第九章直流电动机的电力拖动

1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院2第九章第九章 直流电动机的直流电动机的电力拖动电力拖动3 主要内容主要内容 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 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 第四节第四节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 第五节第五节 直流电机的四象限运行直流电机的四象限运行4本章要求本章要求熟练掌握熟练掌握由他励直流电动机基本方程推导机械特性方程由他励直流电动机基本方程推导机械特性方程掌握掌握固有机械特性和三种人为机械特性

2、的特点固有机械特性和三种人为机械特性的特点掌握掌握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了解了解他励直流电动机的三种起动方法的特点他励直流电动机的三种起动方法的特点掌握掌握起动电阻的计算起动电阻的计算熟练掌握熟练掌握电动机三种制动的实现方法、过程分析（包括电动机三种制动的实现方法、过程分析（包括机械特性）、能量转换机械特性）、能量转换掌握掌握调速的技术指标的含义调速的技术指标的含义理解理解静差率和机械特性的关系、调速范围的关系静差率和机械特性的关系、调速范围的关系掌握掌握三种调速方法的实现及过程分析三种调速方法的实现及过程分析掌握掌握恒转矩调速和恒功率调速的特点恒转矩调速和恒功率

3、调速的特点熟练掌握熟练掌握直流电动机四象限运行分析直流电动机四象限运行分析5 案例：案例：电动机拖动某机械负载处于一个稳电动机拖动某机械负载处于一个稳定运行中，突然，机械负载突变加大了，定运行中，突然，机械负载突变加大了，此时电机的转速是否会变化？如何变化？此时电机的转速是否会变化？如何变化？变化多大？变化多大？ 负载转矩加大负载转矩加大-转速减小转速减小-电动势减小电动势减小-电枢电流加大电枢电流加大-电磁转矩加大电磁转矩加大-当电当电磁转矩磁转矩=负载转矩负载转矩-电机进入平衡状态电机进入平衡状态 转速与转矩的关系决定了电机稳定时的运转速与转矩的关系决定了电机稳定时的运行转速。行转速。问问

4、 题题6 运动平衡方程式主要研究转速与转矩的动运动平衡方程式主要研究转速与转矩的动态平衡，这属于外部特性。态平衡，这属于外部特性。 现在需要研究的是转速的变化会引起转矩现在需要研究的是转速的变化会引起转矩多大的变化，这属于设备本身的属性。多大的变化，这属于设备本身的属性。 负载转矩的大小与转速的关系称为负载特负载转矩的大小与转速的关系称为负载特性；性； 电动机的转速与转矩的关系呢？电动机的转速与转矩的关系呢？分析分析分分 析析 显然需要研究转速与负载转矩的关系显然需要研究转速与负载转矩的关系-负载转矩与电磁负载转矩与电磁转矩是相对应的变量（稳定状态）转矩是相对应的变量（稳定状态）-只需要研究转

5、速与只需要研究转速与电磁转矩的关系即可。电磁转矩的关系即可。 机械特性的定义机械特性的定义电动机的转速电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩T 的关系的关系 n=f(T) 电动机的机械特性是电动机的机械特性是电动机电动机力学性能力学性能的主要表现的主要表现。 机械特性的理解：机械特性的理解：机械能变化的规律机械能变化的规律 电动机拖动机械负载的运行规律。电动机拖动机械负载的运行规律。 表示转矩与转速的稳态关系。表示转矩与转速的稳态关系。78电磁转矩电磁转矩感应电动势感应电动势电枢电路电动势平衡电枢电路电动势平衡方程式方程式转矩平衡方程式转矩平衡方程式一、机械特性方程式一、机械特性方程式 aTICT

6、nCEeaRIEUaa1直流电动机基本方程直流电动机基本方程第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性0dTTT9 R电枢回路总电阻电枢回路总电阻 Ce电动是常数电动是常数 CT转矩常数转矩常数TCCRCUnTee22. 机械特性方程式机械特性方程式第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性aTICTeaCRIUn问题问题 有了机械特性的表达式，那这表达式表示有了机械特性的表达式，那这表达式表示什么样的含义呢？用什么样的方法进行理什么样的含义呢？用什么样的方法进行理解？解？10TCCRCUnTee2分析分析 可以用图形进行表示：将机械特性的表达可以用图形

7、进行表示：将机械特性的表达式变为图形，便于有全局和直观的印象式变为图形，便于有全局和直观的印象 可以对特殊点进行分析：对其性能具有深可以对特殊点进行分析：对其性能具有深刻的记忆，对其物理含义有更明确的认识刻的记忆，对其物理含义有更明确的认识 哪些是特殊点呢？哪些是特殊点呢？11分析分析 特殊点：转速为零的点、转矩为零的点特殊点：转速为零的点、转矩为零的点12TCCRCUnTee2分析分析 转矩为零的物理含义：转矩为零的物理含义：将输入的电能全部将输入的电能全部转换为机械能，此时能够达到的转速。由转换为机械能，此时能够达到的转速。由于总存在损耗，因此该转速是在自身条件于总存在损耗，因此该转速是在

