1、共5节第三章 直流电动机的起动、调速和制动3.1 直流电动机的起动3.1 直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起 动过程。系统对起动的要求(1)起动转矩Tst足够大，Tst（1.11.2)TL(2)Ist不能太大，一般为（1.52)IN(3)起动设备要简单、可靠、经济3.1 直流电动机的起动3.1.1 直接起动 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。aNststTstRUIICT起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。0n 起动时由
2、于转速 ，电枢电动势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。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、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。一般直流电动机不允许直接起动。小型电机电压低、电阻大，可以直接起动。0aEaR3.1 直流电动机的起动3.1.2 电枢回路串电阻起动一、起动过程 三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S3.1 直流电动
3、机的起动二、分组起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa 在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR3.1.2 电枢回路串电阻起动3.1 直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2）根据
4、过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ；m（3）选取起动级数 ；（4）计算起动电流比：maNRIU1 取整数m（5）计算转矩:12TT，校验：LTT)3.11.1(2如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤：3.1.2 电枢回路串电阻起动3.1 直流电动机的起动3.3.3 降压起动 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。降压起动需专用电源，设备投资较大
5、，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。3.2 直流电动机的调速3.2 直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。他励直流电动机的转速为esaaCRRIUn)(电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。3.2 直流电动机的调速3.2 直流电
6、动机的调速1.机械调速：机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。调速方法2.电气调速：电气调速：指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。3.电气电气机械调速：机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）3.2 直流电动机的调速3.2 直流电动机的调速电气调速1.降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载
7、转速n0下降，导致转速下降。2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率变大，负载转速降变大，导致转速下降。3.弱磁调速 减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(1，显然，调速的级数越多，k 越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1 时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。1iinnk4.经济性 在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。3.2 直流电动机的调速5.恒转矩调速方式和恒功率调速方式 电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电
8、机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。恒转矩调速 调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=T，T=常数 P,即电动机转速越低，输出功率越小,P。3.2 直流电动机的调速恒功率调速 调速中，保持Ia=IN，若n，P=常数。在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程
9、中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如改变电动机主磁通 的调速方法就属于恒功率调速方法。T=f（n）和 P=f（n）曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖动的负载转矩和负载功率特性来决定。实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。3.2 直流电动机的调速调速方式与负载类型配合问题 调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下
10、，可较充分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。(指转矩及功率选的较小)最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。3.3 直流电动机的制动1.1.电动状态电动状态特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、三象限。2.2.制动状态制动状态特点：转速n与转矩T方向相反，Ia 与Ea
