电力拖动第二章

1、电力拖动与控制第二章第二章直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动直流电动机电力拖动系统的动态特性直流电动机电力拖动系统的动态特性他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速串励直流电动机的电力拖动串励直流电动机的电力拖动复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性 主要内容主要内容第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机起动、制动、调速等问题的重要工

2、具。 他励直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流、电枢总电阻均为常数的条件下,电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线：n=f(T) 。一、机械特性方程式一、机械特性方程式()aaacU EI RR 如图，忽略电枢反应时，根据图中给出的正方向，可列出电压平衡方程及机械特性方程：aceeTRRUnTCCCTaTCI图2-1 他励直流电动机拖动系统 0nnT 当U、Ra+Rc都保持为常数时，上式表示的就是他励直流电动机的机械特性方程式。,602eTpNpNCCaa由电机学知：因此得出：9.55TeCC还可写成如下形式：用曲线表示，如图2-2。 式中，n0理想空载转速，n0=U/Ce 机械特性斜率

3、, =(Ra+Rc)/CeCT2 图 2-2 他励直流电动机的机械特性 在A点: T=0, Ia=0 ； 电枢压降Ia(Ra+Rc)=0 ； 电枢电动势Ea=U ； 电动机的转速n=n0=U/Ce。 1 1理想空载点理想空载点 实际空载转速n0为000nnTA点即为理想空载点。2 2堵转点堵转点在B点：n=0 ，因而Ea=0 ； 电枢电流Ia称为堵转电流Ik ； 与Ik 对应的电磁转矩称为堵转转矩。 kTacUTTCRRB点为堵转点。二、固有机械特性二、固有机械特性 电动机本身固有的特性称为固有机械特性。它应具备的条件是： 电源电压 U=UN 励磁磁通N 电枢所串电阻Rc=0固有机械特性方程式

4、： N2aeNeTNURnTCC C在固有机械特性上，额定转速：NNNNnnTnn00NNNTn额定转速降：理想空载转速: 0/NeNnUC斜率： 2/NaeTNRC C固有机械特性也可表示为： 0NnnT 图 2-3 他励直流电动机的固有机械特性三、人为机械特性三、人为机械特性 固有特性有三个条件：U=UN，=N， Rc=0 改变其中任何一个条件，都会使电动机的机械特性发生变化。 人为机械特性共有三种，现分述如下:1.1.电枢回路串接电阻的人为机械特性电枢回路串接电阻的人为机械特性 图 2-4 电枢串接电阻时的原理图和机械特性 电枢回路串接电阻Rc，如图2-4a 。 电枢回路总电阻为 ：ca

5、RR 2NaceNeTNURRnTCC C人为机械特性为 ： 人为机械特性曲线如图2-4b 。当Rc为不同值时，可得到不同的特性曲线。 电枢串接电阻时，人为机械特性的特点： (1) 理想空载转速n0不变,与电枢回路电阻 无关。 (2) 转速降n（或）则随Ra+Rc成正比地 增大。在相同转矩下，Rc 越大,n越 大，特性越软。 电枢串电阻时的人为机械特性可用于直流电动机的起动及调速。2.2.改变电源电压的人为机械特性改变电源电压的人为机械特性 改变电动机供电电压时，电动机电枢回路的原理如图2-5a 。 机械特性的条件是:U可调、=N、Rc=0 与固有特性相比，只是U改变，因此机械特性方程式变成：

6、2aeNeTNURnTCC C 人为机械特性曲线如图2-5b ，当U为不同值时，可得到不同的特性曲线。（1）理想空载转速n0与U成正比变化。 （2）转速降n不变，此时n等于额定转速 降nN，或者说不变，各条特性均与 固有特性相平行。 改变电枢电压的人为机械特性常用于需要平滑调速的情况。改变电源电压时，人为机械特性的特点： 图 2-5 改变电源电压的原理图和机械特性 3.3.改变磁通的人为机械特性改变磁通的人为机械特性 改变磁通实际上只能是减弱磁通。减弱电动机磁通时的线路原理如图2-6a 。 机械特性的条件是：U=UN 、Rc=0、可调。 2NaeeTURnTCC C人为机械特性曲线如图2-6b

7、 。 与固有特性相比，只是 改变，因此机械特性方程式变成：当为不同值时，可得到不同的特性曲线。图 2-6 减弱磁通时的原理图和机械特性 减弱磁通时，人为机械特性的特点： （1）理想空载转速n0与成反比变化，因此减 弱磁通会使n0升高。 （2）特性的斜率 (或n）与2成反比，因 此减弱磁通会使斜率（或n）加大， 特性变软。 （3）特性曲线是一簇直线，即不平行，又非放 射。减弱磁通时，特性上移而且变软。 减弱磁通可用于平滑调速。 由于磁通只能减弱，所以只能从额定转速向上调速。 受到电动机换向能力和机械强度的限制，向上调速的范围是不大的。电枢反应对机械特性的影响 : 当电刷放在几何中性线上，而电枢电

8、流不大时，电枢反应可以忽略不计。但是当电枢电流较大时，由于磁路饱和的影响，电枢反应会产生明显的去磁作用，使每极磁通量略有减小，结果使转速n上升,机械特性呈上翘现象,如图2-7。这对电动机的运行稳定性不利。图2-7 电枢反应对机械 特性的影响 为了避免机械特性的上翘，往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，用串励绕组的磁势抵消电枢反应的去磁作用。这时电动机实质上已变为积复励电动机，但是由于所加绕组磁势较弱，一般仍可将它视为他励电动机。四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制 机械特性机械特性 电动机的铭牌上给出电机的额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN和额定转速n

