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1、直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第 1 篇内容提要内容提要n他励直流电动机数学模型n他励直流电动机的调速n他励直流电动机的起动 n他励直流电动机的制动 q 引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。1.1直流电机原理直流电机原理1.1 直流电机的用途和主要结构直流电机的用途和主要结构1基本结构：直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转
2、基本结构：直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。动部分）两大部分组成。 定子的作用是用来产生磁场和作电机的机械支撑。转子用定子的作用是用来产生磁场和作电机的机械支撑。转子用来感应电势而实现能量转换。来感应电势而实现能量转换。1.2直流电机的基本原理直流电机的基本原理 1直流发电机直流发电机(1) 输出开路（发电机电枢回路无电流）单匝单匝, 由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。 (2) 输出带负载（发电机电枢回路有电流） 由左手定则可知电流所受到的电磁力是反对电枢旋转的。原动机为了保持电机以恒定转速旋转，就必须克服此电磁力而做功。2 直流电动机直流电动机 由由外外电电
3、源源从从电电刷刷A、B引引入入直直流流电电流流，使使电电流流从从正正电电刷刷A流流入入，而而由由负负电电刷刷B流流出出。此此时时，由由于于电电流流总总是是经经过过N极极下下的的导导体体流流进进去去，而而经经过过S极极下下的的导导体体流流出出来来，所所以以上上、下下两两根根导导体体分分别别受受到到的的电电磁磁力力的的方方向向是是始始终终不不变变的的，它它们们产产生生的的力力矩矩方方向向永永远远是是反反时时针针方方向向，因因此此这这台台电电机机可可以以带带动别的机械旋转，把电能转换为机械能，成为一台直流电动机。动别的机械旋转，把电能转换为机械能，成为一台直流电动机。3. 电枢电动势与电磁转矩一根导
4、体一根导体一根导体的平均电动势（右手定则）：一根导体的平均电动势（右手定则）：1 电动势：电动势： 电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电势电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电势。 直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动势；直流直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动势；直流电动机运行时，由于元件中有电流，会受到电磁力（转矩）电动机运行时，由于元件中有电流，会受到电磁力（转矩） 。1电枢电动势电枢电动势:直流电动机制成后，其反电势的大小正比直流电动机制成后，其反电势的大小正比于每极磁通和机械转速。于每极磁通和机械转速。一根导体的平均电动势乘上串联支路的总
5、导体数一根导体的平均电动势乘上串联支路的总导体数重要重要2电磁转矩电磁转矩: 一根导体一根导体直流电机制成后，其电磁转矩的大小正比于每极直流电机制成后，其电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流磁通和电枢电流。 电枢绕组的运动方向与磁密的方向成直交，根据电枢绕组的运动方向与磁密的方向成直交，根据载流导体在磁场里受力的左手原理载流导体在磁场里受力的左手原理:N根导体的总电磁转矩根导体的总电磁转矩重要重要重要重要额定励磁下额定励磁下反电势的大小正比于磁通和转速。反电势的大小正比于磁通和转速。电磁转矩的大小正比于磁通和电枢电流。电磁转矩的大小正比于磁通和电枢电流。 。2 电机的主要额定值电机的主要额定
6、值在额定运行时，(1) 额定容量（功率）PN (kW)： 对电动机，转轴输出的机械功率；PN UN INN 对发电机，是电刷端的输出电功率： PN UN IN(2) 额定电压UN (V)：加在电枢绕组上的电压；(3) 额定电流 IN (A)：对应于额定功率下电枢绕组的电流；(4) 额定转速nN (rmin): 输出额定功率时电机轴的转速；(5) 励磁方式和额定励磁电流If (A)(6) 电机的效率： N PN /P1 他励直流电动机数学模型他励直流电动机数学模型等效电路根据直流电机转速方程 q直流电机转速方程nUIRKe式中 转速（r/min）；电枢电压（V）；电枢电流（A）；电枢回路总电阻（
7、 ）；励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。（1-1）他励直流电动机的调速 由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。（1）调压调速n工作条件： 保持励磁=N； 保持电阻 R = Ran调节过程： 改变电压 UN UUn，n0n调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速n工作条件： 保持励磁=N ； 保持电压 U =UN；n调节过程： 增加电阻 Ra RR n，n
8、0不变；n调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速n工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a；n调节过程： 减小励磁N n，n0n调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速习题习题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
9、流流Ia为为（4-3） 在在起起动动瞬瞬间间，电电动动机机的的转转速速n= 0，反反电电动动势势Ea = 0，电电枢枢回回路路只只有有电电枢枢绕绕组组电电阻阻Ra，此此时时电电枢枢电电流流为为起起动动电电流流Ist，对对应应的的电电磁转矩为起动转矩磁转矩为起动转矩Tst，并有，并有（4-4）（4-5）他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动l起动电流起动电流IstIN（约为（约为1020倍的倍的IN），这么大的起动电流使电），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，甚至形成环火机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火l另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系
