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1、第三章 直流电机的工作原理及特性,重点掌握：,了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种。,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。,它的基本功能是实现机电能量的相互转换。,直流电机,电动机,发电机,将直流电能转换成机械能。,将机械能转换成直流电能。,.,直流电机,直流电机外
2、形,直流电机的用途及优缺点一、用途,作励磁机用一般小于10万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。,作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能,信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号,作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能；,信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。,二、优缺点直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，触点之间会产生火花腐蚀，制造成本高。,31 直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示：,直流电机的
3、主要结构部件,直流电机,定子,转子,主磁极,换向极,机座,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,.,直流电机的结构图,剖面图：电枢1；主磁极2；换向 极4；机座6,电枢铁心冲片,换向器：换向片3；连接片4；云母环2,直流电机的结构部件,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。,转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,二、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电
4、枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：,1 主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,1发电机原理：将机械能转换为电能。
5、直流发电机工作原理图如图所示：,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。,直流发电机原理示意图（1）,直流发电机原理示意图（2）,线圈电动势波形,刷间电动势波形,.,结
6、论：,在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场.,电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。,当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质。,.,2电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示：,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应
7、该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,将电刷出线端的负载改成外施直流电源，且将轴上的原动机卸掉，换成生产机械。,结论：,虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一
8、个恒定不变的磁场。,当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。,转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。,.,对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。,电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。,电机的可逆原理,三、电动势和电磁转矩,1.电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）；对磁
9、极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Kt与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩
10、TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表,四、直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,1.他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。,2.并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（b）所示。,3.串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图
11、（c）所示,4.复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,描述直流发电机运行特性的物理量,端电压U,电枢电流Ia或输出电流I,励磁电流If,发电机的运行特性,当I=0时，称为空载特性。,负载特性,调节特性,外特性,.,3.2 直流发电机,他励发电机,1.电原理图 由于独立Uf,If所以负载电流I等于电枢电流Ia,2.空载特性
12、当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线当If 小时直线（不饱和）If 大时，弯曲（开始饱和）If 更大，平直（饱和，不变）,E,E,o,Uo,If,3.外特性曲线 当发电机转速（n）和励磁（）不变时，输出电压（U）与负载电流(I)之间的关系曲线注：当Ia RaIa U=E-IaRa调节 R L 使负载电流达 I N 值，同时调节 R f（分压器）使端电压达 U N 此时的 R f 不能再改变。曲线随电流增加下降的原因：（1）电枢电阻压降的存在；（2）电枢反应去磁作用。,U,I,Uo,UN,o,IN,并励发电机,1.电原理图：由于IfI所以IaI,2.电压建立过
13、程由于事先没有励磁电压U，所以If0当电枢转动时，没有磁场，所以不会产生E。,0,E,E,E=IfRf,E=f(If),If,a,并励发电应满足以下几个条件,（1）在磁极上有剩磁（弱的磁场）当n产生一个小E 产生一个小If,（2）励磁磁场与剩磁场的方向相同 电压建立起来,（3）Rf不能太大 两方面，一方面是线 圈电阻，一是外接电阻,3.工作特点,一方面是空载曲线一方面是励磁电流曲线由两方面共同决定当饱和弯曲后产生交点,4.外特性与他励一样，但由于UIf 所以U得多,U0,UN,0,IN,I,并励直流发电机的自激条件：,a)电机要有一定的剩磁;,b)并联在电枢两端的励磁绕组的极性要正确；,c)励
14、磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻。,空载特性(同他励）,外特性 定义：当 n=nN，Rf+rS 常数时，改变负载电阻RL 过程中，端电压U随负载电流 I 变化的关系。,电压下降的多，原因有：,a)电枢反应的去磁效应；,b)电枢回路电阻的压降；,c)UIf EaU。,调节特性（比他励上升的快）,.,.,.,.,.,总结,33 直流他励电动机的机械特性,一、机械特性的一般形式,电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。,不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。,如图所示为直流他励电动机的原理电路图。,式中:,外加电枢电压
