第4章直流电动机的电力拖动

第四章直流电动机的电力拖动

本章主要介绍直流电动机的起动、调速、制动等方法和物理过程。重点：他励直流电动机起动、调速、制动的实现方法及特性4.1他励直流电动机的起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流（不超过1.5～2IN），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。起动时由于转速，电枢电动势，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。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。一、降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。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。1.起动过程二、

电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为此方法电流可以不超过限值，起动过程中起动转矩大小、起动速度、起动平稳性决定于所选择的起动级数，级数多，平稳性好，但设备复杂，初投资高。一般空载起动取m＝1～2，重载取m＝3～4。最大起动电流I1的选取原则：为满足生产机械对快速起动的要求，起动转矩要大些，但也不能太大，因为电机允许的最大电流受到换向器和机械强度的限制，一般允许最大电流I1约为I1＝（1.5～2）IN2.起动电阻的计算二、

电枢回路串电阻起动切换电流I2选取原则：既使电动机能够带负载起动，又要保证切换时的加速转矩不过小。一般I2选择范围为I2＝（1.1～1.2）INI2＝（1.2～1.5）IL。式中，称为起动电流比或起动转矩比。上列关系式中Eb＝Ec，Ed＝Ee，Ef＝Eg。将上列六个关系式两两相除，则可得（4-1）2.起动电阻的计算式中，…为第m级，第m－1级…电枢回路总电阻。（4-2）（4-3）2.起动电阻的计算将（4-4）两边同时取对数，可得Ra未知时，需估算。根据铜耗约占总损耗的

2.起动电阻的计算式中——最大起动电阻，计算起动电阻分两种情况：（1）当起动级数m为已知数时，步骤如下：

1.根据电机铭牌数据，估算电枢回路电阻Ra；

2.预选最大起动电流I1（或T1），算出，将m及Rm的3.按，计算I2，如果I2＝(1.1～1.2)IN或(1.21～1.52)IL数值代入式（4-4），算出β值；4.

按式（4-3）计算各级电阻。2.起动电阻的计算（2）当起动级数m未知时，步骤如下：

1.根据电机铭牌数据，估算电枢回路电阻Ra；

2.预选I1与I2的值，算出β和Rm的值；

3.由式（4-5）求起动级数m。如果求得的m不是整数，选取接近的整数。再将此m值代入式（4-2），修正切换电流I2的数值；

4.按式（4-3）计算各级电阻。2.起动电阻的计算【例4-1】他励直流电动机，PN=22W，UN＝220V，IN＝120A，nN＝800r/min，TL＝0.8TN，用三级起动。试求起动电阻值。解：1.估算Ra

2.预选最大电流I1，计算Rm和β

I1＝（1.5～2）IN，预选I1＝2IN＝2×120＝240A2.起动电阻的计算2.起动电阻的计算4.2他励直流电动机的制动1、制动的目的：1）使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）2、制动的方式：1）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸）一、概述2）电磁制动：当电磁转矩T与n的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当T与n方向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状态（本质）。能耗制动反接制动回馈（再生）制动注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。二、能耗制动在电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势Ea

方向不变。由Ea

产生的电枢电流IaB的方向与电动状态时Ia

的方向相反,对应的电磁转矩TB与T方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。电动制动

P1=UIa=0P2=T2Ω=T

Ω<0（忽略空载转矩）能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的机械能转换成电能，消耗在制动电阻上。能耗制动时的机械特性方程为：电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点

但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小,制动转矩也不断减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。

改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。即其中为制动瞬间的电枢电动势。C’B’三、反接制动电压反接制动时接线如图所示。1、电源反接制动电动制动开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反接制动时，将开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻RB

后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电源反接制动。机械特性方程为：曲线如图中所示。工作点变化为：。制动过程中,、、均为负，而、为正。,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路制动电阻上。DE2、倒拉反转正接制动倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。电枢回路串入较大电阻后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点制动时在电路串入一个大电阻。nT+-+-Ea+nT--Ea+倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。四、回馈制动回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现n>n0情况，此时Ea

>U，Ia反向，T

反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态（

P1=UIa<0、P2=TΩ<0）。稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈正向回馈：当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限反向回馈：电压反接制动带位能性负载进入第四象限反向电动机运行发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动制动过程为段。2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为段。回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。五、他励直流电动机的四象限运行一、调速指标：影响调速范围的因素:1）最高转速受电动机机械强度和换向等方面的制约；2）最小转速受相对稳定性限制。

