电机的电力拖动第3章直流
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
![电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]](https://img.taocdn.com/s3/m/02aefbf5d1f34693daef3e9a.png)
电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
【电机与拖动】刘玫3
式中
jL —— 电动机轴与工作机械轴间的转速比 jL = /L = n / nL
如果要考虑传动机构的损耗，可以在折算公式中引入传动
效率c 。由于功率传送是有方向的，因此引入效率c 时必须 注意：要因功率传送方向的不同而不同。现分两种情况讨论：
1） 电动机工作在电动状态， 此时由电动机带动工作机
参考正方向恰好符中负载转矩TL前有一个负号的表达关系。
3. 运动方程的物理意义 式表明电力拖动系统的转速变化dn/dt（即加速度）由电
动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系决定。
1）当Te = TL 时， dn/dt = 0，表示电动机以恒定转速旋 转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或
折算后等效拖动系统的静态功率P’L 为
PL TL
现功率是由电动机传向负载，按功率平衡原则P’L=PL/c ，即
TL
FL v L
c
代入关系式 =2n/60 ，经整理，得到如下折算公式
FL vL TL 9.55 n c
2）电动机工作在发电制动状态，此时工作机构带动电动机， 使重物下放。根据功率平衡关系，有
1 1 1 1 2 2 2 GD GD GD 2 GD2 2 ... GDn 2 GDL 2 j1 j2 jn jL
2 2 e 2 1
在一般情况下，传动机构的转运惯量 J i (i 1,...,n)，在折算后 占整个系统的比重不大， 所以实际工作中往往用下面的近似公式
1. 运动方程式 电力拖动系统经过化简，都可转为如图a所示的电动机转轴与 生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统，各物理量的 方向标示如图b。根据牛顿力学定律，该系统的运动方程为
电机与电力拖动基础教程第3章(3)
(0，-n0)，斜率为b，与电动状态时 电枢串入电阻RW时的人为机械特性 相平行的直线。
b
Ra RW CeCT Φ 2
第3章
返 回
上 页
下 页
(3)电压反接制动过程 电压反接时，n不能突变，工 作点由第一象限A点平移至第 二象限B点。T＝-TB＜0，T与 TL共同作用使电机减速，直至 n＝0。反接制动过程结束。 如果电机拖动反抗性负载，n＝0时， T＝-TC＞-TL，电动机反向电动(第三 象限)直至T＝-TL(D点)，电动机稳定 运行。
第3章
返 回
上 页
下 页
2.电动势反接的反接制动 电动势反接的反接制动仅 适用于位能性恒转矩负载， 又称倒拉反接制动或转速 反向反接制动。 (1)电动势反接制动的实现
当开关K闭合，电动机运行
于电动状态。 当开关K断开，电枢回路串 入较大电阻RW，使n＝0时， 电磁转矩小于负载转矩，电动 机反向加速，T与n反向，进 入电动势反接的反接制动运行。
Ra RW n T nC 2 CeCT ΦN
T=TL
CeCT Φ n RW Ra TL
2 N C
第3章
返 回
上 页
下 页
5.能耗制动பைடு நூலகம்点
(1)制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电 机单独运行，把系统存储的动能或位能性负载的位能转变 成 电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+RW)。 (2)制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下降，故 低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少RW，以增大 制动转矩T ，此即多级能耗制动 C Φ n T CT ΦN I a CT ΦN e N , T n Ra RW
电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动
B、他励直流电动机的常用的起动方法
为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下 步骤进行：（1）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；（2） 待主磁场建立之后再加入电枢电压。
电枢回路串电阻起动
直流电机的 起动方法
降压起动
a、电枢回路串电阻起动
3.18 直流电动机人工起动器的电气原理图
B、电力拖动系统的稳定运行条件
