第4章直流电机的电机拖动

1、第4章 直流电机的电机拖动4.1 4.1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础4.2 4.2 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 4.3 4.3 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。4.4 4.4 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动4.5 4.5 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速4.6 4.6 串励直流电动机的电力拖动串励直流电动机的电力拖

2、动大连理工大学电气工程系 拖动：原动机带动生产机械运动。拖动：原动机带动生产机械运动。 电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。4.1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成电动机电动机传动机构传动机构工作机构工作机构控制设备控制设备电源电源电力拖动系统的优点电力拖动系统的优点(1) 电能易于生产、传输、分配。电能易于生产、传输、分配。(2) 电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满 足各种生产机械的不同要求。足各种生产机械的不同要求。4.1 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础大连理工大学电气工程系

3、(3) 电动机损耗小、效率高、具有较大的短时电动机损耗小、效率高、具有较大的短时 过载能力。过载能力。(4) 电力拖动系统容易控制、操作简单、电力拖动系统容易控制、操作简单、 便于实现自动化。便于实现自动化。应用举例应用举例 精密机床、重型铣床、精密机床、重型铣床、 初轧机、初轧机、 高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵大连理工大学电气工程系4.1.2 典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式一、单轴旋转系统一、单轴旋转系统 电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件 均以同一转速旋转。均以同一转速旋转。二、多轴旋转系统

4、二、多轴旋转系统 电动机电动机工作机构工作机构电动机电动机工作机构工作机构大连理工大学电气工程系三、多轴旋转运动加平移运动系统三、多轴旋转运动加平移运动系统 四、多轴旋转运动加升降运动系统四、多轴旋转运动加升降运动系统 电动机电动机 工作机构工作机构 电动机电动机 G大连理工大学电气工程系4.1.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程一、单轴电力拖动系统的运动方程 T2TL= Jd d t J 转动惯量（转动惯量（kgm2） 旋转角加速度（旋转角加速度（rad/s2） 惯性转矩（惯性转矩（Nm） T2 = TT0 电动状态时，电动状态时，T0 与与

5、T 方向相反，方向相反，T20，T00。 制动状态下放重物时，制动状态下放重物时，T0 与与 T 方向相同，方向相同，T20，T00。 第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础d d tJd d t 电动状态电动状态 T2T0 制动状态下放重物制动状态下放重物 T2T0 正方向正方向 大连理工大学电气工程系11.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式TTL= Jd d t忽略忽略 T0 ，则，则 飞轮矩飞轮矩(Nm2)因为因为 J = m 2 Gg=D2（）2GD24g=旋转部分的旋转部分的质量（质量（kg）回转半径回转半径 (m)2 n60T2TL =

6、GD2 d 4g d t 回转直径回转直径 (m) 对于均匀实心圆柱体，对于均匀实心圆柱体， 与几何半径与几何半径 R 的关系为的关系为 R 2 = = GD2 dn375 d tGD2 dn375 d tT2TL = 大连理工大学电气工程系11.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式GD2 dn375 d tTTL = 忽略忽略 T0 ，有，有 当当 T2TL 时，时， n dnd t0 加速的瞬态过程。加速的瞬态过程。 当当 T2 = TL 时，时， dnd t = 0 稳定运行。稳定运行。 当当 T2TL 时，时， n dnd t0 减速的瞬态过程。减速的瞬态过程。 n =

7、 0n = 常数常数 确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的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：正方向，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。dtdnGD3752大连理工大学电气工程系负载吸收负载吸收的功率的功率1. T2 0 ， 电动机输出机械功率电动机输出机

8、械功率2. T2 0 ， 电动机输入机械功率电动机输入机械功率二、单轴电力拖动系统的功率平衡方程二、单轴电力拖动系统的功率平衡方程 T2 TL = J d d t（ ） =dd tJ 212电动机输电动机输出的功率出的功率系统动能系统动能P2PL = J d d t11.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式即即 T2 与与 方向相同。方向相同。 电动状态。电动状态。 即即 T2 与与 方向相反。方向相反。 制动状态。制动状态。 电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL大连理工大学电气工程系3. TL 0， 负

