直流电机拖动基础幻灯片.ppt

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1、直流电机拖动基础1第1页，共68页，编辑于2022年，星期一引引 言言 原原动动机机为为直直流流电电动动机机的的电电机机拖拖动动系系统统称称直直流流电电力力拖拖动动系系统统，或或称称直直流流电电机机拖拖动动系系统统。在在此此系系统统中中，电电动动机机有有他他励励、串串励励和和复复励励三三种种直直流流电电动动机机，其其中中最最主主要要的的是是他他励励直直流流电电动动机机，因因此此本本章章重重点点介介绍绍由由他他励励直直流流电电动动机机组组成成的的直直流流电电力力拖拖动动系系统统，对对串串励励、复复励励电电动动机机的的电电力力拖拖动动只只作作简简单介绍。单介绍。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电

2、机拖动基础2第2页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流直流电动机的机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流电动机为例进行讨论。电动机为例进行讨论。一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 他励式直流电动机的电路图如图他励式直流电动机的电路图如图4-1所示，所示，电动机的电磁转矩与转速之间的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，即关系曲线便是电动机的机械特性，即n=f（Te）。）。为了推导机械特性公式的

3、一般为了推导机械特性公式的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻形式，在电枢回路中串入外接电阻R。由由转矩特性和转速特性推导可得机械特转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为性的一般表达式为（4-1）3第3页，共68页，编辑于2022年，星期一 二、固有机械特性二、固有机械特性 直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图4-2所示，曲线满足如下公式：所示，曲线满足如下公式：第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4

4、-2）4第4页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 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)Te=0时，时，n=n0是理想空载转速，这时是理想空载转速，这时Ia=0，UN=Ea。2)机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率斜率 较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。3)电动机起动时电动机起动时n=0，感应电动势，感应电动势Ea=0，这时电枢电流为起动电流，这时电枢电流为起动电流Ia=Ist=UN/Ra；电磁转矩为起动转矩；电

5、磁转矩为起动转矩Te=Tst=CTIst；又因为电枢电阻又因为电枢电阻Ra 很小，在额定电压的作用下，很小，在额定电压的作用下，起动电流将非常大，远远超过电动起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流，机所允许的最大电流，会烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全会烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全电压直接起动。电压直接起动。4)若转矩若转矩TeTst，n 0，特性曲线在第四象限；若，特性曲线在第四象限；若Te 0，则，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。处于发电状态。5第5页，共68页

6、，编辑于2022年，星期一 三、人为机械特性三、人为机械特性 由公式（由公式（4-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压）可知，当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁电流、励磁电流I f、电枢外接电阻、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。起的机械特性又称人为机械特性。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1.改变电枢电压改变电枢电压 电电动动机机励励磁磁电电流流为为额额定定值值，使使每每极极磁磁通通为为 N 并并保保持持不不变变，电电枢枢回回路路不不外外接接电电阻阻，改改变变电电动动机机的的电

7、电枢枢电电压压Ua，可可得得到到一一条条与与固固有有机机械械特特性性平平行行的的人人为为机机械械特特性性。不不断断改改变变Ua，可可得得到到一一组组平平行行曲曲线线，特特性性曲曲线线的的硬硬度度均均相相同同，仅仅理理想想空空载载转转速速大大小小不不同同，如如图图4-3所所示示。6第6页，共68页，编辑于2022年，星期一 2.减小每极气隙磁通减小每极气隙磁通 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Rc，使励磁电流使励磁电流I f 减小，由于减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。根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

8、通减小了。根据机械特性公式可知：据机械特性公式可知：第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 当磁通减小后，理想空载当磁通减小后，理想空载转速转速n0升高，而斜率升高，而斜率 增大，增大，使特性曲线倾斜度增加，电动机使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上，性曲线均在固有机械特性之上，如图如图3-21所示。所示。7第7页，共68页，编辑于2022年，星期一 3.电枢回路串接电阻电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压当保持电枢回路电压Ua，励磁电流，励磁电流If 不变，改变电枢回路的串接电不变，改变电枢回路的串接电阻阻R，

9、电动机的理想空载转速，电动机的理想空载转速n0 不变，但机械特性的斜率不变，但机械特性的斜率 增大，增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性如下图所示。如下图所示。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础8第8页，共68页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 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。他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建态转速的过程。他励直流电动机起动时

