直流电动机的电拖new.ppt

第四章第四章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 l机械负载的转矩特性机械负载的转矩特性n＝＝f（（TL）） l他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性n＝＝f（（Tem））l他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 l他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 l他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 第一节第一节 负载的转矩特性负载的转矩特性生产机械的负载转矩特性分为三大类：生产机械的负载转矩特性分为三大类： 1. 恒转矩负载特性恒转矩负载特性 （（1））反抗性反抗性恒转矩负载恒转矩负载 （（2））位能性位能性恒转矩负载恒转矩负载2. 恒功率负载特性恒功率负载特性 3. 通风机类负载特性通风机类负载特性  一、一、恒转矩负载特性恒转矩负载特性 特点：负载转矩特点：负载转矩TL的大小与转速的大小与转速n无关无关1. 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 负载转矩的大小恒负载转矩的大小恒定不变，而负载转矩的定不变，而负载转矩的方向总是与转速的方向方向总是与转速的方向相反相反例如：摩擦力例如：摩擦力  2.位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 特点：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且特点：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。

例如：重力负载转矩的方向也不变例如：重力  二、二、 恒功率负载特性恒功率负载特性特点：特点：负载转矩负载转矩TL与与转速转速n成成反比反比，是一，是一条双曲线条双曲线例如：切削车床的粗例如：切削车床的粗加工、精加工加工、精加工 三、三、 通风机类负载特性通风机类负载特性特点：负载转矩基本上特点：负载转矩基本上与转速的平方成正比，与转速的平方成正比，是一条抛物线是一条抛物线实际通风机的负载特性实际通风机的负载特性应为应为 ：：TL0—摩擦转矩摩擦转矩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1．机械特性方程式．机械特性方程式2．固有机械特性．固有机械特性 3．人为机械特性．人为机械特性 4. 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 一、机械特性方程式一、机械特性方程式 指电动机励磁电流指电动机励磁电流If、电枢电压、电枢电压U和电枢回路和电枢回路电阻电阻Ra恒定时，电机转速与电磁转矩的关系，用恒定时，电机转速与电磁转矩的关系，用函数函数n＝＝f（（ Tem ））表示表示 ————理想空理想空载转载转速（速（r/min））————转转速降速降；； ——机械特性斜率机械特性斜率绝对值。

图图4-6 他励直流电动机的机械特性曲线他励直流电动机的机械特性曲线 特点：特点： （（1）电磁转矩）电磁转矩Tem越大，转速越大，转速n越低，其越低，其特性特性曲线是一条略微下倾的直线曲线是一条略微下倾的直线 （（2）当电磁转矩）当电磁转矩Tem为零时，转速为零时，转速n0为额定为额定理想理想空载转速空载转速，此时电枢电流等于零，电动势与，此时电枢电流等于零，电动势与端电压相平衡端电压相平衡 （（3）斜率绝对值）斜率绝对值β很小，特性曲线较平坦，很小，特性曲线较平坦，称为称为硬特性硬特性，转速随转矩扰动变化较小，因此转，转速随转矩扰动变化较小，因此转速速鲁棒性好鲁棒性好(稳定性稳定性) 反之，反之，β值大时的机械特性称为值大时的机械特性称为软特性软特性，电，电机机抗转矩干扰能力弱抗转矩干扰能力弱，鲁棒性能也较差鲁棒性能也较差 （（4）当电磁转矩额定（）当电磁转矩额定（ Tem =TN）时，转速）时，转速额定（额定（n=nN），电机的额定转速降），电机的额定转速降ΔnN越小越小，说，说明明转速越稳定转速越稳定。

