电机与拖动基础课件：直流电动机的电力拖动

直流电动机的电力拖动

原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力拖动系统，或称直流电机拖动系统。在此系统中，电动机有他励、串励和复励三种直流电动机，其中最主要的是他励直流电动机，本章重点介绍由他励直流电动机组成的直流电力拖动系统。直流电力拖动系统主要研究直流电动机拖动负载运行时，各种运行状态的动、静态性能，解决直流电动机的起动、制动、调速三大问题。2025/6/2616.1.1

机械特性的一般表达式图6-1他励直流电动机的电路原理6.1他励直流电动机的机械特性2025/6/262感应电动势方程：电磁转矩：电压平衡方程式：电枢总电阻:2025/6/263

将Ea和T的表达式代入电压平衡方程式中，可得机械特性方程式的一般表达式为图6-2

他励直流电动机的机械特性2025/6/2641.理想空载点A(0,

n0

)

当时，称为理想空载转速，即2025/6/2652.堵转点或起动点3.机械特性直线的斜率式中，为机械特性直线的斜率。2025/6/2666.1.2固有机械特性图6-3他励直流电动机的固有机械特性2025/6/2676.1.3人为机械特性

改变固有机械特性方程式中的电源电压，气隙磁通和电枢回路串附加电阻这三个参数中的任意一个、两个或三个参数，所得到的机械特性为人为机械特性。1、电枢回路串接电阻时的人为机械特性2025/6/268与固有机械特性相比，电枢回路串接电阻时的人为机械特性的特点是:1）理想空载点不变；2）特性变软。3）对于相同的电磁转矩，转速随所串联电阻的增大而减小。

图6-4不同时的人为机械特性2025/6/2692、改变电源电压时的人为机械特性图6-5改变电源电压时的人为机械特性2025/6/26101）理想空载转速2）斜率3）对于相同的电磁转矩，转速随端电压的减小而减小3、改变磁通时的人为机械特性一般他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。改变磁通只能在额定磁通以下进行调节。此时，端电压额定，电枢不串接电阻。2025/6/2611图6-6改变磁通时的人为机械特性1）理想空载点随磁通减弱而升高；2）斜率与磁通平方成反比2025/6/26126.2他励直流电动机的起动2025/6/2613直流电动机拖动负载顺利起动的一般条件是：（1）起动电流限制在一定范围内，即（2）足够大的起动转矩，。（3）起动设备简单、可靠。限制起动电流的措施有两个：一是降低电源电压，二是增加电枢回路电阻，即直流电动机的起动方法有降压和电枢串电阻两种。2025/6/26146.2.1电枢回路串电阻起动

图6-7他励直流电机三级电阻起动（a）起动电路；（b）机械特性

如图所示，起动时，应串入全部电阻，即接触器KM1、KM2、KM3不得电，其触点处于常开状态。此时起动电流为2025/6/26156.2.2降压起动2025/6/2616

平稳快速，需可调电源。6.3他励直流电动机的调速2025/6/26176.3.1调速指标2025/6/26181.调速范围

2

静差率静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。

[例题6-1]一台他励直流电动机，PN=10KW，UN=220V，IN=53A，nN=1100rpm,Ra=0.3Ω,试求要求静差率和，调压调速时的调速范围。解:调压调速时的nmax=nN=1100rpm∴当时2025/6/26193.平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当=1时，称无级调速，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。4.经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。2025/6/26206.3.2他励直流电动机的调速方法1.串电阻调速他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机运行于不同的速度。电枢串电阻调速的机械特性方程式为2025/6/2621电枢回路串电阻调速的特点是：1)实现简单，操作方便；2)低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；3)只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D≤2；4)由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差。要提高平滑系数，串入的级数增多，控制也更复杂；5)由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差。转速越低，能耗越大。因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如起重机、电车等。2025/6/26222.调电压调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，因此调压调速只能在额定电压以下进行，即只能在基速以下调节。其机械特性方程式为式中--整流装置输出电压；

