第04章-直流电机拖动基础

1、-1-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础电机与拖动基础（第电机与拖动基础（第2版）版） 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第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动第三节第三节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动第五节第五节 串励和复励电动机的电力拖动串励和复励电动机的电力拖动*-2-引引 言言 原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力拖动系统，或称直流电机拖动系统。在此系统中，电拖动系统，或称直流电机拖动系统。在此系统中，电动机有他励、串

2、励和复励三种直流电动机，其中最主动机有他励、串励和复励三种直流电动机，其中最主要的是要的是他励直流电动机他励直流电动机，因此本章重点介绍由他励直，因此本章重点介绍由他励直流电动机组成的直流电力拖动系统，对串励、复励电流电动机组成的直流电力拖动系统，对串励、复励电动机的电力拖动只作简单介绍。动机的电力拖动只作简单介绍。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-3-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 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 直流电动机的机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流电动机的机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流电动机为

3、例进行讨论。直流电动机为例进行讨论。 一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 他励式直流电动机的电路图如图他励式直流电动机的电路图如图4-1所示，所示， 电动机的电磁转矩与转速电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特之间的关系曲线便是电动机的机械特性，即性，即n=f（Te ）。）。 为了推导机械特为了推导机械特性公式的一般形式，在电枢回路中串性公式的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻入外接电阻R。 由转矩特性和转速特由转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为性推导可得机械特性的一般表达式为 e0e2TeaeaTeeaeaeaaa )(TnTCCRRCUCTCRRCU

4、CRRIUn（4-1）-4- 二、固有机械特性二、固有机械特性 直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图4-2所示，曲线满足如下公式：所示，曲线满足如下公式： 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2NTeaeNTCCRCUn（4-2）-5-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 固有机械特性的主要特点为：固有机械特性的主要特点为： 1) Te = 0时，时，n=n0是理想空载转速，这时是理想空载转速，这时

5、Ia=0，UN = Ea 。 2) 机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率倾的斜率 较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。 3) 电动机起动时电动机起动时n = 0，感应电动势，感应电动势Ea=0，这时电枢电流为起，这时电枢电流为起动电流动电流Ia=Ist=UN/Ra；电磁转矩为起动转矩；电磁转矩为起动转矩Te=Tst=CTIst ； 又因又因为电枢电阻为电枢电阻Ra 很小，在额定电压的作用下，很小，在额定电压的作用下， 起动电流将非常大，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流

6、，远远超过电动机所允许的最大电流， 会烧坏换向器，因此会烧坏换向器，因此直流电直流电机一般不允许全电压直接起动机一般不允许全电压直接起动。 4) 若转矩若转矩TeTst ，n 0，特性曲线在第四象限；若，特性曲线在第四象限；若Te 0，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。动转矩，电机处于发电状态。-6- 三、人为机械特性三、人为机械特性 由公式（由公式（4-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压）可知，当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁、励磁电流电流I f 、电枢外接电阻、电枢外接电阻R，可改变电动

7、机的机械特性，这种人为，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1. 改变电枢电压改变电枢电压 电动机励磁电流为额定值，使电动机励磁电流为额定值，使每极磁通为每极磁通为 N 并保持不变，电枢并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电动机的电回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压枢电压Ua ，可得到一条与固有机械，可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改特性平行的人为机械特性。不断改变变Ua ，可得到一组平行曲线，特性，可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想空载转

8、曲线的硬度均相同，仅理想空载转速 大 小 不 同 ， 如 图速 大 小 不 同 ， 如 图 4 - 3 所 示 。所 示 。-7- 2. 减小每极气隙磁通减小每极气隙磁通 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc ， 使励磁电流使励磁电流I f 减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。根据机械特性公式可知：主极磁通减小了。根据机械特性公式可知： 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 当磁通减小后，理想空当磁通减小后，理想空载转速载转速n0升高，而斜率升高，而斜率 增

