第9章 直流电动机的电力拖动

8.2他励直流电动机的起动8.6并励直流电动机的电力拖动*

8.7串励直流电动机的电力拖动*

8.8复励直流电动机的电力拖动第9章直流电动机的电力拖动9.2他励直流电动机的起动9.5他励直流电动机的调速9.3他励直流电动机的制动9.4他励电动机在四象限中的运行状态9.6并励直流电动机的电力拖动*

9.7串励直流电动机的电力拖动*

9.8复励直流电动机的电力拖动9.1他励直流电动机的机械特性电机与拖动黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性电动机转数与电磁转矩之间的关系：

n=f(T)

→

机械特性返回目录页9.1.1机械特性方程式+-+-+-9.1他励直流电动机的机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页由基本方程式可得电机的机械特性表达式电磁转矩：感应电动势：电枢回路电动势平衡方程式：电动机转速特性：机械特性方程式：n=U

CeΦ

－RCeCTΦ2T=n0－β

T=n0－△n理想空载转速（含义？）9.1他励直流电动机的机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻Ra和电枢回路外串电阻RW；Ce：电动机电动势常数，Ce=pN/(60a)；CT：电动机转矩常数，CT=pN/(2pa)理想空载转速实际空载转速9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室β=

dndTRCeCTΦ2=α=

1β——机械特性的硬度9.1他励直流电动机的机械特性机械特性斜率返回目录页电动机带负载后的转速降额定转速变化率黑龙江科技学院工业自动化教研室国产Z系列他励直流电动机的DnN%一般为10%～18%，大容量电动机为3%～8%。电枢反应对电动机机械特性的影响当电枢电流较大时，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。电枢反应对机械特性的影响返回目录页9.1他励直流电动机的机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室减少电枢反应对电动机机械特性的影响在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动势可以减少电枢反映的去磁作用；实质上变为复励电动机；由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍视为他励直流电动机。返回目录页9.1他励直流电动机的机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室1.固有特性9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页9.1.2固有机械特性和人为机械特性当他励电动机电压及磁通均为额定值、电枢没有串电阻时的机械特性称为固有机械特性。

由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页OTnn0Nn=f(T)UN,

IfN,RanNTNMnMTM

N

点：额定状态。

M

点：临界状态。n=－TUNCeΦNRa＋RΩCeCTΦN2OTnn0RaR

＜

2.人为特性

人为改变电动机参数对应的机械特性——人为特性

(1)电枢串电阻时的人为特性R=(Ra＋RΩ)→→

即机械特性变软。固有机械特性电枢串电阻时的人为机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页特点：①

不变，变大；

②

越大，特性越软。(2)降低电枢电压时的人为特性n=U

CeΦN

－RaCeCTΦN2Tn0n0NU↓→n0↓但β、

不变→机械特性的硬度不变。OTnUNU＜特点：①

随

变化,不变；

②

不同,曲线是一组平行线。固有机械特性电压降低时的人为机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页(3)减小励磁电流时的人为特性n=UN

CeΦ

－RaCeCTΦ2TOTnn0n0NIfIfN＜If

→Φ→n0

→

、→机械特性变软。特点：①

弱磁，

增大；

②

弱磁，增大。弱磁时人为机械特性的另一种表达方式黑龙江科技学院工业自动化教研室8.1他励直流电动机的机械特性返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页9.1.3机械特性的绘制由电动机机械特性方程式可知，计算或绘制机械特性，必须知道CeF与CTF等参数，而这些参数电动机结构参数p、a、N等有关，但这些参数不易得到；设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算或绘制机械特性；对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页1、固有特性的绘制

固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便；(1)理想空载点其中UN、IN和nN为已知，Ra可实测，或通过下式估算：黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页(2)额定运行点CeFN已在前面求得。2、人为机械特性的绘制各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页(2)改变电枢电压时的人为机械特性(3)减弱电动机励磁时的人为机械特性(1)电枢串电阻时的人为机械特性黑龙江科技学院工业自动化教研室8.1他励直流电动机的机械特性

【例8.1.1】

一台他励直流电动机，PN=10kW，UN=220V，IN=210A，nN=750r/min，求(1)固有特性；(2)固有特性的斜率和硬度

。解：(1)固有特性忽略T0

，则509.55210=

=2.426TNINCTΦ

=

2200.254=

r/min=866.25r/min602PNnNTN=606.2840×103750=×N·m=509.55N·m260CeΦ=CTΦ6.2860=

×2.426

=0.254UNCeΦ

n0=返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室连接n0和N(TN，nN)两点即可得到固有特性。(2)固有特性的斜率和硬度