9、N等数据。由这些已知数据，可计算和绘制机械特性。 1.1.固有机械特性的绘制固有机械特性的绘制 他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性都是直线，两点可以确定一条直线，只要找出特性上任意两点，就可以绘制这条直线。NeC 0NNeUnC通常选择以下两个特殊点：（2）额定工作点： ， Nnn NTT （1）理想空载点 ： ， 0nn 0T其中 未知，可用下式来求： NeC 这两点中只有n0 和TN是未知的。首先求n0 ：电机的总损耗为：电机的额定铜损耗为： 其中仅 Ra未知。根据铭牌数据估算Ra 的值，估算的依据是：普通直流电动机在额定状态下运行时，额定铜耗约占总损耗的1/22/3 。 NNae

10、NNUI RCn2cuNNaIRpNNNpI Up则估算电枢电阻的公式为：额定转矩的计算公式为：2)3221(NNNNaIPIUR9.55NTN NeN NTCICI固有机械特性方程式： 2NaeNeTNURnTCC CTnnN0NeNCUn0固有机械特性也可表示为：其中：2NTeaNCCR 综上所述，根据铭牌数据计算固有特性的步骤如下：（2）按式（2-12）计算CeN ； （3）求 n0=UN/CeN ； 在坐标纸上标出(n0 , 0) , (nN , TN) 两点，过这两点连成一条直线，即为固有机械特性曲线。 （1）根据UN 、PN 、IN 估算Ra ； （4）按式（2-14）计算TN 。

11、 2. 2. 各种人为机械特性的绘制各种人为机械特性的绘制（1 1） 电枢串电阻人为机械特性的绘制电枢串电阻人为机械特性的绘制选择两个特殊点： 理想空载点：n=n0 , T=0 额定工作点： n=nRN , T=TN 求出Ra 、CeN 后，绘制各种人为机械特性。 与固有特性相比，理想空载点没变，额定工作点却由于电枢外串电阻Rc而发生了变化，在额定负载转矩下，对应的电动机转速为 计算出n0 后，过（n0 ,0）,（nRN ,TN）两点连一条直线，即得到电枢串电阻的人为机械特性曲线。029.55()acRNNeNRRnnTC（2 2） 降低电源电压人为机械特性的绘制降低电源电压人为机械特性的绘制

12、选择两个工作点： 理想空载点：n=n0 ,，T=0 额定工作点：n=nN , ，T=TN 降低电源电压时，理想空载转速随之降低：0eNUnC对应额定转矩下的电机转速变为： 计算出n0、nN 后,过（n0,0）,(nN ,TN）两点连一条直线，即得到降低电压的人为机械特性曲线。29.55()aNNeNeNURnTCC（3 3） 减弱磁通人为机械特性的绘制减弱磁通人为机械特性的绘制选择两个工作点： 理想空载点： ， 额定工作点： ， 减弱磁通时，理想空载转速随之升高：0nn0T NnnNTT0NeUnC29.55()NaNNeeURnTCC 计算出n0 、nN 后，过（n0, 0) 、（ nN,

13、TN ）两点连一条直线，即得到减弱磁通的人为机械特性曲线。9.55NaeTIC必须注意必须注意: 减弱磁通时，T=TN 这点所对应 的电枢电流 Ia大于额定电流IN 。例例2-12-1：一台他励直流电动机，铭牌数据如下： PN=40kW，UN=220V，IN=210A， nN=750 r/min。 试计算并绘制： （1）固有机械特性； （2）RC=0.4的人为机械特性； （3）U=110V的人为机械特性； （4）=0.8N的人为机械特性。解：解：（1）固有机械特性估算电枢电阻Ra ： 21()2NNNaNU IPRI321 220 21040 10()22100.07计算CeN ： 理想空载转

14、速n0 ：-1220210 0.070.2737V/min750NNaeNNUI RCrn0220804 /min0.2737NeNUnrC 额定电磁转矩TN ： 根据理想空载点（ ）及额定运行点（ ）绘出固有机械特性，如图2-8中直线1所示。 NT9.55eNNCI9.55 0.2737 210N m549N m750,549NNnT0804,0nT图 2-8 机械特性曲线图 理想空载转速n0 不变，T=TN 时电机的转速nRN :（2）R =0.4的人为机械特性C 通过（ ）及（ ） 两点连一直线，即得到Rc=0.4的人为机械特性，如图2-8中直线2所示。 0229.55()0.070.4

15、804549r/min443r / min9.55 0.2737aCRNNeNRRnnTC（）443,549RNNnT0804,0nT（3）U=110V的人为机械特性计算理想空载转速 ：0nT=TN时的转速为： 0110/ min402 / min0.2737eNUnrrC0229.55()0.07402549/min348 /min9.55 0.2737aNNeNRnnTCrr（）通过（ ）及（ ）两点连一直线，即得到U=110V的人为机械特性，如图2-8中直线3所示。（4）=0.8N的人为机械特性计算理想空载转速 ：0402,0nT348,549NNnT0n0220/ min1005 /

16、min0.80.8 0.2737NNeeNUUnrrCCT=TN时的转速 :通过（ ）及（ ） 两点连一条直线，即得到=0.8N的人为机械特性，如图2-8中直线4所示。 0n0229.55()0.07 5491005/ min921 / min9.55 (0.8 0.2737)aNeNRnnTCrr （）01005,0nT921,549NnT 必须注意：在（ ）点，电枢 电流aINI921,549NnT1.259.559.55 0.8NNaNeeNTTIICC第二节第二节 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件一、稳定运行的必要条件一、稳定运行的必要条件 为便于分析电力拖动系统的