10、，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。立磁场，然后再加电枢电压。他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流Ia为为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-3）在在起起动动瞬瞬间间，电电动动机机的的转转速速n=0，反反电电动动势势Ea=0，电电枢枢回回路路只只有有电电枢枢绕绕组组电电阻阻Ra，此此时时电电枢枢电电流流为为起起动动电电流流Ist，对对应应的的电电磁磁转转矩矩为为起起动转矩动转矩Tst，并有，并有（4-4）（4-5）9第9页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 由于电枢绕组电阻

11、由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流很小，因此起动电流IstIN（约为（约为1020倍倍的的IN），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此一般直流电机都不坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此一般直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。的起动过程。一般直流电动机拖动

12、负载顺利起动的条件是：一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1)起动电流限制在一定范围内，即起动电流限制在一定范围内，即Ist IN，为电机的过载倍数；为电机的过载倍数；2)足够大的起动转矩，足够大的起动转矩，Tst（1.11.2）TN；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呢？由如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist=UN/Ra可知，限制起动电流的措可知，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电枢串电阻和降压两种。的起动方法有电枢串电阻和降压两种。1

13、0第10页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 一、一、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Rst，在起动过程中，在起动过程中将起动电阻逐步切除。将起动电阻逐步切除。图图4-6a为他励直流电动机三级起动时的电气原为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。理图。11第11页，共68页，编辑于2022年，星期一 二、二、减压起动减压起动 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，电动机的转速动机的转

14、速n=0，反电动势，反电动势Ea=0，降低电源电压，降低电源电压U，将起动电流限制在将起动电流限制在允许的范围内。允许的范围内。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础12第12页，共68页，编辑于2022年，星期一 三、三、他励直流电动机起动的过渡过程他励直流电动机起动的过渡过程 在第二章的第四节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理在第二章的第四节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理论分析，论分析，并得出了转速动态方程（并得出了转速动态方程（2-19）、）、转矩动态方程（转矩动态方程（2-21）及）及过渡过程时间计算式（过渡过程时间计算式（2-26）和式（）和式（2-27）。）

15、。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础13第13页，共68页，编辑于2022年，星期一 下下面面对对他他励励直直流流电电动动机机串串电电阻阻起起动动的的机机械械过过渡渡过过程程作作进进一一步步分分析析。图图4-8a为为他他励励直直流流电电动动机机串串固固定定电电阻阻起起动动的的机机械械特特性性曲曲线线，其其中中S为为起起动动过过程程开开始始的的点点（即即起起始始点点），对对应应的的转转矩矩为为Te=Tst，转转速速为为n=0；A点点为为起起动动过过程程结结束束的的点点（即即稳稳态态点点），对对应应的的转转矩矩为为Te=TL，转转速速为为n=nA。将将S点点与与A点点的的具具体体数数据

16、据代代入入式式（2-19）及及式式（2-21），便便可可得得到到起起动动过过程程中中的的转转速速及及转转矩矩表表达达式式第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础14第14页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 当当采采用用电电枢枢串串多多级级电电阻阻起起动动时时，其其过过渡渡过过程程如如何何呢呢？图图4-9给给出出了了他他励励直直流流电电动动机机二二级级起起动动的的起起动动过过程程。15第15页，共68页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在为了

17、提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗加工不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用不同的用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。速度。但必须注意：这和由于负载变化，引起的速度变化是截然不同的概念。但必须注意：

18、这和由于负载变化，引起的速度变化是截然不同的概念。调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、电气调调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、电气调速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调速。本节只讨速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础16第16页，共68页，编辑于2022年，星期一 为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比较。那为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比

19、较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢？么评价调速方法的主要指标是什么呢？一、调速指标一、调速指标 1.调速范围调速范围 调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低和最低转速转速nmin之比，通常用之比，通常用D来表示，即来表示，即第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-7）调调速速范范围围反反映映了了生生产产机机械械对对调调速速的的要要求求，不不同同的的生生产产机机械械对对电电动动机机的的调调速速范范围围有有不不同同的的要要求求，例例如如车车床床D=20120，龙龙门门刨刨床床D=1040，轧轧钢钢机机D=312