8、自身条件下无法实现的转速，称为下无法实现的转速，称为理想空载转速。理想空载转速。 转速为零的含义：转速为零的含义：输入的电能全部转换为输入的电能全部转换为热能，产生了最大的电流也即最大转矩都热能，产生了最大的电流也即最大转矩都无法带动负载，因此该点称为无法带动负载，因此该点称为堵转点，堵转点，当当然也可以然也可以称为起动点。称为起动点。13分析分析 机械特性图形的特点：是一条直线；转矩机械特性图形的特点：是一条直线；转矩越大转速越低。越大转速越低。1415eCUn 0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 机械特性方程式中，机械特性方程式中，U、R、 为为常数常数时，可

9、得他励直流电动机的时，可得他励直流电动机的机械特性机械特性 转速转速n随着转矩随着转矩T的增大而降低的增大而降低 T=0时的转速为时的转速为理想空载转速理想空载转速TCCRCUnTee23. 机械特性的特点机械特性的特点16 调节调节U或者或者，可以改变理想空载转速，可以改变理想空载转速n0的大小的大小 电动机工作在电动状态时的稳态转矩平衡方程电动机工作在电动状态时的稳态转矩平衡方程 实际空载转矩为实际空载转矩为T0，故，故实际空载转速实际空载转速为为0200TCCRnnTe0dTTTeCUn 0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17 电动机带负载后的转速降电动机带

10、负载后的转速降 机械特性的斜率，表征机械特性的斜率，表征机械特性的硬度机械特性的硬度 小的机械特性为硬特性，小的机械特性为硬特性， 大的为软特性大的为软特性 额定转速变化率额定转速变化率 机械特性方程的简单形式机械特性方程的简单形式TTCCRnTe2%100%0NNNnnnn0nnT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TCCRCUnTee218电动机转速为零电动机转速为零 称为起动点，也称为堵转点。称为起动点，也称为堵转点。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TCCRCUnTee2NkaUIR19 机械特性的特点机械特性的特点 机械特性是一条

11、向下倾机械特性是一条向下倾斜的直线斜的直线 电动机带负载的时候存电动机带负载的时候存在转速降落在转速降落 斜率越大，速度降落越斜率越大，速度降落越大，机械特性越软大，机械特性越软 几个关键点几个关键点 理想空载点理想空载点(0，n0) 实际空载点实际空载点(T0 ， n0) 额定工作点额定工作点(TN，nN ) 起动点起动点(Tst，0)4. 机械特性小结（四点一斜率）机械特性小结（四点一斜率）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TCCRCUnTee2分析分析 改变电枢电压或改变电枢电阻或改变磁场改变电枢电压或改变电枢电阻或改变磁场时，电机的机械特性有什么样的变化？时

12、，电机的机械特性有什么样的变化？ 首先分析，不同的参数下（只改变一个参首先分析，不同的参数下（只改变一个参数），其机械特性线是否是直线？数），其机械特性线是否是直线？ 其次分析，不同参数下（只改变一个参其次分析，不同参数下（只改变一个参数），机械特性线之间有什么样的关系？数），机械特性线之间有什么样的关系？20分析分析 改变电枢电压：改变电枢电压： 仍是直线，而且斜率不变；仍是直线，而且斜率不变； 理想空载点随电枢电压的降低而降低。理想空载点随电枢电压的降低而降低。21分析分析 改变电枢电阻：改变电枢电阻： 理想空载点不变，斜率变化理想空载点不变，斜率变化 改变磁场：改变磁场： 理想空载点变化

13、，斜率变化理想空载点变化，斜率变化2223 固有机械特性固有机械特性当他励当他励电动机电压及磁通均为额电动机电压及磁通均为额定值，电枢没有串联电阻定值，电枢没有串联电阻时的机械特性时的机械特性 特点特点R较小，特性较硬较小，特性较硬二、固有机械特性与人为机械特性二、固有机械特性与人为机械特性TCCRCUneae2NTNN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固有机械特性固有机械特性24人为机械特性人为机械特性 通过改变电动机参数获得的机械特性通过改变电动机参数获得的机械特性 电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性 改变电压时的人为机械特性改变电压时的人

14、为机械特性 减弱电动机磁通时的人为机械特性减弱电动机磁通时的人为机械特性 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TCCRCUnTee225 U=UN、=N、R=Ra+R 特性方程特性方程 R电枢串联电阻电枢串联电阻 R2R11.电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性 TCCRRCUneae2NTNNn特点特点l人为机械特性与固有机械特性人为机械特性与固有机械特性具有相同的理想空载转速，具有相同的理想空载转速，是经过理想空载点、具有不同斜率的是经过理想空载点、具有不同斜率的一族射线一族射线l机械特性的机械特性的硬度随着串联电阻硬度随着串联电阻R的增大而降

