电机及拖动基础 第5版 课件 胡幸鸣 第0-2章 绪论、直流电机、直流电动机的电力拖动

电机及拖动基础(4版)绪论一、电机的分类、作用及发展

1、电机的分类、作用

电机——利用电磁感应定律和电磁力定律。将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电源的产生、变换、传送、分配、使用都要用到各类电机。电能的产生——变换——传送│使用电机按功能用途分类如下：常规电机控制电机电动机发电机直流电动机交流电动机电机变压器直流发电机交流发电机异步电动机同步电动机电机在国民经济各个领域中起着重要作用异步发电机同步发电机2、电机工业的发展电机工业的发展，与科技发展密切相关，从1831年法拉第发现电磁感应现象起，它的历史至今尚不到200年。我国的电机工业，从新中国成立以来的70多年间，建立了独立自主的完整体系。近些年来，随着对电机新材料的研究并在电机设计、制造工艺中利用计算机技术，普通电机的性能更好、运行更可靠；而控制电机的高可靠性、高精度、快速响应使控制系统完成各种人工无法完成的快速复杂的精巧运动。一、电机的分类、作用及发展

电力拖动——以电动机为动力拖动生产机械的拖动方式。电力拖动系统的起动、制动、反转、调速的控制简单方便、快速性好且效率高。由于电动机的类型多，有不同的运行特性，加上计算机技术、自动控制技术的发展，满足了各种类型的生产机械的拖动要求。

二、电力拖动的优点及发展趋势三、本课程内容和要求本课程是《电机原理》、《电力拖动基础》两大部分内容的有机结合。学习直流电机、变压器、异步电动机、和控制电机的基本理论和电力拖动的基本原理，并通过实验或实训，熟悉常用电机的基本结构、基本工作原理；掌握直流电动机和三相异步电动机的起动、制动、调速的电力拖动基本原理及相关计算；了解单相异步电动机、控制电机的特点和用途。四、本课程特点及学习方法

本课程既有基础性又有专业性。它是运用《电工基础》等基础课程的基本理论来分析研究各类电机内部的电磁物理过程，从而得出各类电机的一般规律及其各异的特性。但它与《电工基础》等基础程课的性质不同。在《电机及拖动基础》课程中，不仅有理论的分析推导，磁场的抽象叙述，而且还要用基本理论去分析研究比较复杂的又往往带有机、电、磁综合性的工程实际问题。这是学习本课程的特点，也是难点。四、本课程特点及学习方法学习过程中，对电机结构要结合实物弄清各主要部件的组成和作用；要从物理概念上去理解和记忆有关公式而不要死记硬背；要从物理意义上去弄懂各章节例题的解题步骤，并学会解一反三；要注意各种电机的结构的异同点、电磁关系的异同点、能量转换关系的异同点、拖动问题的异同点等，运用总结对比的方法，融会贯通，加深理解。课前应预习，便于有的放矢地听课；课后应及时复习和小结、完成相应的课外作业，以提高学生的理解和运算能力。需进行必要的实验和实习，一是对基本原理和理论进行验证，二是培养学生独立工作能力，提高实验操作技能和动手能力。相关网站中国电机网/中国变压器行业信息网/webpage/default.asp微电机网/index/index.asp第一章直流电机第一章直流电机直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流发电机：机械能——直流电能直流电动机：直流电能——机械能直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，但结构复杂，成本高，运行维护较困难。主要应用于起动和调速要求较高的生产机械中，如金属切削机床，轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中。本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性（以直流电动机为重点）。第一节直流电机的基本工作原理与结构一、直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理基于电磁感应原理：e=Blv,右手定则：判断e的方向产生磁场：（N、S极）运动导线ab、cd切割磁场线圈感应电动势——交变换向整流——电刷间输出直流电动势直流发电机的工作原理模型例1-1

如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。+-NS注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。2、直流电动机的基本工作原理基于电磁力定律：f=Bli,左手定则：判断f的方向载流导体ab、cd在磁场中产生电磁力f形成电磁转矩带动转子旋转换向器作用：在发电机中起整流作用，使线圈中的交变电动势——电刷间的直流电动势。在电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电——线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。直流电动机工作原理模型例1-2

