第2章-直流电动机传动基础

电气传动自动控制系统

ElectricalDriveandControlSystem

哈尔滨工业大学电气工程系武健E-mail:wujianhit@163.com2023年7月27日第二章直流电动机传动基础本章主要内容直流电动机机械特性固有机械特性与人工机械特性直流他励电动机机械特性的计算和绘制直流他励电动机的起动

直流他励电动机的工作状态调速的基本指标直流他励电动机的调速方法直流他励电动机调速时与负载性质的配合2.1直流电动机机械特性“电机学”中，注重电机的结构与原理，主要研究的是电机在进行能量转换时其内部的电磁过程；而“电力拖动”，则注重的是电动机的使用，主要研究的是电机的外特性。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。电动机的机械特性(Speed-TorqueCharacteristics)，是电动机产生的转矩(电磁转矩)T与其转速n之间的关系，即n=f(T)。机械特性的重要性电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。电动机的机械特性在很大程度上决定了电力拖动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。电动机机械特性的研究是“电气传动”课程的核心内容。直流他励电动机的机械特性方程式假设：电源电压为恒值磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应，电枢回路电阻为恒值。电压平衡方程（基尔霍夫定律）

电枢回路的电压平衡方程式为：U=E+IRa

U——电动机的电枢电压(V)；

E——电动机电枢绕组的感应电势(电枢电势)(V)；

I——电枢电流(A)；

Ra——电枢回路总电阻()，

Ra=ra+Rad。电机电动势直流电机的电枢电势公式为：E=Cen

Ce——电势常数;

p——电机极对数；

N——电枢绕组的有效导体数；

a——电枢绕组的并联支路对数；

——每极磁通(Wb)；

n——电动机转速(r/min)。电机的转矩

直流电机的电磁转矩公式为：T=CTI

式中： CT——转矩常数； 则有： T——电磁转矩(Nm)。直流他励电动机的机械特性方程式U=Cen+Ira直流电动机的机械特性的特点

直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线；斜率愈大，速度降落愈大，特性向下倾斜就愈明显，即称为机械特性愈“软”；特性愈平坦，机械特性愈“硬”。

机械特性分为固有机械特性定义：当电动机电枢接额定电压，正常接线，磁通为额定磁通，电枢回路无附加电阻时，电动机的机械特性称为固有机械特性。

U=UN，=N，Rad=0，Ra=ra代入机械特性，即得固有机械特性方程式为：直流电动机固有机械特性曲线直流电动机固有机械特性具有以下几个特点

其电磁转矩T越大，转速n越低，机械特性是一条下斜直线。原因是：T增大，电枢电流I与T成正比，I也增大，电枢电势E=CenN=UN-Ira，E则减小，转速n则降低。当T=0时，为固有机械特性的理想空载转速。此时I=0，E=UN。固有机械特性的斜率为：转速降为：当n=0，即电动机起动时，E=CenN=0，此时电枢电流，称为起动电流；电磁转矩T=CTNIst=Tst，称为起动转矩。直流他励电动机的固有机械特性是一条向下倾斜的直线，横跨I、II、IV三个象限，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，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。人工机械特性

1.电枢串接电阻时的人工机械特性

电枢串接电阻时，Rad0，电枢回路总电阻Ra=ra+Rad。电源电压U=UN，磁通=N，此时的人工机械特性方程式为：2.改变电源电压时的人工机械特性电枢不串接附加电阻，即Rad=0。磁通为额定磁通，即=N。只改变电源电压U。

U改变时，理想空载转速随之成正比变化；而特性斜率b不变，都与固有机械特性的相同。

3.减弱电动机磁通时的人工机械特性改变励磁回路的附加电阻Rfad，即可改变励磁电流If，从而使磁通改变。一般，电机在额定磁通下工作时，磁路已接近饱和，所以只能是减弱磁通。

人工机械特性小结电枢串接电阻和弱磁时，机械特性都变软了；

只有调压调速，才保持和固有机械特性相同的硬度；直流他励电动机机械特性的计算和绘制

直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线为了绘制其机械特性，不论是固有机械特性，还是人工机械特性，只需两点即可，即：“两点法”。

1.固有机械特性的计算和绘制

直流他励电动机的固有机械特性可以由理想空载点(0，n0)和额定工作点(TN，nN)这两点来决定。（1)首先确定理想空载点(0，n0)额定电压UN由电动机的铭牌数据可得，而CeN可由额定状态下电枢回路的电压平衡方程式求出。额定电压UN、额定电流IN以及额定转速nN都是电动机的铭牌数据，而电枢电阻ra的值在产品目录中一般并不给出。我们可以通过实测得出电枢电阻ra的值，或可以按照电机工作时的铜损来估算.给出电枢电阻ra的估算公式，即：认为在额定负载时，电枢电阻ra所引起的电枢铜损占电机全部损耗的一半到三分之二。

