第2章直流电机的电力拖动

1、 出版社 理工分社电机及拖动基础1用各种原动机带动生产机械的工作机构运转以完成一用各种原动机带动生产机械的工作机构运转以完成一定的生产任务称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电定的生产任务称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力拖动力拖动电力拖动系统一电力拖动系统一般由电动机，生产机械般由电动机，生产机械的工作机构，传动机构的工作机构，传动机构，控制设备及电源，控制设备及电源5 5部部分组成分组成电动机作为整个系统的动力，拖动生产机械的工作机构电动机作为整个系统的动力，拖动生产机械的工作机构传动机构用以变速或变换运动方式传动机构用以变速或变换运动方式控制设备用以控制电动机的运动控制设备用以

2、控制电动机的运动控制设备和电动机均需有电源控制设备和电动机均需有电源 出版社 理工分社电机及拖动基础22.3 负载的机械特性负载的机械特性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2.4 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 工作机构的转矩，飞轮矩和质量的折算工作机构的转矩，飞轮矩和质量的折算2.5 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动2.6 他励直流发电机的过渡过程他励直流发电机的过渡过程2.7 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速2.8 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 出版社 理工分社电机及拖动基础3 电力拖动系统工作时，有些部件是做直线运

3、动的，例如：直电力拖动系统工作时，有些部件是做直线运动的，例如：直线电动机，起重机的吊钩，电梯的轿厢；有些部件是做旋转线电动机，起重机的吊钩，电梯的轿厢；有些部件是做旋转运动的，例如：旋转电动机，齿轮机构及各种作旋转运动的运动的，例如：旋转电动机，齿轮机构及各种作旋转运动的工作机构。因此，运动方程式有两种不同形式：工作机构。因此，运动方程式有两种不同形式：（1）直线运动方程式）直线运动方程式1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理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F:作用在直线运动部件上的拖动力作用在直线运动部件上的拖动力FL:作用在直线运动部件上的阻力作用在直线运动

4、部件上的阻力 出版社 理工分社电机及拖动基础4 电力拖动系统运动方程式描述了系统的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运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。动机转轴上的各种转矩。（2 2）旋转运动方程式）旋转运动方程式MemTnLTU 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：可写出拖动系统的运动方程式：emLdTTJdt其中其中 为系统的惯性转矩。为系统的惯性转矩。dtdJ 出版社 理工分社电机及拖动基础5T: 电磁转矩，单位为电磁转矩，单位为N.M；TL:负载转矩；负载转矩；

5、J: 转动部分的转动惯量转动部分的转动惯量 ：转动部分的机械角速度；：转动部分的机械角速度； 出版社 理工分社电机及拖动基础6运动方程的实用形式运动方程的实用形式：2375emLGDdnTTdt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。LemT

6、T0dtdn常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩,把把 称为静负载转矩称为静负载转矩.dtdnGD2375)T(TLemLT 出版社 理工分社电机及拖动基础7 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，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，然后规定然后规定：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（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)(

7、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。dtdnGD2375 出版社 理工分社电机及拖动基础82.3 负载的机械特性负载的机械特性 生产机械工作机构的负载转矩生产机械工作机构的负载转矩TL与转速与转速n的关系称为负载的关系称为负载的机械特性的机械特性 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。nLT1.1.反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载T TL Ln2.3.1 恒转矩负载特性恒转矩负载特性

8、反抗性恒转矩负载特点是大小反抗性恒转矩负载特点是大小恒定不变，方向与运动方向相反；恒定不变，方向与运动方向相反；总在第一或第三象限；机床刀架的总在第一或第三象限；机床刀架的平移运动，行车的行车机构等都为平移运动，行车的行车机构等都为反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载nLT 出版社 理工分社电机及拖动基础9 2.2.位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 负载转矩大小恒定，而且方向不变，不随转速方向改变而负载转矩大小恒定，而且方向不变，不随转速方向改变而改变，即改变，即n0n0时，时，TL0TL0，负载转矩为制动转矩；，负载转矩为制动转矩； n0，负载转矩为拖动转矩；这种负载称为，负载转矩为拖动转矩；这