电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。-+ffn改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图3、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。电机的实际运行方式由外施条件决定：二、直流电机的基本结构直流电动机的外形图（自带鼓风机的Z4系列）图中上为鼓风机，下为直流电动机二、直流电机的基本结构直流电动机的内部结构图1-端盖2-风扇3-机座4-电枢5-主磁极6-电刷架7-换向器8-接线板9-接线盒1-电枢铁心2-主磁极铁心3-励磁绕组4-电枢齿5-换向极绕组6-换向极铁心7-电枢槽8-底座9-电枢绕组10-极掌(极靴）11-机座（磁轭)二、直流电机的基本结构直流电机的径向剖面图二、直流电机的基本结构静止部分:定子旋转部分:转子中间有气隙电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。作用主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等作用感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等主磁极1、定子部分产生磁场，N、S相隔，用p表示极对数主磁极由图中的2-磁极铁心和3-励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.反映主极磁场的磁力线经主磁极的N极-气隙-电枢齿-电枢磁轭-电枢齿-气隙-定子齿轭-（回到）N极，形成闭合的磁回路机座导磁和机械支撑作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成1-刷握2-铜丝辫3-压紧弹簧

4-电刷块（石墨材料）换向极电刷作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出2、转子部分材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。

作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。电枢铁心铁心冲片上层有效边端接部分端接部分下层有效边线圈首端线圈尾端作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。电枢线圈电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接形成。其并联支路对数用a表示。单叠绕组：a=p单波绕组：a=1单波、单叠绕组联接示意图换向器材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。作用：实现电刷内外交直流的转换。由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。3、气隙作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。小型电机气隙约为0.7～5mm；大型电机气隙可达5～10mm。三、直流电机的铭牌数据电机型号铭牌数据主要有：额定功率额定电压额定电流额定转速额定励磁电流励磁方式出厂数据如出厂编号、出厂日期等例：直流电机的铭牌直流电动机型号Z4-112/2-1标准编号GB/T6316冷却方式IC06额定功率5.5kW励磁方式他励工作制S1额定电压440V励磁电压180V绝缘等级F额定电流14.7A励磁功率320W防护等级IP21S额定转速2940r/min弱磁转速4000r/min重量××kg出品编号××××出品日期××年×月整流器编号

××××电机厂Z4-112/2-1

直流电动机

第四次系列设计

机座中心高,mm极数1、电机型号型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。1号为短铁心，2号为长铁心Z4-180-21

直流电动机

第四次系列设计

机座中心高,mm电枢铁心长度代号1、电机型号端盖代号(1:短端盖,2:长端盖)另一种Z4型号示例2、额定值(1)额定功率PN

PN(kw)是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压ＵN

UN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流IN

IN(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN

对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UN·IN·

N

(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机额定运行时的转速。额定效率；

N=（PN/P1）*%

Z4系列直流电动机铭牌中特有的一个数据，是指电动机采用弱磁调速时，高于额定转速的最高转速，否则电动机的机械强度等受损。所以很多厂家的铭牌上常把最高转速标注为弱磁转速，如铭牌所示的弱磁（最高）转速为4000r/min。3、最高转速4、冷却方式

电动机运行时，各种损耗会有热能产生，需要进行相应的冷却。Z4系列电动机的冷却方式有：IC06（自带鼓风机的外通风），也可为IC17冷空气进口为管道，出口为百叶窗排风。5、绝缘等级

电机的绝缘等级高低决定了绝缘材料的耐热允许温度，从而决定电机的允许温升。Z4系列电动机的绝缘等级是F。例1-3一台直流发电机，

PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，

N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。

解

例1-4一台Z4-132-11直流电动机，PN=18.5KW，UN=440V，nN=2850r/min，

N=83.3%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。

解

电枢绕组与励磁绕组并联励磁绕组单独供电电枢绕组与励磁绕组串联有并励又有串励绕组6、励磁方式直流电机运行性能与励磁方式密切相关，因此直流电机的分类以励磁方式分类（1）Z4系列电动机：中心高100～355mm，是JB／T6316-2006《Z4系列直流电机技术条件》所规定的标准系列小型直流电动机；广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床、造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。Z4系列直流电动机比Z2、Z3系列具有更大的优越性，它不仅可用直流机组电源供电，更适用于静止整流电源供电。而且转动惯量小，具有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率，特别适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统。Z4系列励磁方式为他励，励磁电压为180V。

