电机及电力拖动课件 模块2 直流电机的电力拖动

1、模块模块2 2 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动以电动机作为原动机拖动生产机械，完成一定生产任务的以电动机作为原动机拖动生产机械，完成一定生产任务的拖动方式，称为电力拖动。电力拖动方式是现代化大生产拖动方式，称为电力拖动。电力拖动方式是现代化大生产中最优越并且用得最多的拖动方式。中最优越并且用得最多的拖动方式。电力拖动系统组成：电动机，工作机构、生产机械的传动电力拖动系统组成：电动机，工作机构、生产机械的传动机构、控制设备及电源五个部分组成。机构、控制设备及电源五个部分组成。电动机作为整个系统的动力，拖动生产机械的传动机构；电动机作为整个系统的动力，拖动生产机械的传动机构；电动机和工作

2、机构不同轴时，两者之间有传动机构，用以电动机和工作机构不同轴时，两者之间有传动机构，用以变速或变换运动方式；变速或变换运动方式；控制设备用来控制电动机的运动实现自动控制；控制设备用来控制电动机的运动实现自动控制；电源为电动机和控制设备提供电能。电源为电动机和控制设备提供电能。本章主要介绍电力拖动系统的运动方程式、运动状态、他励本章主要介绍电力拖动系统的运动方程式、运动状态、他励直流电动机的机械特性、启动、反转、调速及制动等。直流电动机的机械特性、启动、反转、调速及制动等。知识点知识点1 1直流电动机和负载的机械特性直流电动机和负载的机械特性2 2电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式

3、3 3直流电动机的启动、制动、调速直流电动机的启动、制动、调速学习要求学习要求1 1具备电力拖动系统的分析和基本折算能力具备电力拖动系统的分析和基本折算能力2 2具备直流电动机机械特性的分析和绘制能力具备直流电动机机械特性的分析和绘制能力3 3具备直流电动机启动、制动、调速的过程描述和特点分具备直流电动机启动、制动、调速的过程描述和特点分析能力析能力4 4具备直流电动机电力拖动的基本计算能力具备直流电动机电力拖动的基本计算能力模块模块2 2 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动模块内容模块内容模块模块2 2 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电

4、力拖动系统的动力学基础课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性课题课题4 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课题课题5 5 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动课题课题6 6 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速课题课题7 7* * 无刷直流电动机简介无刷直流电动机简介模块模块2 2 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动2.1.1 2.1.1 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就是电动机的轴与生产机械的

5、轴直接连接的系统就是电动机的轴与生产机械的轴直接连接的系统根据动力学定律，作用在该连接轴上的转矩满足的系统的根据动力学定律，作用在该连接轴上的转矩满足的系统的运动方程为：运动方程为： (2-1)(2-1) 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础(a) (a) 单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统 (b) (b) 系统各物理量的参考方向系统各物理量的参考方向图图2-12-1单轴电力拖动系统及系统各物理量的参考方向单轴电力拖动系统及系统各物理量的参考方向dtdJTTLem2.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式1 1）单轴电力拖动系统运动方程式

6、）单轴电力拖动系统运动方程式 (2-1)(2-1)式中，式中，T Temem电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩(N(Nm m) )； T TL L电动机的负载转矩电动机的负载转矩(N(Nm m) )； J J电动机轴上的总转动惯量电动机轴上的总转动惯量(kg(kgm m2 2) )； 电动机的角速度电动机的角速度(rad(rads)s)。式式(2-1) (2-1) 描述了作用于单轴拖动系统的转矩与速度之间的描述了作用于单轴拖动系统的转矩与速度之间的关系。关系。 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础dtdJTTLem2.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖

7、动系统的运动方程式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通常用转速度通常用转速度n n代替角速度代替角速度；用飞轮矩；用飞轮矩GDGD2 2代替转动惯量代替转动惯量J J。n n与与之间的关系为之间的关系为 (2-2)(2-2)J J与与GDGD2 2之间的关系为之间的关系为 (2-3)(2-3)式中，式中，m m系统转动部分的质量系统转动部分的质量(kg)(kg)； G G系统转动部分的重力系统转动部分的重力(N)(N)； 系统转动部分的回转半径系统转动部分的回转半径(m)(m)； D D系统转动部分的回转直径系统转动部分的回转直径(m)(m)； g g重力加速度，可

8、取重力加速度，可取g g=9.81m=9.81ms s2 2。课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础n602gGDDgGmJ442222.1.1 2.1.1 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和和J J用用n n和和GDGD2 2代替，可得电力拖动系统运动方程式的实用代替，可得电力拖动系统运动方程式的实用形式形式 (2-4)(2-4)式中，式中，GDGD2 2是系统转动部分的总飞轮矩是系统转动部分的总飞轮矩(N(Nm m2 2) )； 375=4g375=4g6060(2)(2)，是具有加速度

