电机与电力拖动基础教程第3章(3)
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电机原理与拖动基础
主讲人：包 蕾
宁波工程学院
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第3章 直流电动机的运行与电力拖动
3.1 3.2 3.3 3.4 直流电动机的机械特性 直流电动机的起动 直流电动机的调速 直流电动机的制动
第3章
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本次课程内容和重点
内容： 他励直流电动机制动的基本概念；能耗制动、反接制动、 回馈制动方法、特点和应用。 重点： 各种制动的特性。
如果电动机拖动的是位能性负载，TL方向不变，电动机只能
在第四象限E点，T＝TL时，匀速放下重物，在第四象限， |-n|＞|-n0|，T与n反向，系统进入回馈制动。
第3章
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电压反接制动时的能量关系
★电压反接制动时 U 0, I a 0 UIa 0 说明从电源吸收电能； ★ n 0 Ea 0, I a 0 Ea I a 0 说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机 械能转化为电能。 上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。
EB IB 2I N Ra RW
F和n为制动瞬间气隙
磁通和电枢转速
EB CeΦn U I a Ra
第3章
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(1) 求TL=0.8TN时的Ea →制动瞬间EB
EB U N I a Ra I a 0.8I N EB U N I a Ra 220 0.8 210 0.07 208.24V
第3章
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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。
第3章
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功率流程图
第3章
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2．能耗制动的机械特性
将U=0，R=Ra+RW，
n
代入直流电动机机械 特性方程式得能耗制 动时直流电动机机械 特性a RW R Ra RW
CeCT Φ
2 N
T
CeΦN
Ia
由上式可知，n＞0时，T＜0；n=0
时，T=0，所以机械特性位于第Ⅱ 象限，并通过原点，特性斜率取决 于能耗制动电阻RW 。RW一定时， 特性斜率b=常数，与电枢串联电阻 RW时人为机械特性的斜率相同，两 条特性互相平行。如果RW=0，特性 与固有机械特性相平行。
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(4)电压反接制动的制动电阻 电动状态时，电枢电流的大小决定于UN与Ea之差；电压反接 制动时，电枢电流的大小决定于UN与Ea之和，非常大，约为 电动状态时的2倍。必须在反接的同时在电枢电路中串入制动 电阻RW ，以限制过大的制动电流。 RW的大小应使反接制动时电枢电流最大值不超过允许值 (2~2.5) IN，由此可得应串入的制动电阻值为 U N Ea RW Ra (2 ~ 2.5) I N 制动电阻的比较 UN UN Ra Ra 反接 RW 能耗 RW IN 2I N 反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍
第3章
制动
电动
电动
制动
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电动状态
正向电动状态
UN Ra n T 2 CeΦN CeCT ΦN
反向电动状态
UN Ra n T 2 CeΦN CeCT ΦN
第3章
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制动状态 制动 指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩 以阻止系统运动的过程。 制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种 形式而以。直流电机正常工作时，制动可以用于使拖动系统 减速或停车。出现制动状态情况有： (1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机 械抱闸，帮助停车。 (2) 降速过程中 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。 (3) 提升机构下放重物 提升机构等速下放重物时，电动机要处于制动状态。它 可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动。如起重类机 械等速下放重物；列车等速下坡等。
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3.4 直流电动机制动
制动的概念 1.电动状态与制动状态 电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为 拖动转矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电 能，输出机械能，机械特性在直角坐 标的第一、三象限。 制动状态 特点：转速n与转矩T方向相反，T为 制动性质的阻转矩。Ia 与Ea 方向相 同，电机工作在发电状态。电动机是 将机械能变为电能全部消耗掉或大部 分回馈电网。机械特性在直角坐标的 第二、四象限。
(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
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(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。
(3) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现 准确停车。 (4)制动过程中，电动机脱离电网，不需要吸收电功率，制 动产生的冲击电流也不会冲击电网，比较经济安全。
第3章
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6.应用 能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对 于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下 放重物，确保生产安全；对反抗性负载能确保停车。