四、直流电机的主要系列简介（2）Z系列中型直流电动机中心高355mm～710mm是我国机械行业标准JB／T9577-2011《Z系列中型直流电动机技术条件》所规定的标准系列中型直流电动机。共有A、B、C三类，分别是普通工业用电动机、金属轧机用电动机、可逆轧机用电动机。除一般的直流电动机要求外，第二类电动机要求有连续过载能力、有较强的机械结构、有较高的短时过载能力。第三类要求有适合传动快速逆转和突然施加重负荷的能力、有高的短时过载能力。

四、直流电机的主要系列简介还有:ZT、ZZJ、ZQ、Z-H系列等第二节直流电机的电磁转矩和电枢电动势

一、电磁转矩T（Torque）

在直流电机中,电磁转矩T是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：

T＝CT

Ia

式中ＣT——转矩常数；ＣT=Np/(2

a)取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、

a均为定值；

——每极下的合成磁通(Wb)；

当Ia为(A)时,电磁转矩单位为N.m。

可见对已制成的电机,电磁转矩T正比于气隙每极磁通

及电枢电流Ia。

在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：

Ea＝Ce

n式中Ce——电动势常数，Ce

＝Np/(60a)。取决于电机的结构

当每极磁通

、转速n的单位分别是Wb、r/min时,电枢电动势的单位为V。

可见：对已制成的电机,Ea正比于每极磁通

和转速n；另：转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系：

CT／Ce＝(N·p/2

a)/(N·p/60a)=9.55二、电枢电动势Ea例1-5

一台4极直流电动机，电枢绕组为单叠绕组，每极磁通Φ=2.0×10-2Wb，电枢总导体数N=432，额定转速nN=2850r/min，求：

1）电动机的电枢电动势。

2）若电枢电流为400A时，能产生多大电磁转矩？1）电枢电动势：单叠绕组：解2）电磁转矩Pem=EaIa=(pN/60a)

nIa=(pN/2

a)

Ia(2

n/60)=T

对电动机而言电动势Ea是反电动势，电源电压U必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem

，所以Pem是机电能量转换的桥梁。桥梁电功率属性机械功率属性Pem三、电磁功率Pem

第三节直流电动机的运行原理一、直流电动机的基本方程式他励直流电动机的结构示意图及电路图电动机惯例：Ea与Ia反向,T与n同方向TL与n反方向电动机稳定运行时的基本方程式：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式一、直流电动机的基本方程式1、电动势平衡方程式根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式：

U=Ea＋IaRa

式中Ra——电枢回路总电阻

Ia——他励电动机Ia=I

；并励电动机Ia=I-If

对于电动机：U>Ea，Ea与Ia反方向一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

电机在机电能量转换中，一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为：

pm：由各类摩擦引起的机械损耗

pFe：铁心损耗(磁滞与涡流之和)pcua：电枢回路铜耗pcua=Ia2Rapf：励磁回路铜耗pf（=UIf=RfIf2）；

ps：附加(杂散stray)

)损耗空载损耗p0即不变损耗因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。——可变损耗一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

P1=UI=UIa=(Ea＋IaRa)Ia=EaIa＋Ia2Ra=Pem＋pcua

上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia,电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。但转变成机械属性的Pem还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2

P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0

一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式

注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf

。上述的功率平衡关系可用功率流程图形象的表示：一、直流电动机的基本方程式3、转矩平衡方程式由：P2/

=Pem/

-p0/

得：T2=T-T0或T=T2+T0T2—电动机轴上输出的机械转矩。它与轴上所带的负载转矩TL

相平衡,即T2=TL。

T0—电动机空载转矩,与转向相反；由空载损耗产生,数值很小。

电动机稳定运行时，拖动性质的T与制动性质的TL+

T0相平衡电动机转矩的常用计算公式：负载转矩：T2=P2/

=P2/(2n/60)=9.55P2/n(N·m)在额定情况下,TN=9.55×PN/nN

(N·m)同理：T=9.55Pem/n(N·m)例1-6一台他励直流电机接在440V电网上运行，已知，1）问：此电机是发电运行还是电动运行？

2）求电磁转矩、输入功率和效率各为多少？

解

1）判断一台直流电机是何种运行状态，可比较电枢电动势和端电压的大小，即因为故此电机是电动运行状态。

2）求

根据

则电枢电流

电磁转矩效率也可以上：他励电动机，I=Ia

例1-7一台Z4-180-11他励直流电动机,额定数据为：PN=37kW，UN=440V，ηN=88.51%，nN=1500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.261Ω。试求：1)额定负载时的电枢电动势Ea和额定电磁转矩T；2)额定输出转矩TN和空载转矩T0。：

