第4章 直流电动机的运行

R1
R增大
启动后，分段切除所串电阻， 全部切除后，稳定运行在A点。
R3
R2
0
TL
Ts
T
2、降低电枢电压启动
由电动机启动时的公式
Is U Ra (1.5 ~ 2) I N
可以确定电动机启动时电压的大小
n n0
电源电压可以连续上升 （调节），使启动更快、 更平稳。
A
UN
U降低
0
TL
T
例题：P69例题4-1
T
n
If
TB
2）能耗制动时的机械特性曲线
n
制动瞬间工作点
B
n0
A
电动状态工作点
Ra
制动过程工作段
0
拖动反抗性负载 制动过程结束
TL
T
若电动机带位能性 负载，稳定工作点
C
机械特性
n
Ra R Ce Ct N
2
T
3）主要特征
①制动发生在第二象限的B→0段； ②TB<0，n>0，电磁转矩为制动转矩； ③ -TB与-TL共同作用使电动机减速；
1、能耗制动 1）能耗制动过程
如图，处于电动状态的电动机，突然 将开关S投向制动电阻 RB 上，即实现 制动。
Ia
U
S
电动
I aB
RB
M
Ea
制 动
制动瞬间（如特性曲线图），U=0， n不能突变，运行点从A→B，Ф 和Ea 均不变。此时 I aB <0，TB <0。 制动运行时，将系统储存的动能转换成电能， 消耗在电阻上，直到电机停止转动。
3）弱磁调速
前提 U U N , R 0, TL 不过分大 。
（1）调速特性曲线
n
n01
A1
1 N
n0
A
1
Ф 减小
N
0
TL
T
（2）主要特征
①从基速向上调速； ②因为励磁电流小，所以功率损耗小； ③弱磁控制方便；
④最大转速nmax受换向和机械强度的限制，nmax≤1.2 n N 导致调速
2）降低电枢电压调速
前提 N , R 0 调U。
（1）调速特性曲线
n n0
n01 n02
A (n)
UN
A1 (n1 )
A2 ( n 2 ) U1
U降低
U2
0
TL
T
（2）主要特征
①U↓→n↓； ②从基速向下调速；
③负载转矩TL一定时，电枢电流Ia与转速n无关；
④ β不变，硬度不变，转速稳定性好； ⑤ 可实现转速连续变化，平滑性好。
为恒转矩调速。 （2）恒功率调速
TL
Ia I N ,
在 T Ct I a 中，调速时，让Ф↓ →T ↓，但Ф↓→ n↑（ Ω ↑） 则 P=T↓Ω ↑ = 常数
为恒功率调速。
n
TL
四、他励电动机的制动
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。
1 Ra R
所以：
I aB
因为R↓→Iab↑→
TB Ct N I↑aB →停车越快；
但是，因为R↓→Iab↑→ 换向困难，R又不能太小。 所以制动电阻的最小值为：
Rmin
Ea Ra I max
式中，I max 为电动机的最大允许电流。
拓展： 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。
1)当 T TL 或
2)当 T TL 3)当 T TL
dn 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。 dt dn 或 dt 0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。 dn 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 或 dt
GD 2 dn 常把 或 T TL称为动负载转矩，把 TL 称为静负载转矩。 375 dt
A
当电车下坡时，运行转速 可能超过理想空载转速， 进入第二象限
n n0
TL 0
能耗自动最小电为： Rmin
Ea Ra I max
5）制动电阻的最小值
因为：
I aB
U N Ea 0 Ra R
1 Ra R
所以：
I aB
因为R↓→Iab↑→
TB Ct N I↑aB →停车越快；
但是，因为R↓→Iab↑→ 换向困难，R又不能太小。 所以制动电阻的最小值为：
范围小；
⑤ 特性变软→n的运行稳定性差。
4）调速综述
他励直流电动机广泛采用降低电源电压向下调速及减弱磁 通向上调速的双向调速方法，具有①调速范围宽；②功率损耗 小；③运行效率高等优点。
例题：P73例题4-2
5）恒转矩与恒功率调速
（1）恒转矩调速 调速过程中：
n
T Ct I a = 常数
Ia I N , N , 则
2）静差率

n n n 100 % 0 100 % n0 n0
额定负载时的转速降落与理想空载转速之比。静差率越小，相对 稳定性越好。
3）平滑性

wk.baidu.comni ni 1
相邻两级调速中，高一级转速 n i 与低一级转速 ni 1 之比。 φ 越接近1，平滑性越好。i→∞，φ→1为无极调速。
Ts Ct N I s TN
UN I N , Ra
通常情况下，若直接启动：
I s (10 ~ 20) I N
Ts (10 ~ 20)TN
因此，若直接启动可能造成以下后果： （1）由于电流增大造成的后果： ①换向困难； ②换向器产生环火烧毁电刷； ③电枢绕组产生过大电磁力，损坏绕组； ④引起电网电压波动，影响其他电气设备运行。 （2）由于转矩增大造成的后果： 过大的电磁转矩会产生过大的加速度，损坏机械传动部件。 因此，一般情况下 I s (1.5 ~ 2) I N 结论：除了微型直流电动机，由于自身电枢电阻大， 可以直接启动外，一般直流电动机都不允许直接启动。
能耗制动
4、倒拉反转运行
他励直流电动机拖动位能性负载运行。 在电枢回路中串联一个较大的电阻，即可实现制动。
1）特性曲线
n
n0
电枢串较大 电阻特性
B
A
Ra
正向电动 提升重物
工作点由A-B-C-D， CD段为制动段。
电动机以稳 定转速下放 重物
C
0 TB
TL
T
负载作用下电 动机反向旋转
D
Ra RB
375 dt
5、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。
1）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
n TL
n
TL
2）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 TL 与 n 成反比，特性曲线为一条双曲线。
R增大
n2
R1
R2
0
TL
T
（3）主要特征
①R↑→n↓； ②从基速向下调速；
③负载转矩TL一定时，电枢电流Ia与转速n无关；
2 p cua I a R 随转速n降低而增大； ④负载转矩TL一定时，铜损耗
⑤ R↑→β ↑→特性变软→n的运行稳定性差；
⑥受R容量大，体积大的限制，只能有级调速，最大为六级。
2、反接制动
如图，将正向运行的电动机的 电源电压突然反接，同时在电枢回 路串入电阻。
U
S

