09第九章直流电动机的电力拖动

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1、 以直流电动机作为原动力拖动生产机械作功，本章主以直流电动机作为原动力拖动生产机械作功，本章主要研究电动机与被拖动的生产机械之间的关系，即电动机要研究电动机与被拖动的生产机械之间的关系，即电动机的电磁转矩与生产机械的负载转矩和系统转速之间的关系。的电磁转矩与生产机械的负载转矩和系统转速之间的关系。 主要学习主要学习5个方面内容：直流电动机机械特性、直流电个方面内容：直流电动机机械特性、直流电动机起动和反转、直流电动机调速、直流电动机制动、电动机起动和反转、直流电动机调速、直流电动机制动、电力拖动系统的过渡过程。力拖动系统的过渡过程。第九章第九章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动8/12

2、/20241第一节第一节 他励直流电机的机械特性他励直流电机的机械特性一、机械特性方程式一、机械特性方程式 电动机的机械特性是指电动机的机械特性是指电动机的转速电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩T 的关系的关系 n=f(T)。机械特性是电动机力学性能的主要体现，它与运动方机械特性是电动机力学性能的主要体现，它与运动方程相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。程相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。Tnnb-=0机械特性斜率机械特性斜率8/12/20242理想空载转速理想空载转速 电动机实际空载转速电动机实际空载转速 电动机带负载后的转速降电动机带负载后的转速降 当电枢

3、电流较大时，由于饱和的影响，产当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。机械特性在负载大时呈上翘现象。他励直流电动他励直流电动机的机械特性机的机械特性电枢反应对机电枢反应对机械特性的影响械特性的影响8/12/20243 从他励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化，从他励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化，该特性称为该特性称为硬特性硬特性；如果变化较大，那么就为；如果变化较大，那么就为软特性。软特性。用转速变化率来表征：用转速变化率来表征：硬特性和软特性硬特性和软特性8/12/20244二、

4、固有机械特性和人为机械二、固有机械特性和人为机械特性特性1、固有机械特性、固有机械特性当当 时电动时电动机转速与电磁转矩的关系：机转速与电磁转矩的关系：8/12/202452、人为机械特性、人为机械特性根据转速与转矩之间的关系公式：根据转速与转矩之间的关系公式：8/12/20246他励直流电动机固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性（一）电枢串联电阻时的人为机械特性（一）电枢串联电阻时的人为机械特性 保持保持 不变不变, ,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为的人为特性。它的特性。它的机械特性方程表达式机械特性方程表达式：8/12/202478/12/20248（二）改变电压

5、时的人为机械特性（二）改变电压时的人为机械特性 电压不同时的人为机电压不同时的人为机械特性械特性保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压U时的人为特性。时的人为特性。机械特性方程表达式为：机械特性方程表达式为：8/12/202498/12/202410（三）减弱电动机磁通时的人为机（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性械特性21N保持保持 不变，改变励磁回路调节电阻不变，改变励磁回路调节电阻R Rf f的人为特性。的人为特性。它的机械特性表达式为：它的机械特性表达式为：8/12/2024118/12/202412电枢反应对机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响解决曲线上翘的方法是在主磁

6、极绕组串联一个助磁解决曲线上翘的方法是在主磁极绕组串联一个助磁的补偿绕组以抵消电枢反应的影响。的补偿绕组以抵消电枢反应的影响。8/12/202413三、机械特性的绘制三、机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制其中其中 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。理想空载点理想空载点IN，UN及及nN为已知，为已知，Ra 可以估算可以估算额定运行点额定运行点8/12/202414（二）人为机械特性的绘制

7、（二）人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。相应的人为机械特性方程式即可。 例例9-19-1 一台一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：型他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其机械特性。试计算其机械特性。 解解理想空载点理想空载点额定点额定点8/12/202415五、五、 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件在在 A点，系统平衡点，系统平衡T=TZ，那么这个平衡点是不是就是系统能够稳定运行的点？在电力拖动系统中，生产机械负载在电力拖动系统中，生产机械负载转矩特性与

8、电动机的机械特性是同转矩特性与电动机的机械特性是同时存在的。时存在的。在电力拖动运动方程式中已指出，在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩当转矩T 与与Tz 方向相反，大小相等方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态拖动系统处于稳态，或称静态 8/12/202416 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰

9、动消失后系统回到原来新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。是不稳定的。8/12/202417电压波动使机械特性曲线上移，转速不能突变，由于TTZ 转速由 上升到 ，扰动消失特性曲线恢复原位，系统减速，沿绿色线路回到 点运行。TTZTTZ8/12/202418电压波动使机械特性曲线下移，转速不能突变，由于 转速由 下降到 ，扰动消失特性曲线恢复原位，系统加速，沿绿色线路回到 点运行。TTZ8/12/202419在在B点，系统平衡点，系统平衡T=TZ负载突然升至TZB瞬间转速不变,即电枢电流不变、电

10、磁转矩不变， TTZ转速由nB上升，T不断加大，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到B点运行。最后电机因转速过高、电流过大电机因转速过高、电流过大而损坏而损坏。TZCTZB8/12/202420电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在T=TZ2.充分条件: 在交点T=TZ处满足 。 或者说，在交点的转速以上在交点的转速以上存在存在TTZ 。8/12/202421第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。他励直流电

11、动机的起动他励直流电动机的起动电动机起动的基本要求电动机起动的基本要求（1）起动转矩要大：保证起动快速、可靠（2）起动电流要小：防止对电网的冲击、保护电机本身（3）起动设备要简单、经济、可靠。方便操作8/12/202422nT一、他励直流电动机的起动方法一、他励直流电动机的起动方法直接起动直接起动8/12/202423 起动时由于转速起动时由于转速 ，电枢电动势，电枢电动势 ，而且电，而且电枢电阻枢电阻 很小，所以起动电流将达到额定电流值的很小，所以起动电流将达到额定电流值的10-20倍。倍。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电

12、、使电动机的换向恶化；同电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。流电动机不允许直接起动。 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用降低电为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用降低电枢电压起动或电枢回路串电阻。枢电压起动或电枢回路串电阻。一般他励直流电动机的起动一般他励直流电动机的起动8/12/2024241、降低电源电压起动、降低电源电压起动起动开始时降低端电压 使 Ist(1.5 2.0)IN, Tst=(1.52.0）TN。随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使

13、电枢电流限制在一定范围内。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。8/12/202425降低电源电压起动降低电源电压起动调压电源8/12/202426abcdefgw2、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动 将启动电阻串入电枢回路，带转速上升后，逐步将启动电阻串入电枢回路，带转速上升后，逐步将起动电阻切除。将起动电阻切除。8/12/202427二、起动电阻的计算二、起动电阻的计算 各级起动电阻的计

14、算，以起动过程中最大起动转矩各级起动电阻的计算，以起动过程中最大起动转矩T T1 1和切换转矩和切换转矩T T2 2不变为原则：不变为原则： 注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切换瞬间的电枢电势不变，切换两点的电压降相等。换瞬间的电枢电势不变，切换两点的电压降相等。8/12/202428解析法计算起动电阻解析法计算起动电阻两级起动时两级起动时 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 称为起动电流比称为起动电流比在在b点点 在在c点点 8/12/2024298/12/202430如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，

15、直到满足值并重新计算，直到满足该条件为止。该条件为止。（2 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；（3 3）选取起动级数）选取起动级数m, ,（有两种情况）；（有两种情况）；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比： 取整数取整数（5 5）计算转矩计算转矩: :，校验：校验：计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：8/12/202431 例例9-29-2 一台他励直流电动机的铭牌数据为：一台他励直流电动机的铭牌数据为： 试用解析法计算四

16、级起动时的起动电阻值。试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。 解解已知起动级数已知起动级数m=4 选择选择8/12/202432各分段电阻如下各分段电阻如下 ：则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下： 8/12/202433第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1）电动运转状态）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。以带动负载。 2） 制动运转状态制动运转状态电动机转矩与转速的方向相电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能

17、。反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。要求制动运行。直流电动机的两种运行状态直流电动机的两种运行状态制动：使电力拖动系统制动：使电力拖动系统从某一稳定转速开始减速至转从某一稳定转速开始减速至转速为零速为零，或者限制位能负载的下行速度，使其在某一，或者限制位能负载的下行速度，使其在某一稳定转速下运行。稳定转速下运行。8/12/202434直流电动机的制动方法直流电动机的制动方法断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车8/12/202435一、能耗制动一、能耗制动 电

18、动状态电动状态能耗制动能耗制动保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至Rz， 电枢从电网脱离经制动电阻Rz闭合。实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动。参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRz8/12/202436能耗制动时的机械特性为一条过原点的直线能耗制动时的机械特性为一条过原点的直线电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 改变制动电阻改变制动电阻R RZ Z的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率的大小可以改变

