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1、电机应用技术高职层次本讲稿第一页，共八十一页第二章 直流电机的应用课件制作 吴加国本讲稿第二页，共八十一页第二章 直流电机的应用 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。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成，如图2-1所示。图2-1 电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械执行某一生产任务；控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控制器等组成，用以控制电动机的运动，从而对生产机械的运动实现自动控制；电源的作用是向电动机和其它电气设备供电。本讲稿第三页，共八十一页第一节 生产机械的负载转矩特性 电力拖

2、动系统的负载就是电动机转轴上拖动的机械负载。由运动方程式可知，拖动系统的运行状况除受电动机的机械特性（下一节讨论）影响外，也与负载的转矩特性有关，负载转矩特性（简称负载特性）是指电力拖动系统的转速n与负载转矩TL之间的函数关系n=f(TL)。各种生产机械的负载特性大致可分为以下三种类型。一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性 二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 三、通风机型负载特性三、通风机型负载特性 本讲稿第四页，共八十一页 一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种。1反抗性恒转矩负载

3、反抗性恒转矩负载的特点是，负载转矩的大小不变，但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，当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的作用方向也随之改变，永远是阻力矩。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床的平移机构等。特性曲线如图2-2所示。图2-2本讲稿第五页，共八十一页2位能性恒转矩负载 这种负载的特点是负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻力矩，其作用方向与电动机旋转方向相反，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。特性曲线如图2-3所示。图2-

4、3本讲稿第六页，共八十一页二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值：常数 就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大（TL大），用低速档；精加工时，切削量小（TL小），用高速档。恒功率负载特性曲线如图2-4所示。图2-4本讲稿第七页，共八十一页三、通风机型负载特性三、通风机型负载特性 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比。即TL=kn2 式中，k是比例常数。常见的这类负载如鼓风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图2-5所示。必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常

5、为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩。所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。图2-5本讲稿第八页，共八十一页第二节第二节 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，利用机械特性和负载特性可以确定系统的稳态转速及起动、制动、调速等运行性能；在一定近似条件下还可以利用机械特性和运动方程式分析电力拖动系统的动态运行情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律。下面以他励直流电动机为

6、例讨论机械特性。本讲稿第九页，共八十一页一、他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性按图2-6可以列出他励直流电动机的电动势平衡方程式：式中，Rpa是电枢回路外串电阻。因为，所以经整理得：图2-6根据，得，则机械特性方程式为 本讲稿第十页，共八十一页 当U、R、的数值不变时，而Ce、CT是由电动机结构决定的常数，则转速n与电磁转矩T为线性关系。机械特性曲线如图2-7所示。图2-7n=n0 T=n0 n 则式还可以写成式中，n0是电磁转矩T=0时的转速，称为理想空载转速n0=U/(Ce)。电动机实际上空载运行时，由于T=T00，所以实际空载转速略小于理想空载转速n0。本讲稿第十一页，共八

7、十一页 是机械特性的斜率，在同样的理想空载转速下，值较小时，直线倾斜不大，即转速随电磁转矩的变化较小，称此机械特性曲线为硬机械特性，值越大，直线倾斜越厉害，机械特性为软机械特性。n是转速降，当机械负载变化时，例如TL从零逐渐增大，则电动机的电磁转矩T由零逐渐增大，电动机的转速从n0逐渐下降，下降数值是n。斜率越大，转速下降越快。本讲稿第十二页，共八十一页电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性。1他励电动机的固有机械特性 当他励电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性。将上述条件代入式 ，得到固有机械特性方程式为 由于电枢回路没有串联电阻Rp

8、a，而电枢绕组的电阻Ra阻值很小，=N数值最大，所以特性曲线斜率最小，固有机械特性曲线为硬特性。本讲稿第十三页，共八十一页2他励电动机的人为机械特性 如果人为地改变式 中的U、R、等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性 保持U=UN、=N不变，只在电枢回路中串入电阻Rpa时的人为机械特性方程式为图2-8是不同Rpa时的一组人为机械特性。图2-8本讲稿第十四页，共八十一页 观察图2-8的一组人为机械特性曲线可知，改变电阻Rpa的大小，可使电动机的转速发生变化。因此电枢回路串电阻的方法可以用于调速。与固有机械特性相比，电枢回路串电阻的人为机械特性的特点是：1