Ea

=

CeΦ

nN

8.1他励直流电动机的机械特性

UN－Ea

INRa

==0.254×750V=190.5V

=

1

RaCeCTΦ2

=

220－190.5210=Ω=0.14Ω0.142.426×0.254==0.22810.228=

=4.39返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页9.1.4电力拖动系统稳定运行条件他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性主要研究：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。在电力拖动运动方程式中，当转矩T与Tz

方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态。123黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。黑龙江科技学院工业自动化教研室9.1他励直流电动机的机械特性返回目录页稳定运行系统分析不稳定运行系统分析稳定运行点不稳定运行点黑龙江科技学院工业自动化教研室9.2他励直流电动机的起动

起动性能

①起动电流Ist;②起动转矩Tst。返回目录页9.2他励直流电动机的起动他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia为9.2.1他励直流电动机的起动方法

1.直接起动存在的问题黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动

Ist=UNRa=(10~20)INT

=

Tst=CTΦIst=(10~20)TN直接起动起动瞬间：U=UN,n=0，Ea

=0。

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。

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。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动1.降低电枢电压起动需要可调直流电源，如励磁可调节的直流发电机或晶闸管可控直流电源等。9.2.2起动方法0T2Tz1TnTUN

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。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动上图为电压分级向上调节，并且最低电压时的起动转矩大于负载转矩。从图上看，级间电压相差越小，T1与T2之差也越小。

（1）讨论（需验证）：电压从某个低压（对应的起动转矩大于负载转矩)连续向上调节时，运行点如何变化?①电压上升速度和电势（转速）上升速度同步，即dU/dt=d(CeΦn)/dt。→d(U-CeΦn)/dt=0，U－CeΦn=常数。0TzTnTstUN因机械惯性较大，起动时间较长。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动②电压上升速度和电势（转速）上升速度不同步，电压上升速度比电势（转速）上升速度快，即dU/dt＞d(CeΦn)/dt，→

d(U-CeΦn)/dt＞0。使（U-CeΦn）随时间的延续而增大。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动dU/dt＞d(CeΦn)/dt:

在同一段时间里，△U＞CeΦ△n。为了画图方便，取CeΦ=1,即△U＞△n。△t1：△U1＞△n1

△t2：△U2＞△n2

△t3：△U3＞△n3

黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动0TzTnTstUN△U1△n1△n2△n3△U2△U3说明：起动时，电压升高的不能太快，否则，转矩和电流冲击过大，起不到限流作用。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动③电压上升速度和转速上升速度不同步，取CeΦ=1,先电压上升速度比电势（转速）上升速度快，即△U＞△n。后电压上升速度比电势（转速）上升速度慢，即△U＜△n。

电枢电流和电磁转矩先增加，后减小。0TzTnTstUN△U1△n1△n2△n3△U2△U3△U4△n4△U1＞△n1△U2＞△n2△U3＜△n3△U4＜△n4黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动（2）讨论（需验证）：电压从零连续向上调节时，运行点如何变化①电压上升速度和电势（转速）上升速度同步（△U=CeΦ△n）

。0TzTnUN起动时间：长？还是短？起动时间：长黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动②电压上升速度和电势（转速）上升速度不同步，电压上升速度比电势（转速）上升速度快，取CeΦ=1,即△U＞△n。0TzTnTstUN△U1△n1△n2△n3△U2△U3黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动2.电枢串联电阻起动（1）限流原理直接起动时：电枢电路串电阻起动时：起动电流减小。起动电流大。黑龙江科技学院工业自动化教研室OT(Ia)nT1(I1)TZ(IZ)T2(I2)a1a2(2)起动过程①串联(RΩ1+RΩ2)起动：

R2=Ra＋RΩ1＋RΩ2

起动转矩(电流)：T1(I1)=(1.5~2.0)TN(IN)②切除RΩ2：R1=Ra＋RΩ1

切换转矩(电流)：T2(I2)

=(1.1~1.2)TN(IN)

或(1.2~1.5)TZ(IZ)b2b19.2他励直流电动机的起动MIf＋U－Ia＋Uf－RΩ1RΩ2b（R1）a（R2）返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室OT(Ia)nT1(I1)TZ(IZ)T2(I2)a1a2b2b1b（R1）a（R2）③切除RΩ1：R=RaMIf＋U－Ia＋Uf－RΩ1RΩ2起动

a1

点a2点加速瞬间n不变

b1点c（Ra）c1c2p切除RΩ1b2点加速切除RΩ2

c1点c2点加速p

点。加速瞬间n不变返回目录页9.2他励直流电动机的起动黑龙江科技学院工业自动化教研室②起切电流（转矩）比：③求出电枢电路电阻

Ra

若忽略T0，则Pe=EaIa=(CT/9.55)ΦnIa

=(CTΦn)Ia/9.55=Tn/9.55=(T0+TZ)n/9.55=P2

在额定运行时①确定起动电流I1

和切换电流I2

I1(T1)=(1.5~2.0)IN(TN)I2(T2)

