电机及拖动基础第二章 直流电动机的电力拖动

1、中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院第三节 他励直流电动机的机械特性第四节 他励直流电动机的启动和反转第五节 他励直流电动机的调速第六节 他励直流电动机的制动 第一节 电力拖动系统的运动方程式第二节 生产机械的负载转矩特性中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院电力拖动电力拖动拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动拖动。电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电力拖动电力拖动。(2)(2)电力拖动系统：电力拖动

2、系统：用电动机将电能转换成机用电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统。的系统。电力拖动系统的基本概念电力拖动系统的基本概念中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（3 3）电力拖动系）电力拖动系统组成统组成电力拖动系统示意图电力拖动系统示意图传动机构传动机构生产机械生产机械控制设备控制设备电动机电动机电源电源各种控制电各种控制电器元件，工器元件，工业控制业控制PCPC及及PLCPLC控制器等控制器等常见的有常见的有齿轮及传齿轮及传送带等送带等动画动画1动画动画2中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院采用电力拖动主要原因 现代化生

3、产中，多数生产机械都采用电力拖动现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是，主要原因是 ：1. 1. 电能的运输、分配、控制方便经济。电能的运输、分配、控制方便经济。2. 2. 电动机的种类和规格很多，它们具有各种各电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。同要求。3. 3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。自动控制和远距离操作等等。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（4 4）典型生产机械运动形式及转矩）典型生产机械运动形式及

4、转矩n电力拖动系统：电力拖动系统：单轴电力拖动系统（重点介单轴电力拖动系统（重点介绍）、多轴电力拖动系统（可折算成单轴）绍）、多轴电力拖动系统（可折算成单轴）n运动形式：运动形式：旋转、平移、升降。旋转、平移、升降。n机械转矩形式：机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。摩擦力产生、重力产生。（5 5）单轴电力拖动系统）单轴电力拖动系统 单轴电力拖动系统就是电动机的轴与生产单轴电力拖动系统就是电动机的轴与生产机械的轴直接连接起来所组成的生产系统。机械的轴直接连接起来所组成的生产系统。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院n TT2M-电动机负载单轴电力拖动系统在单轴电力拖动系统结构中，生产机械轴

5、在单轴电力拖动系统结构中，生产机械轴的负载转速的负载转速n nL L 与该系统中的电动机的转与该系统中的电动机的转速速n nM M 相同，即相同，即 LMLMnn或中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.1.1 2.1.1 单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式2.1 2.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。如图为一单轴电力拖动系统示意图的各种转矩。如图为一单轴电力拖动系统示意图及各种

6、物理量的参考方向及各种物理量的参考方向中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院有电动机的电磁转矩有电动机的电磁转矩T T、电动机的空载阻转矩、电动机的空载阻转矩T T0 0 、生产机械的负载转矩生产机械的负载转矩T TL L、转轴的角速度、转轴的角速度、包含、包含电动机转子、联轴器（联接轴承）和生产机械在电动机转子、联轴器（联接轴承）和生产机械在内的系统总的转动惯量内的系统总的转动惯量J J。 由牛顿第二定律知由牛顿第二定律知作直线运动的物体有：作直线运动的物体有：12dvFFmmadtF F1 1-拖动力（拖动力（N N）；）；F F2 2 - -阻力（阻力（N N）；）；mgmg重力重力m

7、(dv/dt)-m(dv/dt)-惯性力。惯性力。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院MTnLTU对于单轴电力拖动系统对于单轴电力拖动系统作旋转运动的物体，作旋转运动的物体，中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院同理，对于单轴电力拖动系统作旋转运动的物体，同理，对于单轴电力拖动系统作旋转运动的物体，有有：LdTTJdt式中：式中：T电动机的电磁转矩，即拖动转矩，电动机的电磁转矩，即拖动转矩， 单位为单位为Nm(牛顿米）牛顿米） TL生产机械的负载转矩，即阻矩，生产机械的负载转矩，即阻矩， 单位为单位为N Nm(m(牛顿米）牛顿米） J J系统的转动惯量，单位为系统的转动惯量，单位为kgk

8、gm m2 2 转轴的机械角速度，单位为转轴的机械角速度，单位为rad/srad/s t t时间，时间，单位为单位为s这就是单轴电力拖动系统的运动方程式它代表了系统转矩与转速变化率之间的关系其中其中 为系统的惯性转矩。为系统的惯性转矩。dtdJ中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 习惯上，习惯上，将运动方程式中的转动惯量将运动方程式中的转动惯量 J J 用飞轮矩用飞轮矩GD2表示表示 22224GDGDJmgg602 n式中：式中：m m 系统转动部分的质量，单位系统转动部分的质量，单位kg kg p p与与D D 系统转动部分的惯性半径和惯性直径系统转动部分的惯性半径和惯性直径, ,单位