 二、固有机械特性二、固有机械特性 当他励直流电动机端电压额定当他励直流电动机端电压额定(U＝＝UN)，每，每极磁通额定极磁通额定(Φ=ΦN)，电枢回路不串外接电阻，电枢回路不串外接电阻(Rst＝＝0)时，其机械特性称为时，其机械特性称为固有机械特性固有机械特性  三、人为机械特性三、人为机械特性 1.电枢回路串接电阻电枢回路串接电阻Rpa的人为机械特性的人为机械特性 当电机端电压额定当电机端电压额定（（U＝＝UN），），每极磁通额每极磁通额定定（（Φ＝＝ΦN），），电枢回路串接电阻电枢回路串接电阻Rpa时：时：图图4-7 电枢回路串接电阻时的人为机械特性电枢回路串接电阻时的人为机械特性 2.改变电枢端电压的人为机械特性改变电枢端电压的人为机械特性 保持每极磁通不保持每极磁通不变，电枢回路不外接变，电枢回路不外接电阻，只改变电枢电电阻，只改变电枢电压时：压时： 3.改变气隙磁通改变气隙磁通Φ的人为机械特性的人为机械特性 保持端电压额定，保持端电压额定，电枢回路不串外接电阻，电枢回路不串外接电阻，通过减小励磁电流来调通过减小励磁电流来调节每极磁通节每极磁通ΦN，，得得  四、电力拖动系统稳定运行条件四、电力拖动系统稳定运行条件 (1)必要条件必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩的特性必须电动机的机械特性与负载转矩的特性必须要有交点要有交点:Tem=TL (2)充分条件充分条件: 在交点在交点Tem=TL处处,满足满足 图图4-10 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件第三节第三节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 1.定义：从静止加速到定义：从静止加速到稳定运行稳定运行；； 必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。

电枢电压 2.直接起动直接起动：： 他励直流电动机他励直流电动机起动瞬间起动瞬间，，转速转速n=0，电动，电动势势Ea=0，，若采用全压直接起动（若采用全压直接起动（U=UN，，Rst=0），），因为电枢电阻因为电枢电阻Ra很小，电枢起动电流很小，电枢起动电流 将大大超过额定电流，一般为（将大大超过额定电流，一般为（10～～20））IN 起动转矩起动转矩：： Tst=CTΦIst 危害危害：： （（1）过大的起动电流会引起电网电压的下降；）过大的起动电流会引起电网电压的下降； （（2）使电动机换向困难，换向片表面产生火）使电动机换向困难，换向片表面产生火花、环火；花、环火； （（3）使电枢绕组过热以致烧坏；）使电枢绕组过热以致烧坏； （（4）） 过大的电流产生过大的起动转矩，损坏过大的电流产生过大的起动转矩，损坏电动机传动机构电动机传动机构 除了小容量电机外，一般不允许直接起动除了小容量电机外，一般不允许直接起动 3.起动要求：起动要求： ①①限制限制Ist，，Ist ≤（（2~2.5））IN；； ②②Tst足够大，足够大，Tst ≥（（1.1~1.2））TN; ③③起动设备简单、可靠。

起动设备简单、可靠 4.限制起动电流的方法：限制起动电流的方法： ①①电枢回路中串接起动电阻电枢回路中串接起动电阻 ②②降低电压降低电压 一、电枢回路串电阻起动一、电枢回路串电阻起动 在额定电压下，电枢回路串入分级电阻在额定电压下，电枢回路串入分级电阻Rst1，，Rst2和和Rst3起动，后起动，后分级切除起动电阻，起动过程分级切除起动电阻，起动过程才完成才完成可使起动过程加快并维持在允许电枢电可使起动过程加快并维持在允许电枢电流范围内运行流范围内运行优点优点：起动操作比较简单，稳定可靠；：起动操作比较简单，稳定可靠；缺点缺点：起动电阻要消耗大量电能，因此：起动电阻要消耗大量电能，因此效率较低效率较低图图4-11 电枢回路电枢回路电枢回路电枢回路串电阻起动串电阻起动a) 原理图原理图 b) 机械特性机械特性 二、降压起动二、降压起动 降压起动需要一个可调直流电源，如可控整降压起动需要一个可调直流电源，如可控整流电源 起动时，降低电枢电压，以限制起动电流；起动时，降低电枢电压，以限制起动电流；随转速上升逐级提高电枢电压，直至随转速上升逐级提高电枢电压，直至UN。

