直流电机的电力拖动第部分

直流电机电力拖动直流电机的电力拖动第部分第1页3.6直流电动机调速A、与调速相关性能指标a、调速范围D：定义：调速范围定义为拖动系统最高转速（或速度）与最低转速（或速度）之比，即：（3-46）b、静差率：定义：对调速系统静差率即转速改变率，它是指理想空载转速与额定转速转速改变量与空载转速百分比，即：（3-47）直流电机的电力拖动第部分第2页D与是相互关联，它们之间关系可用图3.21加以说明之。

图3.21中曲线1、2分别给出了他励直流电动机固有机械特征、电枢回路串电阻人工机械特征以及恒转矩负载特征。图3.21他励直流电动机机械特征与静差率之间关系对于实际电力拖动系统，若按低速时选择，则高速时自然满足要求。于是有：直流电机的电力拖动第部分第3页

又依据式（3-47）知：，将其代入上式得静差率与调速范围

之间关系为：（3-48）上式表明，若低速时满足要求，低速时越大则调速范围越小；c、调速平滑性：

采取有级和无级调速来描述调速平滑性，其性能指标为平滑系数。平滑系数定义为相邻两级转速比，即：（3-49）上式中，越靠近于1，则平滑性越好。若采取无级调速，即速度连续可调，则。d：原始投资与运行成本

调速系统经济指标包含设备原始性一次投资和设备运行费用。运行费用主要是指调速过程中损耗，通惯用效率来衡量，即：直流电机的电力拖动第部分第4页（3-50）B、他励直流电动机惯用调速方法依据可知，他励直流电动机能够采取以下两种方法调速：1.降低电枢电压降速a、电枢回路串电阻降压降速

图3.22给出了他励直流电动机电枢回路串电阻时人工机械特征和恒转矩负载转矩特征。直流电机的电力拖动第部分第5页图3.22电枢回路串电阻情况下人工机械特征和负载特征结论：伴随电枢回路电阻增加，理想空载转速不变，机械特征硬度变软，造成转速下降。所以，电枢回路串电阻只能在额定转速（又称为基速）以下调速。电枢回路串电阻调速经济性指标分析以下：直流电动机输入电功率为：（3-51）忽略机械耗和铁耗，并依据上式得电动机总损耗为：直流电机的电力拖动第部分第6页（3-52）于是，电机效率为：（3-53）

可见，伴随转速下降，电动机运行效率降低。b、降低电源电压降压降速

图3.23给出了他励直流电动机降低电源电压时人工机械特征以及恒转矩负载转矩特征。图3.23降低电源电压情况下人工机械特征和负载特征直流电机的电力拖动第部分第7页结论：

伴随外加电源电压降低，电动机转速下降。调压调速时特点是：其机械特征硬度保持不变，从而确保了这种调速方法含有更宽调速范围。2.弱磁升速图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时人工机械特征。传统可调压电源可采取如图3.24所表示发电机-电动机旋转机组方案。图3.24直流发电机-电动机机组可调直流电源

当前应用较为广泛是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，相关内容已在《电力电子技术》中介绍过。直流电机的电力拖动第部分第8页图3.25励磁改变情况下直流电动机人工机械特征和负载特征

结论：

伴随励磁电流减小，电动机转速升高。为了确保电机磁路不至于过饱和，通常，弱磁调速普通在基速（额定转速）以上进行。弱磁调速时过渡过程可用图3.26加以描述。直流电机的电力拖动第部分第9页图3.26他励直流电动机弱磁升速过渡过程

为了取得较高调速范围，通常将额定转速以上弱磁升速与额定转速以下降压调速配合使用。C、调速方式与负载类型配合调速系统须满足以下两个准则：（1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求：；（2）电动机负载能力要尽可能得到充分利用。鉴于此，不一样类型负载必须选择适当调速方式。直流电机的电力拖动第部分第10页1.调速方式下面分别就不一样调速方式以及各种调速方式所适合负载类型加以讨论。电力拖动系统调速方式主要分为两大类：（1）恒转矩调速方式：在保持不变前提下，保持不变；（2）恒功率调速方式：在保持不变前提下，保持不变。（a)对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：因为调速过程中，，保持不变，故电磁转矩为：电机轴上输出功率为：结论：

