电机学 课件 第04章－直流电机拖动基础

-1-第四章直流电机拖动基础电机与拖动基础（第3版）第一节他励直流电动机的机械特性第二节他励直流电动机的起动第三节他励直流电动机的调速第四节他励直流电动机的制动第五节串励和复励电动机的电力拖动*-2-第四章直流电机拖动基础第一节他励直流电动机的机械特性一、机械特性的一般形式n=f（Te

）（4-1）空载转速机械特性的斜率-3-

二、固有机械特性

直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性。第四章直流电机拖动基础（4-2）答：两点法思考题：如何绘制？-4-第四章直流电机拖动基础

固有机械特性的主要特点为：

1)Te=0时，n=n0是理想空载转速，这时Ia=0，UN

=Ea

。

2)机械特性呈下倾的直线，下倾的斜率

较小，硬特性。

3)起动时n=0，Ea=0，这时Ia=Ist=UN/Ra；Te=Tst=CTΦIst

；Ra

很小，Ist很大，将烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全电压直接起动。

4)若转矩Te>Tst

，n<0，特性曲线在第四象限；若Te<0，n>0，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。-5-

三、人为机械特性

当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁电流I

f

、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。第四章直流电机拖动基础

1.改变电枢电压-6-2.减小每极气隙磁通第四章直流电机拖动基础

3.电枢回路串接电阻-7-第二节他励直流电动机的起动第四章直流电机拖动基础回顾：4.1他励直流电动机的机械特性理想空载工作点起动工作点思考：Tst为什么很大？-8-第二节他励直流电动机的起动第四章直流电机拖动基础起动瞬间：UNIfN很小0起动电流：起动转矩：常数-9-第四章直流电机拖动基础起动电流Ist>>IN（约为10～20倍的IN）影响：

②换向困难，产生强烈的电火花，烧换向器和电刷；①使电枢绕组过热而烧毁；

③起动转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构；④影响电网其他用户正常用电。

因此：一般直流电动机不允许直接起动（全压起动）。-10-第四章直流电机拖动基础一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：

1)起动电流限制在一定范围内，即Ist

≤

IN，

为电机的过载倍数，通常取2~2.5；

2)足够大的起动转矩，Tst

≥（1.1～1.2）TN

；

3)起动设备简单、可靠、经济。

答：一是增加电枢回路电阻；二是降低电源电压。

思考：如何限制起动时的电枢电流呢？-11-第四章直流电机拖动基础

一、电枢回路串电阻起动

在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。-12-

二、减压起动在起动瞬间，电动机的转速n=0，感应电动势Ea=0，降低电源电压U

，将起动电流限制在允许的范围内。第四章直流电机拖动基础-13-三、他励直流电动机起动的过渡过程*第四章直流电机拖动基础-14-第四章直流电机拖动基础思考题：当采用电枢串多级电阻起动时，其过渡过程如何呢？答：他励直流电动机二级起动的起动过程。-15-第三节他励直流电动机的调速为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在不同速度下运行。

例如：车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速；

轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时；……

结论：生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。

调速：

注意：

方式：第四章直流电机拖动基础根据生产机械工艺要求人为地改变速度。调速与负载扰动引起的速度变化截然不同。机械调速、电气调速、二者配合。-16-一、调速指标

1.调速范围调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比，通常用D来表示，即第四章直流电机拖动基础（4-7）不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。例如：

车床D=20~120，龙门刨床D=10~40，轧钢机D=3~120，造纸机D=3~20等。对于一些经常轻载运行的生产机械，可以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围D。-17-

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。用百分比表示为第四章直流电机拖动基础（4-8）

静差率δ反映了拖动系统的相对稳定性，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。

例如：普通车床δ≤30%，而精度高的造纸机则要求δ≤0.1%。

注意：静差率δ值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关；

调速范围D与静差率δ两项性能指标是互相制约的。-18-第四章直流电机拖动基础ρ越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当ρ=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。

3.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（4-9）-19-

二、他励直流电动机的调速方法

1.串电阻调速

第四章直流电机拖动基础（4-10）-20-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；

5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。

第四章直流电机拖动基础因此，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，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。-21-

2.调电压调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，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。第四章直流电机拖动基础（4-11）-22-3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20；

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。

第四章直流电机拖动基础调压调速的特点是：

1）由于调压电源可连续平滑调节，所以可实现无级调速；

2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；调压调速多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。-23-

3.弱磁调速由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。第四章直流电机拖动基础（4-12）-24-第四章直流电机拖动基础

弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。弱磁调速的特点是：

1）由于励磁电流I

f<<Ia

，因而控制方便，能量损耗小；

2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；

3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.2~1.5）nN

，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（3~4）nN

，因而调速范围窄。第四章直流电机拖动基础第四章直流电机拖动基础Ƞ？第四章直流电机拖动基础-28-

三、调速方式与负载类型

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。要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际输出达到容许值，即电枢电流达到额定值。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。第四章直流电机拖动基础-29-2.调速方式

第四章直流电机拖动基础恒功率调速：因为Te=CTΦNIa，P=Te

ω

，当Ia=IN

时，若Φ减小，则转速上升，同时转矩减小，保持P=常数。他励直流电动机改变磁通调速就属于恒功率调速方式（见图4-13中的曲线2×）。恒转矩调速：由Te=CTΦNIa

，当Ia=IN时，若Φ=ΦN

，则Te=常数，因而他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于恒转矩调速方式。此时，P=Teω，当转速上升时，输出功率也上升（见图4-13中的曲线1×）。-30-3.调速方式与负载类型的配合

为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的调速方式。调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。通常：恒转矩负载应采用恒转矩调速方式（串电阻/降电压）；

恒功率负载应采用恒功率调速方式。泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型？？？？第四章直流电机拖动基础交流电机（第九章）

注意：恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。-31-第四章直流电机拖动基础-32-第四章直流电机拖动基础-33-第四章直流电机拖动基础-34-第四章直流电机拖动基础第四节他励直流电动机的制动一、电动状态和制动状态电动状态（基本）运行时：Te与n方向相同，Te为拖动转矩，电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。第一、三象限。制动状态运行时：Te与n方向相反，Te为制动转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。第二、四象限。-35-制动：

使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动方法：

自由停车-即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。

机械制动-要使系统实现快速停车，可以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱闸制动电机；

电气制动-即由电动机提供一个制动性阻转矩Te，以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，加强制动效果。

这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动三种。第四章直流电机拖动基础-36-第四章直流电机拖动基础二、能耗制动（断电+电枢回路串接制动电阻Reb）反抗性负载：~在第二象限，没有稳定运行点，称为能耗制动过程；位能性负载：~在第四象限，有稳定运行点，称为能耗制动运行状态。IaEaIa-37-第四章直流电机拖动基础

1.能耗制动过程(带反抗性负载)

(1)能耗制动的机械特性

将U=0、Φ=ΦN，R=Ra+Reb代入他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性（4-14）-38-第四章直流电机拖动基础

(2)能耗制动的功率关系

电源已被断开，不向电动机提供能量，输入电功率P1=0；电磁转矩与转速方向相反，机械功率P2<0，说明电动机轴上非但没有输出机械功率给负载，反而是负载向电动机输入了机械功率，扣除空载损耗P0，其余的转变为电磁功率Pem；电磁功率Pem<0，说明功率传递方向与电动状态时相反，即在电动机内，电磁作用把机械功率转变为电功率；最终，该电功率在电枢回路总电阻上被转化为热能消耗掉。-39-第四章直流电机拖动基础从电磁功率把机械功率转化为电功率这一点来说，能耗制动过程中的电动机类似发电机，但与一般的发电机不同，表现在：

1)没有原动机输入机械功率，其机械能是系统从高速向低速制动时所释放出来的动能；

2)没有电功率输出，而是转化为电枢回路总电阻（Ra+Reb）上的热能消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动。-40-第四章直流电机拖动基础

(3)能耗制动电阻的计算

能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻Reb的大小有关。

Reb越大，制动转矩越小，制动过程越慢，但电机不易过热；

Reb越小，制动转矩越大，制动过程越快。但Reb的最小值受到电动机过载能力的限制，因此在能耗制动过程中，应将制动瞬间的电流（即最大制动电流Imax）限制在允许的范围内，即应按下式选择电阻（4-15）（4-16）当制动初始转速大于nN时，可用下列近似公式计算Reb，即-41-第四章直流电机拖动基础A→B：同上B→O：同上O→C：在O点（Te=0，n=0）时，停止提升。此时如果不采用其他办法停车，则系统将在位能性负载转矩TL作用下开始反转（即下放重物），系统进入四象限。C→D→E：减速

2.能耗制动运行状态(带位能性负载)-42-第四章直流电机拖动基础

(1)拖动位能性恒转矩负载转速和转矩的变化是从起始点B到稳态点C的两条光滑的指数曲线（一条实线，一条虚线）。

(2)拖动反抗性恒转矩负载拖动反抗性恒转矩负载，能耗制动过程就是一个制动停车的过程，从B点开始，到O点为止（实线）。3.能耗制动的过渡过程(与电动机所拖动的负载性质有关)-43-第四章直流电机拖动基础

4.能耗制动的特点

能耗制动的线路简单、经济、安全；

用于反抗性负载，可实现准确停车；用于位能性负载，可减速下放重物。

但在制动过程中，随着转速的下降，制动转矩随之减小，制动效果变差，为使电机更快停车，可在转速降到一定程度时，切除一部分电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。-44-第四章直流电机拖动基础三、反接制动

为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。

电枢反接（一般用于反抗性负载）；倒拉反接（转速反向，用于位能性负载）。

1.电枢反接制动（电源反接+串电阻Rrb+n=0时断电）-45-第四章直流电机拖动基础

(1)电枢反接制动的机械特性

Ф=ФN

，U=-UN

，R=Ra+Rrb

，其机械特性方程式为（4-17）

当n=0时，Te=TeC

；当Te=0时，n=-n0。所以反接制动机械特性是一条过-n0

，斜率取决于（Ra+Rrb）大小的直线。-46-第四章直流电机拖动基础

(2)电枢反接制动功率关系

从电源输入电功率P1，从负载输入机械功率P2，P2扣除空载损耗Δp0后，即转变为电磁功率Pem

。P1与Pem

两部分电功率全部消耗在电阻（Ra+Rrb）上。这时的机械功率是由系统释放的动能提供的。

(3)电枢反接制动电阻的计算

反接制动过程开始瞬间，电枢电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻Rrb

越小，电枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动电阻Rrb为（4-19）（4-18）当制动初始转速大于nN时，可用下列近似公式计算Rrb，即与能耗制动电阻相比，电压反接制动电阻几乎大一倍。-47-第四章直流电机拖动基础电枢反接反接制动的过渡过程与电动机所拖动的负载性质有关，如右图所示：1)拖动反抗性恒转矩负载（AB-BC-CD?）

2)拖动位能性恒转矩负载（BC段）

(4)电枢反接反接制动的过渡过程-48-第四章直流电机拖动基础

(5)电枢反接反接制动的特点

由于Rrb

较能耗制动时的Reb差不多大一倍，机械特性比能耗制动陡得多，即BC段的制动转矩都比较大，因此比能耗制动时制动作用更强烈，制动更快。在频繁正、反转的电力拖动自动控制系统中，常采用这种先反接制动停车，接着自动反向起动的运行方式，以达到迅速制动并反转的目的。-49-第四章直流电机拖动基础2.倒拉反接制动

(只适用于位能性负载)（不断电+串电阻Rrb）

他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第Ⅳ象限运行，如图4-20所示，这一制动方式被称为倒拉反接制动。-50-第四章直流电机拖动基础

倒拉反转运行状态时的机械特性就是电枢串电阻的人为特性，但这时所串的电阻阻值较大，使n<0，其机械特性方程式（4-20）所串电阻的大小为（4-21）

倒拉反转运行的功率关系与反接制动过程的功率关系一样，区别仅在于机械能的来源，反接制动的功率是负载释放出来的动能，倒拉反转运行的功率是负载减少的位能。-51-第四章直流电机拖动基础

四、回馈制动（不断电+n>n0

，再生发电制动）

电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动车辆下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流Ia反向，电磁转矩Te方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩，即Te与n方向相反。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。-52-第四章直流电机拖动基础

1.正向回馈制动

(1)正向回馈制动过程

在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如图4-21a所示。-53-第四章直流电机拖动基础

正向回馈制动过程其功率关系与直流发电机相同，都是将机械功率转换成电功率输出。所不同的是：

1)机械功率不是由原动机输入，而是系统从高速到低速的降速过程中，释放出的动能所提供；

2)电功率不是给用电设备，而是回送给直流电源，故称回馈制动。又因为没有稳定运行点，只是一个过程，而称为正向回馈制动过程。-54-第四章直流电机拖动基础正向回馈制动过程仅仅是降速过程中的一个阶段。在降压调速过程中，只要是降压前的稳态转速大于降压后的理想空载转速，而且电源允许电枢电流反向，则在降速过程中，电动机就要经过正向回馈制动过程和正向电动状态减速两个阶段。回馈制动过程同样会出现在他励直流电动机增加磁通（当磁通未达到额定值时）的降速过程中，如图4-21b所示。-55-第四章直流电机拖动基础(2)正向回馈制动运行