9、）理想空载转速n0保持不变；2）斜率随Rpa的增大而增大，转速降n增大，特性曲线变软。本讲稿第十五页，共八十一页（2）改变电源电压时的人为机械特性 当=N，电枢回路不串联电阻（Rpa=0），改变电源电压的人为机械特性方程式为 由于受到绝缘强度的限制，电压只能从额定值UN向下调节。与固有机械特性相比，改变电源电压的人为机械特性的特点是：1）理想空载转速n0正比于电压U，U降低时，理想空载转速成比例减小；2）特性曲线斜率不变。图2-9是调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。图2-9本讲稿第十六页，共八十一页（3）改变磁通时的人为机械特性 保持

10、电动机的电枢电压U=UN，电枢回路不串接电阻（Rpa=0），改变磁通的人为机械特性方程式为 由于电机设计时，N处于磁化曲线的膝点，接近饱和值，因此，磁通一般从额定值N减弱。可调节励磁回路串接的可变电阻Rpf使其增大来实现。与固有机械特性相比，弱磁的人为机械特性的特点是：1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通，n0升高；2）斜率与磁通二次方成反比，弱磁使斜率增大。图2-10是弱磁人为机械特性曲线。它是一组随减弱，理想空载转速升高，曲线斜率变大的直线。若将此法应用于调速时，则一般越弱，转速越高。图2-10本讲稿第十七页，共八十一页二、电力拖动系统稳定运行的条件二、电力拖动系统稳定运行的条件 前面分

11、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。所谓稳定运行，就是指电力拖动系统在某种外界因素的扰动下，离开原来的平衡状态，当外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。这里的“扰动”一般是指电网电压波动或负载的微小变化。电动机在电力拖动系统中运行时，系统会出现稳定运行和不稳定运行两种情况。本讲稿第十八页，共八十一页如图2-11 a所示 图2-11此时电动机产生的电磁转矩TTL2，系统开始加速，随着n的上升，电枢感应电动势Ea=CenN也上升，电枢电流Ia=(UNEa)/Ra将减小，

12、直流电动机产生的电磁转矩T=CTNIa也将减小，当电磁转矩减小到 T=TL2时，系统进入新的较高转速的稳定点运行，即图2-11a）中的B点，此时T=TL2，n=。如TL恢复到TL1，系统将恢复到A点运行。当负载由TL1减小为TL2时，在负载减小开始时刻，由于机械惯性，转速n和电磁转矩T（因Ia不能突变）不能突变，本讲稿第十九页，共八十一页 图2-11 b中的情况就不同了，机械特性上翘。当负载由TL1减小到TL2时，在负载减小时，由于存在惯性，转速n和电磁转矩不能突变，此时电动机的电磁转矩TTL2，系统仍加速运行，而从机械特性上看到，转速越高，电磁转矩越大，系统不可能到达B点稳定运行，而是越过B

13、点不断加速，导致电机或系统损坏。因而图2-11b为不稳定运行情况。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在T=TL处的机械特性与负载特性的交点之上，应该保证TTL。本讲稿第二十页，共八十一页第三节他励直流电动机的起动和反转 电动机工作时，转子总是从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的，由静止状态到稳定运行状态的过程称为起动过程或简称起动，电动机在起动过程中，电枢电流Ia、电磁转矩T、转速n都随时间变化，是一个过渡过程。开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为起动电流，用Ist表示；对应的电磁转矩称为起动转矩，用Tst表示。生产机械对直流电动机的起动有下列要求：1）起动

14、转矩足够大（TstTL，电动机才能顺利起动）。2）起动电流不可太大。3）起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。本讲稿第二十一页，共八十一页一、起动方法一、起动方法 1全压起动 全压起动就是将直流电动机的电枢上直接加以额定电压的起动方式。如图2-12所示。图2-12 起动时，先合Q1建立磁场，然后合上Q2全压起动。起动开始瞬间，由于机械惯性的影响，电动机转速n=0，电枢绕组感应电动势Ea=Cen=0，由电动势平衡方程式U=Ea+IaRa可知起动电流及起动转矩分别为：Tst=CTIst 本讲稿第二十二页，共八十一页例例2-1 一台Z2-61他励直流电动机，PN=10kW，UN=220V