解

二、直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是指U=UN=常数,电枢回路不串入附加电阻,励磁电流If=IfN时,电动机的转速n、电磁转矩T和效率

与输出功率P2之间的关系,即：当P2P1IIa所以，工作特性也可看成n、T、与Ia的关系。二、直流电动机的工作特性1、转速特性当电机轴上的机械负载增大时,输出的机械功率P2随之增大,输入功率P1和电枢电流Ia也随之增加,电枢电阻压降增大,使转速n降低。但随着电枢电流的增加,电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小,又使转速n上升。一般情况,电枢电阻压降的影响较大,所以,转速特性是一条略微向下倾斜的曲线,

如曲线1所示。二、直流电动机的工作特性2、转矩特性T=T2+T0=9.55P2/n+T0如果n不变,则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时,n略有下降,故T2=f(P2)曲线呈略为上翘趋势。而T=f(P2)特性曲线与比T=f(P2)曲线高一个空载转矩T0,如图所示的曲线2。二、直流电动机的工作特性2、效率特性当P2从零,Ia值很小,可变损耗Ia2Ra很小,电机损耗以不变损耗p0为主，损耗小。这样,输出功率P2的增大比P1增大的快，效率

上升很快。随后因可变损耗Ia2Ra随电流按平方关系增大，使总损耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如图曲线3所示。。可见效率曲线存在最大值，电机在空载、轻载时效率低,因此在使用和选择电机上应尽量使电机工作在高效率的区域。

第四节直流电机的换向

直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现环火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介绍。一、直流电机的换向过程结论：一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向以单叠绕组的线圈K为例，它从属于电刷右侧支路，经历了被电刷短路后，变成属于电刷左侧支路，这一过程中，线圈K中的电流从+ia改变成-ia，完成了电流换向，换向周期Tc是极短的.二、影响换向的电磁原因

前述换向线圈K换向过程中所处的主磁场为零，电动势为零，称直线换向如图曲线1所示。但实际中，换向线圈中存在：（1）电抗电动势ex

由换向电流变换产生的自感电势和互感电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。（2）电枢反应电动势ea

由电枢磁场引起的电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。由于阻碍换向的ex+ea

的存在，使换向线圈中存在一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，称延迟换向。如图的曲线2所示，使电刷的后刷边易出现火花。换向电流变化过程三、改善换向的方法

想法产生一个与ex+ea

反向的电动势，起抵消和削弱作用。一般容量在1kW以上的电机在主磁极之间装置换向极，极性与电枢磁通势方向相反，其磁场大小先抵消电枢磁通势，再是产生的换向极电动势ek与ex大小相等，方向相反，使ek+ex≈0，使ik≈0,达到减小火花，改善换向的目的。换向极的绕组应与电枢绕组串联，极性与电枢磁通势方向相反。换向线圈中电动势方向及换向极位置和极性

例1-8

某台直流电动机，在运行时后刷边发生火花，如在换向极根部加装铜垫片，运行时便无火花，为什么？解：运行时后刷边发生火花属于延迟换向，其原因是换向元件中电抗电动势大于换向极电动势。为改善换向，消除火花，应该设法增加换向极电动势，这就要求增强换向极的磁场。若在换向极的根部加装非磁性的铜垫片(做成第二气隙)，整个换向极磁路的总气隙长度虽未改变，但极面下的气隙减小了。这样可以减小换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁通，使换向极电动势增加，从而达到消除火花的目的。第二章直流电动机的电力拖动第二章直流电动机的电力拖动

凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般构成如图所示。

本章首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍电动机和生产机械的转矩特性，最后主要研究他励电动机应用的四大问题——起动、反转、制动、调速第一节电力拖动系统的运动方程式

电力拖动系统中所用的电机种类很多，生产机械的性质也各不相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。一、单轴电力拖动系统的运动方程式

单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。熟悉的直线运动方程旋转运动的电力拖动系统运动方程物体的飞轮力矩，它是一个整体物理量，反映转动体的惯性

