第二章

直流電動機的電力拖動第二章直流電動機的電力拖動

凡是由電動機拖動生產機械，并完成一定工藝要求的系統，都稱為電力拖動系統。生產機械稱為電動機的負載。電力拖動系統一般構成如圖所示。

本章首先介紹電力拖動系統的運動方程式，然后介紹電動機和生產機械的轉矩特性，最后主要研究他勵電動機應用的四大問題——起動、反轉、制動、調速一、單軸電力拖動系統的運動方程式

單軸電力拖動系統，就是電動機輸出軸直接拖動生產機械運轉的系統。熟悉的直線運動方程旋轉運動的電力拖動系統運動方程物體的飛輪力矩，它是一個整體物理量，反映轉動體的慣性

第一節電力拖動系統的運動方程式二、電力拖動系統運動狀態分析

一個電力拖動系統處于靜態（靜止不動或勻速）還是動態（加速或減速），都可以從運動方程式來判定，當電力拖動系統的正向運動狀態時分析如下：

1).當Ｔ＝ＴL時，dn/dt=0，則n＝0或n＝常數，即電力拖動系統處于靜止不動或勻速運行的穩定狀態。

2).當ＴＴL時，dn/dt

0，電力拖動系統處于加速狀態，即處于過渡過程中。

3).當TTL

時，dn/dt

0，電力拖動系統處于減速狀態，也是過渡過程。例2-1

分析下圖中電力拖動系統的運動狀態。解：設a圖為正向運動，T幫助正向運動為正，TL

反對正向運動為正，且T<TL，所以運動方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系統處于正向減速狀態。

設b圖為反向運動，T幫助反向運動為負，TL

幫助反向運動為正，且數值上T=TL，所以運動方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系統處于反向加速狀態。第二節生產機械的負載轉矩特性

不同生產機械的負載轉矩TL隨轉速n變化規律不同，用負載轉矩特性來表征，即n=f(TL)。各種生產機械的特性大致可分為以下三種類型恒轉矩負載特性

恒功率負載特性

通風機型負載特性

恒轉矩負載特性TL=常數，與轉速n無關反抗性恒轉矩負載特性位能性恒轉矩負載特性負載轉矩的方向始終與生產機械運動的方向相反，總是阻礙電動機的運轉，如軋鋼機、機床的平移機構、電力機車等。當下放重物時負載轉矩變為驅動轉矩，其作用方向與電動機旋轉方向相同，促使電動機旋轉。起重設備提升重物時，負載轉矩TL為阻力矩，與電動機旋轉方向相反位能性負載轉矩由重力作用產生，其大小和方向始終不變恒功率負載特性通風機型負載特性

PL=常數,TL=9.55P/nTL=Kn2

例：車床切削粗加工時,切削量大(TL大)，用低速檔；精加工時，切削量小(TL小)，用高速檔電扇、水泵、油泵等

注意：以上三類是典型的負載特性，實際生產機械的負載特性常為幾種類型負載的綜合。

第三節他勵直流電動機的機械特性

直流電動機的機械特性就是指在穩定運行情況下，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系，即n=f(T)。機械特性是電動機的主要特性，是分析電動機起動、調速、制動等問題的重要工具。下面以他勵直流電動機為例討論機械特性。他勵直流電動機的機械特性理想空載轉速機械特性的斜率轉速降斜率β越小，特性越平，稱為硬特性。反之稱為軟特性機械特性曲線實際空載轉速一般表達式他勵電動機的接線圖一、他勵直流電動機的機械特性1、他勵電動機的固有機械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的機械特性稱固有機械特性Rpa=0,Ra很小，

=N數值最大，機械特性斜率β最小，他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性。一、他勵直流電動機的機械特性2、人為機械特性

如果人為地改變固有機械特性中的氣隙磁通、電源電壓Ｕ和電樞回路電阻Rpa中的任意一個參數，這樣的機械特性稱為人為機械特性。（1）電樞回路串電阻時的人為機械特性斜率β

