第二章直流电机的拖动-限选

第二章

直流电动机的电力拖动第二章直流电动机的电力拖动

凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般构成如图所示。

本章首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍电动机和生产机械的转矩特性，最后主要研究他励电动机应用的四大问题——起动、反转、制动、调速一、单轴电力拖动系统的运动方程式

单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。熟悉的直线运动方程旋转运动的电力拖动系统运动方程物体的飞轮力矩，它是一个整体物理量，反映转动体的惯性

第一节电力拖动系统的运动方程式二、电力拖动系统运动状态分析

一个电力拖动系统处于静态（静止不动或匀速）还是动态（加速或减速），都可以从运动方程式来判定，当电力拖动系统的正向运动状态时分析如下：

1).当Ｔ＝ＴL时，dn/dt=0，则n＝0或n＝常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。

2).当ＴＴL时，dn/dt

0，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。

3).当TTL

时，dn/dt

0，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过程。例2-1

分析下图中电力拖动系统的运动状态。解：设a图为正向运动，T帮助正向运动为正，TL

反对正向运动为正，且T<TL，所以运动方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系统处于正向减速状态。

设b图为反向运动，T帮助反向运动为负，TL

帮助反向运动为正，且数值上T=TL，所以运动方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系统处于反向加速状态。第二节生产机械的负载转矩特性

不同生产机械的负载转矩TL随转速n变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即n=f(TL)。各种生产机械的特性大致可分为以下三种类型恒转矩负载特性

恒功率负载特性

通风机型负载特性

恒转矩负载特性TL=常数，与转速n无关反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，如轧钢机、机床的平移机构、电力机车等。当下放重物时负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。起重设备提升重物时，负载转矩TL为阻力矩，与电动机旋转方向相反位能性负载转矩由重力作用产生，其大小和方向始终不变恒功率负载特性通风机型负载特性

PL=常数,TL=9.55P/nTL=Kn2

例：车床切削粗加工时,切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小(TL小)，用高速档电扇、水泵、油泵等

注意：以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。

第三节他励直流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。他励直流电动机的机械特性理想空载转速机械特性的斜率转速降斜率β越小，特性越平，称为硬特性。反之称为软特性机械特性曲线实际空载转速一般表达式他励电动机的接线图一、他励直流电动机的机械特性1、他励电动机的固有机械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的机械特性称固有机械特性Rpa=0,Ra很小，

=N数值最大，机械特性斜率β最小，他励直流电动机的固有机械特性是硬特性。一、他励直流电动机的机械特性2、人为机械特性

如果人为地改变固有机械特性中的气隙磁通、电源电压Ｕ和电枢回路电阻Rpa中的任意一个参数，这样的机械特性称为人为机械特性。（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性斜率β

增加电阻增加n0

不变2、人为机械特性(2)改变电源电压的人为机械特性(3)改变磁通的人为机械特性磁通减小电压降低U降低，β

不变，n0减小(2)改变电源电压的人为机械特性减小，β

增大，n0增大电力拖动系统稳定运行的必要条件：

电动机的机械特性与负载转矩特性有交点：即T=TL

电力系统要稳定运行的充分条件：

两条特性配合恰当，即在交点处满足：dT/dn<dTL/dn二、电力拖动稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的分析结论：下斜的机械特性与恒转矩负载配合,系统能够稳定运行;上翘的机械特性与恒转矩负载配合,系统不能稳定运行。恒转矩负载特性在A点的斜率：dn/dTL=∞,则dTL/dn=0下斜的机械特性在A点其dn/dT<0,则dT/dn<0，在A点满足dT/dn<dTL/dn上翘的机械特性在A点其dn/dT>0,则dT/dn>0，在A点不满足dT/dn<dTL/dn稳定运行不稳定运行系统电压波动机特系统电压波动机特1、全压起动第四节他励电动机的起动和反转起动：电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。一、他励直流电动机的起动方法

额定电压加于电动机的电枢两端，由于起动瞬间n=0，Ea=0，由U=Ea＋IaRa故起动电流和转矩分别为：他励电动机的全压起动先合Q1再合Q2后果引起电网电压下降，影响电网上其他用户使电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机过大的冲击转矩，机械轴过度冲击，损坏传动机构

从上例可以看出，由于电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的（10～20）倍。起动转矩也相当大。

所以，直流电动机一般不允许全压起动。起动设备简单、操作方便的全压起动只适用于容量很小的直流电动机。（1）要有足够大的起动转矩(Tst>TL)。（2）起动电流要限制在一定的范围内。（3）起动设备简单、可靠，操作方便，起动时间短。对直流电动机的起动的要求：电枢回路串电阻起动减压起动注意：起动时应保证电动机的磁通为最大值，以在限制起动电流的情况下使转矩较大。对于容量较大的电机，为限制起动电流，可用2、减压起动

减压起动即起动前将电源电压降低，以减小起动电流Ist。为获得足够的起动转矩（Tst>TL），起动时电流通常限制在(1.5～2)IN

内，则起动电压应为：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

当n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——须U↑保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。至U=UN，起动结束。3、电枢回路串电阻起动

电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻Rst，达到限制起动电流的目的。采用4级起动时电动机的电路接线图及其机械特性

