第四章 他励直流电动机的电力拖动

1、第4章 他励直流电动机的电力拖动第4章 他励直流电动机的电力拖动 电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。 电动机的机械特性在很大程度上决定了电力传动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。 电动机机械特性的研究是“电力拖动”课程的核心内容，对分析电力拖动系统的 启动、调速、制动等也非常重要。机械特性的重要性emT)(emTfn aI)(aIfn 第4章 他励直流电动机的电力拖动 他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时，电动机在稳定运行状态下，电动机的转速n与电磁转矩 之间的关系，即 ，或者说电动机的转

2、速n与电枢电流 的关系 ，后者也就是转速调整特性。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。 假设：1. 电源电压为恒值2. 磁通为恒值，即励磁电 流不变，认为无电枢反应3. 电枢回路电阻为恒值 aTemICTnCEeaRIERRIEUaasaaa)(ea/ )(CRIUn式中，R为电枢回路总电阻 。em2TeeTCCRCUnsRRRa第4章 他励直流电动机的电力拖动4.1.14.1.1机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式 根据电路原理图，则有：电磁转矩方程 、感应电动势方程 、电枢回路电动势平衡方程和电动机转速特性 ,由此可求得机械特性方程的一般表达式 ：第4章 他励直流电动机的电

3、力拖动第4章 他励直流电动机的电力拖动1.理想空载转速 当电源电压U=常数，电枢回路总电阻R常数，励磁磁通 常数时，电动机的机械特性曲线如图4-2所示。特性曲线与纵轴的交点为 时的转速 称为理想空载转速，其计算式为 图4-2 他励直流电动机的机械特性曲线em2TeeTCCRCUn0emT0nCUne0第4章 他励直流电动机的电力拖动2.2.电动机带负载后的转速降落电动机带负载后的转速降落 和机械特性曲线的斜率和机械特性曲线的斜率 实际上，当电动机旋转时，不管是否有负载，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩 ，所以电动机的实际空载转速 将低于 。电动机带负载后的转速降，用 表示为 式中 为机械

4、特性曲线的斜率。n0T0n0nnememTeTTCCRn2nnTnnem00nn第4章 他励直流电动机的电力拖动3.3.机械特性分析机械特性分析 em2TeeTCCRCUn 越大， 越大，机械特性就越“软”，通常称 大的机械特性为软特性。一般他励电动机在电枢在没外接电阻时， 比较小，机械特性都比较硬第4章 他励直流电动机的电力拖动直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线；2. 当电动机有输出转矩时，即带负载的情况下，就存在转速降落，就会引起速度下降。3. 斜率愈大，速度降落愈大，特性向下倾斜就愈明显，即称为机械特性愈“软”；反之，特性愈平坦，机械特性愈“硬”。小结：小结：4.1.24.1.

5、2固有机械特性固有机械特性 电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性。他励直流电动机的固有特性，是指当 ， （即）且 时的 关系，即 NUU N 0sR)(emTfn em2NTeaNeNTCCRCUn第4章 他励直流电动机的电力拖动 emTemTaIemTaIaaNNeaRIUnCEaE0emTNeN0CUnn0aINaUE 0n0n0T00nn 0200TCCRnnNTea第4章 他励直流电动机的电力拖动 对他励直流电动机固有机械特性分析如下：1） 越大，n越低，其特性是一条下斜直线。 增大， 与 成正比关系， 也增大；电枢电动势 ， 则减小，转速n亦降低。2）理想空载转速点： 当

6、 时， 为理想空载转速。此时 ， 即电动机不带负载且自身也没有空载转矩情况下的转速，是一种理想工作状态。3）实际空载转速点： 为电动机的实际空载转速，比 略低，如上图所示。这是因为电动机转动起来后，必须克服机械摩擦及风阻等空载转矩 ，所以NTT Nnn NNNTnnn0Nn095. 0nNn005. 0n0n0nCENeakaNaIRUI/aRKIKT005. 0nnNNeNNNeaNNTeaNCUICRTCCRn05. 02NNaUIR05. 0aNNRUI/05. 0NKII20NKTT20第4章 他励直流电动机的电力拖动KKNTTICT 4）额定工作点：当 时， 为额定工作点。转速降 为