优点：起动电流小，升速平稳，能量损耗小优点：起动电流小，升速平稳，能量损耗小 虽然降压起动需要专用可调直流电源，设备虽然降压起动需要专用可调直流电源，设备投资大，但随着晶闸管技术的发展，越来越广泛投资大，但随着晶闸管技术的发展，越来越广泛应用  如图如图4-12所示，负载转矩所示，负载转矩TL，起动电流对应，起动电流对应电磁转矩为电磁转矩为Tst，电压切换点的电磁转矩，电压切换点的电磁转矩Tc ，，Tc=(1.1～～1.3) TL  图图4-12 降压起动特性降压起动特性 三、转向的改变三、转向的改变 改变改变Tem的方向的方向就能改变电动机的转向，就能改变电动机的转向， 由由Tem=CTΦIa可知，可知， 改变转向的方法：改变转向的方法： ①①改变磁场的方向改变磁场的方向即改变即改变Φ的方向；的方向； ②②改变改变Ia的方向的方向（常用）**说明：方法说明：方法①①，由于励磁绕组电感大，，由于励磁绕组电感大，可可能导致绝缘击穿，不常用。

能导致绝缘击穿，不常用注意：注意：若同时改变若同时改变Ia和和If的的方向方向，电动机，电动机转向不变转向不变；； 对调并励电动机电源端电压极性与电对调并励电动机电源端电压极性与电枢电压极性的区别枢电压极性的区别第四节第四节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 电动机的电动机的调速方法调速方法 可以看出，调速有三种可以看出，调速有三种方法方法：： (1) 降低端电压降低端电压U, 即改变电枢电源电压；即改变电枢电源电压； (2) 在电枢回路串接调节电阻在电枢回路串接调节电阻Rpa ；； (3) 减弱磁通减弱磁通Φ，即改变励磁回路的调节电阻，即改变励磁回路的调节电阻Rpf 以改变励磁电流以改变励磁电流If 一、电动机调速的性能指标一、电动机调速的性能指标 （（1）静差率（相对稳定性））静差率（相对稳定性） 指相对稳定性或指相对稳定性或转速变化率转速变化率，是指电动机在某，是指电动机在某一条机械特性上从理想空载到额定负载时的转速降一条机械特性上从理想空载到额定负载时的转速降与埋想空载转速之比的百分数，用与埋想空载转速之比的百分数，用δ表示。

表示 静差率静差率δ值与值与机械特性的硬度机械特性的硬度、理想空载转速、理想空载转速n0和额定转速和额定转速nN有关δ值越小，机械特性越硬值越小，机械特性越硬 （（2）调速范围）调速范围 指电动机在额定负载下可能达到的指电动机在额定负载下可能达到的最高转最高转速速nmax和最低转速和最低转速nmin之比之比，用，用D表示 车床车床D=20~120，龙门刨床，龙门刨床D=10~40 ，轧钢，轧钢机机D=3~120 ，造纸机，造纸机D=3~20等 调速系统的调速范围调速系统的调速范围D与静差率与静差率δ两者是矛两者是矛盾的，因为机械特性硬度不变时，静差率与理想盾的，因为机械特性硬度不变时，静差率与理想空载转速成反比，空载转速较低时，静差率较空载转速成反比，空载转速较低时，静差率较大，因此大，因此调速范围受到低速时静差率的制约调速范围受到低速时静差率的制约 调速系统对静差率的要求越高，调速范围就调速系统对静差率的要求越高，调速范围就越小，否则调速范围就越大越小，否则调速范围就越大  （（3）平滑性）平滑性 在一定的调速范围内，在一定的调速范围内，无级调速无级调速的平滑性最的平滑性最好，有级调速的平滑性用平滑系数好，有级调速的平滑性用平滑系数φ表示。