9、增大，大， 使特性曲线倾斜度增使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上，如图固有机械特性之上，如图3-21所示。所示。201 1n-8- 3. 电枢回路串接电阻电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压当保持电枢回路电压Ua，励磁电流，励磁电流If 不变，改变电枢回路不变，改变电枢回路的串接电阻的串接电阻R，电动机的理想空载转速，电动机的理想空载转速n0 不变，但机械特性的不变，但机械特性的斜率斜率 增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械

10、特性如下图所示。倾斜，其人为机械特性如下图所示。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-9-第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须先加额定励一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流Ia为为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础aaNaREUI（4-3） 在起

11、动瞬间，电动机的转速在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势，反电动势Ea = 0，电枢回，电枢回路只有电枢绕组电阻路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的，对应的电磁转矩为起动转矩电磁转矩为起动转矩Tst，并有，并有aNstRUIstNTstICT （4-4）（4-5）-10-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 由于电枢绕组电阻由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流很小，因此起动电流IstIN（约为（约为1020倍的倍的IN），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，

12、甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩产生强烈的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此一般一般直流电机都不允许直接起动直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。措施来控制电机的起动过程。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： 1) 起动电流限制在一定范围内，即起动电流限制在一定范围内，即Ist IN， 为电机的过为电机的过载倍数；载倍数； 2) 足够大的起动转矩，足够

13、大的起动转矩，Tst （1.11.2）TN ； 3) 起动设备简单、可靠。起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢？由如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist =UN/Ra可知，限制起动可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。 -11-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 一、一、 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电

14、阻Rst，在起动，在起动过程中将起动电阻逐步切除。过程中将起动电阻逐步切除。 图图4-6a为他励直流电动机三级起动为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。时的电气原理图。 -12- 二、减压起动二、减压起动 当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。在起动瞬当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速间，电动机的转速n = 0，反电动势，反电动势Ea = 0，降低电源电压，降低电源电压U ， 将将起动电流限制在允许的范围内。起动电流限制在允许的范围内。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-13- 三、三、 他励直流电动机起动的过渡过程他励直流电动机起动的过

15、渡过程* 在第二章的第四节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作在第二章的第四节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理论分析，了理论分析， 并得出了转速动态方程（并得出了转速动态方程（2-19）、）、 转矩动态方程转矩动态方程（2-21）及过渡过程时间计算式（）及过渡过程时间计算式（2-26）和式（）和式（2-27）。）。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-14- 下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步分析。图分析。图4-8a为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线，为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线

16、，其中其中S为起动过程开始的点（即起始点），对应的转矩为为起动过程开始的点（即起始点），对应的转矩为Te=Tst，转速为转速为n=0；A点为起动过程结束的点（即稳态点），对应的转矩点为起动过程结束的点（即稳态点），对应的转矩为为Te=TL，转速为，转速为n=nA。将。将S点与点与A点的具体数据代入式（点的具体数据代入式（2-19）及式（及式（2-21），便可得到起动过程中的转速及转矩表达），便可得到起动过程中的转速及转矩表达式式第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础M/AATtennnM/LstLe)(TteTTTT2NTesta2M375)(CCRRGDT-15-第四章第四章 直流电

17、机拖动基础直流电机拖动基础 当采用电枢串当采用电枢串多级电阻起动时，多级电阻起动时，其过渡过程如何呢？其过渡过程如何呢？图图4-9给出了他励直给出了他励直流电动机二级起动流电动机二级起动的 起 动 过 程 。的 起 动 过 程 。 -16-第三节第三节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种

18、和不同规格的钢材时，须用不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。人为地改变速度。但必须注意：这和由于负载变化，引起的速度但必须注意：这和由于负载变化，引起的速度变化是截然不同的概念。变化是截然不同的概念。 调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、电气调速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调电气调速（改变电动机参数进行调速的

19、方法）或二者配合起来调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。速方法。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-17- 为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢？较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢？ 一、调速指标一、调速指标 1. 调速范围调速范围 调速范围是指电动机调速范围是指电动机在额定负载下在额定负载下可能达到的最高转速可能达到的最高转速nmax和最低转速和最低转速nmin之比，通常用之比，通常用D

