第3章直流电动机电力拖动

3.1直流电动机的起动第3章直流电动机的电力拖动直流电动机接上电源之后，电动机转速从零到达稳定转速的过程称为起动过程。

本节只介绍电动机起动的要求和起动的方法，并不研究其具体的过渡过程。1.

起动原则

应在起动电流不超过允许值的情况下，获得尽可能大的起动转矩。12.

起动的基本要求起动转矩尽可能大，使TS≥(1.1~1.2)TL；起动电流要小，使IS≤(2.0~2.5)IN；起动设备要简单、可靠、经济。3.起动方式直接起动；电枢回路串电阻起动；降压起动。23.1.1直接起动起动时电枢电流IS=UN/Ra很大，造成换向困难，出现强烈火花；从起动转矩TS=CTΦIS方面来看，过大的起动电流会使起动转矩太大，造成机械冲击，易使设备受损。1.存在问题2.注意对于一般的直流电动机决不允许直接起动；对于微型直流电动机，可直接起动，该起动方式无须附加任何起动设备，操作最为简单。33.1.2电枢回路串电阻起动图3.1电枢回路串电阻起动原理图RaUN1C2C3CR1R3R2+_Ia

电枢回路串电阻起动的电路原理图如下图所示：1.原理图4Ra+R1+R2+R3Ra+R1+R2Ra+R1Ra图3.2电枢回路串电阻起动机械特性曲线nn0A0TTSTLT2BCDEFG2.机械特性曲线5适用于不频繁起动的小型电动机。4.优点设备简单，操作方便。5.缺点6.应用范围T2：切换转矩T2=(1.1~1.2)TLTS：最大转矩TS=(2~2.5)TN3.说明起动过程中能量消耗大。6例题3-1

他励直流电动机的额定功率PN=160kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=399A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.054Ω，电动机拖动恒转矩负载。若采用电枢回路串电阻起动，起动电流限制在1.8IN以内，求应串入的电阻值和起动转矩。解：应串入的电阻值起动转矩73.1.3降低电枢电压起动图3.3降电压起动机械特性曲线nn0ATTL0TST21.机械特性曲线82.优点起动过程平滑；能量消耗少。3.缺点设备投资高，需配有专用可调压电源设备。适用于频繁起动的大、中型电动机。4.应用范围93.2直流电动机的调速要求：转速调节范围宽；调节平稳；运行可靠；方法简单、经济。3.2.1电枢回路串电阻调速1.机械特性曲线10R2>R1图3.4电枢回路串电阻调速时的机械特性nn0nn1A1A2An2RaRa+R1Ra+R2TTL0113.优点设备简单、调节方便。4.缺点调速效率较低；机械特性变软，转速稳定性差。2.调速方向在基速（运行在固有机械特性上的转速）与零转速之间调节。5.适用负载类型恒转矩负载。调速平滑性差，一般为有级调速；123.2.2改变电枢电源电压调速U3<U2<U1<UN图3.5改变电枢电源电压调速时的机械特性nn0nn1A1A2An2UNTTL0A3n3U1U2U3n01n02n031.机械特性曲线133.优点调速平滑性好，可实现无级调速；调速效率高；转速稳定性好。4.缺点所需的可调压电源设备投资较高。在基速与零转速之间调节。5.适用负载类型恒转矩负载。2.调速方向14例题3-2

一台他励直流电动机的额定功率PN=125kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=630A，额定转速nN=1000r/min，电枢回路总电阻Ra=0.01484Ω，电动机带动额定负载运行。若要求转速调到420r/min，求：

