chap1-直流电动机拖动基础1

《电机拖动基础》

授课内容（30+6学时）第一章：直流电机的电力拖动（10+4学时）第二章：三相异步电动机的电力拖动（12+2学时）第三章：控制电机（6学时）第四章：电动机的选择（2学时）电力拖动应用各种电动机使生产机械产生运动的方式称为电力拖动。实现这一特定生产过程的装置称为电力拖动装置。电力拖动装置由电源、电动机、控制设备、工作机构等4部分组成。它们之间的关系如图：电源控制设备电动机工作机构电力拖动系统示意图第1章直流电动机

的电力拖动直流电机基本原理复习知识点：一、直流电机的结构：由静止的定子部分和旋转的转子部分两大部分构成：1、定子部分：包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。

主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。

电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈（亦称元件，有两个出线端）组成，通过电枢绕组在主磁场的作用下产生感应电流和感应电动势，从而实现机电能量转换。二、直流电机的工作原理：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。发电机：用原动机拖动电枢恒速旋转，将机械能从电机轴上输入，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电，输出电能；电动机：在电刷端外加直流电压，将电能输入电枢，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。三、直流电机稳态运行时的电压平衡方程式（a）发电机惯例（b）电动机惯例电枢电动势电磁转矩四、直流电机的励磁方式他励——励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接。自励——励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由电机本身供给，或励磁绕组与电枢绕组共用同一电源。自励的方式可分为：并励、串励、复励。并励与他励特性基本相同，重点分析。1.1电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性1.2他励直流电动机的机械特性

1.3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、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。1.4他励直流电动机的调速1.5他励直流电动机的制动1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性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动机转轴上的各种转矩。1.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式

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：其中为系统的惯性转矩。1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性运动方程的实用形式：1.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式根据运动方程可得系统旋转运动的三种状态：1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性1.1.1电力拖动系统的运动方程式二、运动方程式中转矩正、负号的规定

首先确定电动机处于电动状态时的某一旋转方向为转速的正方向，然后规定：（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。（3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性1.1.2负载的机械特性一、恒转矩负载特性负载的机械特性，就是负载的转矩与转速的关系，简称负载转矩特性。可归纳为以下三种：

恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn转矩大小恒定，与转速无关，方向与运动方向相反。如恒定的摩擦力负载转矩。转矩大小与方向恒定，与转速及运动方向都无关。典型的如起重机，提升重物的重力为负载转矩，总是垂直向下。1.1.2负载的机械特性二、恒功率负载特性恒功率负载特点：负载转矩与转速的乘积为一常数（负载功率），即与成反比，特性曲线为一条双曲线。TLn三、泵与风机类负载特性TLn12TL0典型的如金属切削机床：粗加工：切削量大，大,低；精加工：切削量小，小,高；负载的转矩基本上与转速的平方成正比:负载特性为一条抛物线。1.机械特性的一般表达式：将代入电压平衡方程得：：为理想空载转速

：为机械特性的斜率转速降通常称大的机械特性为软特性，大；小的为硬特性，小。增加电枢回路串联电阻，则机械特性变软。1.2他励直流电动机机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系：2.固有机械特性：

时3.人为机械特性：固有机械特性三个条件中，改变其中任意一个条件即为一种人为机械特性。（1）电枢回路串接电阻（2）降低电压时（3）减弱磁通时（1）、电枢串电阻时的人为特性

保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；

2）越大越大，特性越软。（2）、降低电枢电压时的人为特性

保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。（3）、减弱励磁磁通时的人为特性

保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，增大；

2）弱磁，增大1.2他励直流电动机的机械特性4、机械特性求取一、固有特性的求取

已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。具体步骤：（1）估算（2）计算（3）计算理想空载点：（4）计算额定工作点：二、人为特性的求取

