电机与拖动基础第四版第四章ppt课件.ppt

第四章第四章 他励直流电动机的运行他励直流电动机的运行4.1 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动 为了产生较大的启动转矩并限制过高的启动转速，应使每极磁通为额定值，即励磁电流为额定值且仅防励磁回路开 他励直流电动机加额定电压直接启动，此时由于速 ，反电势 ，则启动电流 ，启动转矩将产生过大的电流，导火花过大甚至拉弧，损坏电刷和换器；还会产生机械冲除小电机外，一般不允许直接启动41.1 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻 R ，启动电流为1 串入电阻的大小依据负载转矩而定为了保持在启动过程中，电磁转矩持续较大和电枢电流持续较小，可逐段切断启动电阻进行动如图4.1所示图 4.11 电枢回路串电阻启动4.1.2 降电压启动降电压启动降低电压时，启动电流为 ，电压的大小根据负载转矩和启动条件而定为了保持在启动过程中，电磁转矩持续较大和电枢电流持续较小，可逐渐升高电压，直至 ，如4.2图 4.2 降压启动2图中A点为稳定运行点。

4.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 4.2.1 他励直流电动机的调速方法他励直流电动机的调速方法 1.电枢串电阻调速 保持电源电压与磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同电阻时，电动机图4.3 电枢回路串电阻调速运行于不同转速，如图4.3 所示 串电阻调速，电机在不同速度下运行时，只要负载转矩变，电枢电流也不变因为 电枢串电阻调速的缺点是3损耗大，串电阻越大、速度越低、损耗越大 2. 2. 降低电源电压调速降低电源电压调速保持磁通为额定值，电枢回路不串电阻，降低电枢电压的调速如图4.4所示图中的负载为恒转矩负载，降低电压时，电 机工作在不同转速上同理，只要负载转矩不变，电枢电流就不变由于降压调速的机械特性为一组硬度较大的平行线，低速运行时稳定性好，速度调节平滑，故广泛运用图4.4 降低电源电压调速4在直流拖动系统中3.弱磁调速弱磁调速 保持电机电压不变，电枢回路不串电阻，在负载转矩不太大的情况下，降低直流电动机磁通，可使直流电动机转速升高恒转矩负载的图4.5 弱磁调速机械机械特性如图4.5所示。

弱磁升速中，最高转速受换向器和机械强度限制，一般不超过 1.2 在直流电机拖动系统中，广泛用降电压向下调速及减弱磁通向上调速的双向调速法，以获取较宽的调速范围54.2.2 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速和恒功率调速 在调速过程中，保持点枢电流和每极磁通为额定值（即电磁转矩为额定值），称为恒转矩调速 保持电枢电流为额定值，采用弱磁调速，此时虽然转矩小，但转速变高，而功率保持不变，称恒功率调速4.2.3 调速的性能指标调速的性能指标1. 1.调速范围与静差率调速范围与静差率 在额定负载下，电动机调速时的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用 D 表示即 (4-3) 静差率 又称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负 6载时的转速变化率，用 δ 表示，即 （4-4）由式（4-4）可知，静差率与以下两个因素有关1）与转速降落有关 由图 4.7 可知，固有机械特性的转速降落 较小，而人为机械特性的转速降落 较大，即人为机械特性比固有机械特性的静差率大。

若串最大电阻时机械特性的静差率满足要求， 则其他特性上的静差率都能满足要求则在串最大电阻的机械特性上 时的转速，就是串电阻调速的最低转速 ，而 就是最高转速 2）与理想空载转速有关机械特性硬度一定时，理想空载转速越高，静差率越小7在图 4.8 的降压调速机械特性中，当 时，两条特性的转速降落相同，但两条特性的静差率却不同，显然低电压特性的静差率大故在降压调速中，只要电压最低的机械特性的静差率满足要求，其他各条特性都能满足要求这条电压最低机械特性在 时的转速为最低转速 ，而 为最高转速 图4.7 电枢串电阻调速的静差率与调速范围图 4.8 降电源电压的静差 率与调速范围8 调速范围与静差率是两互相制约的指标，实际生产中，需要根据静差率与调速范围两项指标来选择调速方法 2. 调速的平滑性调速的平滑性 有级调速的平滑性用平滑系数 φ 表示，其定义为，相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比，即 ，φ 越小，平滑性越好。

