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1、第一节 他励直流电动机的机械特性,一、 机械特性的方程式,直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：,由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：,称为理想空载转速。,实际空载转速,二、 固有机械特性和人为机械特性,1、固有机械特性,当 时的机械特性称为固有机械特性：,2、人为机械特性,当改变 或 或 得到的机械特性称为人为机械特性。,由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。,（1）、电枢串电阻时的人为特性,保持 不变,只在电枢回路中串入电阻 的人为特性,特点：1） 不变， 变大；
2、 2） 越大，特性越软。,（2）、降低电枢电压时的人为特性,保持 不变，只改变电枢电压 时的人为特性：,特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,（3）、减弱励磁磁通时的人为特性,保持 不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：,特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,三.机械特性的绘制,根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。从电动机铭牌获得的数据一般是 PN 、UN、IN 和 nN(一)固有机械特性的绘制估算电枢绕组电阻 Ra求取 CeFN求取 CTFN得固有机械特性方程式 n = f(T) 任意给出两点如 T = 0（空载点）和 T = TN通过这
3、两点得连线即为固有机械特性 (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，把相应的参数值代入对应的人为机械特性方程式即可。,四.电力拖动系统稳定运行的条件我们的任务是什么？分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题1.稳态时电动机电流由负载大小决定(1)转矩平衡当他励电动机机械特性 n = f(T)为 3，恒转矩负载特性 n = f(TZ)为 1因转矩 T 与 TZ 方向相反、大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态(2)稳态运行两个特性的交点 A ，转速都是 nA，电磁转矩等于负载转矩（= TZ1）交点A表明电力拖动系统的某一稳态运行点(3)负载发生变化如
4、负载增大，负载转矩特性由 1 变为 2 。转速开始时仍为 nA，电磁转矩 T 还是由 A 点决定,因为 T = TZ1 TZ2所以 dn/dt 0 ，系统进入动态减速过程 1，2两种不同负载的n=f(TZ) 3- n=f(T),(4)动态减速过程随着 n 的下降，Ea(= Ce F n) 不断下降，电枢电流 Ia (= ( U-Ea)/Ra )则不断提高，所以 T = CT F Ia 增加(5)新的稳态工作点:一直过渡到特性 3 与 2 的交点 B 点，T = TB = TZ2减速过程结束，系统又转化为稳态(6)结论：稳态下电动机发出转矩的大小是由负载转矩的数值所决定的2.电力拖动的稳态运行问
5、题 (1)稳态运行的必要条件电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有交点(2)稳态运行的充分条件如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用使原来转矩 T 与 TZ 的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，当干扰消除后，拖动系统有能力使转速恢复，回到干扰作用出现前原来交点处的数值,第二节 他励直流电动机的起动,一.他励直流电动机的起动方法 他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通磁电流），而后加电枢电压。电枢电流 Ia 为: 刚起动时，转速 n = 0，Ea = 0，因为电动机的电枢绕组电阻 Ra 很小，所以直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍1.直接加额定电压
6、起动后果(1)换向情况恶化，产生严重的火花(2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构因此在起动时，必须设法限制电枢电流,2.限制起动电流的措施(1)降压起动:适用于电动机的直流电源是可调的(2)电枢电路中串联电阻:当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流在起动过程中并将起动电阻逐步切除,3.他励电动机分二级起动时的电路图,他励电动机二级起动电路图(图9-10)分级起动时,可将每一级的 I1（或 T1）与 I2 (或 T2) 取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击,二.他励直流电动机起动电阻的计算1.关于起动电阻计算
7、的分析设最大电流为 I1，切换电流 I2,由于切除电阻进行很快，可忽略电感的影响。设 I1/I2 = b（或 T1/T2 = b ）, b 称为起动电流比 m 级起动时，总电阻分别为:则有: 推广到 m 级起动一般情况: 当知道最大起动总电阻时可确定起动电流比:若给出起动电流比 b 时，可求得起动级数,2.分析法计算起动电阻的步骤1)算出电机电枢电阻 Ra2)根据电机容量和工艺要求(1)直接计算根据选择的起动级数 m 和最大起动电流 I1，计算最大起动电阻和计算起动电流比(2)间接计算选择最大电流:切换电流:初定:再对 m 取整，由步骤（1）确定起动电流倍数 b3)求出各级起动时总的电枢回路电
