【文档说明】电机与拖动之直流电动机的电力拖动培训课件.pptx，共(52)页，557.061 KB，由精品优选上传

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模块1直流电机及其拖动1第2章直流电动机的电力拖动2本章要点◼他励直流电动机的机械特性和生产机械的负载特性。◼他励直流电动机的启动、反转、制动、调速。◼串励及复励直流电动机的电力拖动。32.1直流电动机的启动、调速、反转观察2.2电力拖动系统的特性2.3他励直流电动机的启动和反转2.4他励直

流电动机的制动2.5他励直流电动机的调速2.6串励及复励直流电动机的电力拖动本章主要内容42.1直流电动机的启动、调速、反转观察任务1直流电动机的起动任务2调节他励电动机的转速任务3改变电动机的转向5任务1直流电动机的起动1、接线图按图2-1接线，检查电动机和测功机之间是否用联轴器联结好，电动机励

磁回路接线是否牢靠，仪表的量程、极性是否正确。图2-1他励直流电动机的启动、调速、反转电路图6任务1直流电动机的起动2、调节电阻将电动机电枢调节电阻R1调至最大，励磁调节电阻Rf调至最小。3、观察他励直流电动机的旋转方向、测量启动电流先接通励磁电源U2，再接通可调直流稳压电源U1，此时

，电动机开始旋转。将电动机的旋转方向、电枢电流值和励磁电流值记录在表2-1中。表2-1他励直流电动机旋转方向的观察和启动电流的测量电动机旋转方向电枢电流/励磁电流/aIAfIA7任务1直流电动机的起动4、记录电枢电流值和励磁电流值保持电源电压U1不变，逐渐减小电阻R1的值直至最小，将电枢电流值和励

磁电流值记录在表2-2中。表2-2他励直流电动机不同电阻值时电流的测量电阻值3/4R12/4R11/4R10电流类型电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A测量值aIfI8任务2调节他励电动机的

转速1、测量改变串入电动机电枢回路的调节电阻时的转速Rf调至最小，改变串入电动机电枢回路的调节电阻R1，测量相应的转速n，填入表2-3中，并绘制R1-n曲线。表2-3改变串入电动机电枢回路的调节电阻时的转速测量保持电源电

压为额定电压UN，分别改变串入电动机电枢回路的调节电阻R1和励磁回路的调节电阻Rf，观察转速变化情况。R1/ΩR1m3/4R1m1/2R1m1/4R1m0n/r/min9任务2调节他励电动机的转速2、测量改

变励磁回路的调节电阻时的转速R1调至最小，改变励磁回路的调节电阻Rf，测量相应的转速n，填入表2-4中，并绘制Rf-n曲线。表2-4改变励磁回路的调节电阻时的转速测量Rf/ΩRfm3/4Rfm1/2Rfm1/4Rfm0n/r/min10将电枢回路调节电阻R1调至最大值，调

节转矩到零，断开U1，再断开U2，使他励电动机停机，然后将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述方法起动电动机，观察电动机的转向及转速表的读数。将电动机的旋转方向、电枢电流值和励磁电流值记录在表2-5中。任务3改变电动机的转向表2-5他励直流电动机接线对调后的旋转方向观察和

启动电流的测量电动机旋转方向电枢电流Ia/A励磁电流If/A112.2电力拖动系统的特性电动机拖动单轴旋转系统的旋转运动方程式为一、电力拖动系统的运动方程1、运动方程式dtdJTTL=−在实际工程计算中一般不用转动惯量

而用飞轮矩，不用角速度而用旋转速度。因此，转动惯量表示为gGDmJ422==角速度化为旋转速度的形式：60/2n=122.2电力拖动系统的特性由上式可知：（1）当时，转速变化率，电力拖动系统处于稳定运行状态，电动机静止或作恒转速运动。（

2）当时，转速变化率，电力拖动系统加速运行。（3）当时，转速变化率，电力拖动系统减速运行。由以上几式可知，工程计算中运动方程的形式为dtdnGDTTL3752=−1、运动方程式LTT=0/=dtdn0/dtdn0

/dtdnLTTLTT132.2电力拖动系统的特性2、运动方程式中转矩正、负号确定的规则在运动方程式中，转矩正、负号的确定与转速n的正、负号相关，确定规则如下：（1）取转速n大于零的方向为正方向，当电磁转矩T的方向与转速n的正方向相同时，T取正号，反之