9、量纲的系数。电，是具有加速度量纲的系数。电动机和生产机械的动机和生产机械的GDGD2 2可从产品样本和有关设计资料中查到。可从产品样本和有关设计资料中查到。 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础dtdnGDTTLem37522.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式2 2）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 一般规定如下：一般规定如下：首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速n n的正方的正方向，然后按照下列规则确定转矩的正、负号。向，然后按照下列规则确定转矩的

10、正、负号。1)1)电磁转矩电磁转矩T Temem与转速与转速n n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。2)2)负载转矩负载转矩T TL L与转速与转速n n的正方向相反时为正，相同时为负。的正方向相反时为正，相同时为负。3)3)惯性转矩的大小及正、负号由惯性转矩的大小及正、负号由T Temem和和T TL L代数和决定。代数和决定。转速的正方向可任意选取，即选顺时针或逆时针，但工程上转速的正方向可任意选取，即选顺时针或逆时针，但工程上一般对起重机械选取提升重物时的转速方向为正，龙门刨床一般对起重机械选取提升重物时的转速方向为正，龙门刨床工作台则以切削时的转速方向为正

11、。工作台则以切削时的转速方向为正。课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础dtdnGDTTLem37522.1.2 2.1.2 电力拖动系统的运动状态分析电力拖动系统的运动状态分析 电力拖动系统的转速变化率电力拖动系统的转速变化率( (加速度加速度) )是由是由T TememT TL L决定的，决定的，T TememT TL L称为动态转矩，因此根据式称为动态转矩，因此根据式(2-4)(2-4)可分析电力拖动系可分析电力拖动系统的运动状态。统的运动状态。首先规定某一旋转方向为转速的正方向，即首先规定某一旋转方向为转速的正方向，即n noo。在此旋转。在此旋转方向下，根据

12、式方向下，根据式(2-4)(2-4)分析电力拖动系统的运动状态如下：分析电力拖动系统的运动状态如下：1)1)当当T TememT TL L0 0时，时，d dn n/d/dt t0 0，系统处于加速运行状态。，系统处于加速运行状态。2)2)当当T TememT TL L0 0时，时，d dn n/d/dt t0 0，系统处于减速运行状态。，系统处于减速运行状态。3)3)当当T Temem= =T TL L时，时，d dn n/d/dt t =0=0，系统处于稳态。，系统处于稳态。课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础dtdnGDTTLem37522.1.3 2.1.3

13、 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础(a) (a) 多轴电力拖动系统多轴电力拖动系统 (b) (b) 等效单轴拖动系统等效单轴拖动系统图图2-2 2-2 多轴电力拖动系统多轴电力拖动系统实际的电力拖动系统往往不是单轴系统，而是通过一套传实际的电力拖动系统往往不是单轴系统，而是通过一套传动机构，把电动机和工作机构连接起来的多轴系统。分析动机构，把电动机和工作机构连接起来的多轴系统。分析多轴的运动状态时，通常是把实际的多轴系统折算为一个多轴的运动状态时，通常是把实际的多轴系统折算为一个等效的单轴

14、系统，折算的原则是保持拖动系统在折算前后，等效的单轴系统，折算的原则是保持拖动系统在折算前后，其传送的功率和贮存的动能不变。其传送的功率和贮存的动能不变。 2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础1 1）工作机构负载转矩的折算）工作机构负载转矩的折算折算原则：功率不变。折算原则：功率不变。设工作机构的负载转矩为设工作机构的负载转矩为T TZ Z，转速为，转速为Z Z，则对应的功率则对应的功率而折算电机轴上后的功率可表示为而折算电机轴上后的功率可表示为 ，式中，式中，T TL

15、 L为折算电机轴上的转矩，为折算电机轴上的转矩，为电动机的转速。为电动机的转速。则有：则有： (2-5)(2-5)ZZZTPLZTPLZZZTTP2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础1 1）工作机构负载转矩的折算）工作机构负载转矩的折算在实际上在传动过程中，传动机构存在着功率损耗，称为在实际上在传动过程中，传动机构存在着功率损耗，称为传动损耗，传动效率用传动损耗，传动效率用C C表示。表示。电动机运行时，即电动机输出的功率比生产机械消耗的功电动机运行时，即电动机输出的功

16、率比生产机械消耗的功率大，这时的功率关系应为率大，这时的功率关系应为 ，此时：此时： (2-6)(2-6)式中，式中，i i电动机与工作机构的转速比，电动机与工作机构的转速比，LCZCZZZTPPTCZLiTT1ZZnni2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础1 1）工作机构负载转矩的折算）工作机构负载转矩的折算电动机处于制动状态时，则传动损耗由生产机械的负载负电动机处于制动状态时，则传动损耗由生产机械的负载负担，电动机输出的功率比生产机械消耗的功率小，这时的担，电动机输

