机电驱动控制技术第二章_465904656

1、2.1 2.1 直流电动机的基本结构和工作原理直流电动机的基本结构和工作原理 直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置.直流电机可以作为发电机直流电机可以作为发电机,将电能转换为机械能将电能转换为机械能,也可以作为电也可以作为电动机动机,将机械能转换为电能将机械能转换为电能.2.1.1 2.1.1 直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构主磁极主磁极换向极换向极电刷装置电刷装置机座等机座等电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴等转轴等直流电机由两大部分组成：直流电机由两大部分组成：转子（转动部分或称电枢）转子（转动部分或称电枢）

2、定子（静止部分）定子（静止部分）基本构造定、转子1. 1. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 2.1.2 2.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的.2. 2. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机的模型和直流发电机的模型相同直流电动机的模型和直流发电机的模型相同, ,不同不同的是的是, ,直流电动机不利用原动机拖动电枢直流电动机不利用原动机拖动电枢. . 工作原理总结： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动

3、机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。直流电机铭牌直流电动机型 号 Z272 产品编号 7001结构类型 _ 励磁方式 他励功 率 22kW 励磁电压 220V电 压 220V 工作方式 连续电 流 116.3A 绝缘等级 B级转 速 1500r/min 重 量 _kg标准编号 JB1104-68 出厂日期 _年_月WPPNNk1619 . 01451AUPINNN4 .63023010 x1453W

4、PPNNk8 .1779 . 01601AUPINN1 .80822010 x8 .17731MNnPPTNNNNN.7 .101855. 924 4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：直流电机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 1他励式：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小他励式：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。 2. 自励电机：励磁电流由电机电枢提供。自励电机：励磁电流由电机电枢提供。自励式自励式并励式并励式串励式串励式复励式复励式 定义：电机励

5、磁电流的供给方式定义：电机励磁电流的供给方式他励并励串励复励极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。2Dp2zp换向器片数： =Sz 电枢绕组的元件及在槽内的放置情况a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽1元件边；2首端；3末端；4有效部分；5端接部分；6元件边第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。2y合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 y yy yk kky21yyy单叠绕组单波绕组 y

6、yy y1 1 y y 2 2 单叠绕组的节距 单叠绕组的电路图和并联支路数单叠绕组的电路图和并联支路数单叠绕组的的特点：1） ap。 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）Ia2ia 。电枢电流等于各支路电流之和。3）并联支路恒等于电机主机数。三、单波绕组 两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾边所接的换向片落在与起始的换向片相邻的左边的位置。单波绕组展开图 1KKyyP单波绕组的并联支路图1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为a1，与磁极对数无关；2）电枢电流等于两条支路 电流之和。思考题思考题: :1.1.直流

7、电机的换向极的数目是否等于主磁极的数目？直流电机的换向极的数目是否等于主磁极的数目？2.2.直流电机有那些励磁方式？直流电机有那些励磁方式？lavB60np2v60np2avEnCEeaaavavlfIB242eaaTaZpZTpIICIaab1098. 62W2 .591416. 3121862a2pNCTAUPINNNN331915. 0330101003 62 .592NICTNNTN?rxeeeAAUPINNNN65.2184. 0220104372184 uZZi72iZKS根根115272822SNNy1kyy18047221pZyi191718112或y

8、yy62p62a4013360780360apNCemin/1200min)/(403030rrnVVnCEE5 .61112000392. 013eCnE min/900 rn VVE6 .4585 .6111200900ECE0435. 0VVE9 .5086 .4580392. 00435. 0fIemTaTemICTaIEaaCRIUn2PaIaUIP 1aI1P2PaIfI2TemTaIURIaa2PaIfI)(aaRIU ECfI22nT emT2naI2naI)(aaRIU EaaCRIUn/ )(aINNNIUP AUPINNN5 .509 . 0/220/10000/NeaN

9、NaNnCVRaIUE5 .16915 .50220eNaNCnE1695. 01000/5 .169/min;/8821695. 0/5 .149/,5 .14915 .5020011rCEnnCVRaIUEeaeaNaVNnCE6 .204na60peaAEUI74R-aaam38.9660n2aaememNIEPTWUIP16280a1WPPF12574p-p-meem2WPP1706-p21%5 .89p-1112PPPeaae-nCIRCUeCUn 0eCRna242eaaTaZpZTpIICIaa112p-1PPP2 23 3 直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 一、