17、运行情况，可把电动机的机械特性和负载特性画在同一个直角坐标系中，如图2-9。 图a中，两条机械特性相交于A点，在A点：TA=TL , dn/dt=0，所以系统以n的转速恒速运行。A点被称为工作点，也称为平衡状态。当外界扰动使负载特性由TL变成TL时，由于惯性,n不能突变，转矩T因U、Ia及Ea均未突变仍为Ta，由运动方程可知系统开始减速。随着n的下降，转矩T增大，在转速下降至n=nA时，转矩TA=TL，系统获得新的平衡状态，以nA的转速恒速运行；当外界扰动消失负载转矩恢复为TL时，因TATL，系统将加速，随着n上升，转矩减小，在转速升至nA时TA=TL，系统恢复到原平衡状态A点工作，所以A点为

18、系统的稳定运行点。 图 2-9 稳定运行和不稳定运行 在图b中，A点虽然也是平衡状态，系统也以n的转速恒速运行，但是当负载特性由TL变成TL时，由于TATL系统将开始减速。随着n的下降，电磁转矩T也相应减小，促使转速加速下降直至n=0，显然系统在扰动作用下不能获得新的平衡状态，因而无法正常工作。所以A点不是稳定运行点。 可见， T=TL只是系统稳定运行的必要条件。 系统稳定运行的充要条件是：系统在某种外界扰动下离开原来的平衡状态，在新的条件下获得新的平衡；或当扰动消失后系统能自动恢复到原来的平衡状态。满足上述要求，系统就是稳定的，否则系统就是不稳定的。二、稳定运行的充要条件二、稳定运行的充要条

19、件 图2-10为他励直流电动机拖动一泵类负载运行的情况，两条机械特性交于A点，并在转速nA下稳定运行。 图 2-10 稳定运行充要条件的判定 设在某种干扰下使转速变化一个增量n，此时T与TL都将产生对应的增量T与TL。 当干扰使转速的增量为正值，转速增加n=n+n，对应此转速，T=T1，增量为-T，TL=TL1，增量为+TL ，干扰消失后，由于惯性原因，n不能突变，则T1-TL10，使dn/dtTL，dn/dt0，电动机开始起动，转速沿着ab特性变化，随着转速上升，电流及转矩逐渐减小，产生的加速度也逐渐减小，如继续加速就要延缓起动过程。1. 1. 起动过程起动过程 因此，为了缩短起动时间，到达

20、图中的b点时，使触点KM3闭合，切除电阻Rst3，b点的电流称为切换电流，这时电枢回路总电阻变为R2=Ra+Rst1+Rst2，机械特性变为直线cdn0。切除电阻瞬间,由于机械惯性，转速n不能突变,电势Ea也保持不变，则引起电枢电流突增,如果电阻设计恰当，可使电流从I2突增到I1，运行点从b过渡到c点。电机又获得了与a点相同的加速度，此后电机又沿着直线cd加速。 当电机加速到d点时，电流又下降到I2，此刻闭合KM2，切除电阻Rst2,电枢总电阻变为R1=Ra+Rst1，机械特性变为直线efn0，运行点从d点过渡到e点，电枢电流又从I2突增到I1，电机沿ef 段升速，当转速升高到f 点时，闭合K

21、M1，切除电阻Rst1，运行点从f 点过渡到固有机械特性上的g 点，电流再一次增加到I1，此后电机在固有特性上升速，直到w点, T=TL ,电机稳定运行，起动过程结束。2. 2. 起动电阻的计算起动电阻的计算最大电流I1的选择： NII25 . 11NII2 . 11 . 12切换电流I2的选择： 或： max22 . 11 . 1LII 起动级数m的选择： =24级 m各级起动电阻的计算： 以I1及I2不变为原则 同理可得: 1211212,aIRIRd ef gIRIR两式相除得： 3122RIIRcbcbEEnn,图b中b 、c两点，有： 32REUIbNb点：c点： 21REUIcNa

22、RRRRRRII1122321aaaRRRRRRRR323212121II令 ：则可得： 于是： 如有m级，则 : mmaRR112211staststmmmRRRRRRRRR如已知，可用下式求取m: lglgamRRm可得每级分段电阻值： maNmamIRURR1计算起动电阻时可能有下列两种情况：（1）起动级数m未定：此时应先初步选定I1（或T1）及I2（或T2），即初选 值，然后用式（2-18）求出m，若m为分数值，则取稍大于计算值的整数，再把此m值代入式（2-17），求出新的 值，将此 值代入式（2-16），可算出各级起动总电阻； 值代入式（2-19），可算出各级分段电阻。（2）起动级数

23、m已定：这时只要先选定I1（或T1）的数值，算出Rm=UN/I1，再将Rm和m的数值代入式（2-17），算出 值，按式（2-16），可算出各级起动总电阻；按式（2-19），可算出各级分段电阻。 第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 制动，就是使拖动系统从某一稳定转速很快减速停车。 电气制动方法分为：能耗制动、反接制动和回馈制动三种。 采用电气制动的方法，即由电动机本身产生一个与转动方向相反的电磁转矩(即制动转矩)来实现制动。 电气制动的优点：制动转矩大，制动时间短，便于控制，容易实现自动化。 a） 原理图 b） 机械特性 图 2-13 能耗制动过程 一、能耗制动一、能耗制动1

