电机拖动第3章2

第3章直流电动机的电力拖动3.1直流电动机的起动——重点3.1.1直接起动3.1.2电枢回路串电阻起动3.1.3降低电枢电压起动3.2直流电动机的调速——重点3.2.1电枢串电阻调速3.2.2改变电枢电源电压调速3.2.3弱磁调速3.2.4调速的性能指标第3章直流电动机的电力拖动3.3直流电动机的制动——重点、难点3.3.1能耗制动3.3.2反接制动3.3.3倒拉反转制动3.3.4回馈制动3.4直流电动机的各种运行状态3.4.1电动运行状态3.4.2制动运行状态3.2直流电动机的调速许多生产机械运行时对拖动它的电动机转速有不同的要求车床切削工件精加工——高转速粗加工——低转速

龙门刨床刨切：刀具切入和切出工件——较低速度中间一段切削——较高速度工作台返回——高速度

系统运行的速度需要根据生产机械工艺要求而进行人为调节3.2直流电动机的调速什么叫调速？调节电动机的转速，简称为调速调速方法分类机械调速：改变传动机构速比电气调速：改变电动机参数电气——机械调速：两种方法混合调速本节介绍电气调速方法以及调速性能调速时必须停多为有级调速调速时不需停车可实现无级调速3.2直流电动机的调速调速要求：能调节转速转速调节范围宽调节平稳运行可靠调速方法简单、经济人为改变电动机的机械特性可以达到调速目的3.2直流电动机的调速根据固有机械特性表达式：

可知，调速方法也有三种：电枢串电阻调速改变电枢电源电压调速弱磁调速n0nTLT0ABCDnn1n2n3负载特性不能改变3.2.1电枢串电阻调速R越大，β越大△n越大，导致

n越低基速：通常把电动机运行于固有机械特性上的转速，称为基速调速方向：只能在基速与零转速之间调节Ra+R1Ra+R2R1<R2n0nTLT0Ra图3.3电枢串电阻调速AA1A23.2.1电枢串电阻调速思考：电枢回路串电阻调速时如果拖动恒转矩负载电动机运行在不同转速

n，n1或n2上时电动机电枢电流Ia的大小变化吗？答案：不管电枢回路串多大电阻电动机运行在多大转速下电动机电枢电流Ia的大小是不变的证明：

串电阻调速适用恒转矩负载电动机励磁磁通保持恒定，即并忽略电枢反应去磁效应的情况下电磁转矩

稳定运行时

电枢电流

因此

如果则即Ia与电动机转速n无关证明：

串电阻调速适用恒转矩负载可见电动机励磁磁通保持恒定并忽略电枢反应去磁效应的情况下电枢电流Ia

的大小仅取决于负载转矩TLTL大，Ia也大TL小，Ia也小TL不变，Ia也不变因此，电枢串电阻调速适用的负载类型：恒转矩负载3.2.1电枢串电阻调速优点：设备简单、调节方便缺点：调速平滑性差，一般为有级调速调速效率较低转速稳定性差串入的电阻越大，斜率越大，机械特性越软低速运行时，负载变动尽管不大却会引起转速较大的变化pCua=Ia2(Ra+R)Ia较大，R容量也较大电阻值不易连续调节3.2.2改变电枢电源电压调速U越低，n0越低导致n越低调速方向：只能在基速与零转速之间调节TLT0n图3.4改变电枢电源电压调速AA1A2思考：上一节讲电枢回路串电阻调速时如果拖动恒转矩负载不管电枢回路串多大电阻，电动机运行在多大转速电动机电枢电流Ia的大小是不变的那么，改变电枢电源电压调速时如果拖动恒转矩负载，电动机运行在不同转速上时电动机电枢电流Ia的大小变化吗？答案：分析同理，也是不变的因此，适用负载类型：恒转矩负载3.2.2改变电枢电源电压调速优点：调速平滑性好，可实现无级调速调速效率高转速稳定性好

缺点：所需的可调压电源设备投资较高适用负载类型：恒转矩负载例题3-2(P49)例题3-2(P49)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？例题3-2(P49)解：（1）电枢回路串入电阻值及效率的计算例题3-2(P49)效率的计算教材：9550——不合适例题3-2(P49)（2）电枢电源电压及效率的计算或3.2.3弱磁调速Φ越低，n0与

β越大导致n越高调速方向：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TLT0n图3.5弱磁调速AA1A2考虑磁饱和时的机械特性曲线T↑

