电机及拖动基础北方工业大学一五

电机与拖动基础

Page2第三章直流电机的电力拖动Page3本章教学基本要求1.掌握他励直流电动机的机械特性，能绘制固有机械特性曲线和人为机械特性曲线；2.掌握他励直流电动机的串电阻启动方法，并能设计与计算启动电阻；3.掌握他励直流电动机的电动与制动；4.掌握他励直流电动机的电枢串电阻调速、调电压调速等方法；5.熟悉调速方法与负载性质的匹配问题。Page4重点

他励直流电动机拖动系统的启动、制动、调速运行基本规律。

Page53.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式

(3-1)

Page63.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式

式中为T=0时的转速，称为理想空载转速；

2F+=TeaCCRRb

是机械特性的斜率。

Page73.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的转速n随转矩T的增大而降低。即负载时转速低于理想空载转速n0，负载时转速下降的数值称为转速降，用△n表示为

Page83.1他励直流电动机的机械特性

显然，△n与β成正比，当β越大，n就越大。通常称β值大的机械特性为软特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响大，那么系统抗干扰能力弱；β值小的机械特性为硬特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响小，那么系统抗干扰能力强。对于一个恒速运行的系统，我们总希望值β越小越好。Page9固有机械特性

当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，即,,这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。其表达式为(3-2)，

，

，

Page10固有机械特性图3-1他励直流电动固有机械特性他励直流电动机固有机械特性是一条下斜直线，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力体现，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。

Page11人为机械特性图3-2电枢串电阻人为机械特性他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。主要人为机械特性有三种。

1.电枢回路串电阻的人为机械特性(3-3)电枢加额定电压UN，每极磁通为额定值FN，电枢回路串入电阻R后，机械特性表达式为Page12人为机械特性图3-3

改变电枢电压人为机械特性2．改变电枢电压的人为机械特性(3-4)

保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为Page13人为机械特性图3-4减少每极磁通人为机械特性3.减少气隙磁通量的人为机械特性电枢电压为额定值不变，电枢回路不串电阻时，仅改变每极磁通的人为机械特性表达式为(3-5)

Page14人为机械特性图3-5电枢反应有去磁效应时的机械特性电枢反应表现为去磁效应，使机械特性出现上翘现象，如图3-5所示。

Page15根据电机的铭牌数据绘制机械特性

1.固有机械特性的绘制(1)估算EaN或实测Ra；(2)计算CeFN；(3)求n0；(4)计算TN

。在坐标纸上标出(0,n0)，(TN,nN)两点，过此两点联成直线，即为该直流电动机的固有机械特性。Page16根据电机的铭牌数据绘制机械特性

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，只要把相应的参数代入相应的人为机械特性方程式即可。

Page173.2他励直流电动机的启动

系统启动的要求

他励直流电动机启动时，为了产生较大的启动转矩及不使启动后的转速过高，应该满磁通启动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。因此启动时励磁回路不能串电阻。而且绝对不允许励磁回路出现断路。

Page18启动方法图3-6

电枢回路串电阻启动1．电抠回路串电阻启动电抠回路串电阻R，启动电流为Page19电抠回路串电阻启动1)分级启动电阻的计算点点点点点点设对应转速n1、n2和n3时，电动势分别为Ea1、Ea2和Ea3、则有：

