1、-1-电机与拖动基础（第电机与拖动基础（第2版）版） 第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动第三节第三节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动第五节第五节 串励和复励电动机的电力拖动串励和复励电动机的电力拖动*第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-2-引引 言言 原动机为直流电动机的电机拖动系统称直流电力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
2、励和复励三种直流电动机，其中最主动机有他励、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。动机的电力拖动只作简单介绍。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-3-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 第一节第一节 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是直流拖动理论的基础，下面以他励直流电动机的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
3、例进行讨论。直流电动机为例进行讨论。 一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲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回路中串入外接电阻R。 由转矩特性和转速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特性推导可得机械特性的一般表达式为 e0e2TeaeaTeeaeaeaaa )(TnTCCRRCUCTCRRCUCRRIUn（4-1）-4- 二、固有机械特性二、固有机械特性 直流电动机在
4、电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电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：所示，曲线满足如下公式： 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2NTeaeNTCCRCUn（4-2）-5-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 固有机械特性的主要特点为：固有机械特性的主要特点为： 1) Te = 0时，时，n=n0是理想空载转速，这时是理想空载转速，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
5、小。因为下机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率倾的斜率 较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。 v 3) 电动机起动时电动机起动时n = 0，感应，感应电动势电动势Ea=0，这时电枢电流，这时电枢电流为起动电流为起动电流Ia=Ist=UN/Ra；电磁转矩为起动转矩电磁转矩为起动转矩Te=Tst=CTIst ； 又因又因为电枢电阻为电枢电阻Ra 很小，在额定很小，在额定电压的作用下，电压的作用下， 起动电流将非起动电流将非常大，远远超过电动机所允许常大，远远超过电动机所允许的最大电流，的最大电流， 会烧坏换向器，会烧坏换向器，因此直流电
6、机一般不允许全电因此直流电机一般不允许全电压直接起动。压直接起动。4) 若转矩若转矩TeTst ，n 0，特性曲，特性曲线在第四象限；若线在第四象限；若Te 0，则特性曲线在第二象限，电磁转矩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，与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。电机处于发电状态。-7- 三、人为机械特性三、人为机械特性 由公式（由公式（4-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压）可知，当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁、励磁电流电流I f 、电枢外接电阻、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为，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
7、性又称人为机械特性。改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 1. 改变电枢电压改变电枢电压 电动机励磁电流为额定值，使电动机励磁电流为额定值，使每极磁通为每极磁通为 N 并保持不变，电枢并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电动机的电回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压枢电压Ua ，可得到一条与固有机械，可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改特性平行的人为机械特性。不断改变变Ua ，可得到一组平行曲线，特性，可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想空载转曲线的硬度均相同，仅理想空载转速 大 小 不 同 ， 如 图速 大 小 不
8、同 ， 如 图 4 - 3 所 示 。所 示 。-8- 2. 减小每极气隙磁通减小每极气隙磁通 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc ， 使励磁电流使励磁电流I f 减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以减小，由于磁通与励磁电流在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：主极磁通减小了。根据机械特性公式可知： 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 当磁通减小后，理想空当磁通减小后，理想空载转速载转速n0升高，而斜率升高，而斜率 增增大，大， 使特性曲线倾斜度增使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有加，
9、电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上，如图固有机械特性之上，如图3-21所示。所示。201 1n-9- 3. 电枢回路串接电阻电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压当保持电枢回路电压Ua，励磁电流，励磁电流If 不变，改变电枢回路不变，改变电枢回路的串接电阻的串接电阻R，电动机的理想空载转速，电动机的理想空载转速n0 不变，但机械特性的不变，但机械特性的斜率斜率 增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越增大，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。倾斜，其人为机械特性如下图所示。第四章第四章 直流电机拖动基
10、础直流电机拖动基础-10-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 所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程。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。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，电枢电流他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流Ia为为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础aaNaREUI（4-3） 在起动瞬间，电动机的转速在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势，反电动势E
11、a = 0，电枢回，电枢回路只有电枢绕组电阻路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的，对应的电磁转矩为起动转矩电磁转矩为起动转矩Tst，并有，并有aNstRUIstNTstICT （4-4）（4-5）-11-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 由于电枢绕组电阻由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流很小，因此起动电流IstIN（约为（约为1020倍的倍的IN），），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成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
12、坏拖动系统的传动机构，这都环火；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。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：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。
