第3章直流电机的电力拖动合并版

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1、第第第第3 3 3 3章章章章 直流电机的电力拖动直流电机的电力拖动直流电机的电力拖动直流电机的电力拖动梁云朋梁云朋梁云朋梁云朋河南科技大学电信学院河南科技大学电信学院河南科技大学电信学院河南科技大学电信学院电力拖动系统的基本问题，包括：电力电力拖动系统的基本问题，包括：电力拖动的动力学方程式及相关问题、电力拖动的动力学方程式及相关问题、电力拖动系统的稳定运行条件；拖动系统的稳定运行条件；各类典型机械的负载转矩特性；各类典型机械的负载转矩特性； 由他励直流电动机组成电力拖动系统的由他励直流电动机组成电力拖动系统的起动、制动与调速方法及分析。起动、制动与调速方法及分析。 主要内容主要内容一. 电

2、力拖动系统的动力学方程式二.各类生产机械的负载转矩特性三.电力拖动系统的稳定运行条件 四.直流电拖系统动态过程的分析与计算 五五. 直流电动机的起动直流电动机的起动直流电动机的起动直流电动机的起动六六. 直流电动机的调速直流电动机的调速直流电动机的调速直流电动机的调速七七. 直流电动机的制动直流电动机的制动直流电动机的制动直流电动机的制动八八. . 直流拖动系统的四象限运行分析直流拖动系统的四象限运行分析具体章节具体章节典型电力拖动系统的组成框图典型电力拖动系统的组成框图调速器直流调速器如调速器直流调速器如AD590AD590、四门子、四门子6RA70,6RA70,交流驱动器如四门子交流驱动器

3、如四门子6RS706RS70等等一一. 电力拖动系统的动力学方程电力拖动系统的动力学方程式式单轴电力拖动系统的示意图单轴电力拖动系统的示意图动力学方程式动力学方程式转动惯量转动惯量正负号的选取惯例：正负号的选取惯例：（1）首先取转速的方向为正方向；（2）对于电磁转矩，若与相同，则取“+”；反之，若与方 向相反，则取“-”；（3）对负载转矩而言，若与方向相反，则取 “+”；方向相 同则取“-”；提升重物提升重物重物下放重物下放依据动力学方程式拖动系统存在三种运行状态：1.若 时，则 =常值，系统稳态运行；2.若 时，则 ，电机处于加速状态；3.若 时，则 ，电机处于减速状态。 a a、折算的概念

4、、折算的概念 (了解）多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化折算的原则是：确保折算前后系统所折算的原则是：确保折算前后系统所传递的功率传递的功率或或系统储存的动能系统储存的动能不变。不变。b b、折算的方法、折算的方法1)1) 机械机构的转矩折算（传递功率保持不变）机械机构的转矩折算（传递功率保持不变） 折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。（1）当电动机驱动机械负载时当电动机驱动机械负载时，传动机构的损耗是，传动机构的损耗是由电动机承担的由电动机承担的折算后的负载转矩折算后的负载转矩式中，式中， 为传动机构总的转速比；为传动机构总的转速比； 为

5、工作机构输出轴的机械角速度；为工作机构输出轴的机械角速度； 为工作为工作机构的实际负载转矩；机构的实际负载转矩； 为传动机构的总效率。为传动机构的总效率。 （2）当生产机械驱动电动机时当生产机械驱动电动机时，传动机构的损耗是，传动机构的损耗是由生产机械承担的由生产机械承担的。折算后的负载转矩折算后的负载转矩2）直线作用力的折算（传递功率保持不变）直线作用力的折算（传递功率保持不变）折算时同样应考虑功率的流向问题。折算时同样应考虑功率的流向问题。电机拖动起重机负载电机拖动起重机负载实现升降运动的示意图实现升降运动的示意图（1）当重物提升时，传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有：）当重物提升时，