19、能耗制动特性曲线的斜率, ,从而可以改变从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。制动转矩及下放负载的稳定速度。R RZ Z 越小越小, ,特性曲线的斜率越小特性曲线的斜率越小, ,起始制动转起始制动转矩越大矩越大, ,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。8/12/202437制动电阻越小，制动电流越大。制动电阻越小，制动电流越大。如果按最大制动电流不超如果按最大制动电流不超 2I2N过来选择过来选择 能耗制动操作简单能耗制动操作简单, ,但随着转速下降但随着转速下降, ,电动势减小电动势减小, ,制动电流制动电流和制动转矩也随着减小和制动转矩也随着减小, ,制动效果变差。若为了尽快停

20、转电制动效果变差。若为了尽快停转电机机, ,可在转速下降到一定程度时可在转速下降到一定程度时, ,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻, ,增大增大制动转矩。制动转矩。制动时电流和转矩的分析制动时电流和转矩的分析8/12/202438二级能耗制动线路及机械特性二级能耗制动线路及机械特性M M+ +- -I Ia aE Ea aKMKMKMKMR Rc1c1 R Rc2c2RfUfDEF带位能负载带位能负载8/12/202439能耗制动的运行能耗制动的运行过程过程8/12/202440能耗制动的特点能耗制动的特点能耗制动的特点：能耗制动的特点：（1）操作简单，停车准确）操作简单，停车准确（2）能

21、耗制动产生的冲击电流不会影响电网）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；（3）低速时制动转矩小，停转慢；）低速时制动转矩小，停转慢；（4）动能大部分都消耗在制动电阻上。）动能大部分都消耗在制动电阻上。制动初瞬的最大电流：制动初瞬的最大电流：制动电阻：制动电阻：8/12/202441反接制动反接制动转速反向（用于位能负载）转速反向（用于位能负载）电枢反接（用于反抗性负载）电枢反接（用于反抗性负载）（电动势反向电动势反向）（电压反向电压反向）二、反接制动二、反接制动8/12/202442（一）电压反接制动M M停停M8/12/202443电压反接制动机械特性电压反接制动机械特性B BT Tn n0

22、0A AT Tz z-T-Tz z-n-n0 0o oTBC工作点变化为：参数的特点：U=-UN、 = N、R=Ra+Rz8/12/202444制动过程中制动过程中, 、 、 均为负，而均为负，而 、 为正。为正。表明电机从电源吸收电功率；表明电机从电源吸收电功率；表明电机从轴上吸收机械功率表明电机从轴上吸收机械功率;电压反接制动分析电压反接制动分析8/12/202445电压反接制动过程的功率流程图电压反接制动过程的功率流程图P2特点：（1）可以很快使机组停机；（2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流；（3）转速至零时， 需切断电源。由于惯性而释放动能流入电动机电动机吸收的电功率8/12/2

23、02446电压反接制动和能耗制动比较电压反接制动和能耗制动比较B BT Tn n0 0A AT Tz z-T-Tz z-n-n0 0o oTBCD123电压反接制动的制动转矩始终大于能电压反接制动的制动转矩始终大于能耗制动的制动转矩。耗制动的制动转矩。能耗制动能够准确停车。能耗制动能够准确停车。电压反接制动在转速为零是需切断电源。电压反接制动在转速为零是需切断电源。8/12/202447（二）电动势反接制动（二）电动势反接制动（倒拉反转反接制动）转速反向的反接制动特性方程式为转速反向的反接制动特性方程式为 电枢电路的电压平衡方程式变为电枢电路的电压平衡方程式变为 参数的特点：参数的特点：U=U

24、N、 = N、R=Ra+R8/12/202448电动势反接制动运行电动势反接制动运行过程8/12/202449电动势反接制动分析电动势反接制动分析8/12/202450电动势反接制动的特点电动势反接制动的特点 电动势反接制动只适用于位能性恒转矩负载。电动势反接制动只适用于位能性恒转矩负载。 制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻足够大，可以在第四象限的人为特性方程。由于串入电阻足够大，可以在第四象限与位能负载特性曲线相交，稳定运行（制动运行工作状态）与位能负载特性曲线相交，稳定运行（制动运行工作状态）。 电势反接