9、载从电动机吸收机械功率。负载从电动机吸收机械功率。4. TL 0， 负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。 5. P2PL，6. P2PL， 和和 n 不能突变，不能突变， 即系统不可能具有无穷大的功率。即系统不可能具有无穷大的功率。11.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 即即 TL 与与 方向相反。方向相反。 即即 TL与与 方向相同。方向相同。 ，加速状态，加速状态， ，减速状态，减速状态，否则否则 J d d t 电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL系统动能

10、增加。系统动能增加。系统动能减少。系统动能减少。大连理工大学电气工程系11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算z1 z4 z5 z2 z3 z6 效效等等一、等效负载转矩一、等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。 TL =Tm tm L= Tmj t第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础电动机电动机工作机构工作机构nTLn1n2nmTm电动机电动机等效负载等效负载nTLTL t = Tmm 传动机构传动机构的效率的效率传动机构传动机构的转速比的转速比大连理工大学电气工程系 传动机构的总转速比传动机构的总转速比 j = j1

11、 j2 jmmj = nnm= 1 j1 = nn1= 1 2 j2 = n1n2= 2 m jm = n2nm=11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算 常见传动机构的转速常见传动机构的转速 比的计算公式：比的计算公式：(1) 齿轮传动齿轮传动n1n2j =z2z1=(2) 皮带轮传动皮带轮传动 n1n2j =D2D1=(3) 蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动 n1n2j =z2z1=齿轮的齿数齿轮的齿数 皮带轮的直径皮带轮的直径 蜗轮的齿数蜗轮的齿数 蜗杆的头数蜗杆的头数 大连理工大学电气工程系二、等效转动惯量（飞轮矩）二、等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则

12、：动能不变。设各部分的转动惯量为：设各部分的转动惯量为：12J2 = 12JR 2 12J1 1212Jmm2 11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算nTLn1n2z1 z4 z5 z2 z3 z6 电动机电动机工作机构工作机构nmTmJRJ1J2Jm12J2 22 J = JRJ1 J2 Jm n1nnmn2 2 2 n2nJ = JRJ1 J2 Jm 1m2 2 2 2大连理工大学电气工程系如果在电动机和工作机构之间总共还有如果在电动机和工作机构之间总共还有 n 根中间轴，根中间轴， 则则: j = j1 j2 jn jm或或: :GD2 = 4gJ 11.4 多轴旋转系统的折算多

13、轴旋转系统的折算J2 j1 j2 J = JR J1j12 22Jm j1 j2 jm2 2 2 J2 j1 j2 = JR J1j12 22Jm j 2 J = JRJ1 J2 Jn Jm n1nnnn2 2 2 2 n2nnmnJ2 ( j1 j2)J = JR J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 Jm j 2 大连理工大学电气工程系11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算 【例例 11.4.1】 某车床电力拖动系统，传动机构为某车床电力拖动系统，传动机构为齿轮组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已齿轮组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已知知 n = 1 44

14、0 r/min ，切削力，切削力 F = 2 000 N，工件直径，工件直径 d = 150 mm，各齿轮的齿数为，各齿轮的齿数为 z1 = 15，z2 = 30，z3 = 30，z4 = 45，各部分的转动惯量，各部分的转动惯量 JR = 0.076 5 kgm2，J1 = 0.051 kgm2，Jm = 0.063 7 kgm2 。传动机构的传动效率。传动机构的传动效率 t = 0.9。求：。求：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削转矩和切削转矩 Tm ； (2) 折算成单折算成单轴系统后的等效轴系统后的等效 TL、JL 和和 GD2 。 解：解：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削转

15、矩和切削转矩 Tmn JR n1J1z1 z4 z2 z3 电动机电动机车床车床nm Jm z2z1j2 = = = 2 3015z4z3jm = = = 1.5 4530j = j1 jm = 21.5 = 3 njnm = = r/min = 480 r/min 1 4403大连理工大学电气工程系11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算 d nm60Pm = F 3.140.1548060 = 2 000 W = 7.536 kW TN = 2 60Pmnm = Nm = 150 Nm 60 23.14 7 536 480(2) 折算成单轴系统后的等效折算成单轴系统后的等效 TL、J

16、L 和和 GD2 TL = Tmj t = Nm = 55.56 Nm 150 30.9 J = JR J1j12Jm j 2 = 0.076 5 kgm2 = 0.096 3 kgm2 0.051220.063 7 32( ) GD2 = 4gJ = 49.810.096 3 Nm2 = 3.78 Nm2 大连理工大学电气工程系 目的目的 将平移作用力将平移作用力 Fm 折算为等效转矩折算为等效转矩 TL 。 将平移运动的质量将平移运动的质量 m 折算为等效折算为等效 J 或或 GD2 。 一、等效负载转矩一、等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。 T