15、低的增大而降低串电阻人为机械特性串电阻人为机械特性第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性26 UUN、=N、R=Ra 特性方程特性方程 R=0 UNU1U22.改变电压时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性 TCCRCUneae2NTNn特点特点l人为机械特性是几根人为机械特性是几根平行线、与固有机械特性具有相同的平行线、与固有机械特性具有相同的斜率，硬度不变斜率，硬度不变l理想空载转速理想空载转速n0随着电压的降低而降低随着电压的降低而降低第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性27 U=UN、 N、R=Ra 用电流表示的特性方程用电流表示的特

16、性方程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 21NIKaeaeICRCUnN0n NkaUIR结论：结论：短路电流不变，机械特性硬度降低短路电流不变，机械特性硬度降低第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性28 用转矩表示的特性方程用转矩表示的特性方程n特点特点l理想空载转速增大、短路电流不变理想空载转速增大、短路电流不变(Ik=UN/Ra)、短路转矩、短路转矩降低降低(Tk=CTIk)、机械特性硬度降低、机械特性硬度降低lTNT1，电机转速开始升高，电机转速开始升高 此时若要达到一个新的平衡点此时若要达到一个新的平衡点n=n2n1，那么对，那么对电机电磁

17、转矩的变化与负载转矩的变化有何要求电机电磁转矩的变化与负载转矩的变化有何要求？43分析分析 要达到新的平衡点，必然要达到新的平衡点，必然Td2=T2=Tz2，同，同时转速的变化量也相同；时转速的变化量也相同； Td=Td2-Td11 Tz=Tz2-Tz1 由于由于Td11Tz1，所以，所以TdTz 在转速高于平衡点之上，负载转矩的变化在转速高于平衡点之上，负载转矩的变化量更大。量更大。 即即dTd/dndTz/dn4445判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打，不稳定则打，不稳定则打。46 稳定性判据包含的含义分析：稳定性判据包含的含义分析： 在转速高于平衡点

18、之上，负载转矩的变化量更大。在转速高于平衡点之上，负载转矩的变化量更大。 即即dTd/dnn1时，时， Td、Tz的大的大小关系如何？小关系如何？ 显然：显然： Td-Td1n1 所以所以Tdn1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47判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打，不稳定则打，不稳定则打。48 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件： 必要条件必要条件机械特性和负载转矩特性有交点机械特性和负载转矩特性有交点 T=Tz 充分条件充分条件在交点对应的转速之上在交点对应的转速之上TTz 记忆方式：记

19、忆方式：在交点之上要降下来，必须负载转矩大；在交点之上要降下来，必须负载转矩大；在交点之下，要升上去，必须电磁转矩大。在交点之下，要升上去，必须电磁转矩大。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49当电枢电流较大时，由于饱和当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。性在负载大时呈上翘现象。电枢反应对系统稳定运行的影响电枢反应对系统稳定运行的影响TCCRCUneae2NTNN思考：思考：电枢反应对系统的稳定运行有什么影响？电枢反应对系统的稳定运行有什么影响？第一

20、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50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 瞬时扰动瞬时扰动端电压瞬时升降端电压瞬时升降 稳定运行的充分条件稳定运行的充分条件 在交点所对应的转速之上应保证在交点所对应的转速之上应保证TTz51 对于因电枢反应造成拖动系统不能稳定运行的解决办法对于因电枢反应造成拖动系统不能稳定运行的解决办法 在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。去磁作用。小结小结 电力拖动

21、系统的特点：电力拖动系统的特点： 直流电机拖动恒转矩负载，系统一定是稳直流电机拖动恒转矩负载，系统一定是稳定的。定的。52思考思考 电力拖动系统稳定运行的必要条件和充分电力拖动系统稳定运行的必要条件和充分条件是什么？条件是什么？ 稳定性判断：稳定性判断：53 到此，已经将直流电机拖动系统的基本原到此，已经将直流电机拖动系统的基本原理介绍完成了。理介绍完成了。 介绍了运动学方程式、负载转矩特性、直介绍了运动学方程式、负载转矩特性、直流电机的机械特性、稳定性条件；流电机的机械特性、稳定性条件； 那么，直流电机的拖动系统在运行中有什那么，直流电机的拖动系统在运行中有什么特点？么特点？5455 直流电

22、动机的运行状态，以转速的变化特直流电动机的运行状态，以转速的变化特点可以分为：点可以分为： 起动起动-调速调速-制动制动 讨论：如何给电机供电？讨论：如何给电机供电？56 起动起动电动机从静止状态转动起来电动机从静止状态转动起来 起动过程起动过程电动机从静止运转到某一稳态转速的过程电动机从静止运转到某一稳态转速的过程 起动的特点起动的特点电动机转速较低电动机转速较低 起动的物理过程：直流电机接入电枢电压起动的物理过程：直流电机接入电枢电压-产生电枢电产生电枢电流流-产生电磁转矩产生电磁转矩-电机起动电机起动 由于起动过程转速较低由于起动过程转速较低-电动势较小电动势较小-电流较大电流较大 不仅