(1)采用电枢串电阻调速时，电枢回路需串入多大电阻？该转速下电动机的效率？(2)采用改变电枢电源电压调速时，电枢电源电压应调到多少伏？电动机的效率？解：(1)电枢回路串入电阻值及效率的计算15或：16(2)电枢电源电压及效率的计算或173.2.3弱磁调速Φ2<Φ1<ΦN图3.6弱磁调速时的机械特性nn0nn1A1A2An2TTL0Φ1Φ2n01n02ΦN1.机械特性曲线183.优点设备简单、调节方便；调速效率较高；4.缺点励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差；拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。2.调速方向在基速与电动机所允许的最高转速（一般约为1.2nN）之间进行调节。5.适用负载类型恒功率负载。调速平滑性好；转速稳定性较好。19例题3-3

一台他励直流电动机的额定功率PN=90kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=224A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.0938Ω，电动机拖动负载转矩TL=0.75TN运行。若要求转速升高到1800r/min，求：

(1)采用弱磁调速时，磁通应减少到额定磁通量的多少倍？该转速下电枢电流为多少？(2)若所拖动负载转矩不变，当电枢电流最大不超过额定电流时弱磁升速的最高转速为多少？解：(1)弱磁升速时磁通及电枢电流的计算20因为所以即(舍)21(2)最高转速的计算223.2.4调速的性能指标1.调速范围（1）定义

指电动机在额定负载下调速时，其最高转速nmax与最低转速nmin之比，用D表示。（2）表达式（3）说明电动机最高转速受电动机的换向及机械强度限制，最低转速受转速相对稳定性（即静差率）要求的限制。232.静差率（转速变化率）（1）定义

指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落ΔnN与该机械特性的理想空载转速n0之比，用δ表示。（2）表达式式中，nN为额定负载转矩TL=TN时的转速。240TNTn0nNn132图3.7不同机械特性的静差率25（3）说明对于改变电枢电源电压的调速方式而言，D与δ的关系为希望电力拖动系统调速范围D越大越好，δ越小越好，但D与δ的取值经常会出现矛盾，例如：证明：设上页图3.7中曲线3为对应最低电枢电源电压的机械特性曲线，则其静差率为而26又3.调速的平滑性（1）定义

指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数表示。（2）表达式（3）说明

平滑系数

越接近1，说明调速的平滑性越好。274.恒转矩调速方式和恒功率调速方式（1）定义①恒转矩调速方式指在某种调速方法中，在保持电枢电流Ia=IN

不变的前提下，若该电动机电磁转矩也恒定不变，则称这种调速方式为恒转矩调速方式。显然，电枢串电阻调速和改变电枢电源电压调速属于恒转矩调速方式。

恒转矩调速方式的磁通Φ在调速过程中保持不变。②恒功率调速方式指在某种调速方法中，在保持电枢电流Ia=IN

不变的前提下，若该电动机电磁功率也恒定不变，则称这种调速方式为恒功率调速方式。28显然，弱磁调速属于恒功率调速方式。恒功率调速方式的电磁转矩T和磁通Φ在调速过程中会发生变化。P,Tn0PTTP29③注意恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。前者表征电动机本身所具有的输出电磁转矩和电磁功率的能力，实际输出多少转矩和功率则取决于它所拖动的负载；后者则是负载本身所具有的转矩和功率特性，它要求电动机输出相应的转矩和功率与之相配合。（2）调速方式和负载类型的匹配①恒转矩调速方式与恒转矩负载的配合是合适的，也称相匹配。②恒功率调速方式与恒功率负载是相匹配的。③电动机采用恒转矩调速方式拖动恒功率负载，只能按低速运行情况选配合适的电动机，高速时电动机容量会有所浪费。30Tn0图3.8恒转矩调速与恒功率负载的配合图中，Tr为电动机允许输出的转矩。31④电动机采用恒功率调速方式拖动恒转矩负载，只能按高速运行情况选配合适的电动机，低速时电动机容量则有所浪费。图3.9恒功率调速与恒转矩负载的配合Tn032⑤对于泵类负载，无论采用恒转矩调速方式还是采用恒功率调速方式，都不能做到调速方式与负载性质相匹配。5.调速的经济性