17、L t = Fmvm11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率 切削功率切削功率 TL = Fmvm t= Fmvm t n602 大连理工大学电气工程系二、等效转动惯量（飞轮矩）二、等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则：动能不变。1. 平移运动折算成旋转运动平移运动折算成旋转运动11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算vmFm 作用力作用力 平移速

18、度平移速度 432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 Gmg vm n2Jm = 602 2 2 = 9.3 Gm vm n22 大连理工大学电气工程系2. 等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算12J2 = 12JR 2 12J1 1212J2 22 12m vm 2 12J2 = JR 2 J1 12 J2 22 Jm2 12121212J = JRJ1 J2 Jm 12 2 2J = JRJ1 J2 Jm n1n2 2 n2n 一般公式：一般公式：

19、 J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 大连理工大学电气工程系 【例例 11.5.1】 有一大型车床，有一大型车床，传动机构如图示。已知：传动机构如图示。已知：刀架重：刀架重： Gm = 1 500 N 移动速度：移动速度：vm= 0.3 m/s刀架与导轨之间的摩擦系数：刀架与导轨之间的摩擦系数： = 0.1电动机：电动机： n = 500 r/min， JM = 2.55 kgm2齿轮齿轮1：z1 = 20，Jz1 = 0.102 kgm2齿轮齿轮2：z2 = 50，Jz2 = 0.51 kgm2齿轮齿轮3：z3 = 30，Jz3 = 0.2

20、55 kgm2齿轮齿轮4：z4 = 60，Jz4 = 0.765 kgm2传动机构：传动机构： t = 0.8求求: 电动机轴上的等效电动机轴上的等效 TL 和和 J 。 解解: (1) 等效等效TL 平移作用力平移作用力 Fm = Gm = 0.11 500 N = 150 NvmFm432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算大连理工大学电气工程系11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算TL= Fmvm t n602 = Nm = 1.075 Nm 60 6.28 1500.3 0.8500 (2) 等效转动惯量等效转动惯量

21、J z2 z1 j1 = 50 20 = = 2.5 z4 z3 j2 = 60 30 = = 2 JR = JMJz1 J1 = Jz2Jz3 J2 = Jz4 = (2.550.102) kgm2 = 2.652 kgm2 = (0.510.255) kgm2 = 0.765 kgm2 = 0.765 kgm2 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 1 5000.32 5002 = 0.005 02 kgm2 大连理工大学电气工程系J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 20.765 (2.52)2 = 2.652 0.005 02 kgm2 0.765

22、2.52= 2.652 kgm2 11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算大连理工大学电气工程系 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率PL 工作机构的工作机构的 机械功率机械功率Pm 11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 目的目的 将将 Gm 折算为等效折算为等效 TL。 将将 m 折算为等效折算为等效 J。 一、等效负载转矩（升降力的折算）一、等效负载转矩（升降力的折算） TL t = Gmvm第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础Gm电动机电动机 vmz2 z1z4 z3 提升重物时，提升重物时，Gm 是阻力，电动机工作在电动是阻力，电动机工

23、作在电动 状态，状态，PLPm ；下放重物时，；下放重物时，Gm 是动力，是动力， 电动机工作在制动状态，电动机工作在制动状态，PLPm 。TL = Gmvm t= Gmvm t n602 大连理工大学电气工程系 传动效率：传动效率： 11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 t = 100% Pm PL则提升时则提升时 t1 ，下放时，下放时 t1。二、等效转动惯量（升降质量的折算）二、等效转动惯量（升降质量的折算） 1. 升降运动折算成旋转运动升降运动折算成旋转运动12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 = 9.3 Gm vm n22 2. 等效单轴系统的转动惯量等

24、效单轴系统的转动惯量J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 大连理工大学电气工程系 a b c d e f g h 电动机电动机 蜗杆蜗杆 蜗轮蜗轮 齿轮齿轮 齿轮齿轮 卷筒卷筒 导轮导轮 重物重物 双头双头 20 10 40 0.15 0.025 0.40 0.075 8 1.25 1.25 10 000 0.1 0.111.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 【例例 11.6.1】 某起重机的电力拖动系统如图示。各某起重机的电力拖动系统如图示。各运动部件的的有关数据如下：运动部件的的有关数据如下： 编号编号 名称名称齿数齿数转动惯量转动