20、来表示，即来表示，即第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础minmaxnnD （4-7） 调速范围反映了生产机械对调速的要求，不同的生产机械对调速范围反映了生产机械对调速的要求，不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求，例如车床电动机的调速范围有不同的要求，例如车床D=20120，龙门刨床，龙门刨床D=1040，轧钢机，轧钢机D=3120，造纸机，造纸机D=320等。对于一些经常轻等。对于一些经常轻载运行的生产机械，可以用实际负载时的最高转速和最低转速之载运行的生产机械，可以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围比来计算调速范围D。-18-第四章第四章 直流电机拖动基础

21、直流电机拖动基础0TeNTen0an0bab nNa nNb nO-19- 2. 静差率静差率 静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础000N0000N100100nnnnn（4-8） 静差率静差率反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的，例如普通车床其允许的静差率是不同的，例如普通车床30%，而精度高的造，而精度高的造纸机则要求纸

22、机则要求0.1%。 静差率静差率值与机械特性的硬度及理想空载转速值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。有关。 当理当理想空载转速想空载转速n0一定时，机械特性越硬，额定速降一定时，机械特性越硬，额定速降nN 越小，则静越小，则静差率越小。差率越小。 而且，调速范围而且，调速范围D与静差率与静差率 两项性能指标是互相制两项性能指标是互相制约的。约的。 在同一种调速方法中，在同一种调速方法中，值较大即静差率要求较低时，可值较大即静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围。得到较宽的调速范围。 -20-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 越接近于越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当，则

23、系统调速的平滑性越好。当 =1时，称时，称无级无级调速调速，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。无级调速。 4. 经济性经济性 主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。维修费用等。 3. 平滑性平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比1iinn（4-9）-21- 二、他励直流电动机的

24、调速方法二、他励直流电动机的调速方法 前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因而他励直流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。而他励直流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。 1. 串电阻调速串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图

25、如图气原理图如图4-10a示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础2NTeaNeNCCRRCUn（4-10） 他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图4-10b所示，是一所示，是一组过理想空载点组过理想空载点n0的直线，串入的电阻越大，其斜率的直线，串入的电阻越大，其斜率 越大。越大。 -22-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-23- 电枢回路串电阻调速的特点是：电枢回路串电阻调速的特点是： 1）实现简单，操作方便；）实现简单，操作方便； 2）低速时机械特性变软，静

26、差率增大，相对稳定性变差；）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差； 3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D 2； 5）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；差； 4）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。速越低，能耗越大。 因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。场合，如过去的

27、起重机、电车等，现在已不多见。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-24- 2. 调电压调速调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，只能在额定电压过额定电压，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。是一种在基速以下调节转速的方法

28、。 调压调速的原理图如图调压调速的原理图如图4-7a所示，其机械特性方程式为所示，其机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2TerecaNedTCCRRCUn（4-11） 调压调速的特点是：调压调速的特点是： 1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；级调速； 2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好； -25- 3）在基速以下调速，调速范围较宽，）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达可达1020； 4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好

29、；）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好； 5）需要一套可控的直流电源。）需要一套可控的直流电源。 调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。床、轧钢机、造纸机等。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-26- 3. 弱磁调速弱磁调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调

30、速，由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理图如实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理图如图图4-12所示。弱磁调速时，机械特性方程式为所示。弱磁调速时，机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2TeaeNTCCRCUn（4-12） 弱磁调速的特点是：弱磁调速的特点是： 1）由于励磁电流）由于励磁电流I f Ia ，因而控制方便，能量损耗小；，因而控制方便，能量损耗小； 2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；）可连续调节电阻值，以实现无级调速； 3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的

31、限）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（制，转速不能太高，一般约为（1.21.5）nN ，特殊设计的弱磁调，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（速电动机，最高转速为（34）nN ，因而调速范围窄。，因而调速范围窄。-27-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。调速配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。例例4-14-1-28- 三、调速方式与负载类型三、调速方式与负载类型 1.