13、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，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。 -12-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 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
14、。 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。 -13- 二、减压起动二、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。 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-14- 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。故所谓调速，
15、就是根据生产机械工艺要求人在不同速度下运行。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。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。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）、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。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。速方法。第四章第四章 直流电
16、机拖动基础直流电机拖动基础第三节第三节 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速-15- 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？价调速方法的主要指标是什么呢？ 一、调速指标一、调速指标 1. 调速范围调速范围 调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速和最低转速nmin之比，通常用之比，通常用D来表示，即来表示，即第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础minmaxnnD （4-7） 调速范围反映了生产
17、机械对调速的要求，不同的生产机械对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，例如车床电动机的调速范围有不同的要求，例如车床D=20120，龙门刨床，龙门刨床D=1040，轧钢机，轧钢机D=3120，造纸机，造纸机D=320等。对于一些经常轻等。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比来计算调速范围D。-16- 2. 静差率静差率 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
18、速之比。用百分比表示为的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础000N0000N100100nnnnn（4-8） 静差率静差率反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的，例如普通车床其允许的静差率是不同的，例如普通车床30%，而精度高的造，而精度高的造纸机则要求纸机则要求0.1%。 静差率静差率值与机械特性的硬度及理想空载转速值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。有关。 当理当理想空载转速想空载转速n0一定时，机械特性越硬，额定速降一定时，机械特性越硬，额定速降nN 越小，则
19、静越小，则静差率越小。差率越小。 而且，调速范围而且，调速范围D与静差率与静差率 两项性能指标是互相制两项性能指标是互相制约的。约的。 在同一种调速方法中，在同一种调速方法中，值较大即静差率要求较低时，可值较大即静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围。得到较宽的调速范围。 -17-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 越接近于越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当，则系统调速的平滑性越好。当 =1时，称无级时，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。无级调速。 4. 经济性经济性 主要考虑调速设备
20、的初投资、调速时电能的损耗及运行时的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。维修费用等。 3. 平滑性平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。在一定的调速范围内，调速的级数越多，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平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比1iinn（4-9）-18- 二、他励直流电动机的调速方法二、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。而他励直流电动机有三种调速方法，
21、下面分别介绍。 1. 串电阻调速串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，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示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为 第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础2NTeaNeNCCRRCUn（4-10） 他励直流电动机串电阻调速的机械
22、特性如图他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图4-10b所示，是一所示，是一组过理想空载点组过理想空载点n0的直线，串入的电阻越大，其斜率的直线，串入的电阻越大，其斜率 越大。越大。 -19-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-20- 电枢回路串电阻调速的特点是：电枢回路串电阻调速的特点是： 1）实现简单，操作方便；）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；）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）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
23、调速，平滑性）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；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）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。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。场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-21- 2. 调电压调速调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，
24、电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，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，只能在额定电压过额定电压，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。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调压调速的原理图如图4-7a所示，其机械特性方程式为所示，其机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2TerecaNedTCCRRCUn（4-11） 调压调速的特点是：调压
25、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）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；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；）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好； -22- 3）在基速以下调速，调速范围较宽，）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达可达1020； 4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；）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。）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