（2)确定额定工作点(TN，nN)

额定工作点(TN，nN)，额定转速nN是铭牌数据中给出的，只需求出额定转矩即可

CT=9.55Ce

由T=CTI可知T'N=CTNIN有了理想空载点和额定工作点，就可以绘制出直流他励电动机的固有机械特性2.人工机械特性的计算和绘制

由于直流他励电动机的人工机械特性亦是直线，所以根据人工机械特性方程式，把相应的参数代入，用与固有机械特性类似的“两点法”即可例：直流他励电动机铭牌数据为：PN=4kW，UN=220V，IN=22.7A，nN=1500r/min。电枢绕组，串联稳定绕组和换向极绕组的电阻分别为：0.56、0.037、0.245，电刷接触电压降为2V。

(1)试计算并绘制固有机械特性；

(2)当电动机为额定负载、转速为额定转速一半时，电枢回路应串多大附加电阻？并绘制该人工机械特性。解：(1)电动机的电枢电阻估算值根据工厂制造电机时所取得的数据，电枢绕组，串联稳定绕组和换向极绕组的电阻分别为：0.56、0.037、0.285。此外电刷接触电阻为式中, Ua电刷接触电压降(V)则，电枢电阻的实际值ra：ra=0.56+0.037+0.285+0.088=0.97电动机的电势常数2.2直流他励电动机的起动

电机从静止开始转动，加速到某一稳定运行速度的过程称为起动过程。直流他励电动机起动时，为了产生较大的起动转矩及不使起动后的转速过高，应该满磁起动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。因此起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，即失磁。2.2.1直流他励电动机的起动方法不采取任何措施，把直流电动机的电枢直接投入额定电压的起动，称为直接起动。直流电动机一般不允许直接起动(小容量直流电机由于ra大,可以直接起动)。原因：直流电动机在起动瞬间，n=0，则电枢反电势E=Cen=0，则此时电枢电流为，称为起动电流，亦称为短路电流或堵转电流。由于电枢内阻很小，则起动电流Ist很大，一般可达到额定电流的10～20倍。由于直接起动时的起动电流Ist很大，使换向恶化，在换向器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。Ist很大，TI，Tst也很大，对生产机械的冲击也很大。这样过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及传动系统都是有害的。

电动机负载起动的一般条件是：Ist(2~2.5)IN，因为换向最大允许电流为(2~2.5)IN。Tst(1.1~1.2)TN，这样系统才能顺利起动。直流他励电动机的起动方法有以下两种(为限制起动电流)：降压起动；电枢串接电阻起动降压起动在电动机起动时，降低电枢电压，使起动电流降低，待电动机转速逐渐升高后，再逐渐使电枢电压恢复到正常值。电枢串接电阻起动在电动机起动时，在电枢回路中串接电阻(称为起动电阻)，待电动机转速升高之后，再逐级将起动电阻切除。为使起动平稳可靠，常采用电枢回路串接电阻分级起动的方法。

Ra1=ra+Rad1+Rad2适当地选择所切除的电阻值Rad1，使切除Rad1后的电枢电流刚好等于I1，所对应的转矩为T1。在分级起动过程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T1)及切换电流I2(或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。要满足以上电枢回路串接电组分级起动的要求，起动电阻的阻值需要合适的取值。下面讨论启动电阻的计算方法。

2.2.2直流他励电动机起动电阻的计算方法推导计算起动电阻的公式对a点有对b点有对c点有因为切除电阻Rad1的瞬间，由于机械惯性nb＝nc，又由于略去电枢电感的影响，所以电流由I2突增到I1。当切除Rad2的瞬间，对d点有对e点有同理，nd＝ne，Ed＝Ee

两级起动推广为m级起动（为最大起动电流I1与切换电流I2之比）为最大起动电流与切换电流之比

每级电枢回路总电阻各级的起动电阻起动最大电流I1及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般电动机相应的转矩计算起动电阻的步骤

按电动机的铭牌数据，求出电动机的电枢电阻ra；（a）起动级数m已知时(一般可按电机容量及起动要求选定起动级数m)