=(1.1~1.2)IN(TN)=I1I2

Rａ=

UN－Ea

IN=UN－

INPNIN返回目录页9.2他励直流电动机的起动9.2.3起动电阻的计算1.解析法黑龙江科技学院工业自动化教研室nb2=nc1即：Eab2=Eac1UN－R1I2=UN－RaI1

R1I2=RaI1R1=βRa同理，由na2=nb1可得

R2=βR1对于m级起动，有

Rm=βmRa=β2Ra返回目录页9.2他励直流电动机的起动④

确定各级电阻值和各段电阻值OT(Ia)nT1(I1)TZ(IZ)T2(I2)a1a2b2b1b（R1）a（R2）c（Ra）c1c2p黑龙江科技学院工业自动化教研室各级电阻值：R1=βRa

=βRaR2=βR1=β2RaR3=βR2=β3Ra…Rm=βRm－1=βmRa各段电阻值：

RΩ1=R1－RaRΩ2=R2－R1RΩ3=

R3－R2…RΩm=Rm－Rm－1返回目录页9.2他励直流电动机的起动黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动(1)起动级数未定时的起动电阻的计算①选择起动电流I1和I2或T1和T2，初步确定β值。②测出或由铭牌数据计算出Ra

。③用n=0，T=T1点，结合电压平衡方程式，计算出Rm

。④初步确定起动级数m，并向上取整。⑤

重新计算β，校验I2

或T2是否在规定的范围内。Rm

=UN

I1m

=RmRa

lgβ

lg黑龙江科技学院工业自动化教研室(2)起动级数已定时的起动电阻的计算①选择起动电流I1。②测出或由铭牌数据估算出Ra

。③计算Rm

。④计算β

。⑤计算切换电流

I2，并校验之。⑥确定各级电阻值和各段电阻值。返回目录页9.2他励直流电动机的起动

=RmRam⑥确定各级电阻值和各段电阻值。黑龙江科技学院工业自动化教研室

【例8.2.1】

一台Z4系列他励直流电动机，PN=200kW，UN=440V，IN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076Ω，采用电枢串电阻起动。求起动级数和各级起动电阻

。解：(1)选择I1和I2I1=(1.5~2.0)IN=(745.5~994)AI2

=(1.1~1.2)IN=(546.7~596.4)A取I1=840A，I2

=560A。(2)求出起切电流比

(3)求出起动时的电枢总电阻Rm840560=

=1.5=I1I2

返回目录页9.2他励直流电动机的起动黑龙江科技学院工业自动化教研室(4)求出起动级数

m取m=5。(5)重新计算，校验I2

440840=

Ω=0.524Ω8.2他励直流电动机的起动Rm

=UN

I1m

=RmRa

lgβ

lg==4.760.5240.076

lg1.5lg

=RmRam0.5240.076==1.4758401.47=

A=571AI2=I1(在规定的范围内)返回目录页黑龙江科技学院工业自动化教研室(6)求出各段总电阻值和各段电阻值R1=βRaR2=β2RaR3=β3RaR4=β4Ra

R5=β5RaRΩ1=R1－RaRΩ2=R2－R1RΩ3=

R3－R2RΩ4=R4－R3RΩ5=R5－R4=1.47×0.076Ω=0.11Ω=1.472×0.076Ω=0.16Ω=1.473×0.076Ω=0.24Ω=1.474×0.076Ω=0.35Ω=1.475×0.076Ω=0.52Ω=(0.11－0.076)Ω=0.034Ω=(0.16－0.11)Ω=0.05Ω=

(0.24－0.16)Ω=0.08Ω=(0.35－0.24)Ω=0.11Ω=(0.52－0.35)Ω=0.17Ω返回目录页9.2他励直流电动机的起动黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动2.图解法首先绘出他励直流电动机串电阻分级起动时，机械特性图，作图步骤如下。1）绘制固有机械特性。2）选取起动过程中的最大电流I1与电阻切除时的切换电流I2（或T1、T2）。一般取I1=(1.5~2)IN，