Page20电抠回路串电阻启动2)计算各级启动电阻的步骤

（1）估算或测出电枢回路电阻Ra；（2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；（3）选取启动级数m；（4）计算启动电流比：,m取整数；（5）计算转矩：T2=T1/β校验T2≥（1.1~1.2）TL；如果不满足，应另选T1或值m并重新计算，直到满足该条件为止；（6）计算各级启动各级电阻和分段电阻。Pag月e21降电压启兵动图3-7降压启闸动降低电源精电压到U，启动电宽流为负载为企巳知，子根据启肝动条件好的要求专，可以恼确定电钳压的大欠小。有循时为了过保持启拉动过程待中电磁丛转矩一翅直较大幸及电枢拌流一直只较小，烘可以逐浑渐升高妙电压U，直至最后唯升到UN。Pag皱e223.3他面励直流电恋动机的电抽动与制动(1)电寒动机稳态令工作点是纵指满足稳买定运行条某件的那些饥电动呈机机械特跳性与负载腥转矩特性奏的交点，植电动机在脊工作点恒幼速运行。(2)括电动机捷运行在号工作点秒之外的碍机械特志性上时敢，电磁姐转矩与徒负载转章矩不相负等系统摇处于加洁速或减亩速的过协渡过程帖。(3)杜他励直洞流电动田机的固烛有机械令特性与教各种人驾为机械期特性，泊分布在短机械特鬼性的四谱个象限犯内。(4)生浅产机械的注负载转矩猎特性，有炎反抗性恒妇转矩、位礼能性恒转迅矩、泵类甜等典型负伟载转矩持告性，也有移由几种典简型负载同青时存在的惕各种负载此转矩特性转，他们分班布在四个其象限之内梅。Page23他励直降流电动浊机的电饮动图3-8他励直罩流电动佩机电动薪运行1.正萌向电动运件行他励直流珠电动机工盾作点在第Ⅰ象限时，予如图3-8所示的A点和B点，电聪动机电浴磁转矩T﹥0，转速n﹥0，这种运行灯状态称为萍正向电动偿运行。Pag石e24他励直流论电动机的诉电动图3-8他励直匆流电动座机电动敲运行2.反放向电动运列行若拖动反朽抗性负载仁，正转时巷电动机工势作点在第Ⅰ象限，反悼转时，电江动机工作勤点则在第Ⅲ象限，如刻图3-8所示的C点，这酿时电动行机电源票电压为忍负值。亿在第Ⅲ象限运耗行时，埋电磁转伸矩T<0，转速n<0,T与n仍同方向临，T仍为拖动长性转矩，壤其功率关愚系与正向位电动运行象完全相同否，这种运凯行状态称壳为反向电淋动运行。他励直容流电动亭机的电阅动他励直流挥电动机的芝制动制动：指通过腿某种方很法产生到一个与是拖动系招统转向削相反的阻转矩景以阻止躬系统运粪动的过殿程。制动作困用：它可以常维持受用位能转罩矩作用迹的拖动艳系统恒膝速运动，如起烛重类机驼械等速惑下放重个物。列踪蝶车等速素下坡等熄。也可以用妹于使拖门动系统汇减速或牲停车.他励直牙流电动耳机的制浓动实现制动东方法有：机械制维动，即固刹车，坦它是用壁磨擦力衡产生阻醉转矩实现制促动的。贱其特点忠是损耗毅大，多押用于停脾车制动剩，如起重培类机械蔽的抱闸氧；电气虫制动，谜是使电鲜动机变俩直流发电嫂机将系遍统的机归械能或黄位能负俭载的位愚能转变买为电能，消望耗在电枢由电路的总嚷电阻或回孝馈电网。他励直流味电动机的肯制动电气制动沾方法分：能耗制动著，反接制堂动，再生赵制动。直镰流电机正常工作时含，出现制窃动状态情拢况分析如防下：(1)要求停车切断电段枢电源稀，自由皆停车，肥或小容祥量电机味切断电源，浙机械抱鞋闸，帮示助停车希。(2)降速过严程中：在降压目调速幅裙度比较禁大时，炎降速过托程中要异经过制动状态油。他励直流倚电动机的勤制动(3)提升机舍构下放美重物提升机概构下放左重物时怒，电动精机要处捐于制动生状态。(4)反转电动机材从正转会变为反籍转，首谢先要制牢动停车滑，然后才能反亏向起动营，从上谅面分析廉可见，租制动不呢能简单璃地理解为停车塌，停车只和是制动过慨程中的一文种形式而娘以。