10、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 电动机的机械特性指的是电动机的机械特性指的是转速与轴上输出转矩转速与轴上输出转矩之间的关系。之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分aaaUEI RaeECnmaTCI(210)aeemRUnTCCC2TTaaaUEI RaeECnmaTCI2TT

11、不考虑电枢反映的影响，则不考虑电枢反映的影响，则每极磁通为常数，若电枢电每极磁通为常数，若电枢电压为额定，则对应的机械特压为额定，则对应的机械特性如图所示：性如图所示：(210)aeemRUnTCCC模型模型1. 理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。 根据机械特性可知：根据机械特性可知：2. 转速降落转速降落 3. 机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念理想空载点理想空载点0eUnC02aemRnnTC CdTdn二、固有机械特

12、性二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T) 即即: 是一条直线。是一条直线。 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出出(0,n0 )和和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压、额定电压 UN 、额、额定电流定电流IN和额定转

13、速和额定转速 nN。 固有机械特性的计算步骤如下。固有机械特性的计算步骤如下。 NaeNeNmNURnTCCC (1) 估算电枢电阻估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗约占总损耗 PN的的50%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75. 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 输输入入功功率率输输出出功功率率式中：式中： NNNNIUP 是额定运行条件下电动机的效率，且此时是额定运行条件下电动机的效率，且此时 NaII 故得故得 NNNNNa)1)(75. 05 . 0(IUIUPR (2) 求求 额定运行

14、条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为： 故故 (3) 求理想空载转速求理想空载转速: 得得 00 n, (4) 求额定转矩求额定转矩: NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT根据根据 、00 n, NN,nT两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 。Tfn eCaNe NNNNaECnUI RNNaeNNUIRCn0NeNUnC三、人为机械特性三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁和励磁磁通通的大小以及电枢回路串接附加电阻的大小以及电枢回路串接附加电

15、阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。 1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 NN, UU电压平衡方程式为：电压平衡方程式为： 得到的人为机械特性方程式为：得到的人为机械特性方程式为： ()NaaaadUEIRRNaadeNeNmNURRnTCCC 特性变软特性变软空载速度不变；空载速度不变；随着电阻的增加，转速降落增加；随着电阻的增加，转速降落增加；NaeNeNmNURnTCCCNaadeNeNmNURRnTCCC2. 改变电枢电压改变电枢电压U时的人为特性时的人为特性 0,adN R 由于电动机电枢绕组绝缘由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电

16、枢电压只耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。在固有特性曲线之下。空载速度随着空载速度随着U的减小而减小；的减小而减小；转速降落不变；转速降落不变； 特性硬度不变特性硬度不变NeNeNmNURnTCCCeNeNmNURnTCCC 3改变磁通改变磁通 时的人为特性时的人为特性 0,adN RUU转速降随磁通的改变而变化。转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；理想空载转速随磁通的改变而变化； 特性变软特性变软NeNeNmNURnTCCCNeemURnTCCC由于励磁线

17、圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：当磁通过分削弱后： （2）当）当 0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常，通常称为称为“飞车飞车”； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流

18、，在运转过程因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护。保护。 （1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；2-4 2-4 机电传动系统的理论基础机电传动系统的理论基础机电传动系统的运动方程式；机电传动系统的运动方程式； 了解几种典型生产机械的负载特性；了解几种典型生产机械的负载特性； 了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际了解机电传

19、动系统稳定运行的条件以及学会分析实际系统的稳定性。系统的稳定性。一一 单轴拖动系统的运动方程式单轴拖动系统的运动方程式 一、单轴拖动系统的组成一、单轴拖动系统的组成 电动机电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由电动机通过连接件直接与生产机械相连，由电动机M产生输产生输出转矩出转矩TM，用来克服负载转矩，用来克服负载转矩TL ，带动生产机械以角速度，带动生产机械以角速度（或速（或速度度n）进行运动。）进行运动。电动机电动机电动机的驱动对象电动机的驱动对象连接件连接件系统结构图转距方向 二、运动方程式二、运动方程式 在机电系统中，在机电系统中，TM、TL、 （或（或n)之间的函数关系称为之间的函