26、纸机等。床、轧钢机、造纸机等。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-23- 3. 弱磁调速弱磁调速 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理图如图4-12所示。弱磁调速时，机械特性方程式为所示。弱
27、磁调速时，机械特性方程式为第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础e2TeaeNTCCRCUn（4-12） 弱磁调速的特点是：弱磁调速的特点是： 1）由于励磁电流）由于励磁电流I f Ia ，因而控制方便，能量损耗小；，因而控制方便，能量损耗小； 2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；）可连续调节电阻值，以实现无级调速； 3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（太高，一般约为（1.21.5）nN ，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（34）nN ，
28、因而调速范围窄。，因而调速范围窄。-24-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速弱磁调速的调速范围小，所以很少单独使用，一般都与调压调速配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。配合，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。例例4-14-1-25- 三、调速方式与负载类型三、调速方式与负载类型 1. 电动机的容许输出与充分利用电动机的容许输出与充分利用 电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能电动机的容许输出，是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机
29、的发热，而发热输出的最大功率和转矩。容许输出的大小主要取决于电机的发热，而发热又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功又主要决定于电枢电流。因此，在一定转速下，对应额定电流时的输出功率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。率和转矩便是电动机的容许输出功率和转矩。 要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际输出达到要使电动机得到充分利用，应在一定转速下让电动机的实际输出达到容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电流下工作的电机，容许值，即电枢电流达到额定值。显然，在大于额定电流下工作的电机，其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小于额定
30、其实际输出将超过它的容许值，这时电机会因过热而损坏；而在小于额定电流下工作的电机，其实际输出会小于它的允许值，这时电机便会因得不电流下工作的电机，其实际输出会小于它的允许值，这时电机便会因得不到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它工作在到充分利用而造成浪费。因此，最充分使用电动机，就是让它工作在Ia =IN 情况下。情况下。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-26- 2. 调速方式调速方式 电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速电力拖动系统中，负载有不同的类型，电动机有不同的调速方法，具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时的方法，具体分析电动
31、机采用不同调速方法拖动不同类型负载时的电枢电流电枢电流Ia的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。的情况，对于充分利用电动机来说，是十分必要的。对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩对于他励直流电动机的三种调速方法，可以把它分归类为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。所谓调速和恒功率调速两种方式。所谓恒转矩调速方式恒转矩调速方式指的是：在整指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁转矩个调速过程中保持电动机电磁转矩Te不变；而不变；而恒功率调速方式恒功率调速方式指指的是：在整个调速过程中保持电动机电磁功率的是：在整个调速过程中保持电动机电磁功率Pem不变。不变。 由由Te =
32、CTNIa ，当，当Ia = IN时，若时，若 = N ，则，则Te = 常数，因而常数，因而他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速是属于恒转矩调速方式。此时，恒转矩调速方式。此时，P = Te，当转速上升时，输出功率也上，当转速上升时，输出功率也上升（见图升（见图4-13中的曲线中的曲线1）。）。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-27- 因为因为Te = CTNIa，P = Te ，当，当Ia = IN 时，若时，若减小，则转减小，则转速上升，同时转矩减小，保持速上升，同时转矩减小，保持P=常数。他励直流电动机
33、改变磁常数。他励直流电动机改变磁通调速就属于恒功率调速方式（见图通调速就属于恒功率调速方式（见图4-13中的曲线中的曲线2）。）。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-28- 3. 调速方式与负载类型的配合调速方式与负载类型的配合 为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的为了使电机得到充分利用，对于不同的负载，应选用相应的调速方式。通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负调速方式。通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速方式，载应采用恒功率调速方式， 这样可使调速方式与负载类型相匹这样可使调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。配，电
34、动机可以被充分利用。 对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采对于泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，那么采用恒转矩调速方式或恒功率调速方式的电动机，用恒转矩调速方式或恒功率调速方式的电动机， 拖动泵类负载拖动泵类负载时，无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负时，无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。至于泵类负载应采用什么调速方式，我们将在第九章中讨论。载应采用什么调速方式，我们将在第九章中讨论。 恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全恒转矩调速、恒功率调速和恒转矩负载、恒功率负载是完全不同的概念。不同的概念。前者是电动机本身允许输出的转矩和功
35、率，表示输前者是电动机本身允许输出的转矩和功率，表示输出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后出转矩和功率的限度，实际输出多少取决于它所拖动的负载。后者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。者则是负载所具有的转矩和功率，表示负载本身的性质。第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础-29-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础例例4-24-2-30-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础第四节第四节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 一、电动状态和制动状态一、电动状态和制动状态 直流电动机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。直流电动
36、机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。电动状态是电动机运行时的电动状态是电动机运行时的基本工作状态。电动状态运基本工作状态。电动状态运行时，电动机的电磁转矩行时，电动机的电磁转矩Te与转速与转速n方向相同，此时方向相同，此时Te为为拖动转矩，电机从电源吸收拖动转矩，电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功电功率，向负载传递机械功率。电动机电动状态运行时率。电动机电动状态运行时的机械特性如图的机械特性如图4-14所示。所示。 -31- 电动机在制动状态运行时，其电磁转矩电动机在制动状态运行时，其电磁转矩Te与转速与转速n方向相反，此时方向相反，此时Te为为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转