17、出的功率比生产机械消耗的功率小，这时的功率关系应为功率关系应为 ，此时：此时： (2-7) (2-7) 公式中，对于多级传动机构公式中，对于多级传动机构 ，总传动效率总传动效率 。21iii21CZCLTiT1LZZCZZCTPPT2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础2 2）工作机械具有直线运动的机构作用力）工作机械具有直线运动的机构作用力 折算原则：功率不变。折算原则：功率不变。设直线运动的直线力为设直线运动的直线力为F FZ Z，直线运动速度为，直线运动速度为v v

18、Z Z，则对应的，则对应的功率为功率为再考虑到传动效率，则有再考虑到传动效率，则有 （2-82-8）ZZZvFP ZCZCZZZTPPvFCZZCZZZnvFvFT55. 92.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础3 3）传动机构与工作机构构飞轮矩的折算）传动机构与工作机构构飞轮矩的折算 折算原则：功率不变。折算原则：功率不变。设工作机构的转动惯量为设工作机构的转动惯量为J JZ Z，传动机构中各轴上的转动惯，传动机构中各轴上的转动惯量为量为J J1 1、J J2 2、，电

19、动机的转动惯量为，电动机的转动惯量为J JM M；工作机构的转速；工作机构的转速为为Z Z，传动机构中各轴的转速为，传动机构中各轴的转速为1 1、2 2、，则系统中，则系统中折算前的总动能折算前的总动能折算到电动机上的总动能为折算到电动机上的总动能为222221122121212121ZZMZMJJJJWWWWW221JW2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础3 3）传动机构与工作机构构飞轮矩的折算）传动机构与工作机构构飞轮矩的折算 二者相等，所以系统总的转动惯量为二者相

20、等，所以系统总的转动惯量为 (2-9)(2-9)若用飞轮矩和每分钟的转数表示，则得若用飞轮矩和每分钟的转数表示，则得 (2-10)(2-10)2222211ZZMJJJJJ222222212122nnGDnnGDnnGDGDGDZZM2.1.3 2.1.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算 课题课题1 1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础4 4）工作机构直线运动质量的计算）工作机构直线运动质量的计算 折算原则：动能不变。折算原则：动能不变。设作直线运动的工作机构的质量为设作直线运动的工作机构的质量为m mZ Z，直线运动速度为，直线运动速

21、度为v vZ Z，则对应的动能为则对应的动能为折算到电机轴上时，其动能为折算到电机轴上时，其动能为二者相等，所以有二者相等，所以有 ，即，即而而 ， ， ，所以所以 (2-11)(2-11)式中：式中：G GZ Z工作机构的重量，（工作机构的重量，（N N）；）； n n电动机的转速电动机的转速r/minr/min。 22ZZvmW 22ZZJW2222ZZZJvm22ZZZvmJgGmZZ602 nZZgJGD422222236544nvGvmggJGDZZZZZZ课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械的负载转矩生产机械的负载转矩T TL L的大小和许多因素有

22、关，通常把负的大小和许多因素有关，通常把负载转矩载转矩T TZ Z与转速的关系与转速的关系T TZ Z= =f f（n n）称为生产机械的负载转）称为生产机械的负载转矩特性，有时也简称为负载性质。矩特性，有时也简称为负载性质。生产机械的负载性质基本上可以归纳为三大类：生产机械的负载性质基本上可以归纳为三大类：1 1）恒转矩负载）恒转矩负载 2 2）恒功率负载）恒功率负载 3 3）风机、泵类负载）风机、泵类负载 2.2.1 2.2.1 恒转矩负载恒转矩负载 课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 凡负载转矩凡负载转矩T TL L的大小为一定值，而与转速无关的称为恒转的大小为

23、一定值，而与转速无关的称为恒转矩负载。矩负载。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性负载和位能性负载两种。反抗性负载和位能性负载两种。2.2.1 2.2.1 恒转矩负载恒转矩负载 课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 1 1）反抗性的恒转矩负载）反抗性的恒转矩负载性质：由摩擦阻力产生的转矩，是性质：由摩擦阻力产生的转矩，是阻碍运动的制动性质转矩。阻碍运动的制动性质转矩。特点：不管生产机械的运动方向如特点：不管生产机械的运动方向如何，其作用方向总是与旋转方向相何，其作用方向总是与旋转方向相反，而绝对值的大