15、（V），由电源确定；,感应电势（V），由电机结构和转速确定；,电枢电流（A），确定输出转矩大小；,电枢回路内阻（）,电枢回路部分,励磁回路部分,即：,转速特性,机械特性,由他励电动机的特性可知：励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只取决于 Rf、Uf的大小，当 Rf、Uf的大小一定时,If为定值，即磁通为定值。,对应的机械特性如图所示：,1.理想空载转速：,T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。,根据机械特性可知：,2.转速降落,3.机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：,理想空载点,即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械
16、特性的硬度。,根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。,（1）绝对硬特性,（2）硬特性10,（3）软特性10,当 T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，属硬机械特性。,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和并励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,二、固有机械特性,直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N)下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T),即:,是一条直线。,直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0)和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。,通
17、常直流电动机铭牌上给出额定功率PN、额定电压 UN、额定电流IN和额定转速 nN。,n0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）,(1)估算电枢电阻Ra,依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的50%75%。,式中：,是额定运行条件下电动机的效率，且此时,故得,固有机械特性的计算步骤如下：,(2)求,额定运行条件下的反电势为：,故,(3)求理想空载转速:,得,(4)求额定转矩:,得,根据,两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线,三、人为机械特性,人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通的大小以及电枢回路串接附
18、加电阻Rad所得到的机械特性。,1.电枢回路中串接附加电阻时的人为特性,电压平衡方程式为：,得到的人为机械特性方程式为：,特性变软,空载速度不变；,随着电阻的增加，转速降落增加；,2.改变电枢电压U时的人为特性,由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。,空载速度随着U的减小而减小；,转速降落不变；,特性硬度不变,3改变磁通 时的人为特性,转速降随磁通的改变而变化。,理想空载转速随磁通的改变而变化；,特性变软,由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；,当磁通
19、过分削弱后：,（2）当0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近，通常称为“飞车”；,当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。,因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。,（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；,例3-1 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于E1?,
20、解 两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。,注意：从 不能判断E是如何变化的,例3-2 一台他励直流电动机，功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN),(1)估算Ra,(2)求n0,(3)求TN,也可求,对起动的基本要求：1、足够大的起动转矩Tst；2、起动电流限制在允许范围内；3、起动时间短；4、起动设备简单、经济、可靠。常用的起
21、动方法：1、直接起动；适用于小容量电机。2、电枢串电阻器起动；损耗大。3、降压起动；须有专用电源。损耗小，起动平稳。,34 直流他励电动机的启动特性,一、启动特性,电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。对直流电动机而言，在未启动之前n=0,E=0,而Ra一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：,这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（1020）倍。过大的启动电流危害很大：,（1）对电动机本身的影响：,使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；,过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏；,（2）对机械系统的影响：,
22、与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；,（3）对供电电网的影响：,过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。,因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.52倍。,二、启动方法,限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。,1.降压启动：,所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电
23、压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。,2.电枢回路串电阻启动,启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。,电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：,直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流为额定值的两倍。,电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性1上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，KM闭合，电动机的机械特性变为2。由于在切换电阻