8、阻 Rm .R14)求出各级电阻RW1，RW2 .,三.他励直流电动机起动的过渡过程1)什么叫电力拖动过渡过程指电力拖动系统，由一个稳态工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程例如起动、制动、反转、调速、负载突变等过程2)负载图过渡过程中，n、T、Ia 及 P 均为时间的函数，其变化规律称为电力拖动运行的负载图负载图是正确选择与校验电动机功率的依据3)研究过渡过程的意义研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率，探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机的利用率还可以研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全进行,4)电力拖动系统中存在的惯性电力拖动系统中一般存在以下三种惯性:(1
9、)机械惯性：体现在飞轮矩 GD2 上，它使转速 n 不能突变(2)电磁惯性：体现在电枢回路电感 La 及励磁回路电感 Lf 上,使电枢电流和励磁电流不能突变(3)热惯性：使温度不能突变5)我们将要研究的电力拖动过渡过程(1) 机械过渡过程(2) 电气-机械过渡过程,(一) 起动的机械过渡过程1.电枢串固定电阻起动的过渡过程(1)直流电动机起动原理图,直流电动机起动原理图（图9-11）,(2)直流电动机的几个基本公式 (8-19) (8-20) (8-21)IZ - 负载转矩对应的负载电流,保持稳定转速运行时的电枢电流,(3)电力拖动系统的机电时间常数 (8-22)TtM 称为电力拖动系统的机电
10、时间常数(4)反映过渡过程中电枢电流的微分方程 (8-23)如何解上述微分方程？可使用三要素法： 初始值：Xi 稳态值：Xf 时间常数：T,(6)电枢电流、转速过渡过程解 (8-25) (8-26),启动时电枢电流过渡过程(图9-12),启动时转速上升过渡过程(图9-13),(7)结论 请看下表：可以看出：理论上，只有当时间 n 趋于无穷时，转速才能达到稳态值 ，但实际上，由于当 t =（3 4）TtM 时 ，系统转速已达到稳定运行转速 nz 的 95% 98%所以，一般可认为经过 3 4 个时间常数，转速便达到稳定值，过渡过程结束,2.电枢串多级电阻起动的过渡过程以直流电动机串两级电阻起动为
11、例进行分析1)电枢串多级电阻起动的电路,电枢串多级电阻起动的电路（图8-10）,2)起动的过程,起动过程中转速与电流的变化（图9-14）,第三节他励直流电动机的制动,1.直流电动机的两种运转状态(1)电动运转状态电动机转矩 T 的方向与旋转方向相同,电网向电动机输入电能 (2)制动运转状态转矩 T 与转速 n 的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能2.电气制动方法1) 能耗制动2) 反接制动3) 回馈制动(或称再生制动).应用上述三种电气制动方法，使电动机生产一个负的转矩(即制动转矩)，以增加减速度，使系统较快地停下。也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度,一.能耗制动1.他励电动机能
12、耗制动电路图及电路特点,他励电动机能耗制动电路原理(图9-18),能耗制动时的机械特性为：,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,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,2.能耗制动机械特性方程式制动电阻 Rz 愈小，则机械特性愈平，T1 绝对值愈大，制动愈快,(8-47),能耗制动过渡过程(图9-19),3.制动电阻选择按最大制动电流不超过 2 IN 来选择 RZ，可近似为 (8-48),4.能耗制动的用途除利用制动实现降速外，电动机带动位能负载时，可利用能耗制动实现等速下放,能耗制动实现稳速下放（图9-20）,耗制动时的过渡过程曲线起始电流 Ia，起
13、始转速 n1，稳态电流 Iz，稳态转速 nz,能耗制动过渡过程(图9-19)必须指出，在一定转速下进行能耗制动时电枢必须串联电阻 Rz，否则电枢电流将过大，在高速时甚至接近短路电流的数值,二.反接制动转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放电枢电压反向反接制动一般用于反作用负载刹车(一) 转速反向的反接制动1.转速反向反接制动的电路及特点这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来说明,反接制动方法（图9-21）位能负载倒拉电动机，转速 n 逆转矩 T 的方向旋转，和正常电动状态时相比，E 的方向变反,2.机械特性转速反向的反接制动特性方程式为与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式上是相同的,(8
14、-52),反接制动机械特性(图9-22),倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。,电枢回路串入较大电阻 后特性曲线,正向电动状态提升重物(A点),负载作用下电机反向旋转(下放重物),电机以稳定的转速下放重物D点,3.制动过程中的功率平衡问题对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以 Ia，得 (8-53)表示由电网输入的功率和输入的机械功率之和消耗在电枢的电阻 Ra + RW 上,(二) 电枢反接的反接制动1.反接制动电路及特点 为了使工作机械迅速停车或反向，突然断开触点 K，并接通触点 F，把电枢电源反接，电枢电路中要串入电阻 RW,电枢反接的反接制动（图9-23）电枢反接制动电路的特点：U 为