4.3他励直流电动机的调速1、调速范围:

δ越小，相对稳定性越好；δ与机械特性硬度和n0有关。

2ΔnN2nmin1nTΔnN1n0nNTN2、调速的稳定性（相对稳定性）：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。n0’ΔnN331）静差率：

看出低速机械特性的静差率大，稳定性差。一般以系统的最低转速时的静差率为准。

2）D与δ的关系：

D与δ相互制约:δ越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的δ指标的前提下,要扩大D,须减少ΔnN,即提高机械特性的硬度。

3、调速的平滑性

越接近1，平滑性越好，当时，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

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用以及调速过程中的电能损耗等。

二、机械调速改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。三、电气调速

改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。电气调速方法：降压调速；电枢串电阻调速；调磁调速。调速方法：四、调速方法1、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→BB’CRa+Rs1+Rs21）原理：在电枢中串入电阻，n0不变，即电机的特性曲线变陡，使n、在相同力矩下，n。2）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。3）特点：（1）串电阻后，转速只能降低。（3）串入电阻后机械特性变软，静差率变大,所以转速的相对稳定性差；（4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围为D=1-3受到限制。）（5）电阻上的功率损耗较大，效率低，不经济。（6）调速方法简单，设备投资少。（2）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；

4）适应场合：这种调速方法适用于调速性能要求不高的中小型电机。2、降低电源电压调速TTLAA’B调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。1）原理:由机械特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。（2）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。（3）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，静差率小，调速稳定性好。（4）无论轻载还是满载，调速范围相同，可达D=2.5〜12，较广。

（5）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，电能损耗较小，故调速经济性好。（6）调压电源设备较复杂。

2）特点：（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而nU，所以调速只能向下调。3）适用场合：这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。3、减弱磁通调速A’B调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点1）原理：TTLA２）减弱磁通调速在调速过程中的变化曲线减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n注意：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。３）特点：优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，能量损耗小;

控制方便，设备简单;调速平滑性好,可以无级调速．

为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；受换向条件和机械强度的限制，转速调高的幅度不大。一般D≤2．３）适应场合：弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节。五、调速方式与负载类型的配合容许输出：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。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。当电动机调速时，在不同的转速下，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和恒功率调速。1、恒转矩调速

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。

电枢串电阻调速和降压调速时，磁通保持不变，若在不同转速下保持电流不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：

电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值----恒功率调速。

减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：

为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，应采用恒功率调速方式。2、恒功率调速4.4串励直流电动机的电力拖动

即降压调速时转速与所降电压成正比。应用:比如城市电车,为了降速,但又不能改变直流电网电压,故有时就将电车上的两台串励直流电动机串联,而每台电机的电压降一半,转速也就近似降一半。其机械特性由于ф↓使曲线上移。能耗制动时：当电源切断后，让励磁绕组1、2倒接，即“1”接电枢，“2”接RB，其作用是保持If不反向，仅Ia反向，所以T反向与n反向，迅速制动。问题：Ia↓→If↓（Φ↓

）故制动转矩T↓↓太快,制动力小。解决办法：能耗制动时，把串励绕组打开，另接一低压额定励磁电源，保证Φ不随n↓→Ea↓→Ia↓→If↓,保证了足够制动力矩，快速制停。分析：电枢反接→Ia反向（If不反向）→T反向→T与n的方向相反→迅速制动。当n=0时不切断电源→电动机将会反转进入反向电动机状态。（1）电源反接制动（2）倒拉反转反接制动串入RB→Ia↓→T<TL→n↓→n继续↓→Ea↓→Ia↑→T↑……

当n=0,T=Tk(堵转转矩)<TL→重物不再正向上升而是下落即电机反转→Ea反向。使其在-n低转速下匀速下落。4.5电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程是指系统从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。在过渡过程中，n、Ia、T均在变化，为时间的函数，其变化规律，及称为电力拖动系统运行的负载图。电力拖动系统同时存在：机械惯性、电磁惯性和热惯性。热惯性一般不予考虑。只考虑机械惯性产生的过渡过程叫做机械过渡过程，同时考虑机械与电磁两种惯性影响的过渡过程称为电气－机械过渡过程。本节只考虑机械过渡过程。一、电力拖动系统的过渡过程方程式上式为过渡过程中转速n随时间t变化的一般公式，它适用于起动、调速、制动、反转等一切机械过渡过程。应用时只需确定三个值：起始值、稳态值与机电