9、单位m m G G 系统转动部分的重力，单位系统转动部分的重力，单位N N g g 重力加速度，重力加速度，g=9.8m/sg=9.8m/s2 2 GDGD2 2 转动部分的飞轮矩，是一个整体的物理转动部分的飞轮矩，是一个整体的物理 量，反映了转动体的惯性大小单位量，反映了转动体的惯性大小单位N Nm m2 2将角速度将角速度（rad/srad/s）化成用每分钟转数）化成用每分钟转数 n (r/min) n (r/min) 表示的形式表示的形式中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 强调强调：GDGD2 2是一个整体，不是是一个整体，不是G G与与D D2 2 的乘积，的乘积，GDGD2 2

10、 由产品由产品样本或机械手册上查出。样本或机械手册上查出。GD2 中的中的 D D 为回转直径，不是为回转直径，不是实际直径。实际直径。就是将转动物体的所有质量等价的看作分布在距离转就是将转动物体的所有质量等价的看作分布在距离转动中心动中心r r，其产生的转动惯量和原转动体的转动惯量，其产生的转动惯量和原转动体的转动惯量相等。那么此时的相等。那么此时的r r就叫做该物体的回转径。就叫做该物体的回转径。 2375LG DdnTTdt运动方程的实用形式：运动方程的实用形式：中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院dtdngdtdngdtdn2604GD2604GD6024gGDdtd4gGD222

11、2dtdtd dJ JL LT TT Tdtd4gGD2dtdtd dJ JL LT TT T将角速度将角速度（rad/srad/s）化成用每）化成用每分钟转数分钟转数 n (r/min) n (r/min) 表示的形表示的形式式, ,并以并以n n为变量取导数为变量取导数dtdndtd602374.52374.526.286.28235223523.143.142 260609.89.84 42 260604g4g602 n中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 这个公式这个公式描述了电力拖动系统的描述了电力拖动系统的 转矩与转速变化率之间的关系转矩与转速变化率之间的关系, ,由此式可知电

12、力拖动系统的转速变化率由此式可知电力拖动系统的转速变化率dn/dtdn/dt（加速度）是由（加速度）是由T-TT-TL L决定的决定的,T-T,T-TL L称为动态转矩称为动态转矩, ,因此根据这个公式可分析电力拖动系统的运动因此根据这个公式可分析电力拖动系统的运动状态。状态。 首先规定某一旋转方向为转速的正方向首先规定某一旋转方向为转速的正方向, ,即即n n0 0。在此旋转方向下。在此旋转方向下, ,根据这个公式分析根据这个公式分析电力拖动系统电力拖动系统旋转运动的三种运动状态旋转运动的三种运动状态的分析的分析如下：如下： 2.1.22.1.2、运动方程式的分析、运动方程式的分析2375L

13、GD dnTTdt中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院dtdn375GD2（1 1） 当当T=TT=TL L时时, dn/dt=0,n=0, dn/dt=0,n=0或或n=n=常数常数, ,即即电力拖动系统处于电力拖动系统处于静止静止或或稳定（匀速）稳定（匀速）运转运转状态。状态。即处于稳态。即处于稳态。（2 2） 当当T TT TL L时时, ,dn/dt0,dn/dt0,电力拖动系处电力拖动系处于加速状态（过渡过程中），即处于动态。于加速状态（过渡过程中），即处于动态。常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩（惯性转矩），把（惯性转矩），把T TL L称为静负载转矩称为静负载转矩)

14、T(TL（3 3） 当当T TT TL L时时, dn/dt0, dn/dt0,电力拖动系统处电力拖动系统处于于减速减速状态（过渡过程中）。即处于动态。状态（过渡过程中）。即处于动态。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院由分析可知由分析可知, ,当当T=TT=TL L时时, , 系统处于稳定系统处于稳定平衡平衡运运转状态。但当受到外界的干扰时转状态。但当受到外界的干扰时, ,如负载转矩如负载转矩T TL L的增加或减小的增加或减小, ,电源电压的变化等影响时电源电压的变化等影响时, ,平衡将被打破平衡将被打破, ,转速将发生变化。对于一个稳转速将发生变化。对于一个稳定的电力拖动系统来说定的

15、电力拖动系统来说, ,当系统的平衡状态被当系统的平衡状态被打破后打破后, ,应具有恢复新的平衡状态的能力应具有恢复新的平衡状态的能力, ,在在新的平衡状态下稳定运行。新的平衡状态下稳定运行。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.1.32.1.3、运动方程式中转矩正、负号的规定、运动方程式中转矩正、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（可任意选取，一般为顺时针或逆转速的正方向（可任意选取，一般为顺时针或逆时针），然后规定：时针），然后规定：（1）电磁转矩）电磁转矩T 与转速与转速n 的正方向相同时为正，的正方向相同时为正，