定义： 对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电 压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一 旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称系统是稳定 的；否则，系统是不稳定的。
图3.13 电力拖动系统的稳定运行分析
电力拖动系统稳定运行的条件为：
B、多轴电力拖动系统的折算
a、折算的概念
图3.3 多轴电力拖动系统的简化
折算的原则是：确保折算前后系统所传递的功率或系统储存的动能 不变。
b、折算的方法
1) 机械机构的转矩折算
折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。现分析如下： （1）当电动机驱动机械负载时，传动机构的损耗是由电动机承担的。于是有：
TL TL Lt
根据上式，折算后的负载转矩为：
TL
TLt TLt j ( ) L
（3-5）
2）直线作用力的折算
折算时同样应考虑功率的流向问题。 图3.4给出了电机拖动起重机负载实现升降运动的示意图。
图3.4 电机带动起重机负载的示意图 （1）当重物提升时，传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有： 又
Tem n
nA
TL n
（3-15）
nA
上述结论可以通过系统的动力学方程式或上图的分析求得。其 物理意义是：当在A点处于稳定运行系统受到外部扰动使得转速增 加时，负载转矩的增加应大于电磁转矩的增加，系统才能够减速， 回到原来的运行点。此时，系统在A点处是稳定运行的。
电机拖动第三章
由图可见，位能性恒转矩负载的转矩不随转速 方向的改变而改变。无论电机正、反转，负载转 矩始终为单一方向。
B、通风机负载特性 特点:
负载转矩基本上和转速的平方成正比，
即
TL Kn
2
例：通风机、水泵及油泵等，负载转动时， 其中空气、水、油等介质对机器叶片的 阻力基本上和 2 成正比。
n
C、恒功率负载的转矩特性 恒功率负载：如 车床、恒张力卷 取机，随着卷取 直径增大，力矩 增大。但为了保 持张力不变，线 速度应不变，相 应地转速就要降 低，结果是功率 不变。
2
当电机工作在A点时，
TemA TLA
则有:
GD2 dn Tem TL 375 dt
考虑到微小增量为在A点的偏 导数乘上 n ，上式为
Tem n
nA
TL n n
nA
GD2 dn n 375 dt
整理为线性微分方程
Tem n TL n
为了简化计算，把多轴复杂系统等效成
一个单轴简单系统，方法是把电机轴后面 的传动机构和工作机构部分（如下图中虚
线框部分所示）都折算到电机轴上，用一
个等效负载来代替它，这样就可以用单轴
系统的运动方程式来研究多轴系统，这时
运动方程式为
折算
折算方向：一般是从生产机械轴向电动 机轴折算。原因是研究对象是电动机。 且电动机轴一般是高速。根据传送功率 不变的原则，高速轴上的负载转矩数值 小。 折算的原则是：确保折算前后系统所传 递的功率或系统储存的动能不变。
例3-2： 用稳定运行的概念判断图中 的A点是否为稳定运行点？
系统原在A点平衡运转
TL1 TL 2
n nA
Tem TL1
第三章 直流电动机的电力拖动
U
Ec R1
两级起动时
I1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 Rm Rm1 R2 R1
I 2 Rm1 Rm2
R1 Ra
I1 / I2 称为起动电流比
30
R1 Ra
R2 R1 Ra 2
Rm1
Rm 2
Ra
m1
Rm Rm1 Ra m
17
B、风机与泵类负载的转矩特性
通风机负载转矩与转速的大小有关，基本上与转速的平方成正比
特点： TL Kn2
通风机类负载的转矩特性
如实际生产机械中的水泵、油泵、离心式通风机等其介质 对叶片的阻力基本上与转速的平方成正比。
18
C、恒功率负载的转矩特性
特点：
TL
k
1 n
恒功率负载的转矩特性
在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比,其功率基本
恒转矩负载 大多数生产机械可归纳为： 风机与泵类负载
恒功率负载
14
各类生产机械的负载转矩特性 A、恒转矩负载的转矩特性
特点： 负载转矩不受转速变化的影响。在任何转速下，负载转矩
总是保持恒定或大致恒定。
反抗性恒转矩负载 恒转矩负载
位能性恒转矩负载
15
(1) 反抗性恒转矩负载的转矩特性如下图所示。
反抗性恒转矩负载的转矩特性
22000 Ω
0.174Ω
Ce N
UN
I N Ra nN
220 116 0.174 V/(r/min) 1500
0.133 V/(r/min)
理想空载点 Te 0
n
n0
UN
Ce N
220 r/min 1650r/min 0.133
电力拖动控制系统第三章
第三章★微机数字控制系统：以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）★微型计算机数字控制的主要特点：微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。