调速的经济性主要是考虑调速设备的初始投资；调速时电能的损耗；运行时的维护费用等。33表3.1直流电动机三种调速方法的调速性能比较静差率δ调速范围D(δ一定时)调速平滑性适合负载类型设备投资电能损耗调速方向基速以下大小差恒转矩负载少大基速以下基速以上小较小较大小好好恒转矩负载恒功率负载多较少小小调速方法电枢串电阻改变电枢电源电压弱磁34例题3-4

一台他励直流电动机的额定功率PN=75kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=385A，额定转速nN=1000r/min，电枢回路总电阻Ra=0.01824Ω。求电动机在以下各种不同静差率要求、不同调速方式时的调速范围：（1）静差率δ≤25%、电枢串电阻调速时的调速范围；（2）静差率δ≤25%、改变电枢电源电压调速时的调速范围；（3）静差率δ≤40%、电枢串电阻调速时的调速范围。解：(1)求静差率δ≤25%、电枢串电阻调速时的调速范围35(2)求δ≤25%、改变电枢电源电压调速时的调速范围36(3)求δ≤40%、电枢串电阻调速时的调速范围例题3-5

一台他励直流电动机的额定功率PN=90kW，额定电压UN=440V，额定电流IN

=224A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra

=0.0938Ω。电动机拖动一恒转矩负载TL

=0.55TN运行，要求把转速升高到2200r/min，现采用弱磁调速的方法。求：(1)励磁磁通应减少到额定磁通的多少比值？(2)弱磁调速前后电枢电流的变化情况。(3)在2200r/min运行时电枢电流是否已超过额定电流IN，若未超过，请计算在此高转速下电动机允许拖动多大负载长期运行；若超过，请计算电动机拖动这一负载长期运行的最高转速。37(1)求励磁磁通应减少到额定磁通的多少比值解：因为所以即38所以应把励磁磁通减少到0.689ΦN。(舍去)弱磁调速前弱磁调速后(2)求弱磁调速前后电枢电流的变化情况39接下来求在此转速下电动机允许拖动多大负载长期运行。弱磁调速后电枢电流没有超过额定电流，故电动机拖动这一负载在该转速下可以长期运行。由上式可以看出：弱磁调速后电枢电流有所增加。(3)由于403.3直流电动机的制动1.制动方式所谓电气制动，是指电动机的电磁转矩T与转速n的方向相反，T起反抗运动的作用。机械制动电气制动2.

需要制动的情况（1）使系统迅速停车（制动过程）；（2）限制位能性负载的下降速度（制动运行）。413.电气制动方法（1）能耗制动（2）反接制动（3）倒拉反转制动（4）回馈制动423.3.1能耗制动1.能耗制动的原理图3.10能耗制动的原理图+-UKM1KM2RHEa+-Ia（a）制动前UfIfΦ+-UKM1KM2RHEa+-Ia（b）制动后UfIfΦ432.能耗制动时的机械特性机械特性方程为：式中，为能耗制动时机械特性曲线的斜率。∴T与n的实际方向相反，起制动作用。44图3.11能耗制动时的机械特性曲线Bnn0A120CTLRaRa+RHT-TL-Tmax-nC454.能耗制动电阻RH的计算（1）Tmax未知时3.能量转换P1=0PM=EaIa<0电源不输入电功率机械功率转换成电功率消耗在电枢回路电阻(Ra+RH)上。46（2）Tmax已知时5.应用场合（1）确保反抗性负载的准确停车（能耗制动过程）；（2）确保位能性负载的匀速下放（能耗制动运行）。473.3.2反接制动1.反接制动的原理图3.12他励直流电动机反接制动的原理图+-UKM1KM2RFEa+-（a）制动前IaUfIfΦ+-UKM1KM2RFEa+-（b）制动后IaUfIfΦ482.反接制动时的机械特性机械特性方程式为：式中，为反接制动时机械特性曲线的斜率。∴T与n的实际方向相反，起制动作用。49nn0ABCD0T1RaRa+RFTL-TL2-Tmax-n0-nD图3.13反接制动时的机械特性曲线504.制动电阻RF的计算3.能量转换P1=UNIa>0PM=EaIa<0电源输入电功率机械功率转换成电功率消耗在电枢回路电阻(Ra+RF)上。5.应用场合经常正反转的电力拖动系统，一般先用反接制动迅速停车，然后再反向起动并进入反向稳定运行状态。51例题3-6