6、传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有： ，则上式变为：，则上式变为：（2）当重物下放时，传动机构的损耗由工作机构承担。于是有：）当重物下放时，传动机构的损耗由工作机构承担。于是有：式中，式中， 为重物提升时传动机构的效率。为重物提升时传动机构的效率。将角速度与转速的关系代入上式得：将角速度与转速的关系代入上式得：式中，式中， 为重物下放时传动机构的效率。为重物下放时传动机构的效率。 重物下放时传动机构的效率重物下放时传动机构的效率 与同一重物提升时传动机构的效率与同一重物提升时传动机构的效率 之间满足下列关之间满足下列关系式：系式：3 3）惯量与飞轮矩惯量与飞轮矩 的折算（储存的动能保持不变

7、）的折算（储存的动能保持不变）则折算后的转动惯量则折算后的转动惯量将将 代入上式，则折算后的飞轮矩为：代入上式，则折算后的飞轮矩为： 即：4 4）直线运动的质量折算）直线运动的质量折算（储存的动能保持不变）（储存的动能保持不变）将 ， 代入上式，则有：二.各类生产机械的负载转矩特性定义：定义： 生产机械的负载转矩与转速之间的关系生产机械的负载转矩与转速之间的关系 即为生产即为生产机械的负载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。机械的负载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。大多数生产机械可归纳为： 特点： 负载转矩不受转速变化的影响。在任何转速下，负载转矩总是保持恒定或大致恒定。 反抗性恒转矩

8、负载的转矩特性反抗性恒转矩负载的转矩特性 反抗性恒转矩负载的转矩与转速的方向总是相反，亦即负载反抗性恒转矩负载的转矩与转速的方向总是相反，亦即负载转矩总是阻碍电机的运动。转矩总是阻碍电机的运动。 位能性恒转矩负载的转矩特性位能性恒转矩负载的转矩特性位能性恒转矩负载的转矩不随转速方向的改变而改变。无论电机正、位能性恒转矩负载的转矩不随转速方向的改变而改变。无论电机正、反转，负载转矩始终为单一方向。反转，负载转矩始终为单一方向。图3.9 恒功率负载的转矩特性实际通风机的转矩特性实际通风机的转矩特性三.电力拖动系统的稳定运行条件 将电动机的机械特性与负载的转矩特性绘制在同一坐标平面将电动机的机械特性

9、与负载的转矩特性绘制在同一坐标平面上，则两条曲线的交点为电力拖动系统的稳态运行点。上，则两条曲线的交点为电力拖动系统的稳态运行点。电力拖动系统的稳态运行点 对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称系统是稳定系统是稳定的的；否则，；否则，系统是不稳定的系统是不稳定的。在稳态运行点在稳态运行点A处处可以稳定运行可以稳定运行在稳

10、态运行点在稳态运行点A处处不能稳定运行不能稳定运行电力拖动系统稳定运行的条件为：电力拖动系统稳定运行的条件为：四. 直流电拖系统动态过程的分析与计算 动态过程动态过程( (或过渡过程或过渡过程):): 电力拖动系统从一种稳态向另一种稳态转换的过程电力拖动系统从一种稳态向另一种稳态转换的过程( (如起如起动、调速与制动），称为动态过程。动、调速与制动），称为动态过程。 对电力拖动系统动态过程的主要研究内容：对电力拖动系统动态过程的主要研究内容：这些规律是正确选择或校验电机及其定额的依据。这些规律是正确选择或校验电机及其定额的依据。A、直流电动机的微分方程式直流电动机的微分方程式 图图3.14 他

11、励直流电动机的动态等效电路他励直流电动机的动态等效电路根据他励直流电动机的动态等效电路图根据他励直流电动机的动态等效电路图3.14和和 KVL，写出电枢回路的微分方程式为：，写出电枢回路的微分方程式为：（3-16）励磁回路的微分方程式为：励磁回路的微分方程式为：（3-17）机械系统的动力学方程式为：机械系统的动力学方程式为：（3-18）B B、直流电动机的传递函数模型、直流电动机的传递函数模型 对微分方程式（对微分方程式（3-16）和式（）和式（3-18）取拉氏变换，可得直流电动机的传递函数：）取拉氏变换，可得直流电动机的传递函数： （3-19）（3-20）考虑到激磁电流固定，上式中的考虑到激