10、统的传动机另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构。构。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：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，即起动电流限制在一定范围内，即Ist IN， 为电机的过为电机的过载倍数；载倍数； 2) 足够大的起动转矩，足够大的起动转矩，Tst （1.11.2）TN ； 3) 起动设备简单、可靠。起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢？由如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist =UN/Ra可知，限制起动可知，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，电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻
11、，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。即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 一、一、 电枢回路串电阻起动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在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动，在起动过程中将起动电阻逐步切除。过程中将起动电阻逐步切除。 图图4-6a为他励直流电动机三级起动为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。时的电气原理图。 二、二、 减压起动减压起动 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
12、的转速间，电动机的转速n = 0，反电动势，反电动势Ea = 0，降低电源电压，降低电源电压U ， 将将起动电流限制在允许的范围内。起动电流限制在允许的范围内。 一、电动状态和制动状态一、电动状态和制动状态 电动状态运行时，电动机电动状态运行时，电动机的电磁转矩的电磁转矩Te与转速与转速n方向方向相同，此时相同，此时Te为拖动转矩，为拖动转矩，电机从电源吸收电功率，电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。电向负载传递机械功率。电动机电动状态运行时的机动机电动状态运行时的机械特性如图械特性如图他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 二、能耗制动二、能耗制动 能耗制动的机械特性与电动机所带负载
13、的特性有关，对于能耗制动的机械特性与电动机所带负载的特性有关，对于反反抗性负载抗性负载，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为，其机械特性曲线在第二象限，没有稳定运行点，称为能耗制动过程能耗制动过程；对于；对于位能性负载位能性负载，其机械特性曲线在第四象限，其机械特性曲线在第四象限，有稳定运行点，故称为有稳定运行点，故称为能耗制动运行状态能耗制动运行状态。 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 1. 能耗制动过程能耗制动过程 (1) 能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 将将U = 0、 = N，R = Ra+Reb代入代入他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性他励
14、直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性 可可见见，能能耗耗制制动动时时的的机机械械特特性性是是一一条条经经过过原原点点、位位于于第第二二、四象限的直线，如图四象限的直线，如图4-15b中的特性中的特性2所示。所示。（4-13）（4-14）他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 4. 能耗制动的特点能耗制动的特点 能耗制动的线路简单、经能耗制动的线路简单、经济、安全；用于反抗性负载可济、安全；用于反抗性负载可实现准确停车；用于位能性负实现准确停车；用于位能性负载，可下放重物。但在制动过载，可下放重物。但在制动过程中，随着转速的下降，制动程中，随着转速的下降，制动转矩随之减小，制动效
15、果变差，转矩随之减小，制动效果变差，为使电机更快停车，可在转速为使电机更快停车，可在转速降到一定程度时，切除一部分降到一定程度时，切除一部分电阻，使制动转矩增大，从而电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。加强制动作用。 三、反接制动三、反接制动 为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反向（用于位能性负载）。向（用于位能性负载）。 1. 电枢反接制动电枢反接制动 电枢反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突电枢反
16、接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，图然反接，图4-18a所示为电枢电压反接的反接制动原理图。所示为电枢电压反接的反接制动原理图。 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 电动机反接制动时的机械特性如图电动机反接制动时的机械特性如图4-18b所示。所示。 (1) 电枢反接制动的机械特性电枢反接制动的机械特性 反接制动过程中，反接制动过程中，=N ，U = -UN ，R = Ra +Rrb ，其机械特性方程式为，其机械特性方程式为（4-17） 当当n = 0时，时，Te = TeC ；Te = 0时，时，n = -n0 ，所以反接制动机械，所以反接制动机械特性是一条过特性是一
17、条过-n0 ，斜率取决于（，斜率取决于（Ra+Rrb）大小的直线，如图）大小的直线，如图4-18特性特性2所示。所示。 (2) 电枢反接制动功率关系电枢反接制动功率关系 他励直流电动机反接制动过程中他励直流电动机反接制动过程中的功率传递方向为：从电源输入电功率的功率传递方向为：从电源输入电功率P1，从负载输入机械功率，从负载输入机械功率P2，P2扣除空载损耗扣除空载损耗p0后，即转变为电磁功率后，即转变为电磁功率Pem 。P1与与Pem 两两部分电功率全部消耗在电阻（部分电功率全部消耗在电阻（Ra+Rrb）上。这时的机械功率是由）上。这时的机械功率是由系统释放的动能提供的。系统释放的动能提供的
