开环直流调速系统

n


Ra Reb KeΦN KTΦN
Te
（4-13）
n


Ra Reb KeΦN
Ia
（4-14）
可见，能耗制动时的机械特性是一条经过原点、位于第二、 四象限的直线，如图4-15b中的特性2所示。
4. 能耗制动的特点
能耗制动的线路简单、经
济、安全；用于反抗性负载可
实现准确停车；用于位能性负
1.1直流电机原理
1.1 直流电机的用途和主要结构 1基本结构：直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转
动部分）两大部分组成。 定子的作用是用来产生磁场和作电机的机械支撑。转子用
来感应电势而实现能量转换。
机座
主磁极 (a) 直流电机结构简图
1.2直流电机的基本原理
e Blv 1直流发电机
(1) 输出开路（发电机电枢回路无电流） ▪ 单匝, 由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。 (2) 输出带负载（发电机电枢回路有电流）
f (i B)l f iBl
电磁力的大小为
f IBl
图 3.1.3 直流电动机电磁转矩的产生
3. 电枢电动势与电磁转矩
直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动势；直流 电动机运行时，由于元件中有电流，会受到电磁力（转矩） 。
1 电动势： 。 电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电势
n
-TL O
B
反向电动运行
正向电动运行 A
TL
Te
图 他励直流电动机的电动运行状态
他励直流电动机的制动
二、能耗制动
能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于反 抗性负载，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为 能耗制动过程；对于位能性负载，其机械特性曲线在第四象限， 有稳定运行点，故称为能耗制动运行状态。
一、 电枢回路串电阻起动
在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动 过程中将起动电阻逐步切除。 图4-6a为他励直流电动机三级起动 时的电气原理图。
n
KM1 KM2 KM3
n0
A
+
Rst1 Rst2 Rst3
+
B
C
UUs a
M
Uf
D
_
_
O
TL T2
a)
b)
图 他励直流电动机串电阻起动
n UN CeΦN
Ra Rrb C e C T Φ N2
Te
（4-17）
当n = 0时，Te = TeC ；Te = 0时，n = -n0 ，所以反接制动机械 特性是一条过-n0 ，斜率取决于（Ra+Rrb）大小的直线，如图4-18 特性2所示。
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(2) 电枢反接制动功率关系 他励直流电动机反接制动过程中
（1）调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ；
n0
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
（2）调阻调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；
n0
调节过程：
增加电阻 Ra R
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R n ，n0不变；
R3
调速特性：
O
IL
I
转速下降，机械特性
曲线变软。
调阻调速特性曲线
（3）调磁调速
工作条件：
n
保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程：
n3
n0
nn12 nN
N
减小励磁 N
n

Ken
Ke

np N 60a
直流电动机制成后，其反电势的大小正比
于每极磁通和机械转速。
重要 E Ken Cen
2电磁转矩:
电枢绕组的运动方向与磁密的方向成直交，根据 载流导体在磁场里受力的左手原理:
一根导体 fav Bavliia，ia Ia / 2a
Te,1 favD / 2 BavliIaD / 4a，D 2np /
他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然
后再加电枢电压。他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电
流Ia为
Ia
U N Ea Ra
（4-3）
在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势Ea = 0，电枢回 路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的 电磁转矩为起动转矩Tst，并有
a) 原理图 b) 机械特性
B’
C’
Ra
Ra+Rst1
D’
Ra+Rst1+Rst2
Ra+Rst1+Rst2+Rst3
E
Tst
Te
二、 减压起动
当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。在起动瞬 间，电动机的转速n = 0，反电动势Ea = 0，降低电源电压U ， 将 起动电流限制在允许的范围内。
• 一根导体的平均电动势（右手定则）：

Bav

, A
A li ,
v


D 2

( 2 n)( 2 np 60
)/
2

2np
n 60
eav Bavliv
N
一根导体
eav

2np
n 60
S
1电枢电动势:
一根导体的平均电动势乘上串联支路的总N导/ 2体a 数
E

N 2a
eav

np N 60a
电力拖动自动控制系统
第1 篇
直流拖动控制系统
内容提要
他励直流电动机数学模型 他励直流电动机的调速 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动
引言
直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调 速和快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实 践上都比较成熟，而且从控制的角度来看， 它又是交流拖动控制系统的基础。因此， 为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先 很好地掌握直流拖动控制系统。
KKMM1
+
KKMM2
UUs a
M
Reb
_
KKMM1
n
+
B
Uf
2
_
-TL
O
A 1
TL
Te
a)
b)
图 他励直流电动机的能耗制动
a) 控制电路原理图 b) 能耗制动过程
他励直流电动机的制动
1. 能耗制动过程
(1) 能耗制动的机械特性 将U = 0、Φ = ΦN，R = Ra+Reb代入 他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性
(2) 额定电压UN (V)：加在电枢绕组上的电压； (3) 额定电流 IN (A)：对应于额定功率下电枢绕组
的电流；
(4) 额定转速nN (r／min): 输出额定功率时电机轴
的转速；
(5) 励磁方式和额定励磁电流If (A) (6) 电机的效率： ηN ＝PN /P1
他励直流电动机数学模型
等效电路
1
n ， n0
调速特性： 转速上升，机械特性
O
TL
2 3
Te
曲线变软。
调磁调速特性曲线
他励直流电动机的调速
表4-1 他励直流电动机调速方法的性能比较
调速方法
电枢串电阻调速
调电压调速
弱磁调速
调速方向
调速范围
(对δ一般要求时)
相对稳定性
基速以下 约2 差
基速以下 约10~12
好
基速以上
1.2~2（一般电动机） 3~4 （特殊电动机）
较好
平滑性
差
好
好
经济性
初投资少，电能损耗大 初投资多，电能损耗少 初投资少，电能损耗少
应用
对调速要求不高的场合 对调速要求高的场合 一般与降压调速配合使用 适于恒转矩负载配合 适于恒转矩负载配合 适于恒功率负载配合
习题
他励直流电动机的起动
n
A
+
Id
+
+
RP Uc UPE U_d
M
Uf
_
O
TL T2
a)
b)
图 他励直流电动机减压起动
a) 电力电子可控整流供电系统 b) 减压起动的机械特性
Tst Te
他励直流电动机的制动
一、电动状态和制动状态
电动状态运行时，电动机 的电磁转矩Te与转速n方向 相同，此时Te为拖动转矩， 电机从电源吸收电功率， 向负载传递机械功率。电 动机电动状态运行时的机 械特性如图
电阻Rrb 为
Rrb
U N Ea
I N
Ra
（4-18）
当制动初始转速大于nN 时，可用下列近似公式计算Rrb ，即
R rb

