电机及拖动基础 -...

电机及拖动基础长安大学电机及拖动基础教学组负责人：巨永锋联系方式：029-82334555；13088998803

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《电机及拖动基础》 2

第九章直流电动机的电力拖动

主要内容第一节他励直流电动机的机械特性

第二节他励直流电动机的起动

第三节他励直流电动机的制动

第四节他励直流电动机的调速

第六节他励直流电动机过渡过程的能量损耗

第七节串励直流电机的电力拖动

《电机及拖动基础》

第一节他励直流电动机的机械特性

电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T)

一、机械特性方程式

eT CC 55.9=

aT ICT Φ= nCE ea Φ=

RIEU aa +=Φe

a

C

RIUn =

TCC

R

C

Un

Tee

2ΦΦ=

Tnn β0=

3


理想空载转速Φ

0

eC

Un =

电动机实际空载转速

0200Φ

TCC

Rnn

Te

=′

他励直流电动机的机械特性

电动机带负载后的转速降

TTCC

Rn

Te

βΦ

Δ2

==

%100%Δ 0 ×=N

NN

n

nnn

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，机械特性在负载大时呈上翘现象。


电枢反应对机械特性的影响


二、固有机械特性与人为机械特性当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。

TCC

R

C

Un

e

a

e

2

NTN

N

ΦΦ=

（一）电枢串联电阻时的人为机械特性

TCC

RR

C

Un

e

a

e

2

NT

Ω

N

N

ΦΦ

+=

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



21FFF

N 21N ΦΦΦ >>

（二）改变电压时的人为机械特性

TCC

R

C

Un

e

a

e

2

NTN ΦΦ=

电压不同时的人为机械特性 21N UUU >>

（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性

a

e

a

e

IC

R

C

Un

ΦΦ

N=

TCC

R

C

Un

e

a

e

2

T

N

ΦΦ=



三、机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制

N

NN

N

NNΦ

n

RIU

n

EC a

e ==其中N

N0

ΦeC

Un =

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。

理想空载点

NNTN Φ ICT =

IN， UN及nN 为已知，Ra 可以估算 2

N

NNN

3

2~

2

1

I

PIURa =

额定运行点



（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

相应的人为机械特性方程式即可。[例9-1 ] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为： kW22N =P

min/r1500N =n

试计算其机械特性。

解 Ω174.0Ω116

22000116220

3

2

3

222

N

NNN

I

PIURa

V/(r/min)133.0V/(r/min)1500

174.0116220

N

NNN

n

RIUC a

eF

理想空载点 0=TN

N0

ΦeC

Unn == r/min1650r/min

133.0

220==

额定点 mN3.147mN116133.055.9Φ55.9 NNN =××=== ICTT e


V220N =U A116N =I


四、电力拖动稳定运行的条件

现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。

他励直流电动机的机械特性

负载特性

负载特性

在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T 与Tz 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态。

两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。



稳定运行点

不稳定运行点




一、他励直流电动机的起动方法

a

a

aR

EUI

如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍

特性图电路图


二、他励直流电动机起动电阻的计算

（一）图解解析法

1．绘制固有机械特性

2．选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电流 I2 （或T1 与T2）

3．画出分级起动特性图

a

a

R

RR

R

R Ω1

2

1

TCC

Rnn

e

2

T

0Φ

= RCC

Tnnn

e

2

T

0Φ

Δ ==

he

eche

he

hc

n

nn

n

n

Δ

ΔΔ

Δ

Δ +=

he

eca

n

nRR

1

he

caa

n

nRR

2



（二）解析法

在b点2

2R

EUI b= 在c点

1

1R

EUI c=

aR

R

R

R

I

I 1

1

2

2

1 ==两级起动时

推广到m级起动的一般情况am

m

m

m

R

R

R

R

R

R

R

R

I

I 1

1

2

2

1

12

1 =====

21 / II 称为起动电流比

m

amm

m

amm

a

a

RRR

RRR

RRR

RR

1

1

21

2

12

1

m

a

m

R

R

lg

lga

m

R

R

m



1Ω

1

1Ω1Ω

1Ω

2

2Ω211Ω

Ω1

2

12Ω2

11

)(

)1(

RRRRR

RRRRR

RRRRR

RRRR

m

mmmm

m

mmmm

a

aa

[例9-2] 一台他励直流电动机的铭牌数据为：

kW29N P V440N U A76N I r/min1000N n

377.0aR 试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。

解已知起动级数m=4 A152A7622 N1 II选择

Ω895.2Ω152

440

1

4 I

URR a

m 664.1377.0

895.244

4 aR

R



各分段电阻如下：

250.0377.0627.011 aRRR

416.0627.0043.1122 RRR

693.0043.1736.1233 RRR

153.1736.1889.2344 RRR

则各级起动总电阻如下： 627.0377.0664.11 aRR

043.1627.0664.112 RR

736.1043.1664.123 RR

889.2736.1664.134 RR



三、他励直流电动机起动的过渡过程

在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变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，而必须是个连续变化的过程。