16、相反时为负相反时为负（2）负载转矩）负载转矩TL 与转速与转速n 的正方向相同时为负，的正方向相同时为负，相反时为正。相反时为正。（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T 和和 TL 的代数和决定。的代数和决定。dtdtd d4g4gGDGD2 2中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（1 1）多轴系统）多轴系统2.1.3 2.1.3 多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩折算多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩折算中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（2 2）多轴系统折算）多轴系统折算 分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单轴系统代替原来实际

17、的多轴系统。这种方法称为轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算折算”。 折算原则折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。的动能不变。 折算方向折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴折一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一般算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原则，高速轴上的是高速。根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。负载转矩数值小。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.22.2 生产机械的负载转矩特性 定义：定义： 负载的机械特性是指生产机械的转矩与转负载的机

18、械特性是指生产机械的转矩与转 速之间的关系即：速之间的关系即：n=f(Tn=f(TL L) )2.2.12.2.1、恒转矩负载特性、恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速n n无关。无关。恒转矩负载又分为：反抗性恒转矩负载特性和位能恒转矩负载又分为：反抗性恒转矩负载特性和位能 性恒转矩负载特性。性恒转矩负载特性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载性。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（1 1）反抗性恒转矩负载特性）反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性的特点反抗性恒转

19、矩负载特性的特点：恒值（常数值）：恒值（常数值）的负载转矩的负载转矩T TL L的方向总是与生产机械的运动方向的方向总是与生产机械的运动方向相反，当运动方向改变时负载转矩的方向也随着相反，当运动方向改变时负载转矩的方向也随着改变。改变。1 1）当正转时）当正转时n n为正（即为正（即n n0）时，时， T TL L与与n n方向相反，应方向相反，应为正（为正（T TL L0），即在第一象限，即在第一象限 2 2）当反转时）当反转时n n为负（即为负（即n n0）时时，T TL L与与n n方向相反，应为方向相反，应为负（负（T TL L0），），即在第三象限。即在第三象限。中山火炬职业技术学院

20、中山火炬职业技术学院 3）当转速当转速n n=0=0时，外时，外加转矩不足以使系统运加转矩不足以使系统运动。根据作用力与反作动。根据作用力与反作用力原理，这时反抗力用力原理，这时反抗力负载转矩大小和方向取负载转矩大小和方向取决于外加转矩的大小和决于外加转矩的大小和方向。即与外加转矩大方向。即与外加转矩大小相等，方向相反。负小相等，方向相反。负载转矩特性应与横轴重载转矩特性应与横轴重合。例如轧机，机床刀合。例如轧机，机床刀架平移机构等。架平移机构等。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（2 2）位能性恒转矩负载特性）位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性特点位能性恒转矩负载特性特点：负载转

21、矩：负载转矩T TL L的大的大小是一个恒定常数。且具有固定不变的方向。小是一个恒定常数。且具有固定不变的方向。当当n n0 时，时， T TL L0，负载转矩负载转矩T TL L为制动转矩（即为制动转矩（即阻转矩）；当阻转矩）；当n n0 时，时， T TL L0，负载转矩负载转矩T TL L为拖为拖动转矩。动转矩。 例如：起重机的提升机构，不论是提升例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。下的，即重力产生的负载转矩方向固定。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 例如：起重机例如：起

22、重机的提升机构，不的提升机构，不论是提升重物还论是提升重物还是下放重物，重是下放重物，重力的作用总是方力的作用总是方向朝下的。即重向朝下的。即重力产生的负载转力产生的负载转矩方向固定不变，矩方向固定不变，故在第一和第四故在第一和第四象限。象限。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.2.2 2.2.2 恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性恒功率负载的特点是：负载转矩恒功率负载的特点是：负载转矩TL与转速与转速n的乘积为的乘积为一常数，即一常数，即TL与与 n 成反比，成反比，特性曲线为一条双曲线。特性曲线为一条双曲线。当转速当转速n变化时，负载功率基变化时，负载功率基本不变。本不变。如车床

23、的主轴机构和轧钢机如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。适用于金属切削车的主传动。适用于金属切削车床。粗加工时，床。粗加工时，n低，低，T大；大；精加工时，精加工时，n高，高，T小。小。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（3 3）通风机型负载转矩特性）通风机型负载转矩特性负载的转矩负载的转矩TL的大小与转速的大小与转速n 的平方成正比。的平方成正比。负载特性为一条抛物线。负载特性为一条抛物线。如水泵，油泵等，如图如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考虑了所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后得轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓风机负载转出的实际鼓风机负载转矩。矩。 中山火炬职业技术学院中山火炬职业