Page30他励直权流电动筛机的制叛动图3-9能耗制动定过程1.能朋耗制动1)你能耗制欺动过程(dyn裳ami旧cb训rak己ing晶pr葡oce唤ss)他励直流循电动机的茄制动特性方乘程及制遮动电阻:特性是一倘条过原点匀的直线，高在第二象汪限，特性排斜率取决哀于能耗偷制动电愈阻Rc。他励直楼流电动永机的制薯动Rc越大，特虑性越斜，Rc越小，棚特性越跳平，但Rc不能太小警，否则在秀制动瞬间恩会产生过鼻大的冲击鹅电流，取IB=(2震~2.惠5)IN，IB为制动旦瞬间的炭电枢电狼流，设蔑制动瞬间电势肺为EB，有：当制动时诉转速大于潜或等于nN时，认僻为EB与U近似相野等。Pag刚e33功率流程乖图(a)电动运行(b)能耗制碑动(c)倒拉反它转和反此接制动(d)回馈制在动图3-1刷0他励直薪流电动减机各种眼运行状竹态下功燥率流程杨图Page34能耗制乔动运行图3-1会1能耗制动役运行他励直流笔电动机如携果拖动位阴能性负载刑，本来运梨行在正向某电动状态烦，突然采之用能耗制慈动。能耗制剖动运行能耗制引动能耗制厅动特点:(i)制动时U=0，n0=0，直流仪电动机锯脱离电醋网变成还直流发飞电机单笨独运行绘，把系窜统存储泛的动能嗓，或位使能性负洽载的位篮能转变讽成电能(EaIa)消耗在电奇枢电路的舟总电阻上I2(Ra+Rc).(ii肉)制动时乔，n与T成正比,所以转帽速n下降时疲，T也下降，诱故低速时缝制动效果醒差，为加受强制动效没果，可减宋少Rc，以增粥大制动私转矩T，此即多老级能耗制侮动(iii展)实现能耗用制动的线尿路简单可弦靠，当n=0时T=0,可实现轧准确停秃车。能耗制嗓动应用能耗制动塔多用于一蜂般生产机辰械的制动体停车，对返于起重机轧械，能班耗制动条可使位驾能性负候载的恒尺低速下白放，确保生哄产安全肾，对反中抗性负必载能确奴保停车汪。反接制天动过程1.电压反聪接的反磨接制动(1)方法：将正在珠运行的偿电机电素枢串入锄制动电菠阻Rc，且电枢两端电狱压极性改介变。要实摄现反接制傍动电路有亚两种，一据种手动与适合小特容量电绪动机，诞另一种访是自动奔线路适合大仔容量的电耳动机采用耍。Page39反接制动呜过程图3-12他励直流讨电动机反挂接制动过径程反接制守动停车却是把正跃向运行缓的他励杜直流电加动机的霉电源电滋压突然鼻反接，奋同时在身电抠回臣路串入盯限流的焰反接制滴动电阻R来实现则的。Page40反接制核动接着皇反向启读动图3-13反接制终动接着练反向启甩动的机廊械特性他励直岂流电动毛机拖动暑反抗性激恒转矩志负载进培行反接阿制动的龙机械持桥性如图3-13所示。反接制动反接制净动方程式为缘瑞：特性BC段为电压拾反接制动毫机械特性聋曲线。反接制动制动电阻Rc的计算反接制动2.倒拉反悦转运行Pag其e45倒拉反转脾运行图3-14倒拉反转协运行他励直职流电动豪机如果枣拖动位错能性负延载运行窃，电枢瞎回路串罢入电阻旁时，转演速n下降，但护是如果电务阻值大到颗一定程度台后，见图3-14所示，就定会使转速n<0，工作点毅在第Ⅳ象限，疼电磁转债矩T>0，与n方向相反你，是一种与制动运行母状态，称燃为倒拉反可转运行或补限速反转乔运行。反接制仓动电阻计及算反接制动(1蛮)电压反尺接制动忽时说明从电纤源吸收电哀能说明电状动机从负载吸店收机械能谜使电机处根于发电状滴态，将机插械能转化为电能漆。上述两部宣分能量加痒在一起消上耗在电枢般回路的电阻上。反接制动(2撇)电动势反域接制动时说明从洋电源吸晴收电能说明从阳负载吸隐收机械鹅能上述两部叛分能量全思部消耗在设电枢回路谱的电阻上喂，其能量关系同甜电压及制衰动时一样题。Pag亚e49回馈制桃动运行图3-15降压调速梅时的回馈芦制动过程（1）正慨向回馈制鱼动运行图3-1疤5所示为他仔励直流电多动机电源年电压降低遥，转速从买高向低调沃节的过程汗。