《电气控制与PLC》课件-2.3直流电机的启动-调速-制动

铁道机车专业教学资源库一、他励直流电动机的起动、调速、反转与制动（一）他励直流电动机的起动起动：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。起动转矩为Tst=CTφIst

如果他励直流电动机在额定电压下直接起动，由于起动瞬间n=0，Ea=0，故起动电流为：电枢电阻Ra很小，所以，直接起动电流将达到很大的数值，通常可达到（10～20）IN

后果：引起电网电压下降，影响电网上其他用户使电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构除了个别容量很小的电动机外，一般直流电动机不允许直接起动。（1）要有足够大的起动转矩。（2）起动电流要限制在一定的范围内。（3）起动设备要简单、可靠。对直流电动机的起动的要求：限制起动电流的方法：他励直流电动机：电枢回路串电阻起动降低电枢电压起动起动时应保证电动机的磁通为最大值，以使转矩较大1．电枢回路串电阻起动起动前，应使励磁回路调节电阻Rst=0，对于普通直流电动机，一般要求

Ist≤（1.5～2）IN

为了缩短起动时间，保持电动机在起动过程中的加速不变，应将起动电阻平滑地切除，最后使电动机转速达到运行值。采用三级电阻起动时电动机的电路原理图及其机械特性起动点，Ist和Tst都为最大值转速逐步上升串入全部电阻逐级切除电阻稳定运行点2．降压起动当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。降低U起动n↑，Ea↑Ia↓逐渐提高电源电压，保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。特点：需要专用电源，设备投资较大起动平稳，起动过程中能量损耗小（二）他励直流电动机的调速调速：机械调速:电气调速:改变传动机构速比改变电动机参数,人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。由得调速方法：改变电压U减弱磁通φ电枢回路串电阻1．评价调速的指标（1）调速范围电动机在额定负载下可能运行的最高转速与最低转速之比，通常又用D表示:受电动机的机械强度、换向条件、电压等级等方面的限制受到低速运行时转速的相对稳定性的限制（2）静差率（相对稳定性）负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好不同机械特性的静差率静差率与调速范围两个指标是相互制约,电动机的范围D与最低转速是的静差率关系:最低转速机械特性上的转速降最低转速时的静差率（3）调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，即调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数：φ→1，则平滑性好，当φ

=1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）调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2．调速方法（1）电枢回路串电阻调速设电动机拖动恒转矩负载原运行于A点，串电阻后对应的运行点为B，C点。恒转矩负载时电枢串电阻调速过程

缺点：（1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差。（2）低速是特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差。电枢串电阻调速的优点:设备简单，操作方便；

缺点：（3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≤2。（4）如果负载转矩保持不变，则调速后输出功率（P2∝TLn）随转速的下降而减小，此时效率较低。而且转速越低，所串电阻越大，损耗越大，效率越低，所以这种调速方法是不太经济的。

（2）降低电源电压调速电压越低，稳态转速也越低电压从UN下降至U1再降至U2,转速从nN降至n1再降至n2。降压调速的优点：（1）电源电压能够平衡调节，可以实现无级调速；（2）调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好；（3）无论轻载还是重载，调速范围相同，一般可达D=2.5～12；（4）电能损耗较小。降压调速的直流电源：G—M系统示意图SCR—M系统示意图（3）减弱磁通调速改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速。减弱磁通调速Φ2<Φ1<ΦN恒转矩负载时弱磁通调速过程在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，而且调速平滑性好。虽然弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此弱磁调速的经济性比较好.弱磁调速的优点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不可能很大，一般D≤2。弱磁调速的缺点：[例1]

