第九章 直流电动机的电力拖动

电机及电气自动控制直流电动机的电力拖动电机学中三个基本物理量：电、磁、力（运动）电机学中两个重要的物理现象1、导体切割磁场产生感应电动势大小关系：e=Blv

方向判定：右手定则。§9-0基础知识2、载流导体在磁场中受到电磁力大小关系：f=Bli

方向判定：左手定则。电刷静止换向器运动线圈运动磁极静止直流电机的物理模型实际的电机中有多个线圈构成电枢绕组。

磁场通常由励磁绕组通入直流电产生的。实际的直流电机电枢绕组的导体数较多，电枢绕组感应电动势为多根导体感应电势之和，大小为：Ea=CeΦn，其中Ce

是与电机结构有关的常数。感应电势的方向由磁场方向和电机转向决定，改变磁场方向或电机的转向可以改变感应电动势的方向。电枢绕组在磁场中受到电磁转矩T=CTΦIa

，CT=9.55Ce

。电磁力的方向由磁场方向和电枢电流方向决定，改变磁场方向或电流方向可以改变电磁力的方向。根据励磁绕组和电枢绕组之间的连接，直流电机可分为：他励：励磁绕组和电枢绕组之间没有电的联系；并励：励磁绕组和电枢绕组相并联；串励：励磁绕组和电枢绕组相串联；复励：励磁绕组分为两部分，分别与电枢绕组串联和并联。他励直流电机的等效电路电枢回路励磁回路注意：T方向与Ia方向相关；Ea方向与n方向相关。

电动状态下，Ea的方向与U的方向相反；Ia

的方向与U的方向相关；T

的方向与n的方向相同。f§9-1他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程式电枢电路电势平衡式为：感应电动势：电磁转矩：由以上三式得：其中：二、固有特性与人为特性固有特性：电动机电源电压和磁通均为额定值，电枢回路没有串联电阻时的机械特性：曲线：过n0点，斜率为-β的下倾直线。额定点空载点理想空载点特点：Ra小，β小，转速随负载增大而下降的幅度小，机械特性较硬。1、电枢串电阻时的人为特性通过改变电动机的参数可以获得不同的机械特性，称为人为机械特性。曲线：n0不变，β´>β，转速随负载增大而下降的幅度大，机械特性较软。参数：U=UN，f=fN，R=Ra+RΩ

。方程式：2、降低电源电压的人为特性曲线：n0´<n0，斜率和固有特性相同，硬特性。参数：U<UN，f=fN，R=Ra

。方程式：3、减弱磁通的人为特性曲线：n0´>n0，β´>β

。参数：U=UN，f<fN，R=Ra。方程式：减弱磁通后转速的变化趋势：以例9-1中的电机为例，电机带额定负载，磁通下降为额定状态的90%，此时：可见在正常情况下，减弱磁通后电机的转速将升高。TN三、机械特性的绘制以固有机械特性的绘制为例方法：两点法理想空载点：其中：额定工作点：nN

，TNRa可实测或估算：四、电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统分析方法：将n=f(T)和n=f(TZ)画在同一坐标图上，根据同一转速n下T与TZ的大小关系，确定其运行状态。稳定运行条件：必要条件：n=f(T)和n=f(TZ)有交点，交点转速

nZ

。稳定→

dn/dt

=0→

T=TZ→

n=f(T)和n=f(TZ)有交点，交点转速

nZ

。

充分条件：当n>nZ时，T<TZ；当n<nZ时，T>TZ。电机特性负载特性电机特性负载特性§9-2他励直流电动机的起动

起动：转速n

从0上升到nZ

的过程。对起动的要求：起动转矩Tst

足够大，起动电流Ist

不能太大；起动过程平稳；设备简单，经济可靠。直接起动的危害：开始起动时，n=0→

Ea=CeΦn=0→

Ist=

UN/Ra，由于电枢绕组电阻Ra极小，电枢电流可达额定电流的十多倍，容易烧毁电机；同时，与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。降压起动：先加低电压，随转速上升，逐步提高电枢电压。需要有可调直流电源。电枢回路串电阻起动：一、起动方法：保证Φ=ΦN时，合上开关K，过一段时间后合K2，再过一段时间后合K1。起动过程分析：起动时，n=0，Ea=0，Ia

=UN/R2=I1

，T=T1>TZ→dn/dt

>0→

n↑→

Ea↑

→

Ia↓

→

T↓

但仍大于TZ

→n↑

速度变慢；当T=T2，Ia=I2

(b点)时合上K2(RΩ2切除)，特性曲线转移到cdn0，由于惯性，n不能突变，工作点：b→c，

Ia=(UN-Ea)/R1

=I1

→

T>TZ→

dn/dt

>0→n↑=nd

(d点)时合上K1(RΩ1切除)，特性转移到固有特性，ne=nd，Ia

=I1

，T>TZ→

n↑=ng

时，T=TZ，起动结束。

注意！他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场，然后才能加电枢电压。原因：Φ=0→

T=CTΦn=0，电机无法起动，同时Ea=CeΦn=0→

Ia=

UN/R，电枢电流大且不会衰减，将影响电机寿命。每级T1（I1），T2（I2）取一致

通常取I1=（1.5~2）IN，I2=（1.1~1.2）IN

切换电流I2要适当

I2大→

每级n上升幅度小，起动级数m增加

I2小→

各级电阻切除前加速度小，起动时间长一般取m=3~4（1）依据：电阻切除瞬间转速不会突变的原则

b、c点：

d、e点：推广到m级起动的一般情况，得二、他励直流电动机起动电阻的计算（解析法）各级电枢总电阻：各级分段电阻：（2）起动电阻计算步骤

m已知选定I1

→

Rm

=UN

/I1

求β：求各级各段电阻

若m未知，必须先确定m：

初定

I1、I2

→

Rm

=UN

/I1

并初定

β´=I1/I2

。

求m

并圆整：三、他励直流电动机起动的过渡过程1、什么叫过渡过程从一个稳定状态到另一个稳定状态的过程起动：n=0（稳态）→

n=nz

（稳态）特点：n、T、Ia

等均随时间变化2、产生过渡过程的原因

外界干扰：电压降落、负载突变等工艺要求：起动、调速和制动等3、影响过渡过程的主要因素机械惯性：反映在飞轮力矩上，使转速不能突变电磁惯性：反映在电感上，使电流不能突变热惯性：使温度不能突变，影响小，一般不考虑4、分析过渡过程的意义正确、合理地使用设备，正确选择电机容量提高劳动生产率5、过渡过程的分类机械过渡过程：仅考虑机械惯性的影响电气—机械过渡过程：同时考虑机械惯性和电磁惯性的影响（一）起动的机械过渡过程1、电枢串固定电阻起动的过渡过程（1）电流变化曲线Ia

=f(t)当t=0时Ia

=Ist，则:积分得：将Ia

表达式整理得：将Ia

=f(t)代入转速方程得：（2）转速变化曲线n

=f(t)注意：以上推导所得的结论是通用的，适用于各种过渡过程。对于不同的过渡过程只需将不同的初始状态、稳定状态和机电时间常数代入即可。（3）过渡过程的时间

TtM的物理意义电机起动时，nst

=0，则求导得：加速度随时间按指数规律衰减当t

=0，物理意义：若电动机以起动瞬间的加速度加速，经过TtM的时间，速度就可以达到稳定转速。实际起动过程需要（3~4）TtM的时间转速才能稳定。过渡过程的时间tx时刻电枢电流求得：同理可得：2、电枢串多级电阻起动的过渡过程转速和电流随时间变化的规律与串固定电阻起动时的规律相同，只是各级的初始状态、稳定状态、末了状态和机电时间常数不一样。可直接应用前面推导的公式。各级的参数见书本P42表9-1。3、加快起动过程的途径起动过程延缓的原因：系统的机械惯性大。反映为机电时间常数大。起动电流随时间衰减。Ia↓

→T↓

→

dn/dt↓。

加快起动的方法：减小系统的飞轮力矩双电机拖动长铁心电机拖动改善起动电流的波形三、他励直流电动机起动的电气自动控制四、直流电动机正反转控制§9-3他励直流电动机的制动电动机的工作状态：电动状态：T与n同向，Ⅰ、Ⅲ象限，电能→机械能。发电状态：T与n反向，Ⅱ、Ⅳ象限，机械能→电能。制动目的：快速停车：减小过渡过程时间，增加有效工作时间。降低转速：用于从高速向低速调速。限制转速上升：下放重物时。制动原理：使电动机产生一个与n反向的T。一、能耗制动1、线路：切除电源，通过外接电阻形成电枢回路。2、机械特性：特点：过原点的直线，倾斜程度大于固有特性。制动开始瞬间，由于机械惯性，转速不能突变→Ea不变→Ia

=-Ea/(Ra+RZ)

反向→T反向，与n反方向，为制动转矩。在T和TZ的作用下，n↓→Ea↓→|

Ia|↓当n=0时，Ea=0，Ia=0，T=0，对于反抗性负载，TZ

=0，电机停车，制动过程结束。对于位能性负载，TZ

不为零，电机在TZ的作用下反转，|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,当T=TZ

时，电机稳定下放重物。3、能耗制动的物理过程

RZ太小→Ia

大、T大，损坏电机。如果要求|Ia

|≤|I1|，则

RZ太大→T小，制动时间长。对于位能性负载，RZ大，重物下放速度也大。对于位能性负载，若要求下放速度小，可以先串大电阻，速度下降到一定程度后切除部分电阻。制动电阻的选择5、制动的过渡过程6、能耗制动控制电路二、反接制动（一）转速反向反接制动1、条件：外来转矩使转子转向与电磁转矩方向相反。2、典型应用：电枢回路串大电阻下放重物。3、工作原理：电枢回路串大电阻，使得Tst

<TZ，在TZ的作用下，电机反转，随着|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,当T=TZ

时，电机稳定下放重物。此时T与n反向，电机工作在制动状态。思考：电机带位能性负载TZ，电枢回路串电阻，若希望重物停在空中，所串电阻R0应如何计算？增大R0的值，重物会上升还是下降？4、功能关系电网输入的电能机械能转换的电能消耗在电枢回路电阻上的电能（二）电枢反接制动1、条件：电源反接、电枢回路串电阻。2、机械特性：曲线：图中BC段。3、制动原理：Ia

=(-UN-Ea)/R<0，→

T<0，与n反向，为制动转矩→

n↓，B→C。思考：转速下降为0（C点）以后，电机将进入什么状态？位能性负载：反向起动，进入电动状态（C-n0段），当反向转速高于理想空载转速（-n0点）,电机将进入回馈制动状态（-n0E段）。反抗性负载：若|Tc|>|TZ|，反向起动，进入电动状态，最终稳定在D点。若|Tc|<|TZ|，无法反向起动，停车。4、电枢反接制动的过渡过程二、回馈制动特点：转速n高于理想空载转速n0，|Ea|>|U|，Ia

与U反向，能量由电动机回馈到电源。可能出现于下列两种情况：位能性负载拖动电机以高于n0的速度旋转。降压调速时，降低电压后n0

立即下降，而转速由于惯性仍保留原来转速，此时可能出现回馈制动状态。§9-4他励直流电动机的调速

调速：在负载一定的情况下，人为地改变生产机械工作速度的方法。注意与因负载变化引起的速度变化的区别。调速方法：机械调速：改变传动比获得不同负载转速。电气调速：改变电气参数获得不同电机转速。电气—机械调速：两种调速方法配合使用。一、调速指标（一）技术指标1、调速范围：D=nmax/nminD生产机械=D传动机构×D电动机，一般希望D越大越好。由于

nmax受机械强度等限制，nmin受相对稳定性限制，实际D不可能无限大。2、静差率：δ=ΔnN/n0注意：ΔnN

指的是额定负载所对应的转速降，并不总是等于n0-nN！

δ和特性硬度之间的关系：

n0相同，硬度大→δ小。硬度相同，n0大→δ小。

D和低速静差率δ之间的关系：从上式可以看出：调速范围大，低速时的静差率也大，系统不稳定；若要求低速时静差率小，则调速范围也小。可见调速范围D受低速时静差率δ的制约，在设计调速方案时，必须综合考虑调速范围和静差率这两个技术指标，选择合适的调速方法。3、平滑性：φ=ni/ni-1=vi/vi-1

φ越接近于1，平滑性越好。φ=1时为无级调速。

D一定的情况下，级数越多，平滑性越好。4、调速时的容许输出定义：在电动机容量得到充分利用（Ia=IN)的情况下，调速过程中轴上输出的功率和转矩。注意：容许输出只是表示调速过程电机输出的能力，其实际输出由负载决定。常见容许输出类型恒转矩：调速过程容许输出的转矩不变。恒功率：调速过程容许输出的功率不变。（二）经济指标设备投资。运行费用：取决于调速过程的损耗。调速指标总结：调速范围：越大越好。静差率：越小越好。平滑性：越平滑越好。容许输出：与负载特性相匹配最好。设备投资：越小越好。运行费用：越低越好。二、调速方法由转速特性可以看出，改变以下参数可以改变他励直流电动机的速度：改变电枢回路电阻：串电阻调速改变电源电压：降压调速改变励磁电流从而改变磁通：弱磁调速1、电枢串电阻调速参数：U、Φ

不变，R=Ra+RΩ。机械特性：调速原理：电枢回路电阻增大，理想空载转速不变，斜率越大，同一负载下电机的转速下降。容许输出：恒转矩输出

Ia=IN→T=CTΦIa=CTΦIN=TN

优缺点：设备简单、操作方便调速指标不高：低速静差率大、调速范围小、平滑性差、效率低。输入功率电磁功率电枢回路损耗随着转速

n

的下降，损耗增大，效率降低。为提高机械特性的硬度，可在电枢两端并电阻2、降低电源电压调速参数：Φ、R不变，

U<UN。

方程式：调速原理：电源电压降低，斜率不变，理想空载转速降低，同一负载下电机的转速下降。容许输出：恒转矩输出

Ia=IN→T=CTΦIa=CTΦIN=TN

优缺点：调速性能好：低速静差率小、调速范围大、无级调速、效率高。需要可调直流电源，成本高。直流电源的获取晶闸管整流装置供电：通过晶闸管整流装置直接把交流电整成直流电，为电动机提供电源。适用于小容量电机。直流发电机供电：适用于大容量电机。

机械特性直流发电机端电压直流电动机端电压很显然发电机和电动机的端电压应该相等，则理想空载时Ia

=0，转速思考：带恒功率负载的电动机能否用电枢串电阻或降低电源电压的方法调速？采用电枢串电阻或降低电源电压的方法调速时，磁通Φ保持不变，由T=CTΦIa知，Ia∝T

。对于恒功率负载，T∝1/n，n↓→T↑→Ia↑，若调速前电流为额定电流，则速度下降以后，电流将大于额定电流，若长时间运行，可能烧毁电机。3、弱磁调速参数：Φ

<ΦN，U、R不变

。方程式：调速原理：Φ↓→Ea