9、种负载称为位能性恒转位能性恒转矩负载，总在第一象限或第四象限矩负载，总在第一象限或第四象限 起重机类机械提升和下放重物时产生的负载转矩是典型的起重机类机械提升和下放重物时产生的负载转矩是典型的位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载T TL Ln 出版社 理工分社电机及拖动基础102.3.2、泵与风机类机械特性、泵与风机类机械特性 负载的转矩负载的转矩 基本上与转基本上与转速速 的平方成正比。负载特性的平方成正比。负载特性为一条抛物线。为一条抛物线。 工业上常用的风机，水泵，工业上常用的风机，水泵，油泵都属于泵类负载油泵都属于泵类负载LTnT TL Ln理想的通理想的通风机特性风机特性实际通风实际通风

10、机特性机特性TL0 出版社 理工分社电机及拖动基础11 2.3.3 恒功率负载特性恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常载转矩与转速的乘积为一常数，即数，即 与与 成反比，特性成反比，特性曲线为一条双曲线。曲线为一条双曲线。 金属切削机床是典型的恒金属切削机床是典型的恒功率负载功率负载T TL Ln 出版社 理工分社电机及拖动基础122.4 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速电动机的机械特性是指电动机的转速n n与电磁转矩与电磁转矩T T之间的之间的关系关系n=f(Tn=f(T).).它是机械性能的主要表现

11、它是机械性能的主要表现2.4.1 机械特性方程式机械特性方程式(1)(1)转速特性方程：转速特性方程：(2)2)机械特性方程：机械特性方程：RsaRsa: :电枢回路串接的附加电阻电枢回路串接的附加电阻n0:n0:理想空载转速理想空载转速 ：机械特性的斜率：机械特性的斜率 出版社 理工分社电机及拖动基础13图图2.82.8 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)no(1)no是理想空载转速是理想空载转速, ,只有只有T=0T=0时的转速时的转速nono称称为理想空载转速，是机为理想空载转速，是机械特性与纵坐标交点处械特性与纵坐标交点处的转速。的转速。(2)(2) 是机械特性的斜

12、率是机械特性的斜率，向下倾斜的程度和，向下倾斜的程度和 成正比。通常称成正比。通常称 大的大的为软特性。为软特性。 小的为硬小的为硬特性特性 出版社 理工分社电机及拖动基础142.4.2 固有机械特性固有机械特性 电源电源U=UNU=UN，气隙每极磁通，气隙每极磁通 = = N N，电枢回路不串附加电阻，电枢回路不串附加电阻即即RSaRSa=0=0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。因为因为RaRa一般很小，所以一般很小，所以 N N较小，所以他励直流较小，所以他励直流电动机的固有机械特性电动机的固有机械特性为硬特性，负载变化时为硬特性，负载变化时，电动机的转速变化不，

13、电动机的转速变化不大大 出版社 理工分社电机及拖动基础152.4.3 2.4.3 人为机械特性人为机械特性使用直流电动机时，其固有特使用直流电动机时，其固有特性往往不能满足要求，这时可改变性往往不能满足要求，这时可改变电源电压电源电压U U，每极磁通，每极磁通 和电枢回路和电枢回路串接的附加电阻串接的附加电阻RsaRsa三个量中的某个三个量中的某个量，从而改变电动机的机械特性，量，从而改变电动机的机械特性，这样得到的机械特性称为人为机械这样得到的机械特性称为人为机械特性。特性。(1)(1)电枢回路串接电阻时的人为电枢回路串接电阻时的人为机械特性机械特性（U=UN,U=UN, = = N,N,电

14、枢回路电枢回路串接电阻）串接电阻）串接的附加电阻串接的附加电阻RsaRsa越大，则越大，则 越大，机械特性越软，转速变化越越大，机械特性越软，转速变化越大大电枢回路串接电阻时的人为机械特性电枢回路串接电阻时的人为机械特性emNTeSaNeNTCCRRCUn2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。0n 出版社 理工分社电机及拖动基础16(2)(2)降低电压时的人为机械特性降低电压时的人为机械特性 = = N N（If=IfN),RsaIf=IfN),Rsa=0=0，降低电压，降低电压U U可得降低电压时的人可得降低电压时的人为机械特性，特性方程