在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。例：（15分）某他励直流电动机额定数据为：PN=10KW，UN=220V，IN=53A，nN=3000r/min，试求下列情况的机械特性方程，并计算各种人为机械特性下额定负载时的稳定转速（估算Ra时系数取1/2）。1：固有特性；2：电枢串入2Ω电阻时；3：电源电压为0.5UN时；4：磁通为0.8φN时。4.机械特性求取固有机械特性过（0，3235r/min）和（34.45，3000r/min）两点5.电力拖动系统稳定运行条件在点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速上升到

，扰动消失，系统减速，回到点运行。扰动使转速由下降到，扰动消失，系统加速，回到点运行。所以图示系统（电机具有向下机械特性）能够稳定运行。

定义：当电力拖动系统稳定运行时，（必要条件）；若在某种扰动作用下，离开了平衡位置，在新的条件下达到新的平衡或在扰动消失后，还能回到原来的平衡位置（充要条件）。则称该电力拖动系统能够稳定运行。扰动使转速由下降到，，即使扰动消失，系统也将一直减速，不可能回到点运行。扰动使转速由上升到，，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到点运行。所以图示系统（电机具有向上机械特性）不能稳定运行。在点，系统平衡5.电力拖动系统稳定运行条件一般情况，稳定运行的充分必要条件：1).必要条件:电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在2).充分条件:

在交点处满足。或者说，在交点的转速以上存在（减速）,在交点的转速以下存在（加速）。在恒负载转矩条件下，下降的机械特性电动机能稳定运行，上升的机械特性电动机不能稳定运行。1.3他励直流电动机的起动直接起动时，n=0,反电动势Ea=0所以，起动电流为：可见，这种方法下的起动电流很大，起动转矩也很大，因此，除了小容量的电动机可采用直接加电压起动的方法外，一般直流电动机都不采用这种方法。1）起动转矩要足够大，使，起动过程时间较短，提高效率。起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动过程。起动条件：2）起动电流不要太大由可知，能否在电枢两端直接加Un,使Ia最大，从而使Ts较大？即直接起动。另外，一般地，他励直流电动机起动时，必须先建立磁场，即先通励磁电流，再加电枢电压，由转矩公式可知，起动转矩

，为使较大而又不致太大，起动时应将励磁回路的调节电阻调至最小，使磁通为最大。1.3他励直流电动机的起动

为了满足上述起动条件，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。1.3他励直流电动机的起动1.3.1电枢回路串电阻起动我们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，此时，则可见，随着转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，由于，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，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，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。由相关公式可知：1.3他励直流电动机的起动一、起动过程1.3.1电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为起动限值切换值1.3他励直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算1.3.1电枢回路串电阻起动b点c点d点e点f点g点比较左边各式得：

β称为起动电流比。

设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得起动时各级总电阻为式（2.21）:各级串联（分段）电阻为式（2.22）:由式（2.21）可得起动电流比β和起动级数m的计算公式为：（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流，或根据经验：一般取；1.3他励直流电动机的起动二、分级起动电阻的计算1.3.1电枢回路串电阻起动（6）由式（2.22）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；（3）计算起动级数（或已给定）；（4）计算起动电流比：取整数（5）校验切换电流:校验：如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：1.3.2降低电枢电压起动从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，还可以通过减小电枢电压来减小起动电流：

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，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升速。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。降压电路的控制方法利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形PWM（PulseWidthModulation）：周期不变，开关管导通的时间变化，即导通比D改变从而改变电动机电枢电压，实现调速。1.4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速、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机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。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。nTTNRan0B0ARa+Rs1nNnmin电枢回路串电阻调速C如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。1.4他励直流电动机的调速由他励直流电动机的转速表达式：电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。1.4.1调速指标：一、调速范围D:电动机在额定负载转矩下可能达到的最高转速与最低转速之比。1.4他励直流电动机的调速从调速性能来讲，调速范围D较大为好。但最高转速受额定转速的限制，最低转速受低速运行时相对稳定性的限制。nTTNRan0A0BRa+Rs1nNnmin电枢回路串电阻调速1.4.1调速指标：二、静差率（相对稳定性）：δ%与机械特性硬度和n0有关：即相同硬度特性，n0越低，δ%越大,δ1<δ3；n0相同时，特性越软，δ%越大,δ1<δ2

