直流电机拖动 《电机与拖动基础》 第三版 林瑞光 主编

T (4)计算额定工作点： N CM ΦN I N , n n N
第二章 直流电动机的电力拖动
2.2.4 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。 在A点，系统平衡 T TZ 扰动使转速有微小增量，转速由nA T 上升到nA ， TZ 。 扰动消失,系统减速，回到 A 点运行。 扰动使转速有微小下降，由n A下降 到 n , T TZ 。 A
GD2 dn 或 (T TZ ) 称为动负载转矩,把 TZ 称为静负载转矩. 常把 375 dt
第二章 直流电动机的电力拖动
二、运动方程式中转矩正、负号的规定
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩 T 与转速 n 的正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩 TZ 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
GD2 dn (3)惯性转矩 375 dt 的大小和正负号由 T 和 TZ 的代数和决定。
第二章 直流电动机的电力拖动
2.1.2
负载的转矩特性
负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 一、恒转矩负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL 与转速 n 无关 的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 1.反抗性恒转矩负载 2.位能性恒转矩负载
T2 I2
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二、分级起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有： b点 R3 I 2 U N Ea1
c点 R2 I1 U N Βιβλιοθήκη Baidu Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea 2 e点 R1 I1 U N Ea 2 f点 R1 I 2 U N Ea 3 g点 Ra I1 U N Ea 3
m 取整数
T1 T （5）计算转矩:T2 ，校验： 2 (1.1 ~ 1.2) TZ β
m 如果不满足，应另选T1 或 值并重新计算，直到满足该条件为止.
（6）计算各级起动电阻。
第二章 直流电动机的电力拖动
2.4 他励直流电动机的制动
当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状 态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。 2.4.1 能耗制动 U 电动状态，如图所示。 电动 S 将开关S投向制动电阻RB上即实现制动. 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋 转，电动势Ea 方向不变。由Ea 产生的电枢 I a 电流 I aB 的方向与电动状态时的 I a 方向相 T 反,对应的电磁转矩 Tem 与 方向相反,为 制动性质,电机处于制动状态。 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的 拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电 能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。
第二章 直流电动机的电力拖动
本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直 流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。 2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性 2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 2.4 他励直流电动机的制动 2.5 他励直流电动机的调速 2.6 串励直流电动机的电力拖动 思考题与习题
n02 n
n01
Φ2
Φ1
Φ2 Φ1 Φ N
n0
n 特点：1）弱磁，0增大；
β 2）弱磁， 增大
ΦN
T
Tk 2 Tk 1 Tk
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2.2.3
机械特性求取
二、人为特性的求取
一、固有特性的求取
已知 PN ,U N, I N , nN ，求两点:1）理想空载 点 (T 0, n n 0 ) 和额定运行 (T TN , n n N ) 。 具体步骤：
B
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 0 TZ 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的转矩特性必须有交点,
T
即存在
T TZ dT dTZ (2)充分条件:在交点处,满足: 。 dn dn 或者说,在交点的转速以上存在 T TZ ,在交点的转速以下存 在 T TZ
Tz
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2.2 他励直流电动机的机械特性
2.2.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、 电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动 机的转速与电磁转矩之间的关系：n f(T ) 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：
Ra R U n T 2 Ce CeCM
TL
T
若电动机 带位能性 负载,稳 定工作点
第二章 直流电动机的电力拖动
改变制动电阻R Z 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率, R 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。Z 越小,特性曲 线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。 制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
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2.3.1
降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
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。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起 动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
n
n0
UN
n01
特点：1)n0随 U 变化, β 不变; 2)U不同,曲线是一组平行线。
U1 U N
U1
Tem
第二章 直流电动机的电力拖动
3、减弱励磁磁通时的人为特性
保持R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻R f的人为特性：
UN Ra n T 2 Ce Φ Ce C M Φ
n0 称为理想空载转速。
n0 n'0 nN
n
Ra U 实际空载转速n T0 0 2 Ce Φ Ce C M Φ
Tem
T0
TN
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2.2.2 固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性 当 U U N , Φ ΦN , R R a 时的机械特性称为固有机械特性：
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2.3 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。 起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 Tst CT ΦI st UN I st Ra 起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很 小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户 的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损 坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。
U N I N PN Ra (1)估算 Ra : 2 I2 N U N I N Ra (2)计算 CeΦN 和CM ΦN : Ce Φ N nN CM ΦN 9.55CeΦN UN (3)计算理想空载点：T 0, n 0 Ce Φ N
在固有机械特性 方程 n n 0 βT 的基础上，根据人为 R 特性所对应的参数 f 或 U 或Φ 变化，重新 计算n0 和 β ，然后得 到人为机械特性方程 式。
UN Ra R n T 2 Ce Φ N Ce C M Φ N
β 特点：1）n0 不变， 变大；
n
n0
2） β 越大，特性越软。
Ra
Ra R T
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2、降低电枢电压时的人为特性 保持 R Ra ,Φ ΦN 不变，只改变电枢电压时的人为特性：
Ra U n T 2 Ce Φ N Ce C M Φ N
n
TZ
第二章 直流电动机的电力拖动
运动方程的实用形式：
GD2 dn T TZ 375 dt
系统旋转运动的三种状态 dn 1)当 T TZ 或 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处 dt 于稳态。 2)当 T TZ 或
dn 0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。 dt dn T TZ 或 3)当 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
n
TZ
n
TZ
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二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即TZ 与 n 成反比，特性曲线为一条双 曲线。
三、泵与风机类负载特性
负载的转矩TZ 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。
n
n
理想的通 风机特性
实际通风 机特性
Tz
Tz0
Ea I aB I max ( 2 ~ 2.5 ) I N Ra RB Ea RB Ra ( 2~2.5 ) I N
其中Ea 为制动瞬间的电枢电动势。
能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流 和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可 在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。
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2.3.2 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n