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1.电压反接的反接制动 (1)电压反接制动的实现
当开关K合向上方时，电动
机运行于电动状态。
反接制动时，只需将开关K
合向下方，即把电源电压U 反向接到电动机电枢两端。 同时，在正在运行的电机电 枢回路中串入电阻RW，这时
U Ea U Ea Ia Ra RW Ra RW
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3．能耗制动过程 电动机在拖动负载TL工作时， 工作在固有特性上的A点，对应 的转速为nA。能耗制动时，U=0, 由于电机惯性，n≠0，Ea≠0 ， 在反电动势Ea作用下产生电枢电 流Ia反向，电动机的转矩也反向。 这时IB=-Ea/(R+Ra)，IB与原来的 IA 方向相反，TB反向，与n相反, TB与TL(同向)共同作用使电机减 速，直至O点，T=0，n=0。
CT ΦN 9.55CeΦN 1.96
n
Ra RW 0.07 0.426 T T 1.215T 2 CeCT ΦN 0.2053 1.96
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3.4.3 反接制动
电动运行时，电压U与反电势Ea反方向
反接制动时，电压U与反电势Ea同方向。 实现反接制动有两种方法： •电压反接（一般用于反抗性负载） •电动势反接（用于位能性负载）
EB CeΦn U I a Ra
F和n为制动瞬间气隙
磁通和电枢转速
EB IB (2 ~ 2.5) I N Ra RW
EB RW Ra (2 ~ 2.5) I N
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位能性负载下放重物的稳定转速与制动电阻有关
设下放重物的稳定转速要求为nC，重物转矩为TL
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(2)电动势反接的反接制动的机械特性
Ra RW n T nC 2 CeCT ΦN
T=TL
CeCT Φ n RW Ra TL
2 N C
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5.能耗制动特点
(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
Ia为负值，T为负值，T与n反向，为制动状态。
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(2)电压反接制动的机械特性 电压反接制动时，Φ不变，U= U， R=Ra+RW
Ra RW U Ra RW n T n0 T 2 2 CeΦ CeCT Φ CeCT Φ
特性曲线是一条理想空载点坐标为
EB 208.24 Ra 0.07 0.426W 2I N 2 210 (2) 制动特性方程 n U Ra RW T Ra RW T 2 2 Ce F N CeCT ΦN CeCT ΦN RW
CeΦN U N I N Ra 220 210 0.07 0.2053 nN 1000
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3.4.1 能耗制动
1.能耗制动的实现 a.电动状态 当开关K合向上方时，电动机 处于电动运行状态。转矩T与转 速n相同方向，电枢电流Ia与反电 势Ea方向相反。 b. 制动状态 制动时只需要将开关K合向下方， 使电枢回路与电源断开，接到制动电 阻RW上去。电枢电流Ia变为由Ea产 生，与原来方向相反，电磁转矩随之 反向，T与n反向，进入制动状态。 制动过程中，电动机由生产机械的惯性作用拖动而发电， 将生产机械贮存的动能转换成电能，消耗在电枢回路的电 阻上，直到电动机停止转动为止故称为能耗制动。
如果电动机拖动的是反抗性负载，则电动机停车，制动停车
过程结束。 如果电动机拖动的是位能性负载，到O点后， TL≠0，电动机 将在第四象限反向加速，TL成为拖动力矩，直至T＝TL时，电 动机以速度nC匀速放下重物。
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位能性负载
n>0,T>0,TL>0 Ea>0,Ia>0 n>0,T<0,TL>0 Ea>0,Ia<0 n<0,T>0,TL>0 Ea<0,Ia>0
+
U
-
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4．能耗制动电阻 为满足不同的制动要求，可在电枢回路串接不同的制动电阻， 从而可以改变起始制动转矩(B点)的大小，以及下放位能负载 时的稳定转速(特性的斜率决定)。制动电阻越小，特性曲线的 斜率越小，特性越平，起始制动转矩越大，下放位能负载的 转速就越低。但制动电阻不能太小，否则在制动瞬间会产生 过大的冲击电流。为了避免过大的制动转矩和制动电流给系 统带来的不利影响，通常限制最大制动电流不超过2~2.5倍的 额定电流。即 IBmax=(2~2.5) IN IB为制动瞬间的电枢电流 设制动瞬间电势为EB
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(4) 反转 电Biblioteka Baidu机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能 反向起动。
2.实现制动方法 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动 的。其特点是损耗大，多用于停车制动；如起重类机械的抱 闸； 电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位 能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈 电网。电气制动方法分：能耗制动，反接制动，回馈制动。
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例：一台直流他励电动机额定数据为： PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min， 电枢电阻Ra=0.07Ω，试求：（1）电动机带反抗性负载 TL=0.8TN运行时，进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时， 电枢应外接多大的电阻？（2）它的机械特性方程。 解题思路： 能耗制动时外接电压为0 制动时电枢外接电阻特性改变 能耗制动的特性方程 能耗制动时负载不变 制动瞬间的电枢电流IB为
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(5)电压反接制动的特点及适用场合
电压反接制动，平均制动转矩值较大，制动效果好。 当n=0时，T≠0，若不断开电源，有可能自动反向起动。 制动过程中，系统储存的动能以及从电源吸收的电能都