24、.1. 制动原理制动原理 开关K合向上方时，电机运行于电动状态。电枢电流Ia的方向与电动势Ea的方向相反，转矩T与转速n方向相同。电机工作在图2-13b中的A点。制动时，保持励磁不变，把开关K合向下方，使电机脱离电源，同时电枢接到制动电阻Rn上。 制动开始瞬间，由于惯性，转速n仍保持与原电动运行状态相同的方向和大小，Ea的方向与大小也与电动状态相同。T为制动转矩，电动机工作在制动状态，使系统较快地减速。 0, 0aTnaaaICTRREI1因U=0 , 则：当n=0时, Ea=0 , Ia=0 , T=0 , 制动过程结束。2. 2. 机械特性及制动电阻计算机械特性及制动电阻计算 对应的机械特

25、性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图2-13b。 如果制动前电动机在固有机械特性的A点稳定运行。开始制动瞬间，转速n不能突变,电动机从工作点A过渡到能耗制动机械特性的B点上。 机械特性的方程式：2aneTNRRnTC C 因B点电磁转矩TB0，拖动系统在转矩(TBTL) 的作用下迅速减速，运行点沿特性下降，制动转矩逐渐减小，直到原点，电磁转矩及转速都降到零，拖动系统停止运转。 制动电阻Rn愈小，机械特性愈平，TB的绝对值愈大，制动就愈快，但Rn又不宜太小，否则电枢电流IB和TB将超过允许值。 若将制动开始时的IB限制在最大允许值Imax ,电枢回路外串电阻的最小值为:aanRIERmax式中,

26、 Ea制动开始时电动机的电枢电动势； Imax制动开始时最大允许电流，应代入 负值。 能耗制动时，若电机拖动的是位能负载，当电机减速到原点时，由于 n=0，T=0，在位能负载作用下：TTL0，转速n0，T与n方向相反，T为制动性转矩，这种稳态运行状态称为能耗制动运行。能耗制动运行时电枢回路串入的制动电阻不同，运行速度就不同，改变制动电阻Rn的大小，可获得不同的下放速度。 3 3.能量关系能量关系图2-14 能耗制动过程的功率流程图 电磁功率 ：0TIEPaaM 表明电机从负载处吸收机械功率后，扣除空载损耗功率，其余的全部消耗在电枢回路的电阻上。0)(2MnaacuPRRIP01aUIP ,表明

27、电机与电源没有能量交换表明电机要从负载处吸收机械功率 McuPPP1而： 则电枢回路的铜损耗 ：例例2-2 2-2 一台他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=40kW, UN=220V, IN=210A, nN=1000r/min，电枢内阻Ra=0.07。试求：（1）在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流 等于2IN时，电枢应外接多大电阻（2）求出它的机械特性方程式（3）如果电枢直接短接，制动电流应多大（4）当电动机拖动位能负载，TL=0.8TN，要求在 能耗制动中以800r/min的稳定转速下放重物， 求电枢回路中应串接的电阻值解：（1）额定负载时，电动机电动势 按要求 能耗制动时，电枢应外接

28、电阻 220 210 0.07205.3VaNNNNEUI Rmax22 210420ANII max205.30.070.419420anaERRI（2）机械特性方程式 所以机械特性方程式为205.30.20531000aNeNNECn9.559.55 0.20531.96TNeNCC20.070.4191.2150.2053 1.96aneTNRRnTTTC C （3）如果电枢直接短接，则制动电流为 此电流约为额定电流的14倍，由此可见能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。（4）当TL=0.8TN时，电机稳定下放重物时电 枢电流为205.32933A0.07aaaEI

29、R 有关数据代入能耗制动机械特性方程式得0.80.8 210168ALaNTNTNTTIICC0.078001680.2053nR 0.9nR 二、反接制动二、反接制动1.1.转速反向的反接制动转速反向的反接制动图2-15 转速反向的反接制动线路图及机械特性 a） 原理图 b） 机械特性 (1)制动原理 这种制动方法一般发生在拖动位能性负载由提升重物转为下放重物的情况 。 提升重物时，运行在电动状态下机械特性a点上，转速为na , 负载转矩为TL , 电磁转矩Ta=TL 。 如果电动机电源方向保持不变，在电枢回路中串入足够大的电阻Rf ，使机械特性变为曲线2。 串入电阻Rf 瞬间，转速不能突变

30、，电枢电流和转矩突然减小，工作点由a点突变到对应的人为机械特性b点上，这时由于TbTL ,电动机减速，减速到c点：n=0，重物停止提升，电动状态减速过程结束。 在c点，电磁转矩Tcn01，所以EaU1，电枢电流将改变方向, Ia0，电磁转矩T0 ，T与n 的方向相反，成为制动转矩，功率U1Ia、EaIa 都为负值，表示此时电机作发电机运行，电动机进入回馈制动状态。 在T与TL作用下，电动机减速，运行点沿机械特性2变化。 至C点，n=n01，Ea=U1，Ia及T均降到零，回馈制动结束。此后，系统在负载转矩TL的作用下继续减速，电动机的运行点进入第象限 , nn01 , EaU1 ，Ia及T均变为