当 φ →∞时，成为无级调速 3. 3. 调速的经济性调速的经济性 调速的经济性主要指调速设备的初投资、调速的电能损耗和运行时的维修费用等 以上所述他励直流电动机的三种调速方法的性能比较，请见课本表4.1 94.3 他励直流电动机的电动与制动运行他励直流电动机的电动与制动运行 电动机在负载特性与机械特性的交点上的恒速运行，称为稳态运行；在工作点之外的机械特性上的运行时，称为过度过程；他励直流电动机的固有特性、人为特性和各类生产机械的负载转矩特性都分布在直角坐标的四个象限内4.3.1 4.3.1 电动运行电动运行 1. 1.正向电动运行正向电动运行 电动机的电磁转矩 T>0 ，转n>0这种运行状态称为正向电动运行由于图4.9 他励直流电动机电动运行1-固有特性 2-降压人为特性 3-电源为( ) 的人为机械特性10T 与 n 同方向，T 为拖动性负载在第一象限，如图4.9 所示的 A 点和 B 点表4.2 为直流电动机稳态运行的功率关系 表表4.2 4.2 他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系 输入输入 电枢回路电枢回路 电磁功率电磁功率 电动机电动机 输出输出 电功率电功率 总损耗总损耗 （电（电→→机机）） 空载损耗空载损耗 机械功率机械功率 + + + + +2. 反向电动运行 拖动反抗性负载，反向时工作点在第三象限如图4.9 的C点。

这时电磁转矩 T<0，转速 n<0，两者同方向，T乃为拖动性载11这种运行状态称为反向电动运行，其功率关系与正向电动运行完全相同4.3.2 能耗制动能耗制动1.能耗制动过程能耗制动过程 图4.10 (a)中，当刀闸K接在电源上时，为反抗性负载正向电动运行状态，如图4.10 (b)中第一象限的A点当刀闸突然与电源断开并接入电阻R时，其机械特性由图(b)中的曲线1变为曲线2切换后的瞬间，因转速不能突变，磁通仍为额定值，固反电势 不变，而此时 U=0 ，因此点枢电流和转矩分别为：因 ,则系统减速， 下降，电流与转矩的绝对值减小，电动12机运行点沿曲线2从B→ O ，这时 即 在原点上 图图4.10 能耗制动过程能耗制动过程1- 固有机械特性 2- 电压为零的人为机械特性13上述制动过程中，转矩始终与转速反向而起制动作用，这种靠消耗动能来制动的方法称为能耗制动他励直流电动机能耗制动过程的功率关系如表4.3 所示。

能耗制动开始瞬间，其电枢电流和电磁转矩的大小和电枢回路的总电阻有关，电阻小，电流大，制动转矩大，停车快；但电流过大将导致换向困难工程上依据最大允许电流，计算出能耗制动时电枢回路所串的最小电阻即 14图4.11 为他励直流电动机各种运行状态下的功率流程图其中图（a）是电动运行状态，图（b）为能耗制动过程2. 2. 能耗制动运行能耗制动运行 对拖动位能性负载，突然采用能耗制动时，电机的运行点从A→B →O，完成制动过程到O点后如不采取措施停车，则电15机开始反转，沿曲线2从 O 到 C，C 为一个新的稳定工作点这时电磁转矩 T > 0，转速 n < 0，T为制动转矩，这种稳定运行状态称为能耗制动运行此时 成为拖动性转矩 能耗制动稳定运行的速度与电枢回路串入的的制动电阻有关，电阻越大，速度越高如图4.12 (b) 能耗制动运行时的功率关系与制动过程中的功率关系相同 图图 4.12 能耗制动运行能耗制动运行1-固有机械特性 2-电压为零的人为机械特性164.3.3 4.3.3 反接制动过程反接制动过程 将正向运行的他励直流电动机电源电压突然反接，且在电枢回路串入限流电阻，就实现了反接制动停车。

其机械特性如图4.13 (a) 所示反接制动时，工作点从 A→ B→ C , 到C点时 图图 4.13 他励直流电动机反接制动过程他励直流电动机反接制动过程1- 固有机械特性 2 - U=-Un ，电枢串电阻的人为机械特性 3 – U=0，电枢串电阻的人为机械特性17转速为零，应迅速切除电源反接制动过程在第二象限，其功率关系如表4.4所示其功率流程如图4.11 (c)所示 为了使起始制动电流 所串电阻的最小值为：同一台电机，反接制动比能耗制动电枢回路所串的电阻要大一倍见图4.13 (b)中的曲线 2 与曲线 3 18 拖动反抗性恒转矩负载进行反接制动时，如机械特性如图4.14所示，若在 C 点不切除电源，则系统会反向启动，运行在 D 点这适用于频繁正、反转的拖动系统图图 4.14 反接制动且反向启动机械特性反接制动且反向启动机械特性4.3.4 4.3.4 倒拉反转运行倒拉反转运行他励直流电动机拖动位能性负载运行，若电枢串入电阻，转速会下降，当串入电阻足够大时，使转速小于零，工作点在第四象限，如图4.15 所示。