15、，nN=1500r/min，IN=53.8A，Ra=0.286，计算：1）直接起动时的起动电流。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14.3倍。本讲稿第二十三页，共八十一页2）求起动转矩额定负载时的电磁转矩 不考虑电枢反应去磁的影响，则TstIst，所以 本讲稿第二十四页，共八十一页 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（1020）倍。起动转矩也很大，过大的起动电流将引起电网电压的下跌，影响其他用电设备的正常工作，而对电动机自身的换向器也将产生剧烈的火花。同时很大的起动转矩可能会使轴上受到直流电动机一

16、般不允许的机械冲击，严重时将损坏电力拖动系统中的传动装置。所以全压起动只限用于容量很小的直流电动机。对于常规的他励电动机，为了限制起动电流，可以采用减压起动和电枢回路串联电阻的起动方法。起动前，应将励磁回路的可变电阻调至零，使励磁电流最大，以保证励磁磁通为最大值，这样在电枢电流不太大时能产生足够大的起动转矩。本讲稿第二十五页，共八十一页2减压起动 减压起动即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流Ist，为了获得足够的起动转矩（TstTL），起动时电流通常限制在（1.52）IN内，则起动电压应为 Ust=IstRa=(1.52)INRa 随着转速n的上升，反电动势Ea也逐渐增

17、大，Ia相应减小，起动转矩也减小。为使Ist保持在（1.52）IN范围，即保证有足够大的起动转矩，起动过程中电压U必须不断升高，直到电压升至额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。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。本讲稿第二十六页，共八十一页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。由电动势平衡方程式可知，在起动时，Ea=0，则例例2-2 例2-1中的电动机若限制起动电流不超过100A，求：1）采用减压起动，起动电压是多少？2）采用电枢回路串电阻起动，则起动开始时应

18、串入多大电阻？解1）求起动电压 2）求起动电阻 串入一个不到2的电阻，就可将电流从769.2A降至100A，限流效果十分明显。本讲稿第二十七页，共八十一页 起动过程中，由于nEaIstTst，所以电动机的加速作用也逐渐减小，致使转速上升缓慢，起动过程延长。要想在起动过程中保持加速度不变，必须要求电动机的电枢电流和电磁转矩在起动过程中不变，即随着转速上升，起动电阻Rst应平滑均匀地减小。这样做比较困难。通常把起动电阻分成若干段（一般24段），逐级切除。下面对电枢串多级电阻的起动过程进行定性分析。本讲稿第二十八页，共八十一页 图2-13是他励直流电动机电枢回路串电阻自动起动的接线图。图2-13 R

19、st4、Rst3、Rst2、Rst1为各级串入的起动电阻，KM以及KM1KM4分别各是接触器的常开触点，可以通过时间继电器控制它们按要求依次闭合。起动过程如图2-14机械特性所示。本讲稿第二十九页，共八十一页 当电动机励磁绕组通电后，再接通KM，其它接触器触点断开，将电动机接上额定电压，此时电枢电路接入全部电阻起动，起动电流Ist1=UN/R4(R4=Ra+Rst1+Rst2+Rst3+Rst4)，产生的起动转矩Tst1TL（设TL=TN）。电动机从a点开始起动，转速沿曲线ab上升至b点，起动转矩减小至Tst2。这时KM1接通，切除第一级起动电阻Rst4，电动机由R4的机械特性切换到R3 (R

20、3=Ra+Rst1+Rst2+Rst3)的机械特性。切换瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电动势Ea保持不变，电枢电流将突然增大，转矩也成比例突然增大，选择恰当的电阻，使转矩增加至Tst1，电动机运行点从 b点跳变至c点。从c点继续加速到d点，KM2接通，切除第二级电阻Rst3，电动机运行点从d点跃变到e点，电机沿ef曲线加速，如此继续下去，依次接通KM3、KM4使电动机由a点经b、c、d、e、f、g、h 点到达i点。此时，所有起动电阻均被切除，电动机进入固有机械特性曲线运行并继续加速至k点。在k点T=TL，电动机轴上转矩平衡且稳定运行，起动过程结束。图2-14本讲稿第三十页，共八十一页 为了