32、 电动机的容许输出与充分利用电动机的容许输出与充分利用 电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发热又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，的发热，而发热又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。转矩。 要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际要使电动机得到充分利用，应在一定转速下

33、让电动机的实际输出达到容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电输出达到容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电流下工作的电机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因流下工作的电机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小于额定电流下工作的电机，其实际输出会小过热而损坏；而在小于额定电流下工作的电机，其实际输出会小于它的允许值，这时电机便会因得不到充分利用而造成浪费。因于它的允许值，这时电机便会因得不到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它工作在此，最充分使用电动机，就是让它工作在Ia =IN 情况下。情况下。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电

34、机拖动基础-29- 2. 调速方式调速方式 电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速电力拖动系统中，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的方法，具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时的电枢电流电枢电流Ia的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。所谓调速和恒功率调速两种方式。所谓恒转矩调速方式恒转矩调速方式指的是：在整指的是：在整个调

35、速过程中保持电动机电磁转矩个调速过程中保持电动机电磁转矩Te不变；而不变；而恒功率调速方式恒功率调速方式指指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁功率的是：在整个调速过程中保持电动机电磁功率Pem不变。不变。 由由Te = CTNIa ，当，当Ia = IN时，若时，若 = N ，则，则Te = 常数，因而常数，因而他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于恒转矩调速方式。此时，恒转矩调速方式。此时，P = Te，当转速上升时，输出功率也上，当转速上升时，输出功率也上升（见图升（见图4-13中的曲线中的曲线1）。）。第四章第四

36、章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-30- 因为因为Te = CTNIa，P = Te ，当，当Ia = IN 时，若时，若减小，则转减小，则转速上升，同时转矩减小，保持速上升，同时转矩减小，保持P=常数。他励直流电动机改变磁常数。他励直流电动机改变磁通调速就属于恒功率调速方式（见图通调速就属于恒功率调速方式（见图4-13中的曲线中的曲线2）。）。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-31- 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 为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的调速方式。通常，恒转矩负载应采用

37、恒转矩调速方式，恒功率负调速方式。通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速方式，载应采用恒功率调速方式， 这样可使调速方式与负载类型相匹这样可使调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。配，电动机可以被充分利用。 对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采用恒转矩调速方式或恒功率调速方式的电动机，用恒转矩调速方式或恒功率调速方式的电动机， 拖动泵类负载拖动泵类负载时，无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负时，无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负载应采用什么调速方式，我们将在

38、第九章中讨论。载应采用什么调速方式，我们将在第九章中讨论。 恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。不同的概念。前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-32-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础例例4-24

39、-2-33-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 一、电动状态和制动状态一、电动状态和制动状态 直流电动机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。直流电动机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。电动状态是电动机运行时电动状态是电动机运行时的基本工作状态。电动状的基本工作状态。电动状态运行时，电动机的电磁态运行时，电动机的电磁转矩转矩Te与转速与转速n方向相同，方向相同，此时此时Te为拖动转矩，电机为拖动转矩，电机从电源吸收电功率，向负从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。电动机载传递机械功率。电动机电动状态运行时的机械特

40、电动状态运行时的机械特性如图性如图4-14所示。所示。 -34- 电动机在制动状态运行时，其电磁转矩电动机在制动状态运行时，其电磁转矩Te与转速与转速n方向相反，方向相反，此时此时Te为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、能或消耗在电阻上，或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、四象限。四象限。 制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动的方能性负载的工作机构，用制动

41、可获得稳定的下放速度。制动的方法有几种。最简单的就是自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻法有几种。最简单的就是自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。要使系统实现快速停车，可以使用转矩使之停车，但时间较长。要使系统实现快速停车，可以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱闸制动电电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱闸制动电机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制动性阻机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制动性阻转矩转矩Te， 以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，加强