此时 T >0 , n <0 ，为制动运行状态19 这种状态称为倒拉反转运行或限速反转运行其功率关系与反接制动的功率关系一样，其功率流程见图4.11 (c) 是位能性负载倒拉着电动机运行 图图4.15 倒拉反转运行倒拉反转运行1-固有特性 2-串电阻人为特性 4.3.5 回馈制动运行回馈制动运行1. 1.正向回馈制动运行正向回馈制动运行 他励直流电动机降压调速时，电机运行点从A→B→C→D ，最后稳定在 D点如图4.16 在 B→C这一段，转速 N>0 ，而转20矩T<0，是一种正向回馈制动状态B→ C 段的运行时的功率关系如表4.5 所示其功率流程图如图4.11(d)所示这里，输入的机械功率由系统从高速到低速释放出的动能提供；而电功率直接反馈给直流电源这种状态称为正向回馈制动过程注意， 这不是一稳定点，而为一过程图图 4.16 降压调速回馈制动过程降压调速回馈制动过程21图 4.17为直流电动机拖动小车行驶的情况在平地前进时，负载为摩擦性转矩 ，工作在正向电动运行的 A 点在下坡路上前进时，负载转矩为摩擦转矩与位能拖动转矩之和 。

且为负值，即电磁转矩为制动转矩，与负载转矩平衡，使小车恒速正向行驶工作第二象限正向回馈制动的 B 点其机械功率是由小车位能的减少来提供的回馈制动状态又称发电机状态，其功率关系与发电机一致图图 4.17 正向回馈制动运行正向回馈制动运行222. 2. 反向回馈制动反向回馈制动 他励直流发电机拖动位能性负载工作在如图 4.18 (a)所示的 A点，当电源反接后，工作点移至第四象限的 B点此时电磁转矩 T>0，转速 n<0，且其绝对值大于 ，这种运行状态称反向回馈制动运行其功率关系与正向回馈制动运行完全一样 若他励直流电动机拖动位能性负载进行反接制动，当n = 0，若不切电源，或抱闸 图图 4.18 反向回馈制动运行反向回馈制动运行23制动，则转速反转，将过度到反接制动机械特性与负载机械特性的交点，如图4.18 (b) 所示的 C点这也是反向回馈制动运行状态小结小结将四的象限的机械特性画在一起如图 4.19所示第一、三象限为电动运行状态，第二、四象限为制动运行状态在电力拖动系统的实际运用中，一般都要在两种以上状态下运行因此要求掌喔电机的各种运行状态及相互间的过度过程图图 4.19 他励直流电动机各种运行状态他励直流电动机各种运行状态24 4.4 直流电力拖动系统的过渡过程直流电力拖动系统的过渡过程 4.41 他励直流电动机过渡过程的数学分析他励直流电动机过渡过程的数学分析 分析过渡过程时，忽略电磁过度过程，只考虑机械过度程，且假设： （1）电源电压在过渡过程中恒定不变； （2）磁通 Φ恒定不变； （3）负载转矩为常数不变。

下面以图 4.20为例，从起始点A到稳定点 B的过渡过程图图 4.20 机械特性上机械特性上A→B→B的过渡过程的过渡过程251. 1.转速转速 n n 的变化规律的变化规律 n=f (t)n=f (t) 设负载转矩 和 为常数，其转矩与转速的动态方程为： 按前述转速与转矩关系有:上两式联立消去 T 得微分方程： 令 即得 (4-5)26式（4-5）为非齐次常系数一阶微分方程通过求解得： (4-6) 将初始条件 t=0， , 代入（4-6）式得到： (4-7)式（4-7）即为转速过渡过程关系式，其中 为稳态分量， 为自由分量，曲线如图4.21(a)所示。

过渡函数的三个要素为起始值、稳态值与时间常数其中时间常数为： (4-8) 可见其大小不仅与 有关，还与电磁量 及 有关，固称其为机电时间常数27图图 4.21 过渡过程曲线过渡过程曲线 2. 2. 转矩变化规律转矩变化规律 T = f ( t )T = f ( t )参阅图4.20中机械特性与转速的关系有： ( 4-9 ) 将式(4- 9)代入式(4-7)化简得： (4-10)28显然转矩过渡式中也包含了一个稳态值与一个按指数规律衰减的自由分量，见图4.21（b）。

3. 电枢电流变化规律 Ia = f ( t ) 电流与转矩的关系式为： （4-11） 将式（4-11）代入式（4-10）化简后得： (4-12)可见电枢电流也包括强制分量和自由分量两部分，如图 4.21（c）所示294. 4. 过渡过程时间的计算过渡过程时间的计算 图 4.20 中X 为AB 中间的任意一点，所对应的时间为 、对应转速为 、对应转矩为 若已知X点的转速 ，则可通过函数 n = f (t) 及公式（4-7）求出时间 ，见图 4.21(a)，即 (4-13) 同理，依据T= f (t) ,及X点的 ，求出 ，见图 4.21(b)，即 （4-14） 同理，依据 = f (t) ,及X点的 ，求出 ，见图 4.21(c)，即 (4-15)4.4.2 4.4.2 启动的过渡过程启动的过渡过程30 图 4.22（a）为他励直流电动机一启动机械特性，将启动点 A到稳态运行点 S的具体数据代入式（4-7）与式（4-10）便得启动过渡过程的n = f (t) 和 T= f (t) ，即 和 ，参阅图 4.22（b）和（c）。

