电机拖动第3章3

nN n01
n01 nN

nN

而 又 ∴
D
n m in n 0 1 n N
n m ax n N
n m ax n m in

nN
n N (1 )




nN n N (1 )

nN n N (1 )

nN nN 1
（2）调速方式和负载类型 的匹配

①恒转矩调速方式拖动恒转矩负载——相匹配 ②恒功率调速方式拖动恒功率负载——相匹配 ③恒转矩调速方式拖动恒功率负载

低速——相匹配；高速——不相匹配
高速——相匹配；低速——不相匹配 恒转矩调速方式 恒功率调速方式

④恒功率调速方式拖动恒转矩负载


⑤泵类负载

nN n0
TL TN
n0
△n1
1 △n2
2 TL = TN T
(3 2 )
100%
n0 n N n0
TL TN
100%

式中， nN ——额定负载转矩 TL = TN 时的转速
图3.6 不同机械特性的静差率
n n0 nN = nmax △n1 1 △n2
1.固有
D n m ax n m in
TL TN
(3 1)

说明 电动机 nmax 受电动机的换向及机械强度限制 nmin 受转速相对稳定性（即静差率）要求的限制
1．调速范围

不同的生产机械对调速范围要求也不相同

例如： 龙门刨床：D = 10~40 ；车床：D = 20~120 轧钢机：D = 3~120 ；造纸机：D = 3~20 机床进给机构：D = 5~200
n

C3 n
Tr T
1 n
T 9 .5 5
Pr
Tr n 9 .5 5
P C4
电动机的容许输出转矩与转速成反比 而容许输出功率为恒值——恒功率调速
他励直流电动机调速时 允许输出的转矩与功率图

基速以下

n nmax nN
恒转矩调速方式

Tr T
C3 n
电枢串电阻调速 改变电枢电源电 压调速
（1）定义



当电动机调速时 在不同的转速，电枢电流能否总保持为额定值 即电动机能否在不同转速下都得到充分利用 这个问题与调速方式和负载类型的配合有关 以电机在不同转速，都能得到充分利用为条件 他励直流电动机的调速可分为

恒转矩调速方式 恒功率调速方式
①恒转矩调速方式



指在某种调速方法中 在保持电枢电流 Ia = IN 不变的前提下 若该电动机允许输出的电磁转矩也恒定不变 则称这种调速方式为恒转矩调速方式 此种调速方式的磁通 Φ 不随转速的改变而改变 显然 T = TL = CTΦIa = CTΦNIN = C 电枢串电阻调速 属于恒转矩调速方式 改变电枢电源电压调速
1
D


1
3．调速的平滑性

定义

指相邻两级转速的接近程度 用平滑系数 φ 表示

ni ni 1 (3 3)

表达式
说明


平滑系数 φ 越接近1，说明调速的平滑性越好 无级调速：调速连续，级数趋于无穷，平滑性最好 有级调速：调速不连续，级数有限，平滑性较差
4．恒转矩调速方式 和恒功率调速方式
3.2.4 调速的性能指标

1．调速范围
2．静差率（或称转速变化率）
——转速相对稳定性

3．调速的平滑性


4．恒转矩调速方式和恒功率调速方式
5．调速的经济性
n n0
1．调速范围

nN = nmax
1

定义 nN1 = nmin 指电动机在额定负载下调速时 2 TL = TN T 其最高转速 nmax 与最低转速 nmin 之比 0 用 D 表示调速范围 表达式 注意：不是[nmin, nmax]
例3-4(P54)

nN = nmax nN1 = nmin
n n0 1
△nN
△nN1 T
0
I N Ra nN
N N
2 TL = TN
解：（1）求 δ ≤ 25%，电枢串电阻调速的调速范围
nmin 0 TL = TN
T源自文库为电动机允许输出的转矩
T
恒功率调速与恒转矩负载的配合图
⑤泵类负载

