1、第四章第四章 直流电机的起动调速及四象限运行直流电机的起动调速及四象限运行第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动 直流电动机额定电压下直接起动的瞬间直流电动机额定电压下直接起动的瞬间 ，起动电流起动电流 ，通常为额定电枢电流的十几倍。，通常为额定电枢电流的十几倍。起动转矩起动转矩 。因此，直流电动机一般不允许因此，直流电动机一般不允许直接起动。直接起动。直流电动机的常用起动方法有直
2、流电动机的常用起动方法有电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动和和降降压起动压起动两种。两种。0n0aESNaNIURISSTNNTCIT第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动 逐步切除起动电阻逐步切除起动电阻的方法可保证起动过程的方法可保证起动过程的平稳，机械特性如左的平稳，机械特性如左图所示。起动完成后，图所示。起动完成后，切除全部起动电阻，电切除全部起动电阻，电机稳定运行在机稳定运行在 A 点。点。一电枢回路串电阻起动一电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻电枢回路串电阻 ，可限制起动电流为，可限制起动电流为 。RSNaIURR第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动 起动过程可以
3、起动过程可以逐渐升高电压逐渐升高电压 U 至至 机械特性如左图机械特性如左图所示，稳定运行于所示，稳定运行于A 点。点。NU二降电压起动二降电压起动 降低电源电压降低电源电压 U，可以有效地限制起动电流为，可以有效地限制起动电流为 。SNaIUR第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动例例4.1 一台他励直流电动机，额定功率一台他励直流电动机，额定功率 ，额定电压，额定电压 ，额定电流，额定电流 ，额定转速，额定转速 ，电枢回路总电阻电枢回路总电阻 ，拖动额定的恒转矩负载运行，拖动额定的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。忽略空载转矩。(1)(1)若采用电枢回路串电阻起动，起动电流若采用电枢回
4、路串电阻起动，起动电流 时，计算时，计算应串入的电阻值及起动转矩。应串入的电阻值及起动转矩。(2)(2)若采用降压起动，条件同上，电压应降至多少并计算起动若采用降压起动，条件同上，电压应降至多少并计算起动转矩。转矩。80NPKW400NUV235NIA1000/minNnr0.1aR 2.5SNII第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动 解解:（1）应串电阻应串电阻 额定转矩额定转矩 起动转矩起动转矩4000.10.5812.5 235NSaSURRI380 109.559.557641000NNNPTN mn2.51910SNTTN m第一节第一节 直流电动机的起动直流电动机的起动（
5、2）起动电压起动电压 起动转矩起动转矩2.5 235 0.158.75SSaUI RV2.51910SNTTN m第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速一直流电动机的调速方法一直流电动机的调速方法 直流电动机可在宽广的范围内平滑调速。改变电动机机械直流电动机可在宽广的范围内平滑调速。改变电动机机械特性即可以达到调速的目的。特性即可以达到调速的目的。本节将本节将介绍直流电动机的三种调速方法。介绍直流电动机的三种调速方法。v 电枢串电阻调速电枢串电阻调速v 降低电源电压调速降低电源电压调速 v 弱磁调速弱磁调速 第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速1.电枢串电阻调速电枢串电阻调速
6、 电枢回路中串电枢回路中串入不同电阻时，直入不同电阻时，直流电动机运行于不流电动机运行于不同转速，如左图所同转速，如左图所示。示。将电动机运行于固将电动机运行于固有机械特性上的转速称有机械特性上的转速称为为基速基速。电枢回路串电。电枢回路串电阻调速的方向只能是从阻调速的方向只能是从基速向下调节。基速向下调节。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 电枢回路串电阻的人为机械特性是一组过理想空载转速电枢回路串电阻的人为机械特性是一组过理想空载转速点点 向下倾斜的直线，向下倾斜的直线，串入的调速电阻越大，机械特性越倾串入的调速电阻越大，机械特性越倾斜斜。低速运行时，负载的会引起转速发生较大的