平滑表示平滑系数是指相邻两级转速之比系数是指相邻两级转速之比 调速越平滑，调速越平滑，φ值越接近于值越接近于1.0 　　 （（4）经济性）经济性二、调速方法二、调速方法 1、、电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速图图4-20 串电阻调速串电阻调速特性特性a) 原理图原理图 b) 机械特性机械特性  优点：优点：实现简单，适用于实现简单，适用于低速短时低速短时运行的拖运行的拖动装置 缺点：缺点： （（1）调速后）调速后机械特性变软机械特性变软，静差率增大，，静差率增大，稳稳定性相对减弱定性相对减弱；； （（2）转速只能低于额定转速，）转速只能低于额定转速，调速范围较小调速范围较小，，一般在一般在1.5～～2.0内；内； （（3）由于串接电阻上要）由于串接电阻上要消耗电功率消耗电功率，因此经，因此经济性也较差；济性也较差； （（4）串接电阻是分级的，只能实现）串接电阻是分级的，只能实现有级调速，有级调速，平滑性差平滑性差要提高平滑系数，串接的级数要增多，。

要提高平滑系数，串接的级数要增多，接触器数量增多，控制也更复杂接触器数量增多，控制也更复杂图图4-20 恒转矩负载的恒转矩负载的电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速过程过程 2．降低电压调速．降低电压调速图图4-21 减压调速特性减压调速特性 优点：优点： （（1））机械特性硬度不变机械特性硬度不变，但随电压降低静差，但随电压降低静差率增大，励磁电流额定时，可实现率增大，励磁电流额定时，可实现恒转矩调速恒转矩调速；； （（2）转速只能低于额定转速，但在允许静差）转速只能低于额定转速，但在允许静差率的范围内可获得比串电阻调速更宽的调速范围，率的范围内可获得比串电阻调速更宽的调速范围，一般可达一般可达2.5～～12；； （（3）当调压电源可连续平滑调压时，拖动系）当调压电源可连续平滑调压时，拖动系统可实现统可实现无级平滑调速无级平滑调速；； （（4））能量损耗较小能量损耗较小，因此调速经济性较好因此调速经济性较好 3．弱磁调速．弱磁调速 由于电机额定运行时，励磁电流已使由于电机额定运行时，励磁电流已使磁路接近磁路接近饱和饱和。

因此调节励磁调速只能因此调节励磁调速只能小于额定励磁小于额定励磁往下调，往下调，故称弱磁调速故称弱磁调速图图4-22 弱磁调速特性弱磁调速特性 图图4-23 恒转矩负载的弱磁调速过程恒转矩负载的弱磁调速过程  优点：优点：控制方便，控制方便，调速平滑，经济性好调速平滑，经济性好 缺点：调速范围窄缺点：调速范围窄，受电机机械强度和换向火，受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高花的限制，转速不能太高 调节励磁过程调速要调节励磁过程调速要防止弱磁防止弱磁造成造成飞车现象飞车现象 他励直流电动机电力拖动系统中，广泛使用他励直流电动机电力拖动系统中，广泛使用调调压调速和弱磁调速协同调速压调速和弱磁调速协同调速的方法，以获得的方法，以获得很宽范很宽范围围的、高效、平滑而又经济的调速的、高效、平滑而又经济的调速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 直流电机的运行状态主要分为直流电机的运行状态主要分为电动电动和和制动制动两大两大类 电动状态运行时：电动状态运行时：电磁转矩电磁转矩Tem与电枢转向与电枢转向n一一致致，电机从电源吸收电功率，机械特性处在第，电机从电源吸收电功率，机械特性处在第ⅠⅠ、、ⅢⅢ象限内。