7、额定转速降落。一般地说， 约为 ，而 约为 ，这是硬特性的数量体现。 5）堵转点： ， ，此时电枢电流 称为短路电流；电磁转矩 称为电机的堵转转矩。由于电枢电阻 很小， 和 都比额定值大得多，若 。则 即 那么堵转电流 ，堵转转矩 。 NUU N sRRRaem2NTeaNeNTCCRRCUns第4章 他励直流电动机的电力拖动4.1.34.1.3人为机械特性人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变机械特性方程中的某些参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻所获得的机械特性。人为机械特性有以下三种。 1.1.电枢回路串电阻时的人为机械

8、特性电枢回路串电阻时的人为机械特性 当电动机的 , , 时，其人为机械特性的方程式为 ）（NeN0/CUn nsRn第4章 他励直流电动机的电力拖动 电枢回路串电阻时的人为机械特性如图4-5所示。与固有特性相比，它具有以下特点1）理想空载转速 不变；2）增大，转速降 增大，附加电阻 越大， 也越大，特性越“软”。 2.2.改变电枢电压时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性 当电动机的 ， 时，改变电枢电压的人为机械特性的方程式为 与固有特性相比，它具有以下特点： 1）机械特性曲线的斜率 不变； 2）理想空载转速 随电压减小 成正比减小。0sRNem2NTeaNeTCCRCUn0n第4章

9、他励直流电动机的电力拖动 3.3.改变磁通时的人为机械特性改变磁通时的人为机械特性 可以通过在励磁回路中串接上电阻 ，或降低励磁电压 来减弱磁通，保持 ， 时，减弱磁通的人为机械特性和转速特性分别为 当 时，堵转电流 为常数，而 随 的减小而增大，因此 的人为特性是一组通过横坐标 点的直线，如图4-8所示。sfRfUNUU 0sRem2TeaeNTCCRCUnaeaeNICRCUn0nRUIk0n)(aIfn KII 第4章 他励直流电动机的电力拖动4.1他励直流电动机的机械特性 图4-7 他励直流电动机弱磁时的机械特性 图4-8 他励直流电动机弱磁时的转速特性 第4章 他励直流电动机的电力拖

10、动第4章 他励直流电动机的电力拖动4.1.44.1.4机械特性的求取机械特性的求取1.固有机械特性的求取 已知 ，求:理想空载点 和额定运行点 。 具体求取步骤如下：1）估算 ：2）计算 ： ，NNN,N,nIUP), 0(0emnnT),(NNemnnTTaR2NNNa)3221(IPIURNNTNeCC ,NaNNNenRIUCNeNTCC55. 93）计算理想空载点：4）计算额定工作点： 2.2.人为机械特性的求取人为机械特性的求取 在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，重新计算 和 ，然后得到人为机械特性方程式。 NeNemCUnT0, 0NNNTNnn

11、ICT,emTnn0SRU0n第4章 他励直流电动机的电力拖动0nn 4.1.54.1.5电枢反应对机械特性影响电枢反应对机械特性影响 他励直流电动机由于有电枢反应，产生去磁作用，使 ，则 ，即 而导致特性上翘，如图4-9所示。特性上翘对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。 第4章 他励直流电动机的电力拖动图4-9 上翘的机械特性曲线4.1.64.1.6电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 在生产机械运行时，电动机的机械特性与生产机械的负载转矩特性是同时存在的。在分析电力拖动系统运行

12、情况时，可以把两者画在同一坐标图上。如图4-10中，曲线1是恒转矩负载转矩特性，曲线2是他励直流电动机的机械特性。两特性曲线交于A点。在交点处，电动机与负载具有相同的转速，电动机的电磁转矩与负载转矩大小相等，方向相反，互相平衡。根据运动方程式可知， 时系统稳定运行。因此系统应能在A点稳定运行，A点就称为工作点或运行点。如系统能过渡到新的工作点上稳定运行，且干扰消失后，系统又能回到原来的工作点稳定运行，则系统是稳定的，否则是不稳定的。0LemTT第4章 他励直流电动机的电力拖动 LemTTLemTTdndTdndT/L第4章 他励直流电动机的电力拖动 图4-10 电力拖动系统稳定运行分析 图4-