7、变化，转速。低速运行时，负载的会引起转速发生较大的变化，转速的稳定性较差。的稳定性较差。0n 拖动拖动恒转矩负载恒转矩负载时电动机电枢电流与电动机转速无关，时电动机电枢电流与电动机转速无关，保持恒定保持恒定NTLaCTIaI第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速2降低电源电压调速降低电源电压调速 降压调速的机械降压调速的机械特性如左图所示。负特性如左图所示。负载为恒转矩负载时，载为恒转矩负载时，调速方向也是从基速调速方向也是从基速向下调节。向下调节。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 降低电源电压的人为机械特性是一组平行直线，机械特降低电源电压的人为机械特性是一组平行直线，
8、机械特性的斜率不变。电源电压连续变化时，转速也连续变化，与性的斜率不变。电源电压连续变化时，转速也连续变化，与串电阻调速相比，这种速度调节要平滑得多，称为串电阻调速相比，这种速度调节要平滑得多，称为无级调速无级调速。拖动拖动恒转矩负载恒转矩负载时电动机电枢电流与电动机转速无关，时电动机电枢电流与电动机转速无关，只取决于负载转矩：只取决于负载转矩：NTLaCTI第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速3弱磁调速弱磁调速 左图所示为直流电动机带左图所示为直流电动机带恒转矩负载时弱磁升速的机械恒转矩负载时弱磁升速的机械特性。结合转速公式可知：磁特性。结合转速公式可知：磁通越小，转速越高。弱磁调
9、速通越小，转速越高。弱磁调速是从基速是从基速向上调节向上调节。2aeeTRRUnTCC C第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 若电动机拖动的是若电动机拖动的是恒转矩负载恒转矩负载，有：，有：1122TaTaCICI1221aaII 假设磁路不饱和，忽略电枢反应和电枢回路电阻可得：假设磁路不饱和，忽略电枢反应和电枢回路电阻可得：上式表明在恒转矩负载情况下，上式表明在恒转矩负载情况下，减小励磁电流将使电机减小励磁电流将使电机转速升高转速升高，输出功率随之增加。，输出功率随之增加。121122ffInnI第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速例例4.2 他励直流电动机，额定功率他
10、励直流电动机，额定功率 ，额定电压，额定电压 ，额定电流额定电流 ，额定转速，额定转速 ，电枢回路总电，电枢回路总电阻阻 ，忽略空载转矩，电动机带额定负载运行时，要求，忽略空载转矩，电动机带额定负载运行时，要求把转速降到把转速降到 ，计算：，计算：(1)(1)采用电枢串电阻调速需串入的电阻值；采用电枢串电阻调速需串入的电阻值；(2)(2)采用降低电源电压调速，电源电压是多少；采用降低电源电压调速，电源电压是多少；(3)(3)上述两种调速情况下，电动机输入功率与输出功率各是多上述两种调速情况下，电动机输入功率与输出功率各是多 少？少？15NPKWVUN22080NIAmin/1500rnN1.0
11、aR1200/minr第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 解解：(1)(1)理想空载转速理想空载转速 额定转速降落额定转速降落 22080 0.10.1411500NNaeNNUI RCn02201556.6/min0.141NeNUnrC01556.6 150056.6/minNnnnr第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 电枢串电阻后转速降落电枢串电阻后转速降落 设电枢串电阻为设电枢串电阻为R R，则有，则有01556.6 1200356.6/minnnnraaNRRnRn356.610.110.5356.6aNnRRn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速
12、(2)(2)降压后的理想空载转速降压后的理想空载转速 降压后的电源电压为降压后的电源电压为 ，则，则 01120056.61256.6/minNnnnr0011nnUUN01101256.6220177.61556.6NnUUVn1U第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 (3)电动机输出转矩电动机输出转矩 输出功率输出功率 2159550955095.51500NNPTN mn222260295.512001200060PTTnW 第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 电枢串电阻降速时输入功率电枢串电阻降速时输入功率 降低电源电压降速时输入功率降低电源电压降速时输入功率12