24、小则是不变的。反，而绝对值的大小则是不变的。范围：起重机的行走机构、皮带运范围：起重机的行走机构、皮带运输机和轧钢机等。输机和轧钢机等。在在n n- -T TL L直角坐标系中，负载特性是直角坐标系中，负载特性是位于第一或第三象限且与纵轴相平位于第一或第三象限且与纵轴相平行的直线。行的直线。 图图2-32-3反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性2.2.1 2.2.1 恒转矩负载恒转矩负载 课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 2 2）位能性的恒转矩负载）位能性的恒转矩负载性质：是由重力作用产生的。性质：是由重力作用产生的。特点：工作机构的转矩绝对值大小特点：工作机构

25、的转矩绝对值大小恒定不变，而且作用方向也保持不恒定不变，而且作用方向也保持不变。变。在在n n- -T TL L坐标系中，负载特性是穿过坐标系中，负载特性是穿过第一、四象限的直线第一、四象限的直线范围：起重机的提升机构、矿井卷范围：起重机的提升机构、矿井卷扬机。扬机。特例：但是在某种情况下，例如机特例：但是在某种情况下，例如机车下坡时，位能性负载的负载力矩车下坡时，位能性负载的负载力矩对电动机起加速作用，负载转矩特对电动机起加速作用，负载转矩特性应在第二象限。性应在第二象限。 图2-4 位能性恒转矩负载特性2.2.2 2.2.2 恒功率负载恒功率负载 课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产

26、机械的负载转矩特性 特点：负载的功率为一恒定值，即特点：负载的功率为一恒定值，即P PL L= =T TL L=常数，也就是负载转矩常数，也就是负载转矩T TL L与转速与转速n n成反比。成反比。恒功率负载特性是一条双曲线。恒功率负载特性是一条双曲线。所谓恒功率负载是指一种工艺要求所谓恒功率负载是指一种工艺要求，例，例如车床在加工零件时，根据切削量不同，如车床在加工零件时，根据切削量不同，选用不同的转速，以使切削功率保持不选用不同的转速，以使切削功率保持不变，即恒功率负载特性，但是在进行每变，即恒功率负载特性，但是在进行每次切削时，切削量都保持不变，因而切次切削时，切削量都保持不变，因而切削

27、转矩为常数，为恒转矩负载特性。削转矩为常数，为恒转矩负载特性。图图2 2-5-5恒功率负载特性恒功率负载特性2.2.3 2.2.3 风机、泵类负载转矩特性风机、泵类负载转矩特性 课题课题2 2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 性质：鼓风机、水泵、输油泵等流体机性质：鼓风机、水泵、输油泵等流体机械，其转矩随转速的变化按一定规律变械，其转矩随转速的变化按一定规律变化，即其变化规律与设备的出口压力有化，即其变化规律与设备的出口压力有关，即关，即 (2-12)(2-12)式中，式中，与出口压力有关的系数，与出口压力有关的系数，当出口压力为零时，当出口压力为零时，=2=2。以上三类负载转矩

28、特性都是很典型的，以上三类负载转矩特性都是很典型的，实际负载可能是一种类型，也可能是几实际负载可能是一种类型，也可能是几种类型的综合。种类型的综合。 图2-6通风机负载特性KnTL课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压U U、励、励磁电流磁电流I If f、电枢总电阻、电枢总电阻R Ra a为恒值的条件下，电动机转速为恒值的条件下，电动机转速n n与电磁转矩与电磁转矩T Temem的关系曲线的关系曲线n n= = f f（T Temem）或电动机转速）或电动机转速n n与与电枢电

29、流电枢电流I Ia a的关系曲线的关系曲线n n= = f f（IaIa）。）。在一般情况下，在一般情况下，T T0 0所占比重较小，在工程计算中可以忽所占比重较小，在工程计算中可以忽略不计，这样负载转矩略不计，这样负载转矩T TZ Z就等于电动机轴上总的阻转矩就等于电动机轴上总的阻转矩T TL L，而与电磁转矩，而与电磁转矩T Temem相平衡。相平衡。在以后的分析中，若无特别的说明，都是在忽略在以后的分析中，若无特别的说明，都是在忽略T T0 0的情的情况下进行的。况下进行的。2.3.1 2.3.1 机械特性方程式机械特性方程式 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械

30、特性 电动势平衡方程式电动势平衡方程式电动势表达式电动势表达式求得用电流求得用电流I Ia a表示的机械特性方程式表示的机械特性方程式 (2-13)(2-13)电磁转矩表达式电磁转矩表达式得用电磁转矩得用电磁转矩T Temem表示的机械特性方程式表示的机械特性方程式 (2-14)(2-14) aaaRIEUnCEeaaeaeeaaeaICRCUCRIUCEnaTemICTemTeeTemeeaeeTCCRCUCTCRCUICRCUn2.3.1 2.3.1 机械特性方程式机械特性方程式 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 当电源电压当电源电压U U= =常数，电枢电