25、惯量J/kgm2 重力重力G/N直径直径 d/m传动效率传动效率 t = 0.8，提，提升速度升速度 vm = 9.42 m/s。试求电动机的转速试求电动机的转速 na以及折算到电动机轴以及折算到电动机轴上的等效上的等效 TL 和和 J。dnabafgcehvm大连理工大学电气工程系11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 解解: (1) 电动机的转速电动机的转速 na 卷筒和导轮的转速卷筒和导轮的转速 nf = ng = vm dg = r/min = 30 r/min 9.42 3.140.1 转速比转速比 zc zb j1 = 20 2 = = 10 ze zd j2 = 40 1

26、0 = = 4 转速转速 na na = nb = j1 j2 nf = 10430 r/min = 1 200 r/mindnabafgcehvm大连理工大学电气工程系dnabafgcehvm(2) 求等效负载转矩求等效负载转矩 TL TL= Gmvm t n602 = Nm = 937 Nm 60 6.28 10 0009.42 0.81 200 (3) 求等效转动惯量求等效转动惯量 J JR = JaJb J1 = JcJd J2 = JeJfJg = (81.251.25) kgm2 = 10.5 kgm2 = (0.150.025) kgm2 = 0.175 kgm2 = (0.40

27、.075) kgm2 = 0.475 kgm2 11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算大连理工大学电气工程系11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 10 0009.422 1 2002 = 5.73 kgm2 dnabafgcehvmJ2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 210.5 (104)2 = 0.175 5.73 kgm2 0.475 102= 5.916 kgm2 大连理工大学电气工程系传传 动动 机机 构构第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片

28、 大连理工大学电气工程系W 系列螺旋平面减速电机系列螺旋平面减速电机第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系S 系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系R 系列斜齿轮减速电机系列斜齿轮减速电机第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系K 系列斜齿轮伞齿轮减速电机系列斜齿轮伞齿轮减速电机第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的

29、动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系F 系列平行轴斜齿轮减速机系列平行轴斜齿轮减速机第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系蜗蜗 轮轮 蜗蜗 杆杆第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系*11.7 电力拖动系统的瞬态过程电力拖动系统的瞬态过程 机械惯性机械惯性 由于由于J（GD2）的存在，使）的存在，使 n 不能跃变。不能跃变。 电磁惯性电磁惯性 由于由于 Lf 的存在，使的存在，使 if 不能跃变。不能跃变。 由于由于 La 的存在，

30、使的存在，使 ia 不能跃变。不能跃变。第第11 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 热惯性热惯性 机械惯性与电磁惯性产生机械惯性与电磁惯性产生机电瞬态过程机电瞬态过程。 只考虑机械惯性时的顺态过程称为只考虑机械惯性时的顺态过程称为机械瞬态过程。机械瞬态过程。 大连理工大学电气工程系 他励直流电动机的机械瞬态过程他励直流电动机的机械瞬态过程 1. 转速的变化规律转速的变化规律 *11.7 电力拖动系统的瞬态过程电力拖动系统的瞬态过程n = n0T GD2375 = dnd t n = nS 机械瞬态过程机械瞬态过程 的时间常数：的时间常数： =Ra GD2 375CECT2

31、 TTL=dnd t GD2 375= n0( TL ) dnd tGD2375n = n0TL dnd tGD2375 转速的稳态值转速的稳态值： nS = n0TL = nLt n = nS( ni nS ) e 初始值初始值大连理工大学电气工程系*11.7 电力拖动系统的瞬态过程电力拖动系统的瞬态过程微分方程的通解微分方程的通解： t n = nL( ni nL ) e 2. 电磁转矩的变化规律电磁转矩的变化规律 因为因为 n = n0T所以所以 ni = n0Ti ， nS = n0TS 即即 nL = n0TL 代入代入 n 的解中，可得的解中，可得 t T = TS( TiTS )

