电机与拖动基础 (2)PPT讲稿.ppt

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1、电机与拖动基础(2)第1页，共139页，编辑于2022年，星期一直流电动机的电力拖动原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力拖动系统，或称直原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力拖动系统，或称直流电机拖动系统。流电机拖动系统。在此系统中，电动机有他励、串励和复励三种直流电动机，其在此系统中，电动机有他励、串励和复励三种直流电动机，其中最主要的是他励直流电动机，因此重点介绍中最主要的是他励直流电动机，因此重点介绍他励直流电动机组成的直流电力拖动系统他励直流电动机组成的直流电力拖动系统研究问题：研究问题：1.电动机各种运转状态的物理概念、实用条件和四象限特性电动机各种运转状态的物理概念、实用

2、条件和四象限特性2.固有机械特性、人为机械特性固有机械特性、人为机械特性3.起动、制动与调速方法和相应的过渡过程起动、制动与调速方法和相应的过渡过程第2页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性机械特性机械特性:电动机的电磁转矩与转速之间的关系电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特性即曲线便是电动机的机械特性即第3页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程式一、机械特性方程式理想空载转速理想空载转速 电动机实际空载转速电动机实际空载转速电磁转矩电磁转矩 感应电动势感应电动势 电动机机械特性电动机机械特性 电枢电路电动势

3、平衡方程电枢电路电动势平衡方程 电动机转速特性电动机转速特性 其中其中 电动机机械特性可以表示电动机机械特性可以表示 第4页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性当电枢电流较大时，由于饱和当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象性在负载大时呈上翘现象电动机带负载后的转速降电动机带负载后的转速降 他励直流电动机的机械特性电枢反应对机械特性的影响第5页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性二、固有机械特性与人为机械特性二、固有机械特性与人为

4、机械特性当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性的机械特性称为固有机械特性第6页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性固有机械特性的主要特点为：固有机械特性的主要特点为：1.T1.T=0=0时，时，是理想空载转速，这时是理想空载转速，这时 。2.2.机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。如果下倾的斜率机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。如果下倾的斜率 较小，转速变化较小，这时可以称为硬特性较小，转速变化较小，这时可以称为硬特性3.3.电动机起动时电动机起动时n n

5、=0=0，感应电动势，感应电动势E Ea=0a=0，这时电枢电流为起动电流，这时电枢电流为起动电流 ；电磁转矩为起动转矩；电磁转矩为起动转矩 。绝大部分情况下，电枢电阻。绝大部分情况下，电枢电阻 很小，在额定电压的很小，在额定电压的作用下，作用下，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流，会烧坏换向器，因此直流电机不允许加全电压与会烧坏换向器，因此直流电机不允许加全电压与 直接起动。直接起动。4.4.若转矩若转矩T T T Tst st，n n 0 0，特性曲线在第四象限；若，特性曲线在第四象限；若T T 0 0 0，则特性曲线在第二象

6、限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。转矩，电机处于发电状态。第7页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性当保持电枢回路电压当保持电枢回路电压 励励磁电流磁电流 不变，改变电枢回不变，改变电枢回路的串接电阻路的串接电阻 ，电动机，电动机的理想空载转速的理想空载转速 不变，但不变，但机械特性的斜率机械特性的斜率 增大，特性增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性如图为机械特性如图第8页，共139页，编辑于2022年，星期

7、一他励直流电动机的机械特性（二）改变电压时的人为机械特性二）改变电压时的人为机械特性电动机励磁电流为额定值，电动机励磁电流为额定值，使每极磁通为使每极磁通为 N N 并保持不变，并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电枢回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压电动机的电枢电压U Ua a，可得，可得到一条与固有机械特性平行的到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改变人为机械特性。不断改变U U ，可得到一组平行曲线，特性可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想曲线的硬度均相同，仅理想空载转速大小不同空载转速大小不同电压不同时的人为机械特性第9页，共139页，编辑于2022年，星期一他励

8、直流电动机的机械特性（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻R Rc c，使励磁电流，使励磁电流I If f减减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。根据机械特性公式可知：以主极磁通减小了。根据机械特性公式可知：当磁通减小后，理想空载转速当磁通减小后，理想空载转速 升高，而斜率升高，而斜率 增大，使特增大，使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提