13、20 8017600NNPU IW11177.6 8014208NPU IW第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速二调速的性能指标二调速的性能指标 调速的性能指标反映了对调速的要求，也是决定电动机调速的性能指标反映了对调速的要求，也是决定电动机选择何种调速方法的依据，主要性能指标有四个：选择何种调速方法的依据，主要性能指标有四个：v 调速范围调速范围v 静差率静差率 v 调速的平滑性调速的平滑性v 调速的经济性调速的经济性 第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速1调速范围调速范围 调速范围调速范围是指电动机在是指电动机在额定负载转矩额定负载转矩下调速时，最高转下调速时，最高转速
14、与最低转速之比。速与最低转速之比。minmaxnnD 第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速2静差率静差率 静差率静差率也称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定也称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率，用负载时转速的变化率，用 表示。表示。静差率静差率 越小，负载变化时，转速变化也越小。越小，负载变化时，转速变化也越小。00001NNnnnnnnn 第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 左图中给出了他左图中给出了他励直流电动机的固有励直流电动机的固有机械特性和降低电源机械特性和降低电源电压调速时的人为机电压调速时的人为机械特性。械特性。(1)当机械特性斜
15、率一定时，理想空载转速当机械特性斜率一定时，理想空载转速 越高，静越高，静 差率差率 越小。越小。0n 降低电源电压调降低电源电压调速时，电压最低的人速时，电压最低的人为机械特性上的静差为机械特性上的静差率满足要求时，其他率满足要求时，其他各条机械特性上的静各条机械特性上的静差率就都满足了要求。差率就都满足了要求。电枢串电阻调速电枢串电阻调速时，所串电阻最大的时，所串电阻最大的机械特性上的静差率机械特性上的静差率满足要求时，其他各满足要求时，其他各条特性上的静差率便条特性上的静差率便都能满足要求。都能满足要求。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 左图中给出了他左图中给出了他励直流电
16、动机的固有励直流电动机的固有机械特性与电枢串电机械特性与电枢串电阻的人为机械特性。阻的人为机械特性。(2)当理想空载转速当理想空载转速 一定时，机械特性斜率越小，额定转矩一定时，机械特性斜率越小，额定转矩 时的转速降落时的转速降落 就越小，静差率就越小，静差率 也就越小。也就越小。0nn 当拖动额定负载当拖动额定负载 时，固有机械特性时，固有机械特性上转速降落为上转速降落为 ，而人为机械特性上转而人为机械特性上转速降落为速降落为 。nNnNT 比较以下两图，静差率比较以下两图，静差率 一定时，降低电源电压调速比一定时，降低电源电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大。电枢串电阻调速的调速范围大。第
17、二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 由下图可知，当采用同一种方法调速时，若静差率由下图可知，当采用同一种方法调速时，若静差率 越大，则调速范围越大，则调速范围 D 越宽。越宽。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 调速范围调速范围 D 一定时，不同的调速方法，其静差率也不同。一定时，不同的调速方法，其静差率也不同。左图中，降压调速和串左图中，降压调速和串电阻调速的调速范围电阻调速的调速范围 D 相同，相同，由于降压调速的理想空载转由于降压调速的理想空载转速小，结合式速小，结合式 ，降压调速的静差率降压调速的静差率 就比串就比串电阻调速的小。电阻调速的小。01/n n 第二节
18、第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速例例4.3 某他励直流电动机，某他励直流电动机，电枢回路总电阻，电枢回路总电阻 ，求下列各种情况，求下列各种情况下电动机的调速范围：下电动机的调速范围：（1）静差率静差率 ，电枢串电阻调速；，电枢串电阻调速；（2）静差率静差率 ，电枢串电阻调速；，电枢串电阻调速；（3）静差率静差率 ，降低电源电压调速。，降低电源电压调速。40NPKW220NUV210NIA1500/minNnr0.1aR 30%20%20%第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 解解：（1 1）电动机的）电动机的 理想空载转速理想空载转速eNC 1220210 0.10.133