先确定最大起动电流Il，一般I1=(1.5~2)IN

求出最大起动电阻Ra1，（b)算出值

求出切换电流I2，应满足I2=(1.1~1.2)IN；

3.（a）当m未知时，先选定最大电流I1及切换电流I2；

（b）求出值

（c）求出最大起动电阻Ra1

（d）算出起动级数m

（e）如得出的m不是整数，则选取与其相近的较大整数。然后用其所选之整数m，按式反过来修正值及切换电流I2值；(f)求出各级起动电枢回路总电阻

(g)求出各级起动电阻值。例：直流他励电动机的铭牌数据为：PN＝13kW，UN＝440V，IN＝33.5A，nN＝1500r／min。起动级数m＝4，试用分析法计算起动电阻。

(1)按电机的铭牌数据求出电枢电阻

(2)选取最大起动电流I1为

Il＝2IN=2×33.5＝67A

(3)求最大起动电阻Ra1

(4)

求值

(5)切换电流为

(6)求起动时各级电枢回路总电阻

(7)求起动时各级切除的电阻2.3直流他励电动机的各种工作状态电动机的工作状态按拖动性能分为电动当电机从电网取得电能，并且发出与系统运动方向一致的转矩，即为电动工作状态制动。当电机向电网回馈电能，并且发出与运动方向相反的转矩时，即为制动工作状态。在电力拖动系统中有三种不同的制动状态。回馈制动状态：将电机轴上的机械能或拖动系统存储的动能，变成电能输送到电网。反接制动状态：电机同时吸收机械能和电能，把它们消耗在电枢（转子）回路的电阻中。能耗制动状态：将机械能变成电能，把它们消耗在电枢（转子）回路的电阻中。制动工作状态的实质是电机作为发电机工作，消耗机械能。哪些情况下需要使电机工作在制动状态？迅速、准确、平稳地停车或迅速反转；由高速迅速降到低速；位能负载为获得稳定的下放速度。

电动工作状态(以位能负载为例分析)提升重物（正向电动）下放空笼（反向电动）电机产生与转速方向相同的拖动转矩，来克服负载转矩使重物提升m0为平衡锤m为重物m>m0提升重物机械特性位于第1象限A点机械特性方程

n=n0-bT负载为恒转矩电机由电网供给电能，转换为机械能（势能）下放空笼

空笼质量m’<m0

转速反向电机转矩与转速方向相同电机电枢反接工作在第3象限反向电动

回馈制动状态（提升空笼，下放重物，高速向低速变速）（1)提升空笼正向电动当到达空载转速后，工作在第2象限

BC段，T为负，n为正，制动作用电机吸收的能量为负，能量回馈

C点稳定提升回馈制动

回馈制动－－(2)（2)下放重物反向电动工作在第3象限回馈制动工作在第4象限（3)电机从高速向低速变速由弱磁工作快速恢复励磁时；迅速降低电压。小结：回馈制动提升空笼（第2象限），下放重物（第4象限）把机械能转变为电能；一部分电能消耗在电枢电阻上，其余部分电能均回馈到电网；转速均高于理想空载转速反接制动状态（1)转速反向的反接制动（2)电枢反接的反接制动（1)转速反向的反接制动正向电动当Tst<TL时，出现“倒拉”，转速与转矩方向相反系统工作于第4象限的G点，以稳定的速度下放。从电网输入的功率和由机械能转换成的电磁功率都消耗在电阻上。（2)电枢反接的反接制动Rad

阻力负载稳定在D点位能负载稳定在E点从电网输入的电功率和从机械功率转换成的电磁功率都消耗在电枢电阻上。能耗制动状态电机处于电动运行状态下，把电枢断开电源，接到制动电阻上。电动状态能耗制动状态

阻性负载稳定在O

位能负载稳定在C

能耗上优于反接制动零速时没有转矩，可以准确停车串励直流电动机的制动状态反接制动注意电枢电源和励磁电源不能同时反接。能耗制动注意励磁电流方向不能改变。没有回馈制动2.4合理选择调速方式的基本依据调速范围能否满足要求电动机的负载能力是否得到合理利用调速的平滑性原始投资和运行费用的合理支配（一）调速范围定义：额定负载转矩下电动机允许达到的最高转速与不超过工作机械允许的最大静差率所能达到的最低转速之比。显然△n愈小，s愈小，表征相对稳定性越好1、2曲线比较：机械特性越硬，则s越小；1、3曲线比较：机械特性硬度相同，但s并不一定相同；n0越大，s越小，即高速特性的相对稳定性优于低速特性。TL=TN△nN△nN123nN=nmaxnmin生产机械调速时，为保证一定的稳定性，通常要求静差率s小于某一允许值;如果低速特性的静差率s满足要求，则高转速特性一定也满足要求s和D是互相联系的两项指标，nmin取决于低速特性的静差率s，因此，D也受低速特性的静差率s的限制调速范围D和静差率s的关系（二）电动机负载能力的合理利用电动机的负载能力：即电动机的允许输出