15、为为机械特性，特性方程为不同电压时的人为机械特性为一组平不同电压时的人为机械特性为一组平行于固有机械特性的平行线。电压一行于固有机械特性的平行线。电压一般不允许超过额定值，因此只能降低般不允许超过额定值，因此只能降低电压。电压。2aemeNeTNRUnTC C C 特点：特点：1)1) 随随 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。0nUU 出版社 理工分社电机及拖动基础17(3) (3) 减弱每极磁通的人为机特性减弱每极磁通的人为机特性 U=UN,U=UN,RsaRsa=0=0，减小每极磁通，减小每极磁通 时可得减弱每极磁通时时可得减弱每

16、极磁通时的人为机械特性，特性方程为的人为机械特性，特性方程为01n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n2aNemeeTRUnTC C C 对于一般电机，此路对于一般电机，此路已经饱和，所以只能减已经饱和，所以只能减弱磁通弱磁通。 出版社 理工分社电机及拖动基础182.4.4 2.4.4 机械特性的绘制机械特性的绘制一、固有特性的求取一、固有特性的求取 )nn,(Tem00)nn,T(TNNem已知已知 ，求两点，求两点:1:1）理想空载）理想空载点点 和额定运行和额定运行 。NNN,Nn,IU,P具

17、体步骤：具体步骤：(1)(1)估算估算:Ra2NNNNaIPIU)2131(R(2)(2)计算计算:CCNTNe和NNNNenIUCaRNeNTCC9.55(3)(3)计算理想空载点：计算理想空载点：NeNemCUn,T00(4)(4)计算额定工作点：计算额定工作点：NNNTNnn,ICTem 出版社 理工分社电机及拖动基础19 二、人为特性的求取二、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式。em0TnnSR

18、U0n 1) 1)绘制电枢回路串接附加电阻绘制电枢回路串接附加电阻RsaRsa时时的人为机械特性的人为机械特性2)2)绘制降低电压时的人为机械特性绘制降低电压时的人为机械特性3)3)绘制减弱磁通时的人为机械特性绘制减弱磁通时的人为机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础20nAemTLTAn0在在 点，系统平衡点，系统平衡ALemTTAn 扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， 。AnAnLemTTA 扰动消失扰动消失, ,系统减速，回到系统减速，回到 点运行点运行。LemATT,n 扰动使转速有微小下降，由扰动使转速有微小下降，由 下降下降到到 。AnA扰

19、动消失扰动消失, ,系统加速，回到系统加速，回到 点运行。点运行。An 2.4.5 2.4.5 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 前面分别分析了负载的机械特性和电动机的机械特性。当将电动机与负载前面分别分析了负载的机械特性和电动机的机械特性。当将电动机与负载机械构成电力拖动系统时就有一个两者机械特性的配合问题，配合恰当，才机械构成电力拖动系统时就有一个两者机械特性的配合问题，配合恰当，才能正常运行。能正常运行。 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

20、系统能在新的条件下达到新的平衡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的转速下继续运行，则系统是状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定稳定的的，否则系统是，否则系统是不稳定不稳定的的 出版社 理工分社电机及拖动基础21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：BnnBemTLTBn0Bn 在在 点，系统平衡点，系统平衡BLemTT扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， , ,系统加速系统加速 。BnBnLemTTB即使扰动消失即使扰动消失,

21、 ,也不能回到也不能回到 点运行点运行。LemBTT,n 扰动使转速有微小下降，由扰动使转速有微小下降，由 下降下降到到 , ,系统减速。系统减速。BnB即使扰动消失即使扰动消失, ,也不能回到也不能回到 点运行点运行。(1)(1)必要条件必要条件: :电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点, ,即存在即存在LemTT(2)(2)充分条件充分条件: :在交点处在交点处, ,满足满足: : 。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 在交点的转速以下存在在交点的转速以下存在dndTdndTLemLemTTLemTT 出版社 理工分社

22、电机及拖动基础222.5 2.5 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动所谓电动机的起动，是指电动机接通电源后，转速由所谓电动机的起动，是指电动机接通电源后，转速由零上升到稳定转速的过程。对直流电动机起动的要求是，零上升到稳定转速的过程。对直流电动机起动的要求是，要在保证起动转矩足够大的前提下，要在保证起动转矩足够大的前提下，Tst=(1.1-1.2)TL;尽尽量减小起动电流，量减小起动电流，Ist=(2.0-2.5)IN,同时启动设备与控制同时启动设备与控制装置简单，可靠，经济，操作方便。装置简单，可靠，经济，操作方便。他励直流电动机启动的方法有三种：他励直流电动机启动的方法有三种：（1）