13、11 电力拖动系统不稳定运行分析 电力拖动系统在电动机机械特性与负载转矩特性交点上，不一定能稳定运行，也就是说， 只是稳定运行的必要条件，尚不充分。对于电力拖动系统，稳定运行的充分必要条件是：电动机机械特性与负载转矩特性必须相交，在交点处 ，实现转矩平衡，在工作点要满足 。 第4章 他励直流电动机的电力拖动直流电动机启动过程直流电动机启动过程 直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为启动过程。启动的基本要求启动的基本要求 （1）启动转矩要大，但又不能过大 （2）启动电流要小，大电流对线路要求高，且不利于电机 （3）启动设备要简单，经济可靠。 他励直流电动机启动时，为了产生较大的

14、启动转矩及不使起动后的转速过高，应该满磁通启动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。因此起动时励磁回路不能串电阻，而且绝对不允许励磁回路出现断路。第4章 他励直流电动机的电力拖动 直接起动 不采取任何措施，把直流电动机的电枢直接投入额定电压的起动，称为直接起动。原因：1.直流电动机在起动瞬间，n=0，则电枢反电势E=Cen=0，则此时电枢电流 为，称为起动电流，亦称为短路电流或堵转电流。由于电枢内阻很小，则 起动电流Ist很大，一般可达到额定电流的1020倍。2.由于直接起动时的起动电流Ist很大，使换向恶化，产生大热量，在换向 器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。3.Ist很大，

15、TI，Tst也很大，对生产机械的冲击也很大（加速度过大）。 过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及传动系统都是有害的。4.2他励直流电动机的启动NU0n0aENaNIRUI StNNTTICTStStN2I.52IstN2I.52N2 . 111.TTst第4章 他励直流电动机的电力拖动 他励直流电动机若加额定电压 、电枢回路不串电阻即直接起动，此时， 、 ，起动电流 ，起动转矩 。由于电流太大，使得电机不能换向， 并且还会急剧发热；另外，由于转矩太大，还会造成机械撞击，都是不允许的。 电动机拖动负载起动的一般条件是：1） 。因为换向最大允许电流为 ；2） ，这样系统才能顺利起动。他励直流电动机起

16、动方法有以下两种：他励直流电动机起动方法有以下两种：1.逐级切除启动电阻时的启动过程2.降电压起动 第4章 他励直流电动机的电力拖动1.1.逐级切除启动电阻时的启动过程逐级切除启动电阻时的启动过程 以三级电阻启动时电动机为例, 三级电阻启动时电动机的电路原理图和机械特性分别如图所示。 图4-12 三级电阻启动时电动机电路原理图 图4-13 三级电阻启动时电动机机械特性 )(321stststRRRL1TT L1TTT第4章 他励直流电动机的电力拖动 当系统沿着直线ab上升到b点时，电动机的速度达到了 ，此时闭合接触器S3切除第一段启动电阻 ，S3闭合瞬间，由于惯性转速来不及变化，运行点由b移至

17、c。在 的作用下，系统将沿着cd升速，到达d点时接触器S2闭合，电阻 被S2短路切除。同理S2闭合瞬间，由于惯性转速来不及变化，运行点由d移至e。在 的作用下，系统将沿着ef升速，以此类推，系统将从g点升速，与负载特性曲线相交于h点， ，最后以的速度稳定运转。启动过程即告结束。 他励直流电动机逐级(三级)切除启动电阻 。启动开始时接触器S闭合，此时对应图4-13的a点，与此相应的启动转矩为 。因此，电机拖动系统在加速转矩 的作用下，速度开始沿着直线ab上升。随着速度的上升，反电势上升，电枢电流下降，电动机的转矩也随着减少。 1n3stR1em(c)TT2stR1em(c)TTL)em(TTh2

18、.分组起动电阻的计算 由上图知各段总电阻值分别为 ，设对应转速n n1 1、n n2 2、n n3 3时的电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，则有： 321,RRR第4章 他励直流电动机的电力拖动b点 c点d点e点f点g点123aNEUIR112aNEUIR222aNEUIR211aNEUIR321aNEUIR31aNaEUIR比较以上各式得： 在已知启动电流比 和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级总电阻为2111223IIRRRRRRaa11a323a2121RRRRRRRRRRRmmmma 第4章 他励直流电动机的电力拖动4.2他励直流电动机的启动11223121)