取负号。（2）负载转矩TL的方向与转速n的正方向相反时，TL取正号，反之取负号。（3）惯性转矩（）的大小及正负号由电磁转矩T和负载转矩TL的代数和确定。)/)(375/(2dtdnGD142.2电力拖动系统的特性二、他励直流

电动机的机械特性直流电动机的机械特性是电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：。)(Tfn=1、机械特性方程式他励直流电动机的接线

图如图2-2所示。由图可知，他励直流电动机的机械特性方程式为nnTnTCCRCUnTee−=−=−=002图2-2他励直流电动机接线图152.2电力拖动系统的特性由于Ce、CT是由电动机结构决定的常数，当U、R

、Ф的数值不变时，转速n与电磁转矩T为线性关系。他励直流电动机的机械特性如图2-3所示。图2-3他励直流电动机的机械特性1、机械特性方程式162.2电力拖动系统的特性2、机械特性的分类他励直流电动机的机械特性分

为固有机械特性和人为机械特性。（1）固有机械特性当电动机中的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻时的机械特性称为固有机械特性，也称自然特性。由以上条件得到固有机械特性方程式TCCRCUnNTeaNeN

2−=由于电枢电阻Ra较小，ФN数值大，所以特性曲线斜率β小，固有机械特性曲线为硬特性。172.2电力拖动系统的特性（2）人为机械特性人为机械特性：人为地改变电源电压、磁通和电枢回路串电阻等一个或几个参数的特性。1）电枢串电阻时的人为机械特性保持电

源电压和磁通为额定值，当他励直流电动机的电枢回路中串入电阻Rpa时，电枢回路总电阻，此时的人为机械特性方程式为TCCRRCUnNTepaaNeN2+−=从上式可知，理想空载转速n0不变，机械特性的斜率β随着串电阻的增大而增大，机械特性的硬度减小

，特性曲线变软，如图2-4所示。由图可知，电枢回路串入不同电阻时，电动机的转速发生变化，因此可通过电枢回路串电阻进行调速。图2-4他励直流电动机电枢电路串电阻的人为机械特性paaRRR+=182.2电力拖动系统的特性

2）改变电源电压时的人为机械特性当磁通为额定值，电枢回路不串联电阻时，改变电枢外加电压的人为机械特性方程式为TCCRCUnNTeaNe2−=由上式可知，降低电枢电压后，理想空载转速n0与电压U成正比下降，特性曲线的斜率β保持不变。因此在降低电枢电压的情况下，人为特性是一组平行线，如图2-5

所示。图2-5他励直流电动机降低电枢电压时的人为机械特性192.2电力拖动系统的特性3）减弱磁通时的人为机械特性当电枢电压为额定值，电枢回路不串接电阻时，改变磁通的人为机械特性方程式为TCCRCUnTeaeN2−=由上式可知，理想空载转速n0与磁通成反比，磁通

Ф减弱，n0增大；斜率β与磁通Ф成反比，磁通减弱会使斜率增大。弱磁人为机械特性曲线如图2-6所示。图2-6他励直流电动机的弱磁人为机械特性202.2电力拖动系统的特性三、生产机械的负载特性生产机械的负载特性也称为负载转矩特性，

简称负载特性，是电动机的转速与负载转矩之间的关系：，即负载的机械特性。大致可分为三类：恒转矩负载特性、恒功率负载特性、泵与风机类负载特性。)(LTfn=1、恒转矩负载特性恒转矩负载特性是指生产机械的负

载转矩TL与转速n无关的特性，即TL=常数。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载特性又可以分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两类。212.2电力拖动系统的特性（1）反抗性恒转矩负载该类负载转矩的大小恒定不变，方向总是与转速的方向相反，即

其性质总是起反抗运动的阻转矩性质，特性曲线为一、三象限内的直线，如图2-7所示。图2-7反抗性恒转矩负载特性曲线图2-8位能性恒转矩负载特性（2）位能性恒转矩负载该类负载转矩不仅大小恒定不变，方向也恒定不变，特性曲线为一

、四象限内的直线，如图2-8所示。222.2电力拖动系统的特性图2-9恒功率负载特性曲线恒功率负载是指负载转矩与转速的乘积为一常数，即负载转矩与转速成反比，特性曲线为一条双曲线，如图2-9所示。2、恒功率负载特性3、泵与风机类负载特性泵与风机类负载的特点是：负载的转矩与转速