21、保证起动过程中既有足够大的起动转矩又不致使起动电流过大，起动过程中直流电动机的电流或转矩一般取Tst1=(1.52.0)TN 或I1=(1.52.0)IN，通常取I1=2IN Tst2=(1.11.2)TN 或I2=(1.11.2)IN。本讲稿第三十一页，共八十一页 在小容量直流电动机中或在实验室里，常用人工手动办法来起动。常用的三点起动器起动就是其中的一种，图2-15为三点式起动器的接线图。图2-15 起动前，起动器手柄处于0位（起动位），接通直流电源，此时励磁绕组通电，建立磁场，而电枢绕组还未接通。将手柄自0位逐渐顺时针转动，经位置1时，电枢绕组内串入所有电阻将起动，手柄继续转动经位置2、

22、3、4将起动电阻逐段切除，至位置5时，起动电阻全部切除，起动结束，电磁铁YA将手柄吸住，使其一直处在位置5（运行位）上。若电源电压过低、突然断电或需停机而切断电源，则电磁铁YA吸力减小或消失，手柄上弹簧将手柄拉回起动位置，电动机停转，为下一次起动做好准备。电磁铁YA也起着欠电压和失压保护的作用。本讲稿第三十二页，共八十一页二、他励直流电动机的反转二、他励直流电动机的反转 第一章曾讨论到要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定，所以，只要改变或Ia的方向，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：1改变励磁电流方向 保持电

23、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。本讲稿第三十三页，共八十一页 由于他励直流电动机的励磁绕组匝数多，电感大，励磁电流从正向额定值变到负向额定值的时间长，反向过程缓慢，而且在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大的自感电动势，可能造成绝缘击穿，所以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。但在电动机容量很大，对反转速度要求不高的场合，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法实现电动机的反转，也是可以采用的。本讲稿第三十四页，共八十一页第四节

24、他励直流电动机的制动 根据电磁转矩T和转速n方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当T与n同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态；当T与n反方向时，称为制动运行状态，简称制动状态。制动作用可以用于使拖动系统减速或停车；也可用以维持位能性负载恒速运动，如起重机类机械匀速下放重物，电车匀速下坡运行等。实际制动的方法有机械制动和电气制动两种：机械制动，它是利用摩擦力产生阻转矩实现制动的；而电气制动，则是使拖动系统的电动机产生一个与转向相反的电磁转矩来实现制动。常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种，下面分别进行分析讨论。本讲稿第三十五页，共八十一页一、能耗制动一、能耗制动 图2

25、-16 a是能耗制动控制线路图，接触器KM1常开触点闭合时，为电动运行状态，此时电枢电流Ia、电枢电动势Ea、转速n及驱动性质的电磁转矩T的方向如图所示。当需要制动时，接触器KM1的常开触点断开，切断电源，KM1的常闭触点闭合，接入制动电阻Rbk，电动机便进入能耗制动状态，如图2-16 b所示。图2-16本讲稿第三十六页，共八十一页 电动机制动初始时，由于惯性作用，转速n仍保持与原电动状态相同的方向和大小，又因为磁通保持不变，所以电枢电动势Ea的大小和方向亦与电动状态时相同。但是，由Ea在闭合的回路内产生的电枢电流Ibk却与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，由此而产生的电磁转矩Tbk也与电动状

26、态时的T方向相反，变为制动转矩，于是电机处于制动运行。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，并消耗在电阻（Ra+Rbk）上，直到电机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。本讲稿第三十七页，共八十一页把U=0、R=Rbk+Ra代入式 便可得到能耗制动的机械特性方程 或 可见，能耗制动时的机械特性曲线是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，特性的斜率 与电动状态下电枢串电阻Rbk时的人为特性的斜率相同，如图2-17中直线bO所示。图2-17本讲稿第三十八页，共八十一页 能耗制动时，电动机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。在制动过程中，假设原来