15、负,一、电压反接制动,机械特性为：,曲线如图中 所示。,工作点变化为： 。,制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正。,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。,可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,2.机械特性机械特性的方程式为 (8-56)制动过程中 n 为正，在第二象限机械特性曲线第二象限的一段 BC，即为反接制动特性如果反接制动时最大电流不超过 2IN ，则应使这时机械特性特性比能耗制动陡得多,在整个降速范围制动转矩始终存在并保持为一较大值,因此比能耗制动作用更
16、强烈，制动更快3.制动过程中的功率平衡问题功率平衡问题同转速反向反接制动类似,三、回馈制动,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况，此时 ， 反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。,稳定运行有两种情况:,当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限,电压反接制动带位能性负载进入第四象限,三.回馈制动回馈制动特点：转速高于理想空载转速， 转速高于理想空载转速，Ea U(一) 位能负载拖动电动机1.回馈制动状态 当 Ea U 时 ，电流由电枢向电源之正端流出，具有向电源回馈的性质，和电枢反接制动后
17、进入第四象限的反向电动状态时相比，Ia 反向，T 也反向，即 T 变得与 n 方向相反，处制动状态，即回馈电能，又有制动作用，故称为回馈制动状态2.机械特性 机械特性的方程式同反接制动 (9-56),3.回馈制动运行实质 功率平衡方程式: EaIa= U Ia+ Ia2 ( Ra + RW) 电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 EaIa 后， 大部分回馈给电网 ( U Ia )，小部分变为 电枢回路的铜耗 Ia2 ( Ra + RW)。电动机变为一台与电网并联运行的发电机4.回馈制动用途回馈制动可用于转速高于理想空载转速情况下的位能负载下放,(二) 他励电动机改变电枢电压调速降低电压的降速过
18、程中，突然降低电枢电压，会发生 Ea U，出现了回馈制动状态,直流电机的回馈制动（图9-27）回馈制动过程中，功率回馈电网，从电能消耗来看是较为经济的,降压调速时产生的回馈制动,制动过程为 段。,回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。,第四节 他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，
19、使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,(1)调压限制： 因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制,所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高 30 %，实际上改变 Ua 应用在降压的方向，即从额定转速向下调速 (2)调磁限制： 因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速，一般可以使转速从额定值向上调节,一.调速指标 1.调速的技术指标(1)调速范围:最大转速 nmax 与最小转速 nmin 之比(或最大与最小线速度之比) (9-61)
20、式中一般假定：nmax 与 nmin 代表电动机在额定负载下可能达到的最高与最低转速,不同生产机械要求的调速范围,对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算,(2)静差率(相对稳定性)相对稳定性的程度用静差率 d % 来表示： (9-62)表明负载变化引起转速变化的大小程度,静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统可能达到最低速 nmin 决定于低速特性的静差率调速范围 D 与低速静差率 d % 间的关系： (9-63) (9-64) D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,静差率与调速范围的关系（图
21、9-28）,(3)平滑性 调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数 j ，即相邻两级转速后线速度之比来衡量 (9-65) j = 1 时称为无级调速，此时转速连续可调(4)调速时的容许输入 是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩注意！ 电动机稳定运行时的实际输出的功率与转矩是由负载的需要来决定的,2.调速的经济指标 (1) 设备投资(2) 运行费用运行费用决定于调速过程的损耗，用效率 h 来说明 (9-66),二.降低电枢端电压调速1.电枢串联电阻调速指标： (1).调速范围不大 (2).调速的平滑性不高， 是有级调速(3).调速的经济性,电枢串联电阻调速(图