I2=(1.1~1.2)IN

或I2=(1.2~1.5)IZ。0nn0hII2IzI1R1RaR2R3abcdefg黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动3）绘制分级起动特性图a）在图中横坐标上截取I1及I2两点，并分别向上作垂直线；b）过固有机械特性与I1的交点g作水平线交I2与f，过n0与f作人为机械特性R1,与I1的交点为e；c）过e点作水平线交I2于ｄ点，过n0与d点做人为机械特性R2，与I1的交点为c；d）过c点作水平线交I2于b点，过n0与c点做人为机械特性R3,如果和横轴与I1的交点a相交，既可以用此特性图计算起动电阻。如果R3不与a点相交，修改I1或I2重新作图，直到满足上述要求为止。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动0nn0hII2IzI1R1RaR2R3abcdefg4）分级电阻计算计算根据：同一电流下，转速降落于电枢回路的总电阻成正比。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动同理0nn0hII2IzI1R1RaR2R3abcdefg黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动电枢回路串电阻起动控制电路原理图KVC1、KVC2、KVC3为电路继电器，其线圈串接在电枢电路中，这三个继电器的吸合电流都一样，但释放电流不一样，其中KVC3的释放电流最大，KVC2次之，KVC1最小。刚起动时，起动电流很大，KVC1、KVC2、KVC3都吸合，它们的常闭触点打开，接触器KM1、KM2、KM3不动作，全部电阻接入，当电动机转速升高后电枢电流减小，KVC3首先释放，其触点闭合，接触器KM3线圈通电，其常开触点闭合，短接第三段电阻，…。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动M＋U－IaKM3

RΩ3KVC3RΩ2KVC2RΩ1KVC1KM2KM1

KM4

SB1SB2

KM1KVC1KM4

KM2

KM3KVC2KVC3KM4＋－KM4

KA

KA黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动(1)保持最大起动转矩不变时的机械特性？0nn0hR1RaR2R3abcdefgTTZT2T1(2)电阻值如何计算？切换点电流如何计算？先电阻，后电流（图解法？）Ra、R3固定，调R1、R2。切换点电流值：I2R1=I1Ra，IdR2=I1R1，IbR3=I1R2，…黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动9.2.4他励直流电动机起动的过渡过程电力拖动的过渡过程是指电力拖动系统由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程，如起动、制动、反转、调速和负载突变等。研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程时间，提高生产率；探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机利用率；研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全运行。主要研究过渡过程中n=f（t）、T=f（t）、Ia=f（t）和P=f（t）的变化规律。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起电动机的转速、电流、转矩及磁通的变化；由于惯性的作用，电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量却不能突变，而是一个连续变化的过程；电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的变化势必引起过渡过程；电力拖动系统中一般存在三种惯性：机械惯性、电磁惯性、热惯性。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动1．机械惯性

——反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。2．电磁惯性

——反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。3．热惯性

——它使电动机的温度不能突变。由于温度的变化比转速、电流等参量的变化慢的多，一般不考虑热惯性的影响黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程——它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。2）电气－机械过渡过程——它同时考虑机械与电磁两种惯性。他励直流电动机起动的过渡过程，首先应分析起动时的机械过渡过程，再分析电枢回路电感对起动过渡过程的影响黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动（1）串固定电阻起动的过渡过程－电流变化规律1起动时的机械过渡过程1）电枢串固定电阻起动的过渡过程黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动IZ—负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流TM—电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动其中：IST为电流的起始值或黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动或或（2）串固定电阻起动的过渡过程－转速变化规律黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动前面虽然根据他励直流电动机起动过程推导而得，但他是电流、转速变化的一般形式，适用于电力拖动系统的起动、制动、反转、调速及负载突变等各种过程，应用时注意起始值和稳态值的不同特点。当nst=0时，Ist=U/R，则黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动求过渡过程某一阶段时间－例如：求转速从nst（Ist、Tst）变化到nx（Ix、Tx）所需要的时间tx。或或黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动以串两级电阻起动为例第一级起动时（3）电枢串多级电阻起动的过渡过程黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动第二级起动时末级起动时黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动各阶段持续时间分别为：黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动2）加快起动过程的途径（1）起动过程延缓的原因系统本身的机械惯性，惯性（GD2）越大，转速上升越慢；起动电流随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度在起动过程中不断衰减。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动（2）加快起动过程的途径针对上述两个原因，加快起动过程的措施设法减小系统的飞轮转矩GD2以减小机电时间常数；电动机电枢的飞轮转矩占整个系统飞轮转矩的主要部分，应设法减小电动机电枢的飞轮转矩，如采用双电机拖动；在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形，理想的起动电流波形如右下图所示。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动2电枢回路电感对起动过程的影响在晶闸管整流电路向直流电动机供电时，通常在电动机电枢回路中串电感（平波电抗器－后续课程《电力电子技术》），这时，电感引起的电磁惯性不能忽视，电磁时间常数为式中：La－电枢回路总电感（包括电枢绕组电感和串联的电感），Ra－电枢电阻黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：第一阶段，电枢电流从零增加到Iz