19、1() 1() 1() 1( stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRRaR1T1ImRIUa1N12TT LTT)3 . 11 . 1 (21T第4章 他励直流电动机的电力拖动 各级分段串联电阻为 （1）起动级数已知的启动电阻的计算,计算各级启动电阻的步骤： 1）估算或查出电枢电阻 ； 2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ； 3）选取启动级数m； 4）计算启动电流比： ，m取整数； 5）计算转矩： ，校验： ； 如果不满足，应另选 或m值并重新计算，直到满足该条件为止； 6）计算各级启动电阻。4.2他励直流电动机的启动（2）启动级数未定时的启动电阻的计算 1）

20、确定启动电流 和切换电流 ： 2）启动电流（转矩）比： ； 3）求出电枢电路电阻 ； 4）求出启动时的电枢总电阻 ； 5）确定启动级数m，并将其修正为相近的整数； 6）根据m值和式 计算出新的 值； 7）利用上式计算各级总电阻和各级分段串联电阻。1I2I)()0 . 25 . 1 ()(NaN11TITI)()2 . 11 . 1 ()(LL22TITI21IIaRmRmRIUa1N第4章 他励直流电动机的电力拖动例题 4-2 一台他励直流电动机额定数据： Ra=0.48， PN = 7.5kW，额定电压UN = 220V，In=40A, nN =1500r/min,现拖动TL = 0.8TN

21、的恒转矩负载。求：（1） 采用电枢回路串联电阻启动，需要串联多大的启动电阻？（2） 采用电枢回路串联三级启动，各分段电阻应为多少？LTTst 第4章 他励直流电动机的电力拖动 4.2.24.2.2降电压起动降电压起动 降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流(一般限制在1.52IN)，启动转矩足够大 ,电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速，其接线原理和启动机械特性如下图所示。 图4-14 降低电枢电压起动接线原理图 图4-15 降低电枢电压起动机械特性4.2.2 4.2.2 降电压启动降电压启动 例4

22、-3 某他励直流电动机额定功率PN = 96kW，额定电压UN = 440V，额定电流IN = 250A，额定转速nN =500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.078，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。(1)当采用电枢回路串联电阻启动且启动电流IST = 2IN时，计算应串联的电阻值及启动转矩；(2)若采用降压启动，其他条件同上，则电压应将为多少？试计算启动转矩。解：(1)应串联电阻 802. 0astNRIUR额定转矩mN6 .183355. 9NNNnPTNNNNN602nTTP4.2.2 4.2.2 降电压启动降电压启动启动转矩mN36672Nst TT(2)降压启动启动电

23、压V39aststRIU启动转矩mN36672Nst TT4.3他励直流电动机的调速 许多生产机械的运行速度，随其具体工作情况不同而不一样。系统运行的速度需要根据生产机械工艺要求而人为调节。调节转速，简称为调速。改变传动机构速比的调速方法称为机械调速，通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。 他励直流电动机比交流异步电动机能够获得更宽的调速范围并能够实现平滑的无级调速，在调速性能要求较高的生产机械上，还应用他励直流电动机。 4.3.14.3.1他励直流电动机的调速方法他励直流电动机的调速方法 拖动负载运行的他励直流电动机，其转速是由工作点决定的，工作点改变了，电动机的转速也

24、就改变了。对于具体负载而言，其转矩特性是一定的，不能改变，但是他励直流电动机的机械特性却可以人为地改变。 第4章 他励直流电动机的电力拖动1R1A1n1AAA 第4章 他励直流电动机的电力拖动1.电枢串电阻调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，电动机运行于不同的转速，如下图所示。其中负载是恒转矩负载。比如原来没有串电阻时，工作点为A，转速为n，电枢中串入电阻 后，工作点就变成了 ，转速降为 。电动机从 运行的物理过程。通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速，那么，电枢回路串电阻调速的方法，其调速方向只能是从基速向下调。图4-1