31、路常数，电枢电路总电阻总电阻R Ra a= =常数，励磁电流常数，励磁电流I If f= =常数时，电动机的机械特性是常数时，电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线。一条向下倾斜的直线。特性曲线与纵轴的交点为特性曲线与纵轴的交点为T Temem=0=0时的转速时的转速n n0 0，称为理想空载转，称为理想空载转速。速。 (2-15)(2-15)图图2-72-7他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性eCUn 02.3.1 2.3.1 机械特性方程式机械特性方程式 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 图图2-72-7他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械

32、特性ememTeaTTCCRn由于总存在一定的空载损耗转矩，所由于总存在一定的空载损耗转矩，所以实际空载转速将低于以实际空载转速将低于n n0 0。电动机带负载后的转速降用电动机带负载后的转速降用n n表示，表示，则则 (2-16)(2-16)式中，式中，机械特性曲线的斜率。机械特性曲线的斜率。越大，越大，n n越大，机械特性就越越大，机械特性就越“软软”，称为软特性。，称为软特性。一般他励电动机在电枢没有外接电阻一般他励电动机在电枢没有外接电阻时，机械特性都比较时，机械特性都比较“硬硬”。2.3.2 2.3.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 课题课题3 3 他励直流电

33、动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 固有机械特性：当电动机的工作电压和磁通均为额定固有机械特性：当电动机的工作电压和磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为方程式为 (2-17)(2-17)由于由于R Ra a较小，他励直流电动机固有机械特性较硬。较小，他励直流电动机固有机械特性较硬。人为机械特性是人为地改变电动机参数或电枢电压而人为机械特性是人为地改变电动机参数或电枢电压而得到的机械特性，他励电动机有三种人为机械特性：得到的机械特性，他励电动机有三种人为机械特性： 1 1）电枢串接电阻时的人为机械特性）电枢串接电阻时

34、的人为机械特性 2 2）改变电枢电压时的人为机械特性）改变电枢电压时的人为机械特性 3 3）减弱磁通时的人为机械特性）减弱磁通时的人为机械特性 emNTNeaNeNTCCRCUn2.3.2 2.3.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 1 1）电枢串接电阻）电枢串接电阻此时此时U U= =U UN N、= =N N、R R= =R Ra a+ +R Rpapa，人，人为机械特性的方程式为为机械特性的方程式为 (2-19)(2-19)特点：理想空载转速特点：理想空载转速n n0 0不变，但转不变，但转速降速降n

35、 n增大。增大。R Rpapa越大，越大，n n也越也越大，特性变大，特性变“软软” ” 。 是一组通过是一组通过n n0 0但具有不同斜但具有不同斜率的直线。率的直线。 emNTNepaaNeNTCCRRCUn图图2-82-8他励电动机固有机械特性他励电动机固有机械特性及串入电阻时的人为机械特性及串入电阻时的人为机械特性2.3.2 2.3.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 2 2）改变电枢电压）改变电枢电压此时此时R Rpapa=0=0，= =N N，特性方程式为，特性方程式为 (2-20) (2-20

36、) 特点：由于工作电压以额定电压为特点：由于工作电压以额定电压为上限，因此电压只能在低于额定电上限，因此电压只能在低于额定电压的范围内变化。压的范围内变化。 与固有特性相比较，特性曲与固有特性相比较，特性曲线斜率不变，理想空载转速线斜率不变，理想空载转速n n0 0随电随电压减小成正比减小，因此机械特性压减小成正比减小，因此机械特性是一组低于固有机械特性而与之平是一组低于固有机械特性而与之平行的直线。行的直线。图2-10 他励电动机改变电枢电压时的人为机械特性emNTNeaNeTCCRCUn2.3.2 2.3.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 课题课题3 3 他励直流电

37、动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 3 3）减弱磁通）减弱磁通在励磁回路内串接电阻在励磁回路内串接电阻R Rpfpf或降低或降低励磁电压励磁电压U Uf f，此时，此时U U= =U UN N、R Rpapa=0=0，特，特性方程式为性方程式为 (2-21)(2-21)或或 (2-22)(2-22)在一般情况下，在一般情况下，T T2 2T TN NT Tk k 。所以。所以减弱磁通可以使转速升高。减弱磁通可以使转速升高。 emTeaeNTCCRCUnaeaeNICRCUn图图2-11 2-11 他励电动机减弱磁他励电动机减弱磁通时的人为机械特性通时的人为机械特性2.3.2 2.3.2 固