20、数关系称为运动方运动方程式程式。 根据动力学原理，根据动力学原理，TM、TL、 （或（或n)之间的函数关系如下：之间的函数关系如下：tnJtJTTdd602ddLM 运动方程式运动方程式dLMTTT 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 TM 电动机的输出转矩（电动机的输出转矩（N.m）;TL 负载转矩（负载转矩（N.m）;J 转动惯量（转动惯量（kg.m2）; 角速度（角速度（rad/s）；）；n 速度（速度（r/min）；）；t 时间（时间（s ）; tnJtJTdd602ddd 动态转矩（动态转矩（N.m）。）。 三、传动系统的状态三、传动系统的状态 根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动

21、状态：根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态：:. 1LM时）时）稳态（稳态（TT 0ddd tJT 即即 0dd t，为常数，传动系统以恒速运动。为常数，传动系统以恒速运动。 TM =TL时时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。 时时）：动动态态（LM. 2TT 时时：LMTT 0ddd tJT 即即 ,0dd t 传动系统加速运动。传动系统加速运动。时时：LMTT ,0ddd tJT 即即,0dd t 传动系统减速运动。传动系统减速运动。 TM TL 时时传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为动传动系统处于加速或减速运动的这种状

22、态被称为动态态。四、四、TM、TL 、n的参考方向的参考方向(2) 因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以（或（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。）的转动方向为参考来确定转矩的正负。 当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同时的方向相同时，取与取与n相同的符号；相同的符号； 1. TM的符号与性质的符号与性质 当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相反时的方向相反时，取与取与n相反的符号；相反的符号； 当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同（符号相同）时的方向相同（符号相同）时， TM为为拖

23、动转距，否则为制动转距。拖动转距，否则为制动转距。 拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。 当当TL的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同时的方向相同时，取与取与n相反的符号；相反的符号； 2. TL的符号与性质的符号与性质 当当TL的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相反时的方向相反时，取与取与n相同的符号；相同的符号； 当当TL的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同（符号相反）时的方向相同（符号相反）时， TL为拖为拖动转距，否则为制动转距。动转距，否则为制动转距。举例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。举例：如图所示电动机拖动重物上升和下

24、降。 设重物设重物上升上升时速度时速度n的符号的符号为为正正，下降下降时时n的符号为的符号为负负。 当重物上升时：当重物上升时： TM、TL、n的方向如图（的方向如图（a）所示。运动方程式为：所示。运动方程式为：tnJTTdd602LM 因此重物上升时，因此重物上升时，TM为拖动转矩，为拖动转矩，TL为制动转矩。为制动转矩。当重物下降时：当重物下降时： TM、TL、n的方向如图（的方向如图（b）所示。运动方程式为：）所示。运动方程式为：tnJTTdd602LM 即：即： tnJTTdd602ML 因此重物下降时，因此重物下降时，TM为制动转矩，为制动转矩，TL为拖动转矩。为拖动转矩。TM为正，

25、为正，TL为正。为正。TM为正，为正， TL为正。为正。2 25 5 生产机械的机械特性生产机械的机械特性 在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。械的机械特性。 一、恒转矩型机械特性一、恒转矩型机械特性 恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种。恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种。分别如图所示：分别如图所示：1反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下： 作用方向始终与速度作用方向始终与速度n的方向相反，当的方向相反，当n的方向发生变化的方向发生变化

26、时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。总是阻碍运动的。转矩大小恒定不变；转矩大小恒定不变； 按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速n取相同的取相同的符号，即符号，即n为正方向时为正方向时TL为正，特性在第一象限；为正，特性在第一象限；n为负方向时为负方向时TL为为负，特性在第三象限。负，特性在第三象限。2位能转矩位能转矩 , 其特点为：其特点为：转矩大小恒定不变；转矩大小恒定不变；作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而作用方向不变，与运动方向无关，即

27、在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。在另一方向促进运动。 卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动机拖动重物上升时，机拖动重物上升时，TL与与n的方向相反；当重物下降时，的方向相反；当重物下降时，TL和和n的的方向相同。方向相同。 假设假设n为正时为正时TL阻碍运动，则阻碍运动，则n为负时为负时TL一定促进运动，特性一定促进运动，特性在第一、四象限。在第一、四象限。 不难理解，在运动方程式中，反抗转矩不难理解，在运动