9、高，整个特性曲线均在固有机械特性之上在固有机械特性之上第10页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性不同不同时时的的n=f(Ia)n=f(Ia)曲曲线线 不同不同时时的的n=f(T)n=f(T)曲曲线线21FFFN第11页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性三、机械特性的绘制三、机械特性的绘制机械特性绘制时的条件：给定的电动机机械特性绘制时的条件：给定的电动机铭牌数据铭牌数据、产品目录产品目录或或实测数据实测数据来计算机械特性来计算机械特性对计算有用的数据：对计算有用的数据：（一）（一）固有机械特性的绘制固有机械特性的绘制固有机械特性是一条直线

10、，只要求出直线上两个点的数固有机械特性是一条直线，只要求出直线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便两点较为方便。理想空载点理想空载点其中其中第12页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性P PN N是额定输出功率是额定输出功率IN，UN及及nN 为已知，为已知，Ra 可以估算可以估算额定运行点额定运行点第13页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性（二）人为机械特性的绘制（二）人为机械特性的绘制各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的各种人为机

11、械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可人为机械特性方程式即可。例例一台一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：型他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其机械特性。试计算其机械特性。解解第14页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的机械特性理想空载点理想空载点额定点额定点第15页，共139页，编辑于2022年，星期一电力拖动工作点稳定条件四、电力拖动稳定运行的条件四、电力拖动稳定运行的条件讨论：生产机械负载转矩特性与电动机讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。的机械特性这两种特性的配合问题。他励直流电动机的机械特性负载特性

12、负载特性在电力拖动运动方程式中已指出，当转在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩矩T 与与Tz 方向相反，大小相等而相互平方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态稳态，或称静态 第16页，共139页，编辑于2022年，星期一所谓电力拖动系统稳定运行是指系统在扰动作用下，离开原来的平衡所谓电力拖动系统稳定运行是指系统在扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍然能够在新的运行条件达到平衡状态，或者在扰动消失之状态，但仍然能够在新的运行条件达到平衡状态，或者在扰动消失之后，能够回到原有的平衡状态后，能够回到原有的平衡状态 电力拖动工作

13、点稳定条件第17页，共139页，编辑于2022年，星期一电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 从以上分析可以看出，电力拖动系统在电动机机械特性与负从以上分析可以看出，电力拖动系统在电动机机械特性与负载转矩特性的交点上，并不一定都能够稳定运行，也就是说，载转矩特性的交点上，并不一定都能够稳定运行，也就是说，T Te=e=T TL L 仅仅是系统稳定运行的一个必要条件，而不是充分条件。因此仅仅是系统稳定运行的一个必要条件，而不是充分条件。因此需要进一步分析电动机与负载特性的关系，寻求电力拖动系统稳定运需要进一步分析电动机与负载特性的关系，寻求电力拖动系统稳定运行的条件。行的条件。根

14、据电力拖动运动方程根据电力拖动运动方程系统在平衡点稳定运行时应有系统在平衡点稳定运行时应有电力拖动工作点稳定条件第18页，共139页，编辑于2022年，星期一给系统加一个扰动使转速有一个改变量给系统加一个扰动使转速有一个改变量 n n，如果当扰动消失后系统，如果当扰动消失后系统又回到原平衡点工作，即有又回到原平衡点工作，即有 n n 0 0，则系统是稳定的，则系统是稳定的电力拖动工作点稳定条件平衡点条件，有方程平衡点条件，有方程运动方程成为运动方程成为现假定拖动系统在扰动作用下离开了平衡状态现假定拖动系统在扰动作用下离开了平衡状态A A点，此时点，此时第19页，共139页，编辑于2022年，星

15、期一根据微分原理，可近似表示为根据微分原理，可近似表示为 微分方程解为微分方程解为电力拖动系统稳定点条件为电力拖动系统稳定点条件为电力拖动工作点稳定条件第20页，共139页，编辑于2022年，星期一 图示说明了电力拖动系统稳定的概念。电力拖动工作点稳定条件第21页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动一、他励电动机的起动方法一、他励电动机的起动方法所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须注意的问题他励直流电动机起动时，必须注意的问题1 1，必须先加额定励磁