12、磁电流固定，上式中的 和和 为常数。为常数。由此获得直流电动机的传递函数框图如图由此获得直流电动机的传递函数框图如图3.15所示。所示。 图图3.15 直流电机的传递函数框图（电枢控制方式）直流电机的传递函数框图（电枢控制方式）根据图根据图3.15可分别求出传递函数为：可分别求出传递函数为： （3-21）（3-22）若忽略粘性阻尼系数，则式（若忽略粘性阻尼系数，则式（3-21）和（）和（3-22）可进一步简化为：）可进一步简化为： （3-23）（3-24） 其中，其中， 为电枢回路的电磁时间常数；定义为电枢回路的电磁时间常数；定义 为电力拖动为电力拖动系统的机电时间常数。系统的机电时间常数。忽

13、略磁路饱和，则可利用叠加原理求得系统总的响应为：忽略磁路饱和，则可利用叠加原理求得系统总的响应为：（3-25）C C、直流电动机的状态空间模型直流电动机的状态空间模型 取取 和和 为状态变量，则将微分方程式写成如下矩阵方程形式，即可获得他励为状态变量，则将微分方程式写成如下矩阵方程形式，即可获得他励直流电动机的状态空间描述：直流电动机的状态空间描述：（3-26）矩阵方程（3-26）可用下面标准形式表示为： （3-27）其中， ， 为状态变量； 为输入矢量。A A、直流电动机动态过程的一般分析计算、直流电动机动态过程的一般分析计算 电力拖动系统存在下列两个时间常数：电力拖动系统存在下列两个时间常

14、数：电力拖动系统存在下列两个时间常数：电力拖动系统存在下列两个时间常数：（1 1）电磁时间常数：）电磁时间常数：）电磁时间常数：）电磁时间常数： ；（；（；（；（2 2）机电时间常数：）机电时间常数：）机电时间常数：）机电时间常数：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析： 1 1 1 1）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量

15、）的过渡过程分析）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：（3-283-28） 现假定系统由某一稳态现假定系统由某一稳态现假定系统由某一稳态现假定系统由某一稳态A A向另一稳态向另一稳态向另一稳态向另一稳态B B过渡（见图过渡（见图过渡（见图过渡（见图3.16a3.16a），要求计算过渡过程中转速），要求计算过渡过程中转速），要求计算过渡过程中转速），要求计算

16、过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律，即：与电枢电流随时间的变化规律，即：与电枢电流随时间的变化规律，即：与电枢电流随时间的变化规律，即： 与与与与 。（1 1）电枢电流的变化规律电枢电流的变化规律由式（由式（3-28）中的第）中的第1个方程得：个方程得：（3-29）将其代入式（将其代入式（3-28）的第）的第2个方程得：个方程得：（3-30）其中，其中， 为对应于为对应于 （即（即B点）的稳态负载电流；点）的稳态负载电流；图图3.16 他励直流电动机的过渡过程曲线他励直流电动机的过渡过程曲线式（式（3-30）可整理为：）可整理为：利用三要素法便可求得电枢电流的变化规律为：利用三要素法便可

17、求得电枢电流的变化规律为：（3-31）式（式（3-31）可用图）可用图3.16b所示曲线表示之。所示曲线表示之。（2 2）转速的变化规律转速的变化规律将式（将式（3-31）代入式（）代入式（3-29）得：）得：即即:（3-32）式（式（3-32）可用图）可用图3.16c所示曲线表示之。所示曲线表示之。2 2）同时考虑机械惯量和电磁时间常数的过渡过程分析）同时考虑机械惯量和电磁时间常数的过渡过程分析在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：（3-36）现计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律：现计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律： ，

18、 。由式（由式（3-36）的第）的第2式可得：式可得：（3-37）将式（将式（3-36）的第）的第1式减去稳态电势平衡方程式：式减去稳态电势平衡方程式： 得：得：将式（将式（3-37）代入上式并整理得：）代入上式并整理得：（3-38）式（式（3-38）即为他励直流电动机拖动系统的一般微分方程。）即为他励直流电动机拖动系统的一般微分方程。式（式（3-38）对应的特征方程为：）对应的特征方程为：相应的特征根为：相应的特征根为：根据时间常数的大小，现分两种情况进行讨论：根据时间常数的大小，现分两种情况进行讨论：（i）当）当 时，时， 为一对相异的负实根，则微分方程（为一对相异的负实根，则微分方程（3