19、/min1500NNaeNNUI RCV rn02201658.3/min0.133NeNUnrC第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 由由 静差率静差率 =30%时的最低转速时的最低转速 调速范围调速范围 0min0nnnmin011658.3 1 30%1160.8/minnnrmin15001.291160.8NnDn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速（2 2）最低转速）最低转速 调速范围调速范围min011658.3 1 20%1326.6/minnnrmaxmin15001.131326.6nDn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速（3 3）额定转矩时
20、的转速降落）额定转矩时的转速降落 最低转速相应机械特性的理想空载转速最低转速相应机械特性的理想空载转速 最低转速最低转速 调速范围调速范围01658.3 1500158.3/minNNnnnr01158.3791.5/min0.2Nnnrmin01791.5 158.3633.2/minNnnnrmaxmin15002.37633.3nDn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速3.调速的平滑性调速的平滑性 相邻两级转速中，高一级转速相邻两级转速中，高一级转速 与低一级转速与低一级转速 之比之比定义为定义为平滑系数平滑系数 ：越小，调速越平滑。无级调速时，越小，调速越平滑。无级调速时，趋
21、近于趋近于1 1。in1in1iinn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速4调速的经济性调速的经济性 调速的经济性主要考虑调速设备的投资、调速时电能调速的经济性主要考虑调速设备的投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。的损耗、运行时的维修费用等。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速三调速方式三调速方式 在调速过程中，保持电枢电流在调速过程中，保持电枢电流 不变，若电动机电不变，若电动机电磁转矩恒定不变，则称这种调速方法为磁转矩恒定不变，则称这种调速方法为恒转矩调速恒转矩调速方式；方式；若电若电动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方法为动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方法
22、为恒功率调速恒功率调速方式。方式。aNIIv 恒转矩调速方式与恒转矩负载相匹配；恒转矩调速方式与恒转矩负载相匹配；v 恒功率调速方式与恒功率负载相匹配。恒功率调速方式与恒功率负载相匹配。下面将分析电动机调速方式与负载性质不同时的匹配情况。下面将分析电动机调速方式与负载性质不同时的匹配情况。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 使电动机低速运行使电动机低速运行时的额定转矩等于负载时的额定转矩等于负载转矩，此时，转矩，此时，矩形的面矩形的面积积 代表电动机输代表电动机输出的功率，输出功率与出的功率，输出功率与负载功率平衡；负载功率平衡；NOEDT 高速时，矩形高速时，矩形 的面积代表的面
23、积代表电动机输出的功率。电动机输出的功率。OABT 而矩形而矩形 的面的面积代表电动机在高速下积代表电动机在高速下能够输出的功率，可见，能够输出的功率，可见，电动机的能力没有充分电动机的能力没有充分发挥。发挥。NOACT 电动机采用恒转矩调速方式拖动恒功率负载运行。电动机采用恒转矩调速方式拖动恒功率负载运行。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 电动机恒转矩调速下输电动机恒转矩调速下输出功率的能力由矩形出功率的能力由矩形 的面积代表；的面积代表；而恒而恒功率功率负载的功率由负载的功率由曲边形曲边形 的面积代表。的面积代表。显然，电动机的能力超显然，电动机的能力超出了负载功率。出了负载
24、功率。NOACTNOABDT第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 使系统在高速运行时负使系统在高速运行时负载转矩等于电动机额定转矩，载转矩等于电动机额定转矩，此时，矩形此时，矩形 的面积代的面积代表电动机输出的功率，输出表电动机输出的功率，输出功率与负载功率平衡；功率与负载功率平衡；NOABT电动机采用恒功率调速（弱磁升速）拖动恒转矩负载运行。电动机采用恒功率调速（弱磁升速）拖动恒转矩负载运行。低速时，矩形低速时，矩形 的面积代表的面积代表电动机输出的功率。电动机输出的功率。NOEDT 矩形矩形 的面的面积代表电动机在低速下积代表电动机在低速下能够输出的功率，可见，能够输出的功率，可
