第二章- 直流电动机电力拖动

1、第2章 直流电动机的电力拖动1电力拖动系统的运动方程式和2负载的转矩特性3他励直流电动机的机械特性 4他励直流电动机的起动5他励直流电动机的制动6他励直流电动机的调速1 1拖动系统的运动方程式拖动系统的运动方程式1 1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机用各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机来拖动，这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，来拖动，这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的

2、系统，称为电力拖动系统。称为电力拖动系统。 电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作机构。机构。一、运动方程式一、运动方程式1 1、单轴系统、单轴系统MemTnLTUdtdJTTLem2、实用表达式 通常将转动惯量通常将转动惯量J J用飞轮矩用飞轮矩GDGD2 2来表示，它们之间的关系为来表示，它们之间的关系为 式中式中 m m与与G G转动部分的质量与重量；转动部分的质量与重量； p p与与D D惯性半径与直径（惯性半径与直径（m m）；）； g=9.81m/sg=9.81m/s2 2 重力加速度；重力加速度； 再将机械角速

3、度用转速再将机械角速度用转速n n表示表示 可得：可得： gGDDgGmJ4)2(222602ndtdnGDdtdJTTLem37523、系统旋转运动的三种状态、系统旋转运动的三种状态1)1)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，即处运行状态，即处于稳态。于稳态。LemTT0dtdn2)2)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn3)3)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn二、运动方程式中转矩正、负号的规定二、运动方程

4、式中转矩正、负号的规定 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：向，然后规定：（1 1）电磁转矩）电磁转矩 与转速与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。的正方向相同时为正，相反时为负。emTn （2 2）负载转矩）负载转矩 与转速与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。的正方向相同时为负，相反时为正。LTnemTLT (3) (3)惯性转矩惯性转矩 的大小和正负号由的大小和正负号由 和和 的代数和决定。的代数和决定。dtdnGD2375dtdnGDdtdJTTLem375)(2 2 2 负载的转矩特性负载的转矩特性 负

5、载转矩特性：负载转矩负载转矩特性：负载转矩TLTL与转速与转速n n的关系用曲线的关系用曲线表示称为生产机械的负载转矩特性。表示称为生产机械的负载转矩特性。 一、恒转距负载特性一、恒转距负载特性 所谓恒转距负载特性，是指生产机械的负载转矩所谓恒转距负载特性，是指生产机械的负载转矩TLTL的大小与转速的大小与转速n n无关的特性，即无论转速怎样变无关的特性，即无论转速怎样变化，负载转矩的大小都保持不变。根据负载转矩的化，负载转矩的大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为又分为反抗性恒反抗性恒转距负载特性和转距负载特性和位能性恒转矩负载特性。

6、位能性恒转矩负载特性。1反抗性恒转距负载特性反抗性恒转距负载特性特点：特点： 的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。负的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。负 载转矩特性在载转矩特性在第一和第三第一和第三象限，如图所示，象限，如图所示，例如：例如： 金属的压延，机床的平移机构等。金属的压延，机床的平移机构等。T TL LnLTT TL Ln2、位能性恒转矩负载特性、位能性恒转矩负载特性特点：特点： 的大小和方向均与转速无关，不随机变化。的大小和方向均与转速无关，不随机变化。 其负载转矩特性在其负载转矩特性在第一和第四第一和第四象限，如图象限，如图 所示，所示，例如重物的提升与下放等。例如重

7、物的提升与下放等。LT二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 特点：特点： 的大小基本上与转速的大小基本上与转速n n成反比，即负载成反比，即负载功率为常数，故称恒功率负载特性。如图功率为常数，故称恒功率负载特性。如图 所所示，是一条双曲线。切削机床属于此类。示，是一条双曲线。切削机床属于此类。 T TL LnLT三、泵与风机类负载特性三、泵与风机类负载特性特点：特点： 的大小基本上与转速的大小基本上与转速n n的平方成正比。的平方成正比。 其特性如图其特性如图 所示，在第所示，在第一、三一、三象限，是一象限，是一条抛物线。例如风机、水泵、油泵等。条抛物线。例如风机、水泵、油泵等。T TL Ln