一台他励直流电动机的额定功率PN=110kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=276A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.0807Ω。电动机拖动反抗性负载转矩运行于正向电动状态时，TL=0.85TN。求(1)采用能耗制动停车，并且要求制动开始时最大电磁转矩为1.9TN，电枢回路应串多大电阻？(2)采用反接制动停车，要求制动开始时最大电磁转矩不变，电枢回路应串多大电阻？(3)采用反接制动若转速接近于零时不及时切断电源，问电动机最后的运行结果如何？(1)采用能耗制动停车时电枢回路应串入的电阻解：52正向电动运行时能耗制动时电枢回路应串入的电阻53(2)采用反接制动停车时电枢回路应串入的电阻(3)电动机最后的运行结果转速为零时54由于|T|>|TL|，电动机反向起动，直到稳定运行在反向电动状态。反向电动稳定运行时最后电动机稳定运行在反向电动状态，其转速为197r/min。553.3.3倒拉反转制动1.倒拉反转制动的原理图3.14他励直流电动机倒拉反转制动的原理图+-UKM1RDEa+-CIaUfIfФ562.倒拉反转制动时的机械特性

机械特性方程为：式中，为倒拉反转制动时机械特性曲线的斜率。RD较大n<0又

Ia>0Ea<0∴T与n的实际方向相反，起制动作用。较大当时57图3.15倒拉反转制动时的机械特性曲线nn0TL-nD0TABCDRa+RDRa由于电动机是靠位能性负载倒拉着反转的，所以这种制动运行状态称为倒拉反转制动运行状态。584.制动电阻RD的计算3.能量转换P1=UN

Ia>0PM=EaIa<0电源输入电功率机械功率转换成电功率消耗在电枢回路电阻(Ra+RD)上。5.应用场合重物的低速下放。593.3.4回馈制动1.电车下坡时的回馈制动（1）工作原理Ea++--TTL1UNIaTL2Ea>UNn图3.16电车下坡示意图Ia<0∴T与n的实际方向相反，起制动作用。nEa当Ea>UN时60（2）机械特性曲线图3.17电车下坡发生回馈制动时的机械特性曲线TL1-(TL2-TL1)TAB0nAnBn061PM=EaIa<0P1=UN

Ia<0（3）能量转换（4）应用场合

电车的匀速下坡行驶。机械功率转换成电功率电机向电源回馈电功率2.电枢电压反接情况下下放重物时的回馈制动（1）机械特性曲线62正向电动反接制动反向电动反向回馈制动nn0ABC0T1RaRa+RFTL2-Tmax-nD图3.18电枢电压反接情况下下放重物时的机械特性曲线D-n063（2）工作原理Ia>0∴T与n的实际方向相反，起制动作用。|-n||Ea|当|Ea|>|–UN|时（4）应用场合

重物的高速下放。PM=EaIa<0P1=UN

Ia<0（3）能量转换机械功率转换成电功率电机向电源回馈电功率643.降低电枢电压调速过程中的回馈制动图3.19降低电枢电压过程中发生回馈制动时的机械特性曲线nn010TABCU1<UNUNU1n012DTL（1）机械特性曲线65（2）工作原理Ia<0∴T与n的实际方向相反，起制动作用。n>n01即Ea>U1（4）应用场合加快减速过程。PM=EaIa<0P1=U1Ia<0（3）能量转换机械功率转换成电功率