38、有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 3 3）减弱磁通）减弱磁通因为因为是个变量，机械特性采用是个变量，机械特性采用n n= =f f( (I Ia a) )堵转数据表示比较方便。堵转数据表示比较方便。堵转时：堵转时：n n=0=0，EaEa=0=0， = =常常数，而数，而 随随的减小而成反比增的减小而成反比增大，因此大，因此n n= =f f( (I Ia a) ) 是一组通过横坐是一组通过横坐标标I I= =I Ik k点的直线。点的直线。当磁通减弱时，因当磁通减弱时，因I Ik k不变，所以不变，所以T T

39、k k随随的减小成正比减小。的减小成正比减小。 akRUI0naeaeNICRCUn2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 绘制方法：绘制方法：1 1）根据机械特性方程式绘制或计算机械特性）根据机械特性方程式绘制或计算机械特性需要知需要知道电动机的内部结构参数道电动机的内部结构参数( (如如C Ce e、C CT T) )。2 2）利用电动机的铭牌数据或实测数据来绘制机械特性）利用电动机的铭牌数据或实测数据来绘制机械特性绘制时需要知道的数据包括电动机的额定功率绘制时需要知道的数据包括电动机的额定功率P PN N ，

40、额，额定电压定电压U UN N、额定电流、额定电流I IN N 和额定转速和额定转速n nN N 。 2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 1 1）固有机械特性的绘制）固有机械特性的绘制利用电动机的铭牌数据或实测数据来绘制机械特性利用电动机的铭牌数据或实测数据来绘制机械特性忽略电枢反应的去磁效应，采用忽略电枢反应的去磁效应，采用“两点法两点法” ” 绘出他励直绘出他励直流电动机固有机械特性。通常选择以下两点：流电动机固有机械特性。通常选择以下两点：1)1)理想空载点，（理想空载点，（T Temem=0=0，n n

41、= =n n0 0）；）；2)2)额定工作点，（额定工作点，（T Temem= =T TN N ，n n= =n nN N）。）。2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 1 1）固有机械特性的绘制）固有机械特性的绘制求两点的步骤求两点的步骤1 1）求得）求得R Ra a 用实测的方法取得，或根据名牌数据估算。用实测的方法取得，或根据名牌数据估算。估算的原则是认为在额定负载下，电枢的铜耗占电动机总估算的原则是认为在额定负载下，电枢的铜耗占电动机总损耗的损耗的1/21/21/31/3，即，即 (2-24)(2-24)而

42、而 ， ，所以有，所以有 (2-25)(2-25)NCuaPPp13221aaNCuaRIp2aNNIUP 123221aNNaNNaIPIUR2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 1 1）固有机械特性的绘制）固有机械特性的绘制求两点的步骤求两点的步骤2 2）算出）算出3 3）求出）求出n n0 0，得到理想空载点数据，得到理想空载点数据4 4）求额定点电磁转矩表达式）求额定点电磁转矩表达式 (2-26)(2-26)或在忽略空载转矩的情况下或在忽略空载转矩的情况下 (2-27)(2-27)NeCNaaNNNenR

43、IUCNeNCUn0aNNeaNNTemNICICT55. 9NNNnPT55. 92.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 2 2）人为机械特性的结制）人为机械特性的结制人为机械特性的绘制分两种情况人为机械特性的绘制分两种情况（1 1）是已知参数求特性）是已知参数求特性（2 2）是已知特性求参数。）是已知特性求参数。人为机械特性的计算方法和固有特性的计算方法相似，人为机械特性的计算方法和固有特性的计算方法相似，只要把相应的参数值代入相应的人为特性方程即可。只要把相应的参数值代入相应的人为特性方程即可。【例【例2-1

44、2-1】实例说明】实例说明2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【例【例2-12-1】一他励直流电动机的铭牌数据为】一他励直流电动机的铭牌数据为P PN N=22kW=22kW，U UN N=220V=220V，I IN N=116A=116A，n nN N=1500r/min=1500r/min。(1)(1)绘制固有特性曲线。绘制固有特性曲线。(2)(2)分别绘制下列三种情况的人为机械特性曲线：分别绘制下列三种情况的人为机械特性曲线：电电枢电路中串入电阻枢电路中串入电阻R Rpapa=0.7=0.7时；时；电源

45、电压降至电源电压降至110V110V时；时；磁通减弱时。磁通减弱时。(3)(3)当轴上负载转矩为额定转矩时，要求电动机以当轴上负载转矩为额定转矩时，要求电动机以n n= = 1000r/min1000r/min的速度运转，试问有几种可能的方案，并分的速度运转，试问有几种可能的方案，并分别求出它们的参数。别求出它们的参数。2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解】【解】(1)(1)绘制固有特性曲线绘制固有特性曲线估算估算R Ra a，取，取 ，则，则计算计算理想空载点，（理想空载点，（T Temem=0=0，n