28、方程式中，反抗转矩TL的符号总是与的符号总是与 n 相相同；位能转矩同；位能转矩TL的符号则有时与的符号则有时与n 相同，有时与相同，有时与n相反。相反。二、离心式通风型机械特性二、离心式通风型机械特性 离心式通风型机械特性是按离心力离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩它们的负载转矩TL的大小与速度的大小与速度n的平的平方成正比，即：方成正比，即：2LCnT 其中：其中：C为常数。为常数。三、直线型机械特性三、直线型机械特性 直线型机械特性的负载转矩直线型机械特性的负载转矩TL的的大小与速度大小与速度n的大小成正比

29、，即的大小成正比，即 ：CnT L其中：其中：C为常数。为常数。 恒功率型机械特性的负载转矩恒功率型机械特性的负载转矩TL的大小与速度的大小与速度n的大小成正比，的大小成正比，即即 nCT L其中：其中：C为常数。如图所示。为常数。如图所示。四、恒功率型机械特性四、恒功率型机械特性 2.6 2.6 机电系统稳定运行的条件机电系统稳定运行的条件 机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求是

30、合。特性配合好的一个起码要求是系统能稳定运行系统能稳定运行。 一、机电系统稳定运行的含义一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能一定速度匀速运行；系统应能一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。速度。 二、机电系统稳定运行的条件二、机电系统稳定运行的条件 从从Tn坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线 n=f(TM)和生和生产机械的机械特性曲线产机械

31、的机械特性曲线 n=f(TL)必须有交点，交点被称为必须有交点，交点被称为平衡点平衡点。 2. 充分条件充分条件 系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：当干扰使速度上升时，有当干扰使速度上升时，有 TMTL 。这是稳定运行的充分条件。这是稳定运行的充分条件。 符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。 1. 必要条件必要条件 电动机的输出转矩电动机的输出转矩TM和负载转矩和负载转矩TL大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 分析举例分析举例 a、b两点是否两点是否为稳定平衡点？为稳定平衡点？a

32、点点： 0LM TT 当负载突然增加后当负载突然增加后0LM TT0LM TT 当负载波动消除后当负载波动消除后0LM TT 故故a点为系统的稳定平衡点。点为系统的稳定平衡点。 同理同理b点不是稳定平衡点。点不是稳定平衡点。 异步电动机异步电动机的机械特性的机械特性生产机械生产机械的机械特的机械特性性交点交点a交点交点b0LM TT 如图所示，曲线如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点b，即拖动系统有一，即拖动系统有一个平衡点。个平衡点。b点符合稳定运行的条件

33、，因此点符合稳定运行的条件，因此b点为是稳定平衡点。此点为是稳定平衡点。此系统能在系统能在b点稳定运行。点稳定运行。练 习 题1机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转矩和负载转矩机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转矩和负载转矩 a. 大小相等大小相等 b. 方向相反方向相反 c. 大小相等，方向相反大小相等，方向相反 d. 无法确定无法确定2. 某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩，则系统正处于某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩，则系统正处于 a. 加速加速 b. 减速减速 c. 匀速匀速 d. 不确定不确定 3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向在

34、单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向与转速的方向相同，则系统正处于与转速的方向相同，则系统正处于 a. 加速加速 b. 减速减速 c. 匀速匀速 d. 静止静止 4在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速相反，则系统正处于相反，则系统正处于 a. 加速加速 b.减速减速 c.匀速匀速 d.静止静止 33 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 一、启动特性一、启动特性 他励直流电动机在

35、轴上带有负载时，从他励直流电动机在轴上带有负载时，从静止状态到某一转速稳静止状态到某一转速稳定运行定运行，这整个过程称为启动过程。，这整个过程称为启动过程。 对直流电动机而言，在未启动之前对直流电动机而言，在未启动之前n=0 , E=0, 而而Ra一般很小。一般很小。在静止的电枢绕组上施加额定电压时，启动电流为：在静止的电枢绕组上施加额定电压时，启动电流为：aNst/ RUI 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（1020）倍。）倍。过大的启动电流危害很大：过大的启动电流危害很大： （1） 对电动机本身的影响：对电动机本身的影响： 使电动机在换