27、电动机拖动反抗性恒转矩负载运行于电动状态（a点），制动切换瞬间，由于转速n不能突变，电动机的工作点从a点过渡至b点，此时，电磁转矩反向，电机沿曲线bO减速，随着nEaIa制动电磁转矩T，直至O点，n=0，Ea=0，Ia=0，T=0，电动机迅速停车。若电动机拖动位能性负载，如图2-18所示下放重物采用能耗制动，abO是其制动过程，与拖动反抗性负载时完全相同。但是在O点（T=0），拖动系统在TL的作用下，开始反转，n反向，Ea反向，Ia和T再次反向，这时机械特性位于第四象限（图2-17中虚线所示）。随着转速的增加，电磁转矩也不断增大，直到T=TL时（图2-17中c点），系统加速度为零，转速稳定，重

28、物匀速下放。此状态称为稳定能耗制动运行。图2-18本讲稿第三十九页，共八十一页 改变制动电阻Rbk的大小，可以改变能耗制动特性曲线的斜率，从而可以改变起始制动转矩的大小，以及下放位能负载时的稳定速度。Rbk越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放位能负载的速度越小。减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成过大的制动冲击电流。通常限制最大制动电流Ibk（22.5）IN，而制动电阻由下式确定：制动反抗性负载使电机运行在第二象限时，式中的Ea为制动前电动状态的电枢电动势，Ea0（n0），但Ibk为负值；若匀速下放重物使电机运行在第四象限时，Ea0

29、（n0），但Ibk为正值。能耗制动操作简单，但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电机能更快地停转，可以在转速降到一定程度时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。本讲稿第四十页，共八十一页例例2-3 他励直流电动机的铭牌数据为PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，Ra=0.175，CeN=0.133。1）电动机在额定工作状态时，进行能耗制动，取最大制动电流为2IN，试求电枢回路应串入的制动电阻Rbk1。2）用此电动机拖动起重机，当轴上的负载转矩为额定转矩的2/3时，要求电动机在能耗制动状态下，以8

30、00r/min的速度下放重物，试求电枢回路中应串入的制动电阻Rbk2。解：1）制动前电枢电动势为Ea=UNINRa=(220-1160.175)V=199.7V按式 求取串入的制动电阻值：本讲稿第四十一页，共八十一页2）因为CeN不变而此时T=2/3TN，故Ibk=2/3IN，由式或式得：=本讲稿第四十二页，共八十一页二、反接制动二、反接制动 反接制动有电枢反接制动（电压U反接制动）和倒拉反接制动（电动势Ea反接制动）两种方式。1、电压反接制动电压反接制动的控制电路如图2-19所示。图2-19 当接触器KM1的常开触点闭合，KM2的常开触点断开时，电枢接正极性的电源电压，此时电机处于电动运行状

31、态。进行制动时，KM1的常开触点断开，KM2的常开触点闭合，此时电枢回路串入制动电阻Rbk后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内，UN与Ea顺向串联，共同产生很大的反向电流。本讲稿第四十三页，共八十一页 在电枢回路内，UN与Ea顺向串联，共同产生很大的反向电流。反向的电枢电流Ibk产生很大的反向电磁转矩T，从而产生很强的制动作用，这就是电压反接制动。电压反接制动时的机械特性就是在U=UN，=N，R=Ra+Rbk条件下的一条人为机械特性，即 或本讲稿第四十四页，共八十一页 可见，其特性曲线是一条通过n0点，斜率为 的直线，如图2-20中线段bc所示。图2-

32、20 电压反接制动时，电动机的工作点从原来的电动状态a点过渡到b点，电磁转矩反向对电动机制动，使电动机转速迅速降低，从b点沿制动机械特性下降到c点，此时n=0，如果要求停车，就必须马上切断电源。如果要求电机反向运行，若负载是反抗性恒转矩负载，当n=0时，若电磁转矩 ，则电动机堵转；若 ，电动机将反向起动，沿特性曲线至d点（第三象限）T=TL，电机稳定运行在反向电动状态。如果负载是位能性恒转矩负载，电机反向转速继续升高将沿特性曲线到e点（第四象限），在反向回馈制动状态下稳定运行。本讲稿第四十五页，共八十一页 频繁正、反转的电力拖动系统常常采用电枢反接制动，系统先反接制动停车，接着自动反向起动，达