25、6 电枢回路串电阻调速 aNTICTLTT NTLaCTI LTaINLTT NaII aI1R2RaI12aRI22aRI第4章 他励直流电动机的电力拖动 电磁转矩 ，稳定运行时 ，电枢电流 ，因此， 常数时， =常数，如果 ，则 ，即 与电动机转速n无关。 电枢回路串电阻调速时，所串的调速电阻 、 等上通过很大的电枢电流 ，会产生很大的损耗 、 等，转速越低，损耗越大。 尽管电枢串电阻调速方法，所需设备简单，但由于上述功率损耗大，低速时转速不稳定，不能连续调速等缺点，只应用于调速性能要求不高的中、小电机上，大容量电动机不采用。第4章 他励直流电动机的电力拖动2. .降低电源电压调速降低电源

26、电压调速 保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电动机拖动负载运行于不同的转速上，如图4-17所示。 图4-17 降低电源电压调速 降低电源电压调速时。如果拖动恒转矩负载，电动机运行于不同的转速上时，电动机电枢电流 也是不变的，这是因为：电磁转矩 ，稳定运行时 ；电枢电流 。因此， 常数时， 常数，如果 ，则 ， 与电动机转速无关。aIaNTICTLTT NTLaCTI LTaINLTT NaII aI第4章 他励直流电动机的电力拖动2. .降低电源电压调速特点降低电源电压调速特点 1）工作时电枢电压一定，电压调节时不允许超过 ，所以只能向下调速

27、。 2）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无极调速。 3）调速前后，机械特性曲线斜率不变，硬度较高，调速稳定性好。 4）无论轻载或满载，调速范围相同。 5）降压调速通过减小输入功率来降低转速，低速时，电能损耗较小，因此 调速经济性比较好。 6）调压电源设备较为复杂。NU 图4-17 降低电源电压调速 3.3.弱磁调速弱磁调速 保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖动的负载转矩不过大时，降低他励直流电动机的磁通，使电动机转速升高。图4-18所示为他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁升速的机械特性。第4章 他励直流电动机的电力拖动 图4-18 弱磁调速4.3他励直流电动机

28、的调速 改变磁通调速时，不论在什么转速上运行，电动机的转速与转矩都为aaNICRCUneeaaT55. 9ICICTea2aaNaaNaM60255. 9RIIUICRCUICTPeee第4章 他励直流电动机的电力拖动电动机的电磁功率为如果电动机拖动的是恒功率负载时，即 常数。 则有 常数 常数若负载功率大小为电动机的额定功率 时，电动机电枢电流 。LTLMTTPaINPNaII 4.3 4.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 例4-4 某台他励直流电动机，额定功率PN = 22kW，额定电压UN = 220V，额定电流Ia = 115A，额定转速nN = 1500r/min，电枢回

29、路总电阻Ra = 0.1，忽略空载转矩T0，电动机带额定负载运行时，要求把转速降到n = 1000r/min，计算：(1)采用电枢串联电阻调速需串联的电阻值；(2)采用降低电源电压调速需把电源电压降到多少？(3)在上述两种情况下电动机的输入功率与输出功率(输入功率不计励磁回路之功率)。解：(1)电枢串联电阻值的计算)minr/(V139. 01NaNNNenRIUC理想空载转速min/ r7 .1582NeN0CUn4.3 4.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速额定转速降min/ r7 .82N0Nnnn串联电阻后转速降min/ r7 .5820Nnnn设串联的电阻为R，则Naann

30、RRR605. 0R(2)降低电源电压调速降低电源电压后理想空载转速min/ r7 .1082N01nnn设降低后的电源电压为U1，则001N1nnUU4.3 4.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速V5 .150N0011UnnU(3)电动机输出转矩mN1 .14055. 9NN2nPT输出功率W1466422TP电枢串联电阻降速时输入功率W25300NN1IUP降低电源电压降速时输入功率W17308N11IUP4.3.24.3.2调速的性能指标调速的性能指标 调速的性能指标是决定电动机选择哪一种调速方法的依据，主要性能指标有以下三个方面： 1.调速范围与静差率 第4章 他励直流电动

31、机的电力拖动调速范围是指电动机在额定负载转矩 调速时，其最高转速与最低转速之比。用D表示NTT minmaxnnD 静差率或称转速变化率。是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。用 表示， 时为NTT 00nnnnn4.3他励直流电动机的调速 静差率 越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。从上式可以看出，静差率与以下两个因素有关：1）当 一定时，机械特性越硬，额定转矩时的转速降落 越小，静差率 越小。2）机械特性硬度一定时，理想空载转速 越高， 越小。 0nn0n第4章 他励直流电动机的电力拖动00nnnnn in1in1iinni1第4章 他励直流电动机的电力拖动 图