20、0，造造纸纸机机D=320等等。对对于于一一些些经经常常轻轻载载运运行行的的生生产产机机械械，可可以以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围D。17第17页，共68页，编辑于2022年，星期一 2.静差率静差率 静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-8）静差率静差率反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，其允反映了拖动系统的相对稳

21、定性。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的，例如普通车床许的静差率是不同的，例如普通车床30%，而精度高的造纸机则要求，而精度高的造纸机则要求0.1%。静差率静差率值与机械特性的硬度及理想空载转速值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。有关。当理想空载转速当理想空载转速n0一定时，机械特性越硬，额定速降一定时，机械特性越硬，额定速降nN 越小，则静差率越小。越小，则静差率越小。而且，而且，调速范围调速范围D与静差率与静差率 两项性能指标是互相制约的。两项性能指标是互相制约的。在同一种调速方在同一种调速方法中，法中，值较大即静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围。值较大即静差率要求较低时，可

22、得到较宽的调速范围。18第18页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 越接近于越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当，则系统调速的平滑性越好。当=1时，称无级调速，即时，称无级调速，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。4.经济性经济性 主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。等。3.平滑性平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平在一定的调速范围内，调速的

23、级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比（4-9）19第19页，共68页，编辑于2022年，星期一 二、他励直流电动机的调速方法二、他励直流电动机的调速方法 前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因而他励直前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因而他励直流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。1.串电阻调速串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的

24、电阻时，电动机可运行于不同的速（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图4-10a示。电枢示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为串电阻调速的机械特性方程式为 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-10）他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图4-10b所示，是一组过理想所示，是一组过理想空载点空载点n0的直线，串入的电阻越大，其斜率的直线，串入的电阻越大，其斜率 越大。越大。20第20页，共68页，编辑于2022年，星期一

25、第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础21第21页，共68页，编辑于2022年，星期一 电枢回路串电阻调速的特点是：电枢回路串电阻调速的特点是：1）实现简单，操作方便；）实现简单，操作方便；2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D 2；5）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；4）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越）由于串接电阻上要消耗电功率，

26、因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。低，能耗越大。因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础22第22页，共68页，编辑于2022年，星期一 2.调电压调速调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机

27、绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，只能在额定电压电压，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也是一种在以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。基速以下调节转速的方法。调压调速的原理图如图调压调速的原理图如图4-7a所示，其机械特性方程式为所示，其机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-11）调压调速的特点是：调压调速的特点是：1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；2）调速前后机械特性硬度不变，因而相

28、对稳定性较好；）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；23第23页，共68页，编辑于2022年，星期一 3）在基速以下调速，调速范围较宽，）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达可达1020；4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；5）需要一套可控的直流电源。）需要一套可控的直流电源。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。机、造纸机等。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础24第24页，共68页，编辑于2022年，星期一 3.弱磁调速弱

29、磁调速 他他励励直直流流电电动动机机拖拖动动负负载载运运行行时时，保保持持电电枢枢电电压压额额定定，电电枢枢回回路路不不串串电电阻阻，改改变变励励磁磁电电流流（磁磁通通），可可以以得得到到不不同同的的转转速速。由由于于电电动动机机在在额额定定运运行行时时，磁磁路路已已接接近近饱饱和和，因因此此改改变变磁磁通通调调速速，实实际际上上是是减减弱弱磁磁通通，所所 以以 叫叫 弱弱 磁磁 调调 速速。弱弱 磁磁 调调 速速 的的 原原 理理 图图 如如图图4-12所示。弱磁调速时，机械特性方程式为所示。弱磁调速时，机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础（4-12）弱磁调速的特点

30、是：弱磁调速的特点是：1）由于励磁电流）由于励磁电流I f Ia，因而控制方便，能量损耗小；，因而控制方便，能量损耗小；2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；）可连续调节电阻值，以实现无级调速；3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（太高，一般约为（1.21.5）nN，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（为（34）nN，因而调速范围窄。，因而调速范围窄。25第25页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 弱磁调速

31、的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。26第26页，共68页，编辑于2022年，星期一 三、调速方式与负载类型三、调速方式与负载类型 1.电动机的容许输出与充分利用电动机的容许输出与充分利用 电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发热