33、到迅速制动并反转的目的。电动状态时，电枢电流的大小正比于UN与Ea之差，而反接制动时，电枢电流的大小正比于UN与Ea之和，因此反接制动时电枢电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在回路中串接制动电阻Rbk。Rbk的大小应使反接制动时电枢电流Ibk=（22.5）IN，据此选择制动电阻Rbk，有 电机运行在第二象限即制动反抗性负载时，Ea0(n0)，而Ibk0；运行在反向电动状态时，Ea0(n0)，Ibk0；运行在第四象限即反向回馈制动状态下稳定下放重物时，Ea0(n0，)，Ibk0。本讲稿第四十六页，共八十一页2、倒拉反接制动 倒拉反接制动只适用于位能性恒转矩负载，发生在提升重物

34、转为下放重物的情况下。倒拉反接制动控制电路如图2-21 a所示。图2-21 电动机提升重物时，接触器KM常开触点是闭合的，电动机运行在固有机械特性的a点（电动状态），如图2-21 b所示。本讲稿第四十七页，共八十一页 下放重物时，KM触点断开，电枢电路内串接较大电阻Rbk，这时电机转速不能突变，工作点从a点过渡至对应的人为机械特性b点上，由于TTL，电机减速沿曲线下降至c点。在c点，n=0，此时仍有TTL，在负载重物的作用下，电动机被倒拉而反转起来，重物下放。由于n反向（n0），Ea也反向（Ea0）。此时，电枢回路内UN与Ea实为顺向串联，共同产生很大的正向电流：（Ea0，但Ibk0）。电机过

35、c点后，仍有TTL，电机反向加速，使Ea的绝对值增大，Ia与T也相应增大，直到d点，T=TL，电动机以d点的速度匀速下放重物。本讲稿第四十八页，共八十一页倒拉反接制动的机械特性方程为或 可见，倒拉反接制动时的机械特性方程式就是电动状态时电枢串电阻的人为特性方程式，只不过此时电枢串入的电阻值较大，使得 ，即 而已。因此，倒拉反接制动特性曲线是电动状态电枢串电阻的人为特性在第四象限的延伸部分。下放重物的速度可以因串入电阻Rbk的大小不同而异，Rbk越大，下放速度越高。本讲稿第四十九页，共八十一页Rbk 的大小由下式确定：由于电机运行在第四象限，故式中n0，Ea0。Ibk的大小由负载转矩决定。本讲稿

36、第五十页，共八十一页三、回馈制动三、回馈制动针对电动机电枢回路平衡方程式：前面已经讨论过：1）UEa，属正向电动状态，n0，Ia0；2）U=0，属能耗制动状态，n0，Ia0或 n0；3）U0但Ia0；4）Ea0，属倒拉反接制动状态，n0；现在再来讨论第5）种情况：UEa，即n00但IaU），因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动的机械特性方程式为：或 本讲稿第五十二页，共八十一页 可见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特性位于第二象限，当nn0时，只有Ia0即T0；反向回馈制动时则位于第四象限（用于稳定下放位能性负载）。分别如图

37、2-22中的n0a段和-n0b段。图2-22本讲稿第五十三页，共八十一页例例2-4 一台他励直流电动机，PN=5.6kW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4，TL=49Nm，电枢电流不得超过2倍额定电流（忽略空载转矩T0）。试计算：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？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，采用倒拉反接制动运行，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，在反向回馈

38、制动运行状态下，下放重物，电枢回路应串多大的电阻？若电枢回路不串电阻，在反向回馈制动状态下，下放重物的转速是多少？4）画上上述各种制动情况的机械特性。本讲稿第五十四页，共八十一页解 1）计算能耗制动电阻和电枢反接制动电阻电动状态的稳定转速 能耗制动电阻，由式（2-13）得电枢反接制动电阻，由式（2-16）得本讲稿第五十五页，共八十一页2）计算倒拉反接运行和能耗制动运行时，电枢回路应串入电阻倒拉反接稳定制动时的电枢电流为 由式（2-19）计算倒拉反接制动电阻由式（2-13）计算能耗制动稳定运行时的电阻本讲稿第五十六页，共八十一页3）计算反向回馈制动运行时电阻反向回馈制动运行，不串电阻时的转速4）