19、-38）的一般解可表）的一般解可表示为：示为：（3-39）根据上式绘出过渡过程中曲线如图图根据上式绘出过渡过程中曲线如图图3.17a所示。所示。图图3.17 他励直流电动机的过渡过程曲线他励直流电动机的过渡过程曲线（ii）当）当 时，时， 为一对具有负实部的共轭实根：为一对具有负实部的共轭实根： ，其，其中，中， ， 。此时，微分方程（此时，微分方程（3-38）的一般解可表示为：）的一般解可表示为：根据上式绘出过渡过程中的曲线根据上式绘出过渡过程中的曲线 如图图如图图3.17b所示。所示。（3-43）五五. 直流电动机的起动直流电动机的起动1.对对直流电动机起动过程的一般要求直流电动机起动过程

20、的一般要求 起动转矩应足够大；起动转矩应足够大； 起动电流要小；起动电流要小； 起动设备简单、经济与可靠。起动设备简单、经济与可靠。起动时转速起动时转速起动时要求满足：起动时要求满足：起动电流起动电流2. 他励他励直流电动机的常用的起动方法直流电动机的常用的起动方法为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下步骤进行：动时一般应按照如下步骤进行：（1 1）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；（全磁起动）满载主磁场；（全磁起动）（2 2）待主磁场建立之后再加入电枢电压。）待主

21、磁场建立之后再加入电枢电压。A A、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动他励直流电动机采用两级电阻起动他励直流电动机采用两级电阻起动时的电路图和相应的机械特性。时的电路图和相应的机械特性。直流电动机人工起动器的电气原理图直流电动机人工起动器的电气原理图B、降压起动降压起动他励直流电动机的降压起动过程他励直流电动机的降压起动过程降压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少，降压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少，因而在直流电力拖动系统中得到广泛采用。因而在直流电力拖动系统中得到广泛采用。六. 直流电动机的调速A、调速范围调速范围D：B、静差率静差率 （3-47）C、调

22、速的平滑性调速的平滑性D、原始投资与运行成本、原始投资与运行成本A.降低电枢电压调速降低电枢电压调速B. B. 弱磁升速弱磁升速A、调速范围调速范围D：B、静差率静差率 他励直流电动机的调速范围与静差率之间的关系他励直流电动机的调速范围与静差率之间的关系他励直流电动机的固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性电枢回路串电阻的人工机械特性电枢回路串电阻的人工机械特性降低电枢电压的人工机械特性降低电枢电压的人工机械特性1)当当n0一定时，机械特性越硬，由空载到负载的转速变化一定时，机械特性越硬，由空载到负载的转速变化越小，则静差率越小。越小，则静差率越小。2)对于实际拖动系统而言，如果最低速度对于

23、实际拖动系统而言，如果最低速度nmin（电枢回路（电枢回路串电阻最大或者降压调速时最小电压）时的静差率串电阻最大或者降压调速时最小电压）时的静差率满满足要求，最高速足要求，最高速nmax的静差率的静差率自然满足要求自然满足要求。以低速时的静差率核算： 上式表明，若低速时 的满足要求，低速时的 越大则调速范围 越小；例题：例题：某直流调速系统要求调速范围D=5，静差率max=20%，在电动机额定功率及额定转速都满足要求的条件下，请问这台它励直流电动机采用降压调速的方法是否满足调速要求?电动机数据为：=因为对最低转速也有要求因为对最低转速也有要求 则调速范围则调速范围 不满足要求。不满足要求。 由

24、于静差率和调速范围有关系，并且相互制约，调速范围是在具体的由于静差率和调速范围有关系，并且相互制约，调速范围是在具体的静差率限定下才有意义；否则电动机本身带负载可以使最低速到零，静差率限定下才有意义；否则电动机本身带负载可以使最低速到零，这样将毫无意义，在一定的静差率的限定下的调速范围的扩大，主要这样将毫无意义，在一定的静差率的限定下的调速范围的扩大，主要靠提高机械特性的硬度。因此需要调速的生产机械必须同时提出静差靠提高机械特性的硬度。因此需要调速的生产机械必须同时提出静差率和调速范围这两项指标，以便选择合适的调速方法。率和调速范围这两项指标，以便选择合适的调速方法。一般车床调速要求为 龙门刨