32、 e 3. 电枢电流的变化规律电枢电流的变化规律 因为因为 T = CT ia所以所以 Ti = CT Iai， TS = CT IaS 即即 TL = CT IL代入代入 T 的解中，可得的解中，可得 ia = IaS( IiIaS ) e t t T = TL( TiTL ) e ia = IL( IaiIL ) e t 大连理工大学电气工程系*11.7 电力拖动系统的瞬态过程电力拖动系统的瞬态过程4. 分级起动的机械瞬态过程分级起动的机械瞬态过程 对于对于 a1a2 段：段： IanLOnn0I1ILI2a1a2b1b2c1c2ia = IL( I1IL ) e t 1 a1 a2 段的

33、起动时间：段的起动时间： I2 = IL( I1IL ) e t 1 e =t 1 I1 IL I2IL = ln t 1 I1 IL I2IL t = 1 ln I1 IL I2IL a1a2 段的段的时间常数时间常数4.1.2 负载的转矩特性负载的转矩特性1）恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速与转速 无关无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。nLT1.反抗性恒转矩负

34、载T TL Ln2.位能性恒转矩负载T TL Ln4.1.2 负载的转矩特性负载的转矩特性2）恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即与转速的乘积为一常数，即 与与 成反比，特性曲线为一条双曲线。成反比，特性曲线为一条双曲线。nLTT TL Ln3）泵与风机类负载特性 负载的转矩负载的转矩 基本上与转速基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一的平方成正比。负载特性为一条抛物线。条抛物线。LTnT TL Ln12TL04.2 4.2 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性4.2.1 固有机械特性和人为机械特性1 1）电枢串电阻时的人为

35、特性）电枢串电阻时的人为特性 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 的人为特性的人为特性NNUU,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR 0nnaRemT特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软。越大，特性越软。0n4.2.2 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2 2）降低电枢电压时的人为特性）降低电枢电压时的人为特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性：NaRR,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU101n0nnNUemT特点：特点：1)1) 随随

36、变化变化, , 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。0nUU3 3）减弱励磁磁通时的人为特性）减弱励磁磁通时的人为特性 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：NaUURR,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n4.2.3 机械特性求取机械特性求取1 1）固有特性的求取）固有特性的求取 ), 0(0nnTem),(NNemnnTT已知已知 ，求两点求两点:1:1）理想

37、空载）理想空载点点 和额定运行和额定运行 。NNNNnIUP,具体步骤：具体步骤：（1）估算）估算:aR2)3221(NNNNaIPIUR（2 2）计算）计算:NTNeCC 和NNNNNenPIUCNeNTCC55.9（3）计算理想空载点：）计算理想空载点：NeNemCUnT0, 0（4 4）计算额定工作点：）计算额定工作点：NNNTNnnICT,2 2）人为特性的求取）人为特性的求取 在固有机械特性在固有机械特性方程方程 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 或或 或或 变化，重新变化，重新计算计算 和和 ，然后得，然后得到人为机械特性方程到人为机械特性方程式

38、。式。emTnn0SRU0n4.2.4 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的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新的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，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。nAemTLTAn0在在 点，系统平衡点，系统平衡ALemTTAn扰动使转

39、速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， ，扰动消失，系，扰动消失，系统减速，回到统减速，回到 点运行。点运行。AAnAnLemTTnAemTLTAn0An 扰动使转速由扰动使转速由 下降到下降到 ， ，扰动消失，系统加速，回到扰动消失，系统加速，回到 点运行。点运行。AAnAn LemTTBn扰动使转速由扰动使转速由 上升到上升到 ， ，即使扰动消失，系统也将一直加速，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到不能回到 点运行。点运行。BBnBnLemTTnBemTLTBn0在在 点，系统平衡点，系统平衡BLemTTBn 扰动使转速由扰动使转速由 下降到下降到 ， ，

40、系统将一直减速，不可能回到系统将一直减速，不可能回到 点运点运行。行。BBnBn LemTT4.2.4 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点电动机的机械特性与负载转矩特性有交点, ,即存在即存在LemTT2.充分条件: 在交点在交点 处满足处满足 。 或者说，在交点的转速以上或者说，在交点的转速以上存在存在 , ,在交点的转速以下存在在交点的转速以下存在 。LemTTdndTdndTLemLemTTLemTT平衡点稳定点？4.3 4.3 直流电动机的起动直

41、流电动机的起动 4.3.1 起动基本情况起动基本情况 1） 定义：电动机接到规定电源后，转速从零上定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。升到稳态转速的过程称为起动过程。启动时启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则，若加入额定电压，则aNaNastIRUI Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般向器。一般Iast限制在限制在 (2-2.5)IaN 内。内。 起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这动