电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：1．机械惯性 ——反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。2．电磁惯性 ——反映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。3．热惯性 ——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：1）机械过渡过程—— 它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。2）电气一机械过渡过程 —— 它同时考虑机械与电磁两种惯性。（一）起动时的机械过渡过程他励直流电动机串

固定电阻全压起动1．电枢串固定电阻起动的过渡过程

RInCRIEU aeaa F

az ICt

nGDTT FT

2

d

d

375

RRR aFe

a

C

RIUn



t

I

CC

RGD

C

TI a

TeT

za

d

d

375 2

2

FF

t

ITI a

tMzd

d

FTzz CTI / ——负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流

2

2

375 FTe

tMCC

RGDT ——电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一

个非常重要的物理量

tM

z

tM

aa

T

I

T

I

t

I

d

d其解为

tMTt

za KII/

e

为电流的起始值stIzst IIK 其中

或tMTt

zstza IIII/

e)(

tMtM Tt

st

Tt

za III//

e)e1(



起动过程中电枢电流的变化曲线

tMTt

e

z

e

st

e

z

C

RIU

C

RIU

C

RIUn

/e

FFFtMTt

zstz nnnn/

e)(

tMtM Tt

st

Tt

z nnn//

e)e1(

或

——过渡过程开始时转速的起始值stn

当起动转速为零时

zn ——机械特性上负载转矩（或负载电流）对应的转速，即过渡过程结束时电动机的稳定转速。

zTzI

)e1(/ tMTt

znn

起动过程中转速的上升曲线



求出过渡过程中某一段的时间

zx

zst

tMxII

IITt

ln

zx

zsttMx

nn

nnTt

ln

zx

zsttMx

TT

TTTt

ln或或

2．电枢串多级电阻起动的过渡过程他励电动机二级起动的电路及特性

第一级起动时 212 RRRR a

2

T

2ΩΩ1

2

1375

)(

FCC

RRRGDT

e

atM

)e1( 1/

1tMTt

znn

11 /

1

/e)e1( tMtM TtTt

za III



转速变化曲线

机械特性曲线

电流变化曲线



[例9-3] 一台他励直流电动机铭牌数据为： kW29N P

V440N U A76N I r/min1000N n

已知四段起动电阻为： 212.01R 405.02R 695.03R

158.14R 377.0aR电枢电阻系统飞轮惯量 22 mN05.49 GD 求分级起动总的起动时间。

解：N

NN

n

RIUC a

e

F 411.0

1000

377.076440

93.3411.055.955.9 FF eT CC

615.193.3411.02 FTeCC

s231.0s615.1375

)158.1695.0405.0212.0377.0(05.491

tMT



s137.0s615.1375

)695.0405.0212.0377.0(05.492

tMT

s081.0s615.1375

)405.0212.0377.0(05.493

tMT

s048.0s615.1375

)212.0377.0(05.494

tMT

s031.0s615.1375

377.005.49

tMT A152A7622 N1 III st设

A2.91A762.12.1 N2 III x A76N II z

61.15ln762.91

76152lnln

2

1

z

z

II

II

)( 4321 tMtMtMtMst TTTTt tM

z

z TII

II4ln

2

1

=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)×1.61s+4×0.0306s=0.922s



理想的起动电流变化规律

3．加快起动过程的途径

1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性

2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形

（二）电枢电路电感对起动过程的影响

电磁时间常数为a

a

taR

LT 式中，La 为电枢电路的总电感

当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：第一阶段，电枢电流从零增加到Iz 之前，电动机转速为零。