25、床调速要求： 高级造纸机调速要求： 就它励直流电动机本身而言，提高机械特性硬度的余地不大，因此电力拖动系统常采用电压或者转速负反馈等闭环控制来提高机械特性硬度，扩大调速范围。C、调速的平滑性调速的平滑性平滑系数。平滑系数定义为相邻平滑系数。平滑系数定义为相邻两级的转速比，即：两级的转速比，即：D、原始投资与运行成本、原始投资与运行成本 调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：用主要是指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：电枢回路串电阻情况下的电枢回路

26、串电阻情况下的人工机械特性和负载特性人工机械特性和负载特性结论：结论：结论：结论： 随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速（又称为基速）以下调速。（又称为基速）以下调速。（又称为基速）以下调速。（又

27、称为基速）以下调速。A.降低电枢电压调速降低电枢电压调速（1）电枢回路串电阻降压调速）电枢回路串电阻降压调速 可见，随着转速的下降，电动机的运行效率降低。可见，随着转速的下降，电动机的运行效率降低。电枢回路串电阻调速的经济性指标电枢回路串电阻调速的经济性指标忽略机械耗和铁耗，并根据上式得电动机的总损耗为：忽略机械耗和铁耗，并根据上式得电动机的总损耗为：它励直流电动机的输入功率1)调速设备简单。调速设备简单。2)转速越低，效率越低。转速越低，效率越低。3)低速时速度稳定性差。低速时速度稳定性差。4)有级调速。有级调速。电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不高，而

28、且不经常调速的设备。如起重机、高，而且不经常调速的设备。如起重机、运输及牵引机械中。运输及牵引机械中。电枢回路串电阻调速的特点：电枢回路串电阻调速的特点：（2 2）降低电源电压降压降速）降低电源电压降压降速降低电源电压情况下的人工机械降低电源电压情况下的人工机械特性和负载特性特性和负载特性 结论结论： 随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调压调速时的特点是：压调速时的特点是：1 1）其机械特性的硬度保持不变，从而确保了这种调）其机械特性的硬度保持不变，从而确保了这种调速方法具有更宽的调速范围。速方法具有更宽的调速范围。2 2）无级调速。）无级调

29、速。如何得到可调节的直流电源？如何得到可调节的直流电源？旋转变流机组供电（旋转变流机组供电（G-M系统）系统）V-M系统系统直流斩波或脉宽调制变换器直流斩波或脉宽调制变换器 结论： 随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定机的磁路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定转速）以上进行。转速）以上进行。B. B. 弱磁升速弱磁升速图3.26 他励直流电动机弱磁升速的过渡过程 为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调为了获得较高的调速范围，通常将额定转速

30、以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调速配合使用。速配合使用。速配合使用。速配合使用。弱磁调速时的过渡过程弱磁调速时的过渡过程调速系统须满足下列两个准则：调速系统须满足下列两个准则： （1 1）在整个调速范围内电机不至于过热，要求：）在整个调速范围内电机不至于过热，要求： ； （2 2）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。A. A. 调速方式调速方式电力拖动系统的调速方式主要分为两大类：电力拖动系统的调速方式

31、主要分为两大类：（1 1）恒转矩调速方式恒转矩调速方式：在保持：在保持 不变的前提下，不变的前提下， 保持不变；保持不变；（2 2）恒功率调速方式恒功率调速方式：在保持：在保持 不变的前提下，不变的前提下， 保持不变。保持不变。负载能力是指在调速过程中，在确保电枢电流 的前提下，电动机长期运行所能输出的最大转矩或功率。其并不代表电动机的实际输出转矩和功率，反映了其输出的容许值。（1） 对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：由于调速过程中，由于调速过程中， ， 保持不变，故电磁转矩为：保持不变，故电磁转矩为：电机轴上的输出功率为：电机轴上的输出功率为