39、画各机械特性本讲稿第五十七页，共八十一页图2-23本题的各种机械特性如图2-23所示。本讲稿第五十八页，共八十一页 综上所述，制动状态的特点是电动机的电磁转矩和转速方向相反。几种制动方法的比较与应用见表2-1（教材P41）所示。现将他励直流电动机四个象限运行的机械特性画在一起，如图2-24所示，便于加深理解和综合分析。在第一、三象限内，T与n同方向，为电动运行状态；在第二、四象限内，T与n反方向，为制动运行状态。图2-24本讲稿第五十九页，共八十一页第五节 他励直流电动机的调速 为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如金属切削机床，由于工件的材料和精度的要

40、求不同，工作速度也就不同，又如轧钢机，因轧制不同品种和不同厚度的钢材，要采取不同的最佳速度。这种人为地改变电动机速度满足生产工艺要求，通常称为调速。调速可用机械方法，电气方法或机械电气相结合的方法，本节只讨论电气调速。电气调速是人为地改变电动机的参数，使电力拖动系统运行于不同的人为机械特性上。这不同于由于负载变化，使电动机在同一条特性上发生的转速变化。本讲稿第六十页，共八十一页一、调速指标、调速指标电动机的调速性能，常用下列指标衡量：1调速范围 调速范围是指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比，用D表示，即 不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床D=2012

41、0，龙门刨床D=1040，轧钢机D=3120，造纸机D=320等。由式 可知要扩大调速范围D，必须提高nmax和降低nmin，但nmax受到电动机的机械强度和换向条件的限制，nmin受到相对稳定性的限制。本讲稿第六十一页，共八十一页2调速的相对稳定性（静差率）相对稳定性是指负载转矩变化时，转速随之变化的程度，工程上常用静差率%来衡量相对稳定性。静差率表示电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载到额定负载所出现的转速降与理想空载转速之比，用百分数表示为 显然，在相同的n0情况下，电动机的机械特性愈硬，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

42、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，是指实际空载转速与额定转速之差与实际空载转速之比的百分值，与%略有不同。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%。本讲稿第六十二页，共八十一页3调速的平滑性 调速的平滑性是指两个相邻调速级（如第i级与第i-1级）的转速之比，用系数 表示 值越接近于1，调速平滑性越好，在一定的调速范围内，调速的级数越多，则调速的平滑性越好，不同的生产机械对调速的平滑性要求不同，例如龙门刨床要求基本上近似无级调速（即 1）。本讲稿第六十三页，共八十一页4调速的经济性 调速的经济性是指对调速设备的投资和电

43、能消耗、调速效率等经济效果的综合比较。5调速时的容许输出 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。在电动机稳定运行时，实际输出的功率和转矩由负载的需要来决定，故应使调速方法适应负载的要求。本讲稿第六十四页，共八十一页二、改变电枢电路串联电阻的调速二、改变电枢电路串联电阻的调速电枢回路串电阻调速的原理及调速过程可用图2-25说明。图2-25 设电枢未串接电阻Rpa时，电动机稳定运行在固有机械特性的a点上，当电阻Rpa1接入电枢电路瞬间，因转速不能突变，工作点从a点过渡至人为机械特性的b点，这时电枢电流减小，电磁转矩减小，TTL，电动机减速，电枢电动势减小，电

44、流Ia回升，T增大，直到T=TL，电动机在低速的c点稳定运行。本讲稿第六十五页，共八十一页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，一般为D=13。2）调速的平滑性不高。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。这种调速方法适用于小容量电动机的调速，例如起重设备和运输牵引装置。应该注意，调速电阻不能用起动变阻器代替，因为起动变阻器是短时使用，而调速变阻器是连续工作的。本讲稿第六十六页，共八十一页例例2-5 一台直流他励电动机，其额定数据为：PN

45、=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？解：因为调速前后的负载转矩为额定负载不变，磁通大小也不变，所以电枢电流Ia在调速前后保持恒定，Ia=IN。由调速前的额定值可求得：设转速调至600r/min时电枢串电阻为Rpa，则故 在电枢电路中必须串接的电阻为0.23，比电枢电阻大得多。所以将转速从1500r/min降至600r/min。本讲稿第六十七页，共八十一页三、降压调速降压调速 电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能