25、见，电动机的能力没有充分电动机的能力没有充分发挥。发挥。OECT第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 电动机在恒功率调速方式，其输出功率的能力由曲边形电动机在恒功率调速方式，其输出功率的能力由曲边形 的面积代表；的面积代表；OABCT 而恒转矩负载的功率由矩形而恒转矩负载的功率由矩形 的面积代表。显然，的面积代表。显然，电动机的能力超出了负载功率。电动机的能力超出了负载功率。NOABT第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速以上关于调速方式的分析，归纳为以下两点：以上关于调速方式的分析，归纳为以下两点：(1)(1)恒转矩调速方式与恒功率调速方式都是用来表征电动恒转矩调速方式与恒
26、功率调速方式都是用来表征电动 机采用某种调速方法时所具有的负载能力，并不是指机采用某种调速方法时所具有的负载能力，并不是指 电动机的实际负载。电动机的实际负载。(2)(2)电动机的调速方式与其实际负载匹配时电动机才能得电动机的调速方式与其实际负载匹配时电动机才能得 到充分利用。到充分利用。第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速例例4.4 某他励直流电动机，额定功率某他励直流电动机，额定功率 ，额定电压，额定电压 =220V220V，额定电流，额定电流 =100A=100A，电枢电阻，电枢电阻 ，额定转速，额定转速 =1500 r/min=1500 r/min，额定励磁电压，额定励磁电压
27、 =110V=110V，电动机在额定电压额，电动机在额定电压额定磁通时，拖动某负载运行的转速为定磁通时，拖动某负载运行的转速为 =1550r/min=1550r/min，当负载要，当负载要求向下调速，最低转速求向下调速，最低转速 =500r/min=500r/min，采用降压调速方法，采用降压调速方法，计算下面两种情况下电枢电流的变化范围。计算下面两种情况下电枢电流的变化范围。(1)(1)负载为恒转矩负载；负载为恒转矩负载；(2)(2)负载为恒功率负载。负载为恒功率负载。19NPKWNUNI0.1aR NnfUnminn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速解：额定电动势解：额定电动势
28、 转速为转速为 =1550r/min=1550r/min时的感应电动势时的感应电动势 电枢电流电枢电流n220 100 0.1210aNNNaEUI RV15502102171500aaNNnEEVn220217300.1NaaaUEIAR第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速（1 1）若负载为恒转矩时，电动机降压调速，为恒转矩调速方）若负载为恒转矩时，电动机降压调速，为恒转矩调速方 式，电枢电流不变。式，电枢电流不变。30aIA（2）若负载为恒功率时，负载功率为若负载为恒功率时，负载功率为 式中，式中，为转速为为转速为 =1550r/min时的负载转矩。时的负载转矩。260LLnPT
29、T LTn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 降低电源电压调速后的负载功率为降低电源电压调速后的负载功率为 式中，式中，为降压调速转速为为降压调速转速为 时负载转矩的值。因此时负载转矩的值。因此min226060LLnnPTTLTminnminLLnTTn第二节第二节 直流电动机的调速直流电动机的调速 降压调速时，保持降压调速时，保持 ，由，由 ，因此对，因此对应应 的电枢电流的电枢电流 为为 因此，电流变化范围是因此，电流变化范围是 3093A。N LTNaTTCIminnminaIminmin15503093500aanIIAn第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四
30、象限运行 电动机可稳定运行在其机械特性与负载转矩特性的交点电动机可稳定运行在其机械特性与负载转矩特性的交点上。直流电动机的各种人为机械特性曲线和负载转矩特性曲上。直流电动机的各种人为机械特性曲线和负载转矩特性曲线分布在四个象限，线分布在四个象限，改变电机的相关参数改变电机的相关参数可使直流可使直流电动机在电动机在四个象限内稳定运行。四个象限内稳定运行。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行一电动运行一电动运行1.正向电动运行正向电动运行 直流电动机的端电直流电动机的端电压为正，其机械特性与压为正，其机械特性与负载特性的交点在第负载特性的交点在第象限，电磁转矩与转速象限，电磁
31、转矩与转速同方向，为同方向，为拖动性质拖动性质的的转矩。转矩。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 电动运行时功率流向关系为：电机输入功率电动运行时功率流向关系为：电机输入功率 ，电机从电网吸收电功率。电磁功率电机从电网吸收电功率。电磁功率 ，电机，电机将吸收的电功率通过电磁作用转换为机械功率。输出功率将吸收的电功率通过电磁作用转换为机械功率。输出功率 ，电机向负载提供机械功率。，电机向负载提供机械功率。10aPUI0MaaPE IT 20T 2P第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行2.2.反向电动运行反向电动运行 直流电动机的端直流电动机的端电压为