11、方向相同，电机工作在发电状态。电动状态与制动状态制动：指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.3.3 直流电动机的制动实现制动方法机械制动机械制动机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。电气制动方法电气制动方法能耗制动，反接制动，再生制动 3.3 直流电动机的制动直流电
12、机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：(1)要求停车要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中降速过程中在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。(3)提升机构下放重物提升机构下放重物(4)反转反转提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。3.3 直流电动机的制动3.3.1 能耗制动1.能耗制动的原理UfIfRfM-RKM1KM2UN+-IaIaEaTTn能耗
13、制动原理接线图接触器KM2闭合(电机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R将电枢短接。a.电动状态 接触器KM1闭合，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电机运行在A点。b.能耗制动 3.3 直流电动机的制动3.3.1 能耗制动 U=0,由于电机惯由于电机惯性，性，n0，Ea0，在反电动势在反电动势Ea作用下产作用下产生电枢电流生电枢电流Ia反向，电反向，电动机的转矩也反向。这动机的转矩也反向。这时时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的与原来的IA 方向相反，方向相反，TB反向，与反向，与n相反相反,转转速下降，当速下降，当n=0，停车。，停车。ICRRnTCCRRnUNead
14、aNTeada ,02或T(I)TB(IB)BAn0TL(IL)C0-TLnRaRa+Rad位能性负载转矩反抗性负载转矩他励直流电动机能耗制动机械特性 3.3 直流电动机的制动特性方程及制动电阻ICRRnTCCRRnUNeadaNTeada ,02或aBBadRIER 特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。Rad越大，特性越斜，Rad越小，特性越平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。3.3 直流电动机的制动能耗制
15、动特点：(i)制动时制动时 U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rad).(ii)制动时，制动时，n与与T成正比成正比,所以转速所以转速n 下降时，下降时，T也下降，也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩以增大制动转矩T，此即多级能耗制动，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠
16、，当实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时时T=0,可实现可实现准确停车。准确停车。nTRRnCCICTadaNeNTaNT ,3.3 直流电动机的制动3.3.反接制动TCCRRCUnNTecaeN2将正在运行的电机电将正在运行的电机电枢串入制动电阻枢串入制动电阻 Rc，且电，且电枢两端电压极性改变。要枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采路适合大容量的电动机采用。用。方程式为：方程式为：3.3 直流电动机的制动E-n0nATTBBAn0TLC0-TLnRa位
17、能性负载转矩反抗性负载转矩电压反接制动机械特性D特性特性BC段为电压反接段为电压反接制动机械特性曲线，制动机械特性曲线，由于制动状态到由于制动状态到 n=0 告终，所以只有实线告终，所以只有实线部分为反接制动特性。部分为反接制动特性。3.3 直流电动机的制动制动电阻Rc的计算：2其中取NNaNNaNaNcIURIURIEURaNNcaNNcRIURRIUR2，能耗反接制动电阻的比较：当制动初始转速nLnN，可用近似公式计算，即：反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。3.3 直流电动机的制动反接制动时的能量关系反接制动时的能量关系说明从电源吸收电能：说明从电源吸收电能：说明电动机从负载吸收机械能
18、使电机处于发电说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。状态，将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。的电阻上。00 ,0aaUIIU00,00aaaaIEIEn 3.3 直流电动机的制动3.3.3 倒拉反转制动运行 又称转速反向又称转速反向的反接制动或倒拉的反接制动或倒拉反接制动反接制动(1)方法方法 电枢回路串入电枢回路串入大电阻大电阻 3.3 直流电动机的制动nAT-nBA An0TLC C0 0nRa电动势反接制动机械特性B BaLaNcRIEUR 从从C点至点至D点为电动减速状点为电动减速状态，从态
19、，从D点至点至B点为发电状态。点为发电状态。电阻计算电阻计算 3.3 直流电动机的制动 说明从电源吸收电能说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样。量关系同电压及制动时一样。00,0000 ,0aaaaaaIEIEnUIIU两种反接制动的异同点共同点共同点：能量关系相同。：能量关系相同。不同点不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制动特性位于第四象大，制动效果好，转速反向反接制动特性位