之前，电动机转速为零。这时式中为短路电流第一阶段持续时间tz称滞后时间黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动第二阶段，过了tz

后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动

c1及c2——积分常数，由初始条件决定式中黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动当TtM>4Tta时，α1和α2为负实数根据第二阶段起始条件（t=0时，n＝0，Ia=Iz）可计算出c1、c2

黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动TtM>4Tta时，起动过程转速、电流变化曲线如下图所示。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动当TtM<4Tta时，α1和α2为复数式中式中黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.2他励直流电动机的起动起动过程，转速与电流变化均具有振荡性质，振荡频率为w，振荡周期为TTtM>4Tta时，起动过程转速、电流变化曲线如右图所示。黑龙江科技学院工业自动化教研室9.3他励直流电动机的制动返回目录页9.3他励直流电动机的制动制动的目的使电力拖动系统停车；使电力拖动系统转速降低；使位能负载工作机构匀速下降。4)反转，电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动。使电力拖动系统制动的方法断电源自由停车—较慢，生产效率低；机械制动—电磁制动器，即机械抱闸，磨损大；电气制动（使电动机产生和转子旋转方向相反的电磁转矩）—能耗制动、反接制动、回馈制动。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动电气制动运行的基本特征(1)产生与n相反的电磁转矩；(2)用电动机吸收系统贮存的机械能并转化为电能，实现能量的迅速转移。

※电气制动运行状态本质上为发电机运行状态。电气制动运行与发电机运行的差异(1)输入能量有限；(2)机电能量转换不是目的，而是一种能量转移的手段。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动9.3.1他励直流电动机的能耗制动他励直流电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，同时在电枢回路串入一适当电阻。

由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，但电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图下所示。1、实现方法黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动电动状态nTM＋U－Ia＋Uf－M＋Uf－RΩIaTn制动状态EaEa2、能耗制动过程分析制动前：电动运行状态，特性1。稳定运行速度nA黑龙江科技学院工业自动化教研室制动开始后：

U

=0，特性2n=－Ra＋RΩ

CeCTΦ2T制动过程9.3他励直流电动机的制动BOTn1n0TZA能耗制动过程（反抗性恒转矩负载）—迅速停机

A点→B点，→Ia

反向(Ia＜0)制动开始→n=0，Ea=0

nA

=nB，EaA

=EaB

→T反向(T＜0)，→T和TZ的共同作用

→Ia=0，T=0，→n↓→O点自动停车。

2返回目录页MTZTnMTZnT黑龙江科技学院工业自动化教研室TB

TB'制动效果RΩ

2(RΩ大)BOTn1TZA2'(RΩ小)B'→Ia

→|TB

|→制动快，停车迅速。Ia

=EaBRa＋RΩ

≤

Iamax切换点（B点）

RΩ

的选择Ra＋RΩ≥EaBIamax返回目录页9.3他励直流电动机的制动M＋Uf－RΩIaTnEa黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动在选择制动电阻时，如果只考虑按最大制动电流不超过电机额定电流的2倍。则有：对于制动加速度受限的生产机械，在确定制动电阻时应考虑允许的最大制动转矩。能耗制动电阻可由下式计算：

黑龙江科技学院工业自动化教研室(2)能耗制动运行——位能性负载稳定下放重物BOTn1n0TZA2CA点→B点→O

点→T

=0，TZ≠0→n

反向起动(n＜0)→Ea

反向(Ea＜0)→Ia再次反向(Ia＞0)→T再次反向(T＞0)，→n

→T

制动过程反向能耗制动状态制动过程正向能耗制动状态能耗制动运行→Ea

→Ia

→T=TZ(C点)。返回目录页9.3他励直流电动机的制动MTZnTT0MTZTnT0MTZnTT0黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动电动状态nTM＋U－Ia＋Uf－M＋Uf－RΩIaTn制动状态（正向能耗制动状态）EaEaM＋Uf－RΩIaTn制动状态运行（反向能耗制动状态及运行）Ea黑龙江科技学院工业自动化教研室nZnZ'2BOTn1TZAC制动效果2'(RΩ小)B'TT'RΩ