Pag题e50回馈制动虑运行图3-1乘6正向回任馈制动拘运行如图3-1扬6所示。负岂载机械特罗性为曲线1和曲线2。这样走赶平路时电傻动机则运走行在正向阴电动运行末状态，工捞作点为固洋有机械待仪性与曲线1的交点A；走下坡路耀时电动机么则运行在魂正向回馈无运行状态型，工作点长为固有机训械特性与回曲线2的矩交点B。Pag恶e51反向回廉馈制动醋运行图3-1威7反向回馈录制动运行如果他志励直流张电动机视拖动位跨能性负候载，当国电源电茄压反按洪时，工帐作点在旋第Ⅳ象限，见熊图3-1倚7(a)所示的B点，这时茄电磁转矩T>0，转速n<0，T与n反方向，术称为反向炉回馈制动鬼运行。Page523.4霞他励直额流电动狱机的调勿速图3-18电枢回何路串电危阻调速他励直流虑电动机的底调速方法1．电道枢串电荡阻调速Pag警e53降低电嘴源电压裙调速图3-19降压电源涉电压调速保持他励进直流电动街机磁通为很额定值不抹变，电枢令回路不串吧电阻，降姓低电枢的悠电源电压仁可调节转脊速，使电只动机拖动贞负载运行避于不同的没转速上，拨如图3-1扫9所示。Pag偷e54弱磁调贯速图3-20弱磁调速保持他励榆直流电动污机电源电本压不变，屑电枢回路翠也不串电县阻，在电奸动机拖动砌的负载转沫矩不过分肺大时，降千低他励直减流电动机刊的磁通，宗可以使电由动机转速坐升高。Page55调速的秒性能指亲标图3-2血1电枢串电页阻调速时婶静差率与楼调速范围1．调速胆范围2．静差率3．调速碎的平滑性4．调速崖的经济性调速的性浑能指标1.静差率δ(或称相咱对稳定倚性)指同一条眨机械特性撞上额定负岭载时转速蠢降落Δn与理想空昼载转速n0之比。定晨义为：调速的性歼能指标分析:电动机悟的机械于特性愈喷硬，则勉静差率思愈小，毯相对稳定性愈标高。生产机奥械调速皂时，为歼保持一苹定的稳隐定程度鄙，要求静差率δ%小于某持一允许语值，不军同的生虽产机械肆，其允许的静差庸率是不同从的。如：贝普通机床δ≤30%盛;起重类机械δ≤50断%;；精密厘机床δ≤1%～５%;精度高的拌造纸机δ≤0.1洽%调速的性侵能指标静差率和疫机械特性晕的硬度有搭关系，但磨又有不同详之处，两贷条平行门的机械摧特性，蛙硬度一吓样，β1=β2，但静差率不同基。图3-22降低电池源电压振调速时蹲静差率用与调速逐范围调速的释性能指诉标2.调速范围D定义：指额定负祝载时，电趣力拖动系果统可能运椒行的最高转速nmax与最低渔转速nmin之比。其顶中nmax受直流灵电动机转动眨部分机泊械强度博与换向抛条件的砖限制，nmin受低转速时感相对稳庆定性的累限制。调速的凶性能指跳标分析:不同的嗓生产机讨械对调捧速范围查要求也木不相同贞。例：车床：D=2耗0~公120，龙门地刨床：D=10摩~40哭,机床进给机构：D=5~护200；轨钢垫机：D=3茫~1炼20付;造纸机厅：D=3~珍20等。对莫于一些文经常轻随载运行淡的生产宅机械，例如精蛋密机床势等，可宫用实际路负载时戚的最高征转速和能最低转速之纺比计算援调速范拨围D。调速的胆性能指持标调速范拖围比较调速的絮性能指服标3.平滑性用平滑箩系数表覆示调速依的平滑罩性，定膏义即相邻购两级转慌速之比族。在一定奖的调速略范围内盛，调速架的级数蔽越多，唇认为调速越平滑字，相邻两灰级转速的门接近程度剩叫调速的服平滑性。k接近1，平滑性灿好。通常尼第i级表示慰较高的绩转速，第i-1级表示较蚊低的转速园，因此系怨数k>1，显然，调斯速的级雀数越多震，k越接近遗于1，调速驳的平滑性越好。赢当k=1时，称嫂为无级汽调速。调速的逝性能指放标4.经济性在考虑技茧术指标的吵同时，还猾应考虑设支备投资、吵电能消耗、案运行费用米等。匹配问题调速时永允许输惑出的转垫矩和功遭率：电动机储在额定协转速下墙容许输雁出的功扬率主要恨取决于电机的发锅热，而发缩慧热又主要闹取决于电揪枢电流在玻调速过程中，只狱要在不同决转速下电举流不超过叫额定值IN，电机长时间仙运行，镰其发热伸不会超嚼过允许妥的限度幕，因此拦，额定电流靠是电机眨长期工朗作的利煌用限度秤。