36、向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子； （2） 对机械系统的影响：对机械系统的影响： 与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩动态转矩很大，很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；击，使机械传动部件损坏； （3）对供电电网的影响：）对供电电网的影响： 引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。 因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法因此

37、，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.52倍。倍。二、启动方法二、启动方法 限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。阻启动两种方式。 1. 降压启动：降压启动： 所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，升高，反电势增大，再

38、逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。电动机达到所要求的转速。 2. 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 启动时，电枢回路串接启动电阻启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。 电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示： 直线直线1为电动机电枢

39、回路串接启动电阻时的机械特性，直线为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流为为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流为额定值的两倍。额定值的两倍。 电枢回路接入电网时，电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性断开，电动机工作在特性1上，在动上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，点时，KM闭合，闭合，电动机的机械特性变为电动机的机械特性变为2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度

40、维持不变，即电动机的用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从工作点从a点切换到点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点上升直到稳定点c。 c3-3.swf 从图中不难看出：当电动机的工作点从从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到点切换到b点时，冲击点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻切除启动电阻的方的方法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。 图中：图中： 1

41、T尖峰（最大）转矩；尖峰（最大）转矩； 2T换接（最小）转矩换接（最小）转矩 (1) 电枢接入电网时，电枢接入电网时，KM1、KM2和和KM3均断开，电枢回路均断开，电枢回路串接外加电阻串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线，此时，电动机工作在特性曲线a，在，在转矩转矩 T1的作用下，转速沿曲线的作用下，转速沿曲线a上升；上升； (2) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达2时，时，KM1闭合，即切除电阻闭合，即切除电阻R3 ，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线，电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性

42、的作用，电动机的转速不能突变，工作点由。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换切换到到3，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线b继续上升；继续上升； (3) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达4时，时，KM1、KM2同时闭合，即同时闭合，即切除电阻切除电阻 R2、R3， 此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻 Rad1=R1，电动机的机，电动机的机械特性变为曲线械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由工作点由4切换到切换到5，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线c继续上升；继续上升； (4) 当速度上

43、升使工作点到达当速度上升使工作点到达6时，时，KM1、KM2、KM3同时闭同时闭合，即切除电阻合，即切除电阻R1、 R2 、 R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由转速不能突变，工作点由6切换到切换到7，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线d继续上升直继续上升直到稳定工作点到稳定工作点8。 c3-4.swf 由上可见，启动级数愈多，由上可见，启动级数愈多， T1、 T2愈与平均转矩愈与平均转矩 221avTTT 接近，启动过程快而平稳，

44、但所需的控制设备也就愈多。我国生接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。）段。 多级启动时，多级启动时， T1、 T2的数值需按照电动机的具体启动条件决的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流（或最大电流I1 ）不超过）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流（或最小电流I2 ）也基本）也基本相同，一般选择：相同，一般选择： N1

45、26 . 1TT N22 . 11 . 1TT 25直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 一、启动特性一、启动特性 他励直流电动机在轴上带有负载时，从他励直流电动机在轴上带有负载时，从静止状态到某一转速稳静止状态到某一转速稳定运行定运行，这整个过程称为启动过程。，这整个过程称为启动过程。 aNst/ RUI 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（1020）倍。）倍。过大的启动电流危害很大：过大的启动电流危害很大： （1） 对电动机本身的影响：对电动机本身的影响： 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；使电动机在换向过程中产

46、生危险的火花，烧坏整流子； 对直流电动机而言，在未启动之前对直流电动机而言，在未启动之前n n=0 , =0 , E E=0,=0, 而而R Ra a一般很一般很小。在静止的电枢绕组上施加额定电压时，启动电流为：小。在静止的电枢绕组上施加额定电压时，启动电流为： （2） 对机械系统的影响：对机械系统的影响： 与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩动态转矩很大，很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；击，使机械传动部件损坏； （3）对供电电网

47、的影响：）对供电电网的影响： 引起电网电压的波动，影响同电网其他电气设备的正常运行。引起电网电压的波动，影响同电网其他电气设备的正常运行。 因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.82.5倍。倍。MLdMdwTTTJdt二、启动方法二、启动方法 限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。阻启动

48、两种方式。 1. 降压启动：降压启动： 所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。电动机达到所要求的转速。 2. 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 启动时，电枢回路串接启动电阻启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加