→特性2斜率

→下放速度|

nZ

|

。

RΩ

的选择（各量取绝对值）

Ra＋RΩ=EaCIac=

CeΦ

nZ

T

/

CTΦ校验（同时满足）Ra＋RΩ

≥EaBIamax=

Ce

CTΦ2

nZ

TC'(RΩ大)=

Ce

CTΦ2

nZ

TZ－T0稳定运行c点的Ea

和Ia（对切换点B点电流的限制）返回目录页9.3他励直流电动机的制动MTZnTT0MTZTnT0MTZnTT0黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动3、能耗制动过程中的能量关系和电动状态相比，在能耗制动状态下，电磁转矩反向TΩ＜0，说明从电机轴上输入机械功率，被转换成电功率EaIa

。在能耗制动状态下，电枢电流反向，-EaIa为正值，说明电动机发出的电功率完全以热量的形式消耗在电枢回路总电阻上。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动

当能耗制动用于匀速下放位能性负载时，机械功率就是负载位能输送给电动机的功率；而当电动机拖动反抗性负载能耗制动时，用于制动的能量来自拖动系统减小的动能所放出的机械能。

黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动4.能耗制动特点(1)制动时U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上Ia2(Ra+RΩ)。(2)制动时，（）

n与T成正比,所以转速n下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少RΩ，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动。(3)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0时T=0,可实现准确停车。nTRRnCCICTΩaNeNTaNT

∝

,

+==ΦΦΦ黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动5.能耗制动应用能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。黑龙江科技学院工业自动化教研室

【例8.4.1】

一台他励电动机，PN=22kW，UN=440V，IN=65.3A，nN=600r/min，Iamax=2IN，T0忽略不计。试求：(1)拖动TZ=0.8TN的反抗性恒转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动TZ=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以300r/min的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？解：由额定数据求得PNINEa

=22×10365.3

=V=336.91VRa=UN－

IN

PNIN=Ω=1.58Ω440－

65.3

22×103

65.3返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室(1)迅速停机时

TZ=0.8TN=0.8×350.32N·m=280.256N·mCTΦ=9.55CeΦ

=9.55×0.562=5.365602PNnNTN=606.2822×103

600=×N·m=350.32N·m

336.91600=

=0.562CeΦ

=EanN

280.2565.365=

A

=52.24AIa

=TZCTΦ

EaB

=UN－RaIa（切换点B

点的EaB

）

=(440－1.58×52.24)V=357.46V返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室RΩ≥－Ra

EaBIamax(2)下放重物时

357.46

2×65.3=－1.58Ω=1.16ΩRΩ=－Ra

Ce

CTΦ2

nZ

TZ=0.562×5.365×300

280.256－1.58Ω=1.65Ω该值大于1.16Ω，故满足Iamax的要求。

返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动9.3.2他励直流电动机的反接制动1．反接制动的特点电枢电压或电枢电动势极性突然改变，电枢电压和电枢电动势顺极性串联。2.反接制动的实现方法

(1)转速反向的反接制动（一般用于位能负载，位能负载倒拉电动机反向旋转）

(2)电源的反接制动（一般用于反抗性负载，改变电枢电压的极性）黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动3.电源反接的反接制动——迅速停机或反转

电动状态nTM＋U－Ia＋Uf－TZEaM＋Uf－RΩIaTn制动状态－U＋TZ作用？限制IamaxEaIa的方向？T

的方向？黑龙江科技学院工业自动化教研室2－n0OTn1n0TZ制动前：特性1

n=U

CeΦ

－RaCeCTΦ2

T制动开始后：特性2制动过程－TZn=－U

CeΦ

－Ra＋RΩCeCTΦ2

T9.3他励直流电动机的制动bacda点→b点，na=nb，Ea=Eb，→Ia

反向(Ia＜0)，→T反向(T

＜0)

，制动开始；断电停车返回目录页MTZnTT0MTZnTT0MTZnTT01）反抗性恒转矩负载b点→c点，在T和TZ的共同作用下，→n↓；c点，n=0，T≠

0，断电停车。未断电，如果｜T｜＞｜-TZ｜

，反向起动→d点（反向电动运行）。

黑龙江科技学院工业自动化教研室制动瞬间B点的电势Ra＋RΩ≥

U

＋EaB

Iamax制动效果2'(RΩ小)b'TT'RΩ

→特性2斜率

→制动转矩

→制动快。

RΩ

的选择

（各量取绝对值）2(RΩ大)n0－n0BOTn1TZA返回目录页9.4他励直流电动机的制动M＋Uf－RΩIa－U＋Ea黑龙江科技学院工业自动化教研室9.3他励直流电动机的制动返回目录页2）位能性恒转矩负载O-n0AnEEBTB若电动机拖动的是位能性恒转矩负载，则电动机将在转速过零后反向加速，并最终进入稳定的回馈制动状态，即稳定运行于E点。|nE|＞|-n0|，回馈制动。CDTn0nTZMTZnTT0MTZTnT0MTnT0MTZnTT0TZ黑龙江科技学院工业自动化教研室U＜0，Ia＜0，UIa＞0，电源输入电功率。TΩ＜0