--整流装置内阻。2025/6/2623调压调速的特点是：1)由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；2)调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；3)在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10-20。如采用反馈控制，特性的硬度可再提高，从而获得更宽的调速范围；4)调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；5)需要一套可控的直流电源。2025/6/26243．弱磁调速弱磁调速原理可用图6-8来说明。图6-8他励直流电动机弱磁调速2025/6/2625[例题6-2]某台他励直流电动机，额定功率PN=22KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速nN=1500rpm，电枢回路总电阻Ra=0.1Ω，忽略空载转矩T0，电动机带恒转矩额定负载运行时，要求把转速降到1000rpm，计算：（1）采用电枢串电阻调速需串入的电阻值；（2）采用调压调速需将电枢电压降到多少？（3）上述两种调速情况下，电动机输入功率（不计励磁功率）与输出功率各是多少？（4）当负载转矩TL=0.6TN时，采用弱磁调速，使转速上升至1800rpm，此时磁通Φ应降到额定值的多少倍？若不使电枢电流超过额定值，该电动机所能输出的最大转矩是多少？2025/6/2626解计算V/rpm（1）电枢回路应串入的电阻值（2）电枢电压值2025/6/2627（3）串电阻调速时的输入功率与输出功率输入功率kW输出功率

∵TL为额定恒转矩负载，∴调速前后电动机输出转矩T2不变。

2025/6/2628调压调速时的输入功率

输出功率（4）弱磁调速时Nm将n=1800rpm,

T=TL带入上式，得解得：=0.1177，0.00453（舍去）2025/6/2629磁通减少到额定值的倍数为此题还可用近似方法计算：弱磁升速时，反电动势近似不变由此可得在磁通减少的情况下，不致使电枢电流超过额定值，电动机可能输出的最大转矩为Nm2025/6/26306.3.3调速方式与负载类型的配合1.电动机的容许输出与充分利用

电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发热又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。

所谓电动机得到充分利用，是指在一定转速下电动机的实际输出达到了容许值，即电枢电流达到了额定值。2025/6/2631显然，在大于额定电流下工作的电机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小于额定电流下工作的电机，其实际输出会小于它的允许值，这时电机便会因得不到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它工作在Ia=IN情况下。2.调速方式电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速方法，具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时的电枢电流Ia的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。对于它励直流电动机的不同调速方法，可以把它分为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。所谓恒转矩调速方式指的是：采用某种调速方法，在整个调速过程中保持电枢电流Ia=IN不变，若该电动机电磁转矩T不变，则称这种调速方式为恒转矩调速方式。2025/6/26323.

调速方式与负载类型的配合为了使电机得到充分利用，根据不同的负载，应选用不同的调速方式。1）调速方式与负载类型相匹配恒转矩负载采用恒转矩调速方式，恒功率负载采用恒功率调速方式，我们就说调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。例如，初轧机主传动机构，在转速比较低时，电压下降较大，即负载转矩大，可采用恒转矩调速方式；转速高时，电压下降量减小，即负载转矩随转速的升高而减小，为恒功率负载，因此，要与恒功率调速方式相配合。所以，在采用他励直流电动机拖动的初轧机主传动系统中，在额定转速nN以下一般用改变供电电压调速，在nN以上用弱磁调速。这样的配合较恰当。2025/6/26332）调速方式与负载类型不匹配如果恒转矩调速方式与恒功率负载配合，为了使电动机在任何转速下都能拖动负载正常运行，应按最低速nmin时的负载转矩大小选择电动机。使电动机允许输出转矩Tr等于负载转矩TL

，电动机的电流Ia等于额定电流IN，随着转速的上升，负载转矩TL减小，而电动机允许的输出转矩Tr却不变。所以，只有在最低速时，电动机才得到充分利用。在其他转速下，电动机实际输出的转矩（与负载转矩TL相等）都比电动机本身允许输出的转矩小，使电动机得不到充分利用。如果恒功率调速方式与恒转矩负载相配合。只有在高速时，电动机允许输出转矩Tr等于负载转矩TL

