直流电机拖动--《电机与拖动基础》-第三版-林瑞光-主编

T
特点：1）弱磁，n0增大； 2）弱磁，β 增大
n02 n
n01 Φ2
Φ1
n0
Φ2 Φ1 ΦN
ΦN
T
Tk 2 Tk 1 Tk
第二章 直流电动机的电力拖动
2.2.3 机械特性求取
一、固有特性的求取
二、人为特性的求取
已知 PN ,U N,I N , nN ，求两点:1）理想空载
点 (T 0, n n0 ) 和额定运行 (T TN, n nN ) 。
转，电动势Ea 方向不变。由Ea 产生的电枢
电流IaB 的方向与电动状态时的 Ia 方向相
Ia
反,对应的电磁转矩T Te与m 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。
U
电动
S
I aB
（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 电动状态，如图所示。
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
具体步骤：
(1)估算 Ra :
Ra

U NIN PN
2
I
2 N
(2)计算 CeΦN 和CM ΦN
:
CeΦN

UN IN nN
Ra
在固有机械特性
方程 n n0 βT 的基础上，根据人为
特性所对应的参数R f
或U 或Φ 变化，重新 计算n0 和 β ，然后得
CM ΦN 9.55 CeΦN 到人为机械特性方程
T
(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,
即存在 T TZ (2)充分条件:在交点处,满足:
dT
dTZ
。
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
第二章 直流电动机的电力拖动
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。
T
C
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, 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。R 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
I aB
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
n
n
TZ
TZ
第二章 直流电动机的电力拖动
二、恒功率负载特性
三、泵与风机类负载特性
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
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。
第二章 直流电动机的电力拖动
2.3.2 电枢回路串电阻起动
一、起动过程

U

以三级电阻起动时电动机为例
n
nnN0
n3 n2
n1
S
S1 S2 S3
h
M
f3 d2
g Ra
e Ra R1 R1
Ra R 1 R 2 R 3
n
UN Ce N

Ra CeCM 2 N
.T
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。
第二章 直流电动机的电力拖动
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
T
n
TZ
其中 J dΩ 为系统的惯性转矩。 dt
第二章 直流电动机的电力拖动
运动方程的实用形式：
T
TZ

GD 2 375

dn dt
系统旋转运动的三种状态
1)当 T TZ 于稳态。
或 dn 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处 dt
2)当 T TZ
或 dn 0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。 dt
R Z 制动
Ea
M
Tem n
T
If
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 CeCM 2N
T

T
Ia


Ce N n Ra Rz
制动瞬间
B
工作点
n n0
制动过程 工作段
电动机电动状 态工作点
A Ra
Ra RZ
电动机拖动反抗性 负载，电机停转。
0
TL
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
(3)计算理想空载点：T

0, n0

UN CeΦN
式。
(4)计算额定工作点：TN CM ΦNIN , 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。
T
n n0
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
UN 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：
n UN CeΦ

Ra CeCM Φ2
曲线。
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
Tz0百度文库
Tz
第二章 直流电动机的电力拖动
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 )
起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为
Tst CT ΦI st
I st
UN 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。
3)当 T TZ
或 dn 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
常把 GD 2 dn或
375 dt
(T TZ )
称为动负载转矩,把
TZ
称为静负载转矩.
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：
R3 R2 R1 I1 β R2 R1 Ra I2
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 (β1) R a R 2 (β1) βR a βR 1 R 3 (β1) β2R a β2R 1 R m (β1) βm1R a βm1R 1
第二章 直流电动机的电力拖动
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 I1 ；
（3）选取起动级数 m；
（4）计算起动电流比：β m Rm
Ra
m 取整数
（5）计算转矩:T2

T1 β
，校验：T2
(1.1 ~ 1.2) TZ
如果不满足，应另选T1 或m 值并重新计算，直到满足该条件为止.
（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。
(3)惯性转矩
GD 2 dn 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。
b 1
c R a R 1 R 2 R2
a R a R 1 R 2 R 3 R3
TZ
T2
IZ
I2
T1
T
I1
I
第二章 直流电动机的电力拖动
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 I2 U N Ea1 c点 R2 I1 U N Ea1 d点 R2 I2 U N Ea2 e点 R1I1 U N Ea2 f点 R1I2 U N Ea3 g点 Ra I1 U N Ea3 比较以上各式得：
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
U

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。
M
根据如图给出的系统，可写出拖动系统
的运动方程式： d
T Tz J. dt
第二章 直流电动机的电力拖动
2.4.2 反接制动
一、电压反接制动
电压反接制动时接线如图所示。
开关S投向“电动”侧时，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”侧，电枢回路串入制动电R阻B 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内
产生反向电流：
Ia
IaB

U Ea Ra RB
特性
n

UN CeΦN

Ra R
CeC
M
Φ
2 N
T
n
n0
特点：1）n0 不变，β 变大；
2） β 越大，特性越软。
Ra
Ra R T
第二章 直流电动机的电力拖动
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：
n

U CeΦN

Ra
CeC
M
Φ
2 N
U Ea Ra RB
反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从 而产生很强的制动作用——电压反接制动。
U
电动
S
制动
IaB

Tem
RB
Ea
M
n
TemB
If
第二章 直流电动机的电力拖动
扰动使转速有微小增量，转速由nB n
上升到nB，T TZ ,系统加速 。
nB
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。nB
B
扰动使转速有微小下降，由nB 下降
到 nB , T TZ ,系统减速。
nB
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 0 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：
TZ
在A点，系统平衡 T TZ
n
扰动使转速有微小增量，转速由nA nA
上升到nA，T TZ 。
nA
扰动消失,系统减速，回到A 点运行。 nA
扰动使转速有微小下降，由nA下降
到 nA , T TZ 。
0
扰动消失,系统加速，回到A 点运行。
A
T TZ
第二章 直流电动机的电力拖动
在B点，系统平衡 T TZ
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。
第二章 直流电动机的电力拖动
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。

Ea Ra RB

I max
(2~
2.5 ) I N
RB

Ea ( 2~2.5 ) I N
Ra
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。
由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：
n

U Ce

Ra R CeCM 2
T
n
n0
nnN'0
n0 称为理想空载转速。
实际空载转速n0

U CeΦ

Ra CeCM Φ2
T0
T0
Tem TN
第二章 直流电动机的电力拖动
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 UN , Φ ΦN , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：