32、负，电动机反电压为负，电动机反转，电动机的工作点转，电动机的工作点在第在第象限。电磁转象限。电磁转矩矩T与转速与转速n同同方向，方向，为为拖动性质拖动性质的转矩。的转矩。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行二制动运行二制动运行1.能耗制动能耗制动 直流电动机直流电动机拖动负载运行时，拖动负载运行时，闸刀接在电源一闸刀接在电源一侧，接线如左图侧，接线如左图所示。所示。此时，电枢电流：此时，电枢电流：电磁转矩：电磁转矩：电磁转矩反向，系统减速。电磁转矩反向，系统减速。0aaaEIRR0BTNaTCI 在上述过程中，在上述过程中，与与 反方向，反方向，起制动起制动作用，电动机把
33、能量消作用，电动机把能量消耗在电枢回路中，称为耗在电枢回路中，称为能耗制动能耗制动。nTT第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 当闸刀拉至下边当闸刀拉至下边时，在电枢回路中串时，在电枢回路中串入了电阻入了电阻 R，直流电，直流电动机的机械特性由左动机的机械特性由左图中的曲线图中的曲线 1 变成了变成了曲线曲线 2。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 能耗制动功率流向关系为：电机的输入功率能耗制动功率流向关系为：电机的输入功率 ，电机与电网脱开不吸收电功率。电磁功率电机与电网脱开不吸收电功率。电磁功率 ，电机将动能的机械功率通过电磁作用转换为电功率。
34、输出功电机将动能的机械功率通过电磁作用转换为电功率。输出功率率 ，负载向电动机输入了机械功率，扣除了空载，负载向电动机输入了机械功率，扣除了空载损耗损耗 后，其余的变成电枢回路的能耗。后，其余的变成电枢回路的能耗。10aPUI0MaaPE IT 220PT 0p第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行2反接制动反接制动 反接制动是把直反接制动是把直流电动机的电源突然流电动机的电源突然反接，同时在电枢回反接，同时在电枢回路串入限流的制动电路串入限流的制动电阻阻R来实现的。来实现的。电动机的初始工作点在电动机的初始工作点在 A 点。点。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动
35、机的四象限运行 反接制动后，电动机反接制动后，电动机运行点从运行点从 ，到，到 C 点后电动机转速点后电动机转速 =0，制动停车过程结束，将电制动停车过程结束，将电动机的电源切除。动机的电源切除。ABCn 这一过程中，电动机这一过程中，电动机运行于第运行于第象限，电磁转象限，电磁转矩矩 ，转速，转速 ，是制动性质的转矩。是制动性质的转矩。0n T0T 第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行3倒拉反转运行倒拉反转运行 直流电动机拖动位能性直流电动机拖动位能性负载运行，转速下降。若所负载运行，转速下降。若所串入的电阻大到一定程度后，串入的电阻大到一定程度后，就会使转速反向，工作
36、点进就会使转速反向，工作点进入第入第象限，电磁转矩与转象限，电磁转矩与转速方向相反，电机处于制动速方向相反，电机处于制动运行状态，称为运行状态，称为倒拉反转倒拉反转运运行。行。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 倒拉反转过程中的功率流向关系为：电机的输入功率倒拉反转过程中的功率流向关系为：电机的输入功率 ，电机从电网吸收电功率。电磁功率，电机从电网吸收电功率。电磁功率 ，电机将吸收的机械功率通过电磁作用转换为电功率。输出功电机将吸收的机械功率通过电磁作用转换为电功率。输出功率率 ，负载向电机提供机械功率。倒拉反转运行时，负载向电机提供机械功率。倒拉反转运行时，电机将从电
37、源吸收的电功率和从负载吸收的机械功率都消耗电机将从电源吸收的电功率和从负载吸收的机械功率都消耗在电枢回路上了。在电枢回路上了。0aUI 1P 0MaaPE IT 220PT 从从 过程中，电过程中，电动机的转速动机的转速 ，电磁，电磁转矩与转速方向相反，转矩与转速方向相反，是制动性质的转矩，电动是制动性质的转矩，电动机处于机处于发电状态发电状态。TBC01nn第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行三回馈制动运行三回馈制动运行1.正向回馈制动运行正向回馈制动运行 电动机原来运行在电动机原来运行在 A点，电压降为点，电压降为 后，机械后，机械特性向下平移，电动机运特性向下平移，