象限内 制动状态运行时：制动状态运行时：电磁转矩电磁转矩Tem与电枢转向与电枢转向n相反相反，电机的机械特性处在第，电机的机械特性处在第ⅡⅡ和第和第ⅣⅣ象限内 制动方法制动方法：：电气制动电气制动和和机械抱闸机械抱闸 制动的定义：电动机制动的定义：电动机减速停车减速停车（电力机车、（电力机车、龙门刨床）、龙门刨床）、限制速度的升高限制速度的升高（机车下坡、起重（机车下坡、起重机下放重物）、机下放重物）、快速反转快速反转（可逆式轧钢机）可逆式轧钢机） 制动的基本要求：制动的基本要求： ①①Tbk足够大足够大；； ②②限制限制Ibk不超过电动机换向所允许的电流不超过电动机换向所允许的电流，， Ibk ≤（（2~2.5））IN 三种三种制动方式制动方式：： 1、能耗制动、能耗制动 2、反接制动、反接制动 3、回馈制动、回馈制动一、能耗制动一、能耗制动 图图4-24 他励直流电动机能耗制动原理图他励直流电动机能耗制动原理图 由于由于机械惯性，转速和转向不能突变，电枢机械惯性，转速和转向不能突变，电枢电动势方向维持不变电动势方向维持不变，此时，此时U=0、、Φ=ΦN，， 说明说明电枢电流方向反向，电磁转矩也改变方电枢电流方向反向，电磁转矩也改变方向向。

由于电磁转矩与转向相反，起制动作用，电由于电磁转矩与转向相反，起制动作用，电机处在制动状态机处在制动状态 随着转速下降，反电动势不断减小，电枢随着转速下降，反电动势不断减小，电枢电流和电磁转矩相应减小，电流和电磁转矩相应减小，转子动能（转子动能（-Ea Ia））均转换为电枢回路电阻和制动电阻上的热能均转换为电枢回路电阻和制动电阻上的热能（（I 2a（（Ra+Rbk））消耗掉））消耗掉，这种制动方式称为，这种制动方式称为能耗制动能耗制动 当端电压当端电压U=0、、Φ=ΦN及串接电阻及串接电阻Rpa=Rbk:图图4-25 他励直流电动机能耗制动机械特性他励直流电动机能耗制动机械特性电动机状态工作点制动瞬间工作点电动机拖动反抗性负载，电机停转若电动机带位能性负载,稳定工作点制动过程工作段 当系统拖动当系统拖动摩擦性负载转矩摩擦性负载转矩时，时，电机制动减电机制动减速，最终停车速，最终停车，稳定在坐标原点的静止状态稳定在坐标原点的静止状态 当系统拖动当系统拖动位能性负载位能性负载时，系统将在转速下时，系统将在转速下降到零后，继续降到零后，继续在负载转矩的作用下反向拖动转在负载转矩的作用下反向拖动转子加速子加速。

最终稳定在机械特性的最终稳定在机械特性的C点，点，匀速下放匀速下放重物重物  起始制动转矩的大小与外接制动电阻起始制动转矩的大小与外接制动电阻Rbk的的大小有关大小有关：： 外接制动电阻越大，初瞬制动转矩越小，制外接制动电阻越大，初瞬制动转矩越小，制动过程越缓慢动过程越缓慢；反之初瞬制动转矩越大，制动过；反之初瞬制动转矩越大，制动过程越快速程越快速 特点：能快而准确地停车特点：能快而准确地停车 注意：能耗制动时，不允许直接将电枢两端注意：能耗制动时，不允许直接将电枢两端短接，否则短接，否则Ibk将很大二、反接制动二、反接制动 主要有主要有电枢反接电枢反接制动制动和和倒拉反接制动倒拉反接制动两种 （（1））电枢反接制动（反压正转）电枢反接制动（反压正转） 改变电枢端电压极性的制动方法，改变电枢端电压极性的制动方法，适用于适用于紧急事故停车紧急事故停车 可见可见Ia和和Tem方向反向，方向反向，n方向不变方向不变图图4-27 电枢反接制动电枢反接制动电枢反接制动电枢反接制动a) 原理图原理图 b) 机械特性机械特性机械特性方程：机械特性方程：机械特性方程：机械特性方程： （（1）若负载为）若负载为摩擦性转矩摩擦性转矩，且数值小于反向起，且数值小于反向起动转矩，则电机会反向起动，而进入第动转矩，则电机会反向起动，而进入第Ⅲ象限象限反向反向电动状态电动状态运行，直至稳定。