31、正，电动机又恢复为正向电动状态，但由于T0，T与-n的方向相反，变为制动转矩，电机进入回馈制动状态。 随着反向转矩增加，电磁转矩T不断增大,制动作用不断加强，直到e点，T=TL，电机稳定运行, 重物以恒定的转速下放。（2 2）能量关系）能量关系 与正向回馈制动时相同（3 3）机械特性）机械特性02afeTNRRnnTC C 在电动机拖动位能负载进行电压反接制动，直到稳定运行的全过程中，电动机要经过电压反接制动、反向电动和回馈制动三种运行状态。 注意：反向回馈制动方法仅仅在下放轻的 物体或者空载时才采用。 例例2-3 2-3 一台他励直流电动机的数据为PN=22kW, UN=220V, IN=1

32、15A, Ra=0.1, ，最大允许电流 Iamax 2IN ，原在固有特性上运行，负载转矩TL=0.9TN，试计算：（1）电机拖动反抗性恒转矩负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的最小电阻为多少？min/1500rnN（2）电机拖动反抗性恒转矩负载，采用电源 反接制动停车，电枢回路应串入的最小 电阻为多少？（3）电机拖动位能性恒转矩负载，例如起重 机。当传动机构的损耗转矩T=0.1TN ， 要求电动机以n = -200r/min 恒速下放重物, 采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大 电阻？该电阻上消耗的功率是多少？ （4）电机拖动同一位能性负载，电动机运行在n = -1000r/min ，

33、恒速下放重物，采用转速反向的反接制动，电枢回路应串入多大电阻？该电阻上消耗的功率是多少？（5）电机拖动同一位能性负载，采用反向回馈制动下放重物，稳定下放时电枢回路中不串电阻，电动机的转速是多少？解： 先求 、 及 NeC 0nNn139. 015001 . 0115220NaNNNenRIUCmin/1583139. 02200rCUnNeNmin/83150015830rnnnNN稳定运行时，电磁转矩等于负载转矩0.90.9 9.550.9 9.55 0.139 115137.4N mLNeNNTTTCI（1）能耗制动停车，电枢应串电阻的计算： 能耗制动前，电动机稳定运行的转速为min/15

34、084 .137139. 055. 91 . 0139. 0220)(55. 922rTCRCUnNeaNeN0.139 1508209.6VaeNECn)(0naaaRRIEn能耗制动时，应串电阻：max209.60.10.8112 115anaaERRI （2） 电源反接制动停车，电枢回路应串入电阻的计算：)(faaaNRRIEU768. 11 . 01152)6 .209220(maxaaNfRIEUR（3） 能耗制动运行时，电枢回路应串入电 阻及消耗功率的计算：采用能耗制动下放重物时，0NU， 负载转矩变为： NNNLLTTTTTT7 . 01 . 029 . 0212稳定下放重物时，

35、 2LTT ，此时电枢电流为：A5 .801157 . 07 . 07 . 02NNTNNTLaICTCTI 对应转速为200r/min时的电枢电势： V8 .27)200(139. 0nCENea 电枢回路中应串入的电阻值 ：245. 01 . 05 .808 .27aaanRIER电阻上消耗的功率：nRW1588245. 05 .8022naRRIP（4） 转速反向的反接制动运行时，电枢回路 应串入电阻及消耗功率的计算：转速反向的反接制动运行时，电压方向没有改变，电枢电流仍为对应转速为1000r/min时的电枢电势： NI7 . 0V139)1000(139. 0nCENea电枢回路中应串

36、入的电阻值：220( 139)0.14.3680.5NacaaUERRI 电阻上消耗的功率为2280.54.3628254W28.254KWRaCPI RcR（5）反向回馈制动运行时，电动机转速的计算： 下放重物时,电枢电流为0.7IN 外串电阻Rc=0 ，电压反向min/1641139. 01 . 05 ,80220rCRIUnNeaaN第五节第五节 直流电动机电力拖动系统的直流电动机电力拖动系统的 动态特性动态特性 以电机拖动系统的运动方程式为基础，应用数学解析方法，研究直流电机拖动的动态过程，掌握其动态特性。一、电机拖动系统动态过程的基本概念一、电机拖动系统动态过程的基本概念1.1.动态

37、过程的基本概念动态过程的基本概念 系统将从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态，这样的的动态运行过程称为过渡过程，即动态过程。 电机拖动系统的过渡过程分为两种： 机械的过渡过程，它只考虑系统的机械惯性对各参量变化过程的影响，而对影响较小的电磁惯性忽略不计。 电气-机械的过渡过程，它同时考虑机械特性和电磁惯性的影响。 2.2.研究动态过程的目的研究动态过程的目的 分析动态过程，掌握系统各参数变化规律 ，设法缩短过渡过程的时间，探讨减小动态过程损耗的途径，正确选择电动机的容量。 由于多数情况下，机械惯性的影响远大于电磁惯性的影响，为简化分析，略去电磁惯性的影响，只考虑机械惯性对过渡过程的影响。

38、同时假设在过渡过程中： （1）电源电压U恒定不变； （2）磁通恒定不变； （3）负载转矩TL保持常数不变。 二、他励直流电动机的动态特性二、他励直流电动机的动态特性 电力拖动系统的过渡过程是电动机的运行点从过渡过程的起始点开始，沿着电动机的机械特性曲线向稳态点变化的过程。 起始点是机械特性上的一个点，对应着过渡过程开始瞬间的转速。 稳态点是过渡过程结束后的工作点。A点为起始点：转速 nqs ，电磁转矩 Tqs ；B点为稳态点：转速nL , 电磁转矩 TL 。图 2-20 机械特性上AB的过渡过程0nnT 电动机的机械特性方程式为： 以上两式都表达了系统中电动机的电磁转矩与转速的关系，将前式代入

