电机与电气控制技术 课件 任务3.3直流电动机的调速与制动控制

任务3.3直流电动机的调速与制动控制项目3直流电动机及其控制项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制

直流电动机具有良好的调速性能，常应用于对调速有较高要求的场合。基于直流电动机的机械特性方程，通过改变电枢电压U、电枢回路电阻Ra和主磁通

实现调速。直流电动机有三种调速方法：降压调速、电枢回路串电阻调速和弱磁调速。任务3.3直流电动机的调速与制动控制项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.降压调速直流电动机的电枢电压U不能大于其额定电压UN，只能向小于额定电压的方向改变，故称降压调速。降压调速机械特性项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.降压调速

假定电动机原来稳定运行在固有特性曲线上的a点，转速为nN，电枢电压为UN。当降低电枢电压为U1后，因惯性，转速不能突变，工作点a过渡到b点。由于b点对应的电磁转矩Tb小于负载转矩TL，电动机立即减速，根据式（3-1）、式（3-2）和式（3-3）可知，n↓→Ea↓→Ia↑→T↑，电磁转矩T沿U1所在特性曲线过渡到c点，电磁转矩Tc=TL，直流电动机以较低的转速n1再次进入稳定运行状态，调速过程结束。降压调速机械特性T=KEΦIa

（3-1）U=Ea+IaRa

（3-3）Ea=KTΦn

（3-2）项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.降压调速降压调速的特点：机械特性硬度不变，负载变化时稳定性好，调速范围广。电源电压能够平稳调节，可以实现无级调速。电能损耗减小，调速经济性好。调压电源设备较复杂。

随着电子技术的发展，目前降压调速主要采用晶闸管整流装置或直流斩波装置实现。降压调速机械特性项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速机械特性

假定电动机稳定运行在固有特性曲线上的a点，转速为na，电枢回路电阻为Ra。当电枢回路串入电阻Rad1后，因惯性，转速不能突变，工作点a过渡到b点。由于b点对应的电磁转矩Tb小于负载转矩TL，电动机立即减速，根据式（3-1）、式（3-2）和式（3-3）可知，n↓→Ea↓→Ia↑→T↑，电磁转矩T沿电枢回路电阻为Ra+Rad1所在特性曲线过渡到c点，电磁转矩Tc=TL，直流电动机以较低的转速nc再次进入稳定运行状态，调速过程结束。T=KEΦIa

（3-1）U=Ea+IaRa

（3-3）Ea=KTΦn

（3-2）项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制3.弱磁调速弱磁调速机械特性

直流电动机磁路接近饱和，增加每极磁通量难以做到，所以只能采用减弱磁通量的方式进行调速，故称弱磁调速。项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制3.弱磁调速弱磁调速机械特性T=KEΦIa

（3-1）U=Ea+IaRa

（3-3）Ea=KTΦn

（3-2）

假定电动机稳定运行在固有特性曲线上的a点，转速为na，磁通量为ΦN。当磁通量由ΦN降低至Φ1，因惯性，转速不能突变，工作点a过渡到b点。由于b点对应的电磁转矩Tb大于负载转矩TL，电动机立即加速，根据式（3-1）、式（3-2）和式（3-3）可知，n↑→Ea↑→Ia↓→T↓，电磁转矩T沿磁通量为Φ1所在特性曲线过渡到c点，电磁转矩Tc=TL，直流电动机以较高的转速nc再次进入稳定运行状态，调速过程结束。项目3直流电动机及其控制3.3.1直流电动机的调速控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制3.弱磁调速弱磁调速机械特性电枢回路串电阻调速的特点：机械特性斜率加大，特性变软调速范围较小。受机械本身强度所限，普通直流电动机一般只能调到额定转速的1.2～2倍。调速平滑，可实现无级调速。调速设备简单、经济，能量损耗小。通常与降压调速配合使用，实现双向调速。为防止“飞车”事故，他励直流电动机的弱磁调速系统必须配有弱磁保护装置。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制

制动也是电动机的一种运行状态，其目的是使电力拖动系统停车或使拖动系统转速降低。

直流电动机的制动方法有两种，分别是机械制动和电气制动。

利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫机械制动，通常采用电磁抱闸制动装置或电磁离合器实现机械制动。电气制动使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。

电气制动的制动转矩大，操作方便，应用广泛。常用的电气制动的方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。机械制动电气制动能耗制动反接制动回馈制动直流电动机的制动方法电枢反接制动倒拉反接制动项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.能耗制动

能耗制动是把处于运行状态的他励直流电动机切断其电枢电源，保持励磁电流不变，将电枢回路串接一个外加的制动电阻，构成闭合回路。电动机在惯性作用下将机械能产生的电能消耗在电枢回路中，同时获得制动转矩，使电动机迅速停转。接线原理图

假定制动前直流电动机处于电动运行状态，所带负载为TL，工作点位于其固有机械特性曲线的a点上。将开关S拉至下边，如图3-27（a）所示，此时Ea+Ib（Ra+Rbk)=0，则电枢电流Ib=

