第3章 直流电机的电力拖动(第2部分)

2. 弱磁升速
图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时的人工机械特性。
图3.25 励磁改变情况下的直流电动机人工机械特性和负载特性
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 路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定转速）以上进 行。
弱磁调速时的过渡过程可用图3.26加以描述。
对于实际的电力拖动系统，若按低速时选择，则高速时的自然满足要求。于是有：
D
nmax nmax nmin n0 nN
n n0 N ，将其代入上式得静差率 与调速范围 又根据式（3-47）知： D 之间的 关系为：
D
nmax nN (1 )
（3-48）
上式表明，若低速时 的满足要求，低速时的 n 越大则调速范围 D 越小；
（3-64）
GD2 ( Ra RB ) 式中，机电时间常数 TM 。 375CeCT 2
（2）对于位能性负载：
当
Tem TL 时，n nZ ，故有：
TL CT I Z CT ( Ce nZ ) Ra RB
将上式代入（3-64）得：
dn n nZ TM dt
b、假若恒功率负载选择恒转矩调速方式（见图3.28b）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须 Tem TL ，根据图3.28a，显然，电动机
T 的转矩应按照低速数值选择，即： N TLb 。
高速
n nmax 时，有：
TN nmax TLb nmin nmax PN DPL 9550 9550 nmin
P2 P2 100% 100% P P2 p 1
（3-50）
B、他励直流电动机常用的调速方法
根据 n
R U1 a I a 可知，他励直流电动机可以采用下列两种方法调速： Ce Ce
降低电枢电压降速
直流电动机的 调速方法
弱磁升速
1. 降低电枢电压降速
a、电枢回路串电阻降压降速
n ) n0
（3-52）

P p n n 1 1 (1 ) P n0 n0 1
（3-53）
可见，随着转速的下降，电动机的运行效率降低。
b、降低电源电压降压降速
图3.23给出了他励直流电动机降低电源电压时的人工机械特性以及恒转矩负载的转矩 特性。
图3.23 降低电源电压情况下的人工机械特性和负载特性
(3-61)
式（3-61）可用图3.30所示曲线表示之。
（1）对于反抗性负载：
很显然，能耗制动时他励直流电机的机械特性是一条通过原点且位于第II象限的直线。
（2）对于位能性负载：(见图3.31)
能耗制动时，他励直流电机的的机械特性将由第II象限经过原点进入第IV象限。
图3.30 能耗制动时直流电机的机械特性与过渡过程曲线 能耗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：
解上式得：
（3-65）
n nZ (n1 nZ )e
同理，
Tt
M
（3-66）
ia (t ) I L ( I B I L )e
Tt
M
（3-67）
根据上述关系式，便可绘出
n f (t ) 以及 I a f (t ) 如图3.30所示。
B、反接制动
定义： 反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下 反向的一种制动方式。
结论： 弱磁调速属于恒功率调速方式，其容许的输出转矩与转速成反比。
结论： 基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以 上，则采用恒功率调速方式。
图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中的机械特性与负载能力曲线。
图3.27 他励直流电动机调速过程中所容许的转矩和功率
2. 调速方式的选择
能耗制动
直流电动机 的制动方式
反接制动 回馈制动
A、能耗制动
定义: 能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电 枢回路的外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。
图3.29a、b分别给出了制动前后电机作电动机运行时和能耗制动时的接线图以及各物 理量的实际方向。
图3.29 他励直流电机能耗制动前后的接线图
Ea C n Ia e Ra RB Ra RB 2 T T GD dn C I L T a em 375 dt
将式（3-63）的第1式代入第2式，并整理得：
（3-63）
TM
( R RB ) dn n a TL dt CeCT 2
T 由图3.29可见，制动前后，直流电机的电枢电流方向改变，因此， em CT I a 改变 方向，由驱动性变为制动性的电磁转矩，即从而电机处于发电制动状态。
1. 能耗制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算
能耗制动时，他励直流电机的机械特性可表示为：
n 0
Ra RB T Tem 2 em CeCT
图3.22给出了他励直流电动机电枢回路串电阻时的人工机械特性和恒转矩负载的转矩 特性。
图3.22 电枢回路串电阻情况下的人工机械特性和负载特性
结论： 随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬 度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速 （又称为基速）以下调速。
电枢回路串电阻调速的经济性指标分析如下： 直流电动机的输入电功率为：
图3.26 他励直流电动机弱磁升速的过渡过程 为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调 速配合使用。
C、调速方式与负载类型的配合
调速系统须满足下列两个准则： （1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求：I a I N ； （2）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。 鉴于此，不同类型的负载必须选择合适的调速方式。
（3-57）
浪费的功率为：
PN PL ( D 1) PL
浪费的转矩为：
TLa nmax TN TLa TLb TLa TLa ( D 1)TLa nmin
（3-58）
结论： 恒功率负载不宜采用恒转矩调速方式。
3.7 他励直流电动机的制动
定义： 广义的制动是电磁转矩 Tem 与转速 n 方向相反的一种运行状态。
IB
由此求出制动电阻为：
EaN 2I N Ra RB
（3-62）
RB
EaN U Ra N Ra 2I N 2I N
图3.31 直流电机带位能性负载时的能耗制动情况
2. 能耗制动时他励直流电动机的的过渡过程分析
（1）对于反抗性负载：
能耗制动时拖动系统的基本关系式可由下式给出：
a、电枢反接的反接制动
对于反抗性类负载，把外加电源反接，同时在电枢回路中串入限流的反接制动电阻， 便可实现反接制动。图3.32给出了反接制动时的电气接线图以及各物理量的实际方向。
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：
由于调速过程中， N ， I a I N
保持不变，故电磁转矩为：
Tem CT N I N TN 常数
电机轴上的输出功率为：
P
Tem Tem 2 n T n ( ) em n 1000 1000 60 9550
结论： 电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩调速方 式，其轴上容许的输出功率与转速成正比。
结论： 随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调压调速时的特 点是：其机械特性的硬度保持不变，从而确保了这种调速方法具有 更宽的调速范围。
传统的可调压电源可采用如图3.24所示的发电机-电动机旋转机组方案。
图3.24 直流发电机-电动机机组的可调直流电源 目前应用较为广泛的是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，有关内容已在 《电力电子技术》中介绍过。
n
U1 ( Ra RB ) Tem n0 Tem 2 Ce CeCT
（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：
（b) 对于弱磁调速方式：
由于调速过程中，保持 I a I N 不变，于是有：
U N Ra I N 1 K Ce n n
将上式代入电磁转矩表达式得：
1 K Tem CT I N CT K I N n n
于是有：
Tem n K P 常数 9550 9550
图3.28 调速方式与负载类型不匹配的说明
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， 电动机的转矩应按照高速数值选择，即：
PN
低速时，有：
TL nmax 9550
（3-54）
Tem(b )
浪费的转矩为：
Pem T N max TN D min min
（3-55）
Tem(b) TN ( D 1)TN
PN TL min TL max TL min ( D 1) PL
（3-56）
浪费的功率为：
结论： 恒转矩负载不宜采用恒功率调速方式。
考虑到生产机械可大致分为恒转矩负载和恒功率负载两种类 型，为了确保电机在不过热的前提下负载能力得到充分发挥，调 速方式应根据下列准则选择： （1）对于恒转矩负载应选择具有恒转矩调速方式； （2）对于恒功率负载应选择具有恒功率调速方式； 否则，会造成不必要的转矩和功率浪费。