电枢回路串电阻与减低电源电压降压调速均属恒转矩调速方式，其轴上允许输出功率与转速成正比。直流电机的电力拖动第部分第11页（b)对于弱磁调速方式：因为调速过程中，保持不变，于是有：将上式代入电磁转矩表示式得：于是有：结论：

弱磁调速属于恒功率调速方式，其允许输出转矩与转速成反比。直流电机的电力拖动第部分第12页结论：基速以下，他励直流电动机采取恒转矩调速方式，而基速以上，则采取恒功率调速方式。

图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中机械特征与负载能力曲线。图3.27他励直流电动机调速过程中所允许转矩和功率直流电机的电力拖动第部分第13页2.调速方式选择

考虑到生产机械可大致分为恒转矩负载和恒功率负载两种类型，为了确保电机在不过热前提下负载能力得到充分发挥，调速方式应依据以下准则选择：（1）对于恒转矩负载应选择含有恒转矩调速方式；（2）对于恒功率负载应选择含有恒功率调速方式；不然，会造成无须要转矩和功率浪费。

现说明以下：

图3.28分别给出了恒转矩负载采取恒功率调速方式以及恒功率负载采取恒转矩调速方式时负载转矩特征和电动机机械特征。图3.28调速方式与负载类型不匹配说明直流电机的电力拖动第部分第14页a、假若恒转矩负载选择恒功率调速方式（见图3.28a）。

为了满足整个调速范围内转矩要求，必须满足：。依据图3.28a，显然，电动机转矩应按照高速数值选择，即：（3-54）低速时，有：（3-55）浪费转矩为：（3-56）浪费功率为：结论：

恒转矩负载不宜采取恒功率调速方式。

直流电机的电力拖动第部分第15页b、假若恒功率负载选择恒转矩调速方式（见图3.28b）。

为了满足整个调速范围内转矩要求，必须，依据图3.28a，显然，电动机转矩应按照低速数值选择，即：。高速时，有：（3-57）浪费功率为：浪费转矩为：（3-58）结论：恒功率负载不宜采取恒转矩调速方式。

直流电机的电力拖动第部分第16页3.7他励直流电动机制动定义：广义制动是电磁转矩与转速方向相反一个运行状态。A、能耗制动定义:

能耗制动是指将机械轴上动能或势能转换而来电能经过电枢回路外串电阻发烧消耗掉一个制动方式。

图3.29a、b分别给出了制动前后电机作电动机运行时和能耗制动时接线图以及各物理量实际方向。直流电机的电力拖动第部分第17页图3.29他励直流电机能耗制动前后接线图

由图3.29可见，制动前后，直流电机电枢电流方向改变，所以，改变方向，由驱动性变为制动性电磁转矩，即从而电机处于发电制动状态。1.能耗制动时电动机机械特征与制动电阻计算能耗制动时，他励直流电机机械特征可表示为：(3-61)式（3-61）可用图3.30所表示曲线表示之。（1）对于反抗性负载：

很显然，能耗制动时他励直流电机机械特征是一条经过原点且位于第II象限直线。直流电机的电力拖动第部分第18页（2）对于位能性负载：(见图3.31)

能耗制动时，他励直流电机机械特征将由第II象限经过原点进入第IV象限。图3.30能耗制动时直流电机机械特征与过渡过程曲线

能耗制动时制动电阻决定了制动转矩大小，为预防制动电流过大，普通按照以下规则选择制动电阻，即：直流电机的电力拖动第部分第19页由此求出制动电阻为：（3-62）图3.31直流电机带位能性负载时能耗制动情况2.能耗制动时他励直流电动机过渡过程分析（1）对于反抗性负载：能耗制动时拖动系统基本关系式可由下式给出：直流电机的电力拖动第部分第20页（3-63）将式（3-63）第1式代入第2式，并整理得：（3-64）式中，机电时间常数。（2）对于位能性负载：当时，，故有：将上式代入（3-64）得：直流电机的电力拖动第部分第21页（3-65）解上式得：（3-66）同理，（3-67）依据上述关系式，便可绘出以及如图3.30所表示。B、反接制动定义：反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向一个制动方式。a、电枢反接反接制动