32、：结论：结论： 电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩调速方式，其轴上调速方式，其轴上容许容许的输出功率与转速成正比。的输出功率与转速成正比。（2） 对于弱磁调速方式对于弱磁调速方式由于调速过程中，保持由于调速过程中，保持 不变，于是有：不变，于是有：将上式代入电磁转矩表达式得：将上式代入电磁转矩表达式得：于是有：于是有：结论：结论： 弱磁调速属于恒功率调速方式，其弱磁调速属于恒功率调速方式，其容许的输出转矩容许的输出转矩与转速成与转速成反比。反比。结论： 基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以下，他励直流电动机采用恒转矩

33、调速方式，而基速以上，则采用恒功率调速方式。基速以上，则采用恒功率调速方式。 图图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中的分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中的机械特性与负载能力曲线。机械特性与负载能力曲线。 图3.27 他励直流电动机调速过程中所容许的转矩和功率所容许的转矩和功率B. B. 调速方式的选择调速方式的选择 考虑到生产机械可大致分为恒转矩负载和恒功率负载两种类型，为了确保电机在不过热的前提下负载能力得到充分发挥，调速方式应根据下列准则选择：（1 1）对于恒转矩负载应选择具有恒转矩调速方式；）对于恒转矩负载应选择具有恒转矩调速方式；（2 2）对于恒功率负载应选择

34、具有恒功率调速方式；）对于恒功率负载应选择具有恒功率调速方式；否则，会造成不必要的转矩和功率浪费。 (1)假若恒转矩负载选择恒功率调速方式假若恒转矩负载选择恒功率调速方式 为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足： ,根据图a，显然，电动机的转矩应按照高速数值选择，即：低速时，有：浪费的转矩为： 浪费的功率为： 结论： 恒转矩负载不宜采用恒功率调速方式。恒转矩负载不宜采用恒功率调速方式。 电动机的容许输出转矩电动机的容许输出转矩（2）假若恒功率负载选择恒转矩调速方式假若恒功率负载选择恒转矩调速方式 为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须 ，根据图(b电动机的转矩应按照低速数值选择，即： 。高

35、速 时，有：浪费的功率为： 浪费的转矩为： 结论： 恒功率负载不宜采用恒转矩调速方式。恒功率负载不宜采用恒转矩调速方式。 电动机的容许输出功率电动机的容许输出功率调速方法速方法电机机类型型控制装置控制装置D转速速变化化率率特点特点适用适用场合合电枢回路串枢回路串电阻阻他励、复励、他励、复励、串励串励接触器和接触器和电阻阻2：1大大有有级调速，恒速，恒转矩矩频繁起繁起动、制、制动短短时低速如低速如起重机、起重机、电动车辆降降压调速速G-M他励他励交流交流发电机机-直流直流电动机机组和和发电机机励磁及系励磁及系统调节装装置置100：1（闭环）小小恒恒转矩，无矩，无级调速，机速，机组变流效率低。流效

36、率低。被被V-M系系统替替代。代。V-M他励他励晶晶闸管管变流装置和流装置和系系统调节装置装置150：1（闭环）小小恒恒转矩，无矩，无级调速，效率比速，效率比机机组高，体高，体积小，噪音小。小，噪音小。应用广泛用广泛斩波器波器他励、他励、串励串励直流恒直流恒压电源。源。斩波器和系波器和系统调节装装置置100：1（闭环）小小恒恒转矩，无矩，无级调速，速，用于公共直流用于公共直流电源或恒源或恒压直直流流电源源场合，合，地地铁、工、工业用用电动车辆变磁通磁通并励、并励、他励他励变流机流机组、励磁、励磁调节装置或装置或SCR变流、流、励磁励磁调节装置装置2：13：1较小小恒功率，无恒功率，无级调速，速

37、，要求高速恒功要求高速恒功率率调速的机械，速的机械，如如轧钢机，提机，提升机等。升机等。直流电动机几种调速方式的特点直流电动机几种调速方式的特点调速方法电枢串电阻降电源电压弱磁调速方向向下调向下调向上调50的调速范围210121.22一定调速范围内转速稳定性差好较好负载能力恒转矩恒转矩恒功率调速平滑性有级调速无级调速无级调速设备及投资少多较多电能损耗多较少少广义的制动是电磁转矩广义的制动是电磁转矩 与转速与转速 方向相反的一种运行状态。方向相反的一种运行状态。能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电枢回路的外串电阻发热消耗掉的