串入全部电阻逐级切除电阻稳定运行点转速逐步上升切换转矩TSt2起动点Ist1和Tst1为最大值二、他励直流电动机的反转

要使电动机反转，必须改变电磁转矩T的方向。只要将磁通和Ia任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种：由：

1、改变励磁电流方向：保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向。

2、改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流Ｉa即改变方向。实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机的反转。

第五节他励直流电动机的制动电动机的两种运行状态：电动状态：T与n方向相同，机特Ⅰ、Ⅲ象限制动状态：T与n方向相反，机特Ⅱ、Ⅳ象限制动方法：能耗制动反接制动回馈制动制动目的：快速停车（反向）或限速。一、能耗制动制动原理：电动机靠生产机械惯性力的拖动切割磁场而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电动机停止转动为止。能耗制动U=0运行时KM1常开闭合，与电源连接；

制动前的电动状态T与n方向一致制动时连接电阻Rbk制动时，T与n方向相反原运行于a点制动时，对于反抗性负载将经b点到达O点停下来。能耗制动时的机械特性

U=0,机特过原点斜率取决于限流电阻Rbk一般限流：IbK(2～2.5)IN

对位能性负载将达到C点。

二、反接制动1.电枢反接制动制动原理：Ibk产生很大的反向电磁转矩T，从而产生很强的制动作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk机械特性过-n0机械特性：制动过程当制动的目的为停车时，在电机n≈0时，须立即断开电源。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制动电阻的计算：电枢反接制动过程中，电动机一方面向电源吸取电功率P1＝UI，另一方面将系统的动能转换成电磁功率Pem＝EaIa，这些电功率全部消耗在电枢电路的电阻(Ra＋Rbk)上。其能量损耗很大。电机的能耗：

二、反接制动2.倒拉反接制动只适用于位能性恒转矩负载，下放重物

U=UN，电枢串大电阻Rbk机械特性过+n0，与负载特性的交点落在第Ⅳ象限n0从提升重物至下放重物过程：a—b—c—d，Rbk越大，下放转速也越大。三、回馈制动

当电动机的nn0时，Ea>U，Ia方向与电动运行状态相反，T的方向与电动运行状态时相反，为制动性质，P1<0，电机向电源回馈电能，此时电机的运行状态称为回馈制动。

当位能性负载进行电枢反接制动，当n=0时，如不切除电源，电机便在电磁转矩和位能负载转矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0时，电机进入反向回馈制动状态，此时因n为负，T为正，机械特性位于第IV象限，最终稳定下放重物运行于d点

反向回馈制动对位能性负载下放时起限速作用。第六节他励直流电动机的调速调速：机械调速:电气调速:改变传动机构速比改变电动机参数,人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。由得调速方法：降压U减弱磁通φ电枢回路串电阻一、调速指标1.调速范围电动机在额定负载下可能运行的最高转速与最低转速之比，通常又用D表示:受电动机的机械强度、换向条件、电压等级等方面的限制受到低速运行时转速的相对稳定性的限制

不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床Ｄ＝20～120，龙门刨床Ｄ＝10～40，轧钢机Ｄ＝3～120，造纸机Ｄ＝3～20等。

显然，在相同的n0情况下，电动机的机械特性愈硬，Δn愈小，静差率就愈小，相对稳定性就愈好。生产机械调速时，要求静差率小于一定值，以使负载发生变化时，转速在一定范围内变化，保持一定的稳定程度，生产机械容许的静差率用r表示。例如，普通车床要求r30

，一般设备要求r50

，高精度的造纸机要求r0.1

。静差率与调速范围两个指标是相互制约,要统畴考虑。2.调速的相对稳定性（静差率）负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好3.调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，即调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数：φ→1，则平滑性好，当φ

=1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。4.调速的经济性对调速设备的投资和电能消耗等经济效果的综合比较。

二、改变电枢电路串电阻的调速电枢回路串电阻的机特，Rpa愈大，特性愈软，转速愈低。调速过程：电动机原稳定运行在固有机械特性的a点上，当Ｒpa接入瞬间，因n不能突变，工作点从a点跳至人为机械特性的b点，这时，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，电动机在低速的c点稳定运行。

电枢串电阻调速的特点：

(1)串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)调速的平滑性不高；轻载时调速不明显。

(3)由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。

(4)调速方法简单，设备投资少。

例2-5

一台直流他励电动机，其额定数据为：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，电枢电路总电阻Ｒa=0.04

，电动机拖动额定恒转矩负载运行，现用电枢串电阻的方法将转速调至600r/min，应在电枢电路内串多大电阻？由且为额定恒转矩负载转矩：Ia=IN得解三、降压调速Un0nn01n02n03调速过程：a-b-c降压调速的特点1)无论高速还是低速，机械特性硬度不变，静差率小，调速性能稳定，故调速范围广。2)电源电压能平滑调节，故调速平滑性好，可达到无级调速。3)降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，损耗减小，调速经济性好。4)调压电源设备较复杂。降压调速的性能好，目前被广泛用于自动控制系统中。如轧钢机，龙门刨床等。降压较大时，会出现回馈制动

例