42、制动效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电使用，加强制动效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有气制动方法有能耗制动能耗制动、反接制动反接制动、回馈制动回馈制动三种。三种。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-35-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 二、能耗制动二、能耗制动 能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于反反抗性负载抗性负载，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为能耗制动过程能耗制动过程；对于；对于位能性负载位能性负载，其机械

43、特性曲线在第四象限，其机械特性曲线在第四象限，有稳定运行点，故称为有稳定运行点，故称为能耗制动运行状态能耗制动运行状态。 -36-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1. 能耗制动过程能耗制动过程 (1) 能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 将将U = 0、 = N，R = Ra+Reb代入代入他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性eNTNeebaTCCRRnaNeebaICRRn 可见，能耗制动时的机械特性是一条经过原点、位于第二、可见，能耗制动时的机械特性是一条经过原点、位于第二、四象限的直线，如图四象限的

44、直线，如图4-15b中的特性中的特性2所示。所示。（4-13）（4-14）-37-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (2) 能耗制动的功率关系能耗制动的功率关系 他励直流电动机能耗制动过程中的他励直流电动机能耗制动过程中的功率传递方向为：因电源已被断开，不向电动机提供能量，输入功率传递方向为：因电源已被断开，不向电动机提供能量，输入电功率电功率P1 =0；此时，电磁转矩与转速方向相反，机械功率；此时，电磁转矩与转速方向相反，机械功率P2为负，为负，说明电动机轴上非但没有输出机械功率给负载，反而是负载向电说明电动机轴上非但没有输出机械功率给负载，反而是负载向电动机输入了机械功率，扣

45、除空载损耗动机输入了机械功率，扣除空载损耗P0，其余的转变为电磁功率，其余的转变为电磁功率Pem；电磁功率；电磁功率Pem因而也变为负值，说明功率传递方向与电动状因而也变为负值，说明功率传递方向与电动状态时相反，即在电动机内，电磁作用把机械功率转变为电功率；态时相反，即在电动机内，电磁作用把机械功率转变为电功率；最终，该电功率在电枢回路总电阻上被转化为热能消耗掉。最终，该电功率在电枢回路总电阻上被转化为热能消耗掉。 从电磁功率把机械功率转化为电功率这一点来说，能耗制动从电磁功率把机械功率转化为电功率这一点来说，能耗制动过程中的电动机似发电机，但与一般的发电机不同，表现在：过程中的电动机似发电机

46、，但与一般的发电机不同，表现在： 1) 没有原动机输入机械功率，其机械能是系统从高速向低速没有原动机输入机械功率，其机械能是系统从高速向低速制动时所释放出来的动能；制动时所释放出来的动能； 2) 没有电功率输出，而是转化为电枢回路总电阻（没有电功率输出，而是转化为电枢回路总电阻（Ra+Reb）上的热能消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动。上的热能消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动。-38-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (3) 能耗制动电阻的计算能耗制动电阻的计算 能耗制动过程中，起始制动转矩的能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻大小与外接制动电阻Reb的大小

47、有关。外接制动电阻越大，制动转的大小有关。外接制动电阻越大，制动转矩越小，制动过程越缓慢，但电机不易过热；矩越小，制动过程越缓慢，但电机不易过热； 反之外接电阻越反之外接电阻越小，则制动转矩越大，制动过程越快。小，则制动转矩越大，制动过程越快。 但制动电阻的最小值受到但制动电阻的最小值受到电动机过载能力的限制，因此在能耗制动过程中，电动机过载能力的限制，因此在能耗制动过程中， 应将制动瞬间应将制动瞬间的电流的电流 （即最大制动电流（即最大制动电流Imax） 限制在允许的范围内，限制在允许的范围内， 即应按下即应按下式选择电阻式选择电阻aNaaamaxaebRIERIER（4-15）（4-16）