18、。 (3) 电枢反接制动电阻的计算电枢反接制动电阻的计算 反接制动过程开始瞬间，电枢反接制动过程开始瞬间，电枢电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻Rrb 越小，越小， 电电枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动电阻电阻Rrb 为为（4-19）（4-18）当制动初始转速大于当制动初始转速大于nN 时，可用下列近似公式计算时，可用下列近似公式计算Rrb ，即，即与能耗制动电阻相比，电压反接制动电阻几乎大一倍。与能耗制动电阻相比，电压反接制动电阻几乎大一倍。 2. 倒拉反接制
19、动倒拉反接制动 他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第将被制动减速，并被负载反拖进入第象限运行，如图象限运行，如图4-20所示，所示，这一制动方式被称为倒拉反接制动。这一制动方式被称为倒拉反接制动。 四、回馈制动（再生发电制动）四、回馈制动（再生发电制动） 电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动车辆下坡电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动车辆下坡时）会出现运行转速时）会出现
20、运行转速n高于理想空载转速高于理想空载转速n0的情况，此时的情况，此时Ea U ，电枢电流电枢电流Ia 反向，电磁转矩反向，电磁转矩Te方向也随之改变，由拖动性转矩变方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩，即成制动性转矩，即Te与与n方向相反。从能量传递方向看，电机处于方向相反。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。馈制动状态。 回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械
21、特性位于在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。 1. 正向回馈制动正向回馈制动 (1) 正向回馈制动过程正向回馈制动过程 在调压调速系统中，电压降低的幅在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如图度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如图4-21a所所示。示。 (2) 正向回馈制动运行正向回馈制动运行 如图如图4-13所示，用他励直流电动机驱所示，用他励直流电动机驱动一辆电动车，当电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行。回动一辆电动车，当电
22、动车下坡时，将出现正向回馈制动运行。回馈制动运行时的功率关系与回馈制动过程时相同，只是机械功率馈制动运行时的功率关系与回馈制动过程时相同，只是机械功率是由电动车减少位能储存来提供的。是由电动车减少位能储存来提供的。 2. 反向回馈制动运行反向回馈制动运行 他励他励 直流电动机直流电动机 拖动拖动 位位能性负载（如起重机的提升机能性负载（如起重机的提升机构），可以出现反向回馈制动构），可以出现反向回馈制动运行，如图运行，如图4-23所示。所示。 回馈制动的重要特点是：回馈制动的重要特点是：n n0 ，Ea U ， 向电源回馈向电源回馈电能，运行经济。由于其功率电能，运行经济。由于其功率关系与直流
23、发电机一样，故又关系与直流发电机一样，故又称为称为再生发电制动再生发电制动。 五、他励直流五、他励直流电动机的四象限运电动机的四象限运行行 到到此此为为止止，他他励励直直流流电电动动机机四四个个象象限限的的运运行行状状态态全全部部介介绍绍完完了了，现现将将四四个个象象限限运运行行的的机机械械特特性性画画在在一一起起，如如右右图图所所示示。可可见见，电电动动机机运运行行状状态态分分成成两两大大类类，Te与与n同同方方向向时时为为电电动动运运行行状状态态，Te与与n反反方方 向向 时时 为为 制制 动动运行状态。运行状态。电力拖动系统稳定运行的条件n所谓稳定运行，是指电力拖动系统在所谓稳定运行，是
24、指电力拖动系统在某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到新的平衡，或但能在新的条件下达到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到者当外界扰动消失后系统仍能恢复到原来的平衡状态。原来的平衡状态。n一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，点，系统平衡系统平衡，即即T=TL；扰动使转速有微小增量，若；扰动使转速有微小增量，若转速由转速由nA上升到上升到nA， TTL；扰动消失，系统加速，；扰动消失，系统加速，能回到点能回到点A运行。运行。电动机的机械特性和生产机械的负载特性的电动机的机械特性和生产机械的负载特性
25、的任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线如下图所拖动一恒转矩负载，其特性曲线如下图所示。示。 T=TL仅仅是是稳稳定定运运行行的的必必要要条条件件，但但还还不不是是充充分分条条件件。系系统统稳稳定定运运行行的的必必要要和和充充分分的的条条件件是是：交交点点处处T=TL, ,转转速速升升高高时时TTL，此此点点才才是是稳稳定定运运行行的的。或或者者说，在交点处，有说，在交点处，有 这才是稳定运行的充分必要条件。这才是稳定运行的充分必要条件。 结论：结论： 生产
26、机械特性与电动机机械持性画在同一直生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系角坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力工具。电力拖动系统稳定运行的充统的有力工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机械特性与电动机机械特性有要条件是负载机械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足交点，且在交点处满足习题1右图的T是电动机的机械特性曲线，Tl是负载的机械特性曲线。图中的A点是（）运行点，B点是（）运行点。A稳定；B不稳定。2电力拖动系统稳定运行点的条件是（）。A电动机机械特性与负载机械特性的交点；B电动机机械特性与负载机械特性的交点，且；C电动机机械特性与负载机械特性的交点，且。