→Ia↑由于有电枢反应产生去磁作用，使Φ↓可使机械特性曲线下降程度减小甚至成水平或上翘的曲线曲线上翘对电动机稳定运行不利T0n思考：前两节讲电枢回路串电阻调速改变电枢电源电压调速时如果拖动恒转矩负载，电动机运行在不同转速上时电动机电枢电流

Ia的大小都是不变的那么，弱磁调速时如果拖动恒功率负载，电动机运行在不同转速上时电动机电枢电流Ia的大小变化吗？答案：Ia的大小仍是不变的证明：

弱磁调速适用恒功率负载弱磁调速时，不论在什么转速上运行，电动机的转速与转矩为：则电动机的电磁功率为证明：

弱磁调速适用恒功率负载如果电动机拖动的是恒功率负载，即则有如果则即Ia与电动机转速

n无关因此，适用负载类型：恒功率负载3.2.3弱磁调速优点：设备简单、调节方便调速平滑性好调速效率较高转速稳定性较好缺点：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适用负载类型：恒功率负载证明：弱磁调速拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大电动机拖动的是恒转矩负载电磁转矩T=CTΦIa

稳定运行时

T=TL

电枢电流

Ia=TL/（CTΦ）因此，弱磁调速时，Φ

↓为保证TL=C，Ia↑弱磁调速前，如果

TL=TN，此时Ia=IN

弱磁升速后，Ia↑，使得

Ia>IN，导致过载因此，弱磁调速拖动恒转矩负载时，可能会使

Ia过大这意味着，弱磁调速不适合拖动恒转矩负载说明：在直流电力拖动系统中，广泛地采用改变电枢电源电压调速弱磁调速优点：可以得到很宽的调速范围在调速范围之内的任何转速上运行调速时损耗较小，运行效率高能很好地满足生产机械对调速的要求相结合的调速方法例题3-3(P51)例题3-3(P51)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？例题3-3(P51)解：（1）弱磁调速时磁通及电枢电流的计算例题3-3(P51)因为所以即舍去例题3-3(P51)（2）最高转速的计算3.2.4调速的性能指标1．调速范围2．静差率（或称转速变化率）

——转速相对稳定性3．调速的平滑性4．恒转矩调速方式和恒功率调速方式5．调速的经济性1．调速范围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表示表达式说明电动机

nmax受电动机的换向及机械强度限制nmin受转速相对稳定性（即静差率）要求的限制1．调速范围不同的生产机械对调速范围要求也不相同例如：车床：D=20~120；龙门刨床：D=10~40机床进给机构：D=5~200；轧钢机：D=3~120造纸机：D=3~20对于一些经常轻载运行的生产机械例如精密机床等可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D2．静差率（转速变化率）

——转速相对稳定性定义指电动机在同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

表示静差率表达式式中，nN

为额定负载转矩

TL

=TN时的转速2．静差率（转速变化率）

——转速相对稳定性静差率

δ越小，转速的相对稳定性越好负载波动时，转速变化也越小生产机械调速时，为保持一定的稳定程度要求静差率

δ小于某一允许值

不同的生产机械，其允许的静差率是不同的如：普通机床

δ≤30%；起重类机械

δ≤50%精密机床

δ≤1%～5%；精度高的造纸机δ≤0.1%图3.6不同机械特性的静差率△n1△n2△n30TNTnn0nN=nmax123串电阻，n0相同特性越硬，δ越小，相对稳定性越好降电压，硬度相同n0越小，δ越大，相对稳定性越差说明希望电力拖动系统调速范围

D越大越好静差率

δ

越小越好——相对稳定性越好但

D与

δ

的取值经常会出现矛盾例如，对于改变电枢电源电压的调速方式而言D与

δ

的关系为：证明

证明：设图3.6中曲线3为对应最低电枢电源电压的机械特性曲线，则其静差率为而又

∴3．调速的平滑性定义指相邻两级转速的接近程度用平滑系数φ表示表达式说明平滑系数

φ越接近1，说明调速的平滑性越好无级调速：调速连续，级数趋于无穷，平滑性最好有级调速：调速不连续，级数有限，平滑性较差4．恒转矩调速方式

和恒功率调速方式额定运行是电机最佳运行方式容许输出转矩和功率：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下