二、电力拖动系统运动状态分析

一个电力拖动系统处于静态（静止不动或匀速）还是动态（加速或减速），都可以从运动方程式来判定，当电力拖动系统的正向运动状态时分析如下：

1).当Ｔ＝ＴL时，dn/dt=0，则n＝0或n＝常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。

2).当Ｔ

ＴL时，dn/dt

0，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。

3).当T

TL

时，dn/dt

0，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过程。例2-1

分析下图中电力拖动系统的运动状态。解：设a图为正向运动，T帮助正向运动为正，TL

反对正向运动为正，且T<TL，所以运动方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系统处于正向减速状态。

设b图为反向运动，T帮助反向运动为负，TL

帮助反向运动为正，且数值上T=TL，所以运动方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系统处于反向加速状态。第二节生产机械的负载转矩特性

不同生产机械的负载转矩TL随转速n变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即n=f(TL)。各种生产机械的特性大致可分为以下三种类型恒转矩负载特性

恒功率负载特性

通风机型负载特性

恒转矩负载特性TL=常数，与转速n无关反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，如轧钢机、机床的平移机构、电力机车等。当下放重物时负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。起重设备提升重物时，负载转矩TL为阻力矩，与电动机旋转方向相反位能性负载转矩由重力作用产生，其大小和方向始终不变恒功率负载特性通风机型负载特性

PL=常数,TL=9.55P/nTL=Kn2

例：车床切削粗加工时,切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小(TL小)，用高速档电扇、水泵、油泵等

注意：以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。

第三节他励直流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。他励直流电动机的机械特性理想空载转速机械特性的斜率转速降斜率β越小，特性越平，称为硬特性。反之称为软特性机械特性曲线实际空载转速一般表达式他励电动机的接线图一、他励直流电动机的机械特性1、他励电动机的固有机械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的机械特性称固有机械特性Rpa=0,Ra很小，

=

N数值最大，机械特性斜率β最小，他励直流电动机的固有机械特性是硬特性。一、他励直流电动机的机械特性2、人为机械特性

如果人为地改变固有机械特性中的气隙磁通

、电源电压Ｕ和电枢回路电阻Rpa中的任意一个参数，这样的机械特性称为人为机械特性。（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性斜率β

增加电阻增加n0

不变2、人为机械特性(2)改变电源电压的人为机械特性(3)改变磁通的人为机械特性磁通减小电压降低U降低，β

不变，n0减小(2)改变电源电压的人为机械特性

减小，β

增大，n0增大二、电力拖动稳定运行的条件

电力拖动系统的稳定运行，是指在某种外界因素(如电网电压波动或负载的微小变化)的扰动下，系统离开原来的平衡状态，达到新的平衡状态；或当外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态。前面分析了生产机械的负载转矩特性n＝f(TL)和电动机的机械特性n=f(T)，把两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。电动机在电力拖动系统中运行时，会使系统出现稳定运行和不稳定运行两种情况。电力拖动系统稳定运行的必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点：即T=TL

电力系统要稳定运行的充分条件：两条特性配合恰当，即在交点处满足：dT/dn<dTL/dn二、电力拖动稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的分析结论：下斜的机械特性与恒转矩负载配合,系统能够稳定运行;上翘的机械特性与恒转矩负载配合,系统不能稳定运行。恒转矩负载特性在A点的斜率：dn/dTL=∞,则dTL/dn=0下斜的机械特性在A点其dn/dT<0,则dT/dn<0，在A点满足dT/dn<dTL/dn上翘的机械特性在A点其dn/dT>0,则dT/dn>0，在A点不满足dT/dn<dTL/dn稳定运行不稳定运行系统电压波动机特系统电压波动机特1、全压起动第四节他励电动机的起动和反转起动：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。一、他励直流电动机的起动方法

额定电压加于电动机的电枢两端，由于起动瞬间n=0，Ea=0，由U=Ea＋IaRa故起动电流和转矩分别为：他励电动机的全压起动先合Q1再合Q2例2-2

一台Z4-160-31他励直流电动机，计算：1）全压起动时的起动电流。

2）在额定磁通下起动的起动转矩。

解

1）求起动电流：起动电流是额定电流的15倍2）求起动转矩：略空载转矩T0

当不考虑电枢反应去磁的影响，磁通Φ不变,则Tst

Ist，所以

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，机械轴过度冲击，损坏传动机构

从上例可以看出，由于电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的（10～30）倍。起动转矩也相当大。