22、9-29),1、电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻Rs1后,工作点由AAB,1、电枢回路串电阻调速,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。,由电网吸取功率： (9-67)产生损耗： (9-68)效率： (9-69) (4).适用场合用于串励或复励直流电动机拖动的电车,炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上,1、电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性 差；,3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩
23、负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点： 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,2.降低电源电压 方法是使用的可调直流电源(1)晶闸管整流装置(2)电动机-发电机机组 容量较大时用机组作为可调直流电源，而用晶闸管装置调节发电机G的励磁电流,电枢由晶闸管整流供电的直流调速(图9-32),晶闸管装置调节发电机励磁的发电机-电动机机组调速(图9-33),(3)机械特性方程 U0 - - 整流电压 R0 - 整流装置内阻(4)调压调速特点1) 调速范围广2) 调速平滑性高3) 设备投资大4) 采用可控硅直
24、流电源时效率高，采用机组时效率较低,调压调速时的机械特性(图9-34),2、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,2、降低电源电压调速,优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。,三.弱磁调速1.弱磁调速方法 小容量系统在励磁电路中串接可调电阻 rQ 大容量系统用单独的晶闸
25、管整流装置向励磁电路供电,弱磁调速方法(图9-35),三、减弱磁通调速,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,2.机械特性方程式 普通电动机弱磁调速范围最多为 D = 2 特殊设计调磁电动机调速范围 D = 3 4 3.弱磁调速特点 弱磁调速的优点是： 对功率较小的励磁电路进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高, 常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围,弱磁调速人为机械特性（图9-36）,三、减弱磁通调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,三、减弱磁通调速,优点
26、：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,四. 调速时的功率与转矩,容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。,充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和
27、功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。,当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。,1、 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。,2、 减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若
28、保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：,为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。,第七节 串励直流电动机的电力拖动,一、 串励电动机的机械特性,当磁路不饱和时,当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。,磁路不饱和时的机械特性曲线AB段,磁路饱和时的机械特性曲线BC段,1、固有特性,固有特性是指当 时的特性，具有以下特点：,（1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；,（2）空载时， 为无穷大。实际上，
29、空载时存在剩磁， 为有限值，但值也很大“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。,（3）由于 ，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。,2、人为特性,1、电枢串电阻的人为特性,串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。,2、降低电压的人为特性,降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。,3、改变磁通的人为特性,改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。,二、 串励电动机的起动、调速与制动,1、起动与调速,串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。,为了限制起动电流，串励电动机的起动方法与他励电动机一样，也采用电枢串电阻和降低电源电压起动。,串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此不能有回馈制动。,串励电动机的制动只有能耗和反接制动。,2、制动,能耗制动分他励磁式和自励式，反接制动分电压反接和倒拉反转反转反接制动。,