24、的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从a点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点c。演示,从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到b点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻的方法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。,图中：,尖峰（最大）转矩；,换接（最小）转矩,(1)电枢接入电网时，KM1、KM2和KM3均断开，电枢回路串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线a，在转矩 T1的作用下，转速沿曲线a上升；,(2)当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即
25、切除电阻R3，此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换到3，速度又沿着曲线b继续上升；,(3)当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同时闭合，即切除电阻 R2、R3，此时电枢回路串外加电阻 Rad1=R1，电动机的机械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由4切换到5，速度又沿着曲线c继续上升；,(4)当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同时闭合，即切除电阻R1、R2、R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转
26、速不能突变，工作点由6切换到7，速度又沿着曲线d继续上升到8，继续上升直到稳定工作点9。演示,由上可见，启动级数愈多，T1、T2愈与平均转矩,接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。,多级启动时，T1、T2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流I1）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流I2）也基本相同，一般选择：,34 直流他励电动机的调速特性,一、速度调节和速度变化,调速（又称速度调节）与速度变化是两个完全不同的概念,电动机的调速是在一定的负
27、载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。,转速的变化是人为改变（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称调速或速度调节。,速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。,总之，速度变化是在某条机械特性上，由于负载改变而引起的(一条机械特性)；而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的(两条机械特性)。,二、调速方法,下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。,从直流他励电动机机械特性方程式,可知：改变串入电枢回路的电阻Rad；改变电枢供电电压U或主磁通，都可以得到不同
28、的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。,1、改变电枢电路外串电阻,直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机械特性。,从特性可看出，在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，可以分别得到稳定工作点A、C、D和E，对应的转速为nA、nB、nC、nD。,改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：,机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；,在空载或轻载时，调速范围不大；,实现无级调速困难；,在调速电阻上消耗大量电能等。,正因为缺点不少，目前已很
29、少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。,2改变电动机电枢供电电压U,如图所示特性为改变电枢供电电压U调速的特性：,从特性可看出，在一定的负载转矩TL下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压分别为 UN、U1、U2、U3的情况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和d，对应的转速为na、nb、nc、nd。即改变电枢电压可以达到调速的目的。,改变电枢外加电压调速有如下特点：,1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；,2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；,3）调速时，因电枢电流与电压U
30、无关，且=N，转矩T=Kt N Ia不变。,调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速；,4）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。,3改变电动机主磁通,如图所示曲线为改变电动机主磁通 调速的特性：,从特性可看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通 N、1、2、，可以得到不同的转速na、nb、nc。,即改变主磁通可以达到调速的目的。,改变电动机主磁通特点：,1）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；,2）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。,普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1.
31、2倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机”，调速范围可以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大得多；,3）调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变时，电动机的输出功率P=UIa电动机的输出功率不变。,在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。,35 直流他励电动机的制动特性,1制动与启动,启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；,制动：电动机脱离电网则是使电动机速度是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。,2.制动与自然停车,1）自然停车：电动机脱离电网，
32、靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。这种停车过程需时较长，不能满足生产机械快速停车的要求；,2）制动：电动机脱离电网，外加阻力转矩使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。,3.电动机的两种工作状态,1)电动状态：,为拖动转矩,为阻转矩,电动机的作用是将电能转换机械能。故称这种状态为电动状态。,2）制动状态：,为阻转矩,为拖动转矩,电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的这种工作状态为制动状态。,4.电动机工作在制动状态下的两种情况,1）使转速迅速减速到停止；,2）限