，轴输入机械功率。返回目录页9.3他励直流电动机的制动3）电源反接制动过程中的能量关系TΩ=CTΦIa(2πn)/60=9.55CeΦn/9.55Ia=EaIa

，输入的机械功率被转换成电功率。U=Ea+(Ra+RΩ)IaUIa=EaIa+(Ra+RΩ)Ia2，

(Ra+RΩ)Ia2=UIa-EaIa，说明轴上输入的机械功率被转换成电功率和电源输入的电功率都被电枢电阻消耗掉。黑龙江科技学院工业自动化教研室M＋Uf－＋U－TZ4.转速反向的反接制动——下放重物

RΩIaT制动状态电枢接入RΩ

瞬间→

Ia

→T→T＜TZ→n

Ea→Ia

T

,T＜TZn

=0，T＜TZ→反向起动→

n＜0

→|

n|

→|

Ea

|

→Ia

→T

→T=TZ。nIa的方向？T

的方向？返回目录页9.3他励直流电动机的制动电动状态nTM＋U－Ia＋Uf－TZEaEa实现方法：在电枢回路串一较大电阻，对应机械特性的起动转矩小于位能负载转矩。黑龙江科技学院工业自动化教研室OTn1n0TZA2C制动运行状态制动前：特性1

n=U

CeΦ

－RaCeCTΦ2

T制动开始后：特性2n=U

CeΦ

－Ra＋RΩCeCTΦ2

TBD※

Ia和T始终没有改变方向。返回目录页9.3他励直流电动机的制动MTZnTMTZnTT0T0

从B点至C点，T＜TZ，为电动减速状态，n=0时，T＜TZ，电机反转，

n＜0

，与T的方向相反，从C点至D点为转速反向的反接制动状态，稳定运行点位D。黑龙江科技学院工业自动化教研室2Dn0BOTn1TZA制动效果RΩ

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(RΩ大)D'nZ

nZ'(RΩ小)

U＋EaD

IaDRa＋RΩ=

RΩ

的选择(各量取绝对值)

=

U＋CeΦ

nZ

T

/

CTΦ=(U＋CeΦ

nZ)

CTΦ

TZ－T0稳定运行D点的电势和Ia返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室UIa＞0，电源输入电功率。TΩ＜0

，轴输入机械功率。返回目录页9.3他励直流电动机的制动转速反向的反接制动过程中的能量关系TΩ=CTΦIa(2πn)/60=9.55CeΦn/9.55Ia=EaIa

，输入的机械功率被转换成电功率。U=Ea+(Ra+RΩ)IaUIa=EaIa+(Ra+RΩ)Ia2，

(Ra+RΩ)Ia2=UIa-EaIa，说明轴上输入的机械功率被转换成电功率和电源输入的电功率都被电枢电阻消耗掉。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动5.两种反接制动的异同点共同点：能量关系相同。不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好；转速反向反接制动特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。6.应用

转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在n＜n0

的条件下稳速下放重物。电压反接制动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，当制动到n=0时，应迅速切断电源，否则有反向起动的可能性。黑龙江科技学院工业自动化教研室

【例8.4.2】

例8.4.1中的他励电动机，迅速停机和下放重物的要求不变，但改用反接制动来实现，试求电枢电路应串联的制动电阻值。解：(1)

迅速停机在例8.4.1中已求得切换点的电动势，由公式可得RΩ≥－Ra

U

＋EaB

Iamax

440＋357.46

2×65.3=－1.58Ω=4.526Ω返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室(2)下放重物时（忽略T0

）RΩ=(U＋CeΦn)

－RaCTΦ

TZ5.365

280.256=(440＋0.562×300

)－1.58Ω=10.07Ω返回目录页9.3他励直流电动机的制动黑龙江科技学院工业自动化教研室

n

＞

n0

→电动机处于发电状态，

→动能转换为电能回馈电网。

特点：

→Ea＞Ua返回目录页9.3他励直流电动机的制动9.3.3他励直流电动机的回馈制动

回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况（1）电压反接制动带位能性负载进入第四象限；（2）当电车电动下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限。