32、4-19 电枢串电阻调速时静差率与调速范围 图4-20 降低电源电压调速时静差率与调速范围 调速范围与静差率有关系，而且互相制约着，因此需要调速的生产机械，必须同时提出静差率与调速范围这两项指标，以便选择适当的调速方法。 2.调速的平滑性 无级调速的平滑性最好，有级调速的平滑性用平滑系数 表示，其定义为：相邻两极转速中，高一级转速 与低一级转速 之比，即 越小，调速越平滑。无级调速是 ， 。4.3 他励直流电动机的调速 3.调速的经济性 调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。 调速设备初投资应该考虑电动机和电源两方面：专门设计的改变磁通调速的电动机成本较普

33、通直流电机为高；降电枢电压调速的大功率可调压电源，成本也较高；调磁通调速一般也要专门配可调压电源，但容量要小，成本也低些。这样综合起来考虑，电枢串电阻调速设备成本最低，而改变电源电压调速设备成本最高。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.3 他励直流电动机的调速%501.22或34(与 无关)第4章 他励直流电动机的电力拖动调速方法电枢串电阻降电源电压减弱磁通调速方向调速方向向下调向下调向下调向下调向上调向上调 时调速范围时调速范围约约2 2约约10101212 一定调速范围内转一定调速范围内转速的稳定性速的稳定性差差好好较好较好负载能力负载能力恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩恒功率恒功率调速平滑性调速

34、平滑性有级调速有级调速无级调速无级调速无级调速无级调速设备初投资设备初投资少少多多较多较多电能损耗电能损耗多多较少较少少少4.3 他励直流电动机的调速aINaII NaII emP第4章 他励直流电动机的电力拖动4.3.34.3.3调速方式与负载类型的配合调速方式与负载类型的配合 电动机运行时，电枢电流的实际大小取决于所拖动的负载，电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速方法。具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时电枢电流 的情况，对于充分利用电动机来说，就是十分必要的了。为此目的，首先定义一下电动机的恒转矩与恒功率调速方式。 所谓恒转矩调速方式指的是：在某种调速方法中，

35、保持电枢电流 不变，若该电动机电磁转矩恒定不变，则称这种调速方式为恒转矩调速方式。 所谓恒功率调速方式指的是：在某种调速方法中，保持电枢电流 不变，若该电动机电磁功率 恒定不变，则称这种调速方法为恒功率调速方式。 4.3 他励直流电动机的调速 调速方式是在 不变的前提下，用来表征电动机采用某种调速方法时的负载能力或允许输出的性能指标。电动机采用恒转矩调速方式时，如果拖动恒转矩负载运行，并且使电动机额定转矩与负载转矩相等 ，那么不论运行在什么转速上，电动机的电枢电流不变 ，电动机得到了充分利用。我们称这种恒转矩调速方式与恒转矩负载性质的配合关系为匹配。 电动机采用恒功率调速方式时，如果拖动恒功率

36、负载运行，可以使电动机电磁功率 不变，那么不论运行在什么转速上，电枢电流 也不变，电动机被充分利用。恒功率调速方式与恒功率负载相配合，也可以作到匹配。NaII LNTT NaII NNMTP NaII 第4章 他励直流电动机的电力拖动4.3 他励直流电动机的调速 以上关于调速方式问题的讨论，归纳起来主要是：1）恒转矩调速方式与恒功率调速方式都是用来表征电动机采用某种调速方法时的负载能力，不是指电动机的实际负载。2）应使电动机的调速方式与其实际负载匹配，电动机才可以得到充分利用。从理论上讲，匹配时，可以让电动机的额定转矩或额定功率与负载实际转矩与功率相等，但实际上，即使电动机电枢电流尽量接近额定

37、值，由子电动机容量分成若干等级，有时只能尽量接近而不能相等。第4章 他励直流电动机的电力拖动 由于电动机在四个象限上运行，则转矩、转速有正有负，有必要明确一下转速、转矩的正负符号的规定：正方向的规定对起重设备的位能负载，以重物提升的运动方向为正方向；一般情况下，以“前进”方向为正方向；对能正反转的系统可规定某一方向为正方向。系统的转速与正方向一致为正，否则为负。电动机的转矩与正方向一致为正，否则为负。负载转矩与正方向一致为负，否则为正。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动4.4 他励直流电动机的制动4.4.14.4.1电动运行电动运行（1