增加電阻增加n0

不變2、人為機械特性(2)改變電源電壓的人為機械特性(3)改變磁通的人為機械特性磁通減小電壓降低U降低，β

不變，n0減小(2)改變電源電壓的人為機械特性減小，β

增大，n0增大電力拖動系統穩定運行的必要條件：

電動機的機械特性與負載轉矩特性有交點：即T=TL

電力系統要穩定運行的充分條件：

兩條特性配合恰當，即在交點處滿足：dT/dn<dTL/dn二、電力拖動穩定運行的條件電力拖動系統穩定運行的分析結論：下斜的機械特性與恒轉矩負載配合,系統能夠穩定運行;上翹的機械特性與恒轉矩負載配合,系統不能穩定運行。恒轉矩負載特性在A點的斜率：dn/dTL=∞,則dTL/dn=0下斜的機械特性在A點其dn/dT<0,則dT/dn<0，在A點滿足dT/dn<dTL/dn上翹的機械特性在A點其dn/dT>0,則dT/dn>0，在A點不滿足dT/dn<dTL/dn穩定運行不穩定運行系統電壓波動機特系統電壓波動機特1、全壓起動第四節他勵電動機的起動和反轉起動：電動機接通電源后，由靜止狀態加速到穩定運行狀態的過程。一、他勵直流電動機的起動方法

額定電壓加于電動機的電樞兩端，由于起動瞬間n=0，Ea=0，由U=Ea＋IaRa故起動電流和轉矩分別為：他勵電動機的全壓起動先合Q1再合Q2后果引起電網電壓下降，影響電網上其他用戶使電動機的換向嚴重惡化，甚至會燒壞電動機過大的沖擊轉矩，機械軸過度沖擊，損壞傳動機構

從上例可以看出，由于電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動的起動電流很大，通?？蛇_額定電流的（10～20）倍。起動轉矩也相當大。

所以，直流電動機一般不允許全壓起動。起動設備簡單、操作方便的全壓起動只適用于容量很小的直流電動機。（1）要有足夠大的起動轉矩(Tst>TL)。（2）起動電流要限制在一定的范圍內。（3）起動設備簡單、可靠，操作方便，起動時間短。對直流電動機的起動的要求：電樞回路串電阻起動減壓起動注意：起動時應保證電動機的磁通為最大值，以在限制起動電流的情況下使轉矩較大。對于容量較大的電機，為限制起動電流，可用2、減壓起動

減壓起動即起動前將電源電壓降低，以減小起動電流Ist。為獲得足夠的起動轉矩（Tst>TL），起動時電流通常限制在(1.5～2)IN

內，則起動電壓應為：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

當n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——須U↑保證起動電流和轉矩保持在一定的數值上。至U=UN，起動結束。3、電樞回路串電阻起動

電樞回路串電阻起動時，電源電壓為額定值且恒定不變，在電樞回路中串接一起動電阻Rst，達到限制起動電流的目的。采用4級起動時電動機的電路接線圖及其機械特性

串入全部電阻逐級切除電阻穩定運行點轉速逐步上升切換轉矩TSt2起動點Ist1和Tst1為最大值二、他勵直流電動機的反轉

要使電動機反轉，必須改變電磁轉矩T的方向。只要將磁通和Ia任意一個參數改變方向，電磁轉矩即改變方向。在自動控制中，通常直流電動機的反轉實施方法有兩種：由：

1、改變勵磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，磁通即改變方向。

2、改變電樞電壓極性：保持勵磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流Ｉa即改變方向。實際應用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實現電動機的反轉。

第五節他勵直流電動機的制動電動機的兩種運行狀態：電動狀態：T與n方向相同，機特Ⅰ、Ⅲ象限制動狀態：T與n方向相反，機特Ⅱ、Ⅳ象限制動方法：能耗制動反接制動回饋制動制動目的：快速停車（反向）或限速。一、能耗制動制動原理：電動機靠生產機械慣性力的拖動切割磁場而發電，將生產機械儲存的動能轉換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電動機停止轉動為止。能耗制動U=0運行時KM1常開閉合，與電源連接；

制動前的電動狀態T與n方向一致制動時連接電阻Rbk制動時，T與n方向相反原運行于a點制動時，對于反抗性負載將經b點到達O點停下來。能耗制動時的機械特性

U=0,機特過原點斜率取決于限流電阻Rbk一般限流：IbK(2～2.5)IN

對位能性負載將達到C點。

二、反接制動1.電樞反接制動制動原理：Ibk產生很大的反向電磁轉矩T，從而產生很強的制動作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk機械特性過-n0機械特性：制動過程當制動的目的為停車時，在電機n≈0時，須立即斷開電源。為了限制過大的電樞電流，反接制動時必須在電樞回路中串接制動電阻Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制動電阻的計算：電樞反接制動過程中，電動機一方面向電源吸取電功率P1＝UI，另一方面將系統的動能轉換成電磁功率Pem＝EaIa，這些電功率全部消耗在電樞電路的電阻(Ra＋Rbk)上。其能量損耗很大。電機的能耗：