48、aNNebRIUR当制动初始转速大于当制动初始转速大于nN时，可用下列近似公式计算时，可用下列近似公式计算Reb ，即，即 -39-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 2. 能耗制动运行状态能耗制动运行状态 若他励直流电动机拖动恒若他励直流电动机拖动恒转矩位能性负载，原运行于电转矩位能性负载，原运行于电动状态的动状态的A点，以转速点，以转速nA提升提升重物。现采用能耗制动，如图重物。现采用能耗制动，如图4-16所示，电动机的运行点从所示，电动机的运行点从ABO，其中，其中BO是能耗是能耗制动过程（与拖动反抗性负载制动过程（与拖动反抗性负载时完全一样）。在时完全一样）。在O点（点（T

49、e =0，n=0）时，停止提升。此时如）时，停止提升。此时如果不采用其他办法停车，则系果不采用其他办法停车，则系统将在位能性负载转矩统将在位能性负载转矩TL作用作用下开始反转（即下放重物），下开始反转（即下放重物），系 统 进 入 四 象 限 。系 统 进 入 四 象 限 。 -40-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 3. 能耗制动的过渡过程能耗制动的过渡过程 能耗制动的过渡过程与电动机所拖动的负载性质有关，能耗制动的过渡过程与电动机所拖动的负载性质有关， 下面下面分别讨论。分别讨论。 (1) 拖动位能性恒转矩负载拖动位能性恒转矩负载 他励直流电动机拖动位能性恒转他励直流电动机拖

50、动位能性恒转矩负载能耗制动的过渡过程如图矩负载能耗制动的过渡过程如图4-17所示，所示， 转速和转矩的变化是转速和转矩的变化是从起始点从起始点B到稳态点到稳态点C的两条光滑的指数曲线（一条实线，一条虚的两条光滑的指数曲线（一条实线，一条虚线）。线）。 (2) 拖动反抗性恒转矩负载拖动反抗性恒转矩负载 他励直流电动机拖动反抗性恒转他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行能耗制动的过渡过程也如图矩负载进行能耗制动的过渡过程也如图4-17所示。所示。 拖动反抗性恒拖动反抗性恒转矩负载，转矩负载， 能耗制动过程就是一个制动停车的过程，能耗制动过程就是一个制动停车的过程， 从从B点开点开始，到始，到O点为

51、止（如图点为止（如图4-17中实线部分所示）。中实线部分所示）。-41-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-42-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 4. 能耗制动的特点能耗制动的特点 能耗制动的线路简单、经济、安全；用于反抗性负载可实现能耗制动的线路简单、经济、安全；用于反抗性负载可实现准确停车；用于位能性负载，可下放重物。但在制动过程中，随准确停车；用于位能性负载，可下放重物。但在制动过程中，随着转速的下降，制动转矩随之减小，制动效果变差，为使电机更着转速的下降，制动转矩随之减小，制动效果变差，为使电机更快停车，可在转速降到一定程度时，切除一部分电阻，使制动转快停车

52、，可在转速降到一定程度时，切除一部分电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。矩增大，从而加强制动作用。 三、反接制动三、反接制动 为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反向（用于位能性负载）。向（用于位能性负载）。 1. 电枢反接制动电枢反接制动 电枢反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突电枢反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，图然反接，图4-18a所示为电枢电压反接的反接制动原理图。所示为

53、电枢电压反接的反接制动原理图。 -43-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 电动机反接制动时的机械特性如图电动机反接制动时的机械特性如图4-18b所示。所示。 -44-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (1) 电枢反接制动的机械特性电枢反接制动的机械特性 反接制动过程中，反接制动过程中，=N ，U = -UN ，R = Ra +Rrb ，其机械特性方程式为，其机械特性方程式为（4-17） 当当n = 0时，时，Te = TeC ；Te = 0时，时，n = -n0 ，所以反接制动机械，所以反接制动机械特性是一条过特性是一条过-n0 ，斜率取决于（，斜率取决于（Ra+R