t

ILRIU a

aaad

d )e1(

/ taTt

sca II

asc RUI /式中



第二阶段，过了tz 后，电动机开始加速，机械惯性与

电磁惯性同时存在 aa

aaa Et

ILRIU

d

d

t

nGDTT z

d

d

375

2

t

n

C

GDII

T

zad

d

375

2

F或

z

tatMtatMta

nTT

nTTt

n

Tt

n 11

d

d1

d

d2

2

该方程的解为z

ttnccn 21 ee 21

式中tM

ta

tata T

T

TT

41

2

1

2

11

tM

ta

tata T

T

TT

41

2

1

2

12



考虑电枢电感时，无振荡情况下的变化曲线)ee( 21

2211

tt

a ccI z

T

IC

GD

F375

2其中c1及c2——积分常数，由初始条件决定

tatM TT 41）当时，α1和α2为负实数

z

tztz nnn

n

21 ee21

1

21

2

z

tt

tM

ta

zsca I

T

T

III

)ee(

41

21



2）当时，α1和α2为负共轭复数

tatM TT 4

考虑电枢电感时，有振荡情况下的变化曲线

j2 j1

14

2

1

tM

ta

ta T

T

T

taT2

1式中

z

t

ta

tM

z nt

T

T

nn

)sin(e

41

14

tg 1

tM

ta

T

T式中

z

t

tM

ta

zsca It

T

T

III

sine

14

)(2




1）电动运转状态——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，并变为机械能以带动负载。

2）制动运转状态——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。

一、能耗制动电动状态能耗制动


能耗制动时机械特性和转速及电流变化曲线



TCC

RRn

Te

za

2F

能耗制动机械特性方程式

如果按最大制动电流不超过来选择NI2

则电动机带位能负载时的能耗制动电路图

t

n

CC

RRGDn

Te

za

d

d

375

)(2

2

F

2

)(

FTe

zaz

CC

RRT

当时zTT 2

)(

FTe

zazz

CC

RRTn

能耗制动时间为

z

zst

tMTn

nnTt

ln

z

zsttMT

I

IITt

ln

za RR

N

N

N

N

I

U

I

E

22≥

zRa

N

N RI

U

2≥



二、反接制动

电动机带位能负载时的能耗制动电路图

反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。（一）转速反向的反接制动

转速反向的反接制动机械特性

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

aaaa EUEURRI )()( Ω

TCC

RRnn

Te

a

2

Ω0

F


aaaaa IEUIRRI )( Ω

2


上式表明，与两者之和消耗在电枢电路的电阻上。aUI aEI ΩRRa

（二）电枢反接的反接制动

1K 2K 3K断开和，接通和 4K

ΩΩ RR

EU

RR

EUI

a

a

a

aa

电枢反接的

反接制动电路图

t

nGDTT z

d

d

375

2

TCC

RRnn

Te

a

2

Ω0

F

最大电流也不超过 N2I

ΩR aRI

U

N

N

≥



（三）电枢反接时的过渡过程

电枢反接时的人为机械特性和转速及电流变化曲线

1．反作用负载

t

nGDTT z

d

d

375

2

反抗性负载终止在D点

位能性负载终止在E点

2．位能负载



三、回馈制动（或称再生制动）（一）位能负载拖动电动机

电动机回馈制动电路图(带位能负载)

这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率后，大部分回馈给电网（），小部分变为电枢回路的铜耗。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。

aa IE

aUI

)( Ω

2 RRI aa

（二）他励电动机改变电枢电压调速在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生的情况，亦即出现了回馈制动状态。

UEa



他励电动机降压、减速过程中回馈制动特性

[例9-4]一台他励直流电动机的数据如下： kW29N P V440N U

A2.76N I

r/min1050N n

Ω393.0aR

（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，，求电动机反向下放转速。

A60aI

（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放，时，转速

，求串接在电枢电路中的电阻值、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。

A50aI r/min600n

（3）电动机带动反作用负载，从进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。

r/min500n



解（1）N

NN

n

RIUC a

e

F 39.0

1050

393.02.76440

电动机反向下放转速

FN

NN

C

RIUn a r/min1190r/min

39.0

393.060440

a

ea

I

nCURRR

F N

Ω

（2）电枢电路总电阻

Ω48.13Ω50

)600(39.0440

Ω077.13Ω393.0Ω48.13Ω aRRR电枢串接电阻电网输入功率 aIUP N1 kW22W22000W50440

RIP a

2电枢电路电阻上消耗的功率

kW7.33W33700W48.13502



轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率） aaaNaa IRIUIEP )(2 kW7.11W11700W50)48.1350440(

（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

stest nCE F V195V50039.0

电枢电路总电阻Ω95.1Ω

100

195Ω

st

sta

I

ERRR

电枢电路串接电阻

Ω557.1Ω393.0Ω95.1Ω aRRR




采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。

一、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

（一）调速的技术指标

1. 调速范围min

max

min

max

v

v

n

nD

不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D＝20～120，龙门刨床D＝10～40，机床的进给机构D＝5～200，轧钢机D＝3～120，造纸机D＝3～20等


不同机械特性下的静差率

2．静差率（或称相对稳定性）

%100%1000

0

0

n

nn

n

n NN

电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。

调速范围D与低速静差率 %间的关系

允许的转速降

)Δ

1(Δ

0

N0

max

N0

max

min

max

n

nn

n

nn

n

n

nD

)1(Δ)1(

ΔN

max

N

max

n

n

n

n

)1(Δ max

N

D

nn



3．平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。

11

i

i

i

i

v

v

n

n

值愈接近于1，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。

4．调速时的容许输出（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，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。