，在其他转速下，电动机允许输出转矩Tr都比实际输出转矩T（与负载转矩TL相等）大，电动机得不到充分利用。2025/6/2634[例题6-3]某一生产机械采用他励直流电动机作原动机，该电动机用弱磁调速，其叁数为：PN=18.5KW，UN=220V，IN=103A，nN=500rpm，nmax=1500rpm，Ra=0.18Ω。（1）若电动机拖动额定恒转矩负载，求当把磁通减弱至时电动机的稳定转速和电枢电流，能否长期运行？为什么？（2）若电动机拖动额定恒功率负载，求当把磁通减弱至时电动机的稳定转速和电枢电流，能否长期运行？为什么？解：先求2025/6/2635（1）拖动额定恒转矩负载，即TL=TN

；时的n及IaArpm（2）拖动额定恒功率负载，即PL=PN

，时的n及Ia拖动恒功率负载，采用弱磁调速时，电枢电流大小不变，因而反电动势不变，得2025/6/26366.4他励直流电动机的制动2025/6/26376.4.1能耗制动能耗制动是把正在做电动运行的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻上构成闭合回路。（a）(b)图6-9

他励直流电动机能耗制动的电路原理图（a）能耗制动的电路原理图；(b)发电机运行时的参考方向2025/6/2638电动机开始制动瞬间，由于惯性，转速仍保持与原电动状态相同的方向和大小，因此电枢电势在此瞬间的大小和方向也与电动状态时相同。能耗制动时根据电势平衡方程可得：2025/6/2639能耗制动时的特点是:

，，能耗制动机械特性方程式为图6-10能耗制动时的机械特性曲线2025/6/2640[例题6-4]一台他励直流电动机额定数据如下:，，，,用这台电动机来拖动升起机构。求:(1)在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN，电枢回路中应串接多大制动电阻?(2)在额定负载下进行能耗制动，如果电枢直接短接，制动电流应为多大?(3)当电动机轴上带有一半额定负载时，要求在能耗制动中以的稳定低速下放重物，求电枢回路中应串接多大制动电阻?2025/6/2641解:(1)根据直流电机电压方程，额定负载时，电动机的电势能耗制动时，电枢电路中应串入的制动电阻

(2)如果电枢直接短接，则制动电流此电流约为额定电流的6倍，由此可见能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。2025/6/2642(3)求稳定能耗制动运行时的制动电阻因负载为额定负载的一半，则稳定运行时的电枢电流为额定电流的50%，把已知条件代人直流电机能耗制动时的电势方程式，得2025/6/26436.4.2反接制动过程1.电压反接制动反接制动就是将正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时电枢回路串入制动电阻来实现，如图6-11所示。图6-11他励直流电动机的反接制动电路2025/6/2644反接制动的电路特点是:，。由此可得反接制动时他励直流电机的机械特性方程式为图6-12电枢电压反接的机械特性2025/6/26452．倒拉反转制动运行这种制动运行一般发生在起重机下放重物的情况，如图6-13所示的控制电路。图6-13他励直流电动机的倒拉反转制动电路图2025/6/2646图6-14他励直流电动机速度反向的机械特性倒拉反转制动的特点是:，，其机械特性方程式为2025/6/26476.4.3回馈制动1.反接制动时的回馈制动电枢反接制动，当负载为位能性负载，在时，如不切除电源，电机便在电磁转矩和位能性负载转矩的作用下迅速反向加速；当时，电机进入反向回馈制动状态，此时因为负，，机械特性位于第Ⅳ象限。反向回馈制动状态在高速下放重物的系统中应用较多。2.电车下坡时的回馈制动当电动车组车下坡时，虽然基本运行阻力转矩依然存在，但由电车重力所形成的坡道阻力为负值，并且坡道阻力转矩绝对值大于