运行，直至稳定 若要立即停车，当若要立即停车，当n接近接近0时，迅速切除反向电时，迅速切除反向电源，否则反转源，否则反转 （（2）若负载为）若负载为位能性转矩位能性转矩，则电机反向转速，则电机反向转速不断升高，超过理想空载转速不断升高，超过理想空载转速n0，电枢电动势大，电枢电动势大于端电压，电枢电流反向，电机进入于端电压，电枢电流反向，电机进入回馈制动状回馈制动状态态 特点：制动瞬间制动转矩很大，制动效果强烈特点：制动瞬间制动转矩很大，制动效果强烈 但耗能很大但耗能很大: UIa+EaIa=I2a (Ra+Rbk）） （（2）倒拉反接制动（正压反转））倒拉反接制动（正压反转） 适用于拖动适用于拖动位能性负载位能性负载，如起重机，如起重机低速稳低速稳定下放重物定下放重物 电枢回路串接较大电阻电枢回路串接较大电阻，使机械特性起动，使机械特性起动转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第并被负载反拖进入第Ⅳ象限运行，象限运行， 可见可见Ia和和Tem方向不变，方向不变，n反向。

反向 图图4-28 倒拉倒拉倒拉倒拉反接制动反接制动a)原理图原理图 b) 机械特性机械特性 串入电阻越大，稳定反向转速越高串入电阻越大，稳定反向转速越高 电网输入的电能与电机轴端输入的机械能之和电网输入的电能与电机轴端输入的机械能之和，，除了转子加速存储动能之外，其余能量除了转子加速存储动能之外，其余能量完全消耗完全消耗在在电枢回路的电阻和外接电阻上，因此电枢回路的电阻和外接电阻上，因此经济性较差经济性较差 UIa + EaIa = I2a（（Ra+Rbk））机械特性方程：机械特性方程：机械特性方程：机械特性方程：三、回馈制动三、回馈制动 1 、拖动位能性负载，电机、拖动位能性负载，电机n> n0运行运行 适用于起重机适用于起重机高速稳定下放重物高速稳定下放重物(或机车下或机车下坡坡) 当当n> n0，，Ea>U=CeΦ n0 可见可见Ia和和Tem方向反向，方向反向，n方向不变。

方向不变  电压反接制动时，电压反接制动时，带位能性负载带位能性负载的他励直流的他励直流电动机的转速下降至零并反向加速，其工作点达电动机的转速下降至零并反向加速，其工作点达到理想空载转速时，电磁转矩为零，在负载转矩到理想空载转速时，电磁转矩为零，在负载转矩作用下转速持续上升，直至稳定运行作用下转速持续上升，直至稳定运行 在此过程中，电磁转矩为正，电枢电流为在此过程中，电磁转矩为正，电枢电流为正，端电压和电动势均为负，电机向电网回馈电正，端电压和电动势均为负，电机向电网回馈电功率，称为功率，称为回馈制动回馈制动 -UIa = -EaIa + I2a（（Ra+Rbk）） 从能量传递角度看：电机处于从能量传递角度看：电机处于发电机状态发电机状态，将，将机车下坡时失去的位能转变为电能回馈给电网机车下坡时失去的位能转变为电能回馈给电网图图4-29 回馈制动的机械特性回馈制动的机械特性 2、过渡过程的回馈制动、过渡过程的回馈制动 (降低电压或弱磁状态下的增磁调速过程降低电压或弱磁状态下的增磁调速过程)（（1）在电动状态下突然降低端电压，）在电动状态下突然降低端电压，n来不及变化：来不及变化： 图图4-30 降压回馈制动机械特性降压回馈制动机械特性 （（2）弱磁状态下的增磁调速过程）弱磁状态下的增磁调速过程图图4-31 增磁调速过程的增磁调速过程的回馈制动机械特性回馈制动机械特性。