★由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化★数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种： 1. 数模混合控制系统 2.数字电路控制系统 3. 计算机控制系统★数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路★数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成★在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。
系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI 算法，由软件实现转速、电流调节。
★微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构系统由以下部分组成：主电路；检测电路；控制电路；给定电路；显示电路★主回路——微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE 有两种方式：直流PWM 功率变换器；晶闸管可控整流器★检测回路——检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速★转速检测有模拟和数字两种检测方法。
对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。
★故障综合——利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。
这也是采用微机控制的优势所在。
★数字控制器——数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）★系统给定——系统给定有两种方式：（1）模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。
第三章直流电动机速度控制系统
机械特性与静差率
n n01
额定转速降
ΔnN
R nN I N Ce
U d1
n02
是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的，两者 的硬度相同。
1-25
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
图3-4 不同转速下的机械特性
机械特性与静差率
• 调速系统在不同电压下的理想空载转速 不一样。 • 理想空载转速越低时，静差率越大。 • 同样硬度的机械特性，随着其理想空载 转速的降低，其静差率会随之增大， • 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。
1-12
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3
0
Id
图3－1 直流电动机调阻调速时的机械特性
1-13
减弱磁通调速法
U R n T n n 0 2 e K K K （3-3） e e m
• 理想空载转速 n 0 将随 增大。 的减少而
1-14
减弱磁通调速法
1-4
第一节
直流电动机控制基础
• 直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他 励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁 合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷 绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、 转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增 量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不 同品种。
（3-5）
1-23
2. 静差率
• 当系统在某一转速下运行时，负载由理 想空载增加到额定值时电动机转速的变 化率，称为静差率s。
• 用百分数表示 s
nN s n0
[工学]刘锦波 电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动第2部分
![[工学]刘锦波 电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动第2部分](https://img.taocdn.com/s3/m/74e800c131126edb6e1a10d6.png)
图3.32 他励直流电机反接制动时的接线图
1. 反接制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算
反接制动过程中电机的机械特性可表示为：
n
U1 Ce
(Ra CeCT
RB ) 2
Tem
n0
Tem
（3-72）
上式可用图3.33所示曲线表示之。很显然，反接制动时电机的机械特性是一条位于第II 象限的直线。
