电机及拖动基础北方工业大学五

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。Pa三ge21降电三压启三动图3-7降压三启动降低三电源三电压三到U，启动三电流为负载三为巳三知，三根据三启动三条件三的要三求，三可以三确定三电压三的大三小。三有时三为了三保持三启动三过程三中电三磁转三矩一三直较三大及三电枢三流一三直较三小，三可以三逐渐三升高三电压U，直至三最后三升到UN。Pa三ge223.三3他三励直三流电三动机三的电三动与三制动(1三)电三动机三稳态三工作三点是三指满三足稳三定运三行条三件的三那些三电三动三机机三械特三性与三负载三转矩三特性三的交三点，三电动三机在三工作三点恒三速运三行。(2三)电三动机三运行三在工三作点三之外三的机三械特三性上三时，三电磁三转矩三与负三载转三矩不三相等三系统三处于三加速三或减三速的三过渡三过程三。(3三)他三励直三流电三动机三的固三有机三械特三性与三各种三人为三机械三特性三，分三布在三机械三特性三的四三个象三限内三。(4三)生三产机三械的三负载三转矩三特性三，有三反抗三性恒三转矩三、位三能性三恒转三矩、三泵类三等典三型负三载转三矩持三性，三也有三由几三种典三型负三载同三时存三在的三各种三负载三转矩三特性三，他三们分三布在三四个三象限三之内三。Pa三ge23他励三直流三电动三机的三电动图3-三8他励三直流三电动三机电三动运三行1.三正三向电三动运三行他励三直流三电动三机工三作点三在第Ⅰ象限三时，三如图3-三8所示三的A点和B点，三电动三机电三磁转三矩T﹥0，转速n﹥0，这种三运行三状态三称为三正向三电动三运行三。Pa三ge24他励三直流三电动三机的三电动图3-三8他励三直流三电动三机电三动运三行2.三反三向电三动运三行若拖三动反三抗性三负载三，正三转时三电动三机工三作点三在第Ⅰ象限三，反三转时三，电三动机三工作三点则三在第Ⅲ象限三，如三图3-三8所示三的C点，三这时三电动三机电三源电三压为三负值三。在三第Ⅲ象限三运行三时，三电磁三转矩T<0，转速n<0,T与n仍同三方向三，T仍为三拖动三性转三矩，三其功三率关三系与三正向三电动三运行三完全三相同三，这三种运三行状三态称三为反三向电三动运三行。他励三直流三电动三机的三电动他励三直流三电动三机的三制动制动：指通三过某三种方三法产三生一三个与三拖动三系统三转向三相反三的阻转三矩以三阻止三系统三运动三的过三程。制动三作用：它可三以维三持受三位能三转矩三作用三的拖三动系三统恒三速运三动，如三起重三类机三械等三速下三放重三物。三列车三等速三下坡三等。三也可以三用于三使拖三动系三统减三速或三停车.他励三直流三电动三机的三制动实现三制动三方法三有：机械三制动三，即三刹车三，它三是用三磨擦三力产三生阻三转矩实现三制动三的。三其特三点是三损耗三大，三多用三于停三车制三动，如起三重类三机械三的抱三闸；三电气三制动三，是三使电三动机三变直流发三电机三将系三统的三机械三能或三位能三负载三的位三能转三变为电能三，消三耗在三电枢三电路三的总三电阻三或回三馈电三网。他励三直流三电动三机的三制动电气三制动三方法三分：能耗三制动三，反三接制三动，三再生三制动三。直三流电三机正常工三作时三，出三现制三动状三态情三况分三析如三下：(1三)要求三停车切断三电枢三电源三，自三由停三车，三或小三容量三电机三切断电源三，机三械抱三闸，三帮助三停车三。(2三)降速三过程三中：在降三压调三速幅三度比三较大三时，三降速三过程三中要三经过制动三状态三。他励三直流三电动三机的三制动(3三)提升三机构三下放三重物提升三机构三下放三重物三时，三电动三机要三处于三制动三状态三。(4三)反转电动三机从三正转三变为三反转三，首三先要三制动三停车三，然三后才能三反向三起动三，从三上面三分析三可见三，制三动不三能简三单地三理解为三停车三，停三车只三是制三动过三程中三的一三种形三式而三以。Pa三ge30他励三直流三电动三机的三制动图3-三9能耗三制动三过程1.三能耗三制动1)三能三耗制三动过三程(dy三na三mi三c三br三ak三in三g三pr三oc三es三s)他励三直流三电动三机的三制动特性三方程三及制三动电三阻:特性三是一三条过三原点三的直三线，三在第三二象三限，三特性三斜率取三决于三能耗三制动三电阻Rc。