的平方成正比，负载特性为一条抛物线，如图2-10曲线1所示。图2-10泵与风机类负载特性232.2电力拖动系统的特性四、电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是=dndT

dndTTTLL电力拖动系统的稳定运行，就是系统因外界因素的干扰离开平衡状态，在外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。242.3他励直流电动机的启动和反转一、他励直流电动机的启动电路直流电动机的启动，是指直流电动机接通电

源后，转子由转速为n=0升到稳定转速nL的全过程。电动机在启动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速都随时间变化，是一个过渡过程。直流电动机启动时，必须满足以下要求：（1）启动电流不能过大，否则会大大缩短电

动机的使用寿命；（2）启动全过程中电动机的启动转矩要足够大，至少，电动机才能正常启动；（3）启动设备操作简单，运行可靠。二、他励直流电动机启动方法他励直流电动机的启动方法有全压启动、减压启动、电枢回路串电阻启动。LstTT252.3他励直流电动机的启动和反转1、全压启动全压启动又称为直接

启动，就是在直流电动机的电枢上直接接上额定电压后启动，其电路如图2-12所示。启动转矩为：图2-12他励直流电动机的全压启动电路图stTstICT=全压启动由于电枢电阻Ra很小，所以启动电流IST太大，一般可达到额定电流的（10～20）倍，容易引起电刷、换向器产生剧烈火花，从而缩短电动

机的使用寿命。过大的电流还会使电网电压急剧下降,同时，过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此全电压启动只限于额定功率几百瓦以下的小容量直流电动机。为了限制启动电流，他励直流电动机通常使用减压启动。262.3他励直流电动机的启动和

反转2、减压启动减压启动是为减小启动电流，在启动前降低电动机电枢两端的电源电压。电动机启动后，随着转速n的上升，电动势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，启动转矩也减小。要保证获得足够的启动转矩(即Tst>TL)，所以启动时通常把电流限制在（1.5～2）IN范围内，那么启动电压为aN

aststRIRIU)2~5.1(==随后电压要不断升高，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，直到升至额定电压UN后，电动机进入稳定运行状态。启动过程的机械特性如图2-13所示。图2-13减压启动的机械特性图272.3他励直流电动机

的启动和反转3、电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动是在启动时，电源电压的值保持不变，通过在电枢回路中串入启动电阻来限制启动电流，并随着转速的上升逐级将启动电阻短接切除的启动方式。他励直流电动机串二级电阻启动电路图及其机械特

性如图2-14a、b所示，其中R1、R2为各级串入的启动电阻。为了保证启动过程中既有足够大的启动转矩又要限制电流不能过大，启动过程中通常取21)0.2~5.1(ststTT=LstTT)3.1~1.1(2=282.3他励直流电动机的

启动和反转图2-14他励直流电动机串二级电阻启动a）串二级电阻启动电路b）串二级电阻启动机械特性292.3他励直流电动机的启动和反转【例2-1】一台他励直流电动机，，，，，计算：（1）采用全压启动时的启动电流。（2）采用减

压启动时的启动电压。（要求电流不超过100A）。（3）采用电枢回路串电阻启动，则启动开始时应串入多大的电阻？（要求电流不超过100A）。解：（1）（2）（3）WPN10000=VUN220=min/1500rnN=AIN8.53==286.0aR286.0220==

aNstRUIA2.769A=)286.0100(==aststRIUV6.28V=)286.0100220(−=−=astNstRIUR=914.1302.3他励直流电动机的启动和反转三、他励直流电动机的反转他

励直流电动机的反转，是通过改变磁通和电枢电流中的一个参数的方向来实现的。通常实施方法有以下两种：1．改变励磁电流方向电枢电压的极性保持不变，励磁绕组反接，导致励磁电流反向，磁通Φ随之改变，从而电磁转矩方向改变，实现电动机反转。2．改变电枢电压极性励磁绕组两端的电压极性保持不变，将电枢绕

组反接，电枢电流Ia方向改变，从而电磁转矩方向改变，实现电动机反转。312.4他励直流电动机的制动电动运行状态：是指电动机运行时其电磁转矩与转速方向一致，此时的电磁转矩称为驱动转矩。制动运行状态：是通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的转矩以阻止系统运行，简称制动，此时的电磁转矩称为