39、后式，得 ：1.转速n的变化规律n=f(t)2375LGDdnTTdt已知电力拖动系统的运动方程式为从A点到B点沿着曲线进行的动态特性分析:LmdnnnTdt式中，n0-TL 为过渡过程结束后电动机转速的稳态值nL。 令 ，因此上式可写成即： 2375mGDTmLdnTnndt2200()375375LLGDdnGDdnnnTnTdtdt式中， 稳态点的转速；22375mTNGDRTCeCLn 机电时间常数， ； 电枢回路总电阻。LmdnnnTdt LmdndtnnTmTR用分离变量法求微分方程通解 则 式中，K、C均为常数，由初始条件决定。将初始条件t=0 , n=nqs 代入上式得 于是可

40、得：/mmt TCt TLnneKeqsLKnnln()LmtnnCT 上式两边积分得/()mt TLqsLn nnn e变化曲线如图2-21a所示。 a）n=f (t ) b）T=f (t ) 图 2-21 过渡过程曲线 c）Ia=f (t )2.转矩的变化规律T=f (t )代入转速方程，整理后得表达式为： mTtLqsLeTTTT/)( 从图2-20所示机械特性，可得T与n的对应关系为：000LLqsqsnnTnnTnnT变化曲线如图2-21b所示。 3.电枢电流的变化规律Ia=f (t )mTtLqsLaeIIII/)(由转矩基本表达式得：TeaLTeLqsTeqsTCITCITCI代

41、入转矩方程，整理后得表达式为： 变化曲线如图2-21c所示。 4.过渡过程时间 从起始值到稳态值，理论上讲需要时间t=, 但实际上当t = (34)Tm时，各量就达到95%98%的稳态值，这时就可以认为动态过程已经结束。 工程上普遍认为过渡过程时间为4Tm，即Tm决定过渡过程时间的长短。 LLqsmTTTTTtXXlnLLqsmIIIITtXXln 若已知T=f(t)及X点的转矩X ，经数学运算得： 若已知Ia=f (t )及点的电流IX ，经数学运算得： 在工程设计中，有时需要计算过渡过程中各量达到某一数值时所经历的时间。1.1.起动过程的动态特性起动过程的动态特性 图2-22a为他励直流电

42、动机电枢串电阻起动时的机械特性。 S点是起动过程的初始点，其转矩T=Ts，电流I=Is，转速n=0； A点是起动过程结束的稳态点，其转矩T=TL，电流I=IL，转速n=nA。三、他励直流电机起动过程的动态特性三、他励直流电机起动过程的动态特性mmmTtLSLaTtLSLTtAAeIIIIeTTTTennn/)()(22375TeCamCCRRGDT式中， 把S点与A点的数据代入相应公式即可得到过渡过程中，n=f(t)、T=f(t)和I=f(t)的数学表达式： 图 2-22 起动时的过渡过程 相应的过渡过程曲线如图2-22b、c 所示。2.2.机电时间常数机电时间常数Tm的物理意义的物理意义mT

43、tmAeTndtdn/对转速公式(2-37)进行微分可得 由式可知，在t=0时，其加速度为最大。将t=0代入上式，可得起动初始加速度为 mAtTndtdn0 如果电动机的转速一直按t=0处的加速度直线上升，则达到稳态转速n所需的时间就是Tm，这就是Tm的物理意义。图2-23 机电时间常数的物理意义减小Tm的主要方法是减小系统总飞轮矩GD23.3.缩短过渡过程的方法缩短过渡过程的方法缩短过渡过程的方法有二： （1）减小机电时间常数Tm1）选用专门设计制造的小惯量电动机， 其特点是电枢细长，GD2小； 2）采用双电动机拖动，即用两台容量为系 统所需总容量的1/2的电动机，同轴硬联 接后共同拖动负载

44、，可减小飞轮矩。(2)改善起动电流的波形 图2-24 理想起动时电流、转速曲线如能保持Ia=常数，即可以保持dn/dt=常数的理想情况，则起动过程时间就由4Tm 减小为Tm 。 动态特性的起始点和稳定点的参数值，是机械特性上两个稳定点的坐标。 从n=f(t)和T=f(t)曲线上消去同时起作用的时间变量t，就可获得机械特性n=f(T)曲线。 机械特性表征同一时间下电流（或转矩）和转速间的关系，而动态特性则表征了它们随时间变化的规律。 4.4.动态特性和机械特性的关系动态特性和机械特性的关系1.1.位能性恒转矩负载能耗制动动态特性位能性恒转矩负载能耗制动动态特性 他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载

45、进行能耗制动时的机械特性如图2-25a，其中曲线1为电动机的固有机械特性，曲线2为能耗制动的机械特性，曲线3为位能性负载的机械特性。 四、他励直流电机制动过程的动态特性四、他励直流电机制动过程的动态特性图 2-25 位能性负载下能耗制动的过渡过程曲线 能耗制动过程的起始点为B点，系统是以nB 和-TB等参数进入过渡过程的，最终的稳定点为C点，系统最后将以nc和TL等参数稳定运转。据此即可确定 n=f(t) 的起始值为nB ，稳态值为- nc 。而T=f(t)的起始值为- TB ，稳态值为TL ，代入到过渡过程的一般公式,得到: ()()mmtTCBCtTLBLnnnneTTTT e 可绘出动态