他励三直流三电动三机的三制动Rc越大三，特三性越三斜，Rc越小三，特三性越三平，三但Rc不能三太小三，否三则在三制动三瞬间三会产三生过三大的三冲击三电流三，取IB=(三2~三2.三5)IN，IB为制三动瞬三间的三电枢三电流三，设三制动瞬间三电势三为EB，有三：当制三动时三转速三大于三或等三于nN时，三认为EB与U近似三相等三。Pa三ge33功率三流程三图(a三)电动三运行(b三)能耗三制动(c三)倒拉三反转三和反三接制三动(d三)回馈三制动图3-三10他励三直流三电动三机各三种运三行状三态下三功率三流程三图Pa三ge34能耗三制动三运行图3-三11能耗三制动三运行他励三直流三电动三机如三果拖三动位三能性三负载三，本三来运三行在三正向三电动三状态三，突三然采三用能三耗制三动。能耗三制动三运行能耗三制动能耗三制动三特点:(i三)制动三时U=0，n0=0，直三流电三动机三脱离三电网三变成三直流三发电三机单三独运三行，三把系三统存三储的三动能三，或三位能三性负三载的三位能三转变三成电三能(EaIa)消耗三在电三枢电三路的三总电三阻上I2(Ra+Rc).(i三i)制动三时，n与T成正三比,所以三转速n下降三时，T也下三降，三故低三速时三制动三效果三差，三为加三强制三动效三果，三可减三少Rc，以三增大三制动三转矩T，此三即多三级能三耗制三动(i三ii三)实现三能耗三制动三的线三路简三单可三靠，三当n=0时T=0三,可实三现准三确停三车。能耗三制动应用能耗三制动三多用三于一三般生三产机三械的三制动三停车三，对三于起重三机械三，能三耗制三动可三使位三能性三负载三的恒三低速三下放三，确保三生产三安全三，对三反抗三性负三载能三确保三停车三。反接三制动三过程1.电压三反接三的反三接制三动(1三)方法三：将正三在运三行的三电机三电枢三串入三制动三电阻Rc，且三电枢两三端电三压极三性改三变。三要实三现反三接制三动电三路有三两种，三一种三手动三适合三小容三量电三动机三，另三一种三是自三动线路适三合大三容量三的电三动机三采用三。Pa三ge39反接三制动三过程图3-12他励三直流三电动三机反三接制三动过三程反接三制动三停车三是把三正向三运行三的他三励直三流电三动机三的电三源电三压突三然反三接，三同时三在电三抠回三路串三入限三流的三反接三制动三电阻R来实三现的三。Pa三ge40反接三制动三接着三反向三启动图3-13反接三制动三接着三反向三启动三的机三械特三性他励三直流三电动三机拖三动反三抗性三恒转三矩负三载进三行反三接制三动的三机械三持性三如图3-三13所示三。反接三制动反接三制动方程三式为三：特性BC段为三电压三反接三制动三机械三特性三曲线三。反接三制动制动三电阻Rc的计三算反接三制动2.倒拉三反转三运行Pa三ge45倒拉三反转三运行图3-14倒拉三反转三运行他励三直流三电动三机如三果拖三动位三能性三负载三运行三，电三枢回三路串三入电三阻时三，转三速n下降三，但三是如三果电三阻值三大到三一定三程度三后，三见图3-三14所示三，就三会使三转速n<0，工作三点在三第Ⅳ象限三，电三磁转三矩T>0，与n方向三相反三，是三一种三制动三运行三状态三，称三为倒三拉反三转运三行或三限速三反转三运行三。反接三制动电阻三计算反接三制动(三1三)电压三反接三制动三时说明三从电三源吸三收电三能说明三电动三机从负三载吸三收机三械能三使电三机处三于发三电状三态，三将机三械能三转化为三电能三。上述三两部三分能三量加三在一三起消三耗在三电枢三回路三的电阻上三。反接三制动(三2三)电动三势反三接制三动时说明三从电三源吸三收电三能说明三从负三载吸三收机三械能上述三两部三分能三量全三部消三耗在三电枢三回路三的电三阻上三，其三能量关三系同三电压三及制三动时三一样三。Pa三ge49回馈三制动三运行图3-15降压三调速三时的三回馈三制动三过程（1三）正三向回三馈制三动运三行图3-三15所示三为他三励直三流电三动机三电源三电压三降低三，转三速从三高向三低调三节的三过程三。Pa三ge50回馈三制动三运行图3-三16正向三回馈三制动三运行如图3-三16所示三。负三载机三械特三性为三曲线1和曲三线2。这三样走三平路三时电三动机三则运三行在三正向三电动三运行三状态三，工三作点三为固三有机三械待三性与三曲线1的交三点A；走下三坡路三时电三动机三则运三行在三正向三回馈三运行三状态三，工三作点三为固三有机三械特三性与三曲线三2的三交点B。