23、需要使电机起动，不仅需要使电机起动，还需要起动过程是安全的还需要起动过程是安全的。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57 对电动机起动的基本功能要求：对电动机起动的基本功能要求： 起动转矩要大起动转矩要大 起动电流要小起动电流要小 起动时间要短起动时间要短 如何实现电动机的起动？如何实现电动机的起动？ 起动可能存在的问题是什么问题？如何解决？起动可能存在的问题是什么问题？如何解决？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58 直接起动直接起动将电动机电枢绕组直接加额定电压起动将电动机电枢绕组直接加额定电压起动 优点优点操作简单，无需另加设备操作简单，无需另加设

24、备 缺点缺点冲击电流大，引起换向困难，产生火花；起动转矩冲击电流大，引起换向困难，产生火花；起动转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构；过大，将损坏拖动系统的传动机构； 起动电流的限制起动电流的限制瞬时过载电流不超过额定电流的瞬时过载电流不超过额定电流的1.52倍倍 实现方法实现方法-降压或串电枢电阻。降压或串电枢电阻。NaNaaaUEUIRR一、他励直流电动机的起动方一、他励直流电动机的起动方法法1. 直接起动及其存在的问题直接起动及其存在的问题n=0，Ea=0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NaaUIR59 电压降低到什么程度？电压降低到什么程度？ 降低电压降低电压-电流

25、减小电流减小-转矩减小转矩减小-降压之后的降压之后的转矩必然需要大于负载转矩。转矩必然需要大于负载转矩。 电压降低运行到什么程度，重新恢复到额定电压运电压降低运行到什么程度，重新恢复到额定电压运行？行？ 起动的指标：希望在安全起动的同时起动时间较短。起动的指标：希望在安全起动的同时起动时间较短。 这个属于控制的优化问题。这个属于控制的优化问题。降压起动的思路分析降压起动的思路分析分析分析60 开始时，降低端电压，使得开始时，降低端电压，使得Ia=（1.52）IN， T=（1.52）TN 随着转速升高，逐步提高电枢电压，并随着转速升高，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在使电枢电流限制在一定范围

26、内一定范围内 优点优点起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少 缺点缺点需要一套专用的直流发电机或整流装置，费用高需要一套专用的直流发电机或整流装置，费用高 具体实现方案具体实现方案-检测电流，实现恒流控制。检测电流，实现恒流控制。2. 降压起动降压起动第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动NaaUIR61 降压起动：可以实现恒流起动降压起动：可以实现恒流起动 串电阻起动与降压起动有何区别呢？串电阻起动与降压起动有何区别呢？ 串电阻起动较难实现电阻的连续变化。串电阻起动较难实现电阻的连续变化。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

27、分析分析 串电阻起动思路的分析串电阻起动思路的分析 串多大的电阻起动？串多大的电阻起动？ 电阻越大电阻越大-起动电流越小起动电流越小-起动时间越长起动时间越长-需要确定允许的起动电流需要确定允许的起动电流-计算电阻计算电阻 串电阻运行多长时间？串电阻运行多长时间？ 串电阻运行后串电阻运行后-转速提高转速提高-电流减小电流减小-转矩转矩减小减小-起动过程减慢起动过程减慢-如何处理？如何处理？ 优化起动过程的思路优化起动过程的思路 串多级电阻串多级电阻-串几级电阻，如何切换？串几级电阻，如何切换？6263 起动时起动时，在电枢回路中串联起动电阻，以限制起动电流，在电枢回路中串联起动电阻，以限制起动

28、电流 转速升高后，转速升高后，逐级切除逐级切除起动电阻起动电阻 第第1级级R2=Ra+R1+R2，I1=UN/R2，T1Tz，电机起动，电机起动，转速上升，转矩下降（转速上升，转矩下降（ab），加速度减小），加速度减小第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动64 第第2级级 b点切除电阻点切除电阻R2，R1=Ra+R1，I1=(UN-Ea)/R1，T1Tz（bc），电机加速到），电机加速到d点（点（cd） 再切除再切除R1，电机沿固有机械特性运行，并加速至，电机沿固有机械特性运行，并加速至g点稳点稳定运行定运行(eg)，起动过程结束，起动过程结束第二节第二节 他励直流电动机的起动

29、他励直流电动机的起动65n1、要求整个起动过程中电枢电流不大于、要求整个起动过程中电枢电流不大于I1=Imax；n2、随着转速的升高，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也逐渐、随着转速的升高，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也逐渐减小；转速的加速度逐渐减小，因此为了确保足够的加速减小；转速的加速度逐渐减小，因此为了确保足够的加速度，需要随着转速的升高，需要将电流加大度，需要随着转速的升高，需要将电流加大-因此在运行因此在运行过程中需要变电阻，所以过程中需要变电阻，所以需要多级串电阻起动需要多级串电阻起动。一般起动。一般起动级数级数3-4级。级。n3、多级串电阻就存在切换过程，显然为了保证最快的起动、多级串电