42、态过程，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。因是要保证电源供电质量和起动时间要短。2）对电动机起动的要求）对电动机起动的要求（1）起动电流要小；）起动电流要小；（2）起动转矩要大；）起动转矩要大；（3）起动设备要简单、可靠。）起动设备要简单、可靠。限制限制Iast的措施：的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。）启动时降低电枢电压。1）起动过程4.3.2 电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路

43、原理图和机械特性为三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S2）分组起动电阻的计算4.3.2 电枢回路串电阻起动 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点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上

44、各式得：2111223IIRRRRRRa 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阻R Ra a前提下，经推导可得各级串联前提下，经推导可得各级串联电阻为电阻为: :11223121)1()1()1()1( stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR（5）计算转矩）计算转矩: :12TT，校验校验LTT) 3 . 11 . 1 (2如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止。值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2

45、 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流；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计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：4.3.2 电枢回路串电阻起动4.3.3 降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐

46、渐提高电源电压，使起动电流反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。4.3 4.3 直流电动机的起动直流电动机的起动（1）若电动机原本静止，由于励磁转矩）若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia，而，而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢电机将不能启动，因此，反电动势为零，

47、电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开则）如果电动机在有载运行时磁路突然断开则 E ，Ia ，T 和和 ，可能不满足可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。）如果电机空

48、载运行，可能造成飞车。 E Ia T T0 n 飞车飞车措施：措施：他励直流电动机一定要有他励直流电动机一定要有失磁保护失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源切断电枢电源U U。M他励他励UfIfIaU电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。方法简单、经济。4.2 4.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 目的：目的： 为了提高生产效

49、率；保证产品质量，大量的生产机械为了提高生产效率；保证产品质量，大量的生产机械根据其工艺对电力拖动系统的具体要求不同，要求在不同根据其工艺对电力拖动系统的具体要求不同，要求在不同的情况下，以不同的速度进行工作，这就要人为地采用一的情况下，以不同的速度进行工作，这就要人为地采用一定方法来改变生产机械的工作转速，以满足生产的需要，定方法来改变生产机械的工作转速，以满足生产的需要，称为调速。称为调速。 机械调速机械调速 电气调速电气调速4.2.1 4.2.1 调速方法调速方法 根据此式知道，直流电动机有三种调速方法。改根据此式知道，直流电动机有三种调速方法。改变变 R 电枢回路外串电阻电枢回路外串电

50、阻 即改变励磁回路外串电阻即改变励磁回路外串电阻 U 改变电枢上的外加电压。改变电枢上的外加电压。TCeCRaCeUnT21 1 电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串电阻时未串电阻时的工作点的工作点串电阻串电阻R Rs1s1后后, ,工作点由工作点由AABAAB4.2.1 4.2.1 调速方法调速方法调速过程调速过程: : U=C，TZ = C ， = CRa Ia T n E Ia T 暂时暂时T TL最后达到新的平衡最后达到新的平衡T =TLn暂时暂时不变不变aaREUI优点优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。）电源电压能够

51、平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般D=2.512。 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。 2 2 降低电源电压调速降低电源电压调速3 3 减弱磁通调速减弱磁通调速01n1A1nBNTemnTL0nANn调节磁场前调节磁场前工作点工作点弱磁瞬间工作弱磁瞬间工作点点AA弱磁稳定后的弱磁稳定后的工作点工作点4.2.1 4.2.

52、1 调速方法调速方法减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0naNInNn1n1aIaiai结论结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。3 3 减弱磁通调速减弱磁通调速优点优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。电动

53、机的效率基本不变，因此经济性是比较好。 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。调速。缺点：缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；机械特性的斜率变大，特性变软； 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般升速范围不可能很大，一般 D2；3 3 减弱磁通调速减弱磁通调速例例1：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=22KW, UN=

54、220V ,IN=115A Ra=0.1 , nN=1500r/min。忽略空载转矩。忽略空载转矩T0 求把求把 转速降到转速降到1000r/min，如何实现？并计算电动机的，如何实现？并计算电动机的 输入和输出功率。输入和输出功率。解解（1）串电阻）串电阻aaeRIUnCE139. 015001151 . 0220NaaNNNenRIUnECTCCRRCUnNeTaNeN2aNNeaNeNICRRCUn605. 01 . 0115220139. 01500aaNNNeRIUnCR（2）降压调速）降压调速TCCRCUnNeTaNe2aNNeaNeICRCUnVRInCUaaNNe5 .1501