。静差率反映了负载转矩变化时，转速变化的程度，δ%越小，转速变化小，相对稳定性越好。nTTN1n0A0B23Δn1Δn2Δn3图2.26机械特性与静差率的关系1.4.1调速指标：二、静差率（相对稳定性）：由图可推导D与低速机械特性下δ%的关系为：由表达式可见，D与δ%相互制约:低速机械特性δ越小,相对稳定性越好,D越小;在保证一定的低速机械特性δ指标的前提下,要扩大D,须减少Δn,即提高机械特性的硬度。nTTN1n0A0B23Δn1Δn2Δn3图2.26机械特性与静差率的关系低速特性1.4.1调速指标：三、调速的平滑性

越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，称为有级调速。五、调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。用平滑系数来衡量平滑的程度，其定义为相邻两级转速之比：四、调速的容许输出（或调速时的功率与转矩）该指标是考察调速方式与负载类型是否相互匹配，以使电动机得到充分利用。（后续将详细分析）1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性运动方程的实用形式：1.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式根据运动方程可得系统旋转运动的三种状态：1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。知识点复习1.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性1.1.1电力拖动系统的运动方程式二、运动方程式中转矩正、负号的规定

首先确定电动机处于电动状态时的某一旋转方向为转速的正方向，然后规定：（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。（3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。知识点复习保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；

2）越大越大，特性越软。电枢串电阻时的人为特性知识点复习1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→BT’1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法一、电枢回路串电阻调速带恒转矩负载时,调速过程电流变化曲线，调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法一、电枢回路串电阻调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便，初投资不大。2）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D=1.4-2；

3）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：1）低速时，要求串接电阻大，特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；该方法一般适用于容量不大，低速时运行时间不长，对于调速性能要求不高的设备，如电车和中小型起重机。保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。降低电枢电压时的人为特性知识点复习1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法二、降低电源电压调速TemTLAA’B降压调速前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。T’1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法二、降低电源电压调速优点：1）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度不变，Δn不变，虽n0有减小，但静差率只是略有增大，负载变化时稳定性好。

2）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=8〜12。3）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。4）由于没有外串电阻，电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。

该方法适用于对于调速性能有较高要求的设备，如造纸机、轧钢机等。保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，增大；

2）弱磁，增大减弱励磁磁通时的人为特性知识点复习1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法三、减弱磁通调速A’BTemTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点T’1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法三、减弱磁通调速减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n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。1.4他励直流电动机的调速1.4.2调速方法三、减弱磁通调速优点：1）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。2）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，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）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D≤2；

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调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；1.4他励直流电动机的调速1.4.3调速方式(容许输出)与负载类型的配合容许输出：指电动机在充分利用下，在调速过程中所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。已知，电动机稳定运行时，实际输出的功率和转矩是由负载的需要决定的。因此，要使电动机在不同的转速下都得到充分利用，即电枢电流保持为额定值，就是要求调速方式和负载类型能相互匹配。

以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。1.4他励直流电动机的调速1.4.3调速方式与负载类型的配合

可知，电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值----恒转矩调速。

电枢串电阻调速和降压调速时，磁通保持不变，若在不同转速下保持电流不变，则使电机得到充分利用，而容许输出转矩和功率分别为：

1.4他励直流电动机的调速1.4.3调速方式与负载类型的配合可知，电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值----恒功率调速。

减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流不变，使电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：