30、阻就存在切换过程，显然为了保证最快的起动时间，切换时希望切换到允许的最大转矩，即时间，切换时希望切换到允许的最大转矩，即I1=Imax；n4、起动过程最后需要切换到固有特性，那么如何才能保证、起动过程最后需要切换到固有特性，那么如何才能保证最后能够切换到固有特性的最后能够切换到固有特性的Imax？显然对？显然对切换点切换点I I2 2有要求有要求。I I2 2一般选择一般选择(1.1-1.2)I(1.1-1.2)Ie e。n问题：问题：为什么不同电机的为什么不同电机的I I2 2不是一个固定的值？不是一个固定的值？3. 3. 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动66n那么，每一级串的电阻多大呢

31、？那么，每一级串的电阻多大呢？n显然当切换电流和最大电流确定，则电阻也确显然当切换电流和最大电流确定，则电阻也确定。定。n那么切换电流如何确定？那么切换电流如何确定？67 绘制固有机械特性绘制固有机械特性n0ge 选取起动过程中的最大电流选取起动过程中的最大电流 I1与电与电阻切除时的切换电流阻切除时的切换电流 I2 （或（或T1 与与T2），截取），截取I1及及I2两点，作横轴垂两点，作横轴垂线线 画出分级起动特性图画出分级起动特性图 二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算1. 图解解析法图解解析法画人为机械特性画人为机械特性n0a，交，交I2的垂线于的垂线于b点，

32、画水平线点，画水平线bc交交I1的垂线于的垂线于c点点画人为机械特性画人为机械特性n0c交交I2于的垂线于于的垂线于d点，画水平线点，画水平线de当切除末段电阻时，所画的水平线与当切除末段电阻时，所画的水平线与I1的垂线的交点的垂线的交点正好位于固有机械特性上。如果没有位于固有机械特正好位于固有机械特性上。如果没有位于固有机械特性上，调整性上，调整T1或或T2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n0nT0T1T2Tzabcdefg68 根据分级起动特性图，计算各段电阻根据分级起动特性图，计算各段电阻11ahcheecaaheheRRnnnRRRnnTCCRnne2T0RCCT

33、nnne2T0heecannRR1hecaannRR2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69 从从b点转换到点转换到c点时，由于切除电阻点时，由于切除电阻R2进行很快，忽略电进行很快，忽略电感影响，可假定感影响，可假定nb=nc，即电动势，即电动势Eb=Ec，则有，则有22REUIb11REUIcaRRRRII112212. 解析法解析法第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动70 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 11212121mmmmaRRIRRIRRRRmamRRlglgamRRm 12211aammmaRRRRRRRR112221111

34、11(1)()aaammmmmRRRRRRRRRRRRRR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 起动电阻的大小与起动电阻的级数有关；起动电阻的大小与起动电阻的级数有关； 而电阻的级数与而电阻的级数与Ra、Rm、I1、I2有关。有关。7172他励直流电动机起动电阻的计算步骤小结他励直流电动机起动电阻的计算步骤小结 根据电动机铭牌数据，估算电动机根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻电枢回路电阻Ra 选择最大起动电流，计算选择最大起动电流，计算最大起动电阻最大起动电阻Rm 确定起动确定起动电阻级数电阻级数m 计算计算起动电流比起动电流比 根据起动电阻级数和起动电流比确定根据起

35、动电阻级数和起动电流比确定各级电阻各级电阻Ri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73 例例9-29-2 一台他励直流电动机的铭牌数据为：一台他励直流电动机的铭牌数据为： kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn377. 0aR试用解析法计算四级起动时起动电阻。试用解析法计算四级起动时起动电阻。 解解已知起动级数已知起动级数m=4 A152A7622N1 II选择选择895. 215244014IURRam664. 1377. 0895. 2444aRR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74各分段电阻如下各分段电阻如下 ：250. 0377

36、. 0627. 011aRRR416. 0627. 0043. 1122RRR693. 0043. 1736. 1233RRR153. 1736. 1889. 2344RRR则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下： 627.0377.0664.11aRR043. 1627. 0664. 112RR736. 1043. 1664. 123RR889.2736.1664.134RR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75讨论：讨论：n两种起动方式的比较：两种起动方式的比较：n串电阻起动：装置简单，但起动是有级的、串电阻起动：装置简单，但起动是有级的、能耗大能耗大n降压起动降压

37、起动：起动过程平滑、能量损耗少；但：起动过程平滑、能量损耗少；但需要一套专用的直流发电机或整流装置，费需要一套专用的直流发电机或整流装置，费用高用高76 计算出了每一级的起动电阻，那么如何来计算出了每一级的起动电阻，那么如何来实现起动过程呢？实现起动过程呢？ 控制电路如何检测切换点？电流？转速？控制电路如何检测切换点？电流？转速？ 有没有其他方法？有没有其他方法？-采用时间采用时间 需要明确为什么要研究过渡过程需要明确为什么要研究过渡过程 过渡过程研究的价值过渡过程研究的价值 如何研究过渡过程。如何研究过渡过程。7778 电力拖动的过渡过程电力拖动的过渡过程电力拖动由一个稳定工作状态过电力拖动

