直流电机拖动

5.直流电动机拖动5.1直流电动机机械特性转矩特性转速特性转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异。5.1.1电动机稳定运行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。在交点处，转速之上则T<Tz,转速之下则T>Tz5.1.2固有机械特性与人为机械特性如何改变并励电动机的旋转方向：R：分别调换励磁绕组或电枢绕组接头。不能简单地改变电源极性，因而电磁转矩方向与主磁通和电枢电流方向的有关。1.转矩特性励磁电流不变。当负载电流很小时，电枢反应的去磁作用很小，近似认为主磁通不变，则与电枢电流成线性关系。当负载电流较大时，电枢反应去磁作用使主磁通有所减小，曲线向下弯曲。固有机械特性负载电流增加，电枢电阻压降增大，如不计电枢反应的去磁作用即主磁通不变，Ea减小一些，Ea=CeIa，则n随Ea的下降而有所减小，形成向下的机械特性。如考虑电枢反应的去磁作用将使每极磁通φ减少，并励电动机的转速变化很小。电阻电压降的影响影响较大，转速特性是略为下倾的。——硬特性（1）固有机械特性分析

额定转速变化率，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。n>n0时为发电机状态，此时Ea>U,Ia反向，Ea与Ia同向，向电网送出电功率。堵住点:此时电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。n0Temn0Tem0n’0TemNnN（2）人为机械特性分析

根据转速、转矩公式

人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为人为机械特性。有三种人为机械特性：（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；（2）改变端电压时的人为机械特性；（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；电枢回路串电阻的人为机械特性保持U＝UN及＝N不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的n＝f（T）关系。对于给定的Rc，为常数。Tem0nRa+Rc1Ra+Rc2人为Rc2>Rc1固有Ran0电枢串电阻人为特性的特点：（1）理想空载转速n0’与固有机械特性的n0相同,（2）斜率，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。改变端电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。表达式：一般都为降低的电压。Tem0n人为UN>U1>U2固有UNn0U1U2改变端电压人为特性的特点：（1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。减弱磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。表达式：额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。Tem0nN>N’固有Nn0人为N’弱磁通的人为机械特性特点：（1）磁通减弱转速升高，上调速（2）特性斜率变化（3）适合于恒功率负载5.2直流电动机的起动起动要求：足够的起动转矩一定范围的起动电流起动时间符合生产要求、起动设备简单、经济、可靠。tIannIaIst直接起动t=0时，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：损坏电枢绕组、导致换向器环火。随着速度增加，反电势增加，电枢电流反而下降。直流电动机的起动要求：直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。5.2.1他励直流电机直接起动

将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。5.2.2电枢回路串变阻器起动R1R2R3Tn0R1+R2+R3R1+R2R1电枢回路串变阻器起动起动电流将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:（1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra；（2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻；（3）决定起动电阻级数；（4）计算起动电流比。5.2.3降压起动一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机，须用专门的调压电源。优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比较平稳。在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需要的加速度上升。在实用中，发电机-电动机组即采用降压起动法，其中，发电机及电动机均采用他励，以保证起动时有足够的励磁电流。“整流器-电动机”组也采用此方法。开始时，降低端电压，使Ia＝(1.5~2.0)IN,T=(1.5～2.0）TN。随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。5.3直流电动机的调速基本要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等。电枢回路中的串联电阻①调节励磁电流以改变每极磁通Φ；②调节外施电源电压U；③电枢回路中引入可调电阻量Ra。调速性能：速比：最高与最低速度之比；平滑性或跳级调速；经济性：损耗、效率调速设备简单、可靠、操作方便等。直流电动机的调速改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速。人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电气调速。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、调节的方法简单、经济。直流电动机调速直流电动机的转速公式：直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压；（3）改变串入电枢回路的调节电阻。5.3.1改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。

弱磁调速：保持U＝UN，Rj＝0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。TemnIf1PIf2QIf1>If2从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变减小If1If2PQIf1>If2Temn机组加速nEaIaTemTem＝TZ新的平衡，新的Ia和n弱磁调速特点优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。5.3.2改变端电压调速

保持电动机的＝N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。TemnU1U1>U2>U3U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。调节过程:(留为作业）（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。（3）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。调压调速的特点：5.3.3改变电枢回路电阻调速

保持U＝UN且＝N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大，转速越低。R2R1PQR1>R2>R3TemnR3电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差，调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。（4）电枢电流在Rc上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。

调速性能指标（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，最高转速与最低转速之比。用D表示。（2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。静差率越小，转速的相对稳定性越好。（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好，有级调速由相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比。（4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。（5）经济性电动机调速时的容许输出在某转速下，电机即能充分利用，又能安全运行时输出的功率和转矩称为，调速时的允许输出功率和转矩。(1)调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。保持I不变弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流I＝IN弱磁调速时，在整个调速范围内的允许输出功率为常数，是恒功率调速方式。

其允许输出转矩与转速成反比。负载类型与调速方式的配合恒转矩负载恒转矩调速方式：使电机在任何转速下都满载运行，能得到充分利用。恒功率调速方法：在n＝nmin时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，电动机没充分利用，造成浪费。恒转矩调速方式弱磁控制恒功率负载与调速方式的配合恒功率负载恒转矩调速方式：高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流，电动机没有被充分利用。恒功率调速方法：在整个调速范围内，做到额定转矩输出，电机安全且充分利用。恒转矩调速方式恒功率控制5.4直流电动机的制动断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车5.4.1能耗制动的方法和原理保持励磁电流If的大小及方向不变，将开关接至RT，电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。参数特点：＝N，U＝0，电枢回路总电阻R＝Ra＋RT实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。IfUNRTEaIan能耗制动时的机械特性能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：制动过程：Tn固有串电阻反抗性负载停车位能性负载稳速下放即在转动方向产生阻力矩能耗制动nTMABCGH制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为

结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零。特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。制动电阻RZ俞小，机械特性愈平，制动愈快；如带位能负载，当电机停止后，将在反方向加速（第四象限，n<0,T>0）5.4.2反接制动的方法和原理反接制动转速反向（用于位能负载）电枢反接（用于反抗性负载）（电动势反向）（电压反向）(1)转速反向的反接制动If及端电压UN不变，仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的RT，可得到不同的稳定转速。nTem0nABCDAnD电压平衡式：机械特性：转速反向的反接制动能量关系：U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；Ea的方向与电动状态时相反，EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻(Ra＋RT)上。(2)电枢反接的反接制动保持If不变，将开关向下合闸，使电枢经制动电阻RT而反接于电网上。参数特点：＝N，U＝－UN。R=Ra+RT.IfUNRTEaIanTemnAABCDE电动下固有不串RT串RTnE电枢反接的反接制动机械特性：能量关系：从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上。

电压平衡式：（Ia反向）电枢反接的反接制动特点：（1）可以很快使机组停机；（2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流；（3）转速至零时，需切断电源。5.5直流电动机的回馈制动当电动机的转速高于某一数值时，电动机的反电势E大于电机电源电压，即E>U，电枢电流将反向，电机进入发电机的运行状态而起制动作用，可限制转速的持续上升。适用于由串励电动机驱动的升速场合，如电车下坡。为保证励磁，需将