24、技术学院以上所述的三种负载特性是从实际中概以上所述的三种负载特性是从实际中概括出来的比较典型的负载转矩特性。实际的括出来的比较典型的负载转矩特性。实际的负载转矩特性往往是几种典型特性的综合。负载转矩特性往往是几种典型特性的综合。例如实际鼓风机例如实际鼓风机,除了有风机负载特性外除了有风机负载特性外,轴上轴上还有一个磨擦转矩还有一个磨擦转矩,为反抗性的恒转矩为反抗性的恒转矩,所以实所以实际的鼓风机负载转矩特性应为风机负载转矩际的鼓风机负载转矩特性应为风机负载转矩特性与恒转矩负载特性的组合。特性与恒转矩负载特性的组合。第二节第二节小结小结中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.3 2.3 他励

25、直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性2.3.1、机械特性方程式、机械特性方程式定义：定义：直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压压U、励磁电流、励磁电流If（气隙磁通（气隙磁通）、电枢回路电阻）、电枢回路电阻R为恒定值（常数）的条件下，即电动机处于稳态运为恒定值（常数）的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机产生的电磁转矩行时，电动机产生的电磁转矩T与电力拖动系统的转与电力拖动系统的转速速n之间的关系，即之间的关系，即n = f (T)。直流电动机的机械特性方程直流电动机的机械特性方程式式,可由直流电动机的基本可由直流电动机的基本方程式推导出。方

26、程式推导出。如图所示为如图所示为他励直流电动机的接线图。他励直流电动机的接线图。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院把电枢电压把电枢电压 代入可得转速程：代入可得转速程：nCEea根据根据基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律可列出直流电动机的电可列出直流电动机的电动势平衡方程式为动势平衡方程式为eaCRIUn中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院根据电动机的转矩公式根据电动机的转矩公式 T=CTIa 得得 把把Ia代入上式可得机械代入上式可得机械特性方程特性方程: C CT TIaIaT T当电动机在电枢电压电动机在电枢电压U、励、励磁电流磁电流If（气隙磁通（气隙磁通）、）、电枢回路电阻电

27、枢回路电阻R为恒定值时为恒定值时特性曲线为一向下倾斜的直特性曲线为一向下倾斜的直线。如图线。如图中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院1）令令 机械方程式可写成机械方程式可写成我们把我们把称为机械特性的斜率。称为机械特性的斜率。值越小，机械值越小，机械特性的倾斜度就越小，转速随转矩的变化就越小，特性的倾斜度就越小，转速随转矩的变化就越小，机械特性就越机械特性就越硬；硬；值越大，机械值越大，机械特性的倾斜度就越大，特性的倾斜度就越大，转速随转矩的变化就转速随转矩的变化就越大，机械特性就越越大，机械特性就越软。机械特性的软硬软。机械特性的软硬只是相对而言的，并只是相对而言的，并没有严格的界定。没

28、有严格的界定。对机械特性方程式分析对机械特性方程式分析中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2 2）方程式中的）方程式中的 为理想空载转速，即负为理想空载转速，即负载转矩载转矩T=0 T=0 时的转速。电动机在实际空载状态时的转速。电动机在实际空载状态运行时运行时, ,虽然轴上的输出转矩虽然轴上的输出转矩T T2 2=0,=0,但电动机还但电动机还必须克服空载阻转矩必须克服空载阻转矩T0,T0,使使T=TT=T0 000。所以实际。所以实际空载转速空载转速n n0 0略低于理想空载转速略低于理想空载转速n n0 0。 3 3）令）令 则则方程的左右两边都变为转方程的左右两边都变为转速的形态，

29、我们把速的形态，我们把 称称为转速降，为转速降， 值越值越大，在相同的电磁转矩下大，在相同的电磁转矩下，转速降也越大，电动机，转速降也越大，电动机的转速也就越低。的转速也就越低。 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.3.2 2.3.2 他励直流电动机的固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性定义：定义：当电动机的电源电压当电动机的电源电压U=UU=UN N, ,每极磁通每极磁通=N N , ,电路不串入附加电阻电路不串入附加电阻, ,即即Rpa=0时的机械时的机械特性特性, ,称为固有机械特性。称为固有机械特性。 把把 代入代入机械特性方程式机械特性方程式可得固可得固有机械特性的方程式

30、为：有机械特性的方程式为：aNNRR,UU由于电路没有串联接入附加电阻由于电路没有串联接入附加电阻Rpa ，而原有的电枢而原有的电枢绕组的电阻绕组的电阻Ra又很小，故而固有机械特性曲线斜率又很小，故而固有机械特性曲线斜率值值很小，所以他励直流电动机的很小，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特固有机械特性是硬特性。性。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.3.3 2.3.3 他励直流电动机的人为机械特性他励直流电动机的人为机械特性由于他励直流电动机的由于他励直流电动机的固有机械特性是硬特性的，固有机械特性是硬特性的，故而在实际应用中用处不大，为了拓宽应用范围，故而在实际应用中用处不大，为