38、）.正向电动运行 他励直流电动机工作点在第I象限时，如图4-21所示的A点和B点，电动机电磁转矩 。转速 ，这种运行状态称为正向电动运行。由于T和n同向，所以T称为拖动转矩。 图4-21 他励直流电动机电动运行 1-固有机械特性；2-降压人为机械特性； 3-电源电压为（-UN）人为机械特性0T0n4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动2）反向电动运行 拖动反抗性负载，正转时电动机工作点在第I象限，反转时，电动机工作点则在第象限，如图上图所示的C点，这时电动机电源电压为负值。在第象限运行时，电磁转矩 ，转速 ，T与n仍同向，T仍旧为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行完全相

39、同，这种运行状态称为反向电动运行。 实际运行的电动机除了运行于T与n同方向的电动运行状态之外，经常还运行在T与n反方向的运行状态。T与n反方向意味着电动机的电磁转矩不是拖动性转矩，而是制动性阻转矩了，这种运行状态统称为制动状态，工作点显然是在第、象限里。0T0n4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动4.4.24.4.2能耗制动能耗制动 制动的方式有：机械（抱闸）制动，即利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸），如图所示；电磁制动，即当电磁转矩 与n的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当 与n方向相反时，电磁转矩为制动转矩，

40、电机运行于电磁制动状态（本质）。械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。 图4-22 机械抱闸制动示意图emTemT4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动 根据制动过程中电机发出的电功率的去向不同以及外部所提供的条件不同，制动可分为能耗制动、反接制动和回馈（再生）制动。（1）能耗制动过程 他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载运行于正向电动运行状态时，其接线如图4-23所示刀闸接在电源上的情况。制动时将开关S打到制动电阻 上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢

41、电流 的方向与电动状态时 的方向相反，对应的电磁转矩 与 方向相反，为制动性质，电机处于能耗制动状态。BRaEaEBaIaIBemTemT4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动0TLTT 0T0nLTBRnC0CC第4章 他励直流电动机的电力拖动(2)能耗制动运行 他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采用能耗制动，如图4-24所示，电动机的运行点从 ， 是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但是到了0点以后。如果不采用其他办法停车如抱闸抱住电动机轴，则由于电磁转矩 ，小于负载转矩，系统会继续减速，也就是开始反转了。电动机的运行点沿着能耗制动

42、机械特性曲线2从 ， 点处 ,系统稳定运行于工作点 。该处电动机电磁转矩 ，转速 ，T与n方向相反，T为制动性转矩，这种稳态运行状况称为能耗制动运行。在这种运行状态下， 方向与系统转速n同方向，为拖动性转矩。能耗制动运行时电动机电枢回路串入的制动电阻不同时，运行转速也不同，制动电阻 越大,曲线2越陡，转速绝对值 越高。OBAOB 图4-23 能耗制动接线图 图4-24 能耗制动过程4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动4.4.34.4.3反接制动反接制动 电气制动方法除了能耗制动停车外，还可以采用反接制动停车。反接制动有电源反接制动和倒拉反接制动两种。 开关S投向“电动”

43、侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反接制动时，将开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，如图4-25所示，电枢回路内产生反向电流如下式，机械特性方程为下式。 拖动反抗性恒转矩负载，反接制动停车时，其机械特性如图4-26所示。本来电动机的工作点在A，反接制动后，电动机运行点从 ，到 C 点后电动机转速 ，制动停车过程结束，将电动机的电源切除。pBRBaaBaaaBRREURREUIememNTeBaNeNTnTCCRRCUn02CBA0n4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动图4-25 电源反接制动接线图 图4-26 反接制动停车时机械特

44、性4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动图4-27 反接制动接着反向起动时机械特性 图4-28 反接制动过程和能耗制动过程对比图）定子第4章 他励直流电动机的电力拖动（2）倒拉反接制动 他励直流电动机如果拖动位能性负载运行，电枢回路串入电阻时，转速下降，但是如果电阻值大到一定程度后，见图所示，就会使转速 工作点在第象限，电磁转矩 ，与n方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行。倒拉反转反接制动适用于低速下放重物，其机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分，机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。 图4-29 倒拉反