（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，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。

PP

P

Δ2

2

r/min10000 nr/min900N n

[例9-5 ]一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速，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，而相应的理想空载转速。

r/min100min n

r/min200N n

（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率；（2）如果生产工艺要求静差率 ≤20%，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？



电枢串联电阻调速

解（1） 9100

900

min

max n

nD

低速静差率 %50%100200

100200

（2） 25.2)2.01(100

2.0900

D 不能满足原有调速范围的要求

二、降低电枢端电压调速（一）电枢串联电阻

分析电枢串接电阻调速的经济性： RIIEUIP aaaa

2

1

00

0

1

1 1n

n

n

nn

P

PP

效率



（二）降低电源电压

降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为 T

CC

RR

C

Un

Te

a

e

2

00

FF

晶闸管整流器供电的直流调速系统

降低电源电压调速时的机械特性



减弱磁通的人为机械特性

三、弱磁调速

弱磁调速电路示意图较大容量系统小容量系统

弱磁调速时，机械特性方程式是：T

CC

R

C

Un

Te

a

e

2FF



弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。

减弱磁通时的电枢电流、转速、磁通变化曲线



四、调速时的功率与转矩在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。

对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为：

9550)

60

π2(

10001000

Ω TnnTTP

ICT aTF

降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。

nCnT

P N

19550

式中 9550/1 NTC

弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；

常数950095509550

33 Cn

n

CTnP



机械特性和容许输出转矩容许输出转矩和功率




一、空载起动的能量损耗

0ΔW ( )dx

st

J

空载起动时0 2

0 00

1ΔW ( )d

2st J J

起动时由电源输向电动机的能量为0 2

0 0 00 0 0

d d dst stt t

st aW UI t T t J J

可见，电源输入电动机两倍于系统储存动能的能量，其中一半为拖动系统储存的动能，另一半为起动损耗。


二、空载能耗制动的能量损耗0

2

1

1Δ ( )d

2T

T TW J J

损耗等于拖动系统所储存的动能。

三、空载反接制动的能量损耗

0

02

2 0

1ΔW ( )d 3

2T TJ J

空载反接制动的能量损耗等于拖动系统动能储存量的三倍。



四、空载反转过程的能量损耗0

0

2

0 0

1ΔW ( )d 4

2F J J

空载反转过程的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍。

五、减少他励直流电动机过渡过程能量损耗的方法

（一）减少拖动系统的动能储存量 2/)(2

0J

1、通常设计成细而长的形状。

2、也可采用双电动机拖动，它由两台一半功率的电动机组成，这时即相当于电枢的等效长度增加，而直径减小。



（二）合理选择电动机的起、制动方式

比较二级与一级起动时的损耗可见，前者仅为后者的一半。同理，他励直流电动机 m 级改变电压起动（如发电机一电动机组）时，能量损耗可大大减小，为一级起动时的 1/m 。

两台电动机串并联两级起动两台电动机一级起动



串励直流电动机固有机械特性

串励直流电动机串联电阻时的人为机械特性

第七节串励直流电动机的电力拖动

一、串励电动机的机械特性

磁路未饱和时串励电动机机械特性方程式

RCT

U

C

Cn

ee

T

1

串励直流电动机的电路图


串励直流电动机降压时的人为机械特性励磁绕组并分路

电阻的电路图

（一）降低电源电压

（二）励磁绕组并分路电阻



电枢并分路电阻的电路图

串电阻时的人为机械特性

固有机械特性

励磁绕组并分路电阻时的人为特性

电枢并分路电阻时的人为特性

（三）电枢并分路电阻



二、串励电动机的制动状态串励电动机只有两种制动状态，即反接制动与能耗制动。

串励电动机直接反接电枢的电路图

转速反向的反接制动

串励电动机反接制动特性曲线反接电枢的

反接制动



三、复励直流电动机的机械特性

复励直流电动机有两个励磁绕组，一个是串励绕组，另一个是他励绕组，两绕组的励磁磁动势方向一般是相同的，即是所谓积复励接法。

能耗制动的方法，是把电枢由电源断开，接到制动电阻上。此时励磁常用他励。必须使励磁电流方向与能耗制动前相同，否则不能产生制动转矩。由于串励绕组电阻很小，当接成他励时，必须在励磁电路内串入较大的电阻，以限制电流。



复励电动机的电路图复励电动机的固有机械特性和人为机械特性



第九章结束

第九章直流电动机的电力拖动

电机及拖动基础 -...

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