回馈制动状态下瞬态过程有以下两种情况（1）降压调速过程中；（2）弱磁状态下增磁调速过程中。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动

平地或上坡行驶时工作在A点。下坡行驶时

在Tg和T的作用下（Tg和T同向）

→n→n＞n0→Ea＞U→Ia＜0→T＜0→B点（TZ2=T

）。OTn1n01.正向回馈制动——电车电动下坡

TZ12TZ23→n

ABTZ1TnEa＋＋－－UIaTZ11TnEa＋＋－－UIaTgOTnn0TZ1ABnBnAU>Ea+TZ11=-TgTZ2Ea>UTg>TZ11黑龙江科技学院工业自动化教研室电动状态下坡n→Ea→Ia(T)n=n0,

Ea=U,

Ia=0,T=0制动状态n

→Ea

(＞U)→Ia(T)＜0→|T|返回目录页9.3他励直流电动机的制动nTM＋U－Ia＋Uf－EaTZ1nTM＋U－Ia＋Uf－EaTZ2nM＋U－Ia＋Uf－EaTZ2nTM＋U－Ia＋Uf－EaTZ2黑龙江科技学院工业自动化教研室2.反向回馈制动——下放重物

电压反向电动状态制动过程反向起动nn

→n0n

→

Ea＞U→Ia(T)反向制动状态Ia的方向？T

的方向？作用？限制Iamax返回目录页9.3他励直流电动机的制动nTM＋U－Ia＋Uf－EaTZnM－U＋＋Uf－EaTZIaTRΩM－U＋＋Uf－TZRΩTIaEaM－U＋＋Uf－TZRΩTIaEan黑龙江科技学院工业自动化教研室OTn1n0TZ2－n0ACBDEA点改变U极性n不能跃变C点B点反接制动D点反向起动E点，T=TZ。电压反向反接制动过程反向起动过程回馈制动过程回馈制动运行T＜TZ回馈制动返回目录页9.3他励直流电动机的制动MTZnTMTZnTMTZnTMTZnT-

nE

黑龙江科技学院工业自动化教研室OTn1n0TZ2－n0ACBD

E

制动效果RΩ

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(RΩ小)E'nZ

nZ'(RΩ大)

EaE－U

IaERa＋RΩ

=

RΩ

的选择（按速度原则）

（各量取绝对值）

=

CeΦ

nZ－U

T

/

CTΦ=(CeΦ

nZ

－U)

CTΦ

TZ－T0稳定运行点E的电势和Ia返回目录页9.3他励直流电动机的制动M－U＋＋Uf－TZRΩTIaEan黑龙江科技学院工业自动化教研室校验（按电流原则）（各量取绝对值）

Ra＋RΩ≥

U＋EaB

IamaxOTn1n0TZ2－n0ACBD

E

2'(RΩ小)E'nZ

nZ'(RΩ大)B'制动瞬间B点的E电压反接后瞬间返回目录页9.3他励直流电动机的制动nM－U＋＋Uf－EaTZIaTRΩ黑龙江科技学院工业自动化教研室电压反向反接制动与反向回馈制动的比较

反向回馈制动状态返回目录页9.3他励直流电动机的制动电动状态nTM＋U－Ia＋Uf－EaTZ电压反向制动过程nM－U＋＋Uf－EaTZIaTRΩM－U＋＋Uf－TZRΩTIaEan黑龙江科技学院工业自动化教研室在降低电枢电压调速过程中＞TZOTnU1n01U2n02ACBD

回馈制动过程工作点跳到何处？

返回目录页9.3他励直流电动机的制动3.他励电动机降低电枢电压调速和增磁调速说明:

在回馈过程中，电动机向电源回送电能为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈制动状态，直到转速等于零。这个制动停车方法节省能量，制动时间也短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电阻Ra的能耗制动状态。黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动nn0AOTZTn01UNU1他励直流电动机降压过程中的回馈制动机械特性讨论：他励直流电动机降压过程中电压连续变化的回馈制动机械特性？电压调节，先快，然后同转速下降同步，即△U=CeΦ△n。nn0AOTZTn01UNU1U1=0U1=0黑龙江科技学院工业自动化教研室返回目录页9.3他励直流电动机的制动TZ在增加励磁电流调速过程中＞OTnIf1n01If2n02ACBD

回馈制动过程4回馈制动过程的能量转换关系TΩ＜0

，轴输入机械功率。TΩ=CTΦIa(2πn)/60=9.55CeΦn/9.55Ia=EaIa

，输入的机械功