S
U

S1 S 2
M
S3
nN
n3
n0
h
n2
f 3
d
b
1
n1
TZ IZ
2
a
g Ra Ra R1 R1
Ra R 1 R 2 R 3
e
c
R a R 1 R 2 R2
R a R 1 R 2 R 3 R 3 T T1 I1 I
比较以上各式得：
R3 R2 R1 I1 β R2 R1 Ra I 2
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计算各级起动电阻的步骤：
（1）估算或查出电枢电阻 Ra ；
（2）根据过载倍数选取最大转矩 T1 对应的最大电流 I 1 ；
（3）选取起动级数 m；
β （4）计算起动电流比： m Rm Ra
n UN Ra .T 2 Ce N CeCM N n0 N .T
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性 是硬特性。 二、人为机械特性 当改变U 或 Ra 或Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。
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1、电枢串电阻时的人为特性
保持 U U N ,Φ ΦN 不变,只在电枢回路中串入电阻 R 的人为 特性
第二章 直流电动机的电力拖动
2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
2.1.1 电力拖动系统的运动方程式 一、运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的 运动状态，系统的运动状态取决于作用在原 动机转轴上的各种转矩。 根据如图给出的系统，可写出拖动系统 的运动方程式：

U
M T

d T Tz J . dt dΩ 其中 J 为系统的惯性转矩。 dt
n
nA nA nA
0
A
T
TZ
扰动消失,系统加速，回到 A 点运行。
第二章 直流电动机的电力拖动
在B点，系统平衡 T TZ
n 扰动使转速有微小增量，转速由nB n 上升到n ， TZ ,系统加速 。 B B T 即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 B n 扰动使转速有微小下降，由nB 下降 n B 到 n , T TZ ,系统减速。 B
I aB
RZ
M
制动
Ea
Tem
n
If
T
第二章 直流电动机的电力拖动
能耗制动时的机械特性为：
n Ra Rz T T 2 CeCM N
Ce N n Ia Ra Rz
制动瞬间 工作点
n
B
电动机电动状 态工作点
n0
A
Ra
制动过程 工作段
Ra R Z
0
C
电动机拖动反抗性 负载，电机停转。
在已知起动电流比β和电枢电 阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为:
R 1 (β 1) R a R 2 (β 1) βR a βR 1 R 3 (β 1) β 2 R a β 2 R 1 R m (β 1) β m 1R a β m 1R 1