8、理想的通风理想的通风机特性机特性实际通风实际通风机特性机特性TL0 实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。LT3他励直流电动机的机械特性l一、机械特性的表达式l二、固有机械特性和人为机械特性l三、机械特性的求取l四、电力拖动系统稳定运行条件一、机械特性的表达式一、机械特性的表达式 机械特性：机械特性：电动机处于稳定运行状态时，电动机的电动机处于稳定运行状态时，电动机的电磁转矩电磁转矩TemTem与转速与转速n n的关系曲线称为电动机的机械特的关系曲线称为电动机的机械特性。（性。（ TemTem与与n n 都是机械量）都是机械量）ememTesaeaeaeTnTCCRRCUIC

9、RRCUn02其中：其中：eCUn 0称为理想空载转速称为理想空载转速称为机械特性的斜率，大小反映软特性与硬特性称为机械特性的斜率，大小反映软特性与硬特性 称为负载时的转速降称为负载时的转速降ememTesaTTCCRRn22TesaCCRR机械特性曲线：机械特性曲线：当当U U、RsRs、为常数时，为一条向下倾斜的直线。、为常数时，为一条向下倾斜的直线。 机械特性的硬度机械特性的硬度 :越大，特性越陡，称为软特性；越大，特性越陡，称为软特性； 越小，特性越平，称为硬特性；越小，特性越平，称为硬特性；表明机械特性曲线的下垂程度。表明机械特性曲线的下垂程度。 二、二、 固有机械特性固有机械特性1

10、、固有机械特性固有机械特性其 方程式为：2aNemeNeTNRUnTC C C 当当 时的机械特性称为固有机械特性：时的机械特性称为固有机械特性：aNNRR,UU三、三、人为机械特性人为机械特性1、电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性 是一族通过理想空载点并具是一族通过理想空载点并具有不同斜率的人为特性。有不同斜率的人为特性。保持保持 不变不变, ,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为的人为特性特性NN,UUSRemNTeSaNeNTCCRRCUn20nnaRemTSaRR 2、降低电枢电压时的人为机械特性、降低电枢电压时的人为机械特性 是位于固有特性下方，且与

11、是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线。固有特性平行的一组直线。保持保持 不变，只改变电枢电压时的人为特性：不变，只改变电枢电压时的人为特性：Na,RR2aemeNeTNRUnTC C C 0nnNUemT1UNUU101n3、减弱磁通时的人为机械特性、减弱磁通时的人为机械特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：NaUU,RRSfR2aNemeeTRUnTC C C 202n2kTNn0nemTkTN12三、三、 机械特性的求取机械特性的求取 1、固有机械特性的的求取步骤：（1）估算 （2）计算（3）计算理想空载点 （4）计算额

12、定工作点数据NeNTCC55.92)3221(NNNNaIPIURaRNaNNNNNenRIUnECNeNCUn0二、人为机械特性的的求取 在固有机械特性方在固有机械特性方程程 的的基础上，根据人为特基础上，根据人为特性所对应的参数性所对应的参数 或或 或或 变化，重新计算变化，重新计算 和和 ，然后得到人为，然后得到人为机械特性方程式机械特性方程式。em0TnnSRU0n五、五、 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件一、稳定运行的概念一、稳定运行的概念 电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍能在新的条件下达到平衡状

13、态，或者在扰动消失后仍能但仍能在新的条件下达到平衡状态，或者在扰动消失后仍能自动恢复原平衡状态，则该系统是稳定的。自动恢复原平衡状态，则该系统是稳定的。二、稳定运行的条件二、稳定运行的条件 （1 1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即存在须有交点，即存在Tem=TTem=TL L (2) (2)充分条件：在交点的转速以上存在充分条件：在交点的转速以上存在TemTemT TL L，而在交，而在交点的转速以下存在点的转速以下存在TemTemT TL L。LemdTdndTdn或者或者 不稳定运行不稳定运行nAemTLTAn0nBe

14、mTLTBn0稳定运行稳定运行4他励直流电动机的起动l一、电枢回路串电阻起动 l二、降压起动起动过程：电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状起动过程：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。态的过程。起动转矩起动转矩T Tst：电动机起动瞬间的电磁转矩。：电动机起动瞬间的电磁转矩。起动电流起动电流I Ist：起动瞬间的电枢电流。起动瞬间的电枢电流。一、一般直流电机不允许直接起动一、一般直流电机不允许直接起动 从公式可以看出直接起动电流很大，能够达到从公式可以看出直接起动电流很大，能够达到10-20倍的倍的额定电流。这将引起严重的后果。应设法限制电枢电流的不超额定电流。这将引