反接制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小。为防止制动电流过大，一般按照下列
规则选择制动电阻 RB ，即：
IB
U N EaN Ra RB
2IN
23
式中，I B 为反接制动的起始电流。相应的制动电阻为：
RB
UN EaN 2IN
Ra
UN IN
Ra
（3-73）
图3.33 反接制动时直流电机的机械特性
K ni ni1
（3-49）
上式中，K 越接近于1，则平滑性越好。若采用无级调速，即速度连续可调，则 K 1 。
d：原始投资与运行成本
调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是
指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：
4
P2 100% P2 100%
P1
P2 p
现说明如下：
图3.28分别给出了恒转矩负载采用恒功率调速方式以及恒功率负载采用恒转矩调速方式 时的负载转矩特性和电动机的机械特性。
图3.28 调速方式与负载类型不匹配的说明
14
a、假若恒转矩负载选择恒功率调速方式（见图3.28a）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足：Tem TL 。根据图3.28a，显然，
结论： 随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
电机及拖动基础第三章
第二节 生产机械的负载转矩特性
生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机 械转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的 转速n与负载转矩TL之间的关系n=f(TL)。各种生产机械特性大致可分 为以下三种类型。 一、恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这 种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种： 1.反抗性恒转矩负载
为恒定值，即
就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工， 车床粗加工时，切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小 (TL小)，用高速档。恒功率负载特性曲线如图3-7所示。
三、通风机型负载特性 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比，
即
式中K——比例常数。 常见的这类负载如鼓风机、水泵、液压泵等，通风机型负载特性
本章中首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍生产机械 的转矩特性和三相异步电动机的机械特性，最后主要研究三相异步电 动机拖动应用的三大问题——起动、制动、调速。
第一节 电力拖动系统的运动方程式
电力拖动系统中所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不 相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的 角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖 动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。 一、单轴电力拖动系统的运动方程式
曲线如图3-8所示。 必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特
性常为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到 的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载 转矩，所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。
第3章直流电动机
功率流程图：
Pcua= Ia2Ra
P0= pm+ pFe
P1= UIa PM= EaIa
P2
pf
图3-4 他励直流电动机功率流程图
3.2 负载的机械特性
生产机械工作机构的负载转矩TL与转速之间的关系，即n=f(TL) 称为负载的机械特性。也就是负载的转矩特性，简称负载特性。
3.2.1 恒转矩负载的机械特性
用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生 产任务的过程称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力 拖动。电力拖动系统包括：电动机、传动机构、工作机构、控 制设备和电源五个部分。
电源
控制设备
电动机
传动机构
图3-1 电力拖动系统的组成
工作机构
3.1.1 电力拖动系统简介
2.电力拖动系统的运动方程
U M
T n
TL
F图3-2 单轴电力拖动