图图 4.22 启动过渡过程启动过渡过程314.4.3 能耗制动过渡过程能耗制动过渡过程 在分析过渡过程时，若电机机械特性与负载特性不相交，则延长负载特性使之相交，推出过渡过程，该交点称谓虚稳点虚稳点 在图 4.23 (a)中，已知曲线1、2、3，系统飞轮矩及点 A和点 X，求从A→X 的过渡过程图 4.23 机械特性上 A→X 的过渡过程 解：将曲线2延长与曲线1交于B点，参照式（4-5）可得： 该一阶微分方程的通解为： 32将初始条件代入解得： (4-16)根据式（4-16）画出 n =f (t)曲线如图4.23(b)中的实线部分 为了区分稳态点与虚稳态点，我们用A→X→B 表示实稳态过程；用A→X(→B) 表示虚稳态过程 1. 拖动反抗性恒转矩负载过程拖动反抗性恒转矩负载过程 图4.24(a)为直流电机反抗性恒转矩负载能耗制动的机械性，其中曲线1为固有机械特性，曲线2为能耗制动机械特性，曲线3为正转负载机械特性，曲线4为反转负载机械特性。

显然能耗制33动的过程是 B→O(→C) ，虚稳态点为C，将起始点与虚稳态点的数据代入式（4-7）和（4-10）得： 和 画出曲线如图4.24(b) 和 (c)所示 将对应点的值代入式（4-13）或式（4-14）即可求出能耗制动所需的时间 图图4.24 拖动反抗性恒转矩负载时能耗制动过渡过程拖动反抗性恒转矩负载时能耗制动过渡过程34 2. 2. 拖动位能性恒转矩负载的过程拖动位能性恒转矩负载的过程 图 4.25为他励直流电机拖动位能性负载进行能耗制动的机械特性若只考虑制动停车，其过程为B→O(→C), C为虚稳态点该 过程与反抗性负载一样，其曲线如图4.25(b)与(c)中的B→O(→C)段图图 4.25 拖动位能性负载时能耗制动过渡过程拖动位能性负载时能耗制动过渡过程35 如果到O点时不采取停车措施，系统将进入O→D过程，负载特性变为曲线4，代入新的稳态值得：见图4.25(b)与(c)中的O→D部分的实线。

4.4.4 4.4.4 反接制动过渡过程反接制动过渡过程 1.拖动反抗性恒转矩负载过程 该系统制动过程图见图 4.26 图中，曲线1为固有特性；曲线2为反接制动机械特性；曲线3为正向转矩特性；曲线4为反向转矩特性反接制动停车时，过渡过程是B→E(→)这一段，B为起36始点，C为虚稳态点，E为制动到转速为零的点其转速与转矩的过渡关系式分别为：图图 4.26 他励反抗性负载时反接制动过渡过程他励反抗性负载时反接制动过渡过程37其曲线见图 4.26 (b)和(c)所示的B→E(→C)段制动停车时间为： 和 若到停车点后继续反向启动，这又是一个从E→D的过渡过程，其转速与转矩的过渡关系式分别为：这两条曲线分别见图 4.26 (b)和(c) 所示的E→D段曲线2. 2. 拖动位能性恒转矩负载过程拖动位能性恒转矩负载过程 位能性恒转矩负载的机械特性如图4.27 (a)所示。

负载的转38矩特性在 n≥0时为曲线3，在n≤0时为曲线4只考虑反接制动停车时，过渡过程为B→E(→C)，C为虚稳态点，过渡关系式与前述类同，如图4.27(b)和(c)所示的B→E(→C)段制动时间为 图图4.27 拖动位能性恒转矩负载时反接制动的过渡过程拖动位能性恒转矩负载时反接制动的过渡过程39 对于从反接制动开始到反向启动再到反向回馈制动运行的全过程，则由B→E(→C)段及E→D段两部分组成前一段过渡过程同前；后一段过渡过程即E→D段，起始点为E，稳态点为D，其 n= f (t) 与 T = f (t) 为：其曲线见图 4.27 (b)与 (c) 中的E→D段 总之，只要找到起始点、稳态点或虚稳态点及时间常数，即可写出过渡方程，确定整个过渡过程书中有具体的例子 第四章完40。