一台他励直流电动机的额定数据为UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r/min，Ra=0.4Ω，保持额定负载转矩不变，求：（1）电枢回路串入1.65Ω电阻后的稳态转速；（2）电源电压降为110V时的稳态转速；（3）磁通减弱为90%ΦN时的稳态转速。[解]（1）因为负载转矩不变，且磁通不变，所以Ia不变。（2）与（1）相同，Ia=IN不变（3）因为所以（三）他励直流电动机的反转反转方法：改变Φ的方向改变Ia的方向（四）他励直流电动机的制动电动状态：Tem与n方向相同制动状态：Tem与n方向相反电动机的两种运行状态：回馈制动制动：能耗制动反接制动1．能耗制动运行时与电源连接；制动时连接电阻RB制动转矩和转速n方向相反制动运行时，电机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电机停止转动为止。能耗制动时的机械特性理想空载转速为零斜率原运行于A点制动时，对于反抗性负载将经B点到达O点停下来。对位能性负载将达到C点。通常限制最大制动电流不超过2～2.5倍的额定电流。制动电阻的选取：能耗制动操作简单，但转速低时，制动弱。可在转速较小时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。[例2]

一台他励直流电动机的铭牌数据为PN=10kW，UN=220V，IN=53A,nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，电枢电流最大允许值为2IN。（1）电动机在额定状态下进行能耗制动，求电枢回路应串接的制动电阻值。（2）用此电动机拖动起重机，在能耗制动状态下以300r/min的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路应串入多大的制动电阻？Ea=UN−RaIN=(220−0.353)V=204.1（V）[解]（1）制动前电枢电动势为应串入的制动电阻值为：（2）因为励磁保持不变，则下放重物时，转速为n=−300r/min，由能耗制动的机械特性2．反接制动（1）电压反接制动IaB产生很大的反向电磁转矩TemB，从而产生很强的制动作用。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB

Imax=(2～2.5)IN

故电压反接制动时的机械特性U=−UN，Φ＝ΦN，R=Ra+RB条件下的一条人为特性当制动的目的就是为了停车时，那么在电机转速接近于零时，必须立即断开电源。反接制动过程电压反接制动时的机械特性U=−UN，Φ＝ΦN，R=Ra+RB条件下的一条人为特性反接制动过程反接制动时，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全部消失在电枢回路的电阻（Ra+RB）上，其能量损耗很大。（2）倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载在电枢回路串入较大电阻下放速度决定于所串电阻3．回馈制动电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动机拖动的机车下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变：由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，电机处于发电状态。机车恒速下坡重物匀速下放降压调速时产生回馈制动增磁调速时产生回馈制动由于转速不能突变在降压时形成的回馈制动回馈制动二、串励直流电动机的起动、调速、反转与制动（一）串励电动机的起动、调速和反转起动方法：电枢串电阻起动降低电源电压起动Tem∝Ia2串励电动机的起动转矩较大，适用于重载起动的生产机械上，例如起重、运输设备等。串励电动机调速：也是采用电枢串电阻、降压和弱磁三种调速方法。其中电枢串电阻调速比较常用，弱磁调速用得较少。反转方法：改变Φ的方向改变Ia的方向

由于串励电动机的电枢绕组和励磁绕组串联，要单独改变一个电流的方向，则每个绕组的接线端必须引出。不能采用单独变外部电源极性的方法。（二）串励电动机的制动要使Ea＞U，转速将高达不能允许的数值，故串励电动机不存在回馈制动状态。制动方法：能耗制动反接制动1．能耗制动串励电动机的能耗制动分为他励式和自励式两种。

串励电动机的他励式能耗制动因为Rf小，必须串入较大的限流电阻

必须保证If方向不变制动段制动段

必须改接串励绕组n下降，制动转矩下降很快制动效果变弱，制动时间长且制动不平稳。主要用于事故停车（不需电源）2．反接制动电压反接制动、倒拉反转反接制动不能改变电压极性，可以电枢绕组反接。制动段在C点应切断电源，否则电动机将反向起动到D点串励电动机倒拉反接制动适用于位能性负载。保持电压极性不变，电枢回路串入一个较大的电阻RB，使电动机倒拉反转。

起始运行点

反接制动稳定运行点三、复励直流电动机的的起动、调速与制动串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同积复励电动机的机械特性: