【文档说明】第二讲直流电动机的电力拖动.pptx，共(46)页，684.527 KB，由精品优选上传

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第六、七讲直流电动机的电力拖动（3）杜少武第六、七讲直流电动机的电力拖动1、他励直流电动机的机械特性2、他励直流电动机的起动3、他励直流电动机的制动4、他励直流电动机的调速5、晶闸管－直流电动机系统6、他励直流电动机过渡过程的能

量损耗7、串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动•晶闸管（Thyri

stor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）•1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管•1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品•1

958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代•能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位➢晶闸管可控整流电路5、晶闸管－直流电动机系统•晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件•外形有螺

栓型和平板型两种封装•引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端➢晶闸管可控整流电路螺旋式平板式5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统

调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统•晶闸管为单向可控导电器件，正向导通可控，反向不导通；•晶闸管为半控型器件，通过门极可控制其导通，但不可通过门极控制其关断；•晶闸管导通条件：门极和阳极

相对于阴极均承受正向电压。•晶闸管关断条件：晶闸管阳极电流小于维持电流IH。➢晶闸管可控整流电路5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动

机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统•三相半波晶闸管可控整流电路如下图（左）所示;➢晶闸管可控整流电路5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动•工作波形如下图（右）所示。

5、晶闸管－直流电动机系统•整流输出平均电压为：cos17.1sin23/21226π6π50UttdUU==++➢晶闸管可控整流电路5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.

串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统机械特性•电流连续时电动机机械特性–此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡。整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。–此时，整流电路直流电压的平

衡方程为dMdIREU+=dMIRUE−=cos17.125.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统机械特性–转速与

电流的机械特性关系式为•电流断续时电动机机械特性edeCIRCUn−=cos17.120na1<a2<a3a3a2a1Id5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性

5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统机械特性•电流断续时电动机机械特性–由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连

续，如下图所示。udOtuaubucuaubtidEaO5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统机械特性–实际当Id减小至某一

定值Idmin以后，电流变为断续，这个E0’是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。•电流断续时电动机机械特性220585.060cos17.1UUE==–电流连续时的理想空载（Id=0）反电动势（比如=60,忽略ΔU）22U–≤60o，电动机的实际空载反电动势为)6sin(22

+U–>60o，实际空载反电动势为5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统

➢晶闸管－直流电动机系统机械特性1<a2<a3<60，a5>a4>60Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过

渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统机械特性•一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。•整流电路为三相半波时，在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量为)(46.1min

2mHIULd=•L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。前者数值都较小，有时可忽略。Idmin一般取电动机额定电流的5%～10%。5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特

性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统调速性能•根据晶闸管－直流电动机系统的机械特性（如下图所示），改变晶闸管整流电

路的控制角，即可改变直流电动机的电枢电压，从而即可改变直流电动机的转速。1<a2<a3<60，a5>a4>60Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系

统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统调速性能•为了实现直流电动机的四象限运行，通常用两套变流装置反并联连

接来给直流电动机供电制动电阻Rz越小，制动时的机械特性越平，制动转矩绝对值越大，制动越快。5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5

、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动机系统调速性能•晶闸管—直流电动机系统的优点：–改变控制角，即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流，从而达到平滑调速的目的。–技术与经济指标较高；–调速范围大，平滑性高，质量小

，占地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低；–快速响应、控制准确。5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动5、晶闸管－直流电动机系统➢晶闸管－直流电动

机系统调速性能•晶闸管—直流电动机系统的缺点：–由于电枢电流为脉冲波，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降；–当调速范围较大时，功率因数较低；–晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分会造成种种不良影响。•晶闸管—直流电动机的详细

分析将在其后续课程《电力电子技术》中进行。5.晶闸管直流电动机系统5.1晶闸管可控整流电路5.2SCR－M系统机械特性5.3SCR－M系统调速性能6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗•在电力拖动的起动

、制动或逆转过程中，电动机内部会产生过渡过程的能量损耗DA。在经常起动、制动或逆转的电动机上，过渡过程能量损耗的累加，使电动机温度升高，严重时可能损坏绝缘，因此有必要研究过渡过程的能量损耗。•过渡过程的能量损耗主要时铜耗，其它损耗较小，研究时暂不考虑。5.晶闸管直流电动机系统6.过

渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢空载起动的能量损耗=D=xstxstttattRdtIPdtA2ΔRIE

IUIaaa2+=−=xstttaaadtIEUIA)(ΔaeaeaICInCUI26000==同样=TEIadtdJT=−=xstdJA)(Δ05.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损

耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动00055.9===TICICaTae6、过渡过程的能量损耗➢空载起动的

能量损耗•空载起动时,0=st0=x00021)(Δ0=−=JdJAst•电源输向电动机的能量为)(ddd000stxttttastJJtTtUIAxstxstxst−====20=JAst•空载起动时,0=st0=x5.晶闸管直

流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能

量损耗➢空载起动的能量损耗–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。00021)(Δ0=−=JdJAst20=JAst5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空

载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢空载能耗制动的能量损耗•空载能耗制动时0,,000==

=xst−=xstdJA)(Δ0200121d)(Δ0=−=JJAT–可见，损耗DAT1等于拖动系统所储存的动能。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量

损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢空载反接制动的能量损耗•空载反接制动时0,0==xst−−=xstdJA)(

Δ02000223d)(Δ0=−−=JJAT•电源输向电动机的能量为20000)d(=−=JJAst–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，其中J2为电源提供，其余由制动时放出的动能提供。5.晶闸管直流电动机系统

6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢空载反转过程的能量损耗•空载反转

时00,−==xst−−=xstdJA)(Δ020022d)(Δ00=−−=−JJAT–空载反转时的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍，其中3J2/2为反接制动时的能量损耗，J2/2为反向起动

时的能量损耗。•电源输向电动机的能量为2002)d(00=−=−JJAst5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损

耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过程能量损耗的方法•减少拖动系统动能储存量J0/2–若要减小转动惯量J，必须减小飞轮矩GD2（J=GD2/(4g)）因此通常把电动机电枢设计成细长的形状。–普通电

机的电枢直径为D，有效长度为l，若将电枢有效长度设计成l’=2l，为保证电机输出功率相等，则其直径可减小到D’=D/1.414（D’2l’＝D2l）。–一般电动机重量G正比于D2l，则GD2正比于D4l，因此(GD2)

’=GD2/2。1)电枢设计成细而长的形状5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动

6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过程能量损耗的方法–由两台一半功率的电动机拖动，相当于电枢的等效长度增加，而直径减小到原来的0.707。–电动机功率减小到原来的一半，即，D2l减小一半，若电枢长度不变，则直径D减小到原来的0.7

07。–因此总的GD2减小到原来的一半。2)采用双电动机拖动•减少拖动系统动能储存量J0/25.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流

电动机的电力拖动5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过

程能量损耗的方法•合理选择电动机的起、制动方式1)起动时，逐级改变加在电动机上的电压–假设，电动机空载起动时先加在电动机上的电压为U/2，则电动机角速度可达0/2，电动机角速度可达0/2后全压U加到电动机上，若起动过程T恒定（即Ia恒定），则电动机转速线性增大，吸收的功率亦线性增大，直到=

0，这一过程中电源送出的功率分别为UIa/2（0<<0/2）和UIa（0/2<<0），如左图所示。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.5

减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过程能量损耗的方法–假设，电动机空载起动时直接全压U加到电动机上，若起动过程T恒定（即Ia恒定），则电动机转速线性增大，吸收的功率亦线

性增大，直到=0，这一过程中电源送出的功率为UIa（0<<0），如左图所示。•合理选择电动机的起、制动方式1)起动时，逐级改变加在电动机上的电压6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过程能量损耗的方法–比较两种起动过程的功率变化曲线，a）图所示的功率损耗（SDOAB＋SDCDO）

比b图所示的功率损耗（SDOA’B’）小。•合理选择电动机的起、制动方式1)起动时，逐级改变加在电动机上的电压5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗

6.4空载反转过程的能量损耗6.5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动6、过渡过程的能量损耗➢减少过渡过程能量损耗的方法–能耗制动时能量损耗为•合理选择电动机的起、制动方式2)制动时，若不能采用回馈制动应尽量采用能耗制动2000223d)(Δ0=−−=

JJAT–反接制动时能量损耗为200121d)(Δ0=−=JJAT5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗6.1空载起动的能量损耗6.2空载能耗制动的能量损耗6.3空载反接制动的能量损耗6.4空载反转过程的能量损耗6.

5减少能量损耗的方法7.串励直流电动机的电力拖动7、串励直流电动机的电力拖动•串励直流电动机的电路图如下图所示。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性励磁线圈电

枢7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的机械特性•磁路未饱和时串励电动机机械特性方程式RCTUCCneeT−=1其中)(saaaRRRRRR+=+=)/(/faefeeaIKICKCC===2aT2a

fTaTICIKCICT===RCICUnee−=1a5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动

机的机械特性•磁路未饱和时串励电动机固有机械特性aeeTRCTUCCn−=1T0aR5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性5.晶闸管

直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的机械特性•磁路未饱和时串励电动机人为机械特性串励直

流电动机串联电阻时的人为机械特性串励直流电动机固有机械特性–电枢回路串联电阻时的人为机械特性aeeTRCTUCCn−=17、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的机械特性•磁路未饱和时串励电动机人

为机械特性串励直流电动机降低电源电压时的人为机械特性串励直流电动机固有机械特性–降低电源电压时的人为机械特性5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机

的制动状态7.3复励电动机的机械特性aeeTRCTUCCn−=15.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性T0n7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的机械特性•磁路未

饱和时串励电动机人为机械特性励磁回路并分路电阻时的人为机械特性串励直流电动机固有机械特性–励磁回路并分路电阻时的人为机械特性aeeTRCTUCCn−=1T0nn07、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的机械特性•磁路未饱和时串励电动机人为机械特性电枢回路并分路电阻时的人为机械

特性串励直流电动机固有机械特性–电枢并分路电阻时的人为机械特性5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串

励直流电动机的制动状态•串励电动机只有两种制动状态，即反接制动与能耗制动。串励电动机不能实现回馈制动，因为电动机反电势Ea无法超过U。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1

串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的制动状态•反接制动–串励直流电动机的反接制动分为位能负载时的转速反向反接制动和电枢直接反接的反接制动。+-UTnGRRSEaT0naR+RRa5.晶闸管直流电

动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的制动状态•反接制动–串励直流电动机的反接制动分为位能负载时的转速反向反接制动和电枢直接反接的反接制动。T0naR

+RRa5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢串励直流电动机的制动状态•能耗制动–能耗制动的方法，是在串励电动机在

一定转速时，把电枢由电源断开，接到制动电阻上。此时励磁改接为自励或他励（通常为他励）但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，以限制制动电流。–串励电动机能耗制动时的接法与特

性和他励电动机能耗制动时基本相同。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢复励电动机的机械特性•

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（并励）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，如下图所示。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机

械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢复励电动机的机械特性•复励电动机的机械特性介于他励（并励）和串励之间。–当他励（并励）绕组磁动势起作用时，机械特性接近他励电动机；–当串励绕组磁动势起作用时，机械特性接近串励电动机；–理想空载转速为为他励（并励）磁通TTe

CUn=)/(05.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢复励电动机的机械特性•复励电动机的机械特性如下图所示。T0nn0他励串励复励5.晶闸管直流

电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢复励电动机的机械特性•复励电动机有三种制动状态，即反接制动、能耗制动与回馈制动。–反接制动的获得与串励串

励电动机相同，但要保证制动前后的励磁电流方向不变；–回馈制动发生在n>n0时，为防止回馈制动时的反向电流使总磁通去磁，此时一般把串励绕组短接；–能耗制动时，同样把串励绕组短接，这时与他励电动机相同。5.晶闸管直流电动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力

拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性7、串励直流电动机的电力拖动➢复励电动机的机械特性•复励电动机制动时的机械特性能耗制动回馈制动反接制动5.晶闸管直流电

动机系统6.过渡过程的能量损耗7.串励直流电动机的电力拖动7.1串励电动机的机械特性7.2串励电动机的制动状态7.3复励电动机的机械特性