25、制动时的能量关系和电压反接制动时时的能电势反接制动时的能量关系和电压反接制动时时的能量关系区别仅在于：机械功率的提供一个是由系统释放动量关系区别仅在于：机械功率的提供一个是由系统释放动能提供；另一个是由系统位能的减少来提供。能提供；另一个是由系统位能的减少来提供。8/12/202451三、回馈制动三、回馈制动 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。制动相比，回馈制动是比较经济的。8/12/202452反向回馈制动反向回馈制动8/12/202453反向回馈制动反向回馈制动系统储存的位能转换成电能送回电网

26、。系统储存的位能转换成电能送回电网。PMEaIa0P1UIa0Ia2(Ra+Rc)P2T0p08/12/202454正向回馈制动正向回馈制动8/12/202455回馈制动回馈制动 回馈制动过程中，有功功率回馈制动过程中，有功功率UIUIa a回馈电网。从电能回馈电网。从电能消耗看，消耗看， 回馈制动是最经济的一种制动方式。回馈制动是最经济的一种制动方式。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。特点。8/12/202456四、电动机四象限运行四、电动机四象限运行摩擦负载摩擦负载位能负载位能负载电动状态电动状态正向回馈正向回馈电势反接电势反接

27、电压反接电压反接能耗制动能耗制动制动运行制动运行减弱磁通减弱磁通反向电动反向电动反向回馈反向回馈8/12/202457他励电动机降压、减速他励电动机降压、减速过程中回馈制动特性过程中回馈制动特性 例例9-49-4 一台他励直流一台他励直流电动机的数据如下：电动机的数据如下：（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放， ，求电动机反向下放转速。，求电动机反向下放转速。（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放，）电动机带动位能负载，作反接制动下放， 时，转速时，转速 ，求串接在电枢电路中的，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功

28、率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。耗的功率。 （3）电动机带动反作用负载，从）电动机带动反作用负载，从 进行能耗进行能耗制动，若其最大制动电流限制在制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的，试计算串接在电枢电路中的电阻值。电阻值。 8/12/202458解解 （1）电动机反向下放转速电动机反向下放转速 （2）电枢电路总电阻）电枢电路总电阻 电枢串接电阻电枢串接电阻 电网输入功率电网输入功率 电枢电路电阻上消耗的功率电枢电路电阻上消耗的功率 8/12/202459轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）轴

29、上功率（为负值，表示从轴上输入功率） （3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为 电枢电路总电阻电枢电路总电阻 电枢电路串接电阻电枢电路串接电阻 8/12/202460第四节第四节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速一、电动机调速的基本概念一、电动机调速的基本概念 电动机调速是通过人为的改变电动机的参数获得另外电动机调速是通过人为的改变电动机的参数获得另外的电动机机械特性曲线，工作点发生变化，转速发生变化。的电动机机械特性曲线，工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。如果机械特调速前后，电

30、动机工作在不同的机械特性上。如果机械特性不变，性不变，仅由于负载变化而引起转速的变化，则不能称为仅由于负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。调速。8/12/202461 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。气调速或二者配合调速。 改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度，改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度，称为称为机械调速机械调速。 人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为转速，称为电气调速。电

31、气调速。调速分类调速分类8/12/202462nTTLRan0nNA0ABn1Ra+RC自然机械特性曲线上的工作点串电阻RC后,工作点由AAB调速过程调速过程8/12/202463二、调速指标二、调速指标调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标 （一）调速的技术指标（一）调速的技术指标 1. 调速范围调速范围：额定负载下的最高转额定负载下的最高转速和最低转速之比。速和最低转速之比。不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D20120，龙门刨床龙门刨床D1040，机床的进给机构，机床的进给机构

32、D5200，轧钢机，轧钢机D3120，造纸机，造纸机D320等等 TN8/12/202464不同机械特性不同机械特性下的静差率下的静差率 2静差率静差率（或称相对稳定性）：（或称相对稳定性）：在某一调节转速下，电动机从理想在某一调节转速下，电动机从理想空载转速到额定负载时的转速变化空载转速到额定负载时的转速变化率。率。 越小，负载变化时转速的变化越小，转速相对稳定性越好，越小，负载变化时转速的变化越小，转速相对稳定性越好，即静差率越低。即静差率越低。8/12/202465TN调速范围和低速静差率的关系调速范围和低速静差率的关系8/12/202466通过上述分析可知：通过上述分析可知：%与机械特