46、n= =n n0 0）175. 011610221162203232232aNNaNNaIPIUR133. 01500175. 0116220NaaNNNenRIUCmin1654133. 02200rCUnNeN32NeC2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解】【解】(1)(1)绘制固有特性曲线绘制固有特性曲线额定点（额定点（T Temem= =T TN N ，n n= =n nN N）aNNeemNICT55. 9116133. 055. 9mN 2 .147图图2-12 2-12 固有机械特性固有机械特

47、性2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解【解】 (2)(2)绘制人为机械特性绘制人为机械特性电枢电路中串入电阻电枢电路中串入电阻R Rpapa=0.7=0.7时，时，理想空载点仍为理想空载点仍为n n0 0=1654r/min=1654r/min；当当T Temem= =T TemNemN=147.3N.m=147.3N.m时，即时，即I Ia a=116A=116A，电动机转速为电动机转速为 人为机械特性是通过（人为机械特性是通过（T Temem=0=0，n n0 0=1654r/min=1654r/min

48、）和）和( (T Temem =147.3 N =147.3 Nm m，n n=890r/min)=890r/min)两点的直线。两点的直线。图图2-13 2-13 人为机械特性人为机械特性aNNepaaICRRnn0min890116133. 07 . 0175. 01654r2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解【解】(2)(2)绘制人为机械特性绘制人为机械特性电源电压降至电源电压降至110V110V时的理想空载点时的理想空载点 r/minr/min当当T Temem= =T TemNemN时，即时，即I

49、 Ia a=116A=116A，电动机转，电动机转速为速为 r/minr/min人为机械特性是通过（人为机械特性是通过（T Temem=0=0，n n0 0=827r/min=827r/min）和）和( (T Temem=147.3N=147.3Nm m，n n=674r/min)=674r/min)两点的直线。两点的直线。图图2-13 2-13 人为机械特性人为机械特性827133. 01100NeCUnaNNeaICRnn0674116133. 0175. 08272.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解】

50、【解】(2)(2)绘制人为机械特性绘制人为机械特性磁通减弱至磁通减弱至 时理想空载转速将升高，即时理想空载转速将升高，即 r/minr/min当当T Temem= =T TemNemN时，即时，即 A A，电动机转速为，电动机转速为 r/minr/min其人为机械特性为通过（其人为机械特性为通过（T Temem=0=0，n n0 0=2481r/min=2481r/min）和）和( (T Temem=147.3N=147.3Nm m，n n=2137.7r/min)=2137.7r/min)两点的直线。两点的直线。32N2481133. 032220320NeNCUn7 .21373255.

51、920emNNeaTCRnn17411623aI2.3.3 2.3.3 机械特性的绘制机械特性的绘制 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 【解】【解】(3)(3)当轴上负载转矩为额定时，要求转速为当轴上负载转矩为额定时，要求转速为1000r/min1000r/min，可以采取两种方案：，可以采取两种方案：电枢串电阻电枢串电阻R Rpapa。当负载为额定转矩时，电流也为额定。当负载为额定转矩时，电流也为额定值，所以将有关数据代入人为特性方程式值，所以将有关数据代入人为特性方程式解得解得R Rpapa=0.575=0.575。降低电枢电压同上，将数据代入人为特性方程式

52、得降低电枢电压同上，将数据代入人为特性方程式得解得解得U U=112.7V=112.7V，即电压由，即电压由220V220V降至降至112.7V112.7V。166133. 0175. 0133. 02201000paRemNTNepaaNeNTCCRRCUn2.3.4 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 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 设有一电力拖动系统，原来运行于某一转速，由于受到外界设有一电力拖动系统，原来运行于某一转速，由于受到外界某种短时的扰动，如负载的突然变化或电网电压波动等，而某种短时的扰动，如负载的突然变化或电网电

53、压波动等，而使电动机转速发生变化，离开了原平衡状态。使电动机转速发生变化，离开了原平衡状态。如果系统在新的条件下仍能达到新的平衡，或者当外界的扰如果系统在新的条件下仍能达到新的平衡，或者当外界的扰动消失后，系统能恢复到原来的转速，就称该系统能稳定运动消失后，系统能恢复到原来的转速，就称该系统能稳定运行；行；如果这时即使外界的扰动已经消失，系统速度也会无限制地如果这时即使外界的扰动已经消失，系统速度也会无限制地上升或者是一直下降，直到停止转动，就称为不稳定运行，上升或者是一直下降，直到停止转动，就称为不稳定运行，为了使系统能稳定运行，电动机的机械特性和负载的转矩特为了使系统能稳定运行，电动机的机