45、转反接制动机械特性0n0T4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动4.4.44.4.4回馈制动回馈制动（1）正向回馈制动运行 下图所示为他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低调节的过程。原来电动机运行在固有机械特性曲线的A点上，电压降为 后，电动机运行点从 最后稳定运行在D点。在这一降速过渡过程中，从 这一阶段，电动机的转速 ，而电磁转矩 ，T与n的方同相反，T是制动性转矩，是一种正向回馈制动运行状态。 图4-30 降压调速时的回馈制动过程 图4-31 上坡行驶时的正向回馈制动过程1UDCBACA0n0T4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动 图4-

46、32 增加励磁电流调速过程中的正向回馈制动过程(2)反向回馈制动运行 如果他励直流电动机拖动位能性负载，当电源电压反接时，工作点在第象限，这时电磁转矩 ，转速 ，T与n方向相反，称为反向回馈制动运行。0T0n4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动 图4-33 位能性负载进行电源电压反接的反向回馈制动过程 图4-34 他励直流电动机各种运行状态4.4 他励直流电动机的制动第4章 他励直流电动机的电力拖动过渡过程的基本概念过渡过程的基本概念 1.稳态(静态)：指电动机转矩T和负载转矩TL相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。 2.动态：指T与TL不相等，加速或减速状态。即非平

47、衡状态dn/dt0，动态也称过渡过程。4.5 直流电力拖动系统的过渡过程第4章 他励直流电动机的电力拖动系统受到干扰后，希望它能够达到新的稳定状态，所以，也可以称过渡过程是系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程。例如：在具有电感的线圈两端加上电压后，电流的增长不是瞬时的，而需要一段过程，这就是过渡过程。在电力拖动系统中，起动、制动、反转、调速等正常的操作过程都是过渡过程。在发生事故时，电力拖动系统也会发生过渡过程例如：电网电压的突变或消失对电力拖动系统所引起的过程。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.5 直流电力拖动系统的过渡过程过渡过程的基本概念先决条件，即：系统本身具有稳定性。电力拖

48、动系统的整个工作过程至少需要三个阶段，即：起动、稳态运行和制动，有时还要有调速等。在一个工作循环中，把电力拖动系统的基本参量对时间的变化情况绘成曲线，即称为“负载图”例如：功率、转矩、转速、电流等对时间的变化，即 P, T, n, I = f(t)P, T, n, I = f(t)其中随时间变化的部分就是过渡过程。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.5 直流电力拖动系统的过渡过程为什么系统会存在过渡过程？即为什么系统在改变工作状态时必须有个过程，需要一段时间呢？ 外因：TL变化，或电机参数的变化引起T变化。 内因：“惯性”。( (机械惯性、电气惯性、热惯性) )对电力拖动系统而言，由于惯性的存

49、在，导致电动机的转速、电流、转矩以及磁通等参量不能突变，而必须是一个连续变化的过程。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.5 直流电力拖动系统的过渡过程电磁惯性是由线圈或绕组的电感引起的，使其中流过的电流不能突变。对于直流他励电动机，主要反映在电枢回路电感LaLa和励磁回路电感LfLf上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。机械惯性 是由旋转体或直线运动体的质量所引起的，使转速n n不能突变。热惯性是由电机发热时，吸收热量提高温度和散热同时存在所引起的，使电机的温度不能突变。第4章 他励直流电动机的电力拖动4.5 直流电力拖动系统的过渡过程电磁时间常数：是电感与电阻的比值，TeTe= =L L/ /R R。机电时间常数：Tm Tm （和机械惯量有关）发热时间常数：是电机的热容量C C与散热系数A A的比值，T TH H= =C C/ /A A电机的发热过程比电磁和机械过程慢得多，所以一般不考虑热惯性。在电力拖动系统中，影响过渡过程的主要因素是电磁惯性和机械惯性。当电磁惯性比机械惯性影响小很多时，即TeTeTmTm时，可以只考虑机械惯性，而忽略影响较小的电磁惯性，这就是所谓的机械过渡过程。当同