38、电动机运行点从行点从 ，如左图所示。如左图所示。1UABCD第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 功率流向关系为：电机的输入功率功率流向关系为：电机的输入功率 ，表明电，表明电机向电网输出电功率。电磁功率机向电网输出电功率。电磁功率 ，表明电，表明电机将吸收的机械功率通过电磁作用转换为电功率。输出功率机将吸收的机械功率通过电磁作用转换为电功率。输出功率 ，表明负载向电机提供机械功率。回馈制动将输入，表明负载向电机提供机械功率。回馈制动将输入的机械功率转换为电功率向电网输出。的机械功率转换为电功率向电网输出。10aPUI0MaaPE IT 220PT 第三节第三节 直流电动
39、机的四象限运行直流电动机的四象限运行 电机输入的机械功率是系统从高速向低速运行过程中释电机输入的机械功率是系统从高速向低速运行过程中释放出来的动能。这种运行状态称为放出来的动能。这种运行状态称为回馈制动回馈制动过程。过程。“回馈回馈”指电动机把功率回馈给电源，指电动机把功率回馈给电源，“过程过程”指没有指没有稳定稳定工作点，而是一个运行的过程。工作点，而是一个运行的过程。转速高于理想空载转速转速高于理想空载转速是回是回馈制动运行状态的重要特点。馈制动运行状态的重要特点。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行2.反向回馈制动运行反向回馈制动运行 若直流电动机拖动若直流电动机拖
40、动位能性负载，当电源电位能性负载，当电源电压反接时，电机工作点压反接时，电机工作点在第在第象限，象限，电磁转矩电磁转矩与转速方向相反，称为与转速方向相反，称为反向回馈制动反向回馈制动运行。运行。第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行例例4.3 他励直流电动机，额定功率他励直流电动机，额定功率 ，额定电压，额定电压 ，额定电流，额定电流 ，额定转速，额定转速 ，电枢，电枢回路总电阻回路总电阻 ，忽略空载转矩，忽略空载转矩，带负载，带负载 运运行。制动时，要求最大电枢电流行。制动时，要求最大电枢电流 。(1)若采用能耗制动过程停车，电枢回路应至少串入多大的制动若采用能耗制动过程
41、停车，电枢回路应至少串入多大的制动电阻？电阻？(2)若采用反接制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是若采用反接制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少？多少？(3)若负载为位能性负载，忽略传动损耗，采用反向回馈制动运若负载为位能性负载，忽略传动损耗，采用反向回馈制动运行，电枢回路不串电阻时电动机转速是多少？行，电枢回路不串电阻时电动机转速是多少？KWPN22NU220VAIN115min/1500rnN1.0aR0.8LNTTmax2.5aNII第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行解解：（1 1）理想空载转速理想空载转速额定转速降落额定转速降落1220 115
42、0.10.139/min1500NNaeNNUI RCV rnmin/7.1582139.02200rCUnNeNmin/7.8215007.15820rnnnN第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 额定运行时感应电动势为额定运行时感应电动势为 时的转速降落时的转速降落 时的转速时的转速0.139 1500208.5aNeNNECnV0.80.8 82.766.2/minNNNTnnrT 01582.766.21516.5/minnnnr 0.8LNTT0.8LNTT第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行 制动开始时的电枢感应电动势制动开始时的电枢感应
43、电动势 串入的制动电阻最小值串入的制动电阻最小值1516.5208.5210.81500aaNNnEEVnminmax210.80.10.6332.5 115aaaERRI第三节第三节 直流电动机的四象限运行直流电动机的四象限运行（2）（3）minmax220210.80.11.42.5 115NaaaUERRI01582.70.8 82.71648.9/minaNNInnnIr 第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 电力拖动系统负载发生变化时，系统的转矩、功率的平电力拖动系统负载发生变化时，系统的转矩、功率的平衡关系就被打破，系统将从一个稳态工作点向另一个稳态工衡关系就
44、被打破，系统将从一个稳态工作点向另一个稳态工作点转移，这个转移过程就是电力拖动系统的作点转移，这个转移过程就是电力拖动系统的过渡过程过渡过程。第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程一他励直流电动机过渡过程分析一他励直流电动机过渡过程分析 系统的运动方程描述了电磁转矩与转速之间的关系：系统的运动方程描述了电磁转矩与转速之间的关系：电动机的机械特性描述了转速与电磁转矩的关系：电动机的机械特性描述了转速与电磁转矩的关系：2375LGDdnTTdt2aeeTRRUnTCC C联联立立第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 得到以下微分方程得到以下微分方程 简化得