16、电流建立磁场必须先加额定励磁电流建立磁场2 2，不能不加任何措施，直接加额定电枢电压不能不加任何措施，直接加额定电枢电压直接起动，则起动电流很大直接起动，则起动电流很大导致问题：导致问题：1 1，电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；，电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；2 2，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，第22页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动直流电动机拖动负载起动的要求直流电动机拖动负载起动的要求：1)1)起动电流限制在一定范围内，即起动电流限制在一定

17、范围内，即I Istst I IN N，为电机的过载倍数；为电机的过载倍数；2)2)足够大的起动转矩；足够大的起动转矩；3)3)起动设备简单、可靠。起动设备简单、可靠。如何限制起动时的电枢电流如何限制起动时的电枢电流由由I Ist=st=U UN N/R Ra a可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。电枢串电阻和降压两种。第23页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动减压起动减压起动当直流电源电压可调

18、时，可以采用减压方法起动。在起动瞬当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速间，电动机的转速n n=0=0，反电动势，反电动势E Ea=0a=0，降低电源电压，降低电源电压U U ，将起动电流限制在允许的范围内。，将起动电流限制在允许的范围内。第24页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻R R，在起动，在起动过程中将起动电阻逐步切除。图为他励直流电动机二级起过程中将起动电阻逐步切除。图为他励直流电动机二级起动时的电气原理图。动时

19、的电气原理图。第25页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算（一）图解分析法（一）图解分析法1 1绘制固有机械特性绘制固有机械特性2 2选取起动过程中的最大电流选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电流与电阻切除时的切换电流 I2（或力矩或力矩T1 与与T2）3 3画出分级起动特性图画出分级起动特性图第26页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动（一）解析法（一）解析法在在b点点 在在c点点 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 两级起动时两级起动时 第27页，共139页

20、，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动各电阻计算公式为各电阻计算公式为：第28页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动解解已知起动级数已知起动级数m=4 选择选择则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下：第29页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的起动各分段电阻如下各分段电阻如下：第30页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程三、他励直流电动机起动的过渡过程三、他励直流电动机起动的过渡过程直流电力拖动系统动态过程的分析与计算直流电力拖动系统动态过程的分析与计算所谓动态过程是指系统从一个稳定工作点向另一个稳定工作点所谓动态过

21、程是指系统从一个稳定工作点向另一个稳定工作点过渡的中间过程，这个过程也被称为过渡过程过渡的中间过程，这个过程也被称为过渡过程系统在过渡过程的变化规律和性能被称为系统的动态特性系统在过渡过程的变化规律和性能被称为系统的动态特性研究这些问题，对经常处于起动、制动运行的生产机械如何研究这些问题，对经常处于起动、制动运行的生产机械如何缩短过渡过程时间，减少过渡过程中能量损耗，提高劳动生缩短过渡过程时间，减少过渡过程中能量损耗，提高劳动生产率等，都有实际意义产率等，都有实际意义在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会

22、引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程个连续变化的过程 第31页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：1 1机械惯性机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。2 2电磁惯性电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分

23、别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。3 3热惯性热惯性 它使电动机的温度不能突变。它使电动机的温度不能突变。对电力拖动系统动态过程的研究主要集中在对转速、转矩以及电流在过渡过程中随时间的变化规律，即 ，（或 ），这些规律是正确选择或校验电机及其定额的依据。第32页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程电力拖动的过渡过程一般分为两种：电力拖动的过渡过程一般分为两种：1 1）机械过渡过程）机械过渡过程它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。2 2）电气一机械过渡过

24、程）电气一机械过渡过程它同时考虑机械与电磁两种惯性它同时考虑机械与电磁两种惯性（一）起动时的机械过渡过程（一）起动时的机械过渡过程 1 1电枢串固定电阻起动的过渡过程电枢串固定电阻起动的过渡过程他励直流电动机串固定电阻全压起动第33页，共139页，编辑于2022年，星期一负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流后，保持稳定转速运行时的电枢电流 电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量惯性的一个非常重要的物理量 其解为其解为为电流的起始值为电流的起始值 其中其中或