33、制位能负载的下降速度。,电动机的制动有两方面的意义：一是使拖动系统迅速减速和停车，这时的制动是指电动机从某一转速迅速减速到零的过程（包括只降低一段转速的过程）在制动过程中电动机的电磁转矩 起着制动的作用，从而缩短停车时间，以提高生产率；二是限制位能性负载的下降速度。这时的制动是指电动机处于某一稳定的制动运行状态，此时电动机的电磁转矩起到与负载转矩相平衡的作用。,例如起重机下放重物时，若不采取措施，由于重力作用，重物下降速度将越来越快，直到超过允许的安全下放速度。为防止这种情况发生，就可以采用电气机制动的方法，使电动机的电磁转矩与重物产生的负载转矩相平衡，从而使下放速度稳定在某一安全下放速度上。
34、上述两种情况中，前者属于过渡过程，故称为“制动过程”，后者属于稳定运行，则称为“制动运行”。他励直流电动机的电气制动方法有：反馈制动、反接制动和能耗制动等，下面分别讨论。,一、反馈制动,特点：1）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空载转速；2）电动机输出转矩的作用方向与n的方向相反。,1电车走下坡路时的反馈制动,设电车与地面的摩擦转矩为Tr，阻转矩；下坡时电车所产生的位能转矩为Tp，拖动转矩；且 TpTr，前进时速度n 为正。,电车由直流电动机拖动，机械特性如图所示：,匀速走平路时（a点）：输出转矩TM用来克服负载转矩Tr。,在an0段：TM与n的方向相同，故为电动状态。,在n0b段：TM与
35、n的方向相反，且工作速度大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。,平路上：TM=Tr；下坡（缓）：TM+Tp=Tr下坡（陡）：TM+Tr=Tp,2电枢电压突然下降时的反馈制动,设当电动机的电枢外加电压为U1和U2，且 U1U2时的机械特性如图所示：,若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TL0，电动机的转速在TM、TL的共同的作用下沿着曲线2下降直到新的平衡点D。,在BC段，转速n与转矩TM的方向相反，运行速度大于空载转速n02，故为反馈制动状态。,U=E+IaR，U下降得多，使EU2，Ia反向，TM反向
36、。,3在弱磁状态下用增加磁通降速时的反馈制动,4卷扬机构下放重物时的反馈制动,在第3象限，n，E，（U-E），Ia，T，b点T=0。过b点，EU，Ia反向，T0，进入反馈制动。,5电枢电压改变时的反馈制动,二、反接制动,反接制动具有如下特点：,1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；,2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。,在反接制动中，把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。,1电源反接制动,设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。,当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机
37、的机械特性为,当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为,其特性曲线分别如图（b）中的曲线1和曲线2所示。,a点：当电动机稳速运行在第一象限中特性曲线1的a点时：,bc段：,n0，Tm0反接制动状态，U和E同向,n0，Tm0电动,ce段：,nE,ef段：,|n|n 0|，IaU,注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。若只要求准确停车的系统，反接制动不如能耗制动方便。,2倒拉反接制动,电动机固有机械特性
38、和电枢回路串接电阻和曲线2所示。,现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线3所示。,a点：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态。,cd段：Tm0，n0，电动机工作在电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。,db段：当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。,电动机在db段：Tm0，n0，电动机工作在制动状态。常称这种制动状态为倒拉制动状态。,电动机进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路要串入较大的电阻。在此状态中，位能负
39、载转矩是拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使之限制在安全范围之内，这种制动方式不能用于停车，只可以用于下放重物。,反接制动时的能量关系,(1)电压反接制动时 说明从电源吸收电能 说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。,(2)电动势反接制动时,说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样。,三、能耗制动,电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。,当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到b点。,bo段：Tm0，能耗制动。,反馈制动：n
40、Tn0；EUN，UE反接制动：nT0；nn0；1、U0,U和E同向;2、Ra,E0能耗制动：nT0；n0=0；U=0,1.能耗制动实现及机械特性(1)实现方法：a.电动状态 接触器KM1闭合，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电机运行在A点。b.能耗制动 接触器KM2闭合(电机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R将电枢短接。,（2）能耗制动分析,U=0,由于电机惯性，n0，Ea0，在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向，电动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的IA 方向相反，TB反向，与n相反,转速下降，当n=0，停车。,（3）能耗制动特性,（4）特性
41、方程及制动电阻,特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。,分析,Rad越大，特性越斜，Rad越小，特性越平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。,2.能耗制动运行,3.能耗制动特点,(i)制动时 U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rad).(ii)制动时，n与T成正比,所以转速n 下降时，T也下降，
42、故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0,可实现准确停车。,4.应用,能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。,第四章 机电传动系统的过渡过程,4.1 研究机电传动系统过渡过程的 实际意义4.2 机电传动系统过渡过程的分析4.3 机电时间常数4.4 加快机电传动系统过渡过程的方法,4.1 研究机电传动系统过渡过程的实际意义,机电传动系统过渡过程 由一个稳态向另一个稳态过渡的过程（动态过程启动、制动、反转和调速）
43、。外因 系统转矩平衡关系被破坏。内因 贮能的惯性元件。（机械惯性、电磁惯性和热惯性）实际意义 满足生产的需要，必须研究转速、转矩、电流对时间的变化规律才能正确地选择机电传动装置、控制电路等。,4.2 机电传动系统过渡过程的分析,利用相似三角形原理,代入上式得,机电时间常数,一阶线性常系数非齐次微分方程全解,仅考虑机械惯性的过渡过程n、T、I都是按指数规律变化的,当,积分常数,对（4.3）求导，代入运动方程式化简得,启动,1.当t=0、TM=Tst、n=0，加速度最大。,3,0.05n0,0.95n0,2.实际上当t=（35）TM=TL n=ns,3.令t=代入（4.8）n=0.632ns在数值上等于转速在此时加速直线上升到稳态ns所需时间。,