20、于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。3.3 直流电动机的制动 转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在般可在nn0 则则 EaU，Ia与与Ea同方向，同方向，T 与与 n 方向相反，电机工方向相反，电机工作在发电状态，回馈作在发电状态，回馈能量给电源，经济。能量给电源，经济。nn0A0TLTn01UNU1他励直流他励直流电动电动机降机降压过压过程程 中的回中的回馈馈制制动动机械特性机械特性 3.3 直流电动机的制动 在回馈过程中，电动机向电源回送电能在回馈过程中，电动机向电源回送电能为了节省能量，
21、在电动机具有可调电源拖动为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈制动状态，直到转速等于零。这个制动停车制动状态，直到转速等于零。这个制动停车过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零这个制动停车方法最节省能量，制动时间也这个制动停车方法最节省能量，制动时间也短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电阻阻Ra的能耗制动状态。的能耗制动状态。3.3 直流电动机的制动位能负载下放重物时回馈制动nn0AB0TBCTLT-n0位能性负载时电机回馈制动机械特性DEF
22、 3.3 直流电动机的制动应用应用 回馈制动多用于电力机车高速下坡或起回馈制动多用于电力机车高速下坡或起重类机械高速下放重物的场合。在调速的过重类机械高速下放重物的场合。在调速的过程中也会出现回馈制动。程中也会出现回馈制动。注意注意：回馈制动只有在：回馈制动只有在|n|n0|时才会出现，时才会出现，故不能用于停车制动中。故不能用于停车制动中。四象限运行分析四象限运行分析电动状态：特性在电动状态：特性在第一，三象限，其第一，三象限，其中第一象限是正向中第一象限是正向电动状态，第三象电动状态，第三象限是反向电动状态。限是反向电动状态。制动状态：特性在制动状态：特性在第二，四象限，其第二，四象限，其
23、中第二象限是正向中第二象限是正向能耗，正向回馈制能耗，正向回馈制动，电压反接制动。动，电压反接制动。第四象限是反向能第四象限是反向能耗，反向回馈制动，耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态处在反向电动状态时进行电压反接的时进行电压反接的电压反接制动。电压反接制动。3.4 直流电动机的各种运行状态3.5 电力拖动系统的过渡过程3.5.1过渡过程的概述1.稳态(静态)：指电动机转矩T和负载转矩TL相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1n调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点2.动态：指 T与TL不相等，加速或减速状态。即
24、非平衡状态dn/dt0，动态也称过渡过程。转速由n=0升至某一转速或从某一转速升至另一转速的变化过程均称为过渡过程。3.5 电力拖动系统的过渡过程3.产生过渡过程的原因外因外因：例：例：TL变化，或电机参数变化，引起变化，或电机参数变化，引起T变化。变化。内因内因：系统存在系统存在GD2，即机械惯性以及电磁惯性，即机械惯性以及电磁惯性，即存在即存在L(电感电感)。GD2 的存在，使的存在，使n不能突变。不能突变。L的存在，使电流的存在，使电流不能突变。若只考虑不能突变。若只考虑GD2影响，称机械过渡过程；影响，称机械过渡过程；只考虑只考虑L的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称的影响，称电磁过渡
25、过程；两者都考虑称机电过滤过程。机电过滤过程。3.5 电力拖动系统的过渡过程4.过渡过程37522GDCCRTTemLRTe 机械过渡过程，因为较多的情况下，机械惯量的影机械过渡过程，因为较多的情况下，机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简化分析，略去电磁惯量影响远大于电磁惯量影响，为简化分析，略去电磁惯量影响。响。研究过渡过程的实际意义在于：找出减小过渡过程研究过渡过程的实际意义在于：找出减小过渡过程持续时间，提高生产率；探讨减少过渡过程损耗功率的持续时间，提高生产率；探讨减少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用率和力能指标；改善系统动态或稳途径，提高电机利用率和力能指标；改善系统动态或稳定
26、运行品质，使设备能安全可靠运行。定运行品质，使设备能安全可靠运行。直流电机知识小测一、单选1、直流电动机的主磁极产生的磁场是（A）A、恒定磁场 B、旋转磁场 C、脉动磁D、匀强磁场2、直流电动机换向器的作用是使电枢获得（）、单相电流、单向转矩、恒定转矩、旋转磁场、直流电动机的额定功率是（）、输入的电功率、电枢中的电磁功率、转轴上输出的机械功率、额定电压额定电流的乘积、直流电动机出现振动的现象，其原因有（）、电枢平衡未校好、负载短路、电机绝缘老化、长期过载5、直流电动机无法启动，其原因可能（D）A、串励电动机空载运行 B、电刷磨损过短C、串励回路断开 D、B或C6、直流电机主磁极上有两个励磁绕组
27、，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联，称为（D）A、他励 B、串励 C、幷励 D、复励7、直流电动机的励磁绕组不与电枢连接，励磁电流由独立的电源供电，称为（A）A、他励 B、串励 C、幷励 D、复励二、判断1、直流发电机的电枢绕组中产生的是直流电动势 （交变电动势）2、直流电动机电枢绕组中通过的是直流电流 （交变电流）3、直流电机励磁电压是指励磁绕组两端的电压，对于幷励电机，励磁电压等于电机的额定电压 4、直流电动机是把直流电转换为机械能输出5、直流电动机的额定转速是电机空载运行时的速度，以每秒的转数表示（连续；分钟）6、直流电机特有的装置换向器也称为整流子7、直流电动机的控制内容是对直流电动机的启动、制动、反转、调速进行控制8、他励直流电动机在启动时必须先给励磁绕组加上额定电压，再给电枢绕组加上电压9、直流电动机的降压启动时人为将加在电机两端的电压降低 10、直流电机的电枢电动势，对于发电机而言是制动力矩，对于电动机而言是驱动转矩11、直流电机产生换向火花的原因可分为电磁方面的原因和机械方面的原因 12、直流电机改善换向的方法是加装换相极和合理选择电刷 13、直流电动机常用的启动方法有降压启动和电枢回路串电阻 14、直流电动机调速的方法有调压调速、串电阻调速、弱磁调速 15、直流电动机的电气制动方法有反接制动、能耗制动、回馈制动 谢谢观看，再见谢谢观看，再见!