31、了拓宽应用范围，需人为的改变他励直流电动机的固有机械特性的硬需人为的改变他励直流电动机的固有机械特性的硬度，即是特性曲线的斜率度，即是特性曲线的斜率的值人为的变大。从的值人为的变大。从固固有机械特性的方程式看，有机械特性的方程式看，只要任意改变电源电压只要任意改变电源电压U、每极磁通、每极磁通和电枢电路和电枢电路串接附加电阻三个变量中的任意一个量，都能改变串接附加电阻三个变量中的任意一个量，都能改变他励直流电动机的固有机械特性。他励直流电动机的固有机械特性。定义：定义：当改变当改变U或或或或Ra 得到的机械特性称为人为得到的机械特性称为人为机械特性。机械特性。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技

32、术学院1 1、电枢电路串电阻时的人为机械特性、电枢电路串电阻时的人为机械特性电枢电路串电阻时的人为机械特性是指保持电源电电枢电路串电阻时的人为机械特性是指保持电源电压压U U= =U UN N, ,每极磁通每极磁通= =N N不变不变，只在电枢电路串接附只在电枢电路串接附加电阻加电阻R Rpa pa 来改变机械特性。来改变机械特性。其改变后的机械特性其改变后的机械特性方程式为方程式为2 2N NT Te epapaa aN Ne eN NC CC CR RR RC CU Un n中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2 2、改变电枢电压时的人为机械特性

33、、改变电枢电压时的人为机械特性 保持每极磁通保持每极磁通 不变，在电枢电路不串接附电不变，在电枢电路不串接附电阻（即阻（即 ）, , 仅改变（降低）电压时的机仅改变（降低）电压时的机械特性。其械特性。其改变后的改变后的机械特性方程式为机械特性方程式为N aRR, 0paR 由于受电动机绝缘强制由于受电动机绝缘强制, ,改变电压时改变电压时, ,仅限于在额定仅限于在额定电压的基础上降低电压电压的基础上降低电压，因，因此该人为特性与固有机械特此该人为特性与固有机械特性相比性相比, ,理想空载转速理想空载转速n n0 0电电压压U U的降低成正比降低，的降低成正比降低，特特性曲线的斜率性曲线的斜率不

34、变不变中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院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保持电源电压保持电源电压U=UN ,电枢电路不接入联串附加电阻电枢电路不接入联串附加电阻（R pa=0，R=R a）,只改变励磁回路调节电阻只改变励磁回路调节电阻Rpf ,减小每极磁通减小每极磁通来改变固有的机械特性。来改变固有的机械特性。其改变后的机械特性方程式为其改变后的机械特性方程式为 由于电动机在设计制造时由于电动机在设计制造时, ,磁通磁通已接近于饱和已接近于饱和, ,不容易增加不容易增加, ,磁通一般只能在额定值的基础上减弱磁通一般只能在额

35、定值的基础上减弱, ,因此该人为特性与固有机械特性相比因此该人为特性与固有机械特性相比, ,理想空载理想空载转速转速n n0 0随磁通随磁通的减小而升高的减小而升高, ,斜率斜率随磁通随磁通的的平方成反比地增大平方成反比地增大, ,机械特性变软机械特性变软, ,不同磁通时的机不同磁通时的机械特性如下图械特性如下图, ,这是一组这是一组n n0 0升高升高, ,斜率斜率变大的直线变大的直线 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院附：机械特性的绘制附：机械特性的绘制（一）固有特性的绘制（一）固有特性的绘制 具体步骤：具体步骤：(1)(1)估算估算:Ra2N

36、NNNaIPIU)3221(RNNNNNenPIUCNeNTC9.55C(2)(2)计算计算:CCNTNe和(3)(3)计算理想空载点：计算理想空载点：NeN0CUn,0T(4)(4)计算额定工作点：计算额定工作点：NNNTNnn,ICTn n0 0点在点在y y轴轴n nN N 点在点在x x轴轴中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院（二）人为特性的绘制（二）人为特性的绘制 在固有机械特性方程在固有机械特性方程 的基础上，根据人为的基础上，根据人为特性所对应的参数特性所对应的参数 Rpa 或或U 或或 变化，重新计变化，重新计算算 和和 ，然后得到人为机械特性方程式，然后得到人为机械特性方

37、程式。Tnn00n中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.3.4 2.3.4 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电力拖动系统是由电动机和生产机械负载构成的电力拖动系统是由电动机和生产机械负载构成的,在分在分析电力拖动系统的运动情况时析电力拖动系统的运动情况时,应将电动机的机械特性应将电动机的机械特性和负载的转矩特性结合起来。通常是把电动机的机械和负载的转矩特性结合起来。通常是把电动机的机械特性和负载转矩特性画在同一直角坐标内。特性和负载转矩特性画在同一直角坐标内。直线直线1为恒转矩负载特性，直线为恒转矩负载特性，直线2为电动机的机械特为电动机的机械特性（电磁转矩）。观察图