54、械特性和负载的转矩特性必须配合得当，这就是电力拖动系统稳定运行的条件。性必须配合得当，这就是电力拖动系统稳定运行的条件。 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 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 (a)(a)稳定运行稳定运行 (b)(b)不稳定运行不稳定运行图图2-14 2-14 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 课题课题3 3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 在工作点上，若在工作点上，若 (2-28)(2-28

55、)则系统能稳定运行。则系统能稳定运行。若若则系统不能稳定运行。则系统不能稳定运行。由于大多数负载转矩都是随转速的升高而增大或者保持恒由于大多数负载转矩都是随转速的升高而增大或者保持恒值，因此只要电动机具有下降的机械特性，就能满足稳定值，因此只要电动机具有下降的机械特性，就能满足稳定运行的条件。运行的条件。一般来说，电动机如果具有上升的机械特性，运行是不稳一般来说，电动机如果具有上升的机械特性，运行是不稳定的，但若拖动某种特殊负载，如通风机负载，那么只要定的，但若拖动某种特殊负载，如通风机负载，那么只要能满足式能满足式(2(228)28)的条件，系统仍能稳定运行。式的条件，系统仍能稳定运行。式(

56、2-28)(2-28)所表示的电力拖动稳定运行的条件具有普遍意义。所表示的电力拖动稳定运行的条件具有普遍意义。 dndTdndTLemdndTdndTLem课题课题4 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 电动机接通电源后，转子转速从静止状态开始加速，转电动机接通电源后，转子转速从静止状态开始加速，转速逐渐升高，直到转速稳定，这一过程为电动机的启动速逐渐升高，直到转速稳定，这一过程为电动机的启动过程，简称启动。过程，简称启动。电动机启动步骤：电动机启动步骤：1 1）首先在电动机的励磁绕组加电压，通入励磁电流建立）首先在电动机的励磁绕组加电压，通入励磁电流建立磁场；磁场；2

57、2）然后在电枢绕组加电压，通入电枢电流，电动机转子）然后在电枢绕组加电压，通入电枢电流，电动机转子受到电磁转矩而转动起来。受到电磁转矩而转动起来。课题课题4 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 启动时的过渡过程启动时的过渡过程启动瞬间，转速启动瞬间，转速n n=0=0，反电势，反电势EaEa=0=0，启动瞬间启动电流为，启动瞬间启动电流为 (2-29)(2-29)由于电枢电阻由于电枢电阻RaRa很小，在很小，在RaRa上加上额定电压上加上额定电压U UN N，必然产，必然产生过大的电枢电流，通常可达到电动机额定电流的生过大的电枢电流，通常可达到电动机额定电流的101020

58、20倍。由此产生的后果是：倍。由此产生的后果是：1)1)大电流将使电动机换向困难，在换向器表面产生强烈大电流将使电动机换向困难，在换向器表面产生强烈的火花，甚至产生环火。的火花，甚至产生环火。2)2)大电流在电枢绕组中产生过大的电动应力，损坏电动大电流在电枢绕组中产生过大的电动应力，损坏电动机的绕组。机的绕组。aNaaNaSTRUREUII课题课题4 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 3)3)大电流使电动机产生过大的电磁转矩，是额定值的大电流使电动机产生过大的电磁转矩，是额定值的10102020倍，这样大的转矩突然加到传动机构上，将损坏倍，这样大的转矩突然加到传动机构上

59、，将损坏机械部件的薄弱环节，例如传动机构的轮齿等。机械部件的薄弱环节，例如传动机构的轮齿等。4)4)大电流将使供电电网的电压上下波动，将影响在同一大电流将使供电电网的电压上下波动，将影响在同一电网上运行的其他设备的正常运行。电网上运行的其他设备的正常运行。因此，除了个别容量很小的电动机外，一般不允许电动因此，除了个别容量很小的电动机外，一般不允许电动机在额定电压下直接启动。机在额定电压下直接启动。课题课题4 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 对直流电动机启动的要求是：对直流电动机启动的要求是：1)1)启动时的启动转矩要足够大，启动转矩应大于负载转启动时的启动转矩要足够大

60、，启动转矩应大于负载转矩，使电动机能够在负载情况下顺利启动，且启动过程矩，使电动机能够在负载情况下顺利启动，且启动过程的时间尽量短一些。的时间尽量短一些。2)2)启动电流不能太大，要限制在一定的范围之内。否则启动电流不能太大，要限制在一定的范围之内。否则会使电动机换向困难，产生较强的火花，损坏电动机。会使电动机换向困难，产生较强的火花，损坏电动机。3)3)启动控制设备简单，经济可靠，操作方便。启动控制设备简单，经济可靠，操作方便。限制启动电流的措施有两个：限制启动电流的措施有两个：一是降低电源电压一是降低电源电压U U；二是加大电枢回路电阻。二是加大电枢回路电阻。2.4.1 2.4.1 他励直