泵类负载

既非恒转矩负载类型 也非恒功率负载类型 恒转矩调速方式 ——与负载性质都不相匹配 恒功率调速方式 但采用电枢串电阻调速 或改变电枢电源电压调速 比弱磁调速合适一些

调速方式

5．调速的经济性

调速的经济性主要是考虑

调速设备的初始投资


调速时电能的损耗
运行时的维修费用 ……
表3-1 直流电动机三种调速方法 的调速性能比较
调速方法
调速方向
电枢串电阻 改变电枢电源电压 弱磁调速
基速以下 基速以下 基速以上
静差率δ 调速范围D(δ一定时)
调速平滑性 适合负载类型 设备投资 电能损耗

后者


（2）调速方式和负载类型 的匹配

负载类型是一定的，不能改变 电动机的调速方式可人为选择 在选择调速方式时，要与负载类型配合恰当


这样，所选电动机的体积较经济 在不同转速下，可较充分地利用 不致造成浪费 ——浪费是指电机的转矩和功率选的过大 或长时间运行而烧坏 ——指电机的转矩和功率选的较小
Tr为电动机允许输出的转矩

只能按低速选配电动机
④恒功率调速方式 拖动恒转矩负载



同理 高速——相匹配 低速——不相匹配 不能按低速运行情况 选配合适的电动机 只能按高速运行情况 选配合适的电动机 但在低速时电动机容量 有所浪费
n nmax Tr
电动机 机械特性 恒功率 负载特性 恒转矩
T 9 .5 5 PM n Pr Tr 9 .5 5 n C2n
nmin
Pr n

电动机的容许输出功率与转速成正比 而容许输出转矩为恒值——恒转矩调速
②恒功率调速方式




指在某种调速方法中 在保持电枢电流 Ia = IN 不变的前提下 若该电动机允许输出的电磁功率也恒定不变 则称这种调速方式为恒功率调速方式 但恒功率调速方式 允许输出的转矩 T 和磁通 Φ 都会随着转速的改变而改变 显然，弱磁调速属于恒功率调速方式

D 与 δ 的关系为：
D nN n N (1 ) nN nN 1 1
D

1
证明

D
nN n N (1 )

nN nN 1
1
n △nN n0 nN = nmax n01 1

1
nN1 = nmin 证明：设图中曲线2为对应 △nN 2 最低电枢电源电压的机械特性曲线 0 TL = TN T 则其静差率为

对于一些经常轻载运行的生产机械

例如精密机床等 可用实际负载时的最高转速和最低转速之比 计算调速范围 D
2．静差率（转速变化率） ——转速相对稳定性 n


定义 指电动机在同一条机械特性上 额定负载时的转速降落 ΔnN 与该机械特性的理想空载转速 n0 之比 用 δ 表示静差率 0 表达式

——不相匹配
①恒转矩调速方式 拖动恒转矩负载——相匹配

电动机采用恒转矩调速方式：串电阻，或降电压 如果

拖动恒转矩负载运行，并且电动机的 TN = TL 无论运行在什么转速下 Ia = IN，电动机得到了充分利用 恒转矩调速方式拖动恒转矩负载的配合是合适的 也称相匹配

那么


则

TN T
特性越硬，δ 越小，相对稳定性越好 2)降电压，硬度相同 n1 n 3
1 n0 1 3
0
n0越小，δ 越大，相对稳定性越差
2．静差率（转速变化率） ——转速相对稳定性



静差率 δ 越小，转速的相对稳定性越好 负载波动时，转速变化也越小 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度 要求静差率 δ 小于某一允许值 不同的生产机械，其允许的静差率是不同的

低速——相匹配

n nmax
？
负载 特性 恒功率
TL = TN → I a = I N 电动机利用充分

高速——不相匹配

电动机 机械 特性 恒转矩
恒功率负载→转速高则 TL 小 → T < TN TL Φ = ΦN nmin T = CTΦNIa → Ia < IN 电动机利用不充分 0 Tr = TN Tr = TN T 电动机容量会有所浪费 恒转矩调速与恒功率负载的配合图
Pr = C4 Pr = C2n Tr ≈ T = C1 Pr , Tr