电机荣在调速角过程中，如在来不同转速鹅下都能保学持电流Ia=IN，则电阶机利用充分，至运行安全凯。从合理哄使用电动磨机的角度认考虑，提出了乡丰调速方颈式与负齐载类型睡相配合弯的问题产。匹配问题1.恒转矩含调速调速过恨程中保另持Ia=IN，Ф=ФN=常数，勒则T=常数电动机刻允许输鞋出转矩孕不变的柔调速方锈法称恒保转矩调跃速。在实际调昂速时改变把电动机供窄电电压和艰改变电枢墙回路串入的扒电阻均属炊恒转矩调唇速。电动竞机输出功场率P=TΩT=常数Ω↓晌→P↓,即电动机肉转速越低枣，输出功凝率越小,PΩ。匹配问题允许输出巩转矩和功猾率匹配问题2.恒功率调纺速调速中，鄙保持Ia=IN，若Ф↓→n↑，P=常数。在保持擦电枢电桶流接近子或等于州额定值痛条件下识，调速过程中锹电动机稠允许输岁出功率押不变的傻调速方捧法称为里恒功率调速。唐如改变电滔动机主磁奔通Ф的调速方笔法就属于糖恒功率调速个方法。匹配问汽题说明：在图中择，T=f（n）和P=f（n）曲线锈表示在保展证电动机得尸到充分利壮用的条件替下(即Ia=IN)，允许劣输出的转矩和功步率，并不恩代表电动许机实际输插出的转矩杯和功率，电动机泳实际输出深的转矩和紧功率要由斯它所拖动屿的负载转矩和负际载功率特台性来决定吃。匹配问肺题实际上，劈燕电动机在锅调速时实蓝际输出的饥功率和转押矩是多大分，则要宏看电动匙机拖动按是什么薪类型的显负载。如果配合脂适当，电筑机实际输越出即为允攻许输出，电动机鼠容量能爹充分利装用，否树则电机贷容量造稿成浪费冷。匹配问题3.调速方式牲与负载类有型配合问摄题调速方案式与负茂载类型再配合恰升当，所腐选电动破机的体积较经徒济。在甚不同转夫速下，票可较充隔分地利校用，不怨致造成浪费(浪费是指化电机的转仁矩和功率错选的过大)，或长时间运呀行而烧杂坏。(指转矩及秒功率选的朴较小)匹配问罚题匹配：最好的工配合方挺式为：站恒功率茅负载，把采用恒红功率的调速方法年。(弱磁调速)；恒转适矩负载街，采用夕恒转矩快的调速方法盈。(变电压或简变串入电寺阻调速)。这样匹撤配，使察电机在渠整个调拳速范围胆内容量喜能充分利用，霉且Ia=IN不变，电报动机的调幸速转矩与薯负载一致时，电机冶容量能充赔分利用。匹配问题调速方式友与负载类敌型配合恰师当匹配问船题(1)恒功率负构载与恒转氏矩调速方犁法配合匹配问题(2)恒转矩掉负载与捏恒功率通调速方毅法配合他励直述流电动贝机的四阶个象限象上的运杠行电动状态锁：特性在第民一，三象针限，其中争第一象限汁是正向电动状态，块第三象限粉是反向电盟动状态。制动状态秒：特性在画第二，涉四象限架，其中幅第二象捆限是正娇向能耗，正冤向回馈泽制动，列电压反时接制动视。第四闷象限是裹反向能耗亲，反向读回馈制姑动，转枝速反向乳反接制冶动，处斧在反向电沫动状态扁时进行洗电压反利接的电然压反接截制动。四象限运寨行分析电力拖动今系统过渡指过程过渡过幅程的概藏述1.稳态(静态)：指电识动机转衬矩T和负载转红矩TL相等。系统静注止不动郑或以恒胸速运动摩的状态带。2.动态：指T与TL不相等馅，加速帝或减速拢状态。艺即非平衡状阅态dn/dt≠0，动态邮也称过叔渡过程滋。转速由n=0升至某一薄转速或具从某一轻转速升果至另一转速的拥变化过程格均称为过渡过幕程。产生过退渡过程史的原因外因：例：TL变化，或节电机参数敌变化，引浑起T变化。内因：系统存缠在GD2，即机械张惯性以及吉电磁惯性确，即存在L(电感)。GD2的存在，赛使n不能突决变。L的存在，娃使电流不能突马变。若辛只考虑GD2影响，得称机械滚过渡过版程；只考虑L的影响，侵称电磁过托渡过程；雾两者都考团虑称机电过引滤过程票。过渡过程