二、反接制動2.倒拉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載，下放重物

U=UN，電樞串大電阻Rbk機械特性過+n0，與負載特性的交點落在第Ⅳ象限n0從提升重物至下放重物過程：a—b—c—d，Rbk越大，下放轉速也越大。三、回饋制動

當電動機的nn0時，Ea>U，Ia方向與電動運行狀態相反，T的方向與電動運行狀態時相反，為制動性質，P1<0，電機向電源回饋電能，此時電機的運行狀態稱為回饋制動。

當位能性負載進行電樞反接制動，當n=0時，如不切除電源，電機便在電磁轉矩和位能負載轉矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0時，電機進入反向回饋制動狀態，此時因n為負，T為正，機械特性位于第IV象限，最終穩定下放重物運行于d點

反向回饋制動對位能性負載下放時起限速作用。第六節他勵直流電動機的調速調速：機械調速:電氣調速:改變傳動機構速比改變電動機參數,人為地改變電動機的機械特性，從而使負載工作點發生變化，轉速隨之變化。由得調速方法：降壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻一、調速指標1.調速范圍電動機在額定負載下可能運行的最高轉速與最低轉速之比，通常又用D表示:受電動機的機械強度、換向條件、電壓等級等方面的限制受到低速運行時轉速的相對穩定性的限制

不同的生產機械對調速范圍的要求不同，例如車床Ｄ＝20～120，龍門刨床Ｄ＝10～40，軋鋼機Ｄ＝3～120，造紙機Ｄ＝3～20等。

顯然，在相同的n0情況下，電動機的機械特性愈硬，Δn愈小，靜差率就愈小，相對穩定性就愈好。生產機械調速時，要求靜差率小于一定值，以使負載發生變化時，轉速在一定范圍內變化，保持一定的穩定程度，生產機械容許的靜差率用r表示。例如，普通車床要求r30

，一般設備要求r50

，高精度的造紙機要求r0.1

。靜差率與調速范圍兩個指標是相互制約,要統疇考慮。2.調速的相對穩定性（靜差率）負載變化時，轉速變化的程度。轉速變化小，其相對穩定性好3.調速的平滑性在一定的調速范圍內，調速的級數越多，即調速越平滑，相鄰兩級轉速之比稱為平滑系數：φ→1，則平滑性好，當φ

=1時，稱為無級調速，即轉速可以連續調節。調速不連續時，級數有限，稱為有級調速。4.調速的經濟性對調速設備的投資和電能消耗等經濟效果的綜合比較。

二、改變電樞電路串電阻的調速電樞回路串電阻的機特，Rpa愈大，特性愈軟，轉速愈低。調速過程：電動機原穩定運行在固有機械特性的a點上，當Ｒpa接入瞬間，因n不能突變，工作點從a點跳至人為機械特性的b點，這時，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，電動機在低速的c點穩定運行。

電樞串電阻調速的特點：

(1)串入電阻后轉速只能降低，由于機械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運行時，負載稍有變動，電動機轉速波動大，因此調速范圍受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)調速的平滑性不高；輕載時調速不明顯。

(3)由于電樞電流大，調速電阻消耗的能量較多，不夠經濟。

(4)調速方法簡單，設備投資少。

例2-5

一臺直流他勵電動機，其額定數據為：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，電樞電路總電阻Ｒa=0.04

，電動機拖動額定恒轉矩負載運行，現用電樞串電阻的方法將轉速調至600r/min，應在電樞電路內串多大電阻？由且為額定恒轉矩負載轉矩：Ia=IN得解三、降壓調速Un0nn01n02n03調速過程：a-b-c降壓調速的特點1)無論高速還是低速，機械特性硬度不變，靜差率小，調速性能穩定，故調速范圍廣。2)電源電壓能平滑調節，故調速平滑性好，可達到無級調速。3)降壓調速是通過減小輸入功率來降低轉速的，低速時，損耗減小，調速經濟性好。4)調壓電源設備較復雜。降壓調速的性能好，目前被廣泛用于自動控制系統中。如軋鋼機，龍門刨床等。降壓較大時，會出現回饋制動

例