38、中的性（电磁转矩）。观察图中的A点处，在点处，在A点电动机点电动机的电磁转矩与负载的电磁转矩与负载转矩大小相等，即转矩大小相等，即T=TL，方向相反，方向相反，相互平衡。相互平衡。A点被称点被称为工作点为工作点。由于。由于T-TL=0， 系统能够在系统能够在A点平稳运行。点平稳运行。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 稳定运行的概念：当稳定运行的概念：当T T= =TL L，n n= =f f( (T T) )与与n n= =f f( (T TL L) )有交点有交点 称静态平衡，这是稳称静态平衡，这是稳定运行的必要条件。定运行的必要条件。在电力拖动系统中在电力拖动系统中 T T= =T

39、 TL L 是平衡稳定运行是平衡稳定运行的一个必要条件。的一个必要条件。（电力拖动中，为使问题简化均忽略即（电力拖动中，为使问题简化均忽略即 T T0 00, 0, T T= =T T2 2= =T TL L 。）。）结论结论: : 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院在在A点点, 有有T=TL，系统能在，系统能在A点平稳运行，转速为点平稳运行，转速为nA ,当当扰动使负载转矩由扰动使负载转矩由TL1突突然增大到然增大到TL2时，因负载变时，因负载变化的循间系统转速和电磁化的循间系统转速和电磁转矩不能突变，此时的电转矩不能突变，此时的电磁转矩磁转矩T=TL1 ，满足，满足TTL2 ，根据运

40、动方程可知系，根据运动方程可知系统开始减速，随着转速的统开始减速，随着转速的下降，电枢电动势下降，电枢电动势Ea减小减小，电枢电流，电枢电流Ia增大，电磁转矩增大，电磁转矩T 增大，直到增大，直到T=TL2时，时，系统在新的工作点系统在新的工作点B形成新的平衡，以低于形成新的平衡，以低于nA的转的转速速nB在在B点稳定运行。如果点稳定运行。如果扰动消失，系统将以相扰动消失，系统将以相反的变化返回反的变化返回A点。点。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 处于某一转速下稳定运行的电力拖动系统，处于某一转速下稳定运行的电力拖动系统，由于到某种扰动，导致系统的转速发生变化由于到某种扰动，导致系统

41、的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是是稳定稳定的，的，结论结论: : 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院右图右图是考虑到他励直流电是考虑到他励直流电动机有电枢反映的情况，动机有电枢反映的情况，当电磁转矩较大时枢电流当电磁转矩较大时枢电流增大，去磁较强，磁通减增大，去磁较强，磁通减小，转速升高。表现在机小，转速升高。表现在机械特性上出现上翘现象。械特性上出现上翘现象。系统在系统在A点能

42、够稳定运行。当有干扰出现负载转矩点能够稳定运行。当有干扰出现负载转矩TL出现增大到出现增大到TB时，由于电磁转矩不能突变，时，由于电磁转矩不能突变，T=TL ，此时就有此时就有T TB，根据拖动系统的运动方程，当电磁，根据拖动系统的运动方程，当电磁转矩小于负载转矩的情况时，拖动系统是处在减速状转矩小于负载转矩的情况时，拖动系统是处在减速状态的，也就是说此时，转速是下降到态的，也就是说此时，转速是下降到C点。电磁转矩点。电磁转矩也下降到也下降到TC，使得转速进一步下降，不能在，使得转速进一步下降，不能在C点形成点形成稳定状态。反之，当负载转矩下降时，则稳定状态。反之，当负载转矩下降时，则TTL，

43、根，根据拖动系统的运动方程，当电磁转矩大于负载转矩的据拖动系统的运动方程，当电磁转矩大于负载转矩的中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于到处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统不能在新的条件下达到新的平平衡状态，如果系统不能在新的条件下达到新的平衡状态，则系统是衡状态，则系统是不稳定不稳定的。的。情况时，拖动系统是处在加速状态，此时转速上升情况时，拖动系统是处在加速状态，此时转速上升到到nB ，对应图中为，对应图中为B点，电磁转矩增大，转速进一点

44、，电磁转矩增大，转速进一步上升。因此，在步上升。因此，在A点虽然能满足点虽然能满足T=TL的稳定运行的稳定运行条件，但负载转矩少有增加或减少时，系统都不能条件，但负载转矩少有增加或减少时，系统都不能稳定运行在新的平衡点上。稳定运行在新的平衡点上。结论结论: : 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院电力拖动系统稳定运行的电力拖动系统稳定运行的充分必要条件充分必要条件是：是：（1） 必要条件必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点性必须有交点,即存在即存在 LTT （2）充分条件）充分条件: 在交点处在交点处, 满足满足:0dndTdndTL或或dnd