46、特性曲线 n=f(t) 和 T=f(t) ，如图2-25b、c所示。 如果能耗制动只用于停车，那么从B点开始，制动到O点 n=0时，应采用机械闸将电机制动住。这时过渡过程为BO，C点为虚稳定点。2.2.反抗性恒转矩负载能耗制动动态特性反抗性恒转矩负载能耗制动动态特性 他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行能耗制动时的机械特性如图2-26a，其中曲线1为电动机的固有机械特性，曲线2为能耗制动的机械特性，曲线3和4是反抗性负载的机械特性。 图 2-26 反抗性负载下能耗制动的过渡过程曲线 能耗制动过程的起始点为B点，到坐标原点O点时，n=0，T=0，过渡过程结束。 由于反抗性恒转矩负载在n=0时要

47、发生突变，n0时为TL，n0时为-TL，这与推导过渡过程一般式时TL=常数的假定条件不符。 为了计算过渡过程，可假想负载机械特性延长到第象限，使它与电动机的能耗制动机械特性相交于C点，如图2-26a中的虚线。 假如在O点负载转矩不发生突变，仍为 ， 那么，过渡过程就将从初始点B经过中间点O一直进行到稳定点C，这与电动机拖动位能性恒转矩负载进行能耗制动的情况完全一样，计算公式也与式（2-41）相同。LT 但实际的能耗制动停车过渡过程仅是从B到O的这一段，到O点时，n=0，T=0，因负载转矩突变，过渡过程中断了，并非是一个完整的过渡过程，所以对能耗制动停车的过渡过程来说，式（2-41）仅在n0及T

48、0的范围内才适用。从OC这段过渡过程并未实现，是假想的结果，因此把C点称为虚稳定点。 据此，拖动反抗性恒转矩负载进行能耗制动停车的过渡过程可表示为)0()()0()(TeTTTTnennnnmTtLBLmTtCBC 动态特性曲线n=f(t)和T=f(t)，如图2-26b及c的实线所示。由于OC这段过渡过程实际并未实现，所以在图中这段过渡过程曲线用虚线表示。 制动时间的求取： 把初始点B、稳定点C、终了点O的转速值代入式（2-34），可得到制动时间为CCBmnnnTtln0LLBmTTTTtln0也可以根据=f(t)曲线求出3.反抗性恒转矩负载电压反接制动过程反抗性恒转矩负载电压反接制动过程 动

49、态特性动态特性 他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行反接制动时的机械特性如图2-27a所示。其中曲线1为电动机的固有机械特性；曲线2为电动机反接制动机械特性；曲线3为n0时的负载机械特性；曲线4为n0时负载的机械特性。 图2-27反抗性恒转矩负载下反接制动的过渡过程曲线 1） 如果反接制动只用于停车，过渡过程为BE这一段，当过渡过程进行到E点时，n=0 ,应立即断电抱闸。 在反接制动停车BE这一段过渡过程中，B点为起始点，E为终了点，C点为虚稳态点，起始值nB，稳态值为-nC 。而=f(t)的起始值为-TB，稳态值为TL 。代入到过渡过程的一般公式得到反抗性恒转矩负载进行反接制动停车的过渡过

50、程为： 可绘出动态特性曲线n=f(t) 和=f(t) ，如图2-27b及c中BE段实线所示。从E点到虚稳态点C这段实线并未实现。 )0()()0()(TeTTTTnennnnmTtLBLmTtCBC制动到n=0的时间t0为 CCBmnnnTtln0LELBmTTTTTtln0或计算时，nC、TB和TE均应带负值。2）如果反接制动是用于电动机反转，这时应分成两段计算过渡过程。 第一段:BE，计算方法与反接制动停 车时相同。 第二段:E点开始，电动机反向起动， 最后在D点稳定运行。这段过渡过程的E点为起始点，D点为实际的稳态点，其转速的起始值为0，稳态值为-nD。而=f(t)的起始值为TE，稳态值

51、为-TL。 在转速制动到零后，由于电动机的机械特性没有改变，特性斜率未变，因而系统的机电时间常数Tm也不变。代入式（2-29）、式（2-31），得到反抗性恒转矩负载进行反向起动的过渡过程为mTtLELmTtDeTTTTenn)()1 ( 过渡过程曲线n=f(t)和T=f(t)如图2-27b、c中ED这一段。 电动机由正转到反转的过渡过程所经历的时间为：反接制动停车时间t0 加上反向起动时间4Tm 。 由正转到反转的稳定运行，其过渡过程曲线由BE及ED这两段曲线组成。 4.位能性恒转矩负载电压反接制动过程位能性恒转矩负载电压反接制动过程 动态特性动态特性 他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载反接制

52、动的机械特性如图2-28a所示。其中曲线1为电动机的固有机械特性，曲线2为反接制动的机械特性，曲线3为位能性负载的机械特性。 图2-28位能性恒转矩负载下反接制动的过渡过程曲线 反接制动过程的起始点为B点，系统是以nB和-TB等参数进入过渡过程的，最终的稳定点为C点，系统最后将以nC和TL等参数稳定运转。据此即可确定n=f(t) 的起始值nB，稳态值为-nC 。而T=f(t) 的起始值为-TB，稳态值为TL，代入到过渡过程的一般公式得到： 根据上式即可绘出动态特性曲线n=f(t) 和T=f(t)，如图2-28b、c所示。()()mmtTCBCtTLBLnnnn eTTTT e 如果反接制动只用