2.电力拖动系统的运动方程 系统旋转运动的三种状态
1)当 T = TL 于稳态。
或
dn dt
=
0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处
2)当 T 3)当 T
> TL
或
dn dt
>
0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。
< TL或
dn < 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
3.3.3 人为机械特性
n
n02
Φ2
n01
Φ1
n0
ΦN
0
T
图3-12 减弱磁通人为机械特性
对于一般电机，当Ф ＝Ф N时，磁路已经饱和，再增加磁 通已不容易，所以人为机械特性一般只能在Ф ＝Ф N的基础上 减弱磁通。
《电机原理及拖动(彭鸿才)》习题集-第三章 直流电动机的电力拖动 题及答案
《电拖》直流电力拖动部分1、电力拖动系统的原动机是___。
a)电动机 b)发电机 c)水轮机 d)汽轮机2、直流电动机的固有机械特性是一条略向下倾斜的___线。
a)双曲 b) 曲 c)直3、改变直流电动机电枢回路电阻，可得到一簇___不变、___随电阻增大而增大的人为特性。
a) n 0 b)斜率4、改变直流电动机端电压,可得到一簇___不变、___随电压下降而减小的人为特性。
a) n 0 b)斜率5、当改变直流电动机励磁电流时，机械特性的n 0是___的，斜率是___的。
a)不变 b)可变6、电力拖动系统稳态运行时, T L ___T ，故稳态工作点为负载特性与电动机机械特性的交点。
a)大于 b)小于 c)等于7、如图电力拖动系统___点是稳定运行点,___点是不稳定运行点。
a)A b)B8、设T= T L 处,转速为n A ，则当扰动使拖动系统n>n A 时,T 应___ T L.当扰动使拖动系统n<n A 时, T 应___ T L, 系统才能稳定运行。
a)等于 b)大于 c)小于9、电力拖动系统稳定运行的充要条件是:在T= T L 处,___。
a)L dT dT dn dn = b) L dT dT dn dn < c) L dT dT dn dn> 10、直流电动机起动时，为了产生尽可能大的起动转矩，应把励磁电流调至 。
a)最大 b)最小11、直流电动机直接起动电流可以达到额定电流的 倍。
a)4~7 b)10~2012、当电动机的电磁转矩T 与转速n 同向时,运行在___状态；反向时,运行在___状态。
a)电动 b)制动13、能耗制动的特点是___；反接制动的特点是___；回馈制动的特点是___。
a)|n|>|n 0| b)U=0 c)n 与n 0反向14、能耗制动机械特性在第___象限；电压反接制动机械特性在___象限；转速反向（电动势反向）反转制动机械特性在___象限；回馈制动机械特性在___象限；电动状态机械特性在___象限。
直流电机的电力拖动作业题参考答案(第3章)
作业题参考答案一．思考题3.1 下图中箭头表示转矩与转速的实际方向，试利用电力拖动系统的动力学方程式说明在附图所示的几种情况下，系统可能的运行状态（加速、减速或匀速）。
(a) (b) (c) (d) (e)图3.50 题3.1图答： 由拖动系统的动力学方程式dt dnGD T T L em 3752=−可知：（a）减速（b）减速（c）加速（d）匀速（e）匀速3.2 在起重机提升重物与下放重物过程中，传动机构的损耗分别是由电动机承担还是由重物势能承担？提升与下放同一重物时其传动机构的效率一样高吗？答：3.3 试指出附图中电动机的电磁转矩与负载转矩的实际方向（设顺时针方向为转速n 的正方向）。
(a) (b)(c) (d)图3.51 题3.3图答： 对于图a em T >0 , L T >0,则有动力学方程式的符号规定：em T 顺时针方向，L T 为逆时针方向；电机工作于正向电动状态。
对于图b em T <0 , L T <0,则有动力学方程式的符号规定：em T 逆时针方向，L T 为顺时针方向；电机工作于正向回馈制动状态。
对于图c em T <0 , L T <0,则有动力学方程式的符号规定：em T 逆时针方向，L T 为顺时针方向；电机工作于反向电动状态。
对于图dem T >0 , L T >0,则有动力学方程式的符号规定：em T 顺时针方向，L T 为逆时针方向；电机工作于反向回馈制动状态。
3.4 根据电力拖动系统的稳定运行条件，试判断图3.52中A 、B 、C 三点是否为稳定运行点？图3.52 题3.4图答：根据电力拖动系统的稳定运行条件：可以得出：系统在A 点、B 点是稳定的； C 点是不稳定运行点。
3.5 一般他励直流电动机为什么不能直接起动？采用什么样的起动方法最好？ 答：直接起动时启动电流远远大于额定电流。
带来的危害：会带来很大的电流冲击，导致电网电压下降，影响周围其他用电设备的正常运行。
电力拖动复习大纲
电力拖动复习大纲漆海霞第三章 直流电机的电力拖动 一、本章重点：1、电力拖动系统动力学基础：电力拖动系统动力学方程式，多轴电力拖动系统折算，生产机械负载特性，电力拖动系统稳定运行条件，调速系统性能指标；调速方式与负载类型的配合。