25、或第34页，共139页，编辑于2022年，星期一起动过程中电枢电流的变化曲线或或转速的变化过程转速的变化过程 过渡过程开始时转速的起始值过渡过程开始时转速的起始值机械特性上负载转矩机械特性上负载转矩 （或负载电流（或负载电流 ）对应的转速，即过渡过）对应的转速，即过渡过程结束时电动机的稳定转速。程结束时电动机的稳定转速。当起动转速为零时当起动转速为零时起动过程中转速的上升曲线第35页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程求出过渡过程中某一段的时间求出过渡过程中某一段的时间 2 2电枢串多级电阻起动的过渡过程电枢串多级电阻起动的过渡过程他励电动机二级起动的电路及特性他励电

26、动机二级起动的电路及特性或或或或第一级起动时第一级起动时 第一级进行的时间第一级进行的时间第36页，共139页，编辑于2022年，星期一转速变化曲线机械特性曲线电流变化曲线第37页，共139页，编辑于2022年，星期一第38页，共139页，编辑于2022年，星期一 例例一台他励直流电动机铭牌数据为：一台他励直流电动机铭牌数据为：已知四段起动电阻为：已知四段起动电阻为：电枢电阻电枢电阻系统飞轮惯量系统飞轮惯量求分级起动总的起动时间。求分级起动总的起动时间。解：解：第39页，共139页，编辑于2022年，星期一设设 =(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306

27、s=0.922s 第40页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程3.3.3.3.加快起动过程的途径加快起动过程的途径加快起动过程的途径加快起动过程的途径 原因原因原因原因系统机械惯性，造成机电时间系统机械惯性，造成机电时间系统机械惯性，造成机电时间系统机械惯性，造成机电时间常数大，转速上升时间加长；起动过程常数大，转速上升时间加长；起动过程常数大，转速上升时间加长；起动过程常数大，转速上升时间加长；起动过程中，电流在不断衰减，不能提供最大加中，电流在不断衰减，不能提供最大加中，电流在不断衰减，不能提供最大加中，电流在不断衰减，不能提供最大加速度速度速度速度 措施措施措施

28、措施减小系统的飞轮惯量，以减小减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性机电时间常数，从而降低系统的惯性 ；在设计电力拖动系统时，尽可能设法在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形改善起动过程中电枢电流的波形 理想的起动电流变化规律第41页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的动态过程（二）电枢电路电感对起动过程的影响（二）电枢电路电感对起动过程的影响电磁时间常数为电磁时间常数为 式中，式中，La 为电枢电路的总电感为电枢电路的总电感 当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：第一阶段，电枢电流从零增加

29、到第一阶段，电枢电流从零增加到Iz 之前，电动机转速为零之前，电动机转速为零。式中式中T=0T=0tztz的时间段内，的时间段内，IaIzIaIz，电机不能旋转。，电机不能旋转。tztz称为滞后时间称为滞后时间第42页，共139页，编辑于2022年，星期一第二阶段，过了第二阶段，过了tz 后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在在 或或速度变化为二阶微分方程速度变化为二阶微分方程第43页，共139页，编辑于2022年，星期一考虑电枢电感时，无振荡情况下的变化曲线其中其中c1及及c2积分常数，由初始条件决定。电流积分常数，由初始条件决定。电流 解

30、的表达式解的表达式1）当）当 时，时，1和和2为负实数为负实数第44页，共139页，编辑于2022年，星期一2）当）当 时，时，1和和2为负共轭复数为负共轭复数考虑电枢电感时，有振荡情况下的变化曲线式中式中式中式中第45页，共139页，编辑于2022年，星期一电力拖动系统的动态数学模型a、直流电动机的微分方程式直流电动机的微分方程式 他励直流电动机的动态等效电路第46页，共139页，编辑于2022年，星期一写出电枢回路的微分方程式为：励磁回路的微分方程式为：机械系统的动力学方程式为：电力拖动系统的动态数学模型第47页，共139页，编辑于2022年，星期一直流电动机的传递函数模型直流电动机的传递