Ia<IN，其发热不会超过允许的限度因此，额定电流是电机长期工作的利用限度充分利用：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（1）定义当电动机调速时在不同的转速，电枢电流能否总保持为额定值即电动机能否在不同转速下都得到充分利用这个问题与调速方式和负载类型的配合有关以电机在不同转速，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方式恒功率调速方式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允许输出的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此种调速方式的磁通

Φ

不随转速的改变而改变显然电枢串电阻调速改变电枢电源电压调速属于恒转矩调速方式T=CTΦIa=C①恒转矩调速方式电枢串电阻调速和降压调速时磁通Φ

=ΦN

保持不变若在不同转速下保持电流Ia=IN不变，即电机得到充分利用容许输出转矩和功率分别为：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允许输出的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恒功率调速方式允许输出的转矩

T和磁通

Φ

都会随着转速的改变而改变显然，弱磁调速属于恒功率调速方式②恒功率调速方式弱磁调速时，磁通Φ是变化的在不同转速下若保持电流Ia=IN

不变，即电机得到充分利用容许输出转矩和功率别为：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——恒功率调速他励直流电动机调速时

允许输出的转矩与功率图基速以下恒转矩调速方式电枢串电阻调速改变电枢电源电压调速基速以上恒功率调速方式弱磁调速P,Tn0PTTP上图说明：图中，T=f（n）和P=f（n）曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下（即

Ia=IN）允许输出的转矩和功率并不代表电动机实际输出的转矩和功率电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大则要看电动机拖动什么类型的负载如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用否则电机容量造成浪费注意：恒转矩调速、恒功率调速恒转矩负载、恒功率负载前者电动机本身所具有的转矩和功率输出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完全不同的概念（2）调速方式和负载类型

的匹配负载类型是一定的，不能改变电动机的调速方式可人为选择在选择调速方式时，要与负载类型配合恰当这样，所选电动机的体积较经济在不同转速下，可较充分地利用不致造成浪费——浪费是指电机的转矩和功率选的过大或长时间运行而烧坏——指电机的转矩和功率选的较小（2）调速方式和负载类型

的匹配恒转矩调速方式拖动恒转矩负载——相匹配恒功率调速方式拖动恒功率负载——相匹配

恒转矩调速方式拖动恒功率负载低速——相匹配；高速——不相匹配恒功率调速方式拖动恒转矩负载高速——相匹配；低速——不相匹配

泵类负载恒转矩调速方式恒功率调速方式——不相匹配①恒转矩调速方式

拖动恒转矩负载——相匹配电动机采用恒转矩调速方式：串电阻，或降电压如果拖动恒转矩负载运行，并且

TL=TN那么无论运行在什么转速下Ia=IN，电动机得到了充分利用则恒转矩调速方式拖动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

拖动恒功率负载——相匹配电动机采用恒功率调速方式：弱磁调速如果拖动恒功率负载运行，并且

PM=PN那么无论运行在什么转速下Ia=IN，电动机得到了充分利用则恒功率调速方式拖动恒功率负载的配合是合适的也称相匹配③恒转矩调速方式

拖动恒功率负载低速——相匹配TL=TN

→Ia=IN电动机利用充分高速——不相匹配负载：恒功率高速TL小→T

<TNΦ

=ΦNT=CTΦNIa→Ia<IN电动机利用不充分电动机容量会有所浪费只能按低速选配电动机0nminnmaxTLTr=TNTn负载特性机械特性恒转矩调速与恒功率负载的配合图Tr为电动机允许输出的转矩Tr=TN

？④恒功率调速方式

拖动恒转矩负载同理高速——相匹配低速——不相匹配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0nminnmaxTrTL=TNTn负载特性机械特性恒功率调速与恒转矩负载的配合图Tr为电动机允许输出的转矩⑤泵类负载泵类负载既非恒转矩负载类型也非恒功率负载类型调速方式恒转矩调速方式恒功率调速方式但采用电枢串电阻调速或改变电枢电源电压调速比弱磁调速合适一些——与负载性质都不相匹配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修费用……表3-1直流电动机三种调速方法的调速性能比较调速方法电枢串电阻改变电枢电源电压弱磁调速调速方向基速以下基速以下基速以上调速范围D(δ一定时)小较大小调速平滑性差好好适合负载类型恒转矩负载恒转矩负载恒功率负载设备投资少多较少电能损耗大小小静差率δ大小较小例3-4(P54)例3-4(P54)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