旧版第04章.直流电机拖动基础

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1、-1-,第四章 直流电机拖动基础,电机与拖动基础（第2版）,第一节 他励直流电动机的机械特性,第二节 他励直流电动机的起动,第三节 他励直流电动机的调速,第四节 他励直流电动机的制动,第五节 串励和复励电动机的电力拖动*,-2-,引 言 原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力拖动系统，或称直流电机拖动系统。在此系统中，电动机有他励、串励和复励三种直流电动机，其中最主要的是他励直流电动机，因此本章重点介绍由他励直流电动机组成的直流电力拖动系统，对串励、复励电动机的电力拖动只作简单介绍。,第四章 直流电机拖动基础,-3-,第四章 直流电机拖动基础,第一节 他励直流电动机的机械特性 直流电动机的

2、机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流电动机为例进行讨论。,一、机械特性的一般形式 他励式直流电动机的电路图如图4-1所示， 电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特性，即n=f（Te ）。 为了推导机械特性公式的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻R。 由转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为,（4-1）,-4-,二、固有机械特性 直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图4-2所示，曲线满足如下公式：,第四章 直流电机拖动基础,（4-2）,-5-,第四章 直流电机拖动基础,固有机械特性的主要特点为：

3、 1) Te = 0时，n=n0是理想空载转速，这时Ia=0，UN = Ea 。 2) 机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率 较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。 3) 电动机起动时n = 0，感应电动势Ea=0，这时电枢电流为起动电流Ia=Ist=UN/Ra；电磁转矩为起动转矩Te=Tst=CTIst ； 又因为电枢电阻Ra 很小，在额定电压的作用下， 起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流， 会烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全电压直接起动。 4) 若转矩TeTst ，n 0，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。

4、,-6-,三、人为机械特性 由公式（4-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁电流I f 、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。,第四章 直流电机拖动基础,1. 改变电枢电压 电动机励磁电流为额定值，使每极磁通为N 并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压Ua ，可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改变Ua ，可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想空载转速大小不同，如图4-3所示。,-7-,2. 减小每极气隙磁通 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc ， 使励磁电流I f 减小，由于磁通与励磁电流在

5、额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。根据机械特性公式可知：,第四章 直流电机拖动基础,当磁通减小后，理想空载转速n0升高，而斜率 增大， 使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上，如图3-21所示。,-8-,3. 电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压Ua，励磁电流If 不变，改变电枢回路的串接电阻R，电动机的理想空载转速n0 不变，但机械特性的斜率 增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性如下图所示。,第四章 直流电机拖动基础,-9-,第二节 他励直流电动机的起动 所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某

6、一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流Ia为,第四章 直流电机拖动基础,（4-3）,在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势Ea = 0，电枢回路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的电磁转矩为起动转矩Tst，并有,（4-4）,（4-5）,-10-,第四章 直流电机拖动基础,由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流IstIN（约为1020倍的IN），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都

7、是不允许的。因此一般直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： 1) 起动电流限制在一定范围内，即Ist IN， 为电机的过载倍数； 2) 足够大的起动转矩，Tst （1.11.2）TN ； 3) 起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist =UN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。,-11-,第四章 直流电机拖动基础,一、 电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起

8、动电阻逐步切除。 图4-6a为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。,-12-,二、减压起动 当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速n = 0，反电动势Ea = 0，降低电源电压U ， 将起动电流限制在允许的范围内。,第四章 直流电机拖动基础,-13-,三、 他励直流电动机起动的过渡过程 在第二章的第四节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理论分析， 并得出了转速动态方程（2-19）、 转矩动态方程（2-21）及过渡过程时间计算式（2-26）和式（2-27）。,第四章 直流电机拖动基础,-14-,下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步分析。图4-8

9、a为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线，其中S为起动过程开始的点（即起始点），对应的转矩为Te=Tst，转速为n=0；A点为起动过程结束的点（即稳态点），对应的转矩为Te=TL，转速为n=nA。将S点与A点的具体数据代入式（2-19）及式（2-21），便可得到起动过程中的转速及转矩表达 式,第四章 直流电机拖动基础,-15-,第四章 直流电机拖动基础,当采用电枢串多级电阻起动时，其过渡过程如何呢？图4-9给出了他励直流电动机二级起动的起动过程。,-16-,第三节 他励直流电动机的调速 为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高

10、速，粗加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。但必须注意：这和由于负载变化，引起的速度变化是截然不同的概念。 调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、电气调速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。,第四章 直流电机拖动基础,-17-,为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢？ 一、调速指标 1. 调速范围 调速范围是指

11、电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比，通常用D来表示，即,第四章 直流电机拖动基础,（4-7）,调速范围反映了生产机械对调速的要求，不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求，例如车床D=20120，龙门刨床D=1040，轧钢机D=3120，造纸机D=320等。对于一些经常轻载运行的生产机械，可以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围D。,-18-,2. 静差率 静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为,第四章 直流电机拖动基础,（4-8）,静差率反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，其允许

12、的静差率是不同的，例如普通车床30%，而精度高的造纸机则要求0.1%。 静差率值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。 当理想空载转速n0一定时，机械特性越硬，额定速降nN 越小，则静差率越小。 而且，调速范围D与静差率 两项性能指标是互相制约的。 在同一种调速方法中，值较大即静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围。,-19-,第四章 直流电机拖动基础,越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当 =1时，称无级调速，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。 4. 经济性 主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。,3. 平滑性 在一定的调速范围内，调速的

13、级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比,（4-9）,-20-,二、他励直流电动机的调速方法 前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因而他励直流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。 1. 串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图4-10a示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为,第四章 直流电机拖动基础,（4-10）,他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图4-10b所示，是一组过理想空载点n0的直线，串入的电

14、阻越大，其斜率越大。,-21-,第四章 直流电机拖动基础,-22-,电枢回路串电阻调速的特点是： 1）实现简单，操作方便； 2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差； 3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D 2； 5）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差； 4）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。 因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。,第四章 直流电机拖动基础,-23-,2. 调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电

15、枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。 调压调速的原理图如图4-7a所示，其机械特性方程式为,第四章 直流电机拖动基础,（4-11）,调压调速的特点是： 1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速； 2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；,-24-,3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达1020； 4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好； 5）需要一套可控的直流电源。 调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。,第四章 直流电机拖动基础,-25-,3. 弱磁调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理图如 图4-12所示。弱磁调速时，机械特性方程式为,第四章 直流电机拖动基础,（4-12）,弱磁调速的特点是： 1）由于励磁电流I f Ia ，因而控制方便，能量损耗小； 2