55、 . 0115139. 01500（3）输入和输出功率输入和输出功率Nm1 .14015002295509550NNNnPT降速后的输出功率降速后的输出功率WnTTP1467010006021 .140602222串电阻后的输入功率串电阻后的输入功率WIUPNN253001152201降压后的输入功率降压后的输入功率WUIPN173081155 .1501例：例：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：求：（1）TL=0.5TN 时时, n=? （2） =0.8 N 时时, n=? 解：（解：

56、（1） TL=0.5TN 时时aaNeRIUnCE143. 015004 .125 . 0220NaaNenRIUnECNm1415002.295509550NNNnPTaTNICT13.14 .1214aNTITCTCCRCUneTae2min)/ r (8 .151666.2146.153821413. 1143. 05 . 0143. 022022TCCRCUnTeae（2） =0.8 N 时时min)/ r (188984.331923148 . 013. 1143. 05 . 0143. 08 . 02202nD nmax ，nminnmax 受电机机械强度、换受电机机械强度、换 向

57、等方面的限制向等方面的限制 Nmin 受低速运行时相对稳定性受低速运行时相对稳定性的限制，即的限制，即TZ的变化，的变化，n变化程度。变化程度。4.2.2 调速指标调速指标 直流电动机调速方法的评价。直流电动机调速方法的评价。 技术指标技术指标 a. 调速范围调速范围：生产机械要求的转速范围有多大，：生产机械要求的转速范围有多大，一般用最大转速一般用最大转速nmax和最小转速和最小转速nmin之比来表示。之比来表示。 minmaxnnD b. 静差率静差率：电机在一条机械特性上运行时，由理：电机在一条机械特性上运行时，由理想空载转速加到额定负载，所出现的转速降想空载转速加到额定负载，所出现的转

58、速降 nN与理想空载转速之比。与理想空载转速之比。%100%100%000nnnnnN n2nn0n0 n1TnN%越小，相对稳定性越越小，相对稳定性越好；好；%与机械特性硬度与机械特性硬度和和n n0 0有关。有关。v 电动机的机械特性越硬则静差率越小，相对稳定性就越高。电动机的机械特性越硬则静差率越小，相对稳定性就越高。v 生产机械调速时，要保持一定稳定度，要求静差率要小于某生产机械调速时，要保持一定稳定度，要求静差率要小于某一值，但两条硬度相同、相互平行的机械特性曲线一值，但两条硬度相同、相互平行的机械特性曲线 不同，不同，转速低的转速低的 大，愈难满足生产机械对静差率的要求。大，愈难满

59、足生产机械对静差率的要求。v 静差率和调速范围是互有联系的两项指标，系统可能达到的静差率和调速范围是互有联系的两项指标，系统可能达到的最低转速最低转速nmin决定于低速特性的静差率，调速范围决定于低速特性的静差率，调速范围D也因此受也因此受到低速特性静差率到低速特性静差率 的制约。的制约。)1 (maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnDc. 平滑性平滑性：在一定调速范围内，调速的级数愈多则在一定调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。可用平滑系数来衡量。即相邻认为调速愈平滑。可用平滑系数来衡量。即相邻两级转速之比。两级转速之比。1iinn 越接近越接近1 1平滑

60、性越好，平滑性越好， =1=1时为无级调速，转速连续时为无级调速，转速连续可调。可调。d. 调速时的功率与转矩调速时的功率与转矩 在电机充分利用的条件下，调速过程中轴上输出的功率在电机充分利用的条件下，调速过程中轴上输出的功率和转矩，不同的电机，用不同的调速方法，容许输出的功率和和转矩，不同的电机，用不同的调速方法，容许输出的功率和转矩随转速变化的规律不同。同时，不同的负载，需要的功率转矩随转速变化的规律不同。同时，不同的负载，需要的功率和转矩也是不同的，所以调速方法也应适应负载要求。和转矩也是不同的，所以调速方法也应适应负载要求。 恒转矩恒转矩 恒功率恒功率 经济指标经济指标 决定于调速系统