第4章 直流电机的起动、调速和制动,4.1 直流电动机的起动 4.2 直流电动机的调速 4.3 直流电动机的制动 4.4 直流电动机的各种运行状态 4.5 电力拖动系统的过渡过程 小结,4-1,4.1 直流电动机的起动,4-2,4.1.1 直接起动 4.1.2 电枢回路串电阻起动 4.1.3 降电压起动,电动机接上电源后，转速从零到达稳定转速的过程称为起动过程,起动的原则： 1）起动转矩足够大； 2）起动电流小； 3）起动设备简单，可靠，经济4.1.1 直接起动,4-3,不采取任何限流措施，直接加额定电压的起动称直接起动 优点：起动转矩很大，不需另加起动设备，操作简便 缺点：起动电流很大，一般可达额定的10～20倍 n=0, Ea=CeΦn=0 Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra 结论：1)换向情况恶化，产生严重的火花,损坏换向器 2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构 3）因此在起动时，除低压、小容量外，DCM一般不容许直接起动必须设法限制电枢电流 4）DCM起动和运行中须保证励磁始终正常simulation,4.1.2 电枢回路串电阻起动,4-4,最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩：Tst=CTΦIst 为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。
有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst也会逐步减小 为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除 起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流4.1.2 电枢回路串电阻起动,4-5,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,simulation,动画来自http://202.120.159.3/kejian/caisong/,4.1.2 降电压起动,4-6,对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流, 适用于电动机的直流电源是可调的,simulation,4.2 直流电动机的调速,4-7,4.2.1电枢串电阻调速 4.2.2 改变电枢电源电压调速 4.2.3 弱磁调速 4.2.4 调速的性能指标,拖动一定的负载运行，其转速由工作点决定如果调节某些参数，则可以改变转速 n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0-βT 实质上都是改变了电动机的机械特性，使之与负载机械特性的交点改变，达到调速的目的。
4.2.1电枢串电阻调速,4-8,调节电阻Rp增大时，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的交点也会改变，达到调速目的优点：设备简单、操作简单缺点：只能降速，低转速时变化率较大，电枢电流较大，不易连续调速，有损耗simulation,4.2.2 改变电枢电源电压调速,4-9,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 降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移负载不变时，交点也下移，速度也随之改变4.2.2 改变电枢电源电压调速,4-10,电枢由晶闸管整流供电的直流调速,晶闸管装置调节发电机励磁的发电机-电动机机组调速,优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小缺点：只能下调，且专门设备，成本大可控硅调压调速系统）,4.2.3 弱磁调速,4-11,减少励磁电流时，磁通Φ减少，电动机机械特性n0点和斜率增大负载不变时，交点也下移，速度也随之改变因为，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。
4.2.3 弱磁调速,4-12,,优点：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,缺点：只能上调simulation,4.2.4 调速的性能指标,4-13,1 调速范围D,电动机在额定负载下，最大转速 nmax 与最小转速 nmin 之比，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,4.2.4 调速的性能指标,4-14,1 调速范围D,不同生产机械要求的调速范围,4.2.4 调速的性能指标,4-15,2 静差率δ,,相对稳定性的程度用静差率 δ来表示，是电动机在同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与该机械特性的理想空载转速n0之比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， 系统可能达到的最低速 nmin 决定于低速特性的静差率不同转速下的静差率,静差率与机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有区别的一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差4.2.4 调速的性能指标,4-16,例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。