31、函数模型 对微分方程式取拉氏变换，可得直流电动机的传递函数：考虑到激磁电流固定，上式中的 和 为常数。电力拖动系统的动态数学模型第48页，共139页，编辑于2022年，星期一由此获得直流电动机的传递函数框图如图所示。直流电机的传递函数框图（电枢控制方式）根据图可分别求出传递函数为：电力拖动系统的动态数学模型第49页，共139页，编辑于2022年，星期一若忽略粘性阻尼系数，则式可进一步简化为 其中，为电枢回路的电磁时间常数电磁时间常数；定义 为电力拖动系统的机电时间常数机电时间常数。忽略磁路饱和，则可利用叠加原理求得系统总的响应为：电力拖动系统的动态数学模型第50页，共139页，编辑于2022年

32、，星期一直流电动机动态过程的一般分析计算直流电动机动态过程的一般分析计算 电力拖动系统存在下列两个时间常数：（1）电磁时间常数：（2）机电时间常数：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析：1 1）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：现假定系统由某一稳态A向另一稳态B过渡，要求计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律，即：与 。电力拖动系统的动态数学模型第51页，共139页，编辑于2022年，星期一（1 1）电枢电流的变化规律）电枢电流的变化规律式中的第1个

33、方程得：将其代入式第2个方程得：其中，为对应于 （即B点）的稳态负载电流；电力拖动系统的动态数学模型整理可得：利用三要素法便可求得电枢电流的变化规律为：可用图b所示曲线表示第52页，共139页，编辑于2022年，星期一 他励直流电动机的过渡过程曲线（2 2）转速的变化规律）转速的变化规律即:可用图c所示曲线表示之。第53页，共139页，编辑于2022年，星期一同时考虑机械惯量和电磁时间常数的过渡过程分析同时考虑机械惯量和电磁时间常数的过渡过程分析在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：现计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律：，。上式的第2式可得：电力拖动系统的动态数学模型第54页，

34、共139页，编辑于2022年，星期一将上式的第1式减去稳态电势平衡方程式：得：将公式代入上式并整理得：上式即为他励直流电动机拖动系统的一般微分方程。对应的特征方程为：相应的特征根为：电力拖动系统的动态数学模型第55页，共139页，编辑于2022年，星期一根据时间常数的大小，现分两种情况进行讨论：当 时，为一对相异的负实根，则微分方程的一般解可表示为：根据上式绘出过渡过程中曲线如下图a所示。他励直流电动机的过渡过程曲线第56页，共139页，编辑于2022年，星期一当 时，为一对具有负实部的共轭复根，其中 ，。此时，微分方程的一般解可表示为：根据上式绘出过渡过程中的曲线 如图b所示。电力拖动系统的

35、动态数学模型第57页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动他励直流电动机可以主要分为二种运转状态他励直流电动机可以主要分为二种运转状态电动状态电动状态电动机转矩转向与转速方向以一致电动机转矩转向与转速方向以一致制动状态制动状态电动机转矩转向与转速方向相反电动机转矩转向与转速方向相反制动的目的制动的目的拖动系统拖动系统停车停车，或使拖动系统，或使拖动系统减速减速。制动方法制动方法：1 1，自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车2 2，机械制动器，通过机械抱闸制动电动机；，机械制动器，通过机械抱闸制动电动机；3 3，电气制动，

36、即由电动机提供一个制动性阻转矩，电气制动，即由电动机提供一个制动性阻转矩-TemTem 主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有 1 1、能耗制动、能耗制动 2 2、反接制动、反接制动 3 3、回馈制动、回馈制动 第58页，共139页，编辑于2022年，星期一 他励电动机的制动一、能耗制动一、能耗制动能耗制动的实现能耗制动的实现能耗制动过程说明（机械动能发电机电能消耗）能耗制动过程说明（机械动能发电机电能消耗）电动状态能耗制动第59页，共139页，编辑于2022年，星期一 他励电动机的制动能耗制动过程分析能耗制动过程分析能耗制动的机械特性：将能耗