基速以上

恒功率调速方式

nmin 0
弱磁调速
上图说明：

图中， Tr = f（n）和 Pr = f（n）曲线表示

在保证电动机得到充分利用的条件下（即 Ia = IN） 允许输出的转矩和功率 并不代表电动机实际输出的转矩和功率

电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大 则要看电动机拖动什么类型的负载


如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动 机容量能充分利用 否则电机容量造成浪费
注意：

恒转矩调速、恒功率调速 恒转矩负载、恒功率负载 前者


完全不同的概念
电动机本身所具有的转矩和功率输出能力 实际输出多少转矩和功率则取决于它所拖动的负载 负载本身所具有的转矩和功率特性 它要求电动机输出相应的转矩和功率与之相配合
n nmax
②恒功率调速方式

nN
nmin 弱磁调速时，磁通 Φ 是变化的 0 Tr , Pr 在不同转速下若保持电流 Ia = IN 不变，即电机得到充 分利用 容许输出转矩和功率别为：
Tr T C T I a C T I N
PM n


U
N
I N Ra 1 CE
C3 9 .5 5





额定运行是电机最佳运行方式 容许输出转矩和功率：指电动机在某一转速下长期可 靠工作时所能输出的最大转矩和功率 电动机在额定转速下容许输出的功率 主要取决于电机的发热 而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在 不同转速下 Ia < IN，其发热不会超过允许的限度 因此，额定电流是电机长期工作的利用限度 充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩 和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值
②恒功率调速方式 拖动恒功率负载——相匹配

电动机采用恒功率调速方式：弱磁调速 如果

拖动恒功率负载运行，并且电动机的 PM = PN 无论运行在什么转速下 Ia = IN，电动机得到了充分利用 恒功率调速方式拖动恒功率负载的配合是合适的 也称相匹配

那么


则

③恒转矩调速方式 拖动恒功率负载
大 小
差 恒转矩负载 少 大
小 较大
好 恒转矩负载 多 小
较小 小
好 恒功率负载 较少 小
例3-4(P54)



一台他励直流电动机的 额定功率 PN = 75 kW，额定电压 UN = 220 V 额定电流 IN = 385 A，额定转速 nN = 1 000 r/min 电枢回路总电阻 Ra = 0.018 24 Ω 求电动机在以下各种不同静差率要求、不同调速方式 时的调速范围： （1）静差率 δ ≤ 25%，电枢串电阻调速时的调速范围 （2）静差率 δ ≤ 25%，改变电枢电源电压调速时的调 速范围 （3）静差率 δ ≤ 40%，电枢串电阻调速时的调速范围

如： 普通机床 δ ≤ 30%；起重类机械 δ ≤ 50% 精密机床 δ ≤ 1%～5%；精度高的造纸机 δ ≤ 0.1%
说明



希望电力拖动系统 调速范围 D 越大越好 静差率 δ 越小越好——相对稳定性越好 但 D 与 δ 的取值经常会出现矛盾 例如，对于改变电枢电源电压的调速方式而言
1
n1 n0 n2 n0 n3 n01 n0 n N n0 n 0 n m in n0 n 0 1 n m in n01
2.串电阻 2 3.降电压 3
n01
nN1 = nmin
1)串电阻，n0相同 n N 1 2
△n3 3 2
n nmax
①恒转矩调速方式

nN

电枢串电阻调速和降压调速时 0 Tr , Pr 磁通 Φ = ΦN 保持不变 若在不同转速下保持电流 Ia = IN 不变，即电机得到充 分利用 容许输出转矩 Tr 和功率 Pr 分别为：
Tr T C T I a C T N I N Tr T C1