Pa三ge51反向三回馈三制动三运行图3-三17反向三回馈三制动三运行如果三他励三直流三电动三机拖三动位三能性三负载三，当三电源三电压三反按三时，三工作三点在三第Ⅳ象限三，见三图3-三17三(a)所示三的B点，三这时三电磁三转矩T>0，转速n<0，T与n反方三向，三称为三反向三回馈三制动三运行三。Pa三ge523.三4他三励直三流电三动机三的调三速图3-三18电枢三回路三串电三阻调三速他励三直流三电动三机的三调速三方法1．三电枢三串电三阻调三速Pa三ge53降低三电源三电压三调速图3-19降压三电源三电压三调速保持三他励三直流三电动三机磁三通为三额定三值不三变，三电枢三回路三不串三电阻三，降三低电三枢的三电源三电压三可调三节转三速，三使电三动机三拖动三负载三运行三于不三同的三转速三上，三如图3-三19所示三。Pa三ge54弱磁三调速图3-三20弱磁三调速保持三他励三直流三电动三机电三源电三压不三变，三电枢三回路三也不三串电三阻，三在电三动机三拖动三的负三载转三矩不三过分三大时三，降三低他三励直三流电三动机三的磁三通，三可以三使电三动机三转速三升高三。Pa三ge55调速三的性三能指三标图3-三21电枢三串电三阻调三速时三静差三率与三调速三范围1．三调速三范围2．静三差率3．三调速三的平三滑性4．三调速三的经三济性调速三的性三能指三标1.静差三率δ(或称三相对三稳定三性)指同三一条三机械三特性三上额三定负三载时三转速三降落Δn与理想三空载三转速n0之比三。定三义为三：调速三的性三能指三标分析:电动三机的三机械三特性三愈硬三，则三静差三率愈三小，三相对三稳定性三愈高三。生产三机械三调速三时，三为保三持一三定的三稳定三程度三，要三求静差三率δ%小于三某一三允许三值，三不同三的生三产机三械，三其允许的三静差三率是三不同三的。三如：三普通三机床δ≤3三0%三;起重三类机械δ≤5三0%三;；精三密机三床δ≤1三%～５%;精度三高的三造纸机δ≤0三.1三%调速三的性三能指三标静差三率和三机械三特性三的硬三度有三关系三，但三又有三不同三之处，三两条三平行三的机三械特三性，三硬度三一样三，β1=β2，但三静差率三不同三。图3-三22降低三电源三电压三调速三时静三差率三与调三速范三围调速三的性三能指三标2.调速三范围D定义三：指额三定负三载时三，电三力拖三动系三统可三能运三行的三最高转速nma三x与最三低转三速nmi三n之比三。其三中nma三x受直三流电三动机转三动部三分机三械强三度与三换向三条件三的限三制，nmi三n受低转速三时相三对稳三定性三的限三制。调速三的性三能指三标分析:不同三的生三产机三械对三调速三范围三要求三也不三相同三。例三：车床三：D=三20三~三12三0，龙三门刨三床：D=1三0三~三40三,机床三进给机构三：D=5三~三2三00；轨三钢机三：D=三3三~1三20三;造纸三机：D=3三~三2三0等。三对于三一些三经常三轻载三运行三的生三产机三械，例如三精密三机床三等，三可用三实际三负载三时的三最高三转速三和最三低转速三之比三计算三调速三范围D。调速三的性三能指三标调速三范围三比较调速三的性三能指三标3.平滑三性用平三滑系三数表三示调三速的三平滑三性，三定义即相三邻两三级转三速之三比。在一三定的三调速三范围三内，三调速三的级三数越三多，三认为三调速越三平滑三，相三邻两三级转三速的三接近三程度三叫调三速的三平滑性。k接近1，平三滑性三好。三通常三第i级表三示较三高的三转速，三第i-1级表三示较三低的三转速三，因三此系三数k>1，显然，三调速三的级三数越三多，k越接三近于1，调三速的三平滑性越三好。三当k=1时，三称为三无级三调速三。调速三的性三能指三标4.经济三性在考三虑技三术指三标的三同时三，还三应考三虑设三备投三资、三电能消三耗、三运行三费用三等。匹配三问题调速三时允三许输三出的三转矩三和功三率：电动三机在三额定三转速三下容三许输三出的三功率三主要三取决三于电机三的发三热，三而发三热又三主要三取决三于电三枢电三流在三调速三过程中三，只三要在三不同三转速三下电三流不三超过三额定三值IN，电三机长时三间运三行，三其发三热不三会超三过允三许的三限度三，因三此，三额定电三流是三电机三长期三工作三的利三用限三度。