32、又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输热又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际输出达要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际输出达到容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电流下工作的电到容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电流下工作的电机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小于额定电流下工作的电机，其

33、实际输出会小于它的允许值，这时电机便于额定电流下工作的电机，其实际输出会小于它的允许值，这时电机便会因得不到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它会因得不到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它工作在工作在Ia=IN 情况下。情况下。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础27第27页，共68页，编辑于2022年，星期一 2.调速方式调速方式 电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速方法，具电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速方法，具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时的电枢电流体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载

34、时的电枢电流Ia的情况，的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。对于他励直流电动机的对于充分利用电动机来说，是十分必要的。对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩调速和恒功率调速两种方三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。所谓式。所谓恒转矩调速方式恒转矩调速方式指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁转矩指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁转矩Te不变；而不变；而恒功率调速方式恒功率调速方式指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁功率功率Pem不变。不变。由由Te=CTNIa，当，当Ia=IN时，若时，若=N，则

35、，则Te=常数，因而他励直常数，因而他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于恒转矩调速方式。流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于恒转矩调速方式。此时，此时，P=Te，当转速上升时，输出功率也上升（见图，当转速上升时，输出功率也上升（见图4-13中的曲线中的曲线1）。）。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础28第28页，共68页，编辑于2022年，星期一 因因为为Te=CTNIa，P=Te ，当当Ia=IN 时时，若若减减小小，则则转转速速上上升升，同同时时转转矩矩减减小小，保保持持P=常常数数。他他励励直直流流电电动动机机改改变变磁磁通通调调速速就就属属

36、于于恒功率调速方式（见图恒功率调速方式（见图4-13中的曲线中的曲线2）。）。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础29第29页，共68页，编辑于2022年，星期一 3.调速方式与负载类型的配合调速方式与负载类型的配合 为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的调速方式。为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的调速方式。通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速方式，方式，这样可使调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。这样可使调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利

37、用。对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采用恒转对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采用恒转矩调速方式或恒功率调速方式的电动机，矩调速方式或恒功率调速方式的电动机，拖动泵类负载时，无论怎样拖动泵类负载时，无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负载应采用什么调速方都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负载应采用什么调速方式，我们将在第九章中讨论。式，我们将在第九章中讨论。恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输出转矩和功率

38、的限度，前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后者则是负载所具有的转矩和功实际输出多少取决于它所拖动的负载。后者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。率，表示负载本身的性质。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础30第30页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础31第31页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 一、电动状态和制动状态一、电动状态和制动状态 直流电动机的运行状态

39、主要分为电动状态和制动状态两大类。直流电动机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。电动状态是电动机运行时的基电动状态是电动机运行时的基本工作状态。电动状态运行时，本工作状态。电动状态运行时，电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩Te与转速与转速n方向相同，此时方向相同，此时Te为拖动转矩，为拖动转矩，电机从电源吸收电功率，向负电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。电动机电动载传递机械功率。电动机电动状态运行时的机械特性如图状态运行时的机械特性如图4-14所示。所示。32第32页，共68页，编辑于2022年，星期一 电动机在制动状态运行时，其电磁转矩电动机在制动状态运行时，其电磁转矩Te与转

40、速与转速n方向相反，此方向相反，此时时Te为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、四象限。阻上，或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、四象限。制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的工制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动的方法有几种。最简单的就是自作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动的方法有几种。最简单的就是自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。要使系统

41、实由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。要使系统实现快速停车，可以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱现快速停车，可以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱闸制动电机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制动性阻转矩闸制动电机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制动性阻转矩Te，以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，加强制动以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，加强制动效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有能耗制动能耗制动、反

42、反接制动接制动、回馈制动回馈制动三种。三种。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础33第33页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 二、能耗制动二、能耗制动 能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于反抗性反抗性负载负载，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为能耗制动过能耗制动过程程；对于；对于位能性负载位能性负载，其机械特性曲线在第四象限，有稳定运行点，其机械特性曲线在第四象限，有稳定运行点，故称为故称为能耗制动运行状态能耗制