33、性硬度和与机械特性硬度和n0有关。有关。D与与%相互制约相互制约越小越小, ,D越小越小, ,相对稳定性越好相对稳定性越好; ;在保证一定的指在保证一定的指标的前提下标的前提下, ,要扩大要扩大D, ,须减少须减少n, ,即提高机械特性的硬度。即提高机械特性的硬度。8/12/2024673平滑性平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。速愈平滑。 值愈接近于值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最

34、好。 4调速时的容许输出调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）（或调速时的功率与转矩）容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。所能输出的功率和转矩。 （二）调速的经济指标（二）调速的经济指标 调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。 8/12/202468例例9-59-5 一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额

35、一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速定转速 ，高速机械特性的理想空载转速，高速机械特性的理想空载转速 如果额定负载下低速机械特性的转速如果额定负载下低速机械特性的转速 ，而相应的理想空载转速而相应的理想空载转速 。（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率和静差率 ；（2）如果生产工艺要求静差率）如果生产工艺要求静差率 20%，则此时额定负载下能，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？ 解解 （1）低速静差率低速静差率 （2）不能满足原有调速范围的要求不能

36、满足原有调速范围的要求8/12/202469三、电动机调速方法三、电动机调速方法从他励直流电动机的机械特性方程看：从他励直流电动机的机械特性方程看：电气调速方法：电气调速方法：1.1.电枢串电阻调速电枢串电阻调速；2.2.调压调速调压调速；3.3.调磁（弱磁）调速调磁（弱磁）调速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求要求调节的范围宽广调节的范围宽广、过程、过程平滑平滑、调节的方法、调节的方法简单、经济简单、经济。8/12/202470（一）电枢回路串电阻调速（一）电枢回路串电阻调速 保持保持UUN且且 N不变，电枢回路中串

37、入调速不变，电枢回路中串入调速电阻电阻R，使同一个负载得到不同转速的方法，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为称为电枢串电阻调速电枢串电阻调速。nTTzRan0nAA0CBnBRa+R1Ra+R2nC8/12/202471电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。8/12/202472电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速优点优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2 2）低速时特性曲线斜率大）低速时特性曲线斜率大, ,静差率大静

38、差率大, ,机械特性很软，机械特性很软， 当负载变化时，当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差转速波动很大。静态稳定性差 调速范调速范围不大。围不大。3 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为般为D2D2；4 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使磁通不变而使T T和和I Ia a不变，输入功率不变，输出功率却随转速的不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：缺点：1 1）由于电阻只

39、能分段调节，所以调速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；8/12/202473（二）降低电源电压调速（二）降低电源电压调速TTzAAB调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点 保持电动机的保持电动机的 N N不变且无外接电枢电阻，不变且无外接电枢电阻， 仅降仅降低施加于电动机电枢两端电压低施加于电动机电枢两端电压U U达到调速的目的，达到调速的目的， 称为称为降压调速降压调速。8/12/202474优点优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时）调速前后的机械特性的斜

40、率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。稳定性好。3 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.5 D=2.51212。 4 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。降低电源电压调速降低电源电压调速8/12/202475（三）减弱磁通调速（三）减弱磁通调速 改变励磁电流调改变励磁电流调速，实际上是减少励速，实际上是减少励磁电流的调速，磁电流的调速， 所所以又称以又称弱磁调速弱磁调速。 弱磁调速：保持弱磁调速：保持UUN，Rc0，仅减小电动机的励磁，仅减小电动机的励磁电流

41、电流If使主磁通减小，达到调速目的。使主磁通减小，达到调速目的。ABTTzA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点8/12/202476减弱磁通调速减弱磁通调速减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n结论结论：磁场越弱，转速越高。：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不因此电机运行时励磁回路不能开路能开路。 弱磁调速的弱磁调速的优点优点是，在功率是，在功率较小的励磁电路中进行调节，较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降不大，常

42、和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整压调速配合应用，以扩大调整范围。范围。 8/12/202477四、电动机调速时允许输出的转矩和功率四、电动机调速时允许输出的转矩和功率在某一转速下，在某一转速下， 电机既能充分利用又能安全运行时输出的电机既能充分利用又能安全运行时输出的功率和转矩称为调速时的允许输出功率和转矩。功率和转矩称为调速时的允许输出功率和转矩。以电机在不同转速都能得到充分利用为条件以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。在整个调速范围允许输出转矩为常数，在整个调速范围允许输出