消耗在电枢回路中，所以能量消耗大、经济效益差。 适用于要求快速停车的生产机械，对于要求快速停车随 后立即反向起动的生产机械更为合适。
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第3章 直流电动机的运行与电力拖动
3.1 3.2 3.3 3.4 直流电动机的机械特性 直流电动机的起动 直流电动机的调速 直流电动机的制动
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本次课程内容和重点
内容： 他励直流电动机制动的基本概念；能耗制动、反接制动、 回馈制动方法、特点和应用。 重点： 各种制动的特性。
如果电动机拖动的是位能性负载，TL方向不变，电动机只能
在第四象限E点，T＝TL时，匀速放下重物，在第四象限， |-n|＞|-n0|，T与n反向，系统进入回馈制动。
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电压反接制动时的能量关系
★电压反接制动时 U 0, I a 0 UIa 0 说明从电源吸收电能； ★ n 0 Ea 0, I a 0 Ea I a 0 说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机 械能转化为电能。 上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。
EB IB 2I N Ra RW
F和n为制动瞬间气隙
磁通和电枢转速
EB CeΦn U I a Ra
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(1) 求TL=0.8TN时的Ea →制动瞬间EB
EB U N I a Ra I a 0.8I N EB U N I a Ra 220 0.8 210 0.07 208.24V
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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。
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功率流程图
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2．能耗制动的机械特性
将U=0，R=Ra+RW，
n
代入直流电动机机械 特性方程式得能耗制 动时直流电动机机械 特性a RW R Ra RW
CeCT Φ
2 N
T
CeΦN
Ia
由上式可知，n＞0时，T＜0；n=0
时，T=0，所以机械特性位于第Ⅱ 象限，并通过原点，特性斜率取决 于能耗制动电阻RW 。RW一定时， 特性斜率b=常数，与电枢串联电阻 RW时人为机械特性的斜率相同，两 条特性互相平行。如果RW=0，特性 与固有机械特性相平行。
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(4)电压反接制动的制动电阻 电动状态时，电枢电流的大小决定于UN与Ea之差；电压反接 制动时，电枢电流的大小决定于UN与Ea之和，非常大，约为 电动状态时的2倍。必须在反接的同时在电枢电路中串入制动 电阻RW ，以限制过大的制动电流。 RW的大小应使反接制动时电枢电流最大值不超过允许值 (2~2.5) IN，由此可得应串入的制动电阻值为 U N Ea RW Ra (2 ~ 2.5) I N 制动电阻的比较 UN UN Ra Ra 反接 RW 能耗 RW IN 2I N 反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍
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制动
电动
电动
制动
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电动状态
正向电动状态
UN Ra n T 2 CeΦN CeCT ΦN
反向电动状态
UN Ra n T 2 CeΦN CeCT ΦN
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制动状态 制动 指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩 以阻止系统运动的过程。 制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种 形式而以。直流电机正常工作时，制动可以用于使拖动系统 减速或停车。出现制动状态情况有： (1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机 械抱闸，帮助停车。 (2) 降速过程中 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。 (3) 提升机构下放重物 提升机构等速下放重物时，电动机要处于制动状态。它 可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动。如起重类机 械等速下放重物；列车等速下坡等。
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3.4 直流电动机制动
制动的概念 1.电动状态与制动状态 电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为 拖动转矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电 能，输出机械能，机械特性在直角坐 标的第一、三象限。 制动状态 特点：转速n与转矩T方向相反，T为 制动性质的阻转矩。Ia 与Ea 方向相 同，电机工作在发电状态。电动机是 将机械能变为电能全部消耗掉或大部 分回馈电网。机械特性在直角坐标的 第二、四象限。
(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
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(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。
(3) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现 准确停车。 (4)制动过程中，电动机脱离电网，不需要吸收电功率，制 动产生的冲击电流也不会冲击电网，比较经济安全。
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6.应用 能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对 于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下 放重物，确保生产安全；对反抗性负载能确保停车。