2U N
I N
（4-19）
与能耗制动电阻相比，电压反接制动电阻几乎大一倍。
2. 倒拉反接制动 他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若
在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机 将被制动减速，并被负载反拖进入第Ⅳ象限运行，如图4-20所示， 这一制动方式被称为倒拉反接制动。
B
载，可下放重物。但在制动过
程中，随着转速的下降，制动
转矩随之减小，制动效果变差，
为使电机更快停车，可在转速
降到一定程度时，切除一部分
电阻，使制动转矩增大，从而
加强制动作用。
n n0 2
O
A 1
TL E D
C
Te 4 3
图4-16 能耗制动运行状态
他励直流电动机的制动
三、反接制动 为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有 两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反 向（用于位能性负载）。 1. 电枢反接制动 电枢反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突 然反接，图4-18a所示为电枢电压反接的反接制动原理图。
I st
UN Ra
（4-4）
Tst KTΦN Ist
（4-5）
他励直流电动机的起动
起动电流Ist>>IN（约为10～20倍的IN），这么大的起动电流使 电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火 另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机 构。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：
N根导体的总电磁转矩
Te

NTe,1

NBavli
Ia 2a
D 2

np N
2a
Ia

KT Ia
KT

np N
2a
重要
Te KT Ia CmIa
直流电机制成后，其电磁转矩的大小正比于每极
磁通和电枢电流。
额定励磁下
重要 E Ken Cen
Te KT Ia CmIa
+
Ua
-
Ia
Ea
+
UUf f If
TL T0
Te n
-
a)
负载
Ra
L
+ Ia
+
Ua
Ea
_
_
b)
图3-15 直流电动机物理量的正方向与等效电路
a) 物理量的参考正方向 b) 等效电路
+ If
Uf
_
直流电机转速方程
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
式中 n — 转速（r/min）；
的功率传递方向为：从电源输入电功率P1，从负载输入机械功率 P2，P2扣除空载损耗Δp0后，即转变为电磁功率Pem 。P1与Pem 两 部分电功率全部消耗在电阻（Ra+Rrb）上。这时的机械功率是由 系统释放的动能提供的。
(3) 电枢反接制动电阻的计算 反接制动过程开始瞬间，电枢
电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻Rrb 越小， 电 枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）； R — 电枢回路总电阻（ ）； — 励磁磁通（Wb）； Ke — 由电机结构决定的电动势常数。
他励直流电动机的调速
由式（1-1）可以看出，有三种方法调 节电动机的转速：
（1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。
Cm 30 / Ce 9.55Ce
反电势的大小正比于磁通和转速。 电磁转矩的大小正比于磁通和电枢电流。 。
2 电机的主要额定值
在额定运行时，
(1) 额定容量（功率）PN (kW)： 对电动机，转轴输出的机械功率；PN ＝UN INηN 对发电机，是电刷端的输出电功率： PN ＝UN IN
由左手定则可知电流所受到的电磁力是反对电枢旋转的。 原动机为了保持电机以恒定转速旋转，就必须克服此电磁 力而做功。
N N
S e
S e
(e)
2
2 直流电动机
由外电源从电刷A、B引入直流电流，使电流从正电刷A流入，而由负 电刷B流出。此时，由于电流总是经过N极下的导体流进去，而经过S极 下的导体流出来，所以上、下两根导体分别受到的电磁力的方向是始终 不变的，它们产生的力矩方向永远是反时针方向，因此这台电机可以带 动别的机械旋转，把电能转换为机械能，成为一台直流电动机。
1) 起动电流限制在一定范围内，即Ist ≤ IN， 为电机的过
载倍数； 2) 足够大的起动转矩，Tst ≥（1.1～1.2）TN ； 3) 起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist =UN/Ra可知，限制起动
电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压， 即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。
电动机反接制动时的机械特性如图4-18b所示。
KM1
+
KM2
Us a
KM2
M
Rrb
_
KM1
B 2
n
n0
A
1
+
-TL
C
O TL
Te
Uf
D
_
-n0
E
a)
b)
图4-18 他励直流电动机的反接制动
a) 原理图 b) 机械特性
(1) 电枢反接制动的机械特性 反接制动过程中，Ф=ФN ，U = -UN ，R = Ra +Rrb ，其机械特性方程式为