49、电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。 电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示： 直线直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流在为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流在允许的范围之内。允许的范围之内。 电枢回路接入电网时，电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性断开，电动机工作在特性1上，在动上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上

50、升到态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，点时，KM闭合，闭合，电动机的机械特性变为电动机的机械特性变为2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从工作点从a点切换到点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点上升直到稳定点c。 从图中不难看出：当电动机的工作点从从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到点切换到b点时，冲击点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常

51、采用逐级电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻切除启动电阻的方的方法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。 图中：图中： 1T尖峰（最大）转矩；尖峰（最大）转矩； 2T换接（最小）转矩换接（最小）转矩 (1) 电枢接入电网时，电枢接入电网时，KM1、KM2和和KM3均断开，电枢回路均断开，电枢回路串接外加电阻串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线，此时，电动机工作在特性曲线a，在，在转矩转矩 T1的作用下，转速沿曲线的作用下，转速沿曲线a上升；上升； (2) 当速度上升使工作点到

52、达当速度上升使工作点到达2时，时，KM1闭合，即切除电阻闭合，即切除电阻R3 ，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线，电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换切换到到3，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线b继续上升；继续上升； (3) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达4时，时，KM1、KM2同时闭合，即同时闭合，即切除电阻切除电阻 R2、R3， 此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻 Rad1=R1，电动机的机，电动机的机械特性变为

53、曲线械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由工作点由4切换到切换到5，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线c继续上升；继续上升； (4) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达6时，时，KM1、KM2、KM3同时闭同时闭合，即切除电阻合，即切除电阻R1、 R2 、 R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由转速不能突变，工作点由6切换到切换到7，速度又沿着曲线，速

54、度又沿着曲线d继续上升直继续上升直到稳定工作点到稳定工作点8。 由上可见，启动级数愈多，由上可见，启动级数愈多， T1、 T2愈与平均转矩愈与平均转矩 221avTTT 接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。）段。 多级启动时，多级启动时， T1、 T2的数值需按照电动机的具体启动条件决的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电

55、流（或最大电流I1 ）不超过）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流（或最小电流I2 ）也基本）也基本相同，一般选择：相同，一般选择： N126 . 1TT N22 . 11 . 1TT 26 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 一、速度调节和速度变化一、速度调节和速度变化 调速调速（又称速度调节）与（又称速度调节）与速度变化速度变化是两个完全不同的概念是两个完全不同的概念 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电气参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。气参

56、数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。 转速的变化是转速的变化是人为改变人为改变（或调节）电枢回路的电（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称阻大小所造成的，故称调调速或速度调节速或速度调节。 速度变化速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。所示。 总之，速度变化是在某总之，速度变化是在某条机械特性上，由于负载改条机械特性上，由于负载改变而引起的；而速度调节则变而引起的；而速度调节则是在某一特定的负载下，靠是在某

57、一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。人为改变机械特性而得到的。二、调速方法二、调速方法下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。 从直流他励电动机机械特性方程式从直流他励电动机机械特性方程式 可知：可知：改变串入电枢回路的电阻改变串入电枢回路的电阻Rad ；改变；改变电枢供电电压电枢供电电压U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以

58、下三种。的方法有以下三种。 aadeemRRUnTCCC1、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻 adR 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机械特性。械特性。 从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，串入不同的电阻可下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分以得到不同的转速。如在电阻分别为别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，、的情况下，可以分别得到稳定工作点可以分别得到稳定工作点A、C、D和和E，对应的转速为，对应的转速为nA、 nB、 nC、 nD。 改变电枢回路串接电阻的大小

59、调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，调速范围不大；在空载或轻载时，调速范围不大； 实现无级调速困难；实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。在调速电阻上消耗大量电能等。 正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。等低速运转时间不长的传动系统中采用。2改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U 如图所示特性为改变电枢供电电压如图所示特性为改变电枢供

60、电电压U调速的特性：调速的特性： 从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，电枢外加不同电压下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压可以得到不同的转速。如在电压分别为分别为 UN、 U1、 U2、 U3的情的情况下，可以分别得到稳定工作点况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和和d，对应的转速为，对应的转速为na、 nb、 nc、 nd。即改变电枢电压。即改变电枢电压可以达到调速的目的。可以达到调速的目的。 改变电枢外加电压调速有如下特点：改变电枢外加电压调速有如下特点： 1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级