电动
1）制动过程
开关S投向“电动” 时，电 枢接正极电压，电机处于电动 状态。 进行制动时，开关投向 “制动” ，电枢回路串入制动 电阻 后，接上极性相反的电 源电压，电枢回路内产生反向 电流，电动机处于制动状态。
e N e t N
④ TB<0，n>0，电磁转矩为制动转矩； ④减速中n和Ea逐渐下降，到0点后，Ea=0，Ia=0，n=0，经抱闸停车； ⑤ 不容易实现准确停车。
4）功率流程图
2 I a ( Ra R1 )
p0
P1
PM
P2
电动机将电源输入的电功率加上系统释放所储存的动能扣除空载 功率损耗后，转变成电磁功率全部消耗在电枢回路的电阻上。
n
TL
3）泵与风机类负载特性 负载的转矩 TL 基本上与转速 n的平方成正比。负 载特性为一条抛物线。
n
理想的通 风机特性
实际通风 机特性
TL0
TL
二、他励电动机的启动
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。
1、直接启动
在直接启动时，n 0, E a 0, 启动电流 I a 启动转矩
4、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， 然后再规定：
（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 TL 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
2 (3)惯性转矩 GD dn 的大小和正负号由 T 和 TL 的代数和决定。
传动机构
生产机械
根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方 程式： U
d T TL J dt
其中 J
dΩ 为系统的惯性转矩。 dt
M
T
n
负载
TL
2、运动方程的实用形式
GD 2 dn T TL 375 dt
式中，GD²为转动部分的飞轮矩。
3、系统旋转运动的三种状态
第4章 他励直流电动机的运行
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、启动、调速、制动等方法和 物理过程。
一、电力拖动系统的运动方程式
1、运动方程式
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。
电源 电力拖动系统的组成
控制设备
电动机
④减速中n和Ea逐渐下降，到0点后，Ea=0，Ia=0，n=0，停车
结束；
⑤ 容易实现准确停车。
4）功率流程图
2 I a ( Ra R1 )
p0
PM
P2
电动机将系统释放所储存的动能扣除空载功率损耗后，转变 成电磁功率全部消耗在电枢回路的电阻上。
5）制动电阻的最小值
因为：
I aB
Ea Ra R
Ia
制 I aB RB 动 Ea
M
T
n
If
TB
2）特性曲线
n
制动瞬间工作点
B
n0
A
正向电动状态工作点
制动过程工作段
TL
制动过程结束
Ra
C D
0
n0
TL
T
反向启动过程
3）主要特征
①制动发生在第二象限的B→C段； ②反接制动工作点A→ B→ C； ③ n U N Ra R 2 T n0 T ，从反向看（-n0），β↑（特性软）。 C CC
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。
2、电枢回路串电阻启动
由电动机启动时的公式
Is UN (1.5 ~ 2) I N Ra R

S
M
U
S1 S 2
S3

可以确定电动机启动时电枢回路 所串电阻的大小
n
n0
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
A
Ra
三、他励电动机的调速 1、调速原因
是它拖动的生产机械的需要，例如： 车床切削工件时精加工用高转速，粗加工用低转速； 轧钢机轧辊在咬钢时用低转速，在轧制中用高转速，等等。
2、调速方法
有电枢串电阻调速，降低电枢电压调速和弱磁调速三种方法。
3、调速的性能指标 1）调速范围
nmax D nmin
在额定转速向下调节时，最高转速与最低转速之比。一般讲， 调速范围大好。
Rmin
U N Ea U Ea 2Ea Ra N Ra Ra I max I max I max
式中，I max 为电动机的最大允许电流。
3、反接制动与能耗制动比较
1）若是同一台电动机，同一个最大允许电流，则Rmin（反）=2Rmin（能） 2）因为Rmin（反）=2Rmin（能）所以，β（反）=2β（能） 3）从特性曲线上看，在停车过 程中，反接制动的电磁转矩比能 耗制动的大，因此停车迅速。 4）在准确停车上，反接制动不 反接制动 如能耗制。 5）对于要求频繁正、反转的生 产机械（如可逆轧钢机）采用反 接制动可使正向停车和反向启动 连续进行，缩短过渡过程时间。
2）主要特征
①拖动位能负载； ②电枢回路串联较大电阻，β 很大（特性较软）；
③运行在第四象限的C→D段；
④TB > 0，n < 0，电磁转矩为制动转矩。
5、回馈制动运行
电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 n n0 情况，此 时 E a U ，I a 反向， T 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机 处于发电状态——回馈制动状态。 稳定运行有两种情况:
4、调速方法
1）电枢串电阻调速
前提 U U N , N , 串入R。
调速前后、 电流不变
（1）调速过程中电流和转速的变化示意图 n ia
I aN
结论：带恒转矩负载 时,串电阻越大,转速 越低。
ia
nN
n1
n
t 0
调速中转速 变化情况
0
t
（2）调速特性曲线
n
n0
n1
A
A1
A2
Ra