对于反抗性类负载，把外加电源反接，同时在电枢回路中串入限流反接制动电阻，便可实现反接制动。图3.32给出了反接制动时电气接线图以及各物理量实际方向。直流电机的电力拖动第部分第22页图3.32他励直流电机反接制动时接线图1.反接制动时电动机机械特征与制动电阻计算反接制动过程中电机机械特征可表示为：（3-72）

上式可用图3.33所表示曲线表示之。很显然，反接制动时电机机械特征是一条位于第II象限直线。

反接制动时制动电阻决定了制动转矩大小。为预防制动电流过大，普通按照以下规则选择制动电阻，即：直流电机的电力拖动第部分第23页式中，为反接制动起始电流。对应制动电阻为：（3-73）图3.33反接制动时直流电机机械特征直流电机的电力拖动第部分第24页2.反接制动时他励直流电动机过渡过程分析（1）对于反抗性负载：

依据图3.33可知，若希望系统在反接制动过程中最终停车，则电机机械特征对应于BC段。对应于BC段过渡过程曲线可采取三要素法并利用虚稳定点概念取得，其表示式以下：（3-75）（3-76）

若反接制动在C点不停车，则电机将反转，系统工作点将沿CD移动并最终稳定运行在D点。对应于CD段过渡过程曲线可采取一样方法求得，其表示式以下：（3-79）直流电机的电力拖动第部分第25页（2）对于位能性负载：

若仅考虑反接制动停车，则BC段过渡过程与反抗性恒转矩负载情况完全相同（见图3.33）。

若反接制动在C点不停车，则因为整个制动过程包含停车（BC段）、反向电动机运行（CF段）以及回馈制动阶段（FE段），跨越机械特征第II、III、IV象限，如图3.33所表示。采取三要素法便可取得对应过渡过程曲线表示式为：（3-81）（3-82）b、转速反向反接制动图3.34是他励直流电机带位能性负载反接制动时电路图。直流电机的电力拖动第部分第26页图3.34直流电机带位能性负载反接制动时电路图当采取转速反向反接制动时，他励直流电动机机械特征可表示为：（3-85）式（3-85）可用图3.35所表示曲线表示之。图3.35位能性负载反接制动机械特征直流电机的电力拖动第部分第27页C、回馈制动

定义：

回馈制动是电机实际转速超出理想空载转速运行状态。在这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制动又称为再生制动。

回馈制动时电机接线同电动机运行状态完全相同，其机械特征表示式也完全相同。所不一样是：电机实际转速超出理想空载转速，造成外加电压低于感应反电势，即：。于是有：（3-87）（1）当电机正向运行时：他励直流电机机械特征为：（3-88）直流电机的电力拖动第部分第28页（2）当电机反向运行时：他励直流电机机械特征为：（3-90）依据式（3-88）和（3-90）绘出回馈制动时直流电机机械特征如图3.36所表示。图3.36直流电机回馈制动时机械特征

由图3.36能够看出，正、反转回馈制动时机械特征分别位于第II、IV象限，它们分别是正、反转电动机运行时机械特征（分别位于第I、III象限）延伸。直流电机的电力拖动第部分第29页回馈制动通常发生在以下三种情况下：1.重物下放过程中图3.37重物下放时直流电机回馈制动接线图(位能性负载)2.降压过程中图3.38电压降低过程中回馈制动特征直流电机的电力拖动第部分第30页3.增磁减速过程中图3.39弱磁升速过程中回馈制动特征3.8直流拖动系统四象限运行分析定义:

对于能够提供正、反转运行并能分别实现正、反转方向上快速制动拖动系统，因为其对应电机机械特征分别位于四个象限，故又称为含有四象限运行电力拖动系统。直流电机的电力拖动第部分第31页图3.42给出了含有四象限运行功效他励直流电机机械特征及其各种运行状态。图3.4