23、直接启动）直接启动（2）电枢回路串电阻启动）电枢回路串电阻启动（3）降压启动）降压启动 出版社 理工分社电机及拖动基础232.5.1 2.5.1 直接起动直接起动 先加足励磁，再将额定电压直接加至电枢两端进行启动，称先加足励磁，再将额定电压直接加至电枢两端进行启动，称为直接启动。启动瞬间，转速为直接启动。启动瞬间，转速n=0n=0时，电动势时，电动势Ea=0Ea=0stTstNstaTC IUIR原理：原理：起动转矩和起动电流分别为起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。阻或降低电枢

24、电压起动。 起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用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正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 出版社 理工分社电机及拖动基础242.5.2 2.5.2 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动起动时在电枢回路串

25、入起动时在电枢回路串入起动电阻起动电阻RstRst 原理：原理：在电枢回路中串入电阻，可减小起动电流，当在电枢回路中串入电阻，可减小起动电流，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，随着转速起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，随着转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，但的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过是，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩程中保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起动过程，加速电动机的起动过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电

26、动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。 适用场合：适用场合：由于能量损耗大，经济性差，常用于容量由于能量损耗大，经济性差，常用于容量不大，对启动调速性能要求不太高的场合。不大，对启动调速性能要求不太高的场合。 staaNstRREUI 出版社 理工分社电机及拖动基础25图2.18 电枢串电阻三级启动电路图 出版社 理工分社电机及拖动基础26上一页下一页返回2.5.3 2.5.3 降压启动降压启动 原理：原理：启动时，先加足励磁，再给电枢回路施加低电压，启动时，先加足励磁，再给电枢回路施加低电压，使得使得IstIst=U/Ra=2IN,=U/Ra

27、=2IN,随着转速的上升，电动势的不断增大，随着转速的上升，电动势的不断增大，相应的不断升高电枢端电压，使得启动电流和启动转矩基相应的不断升高电枢端电压，使得启动电流和启动转矩基本不变。启动快而平稳。本不变。启动快而平稳。 降压起动的优点是既限制了起动电流，起动过程又平稳、降压起动的优点是既限制了起动电流，起动过程又平稳、能量损耗小。缺点是必须有单独的可调压直流电源、起动能量损耗小。缺点是必须有单独的可调压直流电源、起动设备复杂、初期投资大设备复杂、初期投资大 适用场合：适用场合：多用于要求经常起动的场合和大中型电动机的多用于要求经常起动的场合和大中型电动机的起动，实际使用的直流伺服系统多采用

28、这种起动方法。起动，实际使用的直流伺服系统多采用这种起动方法。 出版社 理工分社电机及拖动基础272.7 2.7 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速；通过改变电动机参数进行；通过改变电动机参数进行调速的方法称为调速的方法称为电气调速电气调速。他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为aaseUI (RR )nC 电气调速方法电气调速方法: :1.1.调压调速调压调速; ;2.2.

29、电枢串电阻调速电枢串电阻调速; ;3.3.调磁调速调磁调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。大量生产机械例如各种金属切削机床、轧钢机、电动车、电梯、大量生产机械例如各种金属切削机床、轧钢机、电动车、电梯、纺织机械等，它们的工作机构的转速要求能够用人为的方法进行调节纺织机械等，它们的工作机构的转速要求能够用人为的方法进行调节，以满足生产工艺过程的需要，以满足生产工艺过程的需要 。 出版社

30、理工分社电机及拖动基础282.7.1 2.7.1 调速的技术指标和经济指标调速的技术指标和经济指标（1 1）调速的技术指标）调速的技术指标1 1、调速范围、调速范围: :minmaxnnD 2、静差率（相对稳定性）、静差率（相对稳定性）%越小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和与机械特性硬度和n n0 0有关有关。%nn%nnn%NN100100000指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。)(1nnnnnnnnnnDNmaxNNmaxNminmaxminmax0 D D与与%相互制约相互制约: :越小越小,D,D越小越小, ,相对稳定性越好相对稳定性越好; ;在保证一定在保证一定的的指标的前提下指标的前提下, ,要扩大要扩大D,D