2、直流电动机的电力拖动；（1）直流电动机电力拖动动态数学模型， （2）直流电机的起动、调速、制动方法及特性。
3、直流电机的四象限运行分析。
二、复习指导1、电力拖动系统动力学方程式，2375em L d GD dnT T J dt dtΩ-== （3-1）～（3-3）Note ：①正确理解方程式的应用，明确电机输出转矩及负载转矩正方向的规定，熟悉方程式的使用条件，并运用该方程式分析各种电力拖动系统的运行状态。
②明确方程式中各字母符号的物理意义及单位。
2、多轴电力拖动系统等效（折算方法）；掌握折算的概念、原则及方法。
折算概念：对于多轴电力拖动系统，将负载转矩及惯量进行折算为等效的单轴系统。
折算的原则是：确保折算前后系统传递的功率或系统储存的动能不变。
折算的方法有：（1）、机械机构转矩折算；（2）直线作用力的折算；（3）惯量与飞轮矩GD 2的折算；（4）直线运动的质量折算。
（1）、机械机构转矩折算电机工作在电动状态， ()()L L LL t t t L L T T T T n j n ηηη'''===ΩΩ (3-4) 电机工作在发电状态， ()()L tL t L t L LLT T T T nj n ηηη'''===ΩΩ (3-5) j=j 1·j 2·j 3…为传动机构总转速比。
（2）直线作用力的折算电机工作在电动状态，重物提升时，9.55260L L L L L L L t ttF v F v F vT n n πηηη===Ω （3-6）电机工作在发电制动状态，重物下放时，9.55260L L t L L t L L t L F v F v F v T n n ηηηπ'''===Ω （3-7）且对于同一重物有：12t tηη'=-（3-8）（3）惯量与飞轮矩GD 2的折算惯量的折算：2221212()()()L M L J J J J J ΩΩΩ=++++ΩΩΩ（3-9） 飞轮矩的折算：2222222221122112222222211212()()()()L L L L MM LG D G D G D G D G D G D GD GD GD n n n j j j j n n n =++++=++++ （3-10） （4）直线运动的质量折算22222222211()3652242460L L L L L L M L L M G v m v G v gJ m v GD g n g n π''Ω=⇒===Ω⎛⎫⎪⎝⎭ （3-11）3、生产机械负载特性恒转矩负载转矩特性（反抗性负载和位能负载特性），恒功率负载转矩特性，风机、泵类负载转矩特性。
电机与拖动技术基础第3章 直流电动机的电力拖动基础
—系统旋转的角速度
GD dn Tem TL 375 dt
2
GD2—飞轮惯量（飞轮矩），GD2 J gg—重力加速度2
3.1
3.1.1
电力拖动系统的运动方程式
运动方程式
系统旋转运动的三种状态
(1)当Tem TL 或 dn 0时 dt
系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态；
15
3.4
直流电动机的机械特性
3. 减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通时的人为机械特性方程式为：
减弱磁通时的人为机械特性的特点是：
（1）理想空载转速与磁通成正比，比例系数为负，减弱磁 通 升高； （2）斜率 与磁通的平方成
反比，减弱磁通使斜率增大。
16
3.5
电力拖动系统的稳定运行条件
3.5.1 电力拖动系统的稳定运行 一台电动机拖动生产机械，以多高的转速运行，取决于电动 机的机械特性和生产机械的负载特性。如果知道了生产机械的负 载转矩特性 和电动机的机械特性 ，把 两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。
10
3.4
直流电动机的机械特性
3.4.1 直流电动机机械特性的表达式
11
3.4
直流电动机的机械特性
3.4.2 固有机械特性
把他励直流电动机的电源电压、磁通称为额定值，电枢回
路未接附加电阻时的机械特性称为固有机械特性。其固有机械
特性的方程式为
式中，
可以从铭牌数据中查到；电枢电阻
可由近似公式
估算得到。
（1）理想空载转速保持不变；
（2）斜率 随 的增大而增
大，转速降增大，特性曲线变软。
14
3.4
直流电动机的机械特性
电机原理与拖动——第三章直流电动机电力拖动2
电枢由晶闸管整流供电的直流调速系统示意图
晶闸管励磁的发电机-电动机机组调速系统 晶闸管励磁的发电机 电动机机组调速系统
(3)机械特性方程 机械特性方程
U0 --整流电压 整流电压 R0 -- 整流装置内阻
调压调速时的机械特性
(4)调压调速特点 调压调速特点 1) 调速范围广； 调速范围广； 2) 调速平滑性高； 调速平滑性高； 3) 设备投资大； 设备投资大； 4) 采用可控硅直流电源时效率高，采 采用可控硅直流电源时效率高， 用机组时效率较低。 用机组时效率较低。
3.3
他励直流电动机的调速
1.可以采用的调速方法： 可以采用的调速方法： 可以采用的调速方法 机械方法；电气方法；机械电气配合方法。 机械方法；电气方法；机械电气配合方法。 2.电气调速方法： 电气调速方法： 电气调速方法 由转速调节特性来看: 由转速调节特性来看