45、TdndTL或者说：或者说：在交点的转速以上存在在交点的转速以上存在 T TT TL L , ,在交点的转速以下存在在交点的转速以下存在T TT TL L。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 如图所示的系如图所示的系统中统中, ,恒转矩负恒转矩负载特性与下降的载特性与下降的电动机机械特性电动机机械特性配合配合, ,在两线的在两线的交点交点A A处处, ,dT/dn0,dT/dn0,dT/dn0,负载负载仍为恒转矩仍为恒转矩, , dTL/dn=0,dTL/dn=0,因因此此, dT/dndTdT/dndTL L/dn,/dn,不符合上述稳定运行的条件不符合上述稳定运行的条件, ,系统不能

46、在系统不能在A A点稳定运行。点稳定运行。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.4 2.4 他励直流电动机的启动和反转他励直流电动机的启动和反转 电动机的电动机的启启动动是指电动机接通电源后，由静止状是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分为起动瞬间，起动转矩和起动电流分为stTstNstaTC IUIR2.4.1 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动电动机的电动机的起动起动分为：全压启动，降压启动和分为：全压启动，降压启动和电枢回电枢回 路串电阻启动路串电阻启动中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 直流

47、电动机对启动的要求：直流电动机对启动的要求： 不同的生产机械对启动有不同的要求。例如，无轨不同的生产机械对启动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间快速起动。即要求起动时间 Tst小些，则起动转矩小些，则起动转矩Tst大些。一般地，大些。一般地， 1、要求启动转矩要足够的大，启动转矩要大、要求启动转矩要足够的大，启动转矩要大于负载转矩，尽量缩短启动时间。于负载转矩，尽量缩短启动时间。 2、启动电流不能太大。、启动电流不能太大。过大的起动电流将引过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的

48、正常用电、起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。起动。 3、启动设备简单可靠。、启动设备简单可靠。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 全压启动是他励直流电动机直接加额定电压进全压启动是他励直流电动机直接加额定电压进行启动行启动, ,亦称直接启动。这种启动方法在启动开始瞬亦称直接启动。这种启动方法在启动开始瞬间间, ,电动机因为机械惯性作用电动机因为机械惯性作用, ,转速转速n=0,n=0,电枢电动势电

49、枢电动势Ea=Cen=0, ,忽略电枢电路电感的作用忽略电枢电路电感的作用, ,则启动瞬间的则启动瞬间的启动电流为启动电流为aNsaNastRUREUIII Istst为起动电流，为起动电流，在起动瞬间在起动瞬间n=0，也称为堵，也称为堵转电流转电流 1 1全压启动全压启动中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院Tst=CTIst ,使拖动系统受到冲击使拖动系统受到冲击, ,损坏拖动系统的传损坏拖动系统的传动机构。所以只有小容量（几百瓦）的电动机允许动机构。所以只有小容量（几百瓦）的电动机允许全压（直接）启动。一般允许直流电动机的启动电全压（直接）启动。一般允许直流电动机的启动电流流I Ist

50、st=(1.5=(1.52)I2)IN N, ,为此为此, ,对于大容量的直流电动机对于大容量的直流电动机, ,在在启动时必须限制启动电流启动时必须限制启动电流, ,常用的方法是常用的方法是降低电源降低电源电压电压或在或在电枢电路串电阻电枢电路串电阻。 由于他励直流电动机的电枢电阻由于他励直流电动机的电枢电阻R Ra a较小较小, ,这时的这时的启动电流可达启动电流可达101020 20 倍的额定电流倍的额定电流, ,大的启动电流大的启动电流产生较强的火花产生较强的火花, ,甚至产生环火甚至产生环火, ,烧坏换向器和电刷烧坏换向器和电刷, ,而且这个瞬间而且这个瞬间, ,启动电流产生大的启动转

51、矩启动电流产生大的启动转矩中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2 2、 降压启动降压启动降压启动是电动机的电枢绕组由一可调电压的电源降压启动是电动机的电枢绕组由一可调电压的电源（如可控整流器）供电（如可控整流器）供电启动时启动时, ,先接通励磁绕组电源先接通励磁绕组电源, ,并将励磁电流调到额定值并将励磁电流调到额定值, ,然后由低向高调节电枢绕然后由低向高调节电枢绕组电压。开始时组电压。开始时, ,加到电枢两端的电压应使得电枢电加到电枢两端的电压应使得电枢电路的电流路的电流IstIst不超过（不超过（1.51.52 2）I IN N, ,电磁转矩电磁转矩TstTstT TL L , ,电

52、动机开始启动电动机开始启动, ,随着转速的升高随着转速的升高, ,a a也逐渐增大也逐渐增大, ,电枢电流减小电枢电流减小, ,电磁转矩也相应减小。为保证启动过电磁转矩也相应减小。为保证启动过程中有足够大的电磁转矩程中有足够大的电磁转矩, ,电压必须不断地提高电压必须不断地提高, ,直到直到U=UU=UN N。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院降压启动法在启动过程中损耗较小降压启动法在启动过程中损耗较小, ,启动平稳启动平稳, ,便便于实现自动化。于实现自动化。 如工业如工业PCPC控制，控制，PLCPLC控制等。控制等。降压启动时的机械特性如图所