45、简化得 为为机电时间常数机电时间常数；为系统拖动负载为系统拖动负载 的的稳态转速稳态转速。222375aaLeTeeTRRRRGD dnUnTC CdtCC CMLdnTnndt22375aMeTRRGDTC C2aLLeeTRRUnTCC CLT第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 非齐次常系数一阶微分方程非齐次常系数一阶微分方程 的初始条件的初始条件为：为：，。求解可得：求解可得：显然转速显然转速 包含有两个分量，一个是包含有两个分量，一个是强制分量强制分量 ，也，也就是系统过渡过程结束后的稳态转速值；另一个是就是系统过渡过程结束后的稳态转速值；另一个是自由分量自由分
46、量 ，按照指数规律衰减至零。，按照指数规律衰减至零。MLdnTnndt0t 0Fnn/0()Mt TLFLnnnn enLn/0()Mt TFLnn e/0()MLLt TFnnnne第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 曲线如右曲线如右图所示，转速从初始值图所示，转速从初始值 开始按指数曲线规律开始按指数曲线规律逐渐变化至过渡过程终逐渐变化至过渡过程终止的稳态值止的稳态值 。0FnLn()nf t/0()Mt TLFLnnnn e第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 过渡过程曲线决定于三要素：起始值、稳态值和时间常过渡过程曲线决定于三要素：起始值、
47、稳态值和时间常数数 。由于由于 与与电气参数也有关系，因此称电气参数也有关系，因此称 为电力拖动系统为电力拖动系统的的机电时间常数机电时间常数。22375aMeTRRGDTC CMTMTMT第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 曲线如曲线如左图所示。左图所示。也包括也包括了一个了一个强制分量强制分量和一和一个按指数规律衰减的个按指数规律衰减的自由分量自由分量，时间常数，时间常数亦为亦为 。TMT()Tf t 将式将式 代入到他励电动机的机械特性代入到他励电动机的机械特性中，可得电磁转矩的变化关系为：中，可得电磁转矩的变化关系为：。/0()Mt TLFLnnnne/0()M
48、t TLFLTTTT e/0()MLLt TFTTTTe第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 可以看出，电枢电可以看出，电枢电流同样也包括流同样也包括强制分量强制分量和和自由分量自由分量，时间常数，时间常数亦为亦为 。MT 将电枢电流与电磁转矩的关系将电枢电流与电磁转矩的关系 代入式代入式 得到电动机电枢电流的关系：得到电动机电枢电流的关系：。TaTCI0(LFTTT/)Mt TLT e/0()Mt TaLFLIIIIe/0()Mt TFLLaIIIIe第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程二过渡过程时间二过渡过程时间 理论上从初始值到稳态值需要经过的
49、时间为理论上从初始值到稳态值需要经过的时间为 。实际。实际上，当上，当 时，各物理量便达到稳态值的时，各物理量便达到稳态值的 95%98%，即可认为过渡过程结束了。即可认为过渡过程结束了。t (3 4)MtT第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 设设 G 为过渡过程中的任意一点，若已知为过渡过程中的任意一点，若已知 曲线及曲线及 G点的转速点的转速 ，代入式，代入式 可得可得 /0()Mt TLFLnnnne()nf tGn0lnFLGMGLnntTnn第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 若已知若已知 及及 G 点的转矩点的转矩 ，用同样的方法可计
50、算，用同样的方法可计算出出 若己知若己知 及及 G 点的电枢电流点的电枢电流 ，则，则 ()Tf tGTGt()aIf tGI0lnFLGMGLIItTII0lnFLGMGLIItTII第四节第四节 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程三机电时间常数三机电时间常数00Fn 设电动机的初始转速设电动机的初始转速 。则式。则式 就变为就变为:其变化曲线如左图所示。其变化曲线如左图所示。/(1)Mt TLnne0(LFnnn/)Mt TLn e 将将 代入代入 ，可得，可得 。机电时间常数在数值上等于机电时间常数在数值上等于电动机加电动机加阶跃电压阶跃电压后，转速后，转速从零上升到从零上升到