所以，直流电动机一般不允许全压起动。起动设备简单、操作方便的全压起动只适用于容量很小的直流电动机。（1）要有足够大的起动转矩(Tst>TL)。（2）起动电流要限制在一定的范围内。（3）起动设备简单、可靠，操作方便，起动时间短。对直流电动机的起动的要求：电枢回路串电阻起动减压起动注意：起动时应保证电动机的磁通为最大值，在限制起动电流的情况下使转矩较大。

对于容量较大的电机，为限制起动电流，可用2、减压起动

减压起动即起动前将电源电压降低，以减小起动电流Ist。为获得足够的起动转矩（Tst>TL），起动时电流通常限制在(1.5～2)IN

内，则起动电压应为：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

当n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——须U↑，保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。至U=UN，起动结束。

随着电力电子技术的发展，目前多用晶闸管整流装置自动控制起动电压。Z4系列电动机均为减压起动。

例2-3

例2-2中的电动机若限制起动电流不超过2INＡ，求采用减压起动，起动电压是多少？解：1)起动电压Ust＝IstRa＝2×77.8×0.376V＝58.51V

电枢串电阻起动后，n↑，Ea↑Ia↓Tst↓——加速减慢，为了缩短起动时间，保持电动机在起动过程中的加速不变，理论上应将起动电阻平滑地切除，但实际中把起动电阻分成2~4段逐级切除（称分级起动），最后使电动机转速达到运行值。对Z2系列直流电动机，可串入合适的起动电阻Rst,使起动电流限制在规定的范围内。3、电枢回路串电阻起动

电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻Rst，达到限制起动电流的目的。二、他励直流电动机的反转

要使电动机反转，必须改变电磁转矩T的方向。只要将磁通

和Ia任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种：由：

1、改变励磁电流方向：保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通

即改变方向。

2、改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流Ｉa即改变方向。实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机的反转。

第五节他励直流电动机的制动电动机的两种运行状态：电动状态：T与n方向相同，机特Ⅰ、Ⅲ象限制动状态：T与n方向相反，机特Ⅱ、Ⅳ象限制动方法：能耗制动反接制动再生制动制动目的：快速停车（反向）或限速。一、能耗制动制动原理：电动机靠生产机械惯性力的拖动切割磁场而发电，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，直到电动机停止转动为止。能耗制动U=0机械特性过原点运行时KM1常开闭合，与电源连接；制动时连接电阻Rbk制动时，T与n方向相反制动时KM1常闭接通原运行于a点制动时，对于反抗性负载将经b点到达O点停下来。能耗制动时的机械特性

U=0,机特过原点斜率取决于限流电阻Rbk一般限流：IbK

(2～2.5)IN

对位能性负载将达到C点。

二、反接制动1.电枢反接制动制动原理：Ibk产生很大的反向电磁转矩T，从而产生很强的制动作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk机械特性过-n0机械特性：制动过程当制动的目的为停车时，在电机n≈0时，须立即断开电源。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Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制动电阻的计算：电枢反接制动过程中，电动机一方面向电源吸取电功率P1＝UI，另一方面将系统的动能转换成电磁功率Pem＝EaIa，这些电功率全部消耗在电枢电路的电阻(Ra＋Rbk)上。其能量损耗很大。电机的能耗：

二、反接制动2.倒拉反接制动只适用于位能性恒转矩负载，下放重物

U=UN，电枢串大电阻Rbk机械特性过+n0，与负载特性的交点落在第Ⅳ象限从提升重物至下放重物过程：a—b—c—d，Rbk越大，下放转速也越大。三、再生制动

当电动机的nn0

时，Ea>U，Ia方向与电动运行状态相反，T的方向与电动运行状态时相反，为制动性质，P1<0，电机向电源回馈电能，此时电机的运行状态称为再生制动。

当位能性负载进行电枢反接制动，当n=0时，如不切除电源，电机便在电磁转矩和位能负载转矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0