欲改变电动机的转速， 欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电 包括改变U 和改变R 压 Ua （包括改变 和改变 )，或改变励磁 实现。 磁通 Φ 实现。
2.降低电源电压 降低电源电压
使用的可调直流电源有： 使用的可调直流电源有： (1)晶闸管整流装置； 晶闸管整流装置； 晶闸管整流装置 (2)电动机 发电机机组。 电动机-发电机机组 电动机 发电机机组。 容量较大时用机组作为可调直流电源， 容量较大时用机组作为可调直流电源，而用 晶闸管装置调节发电机G的励磁电流 的励磁电流。 晶闸管装置调节发电机 的励磁电流。
静差率与调速范围的关系： 静差率与调速范围的关系：
静差率与调速范围是互相联系的两项指标， 静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统 决定于低速特性的静差率。 可能达到最低速 nmin 决定于低速特性的静差率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Rc + U Ia + E U = Ea + ( Ra+Rc ) Ia Ea = Ce n
T = CT Ia
－
+ I f Uf
－
Ra + Rc U － n= 2 T CeCTΦ CeΦ
河南工业大学电气工程学院
河南工业大学电气工程学院
3.2 他励直流电动机的起动
KM1 ＋ Ia UN －
KM2
n If ＋
rst1
rst2 M
d b c Rst1 a O TL T2 (IL)(I2) T1 (I1) TM Rst2 T (Ia)
Uf
－
(1) 起动过程
① 串联 (rst1+rst2) 起动： Rst2 = Ra＋rst1＋rst2 起动转矩 (电流)：T1 (I1) = (1.5 ~ 2.0) TN (IaN) ② 切除 rst2 ：Rst1 = Ra＋rst1 切换转矩 (电流)： T2 (I2) = (1.1 ~ 1.2) TL (IL)
（二）人为机械特性的绘制
在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数
或 变化，把相应的参数代入相应的人为机械特性方程式 U 或 即可。 例如，电枢串联电阻Rc的人为机械特性可用式
n R Rc UN a T 2 C e N C e CT N
求得，式中UN为已知，Ra、CeΦN与CTΦN的计算方法与前者 相同。根据串联电阻Rc的数值，假定一个转矩T值（一般用 TN），用式 n C
e
UN
N
Ra Rc T 2 C e CT N
求出n值，这样得出认为机械特性
上的一点（TN，n），连接这点与理想空载点，即得电枢串联 电阻的人为机械特性。 用类似的方法，可绘出改变电压U及减弱磁通Φ时的人为机械
特性。
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
例3 1： 一台他励直流电动机，铭牌数据如下：PN 40 k W， U N 220V，I N 210 A，nN 750 r / min 。试求： （ ）固有机械特性； 1 （2）Rc 0.4的人为机械特性； （3）U 110 V的人为机械特性； （4） 0.8 N的人为机械特性。
1、降低电源电压起动
需要可调直流电源。
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。 起动开始时降低端电压 使 Ist＝(1.5 ～ 2.0)IN,
1、固有机械特性
n = f (T ) UN, N, Ra N 点：额定状态。 它是一条略微向下倾斜的直线。 O
TN T n n0 nN
N
2、人为机械特性
（1） 电枢串电阻的人为特性 UN Ra＋Rc n=CΦ － CC Φ 2 T e N e T N
n n0Biblioteka Ra'＜Ra" O T
(Ra＋Rc) →β 即机械特性变软。
Tst=(1.5～2.0）TN。
随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在 一定范围内。
河南工业大学电气工程学院
第3章 直流电动机的电力拖动
降低电源电压起动
调 压 电 源
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
2、电枢回路串电阻起动
为了把起动电流限制在最大允许值I1，电枢回路 中应串入的起动电阻值 UN Rst = I1 －Ra
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
三、电枢反应对机械特性的影响
Ra UN n T 2 C e C e C T
解决曲线上翘的方法是在主磁极绕组串联一 个助磁的稳定绕组以抵消电枢反应的影响。
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
四、他励直流电动机机械特性绘制
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
3.2 他励直流电动机的起动和反转
他励直流电动机的起动