38、由一个稳定工作状态过渡到另外一个稳定工作状态的过程。如：起动、制动、反渡到另外一个稳定工作状态的过程。如：起动、制动、反转、调速、负载突变等过程转、调速、负载突变等过程 研究过渡过程的意义：研究过渡过程的意义： 分析如何缩短过渡过程分析如何缩短过渡过程提高生产率提高生产率 探讨减小过渡过程损耗的途径探讨减小过渡过程损耗的途径提高电动机利用率提高电动机利用率 研究如何改善电力拖动运行情况研究如何改善电力拖动运行情况保证设备安全运行保证设备安全运行三、他励直流电动机起动的过渡过程三、他励直流电动机起动的过渡过程第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动79第二节第二节 他励直流电动机的

39、起动他励直流电动机的起动 在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性惯性的存在，的存在，这些变化不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量这些变化不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量发生突变，而必须是个连续变化的过程发生突变，而必须是个连续变化的过程 电力拖动系统中一般存在三种惯性：电力拖动系统中一般存在三种惯性： 机械惯性机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，使转速不能突反映在系统的飞轮惯量上，使转速不能突变变 电磁惯性电磁惯性 反映在电感上

40、，使电枢电流和励磁电流不反映在电感上，使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变能突变，从而使磁通不能突变 热惯性热惯性 使电动机的温度不能突变使电动机的温度不能突变 电力拖动的两种过渡过程：电力拖动的两种过渡过程： 机械过渡过程机械过渡过程只考虑机械惯性，忽略电磁惯性只考虑机械惯性，忽略电磁惯性 电气电气机械过渡过程机械过渡过程 同时考虑机械与电磁两种惯性同时考虑机械与电磁两种惯性80 起动时由于机械惯性起动时由于机械惯性-转速不会突变转速不会突变-转速逐渐变化转速逐渐变化-转速的变化受转矩的影响转速的变化受转矩的影响-转矩的变化受电枢电流的影响转矩的变化受电枢电流的影响-电流电流的变

41、化与电势（转速）有关的变化与电势（转速）有关81 电枢串固定电阻起动的过渡过程电枢串固定电阻起动的过渡过程 忽略电枢反应，忽略电枢反应，Ia=f(t) T=f(t)1. 起动的机械过渡过程起动的机械过渡过程 RInCRIEUaeaaazICtnGDTTT2dd375aeUI RnC22dd375ddaazaztMTeTIITGD RIITCC Ctt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82 Iz负载转矩对应的负载电流负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流保持稳定转速运行时的电枢电流 TtM电力拖动系统的电力拖动系统的机电时

42、间常数机电时间常数，是表征机械惯性，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量的一个非常重要的物理量 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22dd375ddaazaztMTeTIITGD RIITCC Ctt83 过渡过程中电枢电流和转矩的变化规律过渡过程中电枢电流和转矩的变化规律 Ist过渡过程开始时电流的起始值过渡过程开始时电流的起始值 Iz过渡过程结束后稳定运行时的负载电流过渡过程结束后稳定运行时的负载电流 表明：表明：电流和转矩在起动开始时达到最大值，以后按指数电流和转矩在起动开始时达到最大值，以后按指数规律下降；起动完毕后，规律下降；起动完毕后，I=Iz，T=Tz，电动机

43、稳定运行。，电动机稳定运行。tMztMaaTITItIddtMTtzstzaIIII/e )(tMtMTtstTtzaIII/e)e1 (或或I Ia a= =f(t)(t)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84 过渡过程中转速的变化规律过渡过程中转速的变化规律 nst过渡过程开始时转速的起始值过渡过程开始时转速的起始值 nz过渡过程结束时电动机的稳定转速过渡过程结束时电动机的稳定转速 表明：表明：起动开始时，转速上升最快，然后上升速度逐渐减起动开始时，转速上升最快，然后上升速度逐渐减少，最后稳定在转速少，最后稳定在转速nz运行。运行。/etMt TstzzeeeUI RU

44、I RUI RnCCC即即/()etMt Tzstznnnn或或/(1e)etMtMt Tt Tzstnnnn=n=f(t)(t)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tMTtzstzaIIII/e )(aeUI RnC85 机电时间常数机电时间常数TtM的物理意义：的物理意义：如果电动机的转速一直如果电动机的转速一直按按t=0时的最大加速度直线上升（即等加速度），则达时的最大加速度直线上升（即等加速度），则达到稳定转速到稳定转速nz所需要的时间就是所需要的时间就是TtM。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/(1e)etMtMt Tt Tzstnnnn=n=

45、f(t)(t)86 过渡过程的时间过渡过程的时间 Ia由由Ist变到变到Ix，或，或n由由nst变到变到nx所需的时间为：所需的时间为： Ix、Tx、nx过渡过程中电流、转矩及转速的终了值过渡过程中电流、转矩及转速的终了值zxzsttMxIIIITtlnzxzsttMxnnnnTtlnzxzsttMxTTTTTtln或或或或第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动87 电枢串多级电阻起动的过渡过程电枢串多级电阻起动的过渡过程 第一级起动时：第一级起动时： 电流变化过程：电流变化过程：0I1I2 转速变化过程：转速变化过程：0n1 过渡到第二级加速时：过渡到第二级加速时： 电流变化