时，电机进入反向再生制动状态，此时因n为负，T为正，机械特性位于第IV象限，最终稳定下放重物运行于e点

反向再生制动对位能性负载下放时起限速作用。所串电阻Rbk越大，下放速度越高，安全性越差。所以常切除电阻，称在固有机特上，下放重物。四、制动问题计算以上定性分析他励直流电动机的各种制动原理，从机械特性的角度分析对应的制动过程。制动问题的计算则用电动势平衡方程式，代入不同制动条件来进行求解，较为方便。一般先求出，然后分别针对快速停车和稳定下放重物两类问题，进行计算。（1）快速停车已知瞬时制动电流（），求电枢回路串入的电阻值：（能耗制动：U＝0；电枢反接制动U＝－UN）四、制动问题计算(2)稳定下放重物（，与已知负载转成正比）

1）已知电枢串入电阻Rbk，求下放转速：2）已知下放转速（n<0)，求电枢回路串入的电阻：1)、2）中，能耗制动：U=0；倒拉反接制动：U=UN；反向再生制动：U=-UN

例2-4一台他励直流电动机，PN=5.6KW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4

，负载转矩TL=0.8TN，试计算：(略空载转矩T0）

1).电动机拖动反抗性负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少？若采用电枢反接制动停车，电阻最小值是多少？（电枢电流不得超过2倍额定电流）

2).电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300r/min速度下放重物，采用倒拉反接运行，电枢回路应串入多大电阻？若采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大电阻？

3).想使电机以n=－1200r/min速度，在反向再生制动运行状态下，下放重物，电枢回路应串多大的电阻？

解

电动状态的稳定转速能耗制动电阻反接制动电阻电枢对应负载转矩为为0.8TN的电枢电流，1）快速停车时，能耗制动电阻和电枢反接制动电阻倒拉反接制动稳定运行时的电阻

能耗制动稳定运行时的电阻

3）反向再生制动运行计算反向再生制动运行时电阻2)下放重物时，倒拉反接和能耗制动电阻第六节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：降压U减弱磁通φ电枢回路串电阻一、调速指标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

不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床Ｄ＝20～120，龙门刨床Ｄ＝10～40，轧钢机Ｄ＝3～120，造纸机Ｄ＝3～20等。

显然，在相同的n0情况下，电动机的机械特性愈硬，Δn愈小，静差率就愈小，相对稳定性就愈好。生产机械调速时，要求静差率小于一定值，以使负载发生变化时，转速在一定范围内变化，保持一定的稳定程度，生产机械容许的静差率用

r

表示。例如，普通车床要求

r

30

，一般设备要求r

50

，高精度的造纸机要求r

0.1

。静差率与调速范围两个指标是相互制约,要统畴考虑。2.调速的相对稳定性（静差率）负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好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.调速的经济性对调速设备的投资和电能消耗等经济效果的综合比较。

二、改变电枢电路串电阻的调速电枢回路串电阻的机特，Rpa愈大，特性愈软，转速愈低。调速过程：电动机原稳定运行在固有机械特性的a点上，当Ｒpa接入瞬间，因n不能突变，工作点从a点跳至人为机械特性的b点，这时，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，电动机在低速的c点稳定运行。

电枢串电阻调速的特点：

(1)串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)调速的平滑性不高；轻载时调速不明显。

(3)由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。

(4)调速方法简单，设备投资少。

Z2系列直流电动机基速以下调速可用电枢串电阻调速（例如起重设备和运输牵引装置），也可用降压调速。

例2-5

一台直流他励电动机，其额定数据为：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，电枢电路总电阻Ｒa=0.04

，电动机拖动额定恒转矩负载运行，现用电枢串电阻的方法将转速调至600r/min，应在电枢电路内串多大电阻？由且为额定恒转矩负载转矩：Ia=IN得解三、降压调速Un0nn01n02n03调速过程：a-b-c降压调速的特点1)无论高速还是低速，机械特性硬度不变，静差率小，调速性能稳定，故调速范围广。2)电源电压能平滑调节，故调速平滑性好，可达到无级调速。3)降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，损耗减小，调速经济性好。降压调速的性能好，目前被广泛用于自动控制系统中。如轧钢机，龙门刨床等。降压较大时，会出现再生制动Z4系列直流电动机基速以下调速均采用降压调速，恒转矩降低电枢电压向下调速，在电流连续的情况下最低可达20r/min。

例2-6

例题2-2的电动机，拖动额定恒转矩负载运行，用欲进行降压调速。1）将电枢电压降低至额定电压的50%，求调压后电动机的稳定转速是多少？2）要把转速降到400r/min，求电枢电压应降至多少?

调速后，因负载转矩未变，磁通也未变，故电