54、rb）大小的直线，如图）大小的直线，如图4-18特性特性2所示。所示。 (2) 电枢反接制动功率关系电枢反接制动功率关系 他励直流电动机反接制动过程中他励直流电动机反接制动过程中的功率传递方向为：从电源输入电功率的功率传递方向为：从电源输入电功率P1，从负载输入机械功率，从负载输入机械功率P2，P2扣除空载损耗扣除空载损耗p0后，即转变为电磁功率后，即转变为电磁功率Pem 。P1与与Pem 两两部分电功率全部消耗在电阻（部分电功率全部消耗在电阻（Ra+Rrb）上。这时的机械功率是由）上。这时的机械功率是由系统释放的动能提供的。系统释放的动能提供的。e2NTerbaNeNTCCRRCUn-45-

55、第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (3) 电枢反接制动电阻的计算电枢反接制动电阻的计算 反接制动过程开始瞬间，电枢反接制动过程开始瞬间，电枢电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻Rrb 越小，越小， 电电枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动电阻电阻Rrb 为为aNaNrbRIEURNNrb2IUR（4-19）（4-18）当制动初始转速大于当制动初始转速大于nN 时，可用下列近似公式计算时，可用下列近似公式计算Rrb ，即，即与能耗制动电阻相比，电压反接制动

56、电阻几乎大一倍。与能耗制动电阻相比，电压反接制动电阻几乎大一倍。-46-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (4) 电枢反接电枢反接反接制动的过渡过反接制动的过渡过程程 电枢反接反接电枢反接反接制动的过渡过程与制动的过渡过程与电动机所拖动的负电动机所拖动的负载性质有关，如右载性质有关，如右图所示：图所示： 1) 拖动反抗性恒转拖动反抗性恒转矩负载矩负载 2) 拖动位能性恒转拖动位能性恒转矩负载矩负载 -47-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (5) 电枢反接反接制动的特点电枢反接反接制动的特点 由于由于Rrb 较能耗制动时的较能耗制动时的Reb差差不多大一倍，机械特性

57、比能耗制动陡得多，即不多大一倍，机械特性比能耗制动陡得多，即BC段的制动转矩都段的制动转矩都比较大，因此比能耗制动时制动作用更强烈，制动更快。比较大，因此比能耗制动时制动作用更强烈，制动更快。 如能使如能使制动停车过程中电枢电流始终保持最大值制动停车过程中电枢电流始终保持最大值Iamax ， 即停车过程中始即停车过程中始终保持最大的减速度，则制动效果最佳，终保持最大的减速度，则制动效果最佳， 这需要自动控制系统来这需要自动控制系统来完成。完成。 在频繁正、在频繁正、 反转的电力拖动自动控制系统中，反转的电力拖动自动控制系统中， 常采用这种先常采用这种先反接制动停车，接着自动反向起动的运行方式，

58、反接制动停车，接着自动反向起动的运行方式， 以达到迅速制动以达到迅速制动并反转的目的。并反转的目的。-48-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 2. 倒拉反接制动倒拉反接制动 他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第将被制动减速，并被负载反拖进入第象限运行，如图象限运行，如图4-20所示，所示，这一制动方式被称为倒拉反接制动。这一制动方式被称为倒拉反接制动。-49-第四章第四章

59、 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 倒拉反转运行状态时的机械特性就是电枢串电阻的人为特性，倒拉反转运行状态时的机械特性就是电枢串电阻的人为特性，但这时所串的电阻阻值较大，使但这时所串的电阻阻值较大，使n U ，电枢电流电枢电流Ia 反向，电磁转矩反向，电磁转矩Te方向也随之改变，由拖动性转矩变方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩，即成制动性转矩，即Te与与n方向相反。从能量传递方向看，电机处于方向相反。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。馈制动状态。 回馈制动时的机械特性方程

60、式与电动状态时相同，只是运行回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。-51-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1. 正向回馈制动正向回馈制动 (1) 正向回馈制动过程正向回馈制动过程 在调压调速系统中，电压降低的幅在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如图度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如图4-21a所所示。示。