15、起严重的后果。应设法限制电枢电流的不超过额定电流的过额定电流的1.52倍。倍。二、解决方法二、解决方法1、对直流电机起动的要求：足够大的、对直流电机起动的要求：足够大的T Tst ， I Ist要限制在一定要限制在一定的范围内，起动设备要简单可靠。的范围内，起动设备要简单可靠。2 2、限制、限制I Ist的方法：电枢回路串电阻起动，降低电枢电压起动。的方法：电枢回路串电阻起动，降低电枢电压起动。无论哪种方法都应保证电动机的磁通达到最大值。无论哪种方法都应保证电动机的磁通达到最大值。三、三、 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动1、起动过程MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S331RR

16、RRRst2ststaLLIT2IT21IT1ITem0nabn1aRNngh3n11astRRRITemef3122aststRRRR1ncd22、起动电阻的计算、起动电阻的计算 在已知起动电流比在已知起动电流比和电枢电和电枢电阻前提下，经推导可得各级串联电阻前提下，经推导可得各级串联电阻为阻为: :12231211111 stma1mstmstaststastastRR)(RRR)(RRR)(RR)(R计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：（1）求）求RaRa（2 2）根据过载倍数求）根据过载倍数求T T1,I,I1 (3) (3) 选取选取m m（4 4）计算）计算（5 5）求

17、）求 检验是否满足检验是否满足T T2 2(1.11.3)TL，若不满，若不满 足，另选足，另选T1或或m值，直到满足条件。值，直到满足条件。3、三点起动器（简单了解）、三点起动器（简单了解） 人工手动办法起动人工手动办法起动12TT四、四、 降压起动降压起动当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动电动机组，现在多用晶闸管整流电源代替。机组，现在多用晶闸管整流电源代替。优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。5他励直流电动机的制动l一

18、、能耗制动l二、反接制动l三、回馈制动l四、直流电动机的反转 制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运行过程。止或限制位能负载下降速度的一种运行过程。电机的两种运行状态电机的两种运行状态制动状态：制动状态：电磁转矩电磁转矩T Temem的方向与转速的方向与转速n n的方向的方向相反。相反。电动状态：电动状态：电磁转矩电磁转矩T Temem的方向与转速的方向与转速n n的方向的方向相同相同。制动的方式有三种：制动的方式有三种：能耗制动、反接制动、回馈制动。能耗制动、反接制动、回馈制动。 一、一、 能耗制动能耗制动1 1、实现能耗

19、制动的方法、实现能耗制动的方法 将电枢从电源上断开，通将电枢从电源上断开，通过制动电阻过制动电阻R RB B闭合。电枢闭合。电枢电流电流Ia Ia变为由变为由EaEa产生，与产生，与原来方向相反，电磁转矩原来方向相反，电磁转矩 随之反向，随之反向，TemTem与与n n反向，反向，进入制动状态，制动过程进入制动状态，制动过程中，电动机中，电动机靠靠系统的动能系统的动能发电，发电，消耗在电枢回路的消耗在电枢回路的电阻上，电阻上，故称为能耗制动故称为能耗制动。制动制动BRaBIemBT U电动电动MaEaInemTfIS 2 2、能耗制动时的机械特性、能耗制动时的机械特性从机械特性曲线看制动过程（

20、从机械特性曲线看制动过程（A A、B B、C C、三点）、三点）Bn0naRA0LTemTBaRR CB3 3、机械特性方程、机械特性方程4 4、能耗制动的优点、能耗制动的优点5 5、计算、计算em2NsaRTCCRnTe二、二、 反接制动反接制动（一）、电压反接制动（一）、电压反接制动1 1、实现方法、实现方法 如图所示，使电枢电如图所示，使电枢电源反接的同时串入一个制源反接的同时串入一个制动电阻动电阻R RB B, ,这时由于这时由于U U反向反向, ,反向的电枢电流很大，产反向的电枢电流很大，产生很大的反向生很大的反向TemTem，从而，从而产生很强的制动作用，进产生很强的制动作用，进入

21、制动状态。入制动状态。2 2、制动电阻、制动电阻 电源反接的反接制动电路图3、机械特性、机械特性 4、从机械特性曲线看制动、从机械特性曲线看制动 过程过程 5、功率关系、功率关系6、优点、优点 设备简单，操作方便。设备简单，操作方便。BaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD02aBNememeNeTNRRUnTnTC C C (二）、倒拉反转反接制动二）、倒拉反转反接制动（只适用于位能性恒转矩负载）只适用于位能性恒转矩负载）1 1、实现方法、实现方法 他励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入较大电阻，使他励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入较大电阻，使n=0n=0时的电磁转矩（起动转矩）时