38、一种制动方式。枢回路的外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。七七. 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动把电机从电源脱开(K1-1和K1-2断开），然后在电枢回路串一个合适的电阻（K1-3闭合）。A.能耗制动原理图 制动后，直流电机的电枢电流方向改变，因此，制动后，直流电机的电枢电流方向改变，因此， 改变方向，由驱动性变为制动性的电磁转矩，即从而电机处于改变方向，由驱动性变为制动性的电磁转矩，即从而电机处于发电制动状态。发电制动状态。B. B. 能耗制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算能耗制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算他励直流电机的机械特性方程式可表示为：他励直流电机的机械特性方程式

39、可表示为：(3-61)（1 1）对于反抗性负载）对于反抗性负载能耗制动时他励直流电机的机械特性是一条通过原点且位于第II象限的直线。（2 2）对于位能性负载）对于位能性负载C 能耗制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小，为防止制动电流过大，能耗制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小，为防止制动电流过大，一般按照下列规则选择，即：一般按照下列规则选择，即： 制动电阻制动电阻由此求出制动电阻为：C. C. 能耗制动时他励直流电动机的的过渡过程分析能耗制动时他励直流电动机的的过渡过程分析（1 1）对于反抗性负载：）对于反抗性负载：能耗制动时拖动系统的基本关系式可由下式给出：将方程组中的第1式代入第2式，

40、并整理得：式中，机电时间常数 。 （2 2）对于位能性负载：）对于位能性负载：当 时， ，故有：将上式代入（3-64）得：（3-65）解上式得：（3-66）同理，（3-67）根据上述关系式，便可绘出 以及 如图3.30所示。反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向的一种制动方式。作用下反向的一种制动方式。反接制动反接制动电枢反接的反接制动电枢反接的反接制动转速反向的反接制动转速反向的反接制动B.B.转速反向的反接制动转速反向的反接制动对于位能性负载当重物提升时，电机工作于电动机状态下运行，若希望重对于位能性负载当重物提升时，电机

41、工作于电动机状态下运行，若希望重物稳定下放，则可以通过在电枢回路串较大电阻实现。此时转速反向，感物稳定下放，则可以通过在电枢回路串较大电阻实现。此时转速反向，感应电势应电势Ea反向，电磁转矩反向，电磁转矩Tem方向不变。（突串入一个大电阻，转速不能方向不变。（突串入一个大电阻，转速不能突变，由电压平衡方程式，电枢电流突变，由电压平衡方程式，电枢电流Ia迅速减小，电磁转矩迅速减小，电磁转矩Tem也随之减也随之减小，小于负载转矩，转速逐渐减小（电枢电流和电磁转矩开始增加），当小，小于负载转矩，转速逐渐减小（电枢电流和电磁转矩开始增加），当转速减小至转速减小至0，电磁转矩仍然小于负载转矩，转速，电磁

42、转矩仍然小于负载转矩，转速n反向，反向，电磁转矩电磁转矩Tem与与n方向相反是制动性转矩，方向相反是制动性转矩， 直至直至电磁转矩电磁转矩Tem=TL ，达到新的平衡。），达到新的平衡。）1）工作原理）工作原理当采用转速反向的反接制动时，他励直流电动机的机械特性可表示为：2）机械特性方程式和机械特性曲线）机械特性方程式和机械特性曲线3）制动电阻的计算）制动电阻的计算B.B.电枢反接的反接制动电枢反接的反接制动反接制动过程：把外加电源反接，同时在电枢回路中串入限流的反接制动电反接制动过程：把外加电源反接，同时在电枢回路中串入限流的反接制动电阻（阻（K1-1和和K1-2断开，断开，K2-1和和K2