37、制动的机械特性：将U U=0=0、=N N、R R=R Ra+a+R Rz z代入他励直流电动机机械特性代入他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性可见，能耗制动时的机械特性是一可见，能耗制动时的机械特性是一条经过原点、位于第二、四象限的条经过原点、位于第二、四象限的直线直线BO点过程为能耗制动过程（不稳定点）C点为能耗运行状态（稳定点）第60页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动能耗制动的功率关系能耗制动的功率关系 他励直流电动机能耗制动过程中的功率传递方向他励直流电动机能耗制动过程中的功率传递方向1 1、因电源已被断开，不向电

38、动机提供能量，输入电功率、因电源已被断开，不向电动机提供能量，输入电功率P1=0=0；此时，；此时，负载向电动机输入了机械功率。电磁作用把机械功率转变为电功率；最负载向电动机输入了机械功率。电磁作用把机械功率转变为电功率；最终，该电功率在电枢回路总电阻上被转化为热能消耗掉。终，该电功率在电枢回路总电阻上被转化为热能消耗掉。2 2、从电磁功率把机械功率转化为电功率这一点来说，能耗制动过程中、从电磁功率把机械功率转化为电功率这一点来说，能耗制动过程中的电动机与发电机相似，但与一般的发电机又有所不同，表现在：的电动机与发电机相似，但与一般的发电机又有所不同，表现在：1)1)没有原动机输入机械功率，其

39、机械能是系统从高速向低速制动没有原动机输入机械功率，其机械能是系统从高速向低速制动时所释放出来的动能；时所释放出来的动能；2)2)没有电功率输出，而是转化为电枢回路总电阻（没有电功率输出，而是转化为电枢回路总电阻（Ra+Reb）上的热能消）上的热能消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动第61页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动能耗制动电阻的计算能耗制动电阻的计算 能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻R Rz z的的大小有关。大小有关。1 1、外接制动电阻大，制动转矩小，制动过程缓

40、慢。但电机不易过热；、外接制动电阻大，制动转矩小，制动过程缓慢。但电机不易过热；2 2、外接电阻小，则制动转矩大，制动过程快。但制动电阻的最小值、外接电阻小，则制动转矩大，制动过程快。但制动电阻的最小值受到电动机过载能力的限制，因此在能耗制动过程中，受到电动机过载能力的限制，因此在能耗制动过程中，应将制动应将制动瞬间的电流瞬间的电流 （即最大制动电流（即最大制动电流Imax）限制在允许的范围内，限制在允许的范围内，即应即应按下式选择电阻按下式选择电阻如果按最大制动电流不超如果按最大制动电流不超 过来选过来选择择 第62页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动 则则 能耗制动时的

41、能耗制动时的n=f(t)n=f(t)和和I=f(t)I=f(t)电动机带位能负载时的能耗制动电路图当当 时时第63页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动 转速在能耗制动时的微分方程为：转速在能耗制动时的微分方程为：方程时间解：方程时间解：制动到停转时间：制动到停转时间：制动到能耗制动稳定状态制动到能耗制动稳定状态第64页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动机的制动能耗制动的过渡过程结果讨论：能耗制动的过渡过程结果讨论：将与电动机所拖动的负载性质有关将与电动机所拖动的负载性质有关(1)(1)拖动位能性恒转矩负载拖动位能性恒转矩负载 他励直流电动机拖动位能性恒转矩负

42、载能耗制动的过渡过程他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载能耗制动的过渡过程如图所示如图所示转速和转矩的变化是从起始点转速和转矩的变化是从起始点B B到稳态点到稳态点C C的两条光滑的指数曲线的两条光滑的指数曲线（一条实线，一条虚线）。（一条实线，一条虚线）。(2)(2)拖动反抗性恒转矩负载拖动反抗性恒转矩负载 他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行能耗制动的过渡过程也他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行能耗制动的过渡过程也如图所示如图所示拖动反抗性恒转矩负载，能耗制动过程就是一个制动停车的拖动反抗性恒转矩负载，能耗制动过程就是一个制动停车的过程，过程，从从B B点开始，到点开始，到O O点为止

