什么危害？4.为了限制起动电流，他励直流电动机采用哪些方法起动5.电枢回路串电阻起动、降压起动2.3.0起动概述

1.定义：电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。

起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。2.3一、起动的定义、起动转矩和起动电流3.起动电流：起动瞬间的电枢电流2.起动转矩：起动瞬间的电磁转矩起动电流一般是额定电流的10─20倍

为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。过大的起动电流将:

（1）引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电；二、对起动的基本要求三、起动方法（2）使电动机的换向恶化；（3）过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。除个别特别小型的电机外（4）起动设备简单、可靠。一、起动过程2.3.1电枢回路串电阻起动2.3.1以三级电阻起动时电动机为例：(1)起动时，励磁回路电阻放在最小位置，最大，最大，最大；（2）电枢回路电阻放最大位置，限制起动电流，起动完毕后，将起动电阻切除。P55图2.3.12.3.2降压起动

当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。

起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。

降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。2.3.21.直流发电机——直流电动机

2.晶闸管整流电源——直流电动机他励直流电动机的制动能耗制动反接制动回馈制动反转2.4.0制动概述电动制动1.电动运行状态：电磁转矩与转速同方向，电磁转矩为驱动转矩，电能转变为机械能。2.4.1一、根据电磁转矩与转速的方向关系，将电机分为两种运行状态2.制动运行状态：电磁转矩与转速反方向，电磁转矩为制动转矩，机械能转变为电能。二、制动举例起重机下放重物时，为获得稳定的下放速度，电动机须运行在制动运行状态。三、制动分类

1.能耗制动；2.反接制动；3.回馈制动。2.4.1能耗制动电动制动电动状态，如图所示：将开关S投向制动电阻上即实现制动.

由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。

制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。2.4.1一、制动的定义及方法二、能耗制动时的机械特性电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点2.4.1三、能耗制动过程分析

能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快使电机停转,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。

（1）

改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。其中为制动瞬间的电枢电动势。2.4.1（4）选择制动电阻的原则讨论：（2）越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。（3）制动电阻越小，制动转矩大，制动时间短，工作效率高，但过小，使制动电流越大。如制动前额定运行，则。电动制动2.4.2反接制动1.定义：电压与电动势顺向串联。电压反接制动时接线如右下图所示：一、电压反接制动电动制动

开关S投向“电动”侧时，电枢接正极性的电源电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：

反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电压反接制动。2.4.22.制动电阻的计算二、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载电枢回路串入较大电阻后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实现制动.工作点由A-B-C-D,CD段为制动段2.4.2

倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。思考题位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动?＜02.4.22.4.3回馈制动

回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。

电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现情况，此时，反向，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态。稳定运行有两种情况:当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限2.4.3

发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况:1、降压调速时产生的回馈制动制动过程为线段2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为线段

回馈制动时由于有功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。2.4.32.4.4直流电动机的反转一、改变励磁电流方向（很少采用）励磁绕组电感较大，切换励磁绕组时将产生较大自感电动势，击穿绝缘，故很少采用。二、改变电枢电流方向直流电机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定。转向可以按下列方式实现：如果同时改变电枢电流方向、主磁通方向，电机不会转向。电磁转矩：2.4教学重点：1能耗制动机械特性及制动过程2反接制动机械特性及制动过程3回馈制动特点教学难点：电压反接制动机械特性及制动四象限特点作业：P68：2.12小结4直流电动机的反转方法2.5他励直流电动机的调速2.5教学内容：2.5.1评价调速的指标2.5.2调速方法2.5.3调速方式与负载类型的配合教学目的与要求：1掌握评价调速的性能指标2熟练掌握直流电机的三种调速方法3了解调速方法与负载类型的配合调速概述：

电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。

改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。他励直流电动机的转速为2.5调压调速电枢串电阻调速调磁调速2.5.1评价调速的指标一、调速范围二、静差率（相对稳定性）2.5.1定义：指额定负载下电动机可能运行的最高转速与最低转速之比，用D表示。1.定义：转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度。用静差率表示。（1）机械特性越硬，其静差率δ%越小，转速的相对稳定性越好；δ%大小不仅与机械特性的硬度有关，还与理想空载转速的大小有关。例如：结论：（2）两条硬度相同的机械特性，理想空载转速越低，其静差率δ%就越大。可见，δ%与

大小有关。

D与δ%相互制约：（1）对静差率这一指标要求过高，即δ越小,则D就越小;

（2）反之，要求D越大，则δ也越大，转速的相对稳定性就越差。2.静差率与调速范围的关系

式中：为最低转速机械特性上的转速降；δ为最低转速时的静差率，即系统最大静差率。

不同的生产机械，对静差率的要求不同：

普通车床：

高精度的造纸机：

在保证一定静差率指标的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落，即必须提高机械特性的硬度。三、调速的平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数

越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2.5.12.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速未串电阻时的工作点串电阻后,工作点由A→A’→B02.5.22.特点最高，转速只能向低调。多用于对调速性能要求不高的生产机械上，如起重机、电车等。

不变，到达B点，，达到新的平衡（1）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,所以转速的相对稳定性差；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、后因磁通不变而使电磁转矩和电枢电流不变，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。（2）缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2.5.24.优缺点1.物理过程A点：不突变到达B点（达到新的平衡）。2.特点二、降低电源电压调速受绝缘的限制，转速只能向低调。2.5.2（1）优点：3.优缺点1）调速平滑，可以实现无级调速；

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。4.应用

应用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。TemTLAA’B调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。2.5.2三、减弱磁通调速1.物理过程调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点AB减弱磁通后，理想空载转速上升,曲线的斜率值增大。弱磁调速前、后的电枢电流和转速的变化情况减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。2.5.22.特点优点：

由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2；

为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；2.5.22.5.3调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。

当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式