因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准静差率与机械特性硬度的区别,4.2.4 调速的性能指标,4-17,4.2.4 调速的性能指标,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,,,,,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,4-18,表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系对于同一个调速系统， nN 值一定，由式可见，如果对静差率要求越严，即要求δ值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小4.2.4 调速的性能指标,结论： 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围4-19,例题4-1 某直流调速系统电动机额定转速为1430r/min，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s≤ 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,4.2.4 调速的性能指标,4-20,解 要求s≤ 30%时，调速范围为 若要求s≤ 20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是,,,4.2.4 调速的性能指标,4-21,4.2.4 调速的性能指标,4-22,3 调速的平滑性,,调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数 j ，即相邻两级转速的转速之比来衡量,,j 越小，调速越平滑 j = 1 时称为无级调速，此时转速连续可调。
4.2.4 调速的性能指标,4-23,4 调速时的容许输出,,调速运行中，在额定电流状态下，电动机轴上输出转矩与输出功率1）恒转矩调速方式,2）恒功率调速方式,,,,,,4.2.4 调速的性能指标,4-24,4 调速时的容许输出,,,3）恒转矩调速的配合,,,恒转矩负载时，按,电动机在D范围内任何n下都可带额定负载恒功率负载时,仍须按D的,D范围内任何n下实际需要输出功率,,若选择调压调速，电动机须按 选择选择电动机，造成浪费，,4.2.4 调速的性能指标,4-25,4 调速时的容许输出,,4）恒功率调速的配合,电动机在D范围内任何n下都可带额定负载恒转矩负载时，按,恒功率负载时,电动机工作在nmin时，电动机的功率比负载大D倍4.2.4 调速的性能指标,4-26,5 调速的经济性,,,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,4.2.4 调速的性能指标,4-27,,,,,,,,调速性能比较,4.3 直流电动机的制动,4-28,3.3.1 能耗制动 3.3.2 反接制动 3.3.3 倒拉反转制动运行 3.3.4 回馈制动,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使电动机生产一个负的转矩(即制动转矩)，以增加减速度， 1）使系统较快地停下。
2）使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度,4.3.1 能耗制动,4-29,,1. 能耗制动的原理,,,,电路特点 U = 0，制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动,实现：U＝0，电枢回路串入电阻,4.3.1 能耗制动,4-30,,simulation,制动电阻 Rz 愈小，则机械特性愈平，T1 绝对值愈大，制动愈快,2. 能耗制动的机械特性,对于位能性负载，将实现反转，即能耗制动运行4.3.1 能耗制动,4-31,,3. 能耗制动电阻的计算,制动电阻 Rc 愈小，则机械特性愈平，T1 绝对值愈大，制动愈快，但Ia将超过电动机最大允许电流制动电阻 Rc 通常可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出4.3.2 反接制动,4-32,,,1. 反接制动的原理,实现：电枢电压或电动势极性突然改变（励磁反向） ·电枢电压和电动势顺极性串联；反接时必须采取限制电枢电流的措施功率平衡： 轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻,4.3.2 反接制动,4-33,,,2. 反接制动的机械特性,simulation,反接制动适合要求频繁正、反转的系统。
4.3.2 反接制动,4-34,,,,3. 反接制动电阻的计算,制动电阻 Rc 也可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出结论： 电压反接制动时，需串入大电阻Rc以限制电流 ， Rc2UN/Iamax n接近0时，应断电，否则电动机可能反转,4.3.3倒拉反转制动运行,4-35,,1. 倒拉反转制动原理,他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行 电枢支路突然传入较大的电阻，则工作点A→B→C→D，D点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合电动机的电磁转矩起制动作用，限制了重物的下放速度轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻,4.3.3倒拉反转制动运行,4-36,,2. 倒拉反转制动的机械特性,,动画来自http://202.120.159.3/kejian/caisong/,根据下放速度的要求，求出制动电阻 Rc的数值或者也可以根据制动电阻 Rc的数值，求出下放速度simulation,4.3.4 回馈制动,4-37,,1. 回馈制动的原理,,4.3.4 回馈制动,4-38,,2.回馈制动的机械特性,,,simulation,4.3.4 回馈制动,4-39,,3.正向回馈制动,,,他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第II象限，如图中的BC段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。
在这一过程中，由于电源电压下降，使得EaU,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，超过U以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态4.3.4 回馈制动,4-40,,4.反向回馈制动,,,他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行 反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻工作点将会稳定在第iv象限在E点，电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于反向回馈制动 反向回馈。