43、-2闭合），电枢电流闭合），电枢电流Ia和电磁转矩和电磁转矩Tem反向与转反向与转速速n的方向相反，实现反接制动。的方向相反，实现反接制动。1)电枢反接的反接制动原理图电枢反接的反接制动原理图2 2） 反接制动时电动机的机械特性反接制动时电动机的机械特性反接制动过程中电机的机械特性反接制动时电机的机械特性是一条位于第II象限的直线。反接制动过程分析反接制动过程分析反接制动时电机的机械特性是一条位于第II象限的直线。返返 回回3）反接制动时电动机制动电阻的计算）反接制动时电动机制动电阻的计算 对制动机械特性曲线上B点应用电压平衡方程式一般而言，我们需要限制最大制动电流即： 则则4 4） 反接制动

44、时他励直流电动机的的过渡过程分析反接制动时他励直流电动机的的过渡过程分析（1 1）对于反抗性负载：）对于反抗性负载： 根据图3.33可知，若希望系统在反接制动过程中最后停车，则电机的机械特性对若希望系统在反接制动过程中最后停车，则电机的机械特性对应于应于BC段。对应于段。对应于BC段的过渡过程曲线可采用三要素法并利用虚稳定点的概念段的过渡过程曲线可采用三要素法并利用虚稳定点的概念获得，其表达式如下：获得，其表达式如下： 若反接制动在C点不停车，则电机将反转，系统工作点将沿CD移动并最终稳定运行在D点。对应于CD段的过渡过程曲线可采用同样的方法求得，其表达式如下：（3-79）（2 2）对于位能性

45、负载：）对于位能性负载： 若仅考虑反接制动停车，则BC段的过渡过程与反抗性恒转矩负载情况完全相同（见图3.33）。 若反接制动在若反接制动在C点不停车，则由于整个制动过程包括点不停车，则由于整个制动过程包括反接制动阶段（反接制动阶段（BC段）段）、反向电动机运行（反向电动机运行（CF段）段）以及以及回馈制动阶段（回馈制动阶段（FE段），段），跨越跨越机械特性的第机械特性的第II、III、IV象限，如图象限，如图3.33所示。采用三要素法便可获得相应的过所示。采用三要素法便可获得相应的过渡过程曲线表达式为：渡过程曲线表达式为： 回馈制动是电机的回馈制动是电机的实际转速超过理想空载转速实际转速超过

46、理想空载转速的运行状的运行状态。在这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制态。在这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制动又称为再生制动。动又称为再生制动。 回馈制动时电机的接线同电动机运行状态完全相同，其机械特性的表达式也完全相同。所不同的是：电机的实际转速超过理想空载转速，导致外加电压低于感应反电势，即： 。于是有：回馈制动通常发生在下列三种情况下： 1.1.重物下放过程中重物下放过程中 2.2.降压过程中降压过程中 3.3.增磁减速过程中增磁减速过程中八八. . 直流拖动系统的四象限运行分析直流拖动系统的四象限运行分析 对于能够提供正、反转运行并能分别实现正、反转方向对于能够

47、提供正、反转运行并能分别实现正、反转方向上的快速制动的拖动系统，由于其对应电机的机械特性分上的快速制动的拖动系统，由于其对应电机的机械特性分别位于四个象限，故又称为具有四象限运行的电力拖动系别位于四个象限，故又称为具有四象限运行的电力拖动系统统。四象限运行的他励直流电机机械特性及其各种运行状态四象限运行的他励直流电机机械特性及其各种运行状态图3.43 一般电力拖动系统的四象限运行与各种运行状态示意图 两个实例：两个实例：（1 1）直流电机拖动反抗性负载）直流电机拖动反抗性负载 图3.34给出了一个直流电机拖动小车实现两点运行的电气控制电路图。图3.45为对应该方案的四象限运行时的机械特性。图3.44 电动小车拖动系统的电气控制电路图图3.45 电动小车四象限运行时的机械特性（2 2）直流电机拖动位能性负载）直流电机拖动位能性负载图3.46 吊车提升机构的示意图图3.47 提升机构的负载转矩特性 图3.48与图3.49分别给出了吊车提升机构的电气控制电路图和相应的四象限运行的机械特性。图3.48 吊车提升机构的电气控制电路图图3.49 位能性负载四象限运行的机械特性