第4章 他励直流电动机的运行

Ea R Ra (2 ~ 2.5) I N
I aB
即：
其中
为制动瞬间的电枢电动势。 Ea
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。
电机与拖动基础
能耗制动过程中的功率关系
得各级串联电阻为:
Rst 1 ( 1) Ra Rst 2 ( 1)Ra Rst 1 Rst 3 ( 1) 2 Ra Rst 2 Rstm ( 1) m1 Ra Rstm 1
电机与拖动基础
2) 计算各级启动电阻的步骤 （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 ；
电机与拖动基础
2、降低电源电压调速
n0 n01 nN n1
降压瞬间 工作点
n
A’
调速前工 作点A
A B
UN
U1
稳定后工作点
TL
T
降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程 中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。
电机与拖动基础
优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变
电机与拖动基础 §4.3 他励直流电动机的电动与制动运行
直流电动机的两种运行状态： （1）电动运行状态：电动机的电磁转矩方向与 旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电能，
并转变为机械能带动负载。
（2）制动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋 转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。
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调节磁场前 工作点
弱磁稳定后的 工作点
n0
B
A’ A
弱磁瞬间工作 点A→A‘
N
T
1
TL
结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能
开路。
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优点：1）控制方便，能量损耗小，设备简单，平滑性好。
2）弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大， 但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不 变，因此经济性是比较好。 缺点： 1）机械特性的斜率变大，特性变软； 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升 速范围不可能很大，一般 不能超过1.2nN。 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合
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§4.2.2 恒转矩调速与恒功率调速
恒转矩调速：当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，
如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对应的电 磁转矩为额定值。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 N 保持不 变，若在不同转速下保持电流 I a I N 不变，即电机得到 充分利用，则输出转矩和功率分别为：
n n0
1、电枢回路串电阻调速
nN n1
串电阻Rs1后, 工作点由 A→A’→B
A’
A B
未串电阻时 的工作点
Ra Ra+Rs1
0
TL
T
结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。
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优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。
缺点： 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差； 2）低速时静差率大,所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2； 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后 因磁通不变而使T和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随 转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。 5）固有机械特性处称为基速，串电阻速度只能下调。
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3、调速的平滑性
平滑系数 ：相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之
比。在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。
越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转 1 速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调
ni n i 1
速。
4、调速的经济性 主要指调速设备的初投资、电能损耗及维修费用等。
n
R Ra C e Ct N
n
n0
2
T 0 T
电动机状态工 作点
制动瞬间 工作点
B
制动过程 工作段
A
Ra
Ra R
电动机拖动反抗性 负载，电机停转。
0 C
TL
T
若电动机 带位能性 负载,稳定 工作点
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选择制动电阻
R 的原则是
Ea I max (2 ~ 2.5) I N Ra R
n1
2
1
g Ra Ra Rst1 R1
e
c
Ra Rst1 Rst 2 R2
a Ra Rst1 Rst2 Rst3 R3
T1 I1
T I
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比较以上各式得：
R3 R2 R1 I1 R2 R1 Ra I 2
在已知启动电流比γ 和电枢电阻Ra前提下，经推导可
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§4.1 他励直流电动机的启动
电动机的启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。
启动瞬间，启动转矩和启动电流分别为 UN Is I N Ra
Байду номын сангаас
TS Ct N I S TN
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 击转矩会损坏传动机构。除微型电机外，一般直流电动机 不允许直接启动。
他励直流电动机的转速为
U I a ( Ra R ) E n C e C e
电气调速方法：1、调压调速；
2、电枢串电阻调速；
3、调磁调速。
电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅 要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、
调节的方法简单、经济。
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§4.2.1 他励直流电动机的调速方法
化时稳定性好。