如图4-13所示，用他励直流电动机驱动一辆电动车，当电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行。回馈制动运行时的功率关系与回馈制动过程时相同，只是机械功率是由电动车减少位能储存来提供的。-56-第四章直流电机拖动基础2.反向回馈制动运行

他励直流电动机拖动位能性负载（如起重机的提升机构），可以出现反向回馈制动运行，如图4-23所示。回馈制动的重要特点是：n>n0

，Ea>U，向电源回馈电能，运行经济。由于其功率关系与直流发电机一样，故又称为再生发电制动。-57-第四章直流电机拖动基础Te与n同方向时为电动运行状态;Te与n反方向时为制动运行状态。

五、他励直流电动机的四象限运行-58-第四章直流电机拖动基础-59-第四章直流电机拖动基础-60-第四章直流电机拖动基础-61-第四章直流电机拖动基础-62-第四章直流电机拖动基础-63-第四章直流电机拖动基础-64-第四章直流电机拖动基础-65-第四章直流电机拖动基础第五节串励和复励电动机的电力拖动*

一、串励直流电动机的电力拖动

1.串励直流电动机的机械特性

串励式直流电动机Ia=If=I，U=Ua+U

f+IR，若电动机在磁通未饱和状态，每极磁通应与电路电流成线性正比，即（4-22）

当电动机带负载运行时，电枢电流是变化的，这将引起串励电动机磁通

的变化，此时串励电动机的转速公式为（4-23）式中Ces——串励电动机电势系数，且Ces=CeKf

；-66-第四章直流电机拖动基础

电磁转矩公式为（4-24）式中CTs——串励电动机电磁转矩系数，且CTs=CTKf。

串励电动机机械特性公式为：（4-25）由于转速与转矩的开方成反比，转矩增大，转速迅速减小；而转矩减小，则转速很高。理想状态下Te=0，n0→∞。特性曲线是一条非线性的软特性。-67-第四章直流电机拖动基础注意：

串励电动机实际运行时，当电动机电流趋于零时，电动机尚存剩磁，理想空载转速不会无穷大，但转速还是很高的，所以一般串励电动机不允许空载运行。若电动机磁通处于饱和状态，其磁通

为额定值常数，电磁转矩为（4-26）可见：

串励电动机轻载时，磁动势较小，磁通处于不饱和状态，电磁转矩与电机电流的平方成正比；随着负载的增加，磁动势增大，磁通呈饱和状态，电磁转矩仅与电流成正比，且电动机能拖动大负载低速运行，电动机具有起动转矩大，过载能力强的特点。-68-第四章直流电机拖动基础2.串励电动机的起动与调速

串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流也就是励磁电流，即Ia=If。主磁通Φ是电枢电流Ia

的函数，其机械特性方程：

由上式可知，串励直流电动机起动时也会出现起动电流过大的问题，所以为了限制起动电流，可以采用电枢串电阻或降低电源电压的方法。-69-第四章直流电机拖动基础

串励直流电动机的调速方法也分为电枢串电阻、降压、弱磁三种。调速原理如图4-26所示，当接触器KM1、KM2释放打开时，改变电枢串接电阻R

vs的大小可改变电动机的转速，这种串电阻调速方法常用在电车上；当接触器KM1释放打开，KM2合上，励磁绕组并联电阻Rfp

时，在相同的电枢电流下，励磁电流减小，即可弱磁升速；当接触器KM2释放打开，KM1合上，电枢绕组并联电阻Rap时，可使加于电枢的电压降低，转速下降，实现调压调速。对于串励电动机，常用2~3台电动机串联及并联联接法以降低电压。-70-第四章直流电机拖动基础3.串励电动机的制动

串励电动机的制动状态有：能耗制动、反接制动与倒拉反转运行。由于电动机的反电势Ea

无法超过U，因此在串励电动机中不能得到回馈制动。