43、（如图中实线部分所示）。点为止（如图中实线部分所示）。第65页，共139页，编辑于2022年，星期一能耗制动时机械特性和转速及电流变化曲线他励直流电动机的制动第66页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动能耗制动的特点能耗制动的特点1 1、能耗制动的线路简单、经济、安全、能耗制动的线路简单、经济、安全2 2、用于反抗性负载可实现准确停车、用于反抗性负载可实现准确停车3 3、用于位能性负载，可下放重物、用于位能性负载，可下放重物4 4、在制动过程中，随着转速的下降，制动转矩随之减小，、在制动过程中，随着转速的下降，制动转矩随之减小，制动效果变差，为使电机更快停车，可在转速降到一定

44、制动效果变差，为使电机更快停车，可在转速降到一定程度时，切除一部分电阻，使制动转矩增大，从而加强程度时，切除一部分电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用制动作用第67页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动二、二、反接制动反接制动 目的：使生产机械快速停车或反向运行目的：使生产机械快速停车或反向运行反接制动方式二种反接制动方式二种1 1，转速反向（用于位能性负载）；，转速反向（用于位能性负载）；2 2，电枢反接（一般用于反抗性负载），电枢反接（一般用于反抗性负载）（一）（一）转速反向的反接制动转速反向的反接制动实现方法：直流电动机拖动位能性实现方法：直流电动机拖动位能性负载，在

45、电枢回路串入大电阻，致负载，在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩。将导致使电磁转矩小于负载转矩。将导致（1 1）电机将减速到零速。（）电机将减速到零速。（2 2）并被）并被负载反拖进入第负载反拖进入第象限运行，如图示，象限运行，如图示，这一制动方式被称为转速反向制动这一制动方式被称为转速反向制动第68页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动转速反接制动的机械特性转速反接制动的机械特性 倒拉反转运行状态时的机械特性就是电枢串电阻的人为特性，倒拉反转运行状态时的机械特性就是电枢串电阻的人为特性，但这时所串的电阻阻值较大，使但这时所串的电阻阻值较大，使n n 0aU U，电

46、枢电流，电枢电流I Ia a反向，电磁转矩反向，电磁转矩T T方向也随之改变，由拖动性方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩，即转矩变成制动性转矩，即T T与与n n方向相反。从能量传递方向看，电机方向相反。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于第二象限，反向

47、回馈制动时的机械特性位于第四特性位于第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限象限第74页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动此时位能负载带动电动此时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率机械功率变为电磁功率EaIaEaIa后，大部分回馈给电网后，大部分回馈给电网（UIa)UIa)，小部分变为电枢，小部分变为电枢回路的铜耗。电动机变为回路的铜耗。电动机变为一台与电网并联运行的发一台与电网并联运行的发电机电机电动机回馈制动电路图(带位能负载)第75页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动2.2.2.2.他励电动机改变电枢

48、电压调速他励电动机改变电枢电压调速他励电动机改变电枢电压调速他励电动机改变电枢电压调速在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生就会发生EaUEaU的情况，也会出现了回馈制动状态。的情况，也会出现了回馈制动状态。第76页，共139页，编辑于2022年，星期一他励电动机的制动例例 一台他励直流电动机的数据如下：一台他励直流电动机的数据如下：（1 1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，Ia=60A,Ia=60A,求电动机反

49、向下放转速。求电动机反向下放转速。（2 2）电动机带动位能负载）电动机带动位能负载,作反接制动下放作反接制动下放,Ia=50A,Ia=50A时，转速时，转速n=-n=-600rpm,600rpm,求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。（3 3）电动机带动反作用负载，从）电动机带动反作用负载，从n=500rpmn=500rpm进行能耗制动，若其最进行能耗制动，若其最大制动电流限制在大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值，试计算串接在电枢电路中

50、的电阻值第77页，共139页，编辑于2022年，星期一解解 （1）电动机反向下放转速电动机反向下放转速（2）电枢电路总电阻）电枢电路总电阻 电枢串接电阻电枢串接电阻 电网输入功率电网输入功率 电枢电路电阻上消耗的功率电枢电路电阻上消耗的功率 第78页，共139页，编辑于2022年，星期一轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）（3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为 电枢电路总电阻电枢电路总电阻 电枢电路串接电阻电枢电路串接电阻 第79页，共139页，编辑于2022年，星期一他励直流电动