3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5〜 12 。 4 ）电能损耗较小。 5）对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使T和Ia不变。 缺点：
1）需要一套电压可连续调节的直流电源。
2）固有机械特性处称为基速，降电压速度只能下调。
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3、弱磁调速
n
n01 n1
nN
δ 越小，相对稳定性越好；δ 与机械特性硬度和n0有关。
电机与拖动基础
δ 与D的关系：
D与δ 相互制约：δ 越小,D越小,相对稳定性越好；在保证
一定的δ 指标的前提下,要扩大D,须减少Δ n,即提高机械特性
的硬度。具体如下： 1）采用同一方法调速，δ 越大，D的调速范围越宽 2）δ 一定时，采用不同的调速方法，D值不同 3）需要调速的生产机械， δ 和D同时提出才有意 义，否则n可以为零。 4）要提高δ ，必须采用电压和速度负反馈。
起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下
采用降压调速。
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例4-2：某他励直流电动机额定功率为PN=22kW，额
定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速 nN=1500r/min，电枢回路总电阻为Ra=0.1，拖动 额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。若要把转 速调到1000r/min。 1）采用电枢串电阻调速，串入的R=？ 2）采用降低电源电压调速，需把电源电压降到多少？ 3）上述两种情况下，电动机的输入和输出功率为多少 4）采用弱磁调速，当TL=0.6TN时，转速升到 2000r/min，此时应降到额定值的多少倍？
（3）选取启动级数 m ；
m （4）计算启动电流比： 取整数 T1 （5）计算转矩: T2 ，校验：T2 (1.1 ~ 1.3)TL
m
UN I 1 Ra
如果不满足，应另选 或 m T1 值并重新计算，直到满足
该条件为止。 （6）计算各级启动电阻。
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2、降压启动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法启动。
T Tem Ct N I N C Tn P C1 n 9.55
电机与拖动基础
恒功率调速：当直流电动机调速运行时，保持其
电枢电流为额定值，采用弱磁调速，此时，电动 机的电磁转矩减小，但转速升高，电磁功率保持 不变。
UN ra n Ia Ce Ce
则输出功率为
T CT I a 9.55Ce I a
输入电功率：P1 （0） 电枢回路总损耗：pCua （+）
UI a
I ( Ra R)
2 a
电磁功率（机—电）：PM （-）
电动机空载损耗：p0 （+）
电机与拖动基础
例4-6：某他励直流电动机额定功率为PN=60kW，额 定电压UN=220V，额定电流IN=305A，额定转速
nN=1000r/min，电枢回路总电阻为Ra=0.04，求下
列情况下的电动机调速范围。 1、静差率 δ 30% ，电枢串电阻调速 2、静差率 δ 20% ，电枢串电阻调速 3、静差率 δ 20% ，降低电源电压调速
§4.3.1 电动运行
n
正向电动运行
n0 n01 -TL O
反向电动运行
A B
1 U N 2 U1 T
TL
3
C
-n0
电机与拖动基础
当 T 与 n 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 T 与 n 方向相反时，电机运行于制动状态。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速运行， 要求制动运行。 断开电源 自由停车 机械制动
ra 2 U N P T 9.55Ce I a ( Ia ) 60 Ce Ce
2 U N Ia Ia Ra
电机与拖动基础
调速方法的选择
为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负 载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载 时，采用恒功率调速方式。对风机类负载，三种
调速方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压
调速比弱磁调速合适一些。
电机与拖动基础
§4.2.3 调速的性能指标
1、调速范围：指电动机在额定负载转矩T=TN下，其 最高转速与最低转速之比。
n D max nmin
2、静差率（相对稳定性）：
指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率，用δ 表示。
n0 n N n N 100% 100% n0 n0
n
b点 R3 I 2 U N Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea2 c点 R2 I1 U N Ea1 e点 R1I1 U N Ea 2 f点 R1I 2 U N Ea3 g点 Ra I1 U N Ea3
nN
n2
n0
h
n3
f 3
d
b
TL IL
T2 I2
nN=500r/min，电枢回路总电阻为Ra=0.078，拖动
额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。 （1）若采用电枢回路串电阻起动，起动电流IS=2IN时， 应串入多大的电阻，起动转矩为多大？ （2）若采取降压起动，条件同上，电压应降至多少，
起动转矩应该为多大？
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§4.2 他励直流电动机的调速
机械调速：通过改变传动机构速比进行调速的方法。
电气调速：通过改变电动机参数进行调速的方法。
说明：改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特 性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动 机工作在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载 变化而引起转速的变化，则不能称为调速。
电机与拖动基础
电机与拖动基础
为了限制启动电流，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启动。
§4.1.1 电枢回路串电阻启动
1、启动过程
三级电阻启动时电动机的电路原理图如下图

S
M
U

S1 S2
S3
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
电机与拖动基础
2、电枢回路串电阻启动的各阻值计算
1) 分组启动电阻的关系 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：
抱闸 能耗制动
反接制动
电气制动
回馈制动
电机与拖动基础
§4.3.2 能耗制动 1、 能耗制动过程
S
在电动状态，电
U
电动
枢电流、电枢电动势、
转速及驱动性质的电 磁转矩如图所示。 需要制动时,将开关S 投向制动电阻 R 上即可。
Ia
I aB
R
制动
Ea
M
T
n
If
TB
电机与拖动基础
能耗制动时的机械特性方程式为：
n A
+
RP Uc
Id
UPE
+ Ud _
+
M Uf
_
O
TL
T2
Tst
Te
降压启动需专用电源，设备投资较大，但它启动平 图4-7 他励直流电动机减压起动 稳，启动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
a) 电力电子可控整流供电系统 b) 减压起动的机械特性
a)
b)
电机与拖动基础
例4-1：某他励直流电动机额定功率为PN=96kW，额 定电压为UN=440V，IN=250A，额定转速为