37、化为电能，该电能或消耗在电阻上，制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、四象限。或回馈电网。电动机的机械特性处在第二、四象限。 制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的制动的目的是使拖动系统停车，或使拖动系统减速。对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动的方法有几种。最简单的就工作机构，用制动可获得稳定的下放速度。制动的方法有几种。最简单的就是自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。要使是自由停车，即切除电源，靠系统摩擦阻转矩使之停车，但时间较长。要使系统实现快速停车，可
38、以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通系统实现快速停车，可以使用电磁制动器，即将制动电磁铁的线圈接通，通过机械抱闸制动电机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制过机械抱闸制动电机；还可以使用电气制动的方法，即由电动机提供一个制动性阻转矩动性阻转矩Te， 以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，以增加减速度；也可以将电磁抱闸制动与电气制动同时使用，加强制动效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有加强制动效果。这里主要介绍电气制动的方法，常用的电气制动方法有能耗能耗制动制动、反接制动反接制动、回馈制动回馈制动三种。三种。 第四章第四章 直流电机拖动基础
39、直流电机拖动基础 当电磁转矩的方向与转速方向相同时当电磁转矩的方向与转速方向相同时, ,电机运行于电动机状态电机运行于电动机状态; ;当电磁转矩方向与转速方向相反时当电磁转矩方向与转速方向相反时, ,电机运行于制动状态。电机运行于制动状态。 1、能耗制动、能耗制动 U电动电动MaEaInemTfIS制动制动BRaBIemBT电动状态，如图所示。电动状态，如图所示。将开关将开关S S投向制动电阻投向制动电阻 上即实现制动上即实现制动. .BR 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势电动势 方向不变。由方向不变。由 产生的电枢电流产生的电枢电流 的方向与电动
40、状态时的的方向与电动状态时的 方向相反方向相反, ,对应对应的电磁转矩的电磁转矩 与与 方向相反方向相反, ,为制动性质为制动性质, ,电机处于制动状态。电机处于制动状态。aEaEaBIaIemBTemT 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。上，直到电机停止转动。能耗制动时的机械特性为：能耗制动时的机械特性为：BaRR CBn0naRA0LTemT电动机状态工电动机状态工作作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工
41、作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载，电机停转。负载，电机停转。若电动机若电动机带位能性带位能性负载负载, ,稳稳定工作点定工作点ememNTEBaTTCCRRn02 制动电阻越小，制动电流越大。制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则选择制动电阻的原则是是22 5aaBmaxNaBEII( . )IRR 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。若为了尽快停转电机制动效果变差。若为了尽快停转电机, ,可可在转速下降到一定程度时在转速下降到一定程度时,
42、,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻, ,增大制动转矩。增大制动转矩。 改变制动电阻改变制动电阻 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能耗制动特性曲线的斜率, ,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小越小, ,特性曲特性曲线的斜率越小线的斜率越小, ,起始制动转矩越大起始制动转矩越大, ,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。BRBR22.5aBaNERR()I其中其中 为制动瞬间的电枢电动势。为制动瞬间的电枢电动势。aE三三 反接制动反接制动电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。1、电压反接制动 U电
43、动电动MaEaInemTfIS制动制动BRaBIemBT 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时，电枢接正极侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向关投向“制动制动”侧，电枢回路串入制动电阻侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：产生反向电流：BRaaaBaBaBUEUEIRRRR 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用而产生很强的制动作用电压反接制动电压反接制动。电压反接制动时的机械特性为：电压反接制动时的
44、机械特性为：曲线如图中曲线如图中 所示。所示。BCBaRR CBn0naRA0LTemTLT0nD工作点变化为：工作点变化为： 。CBA制动过程中制动过程中 、 、 均为负均为负, ,而而 、 为正为正UaIemTnaE10aPUI表明电机从电源吸收电功率表明电机从电源吸收电功率220emPT T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0emaaPE I表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。 可见可见, ,反接制动时反接制动时, ,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电
45、枢回路电阻上。功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。ememNTEBaNENTnTCCRRCUn022、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载BaRR CBn0naRA0LTemTBTDKT电枢回路串入较大电电枢回路串入较大电阻阻 后特性曲线后特性曲线BR正向电动状态提正向电动状态提升重物升重物(A(A点点) )负载作用下负载作用下电机反向旋电机反向旋转转( (下放重物下放重物) )电机以稳电机以稳定的转速定的转速下放重物下放重物D D点点在电枢回路中串联一个较大的电阻在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实即可实现制动现制动.工作
46、点由工作点由A-B-A-B-C-DC-D,CD,CD段为制段为制动段动段 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电倒拉反转反接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。由于串入电阻很大，有枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有 倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在串电阻时的人为特性在第四象限第四象限的部分的部分。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。思考思考题题位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动位能性以外的负载
47、能否实现倒拉反转反接制动? ?LNTEBa0TCCRRnn20 0-39-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础三、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
48、动原理图。所示为电枢电压反接的反接制动原理图。 -40-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 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。 -41-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (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条过-n0 ，斜率取决于（，斜率
49、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。e2NTerbaNeNTCCR
50、RCUn-42-第四章第四章 直流电机拖动基础直流电机拖动基础 (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aNaNrbRIEURNNrb2IUR（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