22、的电磁转矩（起动转矩）小于小于负载转矩负载转矩 。BaRR CBn0naRA0LTemTBTDKT2、机械特性方程：、机械特性方程： 0aB0L2eTNRRnnTC C LT3、从机械特性曲线看制动过程、从机械特性曲线看制动过程4、功率关系、功率关系5、适用场合、适用场合 设备简单，操作方便，适用于低速匀设备简单，操作方便，适用于低速匀速下放重物。这种反转制动主要是位能负速下放重物。这种反转制动主要是位能负载的倒拉作用，因此得名载的倒拉作用，因此得名。 三、三、 回馈制动回馈制动1 1、实现方法、实现方法 他励直流电动机在电动他励直流电动机在电动状态下提升重物时，将电源状态下提升重物时，将电源

23、反接，电动机进入电压反接反接，电动机进入电压反接制动状态由于制动状态由于EaUEaUN N，电流，电流Ia Ia与与EaEa同方向，与同方向，与U UN N反方向，反方向，所以电动机将位能转换为电所以电动机将位能转换为电能回馈电网，故称回馈制动。能回馈电网，故称回馈制动。 电动机回馈制动电路图(带位能负载)2、机械特性、机械特性由上所述，可能在第四象限，由上所述，可能在第四象限，也可能在第二象限。也可能在第二象限。3、分析、分析回馈制动过程中，有功率回馈制动过程中，有功率UIa回馈电网，能量损耗最回馈电网，能量损耗最少。少。4、使用场合、使用场合用于高速匀速下放重物和降用于高速匀速下放重物和降

24、压、增加磁通调速过程中自压、增加磁通调速过程中自动加快减速过程。动加快减速过程。Bn0nA0LTemTLT0n四、四、 直流电动机的反转直流电动机的反转 许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机的转向由电枢电流方向和主磁场方向确定。的转向由电枢电流方向和主磁场方向确定。反转方法有两种：反转方法有两种： 一是一是改变电枢电流方向改变电枢电流方向( (即改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端即改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接。）换接。） 二是二是改变励磁电流的方向改变励磁电流的方向（很少采用）（很少采用）6他励直流电动机的调

25、速l一、评价调速的指标l二、调速方法l三、调速方式与负载类型的配合调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需产机械在工作过程中都需 要调速。要调速。 电力拖动系统的调速可以采用：电力拖动系统的调速可以采用： 机械调速：改变传动机构速比。机械调速：改变传动机构速比。 电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电动机的机电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电动机的机械特性。械特性。 注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节，注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节， 而称为速度变化。而称为速度变化。 一、一、

26、 评价调速的指标评价调速的指标调速指标：调速指标：为了评价各种调速方法的优缺点，对调速为了评价各种调速方法的优缺点，对调速 方法提出的一定的技术经济指标。方法提出的一定的技术经济指标。1 1、调速范围调速范围 2 2、静差率、静差率 minmaxnnD %100%100%000nnnnnNN)1 ()1 ()1 (maxmax00max0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD4、调速的经济指标、调速的经济指标 经济指标包含三个方面：经济指标包含三个方面：一是调速设备初投资的大小，一是调速设备初投资的大小，二是运行过程中能量损耗的多少，三是维护费用的高二是运行过程中能量损耗的多少

27、，三是维护费用的高低，三者总和较小者经济指标均较好。低，三者总和较小者经济指标均较好。1iinn可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机允许的调速范围允许的调速范围D越大。越大。3、平滑性、平滑性二、二、 调速方法调速方法（一）、电枢回路串电阻调速（一）、电枢回路串电阻调速 0aRn0nNnLTemTA1SaRR1nA B特点：特点：只能将转速往下调，且静差只能将转速往下调，且静差率明显增大，所以调速范围率明显增大，所以调速范围D较小，平滑性差，损较小，平滑性差，损 耗大，耗大，设备简单，投资少，属恒转设备简单，投资少，属恒转矩调速。矩调速。适用于：容量不大，低速运适用于：容量不大，低速运行时间不长，对调速性能要行时间不长，对调速性能要求不高的场合。求不高的场合。（二）、降低电源电压调速（二）、降低电源电压调速 T0nnNUTLNnA