43、转矩为常数，恒转矩调速方式。恒转矩调速方式。在整个调速范围内的允许输出功率为常数，在整个调速范围内的允许输出功率为常数， 是恒功率调速是恒功率调速方式方式。8/12/202478（一）恒转矩调速方式（一）恒转矩调速方式保持I不变电枢串电阻调速电枢串电阻调速和和降压调速降压调速时，磁通保持不变，时，磁通保持不变，若在不同转速下保持额定电流若在不同转速下保持额定电流为常数。为常数。8/12/202479（二）恒功率调速方式（二）恒功率调速方式减弱磁通调速减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流不变，即电机得到充分利用。若保持电流不变，即电机得到充分利用。在

44、整个在整个调速范围内输出功率为常数。调速范围内输出功率为常数。8/12/202480 恒转矩调速方式和恒功率调速方式，都是用来表示电动机恒转矩调速方式和恒功率调速方式，都是用来表示电动机采用某种调速方法时的负载能力，并不是指电动机的实际输采用某种调速方法时的负载能力，并不是指电动机的实际输出。出。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与这个问题与调速方式调速方式和和负载类型负载类型的配合有关。的配合有关。 一般来说，为了使电

45、动机得到充分利用，拖动恒转矩负一般来说，为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率调速方式。有时为了扩大调速范围，可以采用两种方式结合调速方式。有时为了扩大调速范围，可以采用两种方式结合使用的方法。使用的方法。五、负载类型与调速方式的配合五、负载类型与调速方式的配合8/12/202481设负载机械特性设负载机械特性如图中蓝线，电如图中蓝线，电机允许输出转矩机允许输出转矩如绿线如绿线TTN（选择TN）恒转矩调速方式与恒转矩负载配合恒转矩调速方式与恒转矩负载配合TL8/12/202482设负载机械特

46、性设负载机械特性如图中蓝线，电如图中蓝线，电机允许输出转矩机允许输出转矩如绿线如绿线TTN（选择TN）恒转矩调速方式与恒功率负载配合恒转矩调速方式与恒功率负载配合TL8/12/202483设负载机械特性设负载机械特性如图中蓝线，电如图中蓝线，电机允许输出转矩机允许输出转矩如绿线如绿线TTN（选择TN）恒功率调速方式与恒功率负载配合恒功率调速方式与恒功率负载配合TL8/12/202484设负载机械特性设负载机械特性如图中蓝线，电如图中蓝线，电机允许输出转矩机允许输出转矩如绿线如绿线TTL恒功率调速方式与恒转矩负载配合恒功率调速方式与恒转矩负载配合（选择TN）8/12/202485第五节第五节 晶

47、闸管晶闸管直流电动机系统直流电动机系统电流连续时的整流电压的平电流连续时的整流电压的平均值均值 负载为电动机时负载为电动机时的整流电压波形的整流电压波形对于三相零式晶闸管整流电路对于三相零式晶闸管整流电路式中，式中， 一逆变角。一逆变角。 8/12/202486电流不连续时整流电流不连续时整流电压与电流波形电压与电流波形电流不连续时电流不连续时的机械特性的机械特性8/12/202487反并联连接的两组反并联连接的两组晶闸管装置向直流晶闸管装置向直流电动机供电电动机供电晶闸管晶闸管直流电动机系统的优点为：直流电动机系统的优点为：改变控制角，即可调节电动机的电枢改变控制角，即可调节电动机的电枢端电

48、压或励磁电流，从而达到平滑调端电压或励磁电流，从而达到平滑调速的目的。其技术与经济指标较高；速的目的。其技术与经济指标较高；调速范围大，平滑性高，质量小，占调速范围大，平滑性高，质量小，占地面积小，运行效率高，设备投资和地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低，而且快速响应控制运行费用都较低，而且快速响应控制准确。准确。其缺点是：其缺点是：1）由于电枢电流为脉冲波）由于电枢电流为脉冲波 ，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降。引起电动机效率下降。 2）当调速范围）当调速范围较大时，功率因数较低较大时，功率因数较低 。3）晶闸管整）晶闸管整

49、流装置整流变压器一次电流中的谐波成流装置整流变压器一次电流中的谐波成分会造成种种不良影响分会造成种种不良影响 。8/12/202488第六节第六节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程一、过渡过程的一般概念一、过渡过程的一般概念 电力拖动系统处于稳定状态时，电磁转矩、电枢电电力拖动系统处于稳定状态时，电磁转矩、电枢电流、转速及电枢电势都不随时间变化。如果打破这种平流、转速及电枢电势都不随时间变化。如果打破这种平衡关系，拖动系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定衡关系，拖动系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在此过程中，状态。在此过程中，由于惯性，这些变化却不能导致电由于惯性，这些变