46、过程：电流变化过程：I2I1I2 转速变化过程：转速变化过程：n1n2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88 结论：结论： 不同加速级的机电时间常数不同不同加速级的机电时间常数不同，电枢电路的电阻越大，电枢电路的电阻越大，则则TtM越大越大 不同的机械特性与恒切换转矩不同的机械特性与恒切换转矩T2特性及恒负载转矩特性及恒负载转矩Tz特性特性的交点不同，故的交点不同，故不同加速级的起始转速与稳定转速都不同不同加速级的起始转速与稳定转速都不同 各级的起始电流均限定为各级的起始电流均限定为I1；各级的终了电流（除末级外）；各级的终了电流（除末级外）均限定为均限定为I2；各级的稳定

47、电流；各级的稳定电流Iz与稳定转矩与稳定转矩Tz均相同均相同，并由，并由恒转矩负载决定恒转矩负载决定 各级的起动时间各级的起动时间为：为： 总起动时间总起动时间tst为：为：12lnzxtMxzIItTII1123122()ln(34)zsttMtMtMzIIttttTTTII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89 加快起动过程的主要措施：加快起动过程的主要措施：减小系统的飞轮惯量，以减减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系小机电时间常数，从而降低系统的惯性统的惯性 在设计电力拖动系统时，尽在设计电力拖动系统时，尽 可能设法改善起动过程中电枢可能设法改善起动过程

48、中电枢电流的波形电流的波形 理想的起动电理想的起动电流变化规律流变化规律 加快起动过程的途径加快起动过程的途径 起动过程延缓的主要原因：起动过程延缓的主要原因： 系统本身有机械惯性，惯性越大，即系统本身有机械惯性，惯性越大，即GD2或机电时间常或机电时间常数越大，转速上升越慢数越大，转速上升越慢 起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度不断衰减系统的加速度不断衰减第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动90电枢电路中串电感时，电磁惯性则不能电枢电路中串电感时，电磁惯性则不能忽略忽略电枢电路电感对起动过程的影响：电枢电

49、路电感对起动过程的影响： 使电流与转速上升延迟，从而延缓使电流与转速上升延迟，从而延缓起动过程起动过程 使起动产生振荡过程使起动产生振荡过程有振荡有振荡情况情况2. 电枢电路电感对起动过程的影响电枢电路电感对起动过程的影响 无振荡无振荡情况情况第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动91直流电动机串阻起动电路直流电动机串阻起动电路92起动前的准备起动前的准备合上电源开关合上电源开关QS1和控制开关和控制开关QS2，励磁回路通电，励磁回路通电，KA通电，其常开触通电，其常开触点闭合，为起动做好准备；同时，点闭合，为起动做好准备；同时，KT1通电，其常闭触点断开，切断通电，其常闭触点

50、断开，切断KM2、KM3电路，保证串入电阻电路，保证串入电阻R1、R2起动。起动。93问题问题 问题问题1：什么是制动运行状态？：什么是制动运行状态？ 问题问题2：为什么要研究制动？：为什么要研究制动？ 问题问题3：如何判断是制动运行状态？：如何判断是制动运行状态？ 问题问题4：如何实现制动运行状态？：如何实现制动运行状态？ 问题问题5：如何分析制动运行状态的过程和效果？：如何分析制动运行状态的过程和效果？94分析分析 以上研究了如何起动电机，那么电机起动之后，如何停止以上研究了如何起动电机，那么电机起动之后，如何停止电机？电机？ 将电枢电压断开将电枢电压断开-电流电流=0-电磁转矩为零电磁转

51、矩为零-电机电机在负载转矩的作用下开始减速在负载转矩的作用下开始减速-直到转速为零直到转速为零 问题：问题：是否有加快停车过程的方法？是否有加快停车过程的方法？ 基本想法：基本想法：需要反向的电磁转矩需要反向的电磁转矩-需要反向的需要反向的电流电流-进入制动状态进入制动状态 制动：制动：必须有电磁转矩，且转矩与转速反向必须有电磁转矩，且转矩与转速反向9596第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动他励直流电动机的两种运转状态：他励直流电动机的两种运转状态：n电动运转状态电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机向相同

52、，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。械能以带动负载。 n制动运转状态制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，电动机转矩与转速的方向相反，此时，电动机变为发电机吸收机械能并转化为电此时，电动机变为发电机吸收机械能并转化为电能。能。97分析分析 电动状态的特征与判据：电动状态的特征与判据：T与与n同方向，同方向，Ia与与Ea反方向；反方向； 制动状态的特征与判据：制动状态的特征与判据：T与与n反方向，反方向，Ia与与Ea同方向；同方向； 实现制动的方法分析：实现制动的方法分析： U=Ea+IaRa 要求要求Ia反向反向-要求要求EaU. 有哪些方法呢？有哪些方法呢？ 制动状态一定需