43、动运行状态。34第34页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1.能耗制动过程能耗制动过程 (1)能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 将将U=0、=N，R=Ra+Reb代入他励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直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性 可可见见，能能耗耗制制动动时时的的机机械械特特性性是是一一条条经经过过原原点点、位位于于第第二二、四四象象限限的的直直线线，如图如图4-15b中的特性中的特性2所示。所示。（4-13）（4-14）35第35页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机

44、拖动基础直流电机拖动基础 (2)能能耗耗制制动动的的功功率率关关系系 他他励励直直流流电电动动机机能能耗耗制制动动过过程程中中的的功功率率传传递递方方向向为为：因因电电源源已已被被断断开开，不不向向电电动动机机提提供供能能量量，输输入入电电功功率率P1=0；此此时时，电电磁磁转转矩矩与与转转速速方方向向相相反反，机机械械功功率率P2为为负负，说说明明电电动动机机轴轴上上非非但但没没有有输输出出机机械械功功率率给给负负载载，反反而而是是负负载载向向电电动动机机输输入入了了机机械械功功率率，扣扣除除空空载载损损耗耗P0，其其余余的的转转变变为为电电磁磁功功率率Pem；电电磁磁功功率率Pem因因而而

45、也也变变为为负负值值，说说明明功功率率传传递递方方向向与与电电动动状状态态时时相相反反，即即在在电电动动机机内内，电电磁磁作作用用把把机机械械功功率率转转变变为为电电功功率率；最最终终，该该电电功功率率在在电电枢枢回回路路总总电电阻阻上上被被转转化化为为热热能能消消耗耗掉掉。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似发电机，但与一般的发电机不同，表现在：的电动机似发电机，但与一般的发电机不同，表现在：1)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

46、时所释放出来的动能；时所释放出来的动能；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）上的热能消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动。消耗掉了，因此称这种制动方式为能耗制动。36第36页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (3)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能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻外接制动电阻Reb的大小有关。外接制动电阻越大，制动转矩越小，制动的大小有关。外接制动电阻越大，制动转矩越小，制动过程越缓慢，但电机不易

47、过热；过程越缓慢，但电机不易过热；反之外接电阻越小，则制动转矩越反之外接电阻越小，则制动转矩越大，制动过程越快。大，制动过程越快。但制动电阻的最小值受到电动机过载能力的限制，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，因此在能耗制动过程中，应将制动瞬间的电流应将制动瞬间的电流（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，即应按下式选择电阻即应按下式选择电阻（4-14）（4-15）当制动初始转速大于当制动初始转速大于nN时，可用下列近似公式计算时，可用下列近似公式计算Reb，即，即 37第37页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第

48、四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 2.能耗制动运行状态能耗制动运行状态 若若他他励励直直流流电电动动机机拖拖动动恒恒转转矩矩位位能能性性负负载载，原原运运行行于于电电动动状状态态的的A点点，以以转转速速nA提提升升重重物物。现现采采用用能能耗耗制制动动，如如图图4-16所所示示，电电动动机机的的运运行行点点从从ABO，其其中中BO是是能能耗耗制制动动过过程程（与与拖拖动动反反抗抗性性负负载载时时完完全全一一样样）。在在O点点（Te=0，n=0）时时，停停止止提提升升。此此时时如如果果不不采采用用其其他他办办法法停停车车，则则系系统统将将在在位位能能性性负负载载转转矩矩TL作作用用下下开开

49、始始反反转转（即即下下放放重重物物），系系统统进进入入四四象象限限。38第38页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 3.能耗制动的过渡过程能耗制动的过渡过程 能耗制动的过渡过程与电动机所拖动的负载性质有关，能耗制动的过渡过程与电动机所拖动的负载性质有关，下面分别讨论。下面分别讨论。(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载能耗制动的过渡过程如图4-17所示，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到稳态点到稳态点C的两条光滑的指数曲

50、线（一条实线，一条虚线）。的两条光滑的指数曲线（一条实线，一条虚线）。(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负载进行能耗制动的过渡过程也如图4-17所示。所示。拖动反抗性恒转矩拖动反抗性恒转矩负载，负载，能耗制动过程就是一个制动停车的过程，能耗制动过程就是一个制动停车的过程，从从B点开始，到点开始，到O点为止（如图点为止（如图4-17中实线部分所示）。中实线部分所示）。39第39页，共68页，编辑于2022年，星期一第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础40第40页，共68页，编辑于2