50、化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程是个连续变化的过程 ，转矩、转速、电流等都将随时间转矩、转速、电流等都将随时间变化，它们是时间的函数。这种变化过程就是电力拖动变化，它们是时间的函数。这种变化过程就是电力拖动系统的过渡过程。系统的过渡过程。8/12/202489电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：1机械惯性机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。 2电磁惯性电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分反映

51、在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分 别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。 3热惯性热惯性 它使电动机的温度不能突变。它使电动机的温度不能突变。 电力拖动的过渡过程一般分为两种：电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程）机械过渡过程 它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。惯性。2）电气一机械过渡过程）电气一机械过渡过程 它同时考虑机械与电磁两种惯性。它同时考虑机械与电磁两种惯性。8/12/202490 电力拖动系统过渡过程要研究的问题：电力拖动系统过渡过程要研究的问题：这是拖动

52、系统的动态特性，当磁通一定时动态特性可用微分这是拖动系统的动态特性，当磁通一定时动态特性可用微分方程组表示：方程组表示：求微分方程的解求微分方程的解得到动态特性得到动态特性8/12/202491不同机械对过不同机械对过渡过程要求：渡过程要求：起动、制动、反转要快（轧机、刨床起动、制动、反转要快（轧机、刨床），缩短过渡时间），缩短过渡时间起动制动平稳，加速度不能太大（电梯、电车起动制动平稳，加速度不能太大（电梯、电车），舒适度），舒适度准确定位、协调运转（伺服控制系统准确定位、协调运转（伺服控制系统），精确度），精确度8/12/202492二、拖动系统过渡过程的数学分析二、拖动系统过渡过程的数学

53、分析1 1、机械过渡过程的一般表达式、机械过渡过程的一般表达式nTTiRan0nsA0CBniRa+RcTs=TLB B点是过渡过程的起始点，点是过渡过程的起始点，C C电是过渡过程结束后的稳电是过渡过程结束后的稳定工作点。定工作点。8/12/202493从从BC的的机械机械过渡过程过渡过程假设假设La0，同时，同时U、T TL L保持不变保持不变1 1）. .转速变化规律转速变化规律运动方程：运动方程：8/12/202494从从BC的的机械机械过渡过程过渡过程一阶常系数非齐次微分方程式，它的通解是：一阶常系数非齐次微分方程式，它的通解是：其中其中C由初始条件确定，当由初始条件确定，当t0时时

54、nni（A点转速）点转速）则则Cnins 上式可以写成：上式可以写成：过渡后的稳态值：过渡后的稳态值：8/12/202495从从BC的的机械机械过渡过程过渡过程2）.电磁转矩的变化规律电磁转矩的变化规律代入整理3）.电枢电流的变化规律电枢电流的变化规律8/12/202496机械过渡过程的讨论机械过渡过程的讨论三个式子形式相同，三个式子形式相同，都含有一个稳态分量都含有一个稳态分量和一个按指数形式变和一个按指数形式变化的分量。化的分量。过渡过程的时间取决于过渡过程的时间取决于机电时间常数机电时间常数TM的大小的大小。8/12/202497TiRan0nsA0CBniTsTM既与电量有关也与机械量

55、有关，所以称：机电时间常数机电时间常数TM的量纲为的量纲为：8/12/202498机械过渡过程的讨论机械过渡过程的讨论机械过渡过程三要素：初始值、稳态值、机电时间常数。机械过渡过程三要素：初始值、稳态值、机电时间常数。唯一的确定过渡过程曲线。当t4TM时，各量值已经可以达到稳态值的98%，过渡过过渡过程结束。程结束。8/12/202499时间计算时间计算 在工程设计中如果需要转速过渡到某一点时的时间，可令在工程设计中如果需要转速过渡到某一点时的时间，可令转速为转速为nx，求得时间，求得时间tx （如图）即：（如图）即：8/12/2024100三、起动的过渡过程三、起动的过渡过程1、起动过渡过程