53、要有阻转矩。制动状态一定需要有阻转矩。 问题：问题：哪些运行过程可能会出现制动运行状态？哪些运行过程可能会出现制动运行状态？98 直流电动机正常工作时，出现制动状态的情况分析如下：直流电动机正常工作时，出现制动状态的情况分析如下： 要求停车要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。机械抱闸，帮助停车。 降速过程中降速过程中 调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。 反转反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反

54、向起动。反向起动。 提升机构下放重物提升机构下放重物 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。 可见：可见：停车只是制动过程中的一种形式。停车只是制动过程中的一种形式。第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动99实现制动的方法：实现制动的方法：n电磁制动（抱闸）电磁制动（抱闸）用磨擦力产生阻转矩实现制动。用磨擦力产生阻转矩实现制动。特点特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸n电气制动电气制动使电动机变直流发电机使电动机变直流发电机, ,将系统的机械能或将系统的机械能或位能负载的位能转

55、变为电能，消耗在电枢电路的总电阻位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。或回馈电网。n电气制动分类：电气制动分类：n能耗制动能耗制动n反接制动反接制动n回馈制动回馈制动 （再生制动）（再生制动）第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动能耗制动实现的分析能耗制动实现的分析 能耗制动：用能耗制动：用电阻消耗能量电阻消耗能量的方式将的方式将机械能机械能消耗，实现快消耗，实现快速停车。速停车。 能耗制动的含义：将机械能转换为电能再转化为热能实现能耗制动的含义：将机械能转换为电能再转化为热能实现快速消耗快速消耗 问题：能耗电阻大小对能耗大小的影响？问题：能耗电阻大小对能

56、耗大小的影响？ 如何实现能耗制动？如何实现能耗制动？100能耗制动实现的分析能耗制动实现的分析 电压平衡方程式电压平衡方程式 U=Ea+IaRa 能耗制动：能耗制动：U=0，则电流可能较大，因此需要串电阻。，则电流可能较大，因此需要串电阻。 能耗制动的实现方法：断开电压；通过电阻串联形成回路。能耗制动的实现方法：断开电压；通过电阻串联形成回路。 电阻的大小有何限制：电机运行过程中要求电枢电流不能超电阻的大小有何限制：电机运行过程中要求电枢电流不能超过过2倍的额定电流。倍的额定电流。101102n实现方法实现方法K1、K2断开，断开，K3闭合，电枢接到电阻闭合，电枢接到电阻Rz。n过程分析过程分

57、析由于惯性，由于惯性， n0，Ea0 。U=0，在，在Ea作用下产生反向电作用下产生反向电枢电流枢电流Ia=-Ea/(Ra+Rz)，电动机的转矩，电动机的转矩T也反向，与也反向，与n反向，与反向，与Tz同向，同向，为制动转矩，电动机减速。为制动转矩，电动机减速。所以是制动状态。所以是制动状态。n能量转换能量转换EaIa0，T0。电动机靠系统的动能发电，转化成发电动机靠系统的动能发电，转化成发电机，把动能变成电能，消耗在电枢电路电阻上电机，把动能变成电能，消耗在电枢电路电阻上能耗制动。能耗制动。一、能耗制动一、能耗制动 1.能耗制动实现及能量转换能耗制动实现及能量转换第三节第三节 他励直流电动机

58、的制动他励直流电动机的制动103n机械特性机械特性nU=0，R=Ra+Rz，电动机转速为，电动机转速为n特性是一条特性是一条过原点过原点的直线，在第的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻动电阻 Rz，与电枢串联电阻，与电枢串联电阻Rz时时的人为机械特性斜率相同。的人为机械特性斜率相同。ABC2azeTRRnTC C 第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2.能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性104 制动电阻的选取制动电阻的选取 Rz越小，机械特性越平，越小，机械特性越平，T1绝绝对值越大（对值越大（B点左移点左移），制动），制动越快越快

59、 选取原则选取原则最大制动电流不最大制动电流不超过超过2IN-电阻不能任意选择电阻不能任意选择22NNazNNEURRII2NzaNURRIABC第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1053.位能性负载的能耗制动位能性负载的能耗制动ABCn电机停止时（电机停止时（T=0，n=0）在位能性负载作用下，电动）在位能性负载作用下，电动机反向加速，电动机运行于机械特性的第四象限。机反向加速，电动机运行于机械特性的第四象限。n当转速增加到当转速增加到T=Tz时，实现重物等速下放。时，实现重物等速下放。第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1064.反抗性负载的能耗制动反

60、抗性负载的能耗制动ABCn电机停止时（电机停止时（T=0，n=0），电磁转矩），电磁转矩=0，负载转矩，负载转矩=0；电机停止。电机停止。n在能耗制动下，反抗性负载能够实现准确停车。在能耗制动下，反抗性负载能够实现准确停车。第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1075. 能耗制动的特点能耗制动的特点n操作简单操作简单n能耗制动产生的冲击电流不会影响电网能耗制动产生的冲击电流不会影响电网n低速时制动转矩小，停转慢低速时制动转矩小，停转慢n动能消耗在制动电阻上动能消耗在制动电阻上第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动分析分析 反接制动的含义：反接制动的含义： 电枢