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。 电动机起动的基本要求 （1）起动转矩要大：保证起动快速、可靠 （2）起动电流要小：防止对电网的冲击、保护电机本身 （3）起动设备要简单、经济、可靠。方便操作
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
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转矩特性有交点,即存在 T TL
2.充分条件:
dT dTL 在交点 T TL 处满足 。 或者说，在交点的转速以上 dn dn 存在T TL ,在交点的转速以下存在T TL 。
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
五、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。
第3 章 直流电动机的电力拖动
特性曲线上的ABC点
n n0 T
n
A:理想空载转速点 （0，n0） B:电动机即将起动点，由于 电机不转，此时电流也称堵 转电流 （Tk，0） C:实际空载转速点（T0，n0’）
n0 A C
Δn
n
B O T0 T Tk T
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
TL
河南工业大学电气工程学院
第3章 直流电动机的电力拖动
在B点，系统平衡 T TL 负载突然降至 TLC 瞬间转速不变 T TL 转速由 nB上升，T不断加大，即 使扰动消失，系统也将一直加速， n 不能回到 点运行。最后电机 B 因转速过高、电流过大而损坏。 nB
n B
B
T
0
TLC TLB
电机与拖动
第 3 章 直流电机的电力拖动 第
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的起动和反转 他励直流电动机的调速 他励直流电动机的制动 电力拖动系统的过渡过程
返回主页
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
3.1 他励直流电动机的机械特性
河南工业大学电气工程学院
3.1 他励直流电动机的机械特性
U↓ →n0↓ 但β 不变 →机械特性的硬度不变。
Ua" O T
（3） 减弱气隙磁通时的人为特性 n n0 " Ra UN － n= n0 ' CeCTΦ2 T CeΦ If →Φ 0 →β →n →机械特性变软。
If" ＜ If' T
河南工业大学电气工程学院
3.2 他励直流电动机的起动
③ 切除 rst1 ：Rst0 = Ra
KM1 ＋ Ia UN rst1 KM2 rst2 If ＋
n p f d b e c
Ra
Rst1
M
Uf
－
－
a O TL T2 (IL)(I2) T1 (I1) TM Rst2
T (Ia)
起动 a 点
加速
b点
河南工业大学电气工程学院
3.1 他励直流电动机的机械特性
连接 n0 和 N ( TN，nN ) 两点即可得到固有特性。 (2) 固有特性的斜率和硬度 Ea = CeΦ nN = 0.254×750 V = 190.5 V UN－Ea 220－190.5 Ra = = Ω = 0.14 Ω IaN 210 Ra 0.14 = 0.228 β = C C Φ2 = 2.426×0.254 E T = 1 = β 0.228 1 = 4.39
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
一、他励直流电动机的起动
• 起动性能 ① 起动电流 Ist ② 起动转矩 Tst • 直接起动 对于他励电机 起动瞬间： n = 0，Ea = 0， U Ist = = (10 ~ 20) IN —— 换向决不允许! Ra T = Tst = CTΦ Ist = (10 ~ 20) TN
硬特性和软特性
为表述不同条件的机械特性，引入“硬度”的概 念。所谓机械特性硬度是指特性曲线上某一点的 电磁转矩对该点转速的导数：
n n0 T
dT dn
硬度是机械特性曲线斜率的倒数，显然斜率越小 硬度越大。
河南工业大学电气工程学院
3.1 他励直流电动机的机械特性
一、固有机械特性及人为机械特性
nN
（2）计算 Ce N 和CT N : C e N U N I N Ra （3）计算理想空载点： （4）计算额定工作点：
UN T 0, n0 C e N
CT N 9.55Ce N
TN CT N I N , n nN
河南工业大学电气工程学院
第3 章 直流电动机的电力拖动
Ra UN 2 (一)固有机械特性的绘制 n C e N C e CT N T 已知 PN , U N , I N , nN，求两点:理想空载点 (T 0, n n0 )
和额定运行 (T TN , n nN ) 。
（1）估算 Ra : Ra (
1 2 U N I N PN ~ ) 2 2 3 IN
小容量微型直流电动机由于转动惯量小、转速上升 快、电枢电阻相对较大，因此允许直接起动。一般 直流电动机的最大允许电流为（1.5~2）IN，所以不 能采用直接起动方法。 河南工业大学电气工程学院