为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，采用恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。直流电动机全数字双闭环控制的框图实际应用中，电动机的调速系统都有转速给定量，并使电动机的转速跟随给定值进行控制。为了使系统具有良好的调速性能，通常要构建一个闭环系统，如图。速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之差按一定规律进行计算。并通过运算结果对电动机进行调速控制。电流调节器起到电流调节和限幅作用，从而实现快速加减速和电流限流作用。另一个作用是使系统的抗电源扰动和负载扰动能力增强。1.4他励直流电动机的制动

1、电动运行：的方向与旋转运动的方向相同，有正向电动运行（机械特性为1象限）和反向电动运行（机械特性为3象限）

。1.4.1电动运行与制动运行2、制动运行：使电力拖动系统停车：1）自由停车：即断开电枢电源。2）制动运行：使拖动系统产生一个与旋转方向相反的转矩，称为制动转矩。a）机械制动：利用机械摩擦获得制动转矩，机械抱闸；b）电气制动：使电动机的电磁转矩与旋转方向相反（本节讨论）。利用电气制动中使电动机制动运行，既可以使电力拖动系统减速或停车，又可使位能性负载获得稳定的下降速度。根据实现制动方法和制动时电机内部能量传递的关系不同，制动运行分为3种：能耗制动、反接制动和回馈制动。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。1.4他励直流电动机的制动1.4.1能耗制动电动制动在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关S投向制动电阻上即可。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，故称为能耗制动。1.4他励直流电动机的制动将能耗制动的条件U=0代入机械特性一般表达式（2.15）得能耗制动的机械特性方程为：电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段机械特性如下图BC段1.4他励直流电动机的制动1.4.1能耗制动

由机械特性图，

改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变能耗制动开始时的制动转矩及下放位能负载的稳定速度。越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段1.4他励直流电动机的制动1.4.1能耗制动

但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是能耗制动操作简单,运行可靠。但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。即：其中为制动瞬间的电枢电动势。适用于一般机械要求准确停车的场合，及位能性负载的低速下放。1.4他励直流电动机的制动1.4.2反接制动一、电枢反接制动电枢反接制动时接线如图所示。电动开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用，由于是电枢反接引起的制动，故称为电枢反接制动。由于n不能突变，Ea亦不变，电枢回路内产生反向电流：进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻后，接上极性相反的电源电压。制动-+1.4他励直流电动机的制动一、电枢反接制动将U=-U代入，得机械特性为：曲线如图中所示。工作点变化为：反接制动结束时的C点，n=0,而转矩既不为零也未必与负载转矩相等，故系统不能自行停车。试以带反抗性负载及位能性负载两种情况分析C点之后的过渡过程？电动制动反接制动的制动作用强烈，常用于反抗性负载的快速停车或快速反向运行。1.4他励直流电动机的制动一、电枢反接制动反接制动结束时的C点，n=0,而转矩既不为零也未必与负载转矩相等，故系统不能自行停车。对于反抗性负载，系统反向起动加速至D点，-T=-TL（负载转矩），为反向电动状态（T与n同向）。对于位能性负载，工作点移至E点，T=TL，为回馈制动状态（T与n反向）

。同能耗制动，制动瞬间的制动转矩的大小决定于所串电阻。其选择应满足：若要C点停车，对反抗性负载可断电源；对位能性负载可机械抱闸停车。1.4他励直流电动机的制动二、倒拉反转反接制动

+U–Ia+Ea

-TemnTLnanTemTLn0A0电动运行状态T/n为正，提升重物

+U–Ia–Ea

+RBTemnTLnbTBTstCDB倒拉反接制动状态T与n反向，下放重物在电枢回路中串入较大电阻RB后，使Tst<TL，则电机在TL的作用下反方向起动。位能负载倒拉电动机，且由于n0与n反向，如同电枢被反接，称为倒拉反接制动。1.4他励直流电动机的制动二、倒拉反转反接制动倒拉反接制动设备简单，运行可靠。但串入较大电阻使特性变软，转速稳定性差，适用于位能性恒转矩负载的低速下放。电