项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.能耗制动机械特性

与电动状态下电枢电流Ia相反，产生的电磁转矩方向与电机转向n相反，变成制动转矩，

电动机开始制动。

制动电阻Rbk串接到电枢回路中时，U=0，机械特性方程变为项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.能耗制动机械特性其机械特性如图3-26（b）所示的曲线2。制动时转速n不能突变，工作点由a点平移到曲线2所在的b点，在制动转矩的作用下，工作点沿着特性曲线2下降，制动转矩逐渐减小，当T=0时，n=0停转，制动过程结束。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.能耗制动机械特性

如果所带负载是位能性负载（如起重机、卷扬机、电梯等），转速n=0时，在位能性负载转矩作用下，电动机开始反转。机械特性曲线扩展至第4象限，工作点沿虚线继续下降，到达c点后，电磁转矩T在与负载转矩相等，电动机稳定运行在c点，此时电动机以反转速度nc稳定运行。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制1.能耗制动机械特性

对于常见的反抗性负载来讲，能耗制动过程，实际上是一台与电网无关的直流发电机，把电动机在切断电源时所存在的机械能转化为电能，消耗在电枢回路的电阻上，直到机械能消耗完毕，电动机停止运行。

能耗制动的优点是制动准确、平稳、可靠、能量消耗少、控制电路简单。缺点是制动转矩弱、制动时间长、低速时制动转矩小。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(1)电枢反接制动

电枢反接制动是将处于运行状态的他励直流电动机电枢反接在电源上，同时电枢回路串接制动电阻。由于电枢反接后产生的电磁转矩与电动机转向相反，成为制动转矩。在制动转矩和负载转矩的共同作用下，电动机转速开始下降，当电动机转速接近零时，迅速切断电源。接线原理图

假定直流电动机处于电动运行状态，即图（a）所示的KM1闭合，工作点位于其固有机械特性曲线的a点上。当KM1断开，KM2闭合时，电枢电源U反接，则Ea+Ia（Ra+Rbk)=-U，电枢电流Ia=

与电动状态下电枢电流Ia相反，产生的电磁转矩方向与电机转向n相反，变成制动转矩，

电动机开始制动。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(1)电枢反接制动，

制动电阻Rbk串接到电枢回路中，电枢电源U反接，机械特性方程变为

，与固有机械特性方程

相比，理想空载转速为-n0，斜率k变大，其机械特性如图（b）所示的曲线2。制动时转速n不能突变，工作点由a点平移到曲线2所在的b点，在制动转矩的作用下，工作点沿着特性曲线2下降，制动转矩逐渐减小，当转速减至零时（c点），此刻应立即切断电枢电源，防止电动机反向起动。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(1)电枢反接制动项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(1)电枢反接制动

电枢反接制动时电枢电流（

），是由电枢电源U和电枢电动势Ea共同建立的，数值较能耗制动时电枢电流（

）大许多。为使制动时的电枢电流限制在允许范围内，电枢反接制动时的制动电阻要比能耗制动串入的制动电阻几乎大一倍。

项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(1)电枢反接制动

电枢反接制动的优点是制动转矩大，制动时间短。缺点是制动准确性差、制动过程冲击强，易损坏传动零件能量消耗大，不经济。所以，电枢反接制动主要应用于不经常起动和制动的场合。项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(2)倒拉反接制动

倒拉反接制动是保持他励直流电动机电枢电源极性不变，制动时将电枢回路串接阻值较大的制动电阻。这种方法一般应用在提升重物转为下放重物的场合。励直流电动机倒拉反接制动过程如图所示。（a）接线原理图

（b）机械特性项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动(2)倒拉反接制动（a）接线原理图

（b）机械特性

电动机提升重物时，接触器KM1、KM2主触点闭合，电动机处于电动运行状态，工作点位于其固有机械特性曲线的a点上。下放重物时，接触器KM1主触点断开，阻值较大的制动电阻Rbk被串接到电枢回路中，此时电动机的机械特性变为斜率k较大的曲线2，如图（b）所示。由于电动机的转速不能突变，工作点由a点平移至曲线2所在的b点。在制动转矩的作用下，工作点沿着特性曲线2下降，制动转矩逐渐减小，当转速减至零时（c点）。由于c点的电磁转矩Tc小于负载转矩TL，电动机在负载重力作用下，被倒拉反转，电动机开始下放重物。工作点沿曲线2在第四象限继续下降，反转速度也逐渐增加，最终稳定运行在d点，以恒定的转速nd下放重物。

项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制2.反接制动电枢反接制动----最终停止倒拉反接制动----最终反转

他励直流电动机运行过程中，由于某种客观原因，使电动机的转速n大于理想空载转速n0，电枢回路的反电动势Ea大于电枢电源电压U，使得电枢电流Ia=<0。由于励磁回路产生的磁通未有变化，所以电磁转矩也与电动状态时相反，成为制动转矩。由于此时电枢回路的电流反向流回电网，电动机转换为发电机，将电能回馈给电网，故称之为回馈制动。电动机的转速n大于理想空载转速n0是回馈制动的标志性特征。

项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制3.回馈制动项目3直流电动机及其控制3.3.2直流电动机的制动控制任务3.3直流电动机的调速与制动控制3.回馈制动

假定电车平路上以恒速na行驶，工作点为其固