56、曲线的计算、起动过渡过程曲线的计算TnnttT4TM8/12/20241012、逐级切除起动电阻的过渡过程、逐级切除起动电阻的过渡过程TnnttT4TMn0ns2ns1ns38/12/20241028/12/2024103四、能耗制动过渡过程四、能耗制动过渡过程反抗性负载反抗性负载8/12/2024104位能恒转矩负载位能恒转矩负载D8/12/2024105五、反接制动过渡过程五、反接制动过渡过程反抗性负载反抗性负载8/12/2024106五、反接制动过渡过程五、反接制动过渡过程位能恒转矩负载位能恒转矩负载8/12/2024107六、过渡过程中的能量损耗六、过渡过程中的能量损耗电力拖动系统的过

57、渡过程中由于电流较大，会产电力拖动系统的过渡过程中由于电流较大，会产生较大能量损耗，使拖动系统效率降低。过渡过生较大能量损耗，使拖动系统效率降低。过渡过程的损耗主要是铜耗。程的损耗主要是铜耗。1 1、过渡过程能量损耗的一般情况、过渡过程能量损耗的一般情况电动机总损耗电动机总损耗 中包含空载损耗和电枢铜损，中包含空载损耗和电枢铜损，在过渡过程中由于电流较大可以考虑忽略在过渡过程中由于电流较大可以考虑忽略 以简化计算。以简化计算。假设电压、磁通为常数；电枢串电阻；电动机为假设电压、磁通为常数；电枢串电阻；电动机为理想空载状态。从理想空载状态。从t t1 1-t-t2 2：过渡过程能量损耗：过渡过程

58、能量损耗输入能量电磁能量输入能量电磁能量8/12/2024108从从t1-t2电机角速度电机角速度1-28/12/2024109过渡过程能量损耗与过渡时间无关。过渡过程能量损耗与过渡时间无关。8/12/2024110过渡过程中的能量损耗情况过渡过程中的能量损耗情况T008/12/2024111起动、能耗制动、反接制动停车过起动、能耗制动、反接制动停车过程中的能量损耗程中的能量损耗减小拖动系统转动惯量、降低理想空载转速，可减小拖动系统转动惯量、降低理想空载转速，可减少过渡过程能量损耗。减少过渡过程能量损耗。8/12/2024112第九章小结第九章小结1.直流电机机械特性（固有、人为）2.起动方式

59、，起动电阻计算3.调速方法，调速范围，静差率4.制动方法，制动转矩5.过渡过程6.稳定运行条件8/12/2024113赠送精美图标1、字体安装与、字体安装与设置置如果您对PPT模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。1.在“开始”选项卡中，点击“替换”按钮右侧箭头，选择“替换字体”。（如下图）2.在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）3.在“替换为”下拉列表中选择替换字体。4.点击“替换”按钮，完成。1152、替、替换模板中的模板中的图片片模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。方法一：更改图片方法一：更改图片1.选中模版中的图片

60、（有些图片与其他对象进行了组合，选择时一定要选中图片 本身，而不是组合）。2.单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）注意：注意：为防止替换图片发生变形，请使用与原图长宽比例相同的图片。115PPT放映设放映设置置PPT放映场合不同，放映的要求也不同，下面将例举几种常用的放映设置方式。让让PPT停止自动播放停止自动播放1. 单击”幻灯片放映”选项卡，去除“使用计时”选项即可。让让PPT进行循环播放进行循环播放1.单击”幻灯片放映”选项卡中的“设置幻灯片放映”，在弹出对话框中勾选“循 环放映，按ESC键终止”。116赠送精美图标1、字体安装与、字体安装与设置置如果您对PPT模

61、板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。1.在“开始”选项卡中，点击“替换”按钮右侧箭头，选择“替换字体”。（如下图）2.在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）3.在“替换为”下拉列表中选择替换字体。4.点击“替换”按钮，完成。1182、替、替换模板中的模板中的图片片模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。方法一：更改图片方法一：更改图片1.选中模版中的图片（有些图片与其他对象进行了组合，选择时一定要选中图片 本身，而不是组合）。2.单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）注意：注意：为防止替换图片发生变形，请使用与原图长宽比例相同的图片。118PPT放映设放映设置置PPT放映场合不同，放映的要求也不同，下面将例举几种常用的放映设置方式。让让PPT停止自动播放停止自动播放1. 单击”幻灯片放映”选项卡，去除“使用计时”选项即可。让让PPT进行循环播放进行循环播放1.单击”幻灯片放映”选项卡中的“设置幻灯片放映”，在弹出对话框中勾选“循 环放映，按ESC键终止”。119