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1.电压反接的反接制动 (1)电压反接制动的实现
当开关K合向上方时，电动
机运行于电动状态。
反接制动时，只需将开关K
合向下方，即把电源电压U 反向接到电动机电枢两端。 同时，在正在运行的电机电 枢回路中串入电阻RW，这时
U Ea U Ea Ia Ra RW Ra RW
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3．能耗制动过程 电动机在拖动负载TL工作时， 工作在固有特性上的A点，对应 的转速为nA。能耗制动时，U=0, 由于电机惯性，n≠0，Ea≠0 ， 在反电动势Ea作用下产生电枢电 流Ia反向，电动机的转矩也反向。 这时IB=-Ea/(R+Ra)，IB与原来的 IA 方向相反，TB反向，与n相反, TB与TL(同向)共同作用使电机减 速，直至O点，T=0，n=0。
CT ΦN 9.55CeΦN 1.96
n
Ra RW 0.07 0.426 T T 1.215T 2 CeCT ΦN 0.2053 1.96
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3.4.3 反接制动
电动运行时，电压U与反电势Ea反方向
反接制动时，电压U与反电势Ea同方向。 实现反接制动有两种方法： •电压反接（一般用于反抗性负载） •电动势反接（用于位能性负载）
EB CeΦn U I a Ra
F和n为制动瞬间气隙
磁通和电枢转速
EB IB (2 ~ 2.5) I N Ra RW
EB RW Ra (2 ~ 2.5) I N
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位能性负载下放重物的稳定转速与制动电阻有关
设下放重物的稳定转速要求为nC，重物转矩为TL
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(2)电动势反接的反接制动的机械特性
Ra RW n T nC 2 CeCT ΦN
T=TL
CeCT Φ n RW Ra TL
2 N C
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5.能耗制动特点
(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
Ia为负值，T为负值，T与n反向，为制动状态。
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(2)电压反接制动的机械特性 电压反接制动时，Φ不变，U= U， R=Ra+RW
Ra RW U Ra RW n T n0 T 2 2 CeΦ CeCT Φ CeCT Φ
特性曲线是一条理想空载点坐标为
EB 208.24 Ra 0.07 0.426W 2I N 2 210 (2) 制动特性方程 n U Ra RW T Ra RW T 2 2 Ce F N CeCT ΦN CeCT ΦN RW
CeΦN U N I N Ra 220 210 0.07 0.2053 nN 1000
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3.4.1 能耗制动
1.能耗制动的实现 a.电动状态 当开关K合向上方时，电动机 处于电动运行状态。转矩T与转 速n相同方向，电枢电流Ia与反电 势Ea方向相反。 b. 制动状态 制动时只需要将开关K合向下方， 使电枢回路与电源断开，接到制动电 阻RW上去。电枢电流Ia变为由Ea产 生，与原来方向相反，电磁转矩随之 反向，T与n反向，进入制动状态。 制动过程中，电动机由生产机械的惯性作用拖动而发电， 将生产机械贮存的动能转换成电能，消耗在电枢回路的电 阻上，直到电动机停止转动为止故称为能耗制动。
如果电动机拖动的是反抗性负载，则电动机停车，制动停车
过程结束。 如果电动机拖动的是位能性负载，到O点后， TL≠0，电动机 将在第四象限反向加速，TL成为拖动力矩，直至T＝TL时，电 动机以速度nC匀速放下重物。
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位能性负载
n>0,T>0,TL>0 Ea>0,Ia>0 n>0,T<0,TL>0 Ea>0,Ia<0 n<0,T>0,TL>0 Ea<0,Ia>0
+
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4．能耗制动电阻 为满足不同的制动要求，可在电枢回路串接不同的制动电阻， 从而可以改变起始制动转矩(B点)的大小，以及下放位能负载 时的稳定转速(特性的斜率决定)。制动电阻越小，特性曲线的 斜率越小，特性越平，起始制动转矩越大，下放位能负载的 转速就越低。但制动电阻不能太小，否则在制动瞬间会产生 过大的冲击电流。为了避免过大的制动转矩和制动电流给系 统带来的不利影响，通常限制最大制动电流不超过2~2.5倍的 额定电流。即 IBmax=(2~2.5) IN IB为制动瞬间的电枢电流 设制动瞬间电势为EB
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(4) 反转 电Biblioteka Baidu机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能 反向起动。
2.实现制动方法 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动 的。其特点是损耗大，多用于停车制动；如起重类机械的抱 闸； 电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位 能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈 电网。电气制动方法分：能耗制动，反接制动，回馈制动。
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例：一台直流他励电动机额定数据为： PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min， 电枢电阻Ra=0.07Ω，试求：（1）电动机带反抗性负载 TL=0.8TN运行时，进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时， 电枢应外接多大的电阻？（2）它的机械特性方程。 解题思路： 能耗制动时外接电压为0 制动时电枢外接电阻特性改变 能耗制动的特性方程 能耗制动时负载不变 制动瞬间的电枢电流IB为
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(5)电压反接制动的特点及适用场合
电压反接制动，平均制动转矩值较大，制动效果好。 当n=0时，T≠0，若不断开电源，有可能自动反向起动。 制动过程中，系统储存的动能以及从电源吸收的电能都
消耗在电枢回路中，所以能量消耗大、经济效益差。 适用于要求快速停车的生产机械，对于要求快速停车随 后立即反向起动的生产机械更为合适。