53、于停车，那么从B点开 始，制动到E点时应立即断电抱闸，这时过渡过程为BE这一段，C点为虚稳态点 。 它与前述拖动反抗性负载反接制动停车的过渡过程是相同的。其动态特性n=f(t)及T=f(t) 与式 (2-45）相同。 大量的生产机械要求在不同情况下工作于不同的速度，这就要求采用一定的方法改变生产机械的工作速度，通常称为调速。 调速方法应用较多的是电气调速，即通过人为地改变电动机参数，使电力拖动系统运行于不同人为特性上。 注意：电气调速和由于负载变化，使电动机在同一条特性上发生的转速变化不同。第六节第六节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速电动机的调速性能，常用下列指标来衡量： 一、调速指

54、标一、调速指标1. 1. 调速范围调速范围 调速范围是指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nmax 与最低转速nmin 之比，用系数D 表示，即 maxminnDn 不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床D=20120，龙门刨床D=1040，轧钢机D=3120，造纸机D=120等。 由式（2-48）可知，要扩大调速范围D，必须提高nmax 和降低nmin ，但nmax 受到电动机的机械强度和换向条件的限制, nmin受到相对稳定性的限制。2. 2. 调速的静差率调速的静差率 调速静差率是指在同一条机械特性上，额定负载时的转速降n 与理想空载转速n0之比，用百分数表示为 000%100%

55、100%nnnnn 电动机的机械特性愈硬,n越小，静差率就愈小，转速的相对稳定性就愈好。 各种生产机械在调速时，对静差率的要求是不同的。3. 3. 调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性是指相邻两级转速之比，用系数表示：1iinn值越接近于1，调速平滑性越好。 在一定范围内，调速的级数越多，则调速的平滑性越好。 不同的生产机械对调速的平滑性要求不同。4. 4. 调速的经济性调速的经济性 调速的经济性是指调速设备的初投资、运行效率及维修费用等。5. 5. 调速时的容许输出调速时的容许输出 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，调速过程中所能输出的功率和转矩。 在电动机稳定运行时，实际输出的功

56、率和转矩由负载的需求来决定，故应使调速方法适应负载的要求。例例2-4: 2-4: 一台他励直流电动机，铭牌数据为 60kW220V=350A1000 / min0.037NNaNaPUInrR， ，生产机械要求静差率 , %20调速范围D=4，最高转速 ,试问采用哪种调速方法能满足要求？ min/1000maxrnNeC 解：解： 计算电动机的 : NeC 207. 01000037. 0350220NaNNnRIU=计算理想空载转速: min/1063207. 02200rCUnNeN 由于 ，所以调速时只能从向下调速，故有两种方法可供选择： Nnnmax（1 1） 电枢串电阻调速电枢串电阻

57、调速 电枢串电阻调速时，n0保持不变，静差率 若想保持 ，则最低转速： 00nnn %20min0(1)=1063=850 /minnnr（1 0.2）调速范围：maxmin10001.176850nDn（2 2） 降压调速降压调速01063100063 / minNNnnnr 降压调速时，理想空载转速发生变化，额定转速降不变 由此可知，采用电枢串电阻调速方法不能满足 的要求。4D 若想保持 ，则最低理想空载转速为 %200min63315 / min0.2Nnnr 对应的最低转速： min0min315 63 252 /minNnnnr 此时调速范围：maxmin1000=3.9684252

58、nDn 由此可知，采用降压调速方法可满足调速性能指标的要求。 二、调速的方法二、调速的方法他励直流电动机机械特性的一般公式: 人为地改变U 、电枢回路外串电阻Rc、主磁通，都可以在相同的负载下，得到不同的转速n 。因此，他励直流电动机的调速方法有降压调速、串电阻调速和弱磁调速三种。 2aceeTURRnTCC C1.1.电枢串电阻调速电枢串电阻调速他励直流电动机保持电源电压和主磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值时，可以得到如图2-29所示的一簇人为机械特性。 图2-29 电枢串电阻调速时的机械特性 电枢串电阻调速时，如果负载转矩TL为常数，电动机稳定运行时，由于电磁转矩都与负载转矩相等，因

59、此电枢电流 即Ia与n无关。若 TL=TN，则Ia将保持额定值IN不变。 LaTNTIC常数 外串电阻Rc只能分段调节，所以这种调速方法不能实现无级调速。 优点：设备简单，初投资少。 缺点：属于有级调速，且级数有限，平 滑性差； 轻载时，调速范围小； 低速时,低，电能损耗大； 低速运行时，转速的稳定性差。 适合场合：用于各种对调速性能要求不高的设备上。2.2.降低电源电压调速降低电源电压调速 保持他励直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串电阻，若将电源电压降低，为U1、U2 、U3等不同数值时，则可得到与固有机械特性相互平行的人为机械特性，如图2-30所示。 图2-30 降低电源电压时的机械特

60、性 降低电源电压调速时，=N是不变的，若电机拖动恒转矩负载，稳定运行时，电磁转矩T=TL=常数，电枢电流为 ：如果T=TL，则Ia=IN不变，与转速无关。 LaTNTIC常数降低电源电压调速需要独立可调的直流电源。 优点：电源电压能连续调节，调速的平滑 性好，可达到无级调速； 无论是高速还是低速，机械特性硬 度不变，因此低速时稳定性好； 低速时电能损耗小，效率高。缺点：设备的初投资大。 适用场合：降压调速是一种性能优越的调速 方法，广泛应用于对调速性能要 求较高的设备上。3.3.减弱磁通调速减弱磁通调速 保持他励直流电动机的电源电压为额定值，电枢回路不外串电阻，在电动机励磁电路中串接可调电阻，