53、示。电动机将沿图中降压启动时的机械特性如图所示。电动机将沿图中的的abck加速到加速到p点点,起动瞬间把加在电起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到 U=(1.5U=(1.52.0) I2.0) IN NR Ra a，随着转速，随着转速n n的上升，电势的上升，电势E Ea a也逐也逐渐增大，渐增大，I Ia a相应减小，此时电压相应减小，此时电压U U必须不断升高必须不断升高( (手动手动调节或自动调节调节或自动调节) )，而且使，而且使I Ia a保持在保持在 (1.5(1.52.0)I2.0)IN N 范围内，直到电压升到额定电压范围

54、内，直到电压升到额定电压U UN N ，电动机进入稳，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束定运行状态，起动过程结束。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院3 3、电枢电路串电阻启动、电枢电路串电阻启动为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢电枢回路接入串联电阻回路接入串联电阻启动。启动。保持所有电压不变，保持所有电压不变，在他励电动机的电枢电路串接在他励电动机的电枢电路串接可调电阻可调电阻R Rst st , ,这个电阻被称为启动电阻这个电阻被称为启动电阻, ,接入启动电接入启动电阻的阻的他励电动机，可他励电动机，可将启动时的启动电流将启动时的启动

55、电流I Istst限制在限制在允许值范围允许值范围I Istst= =（1.51.52 2）I IN N 若启动电流为若启动电流为 I Istst=U=UN N/(R/(Ra a+R+Rstst) )astNstRIUR则启动电阻则为则启动电阻则为中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 启动电阻采用分级串联接入方式，级数一般为启动电阻采用分级串联接入方式，级数一般为2 25 5级。级。上图为一三级启动时的启动接线图。动电阻分为三级，分别是上图为一三级启动时的启动接线图。动电阻分为三级，分别是R Rst1st1、R Rst2st2和和R Rst3st3, ,分别与分别与KM1KM1、KM2KM

56、2和和KM3KM3并联，通过时间继电器来并联，通过时间继电器来控制控制km1km1、km1km1和和km3km3依次闭合，实现分级启动依次闭合，实现分级启动。中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 在电动机启动过程中在电动机启动过程中, ,为减小启动时对系统生为减小启动时对系统生产机械的冲击产机械的冲击, ,各级启动电阻的计算各级启动电阻的计算, ,应以在启应以在启动过程中最大的启动电流动过程中最大的启动电流I Ist1st1 ( (或最大启动转或最大启动转矩矩T Tst1st1) )与切换启动电流与切换启动电流I Ist2st2（或切换启动转矩（或切

57、换启动转矩T Tst2st2）不变为原则。对普通的直流电动机通常）不变为原则。对普通的直流电动机通常取取 I Ist1st1=(1.5=(1.52)2)I IN N I Ist2st2=(1.1=(1.11.2)1.2)I IN N 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院 起动电阻计算起动电阻计算 设对应转速设对应转速n n1 1、n n2 2、n n3 3时电势分别为时电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，则有，则有：b b点点123aNEUIRc c点点1aNEUIR12d d点点222aNEUIRe e点点211aNEUIRf f点点321aNEUIRg g点点31

58、aNaEUIR比较以上各式得：比较以上各式得：IIRRRRRRa2111223 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: :中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2 2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流 ；m（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比）计算起动电流比：maNRIU1 取整数取整数m（5 5）计算转矩）计算转矩: :TT1

59、2，校验校验：L2T)3 .11 .1 (T 如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，值并重新计算，直到直到 满足该条件为止满足该条件为止. .（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。1Tm1T2T2T中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.4.2 2.4.2 他励直流电动机的反转他励直流电动机的反转两种方法：两种方法：1) 1) 改变励磁电流的方向改变励磁电流的方向保持电枢绕组两端电源电压的极性不变保持电枢绕组两端电源电压的极性不变, ,将将励磁绕组反接励磁绕组反接, ,使励磁电流反向使励磁电流反向, ,从而改变磁通从而改变磁通的方向。的方向。2) 2) 改变电

60、枢绕组两端电源电压的极性改变电枢绕组两端电源电压的极性保持励磁绕组的电压极性不变保持励磁绕组的电压极性不变, ,将电枢绕组将电枢绕组反接反接, ,使电枢电流改变方向。使电枢电流改变方向。 中山火炬职业技术学院中山火炬职业技术学院2.5 2.5 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速调速：调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。速以满足生产实际的需要。1、调速方法调速方法 1 1）机械调速：）机械调速：指通过改变变速机构传动比以改指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法。变转速的方法。 特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生特点是