46、在额定电压往下进行调节，降压调速的原理及调速过程可用图2-26说明。图2-26 设电动机稳定运行a点，突然将电枢电压从U1降至U2，因机械惯性，转速不能突变，电动机由a点过渡到b点，此时TTL，电机立即加速，随nEaIaT，直到c点T=TL，电动机以新的较高的工作速度稳定运行。与降压调速类似，在突然增磁过程中，也会出现回馈制动。读者可自行分析。本讲稿第七十一页，共八十一页弱磁调速的特点：1）弱磁调速机械特性较软，受电机换向条件和机械强度的限制，转速调高幅度不大，因此调速范围D=12。2）调速平滑，可以无级调速。3）在功率较小的励磁回路中调节，能量损耗小。4）控制方便，控制设备投资少。本讲稿第七

47、十二页，共八十一页例例2-7 例2-5的电动机，用弱磁的方法调速，磁通减小10%时。试求：1）调速瞬间的电枢电流。2）调速后的稳定电枢电流和转速。解 1）求调速瞬间的电枢电流 因为瞬间转速不变，即n=1500r/min；磁通降为额定时的90%，即Ce=90%CeN，则 可见磁通减小10%的瞬间，电枢电流增大一倍。同时电磁转矩也增大，电动机加速。本讲稿第七十三页，共八十一页2）求调速后的稳定电枢电流和转速。因为调速前后的负载转矩不变，故调速前后的电磁转矩也不变，即 则调速后的稳定电枢电流及转速分别为：从以上计算可知，弱磁调速后，电动机的转速提高，对于恒转矩负载来说，同时电枢电流会比调速前大。若调

48、速前是在额定状态运行，则调速后电枢电流会大于额定电流，变成过载运行，但电动机不允许长期过载运行，应予注意。本讲稿第七十四页，共八十一页第六节 串励和牵引直流电动机简介一、串励直流电动机、串励直流电动机 串励电动机的接线如图2-28所示，因为直流串励电动机的励磁绕组与电枢电路相串联，励磁电流If与电枢电流Ia相等，造成了串励电动机具有与他（并）励电动机有很大差异的特性。从结构上来看，由于串励电动机的励磁绕组流过的是电枢电流，导线截面与他（并）励电动机相比较大，匝数较少。图2-28按图2-28写出串励直流电动机的电动势平衡方程式：由此推出电动机的转速方程为式中 R=Ra+rf+Rpa。本讲稿第七十

49、五页，共八十一页 在轻负载运行区间，串励电动机电枢电流较小，电机铁心未饱和，电枢电流与磁通成正比，即=kfIa 电动机的电磁转矩串励电动机的机械特性如图2-29所示。图2-29本讲稿第七十六页，共八十一页2）串励电动机的理想空载转速n0=U/(Ce)，从理论上分析n0应为无穷大，实际上电动机总有剩磁存在，空载转速不会达到无穷大。但因剩磁很小，致使电动机的实际空载转速仍很高，一般可达(56)nN，出现“飞车”现象，这样高的速度将造成电动机与传动机构损坏，所以串励电动机是绝对不允许空载起动和空载运行的。通常要求负载矩矩不得小于四分之一额定转矩。为了安全起见，串励电动机和拖动的生产机械之间不得用皮带

50、或链条传动，以免皮带、链条断裂或皮带打滑致使电动机空载运行。可见，串励电动机的机械特性具有如下特点：1）它是一条非线性的软特性，负载时的转速降落很大。3）由于T正比于Ia的平方，起动和过载时Ia较大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。本讲稿第七十七页，共八十一页二、牵引电动机牵引电动机 牵引电动机一般指用于驱动各种机车和车辆的电动机，一般分为主牵引电动机和辅助牵引电动机。主牵引电动机能直接使机车或车辆前进或后退；而辅助牵引电动机一般与被牵引对象（如空气压缩机、通风机、辅助电源发电机等）联体加以驱动。牵引电动机种类繁多，除交流准轨电机车、电网和工矿企业干线采用高压交流供电外，绝大多数采用直流