三电机三在调三速过三程中，三如在三不同三转速三下都三能保三持电三流Ia=IN，则三电机三利用充三分，三运行三安全三。从三合理三使用三电动三机的三角度三考虑三，提出三了调三速方三式与三负载三类型三相配三合的三问题三。匹配三问题1.恒转三矩调三速调速三过程三中保三持Ia=IN，Ф=三ФN=常数三，则T=常数电动三机允三许输三出转三矩不三变的三调速三方法三称恒三转矩三调速三。在实三际调三速时三改变三电动三机供三电电三压和三改变三电枢三回路串三入的三电阻三均属三恒转三矩调三速。三电动三机输三出功三率P=三TΩT=常数Ω三↓→P↓,即电三动机三转速三越低三，输三出功三率越三小,PΩ。匹配三问题允许三输出三转矩三和功三率匹配三问题2.恒功三率调三速调速三中，三保持Ia=IN，若Ф↓三→n↑，P=常数三。在保三持电三枢电三流接三近或三等于三额定三值条三件下三，调三速过程三中电三动机三允许三输出三功率三不变三的调三速方三法称三为恒三功率调三速。三如改三变电三动机三主磁三通Ф的调三速方三法就三属于三恒功率三调速三方法三。匹配三问题说明三：在图三中，T=f（n）和P=f（n）三曲线三表示三在保三证电动三机得三到充三分利三用的三条件三下(即Ia=IN)，允三许输三出的转矩三和功三率，三并不三代表三电动三机实三际输三出的三转矩三和功三率，电三动机三实际三输出三的转三矩和三功率三要由三它所三拖动三的负三载转矩三和负三载功三率特三性来三决定三。匹配三问题实际三上，三电动三机在三调速三时实三际输三出的三功率三和转三矩是多三大，三则要三看电三动机三拖动三是什三么类三型的三负载三。如果三配合三适当三，电三机实三际输三出即三为允三许输三出，电动三机容三量能三充分三利用三，否三则电三机容三量造三成浪三费。匹配三问题3.调速三方式三与负三载类三型配三合问三题调速三方式三与负三载类三型配三合恰三当，三所选三电动三机的三体积较三经济三。在三不同三转速三下，三可较三充分三地利三用，三不致三造成浪三费(浪费三是指三电机三的转三矩和三功率三选的三过大)，或三长时间三运行三而烧三坏。(指转三矩及三功率三选的三较小)匹配三问题匹配三：最好三的配三合方三式为三：恒三功率三负载三，采三用恒三功率三的调速三方法三。(弱磁三调速)；恒三转矩三负载三，采三用恒三转矩三的调速三方法三。(变电三压或三变串三入电三阻调三速)。这样三匹配三，使三电机三在整三个调三速范三围内三容量三能充三分利用三，且Ia=IN不变三，电三动机三的调三速转三矩与三负载三一致时，三电机三容量三能充三分利三用。匹配三问题调速三方式三与负三载类三型配三合恰三当匹配三问题(1三)恒功三率负三载与三恒转三矩调三速方三法配三合匹配三问题(2三)恒转三矩负三载与三恒功三率调三速方三法配三合他励三直流三电动三机的三四个三象限三上的三运行电动三状态三：特性三在第三一，三三象三限，三其中三第一三象限三是正三向电动状三态，三第三三象限三是反三向电三动状三态。制动三状态三：特性三在第三二，三四象三限，三其中三第二三象限三是正三向能耗，三正向三回馈三制动三，电三压反三接制三动。三第四三象限三是反向能三耗，三反向三回馈三制动三，转三速反三向反三接制三动，三处在反向三电动三状态三时进三行电三压反三接的三电压三反接三制动三。四象三限运三行分三析电力三拖动三系统三过渡三过程过渡三过程三的概三述1.稳态(静态)：指三电动三机转三矩T和负三载转三矩TL相等三。系统三静止三不动三或以三恒速三运动三的状三态。2.动态：指T与TL不相三等，三加速三或减三速状三态。三即非平衡三状态dn/dt≠0，动三态也三称过三渡过三程。转速三由n=0升至某三一转三速或三从某三一转三速升三至另一转三速的三变化三过程三均称三为过渡三过程。产生三过渡三过程三的原三因外因：例：TL变化三，或三电机三参数三变化三，引三起T变化三。内因：系三统存三在GD2，即三机械三惯性三以及三电磁三惯性三，即存三在L(电感)。GD2的存三在，三使n不能三突变三。L的存三在，三使电三流不能三突变三。若三只考三虑GD2影响三，称三机械三过渡三过程三；只考三虑L的影三响，三称电三磁过三渡过三程；三两者三都考三虑称机电三过滤三过程三。过渡三过程重点：机三械过三渡过三程，三因为三较多三的情三况下三，机三械惯量的三影响三远大三于