制动转矩。制动方法常用的有：能耗制动、反接制动、回馈制动。1、能耗制动能耗制动：是指电动机把拖动系统的动能转变为电能并且消耗在电枢回路的电阻上，直到电动机停止转动为止。322.4他励直流电动机的制动图2-15能耗制动的控制电路图图2-16能耗制动机械特性能

耗制动的控制电路图及机械特性分别如图2-15、2-16所示。33能耗制动时的机械特性方程式为：TCCRRnNTebka2+−=由上式可知，能耗制动的机械特性为一条过原点的直线，如图2-16中的直线2。图中，若电动机拖动反抗性负载，则工作点到达

O点时，电动机便停转。若电动机拖动位能性负载，则到达O点后，电动机将反转并加速，继续沿OC方向移动，直至到达C点作稳定的制动状态运行。能耗制动的优点是：控制线路较简单，制动减速较平稳可靠；当转速减至零时

，制动转矩也减小到零，便于实现准确停车。缺点是：随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。2.4他励直流电动机的制动1、能耗制动342、反接制动2.4他励直流电动机的制动反接制动

可分为电枢反接制动和倒拉反接制动两种方式。（1）电枢反接制动电枢反接制动：是将电枢反接在电源上，并在电枢回路中串入制动电阻的一种制动方式。电枢反接制动控制电路图及机械特性分别如图2-17、2-18所示。

电枢反接制动时的机械特性方程式为：TCCRRCUnNTebkaNeN2+−−=352.4他励直流电动机的制动（1）电枢反接制动图2-17电枢反接制动控制电路图2-18电枢反接制动机械特性362.4他励直流电动机的制动由机械特性方

程式可知，电枢反接制动的机械特性为一条过-n0的直线，如图2-18中的直线2。电枢反接制动适用于要求迅速反转、较强烈制动的场合。图中，当电动机转速降低到n=0时，如果要求停车，则必须马上切断电源。如果要求电动机反向运行，若电动机拖动反抗性恒转矩负载，当n=0时，若|T|>|T

L|，电动机将反向启动，沿特性曲线到d点，电动机稳定运行在反向电动状态。如果拖动的是位能性恒转矩负载，电动机反向转速将继续升高并沿特性曲线到e点，在反向回馈制动状态下稳定运行。（1）电枢反接制动372.4他励直流

电动机的制动倒拉反接制动：是指在负载重物的作用下，电动机被倒拉而反转运行，即下放重物，电磁转矩的方向与转速方向相反，电动机稳定在制动运行状态。（2）倒拉反接制动倒拉反接制动只适合位能性负载，一般用于要求强烈制动或要求

迅速反转的场合，通常只在小功率直流电动机上采用。反接制动的优点是：制动转矩较恒定，制动较强烈，效果很好。缺点是：需要从电网中吸收大量电能。倒拉反接制动控制电路图及机械特性分别如图2-19、2-20所示。382.4他励直流电动机的制动图2-19倒拉反

接制动的控制电路图图2-20倒拉反接制动机械特性（2）倒拉反接制动392.4他励直流电动机的制动3、回馈制动回馈制动的条件：是n>n0且|Ea|>|U|，其机械特性如图2-21所示。图中点A、B点即为回馈制动状态下的稳定运行点。

图2-21回馈制动机械特性回馈制动的优点：由于有功率回馈到电网，因而与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。回馈制动：从能量传递方向看，电机处于发电状态，电动机向电源回馈电能。402.5他励直流电动机的调速一、他励直流电动机的调速指标调速：是指为

满足不同生产工艺的要求，在所拖动的负载不变的前提下，人为地改变系统参数以调整电动机的转速。电力拖动系统的调速包括机械调速、电气调速或机电结合进行调速。机械调速：是指通过改变传动机构的速度来实现调速的方式。电气调速：是指通过改变电动机的有

关电气参数以改变拖动系统的转速的调速方式。电动机的调速指标：调速范围、静差率、平滑性、经济性、调速时电动机的容许输出等。412.5他励直流电动机的调速1、调速范围D调速范围是指在额定负载下，电动机可能运行达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比minm

axnnD=2、静差率静差率是指负载转矩变化时，转速随之变化的程度。一般表示为%100%100%000−==nnnnnN422.5他励直流电动机的调速3、调速的平滑性调速的平滑性用平滑系数来表示1−=iinn4、调速的经济性调速的经济性是指调速系统的性价比，要考虑

设备的投资和电能的消耗以及调速的效率等各个方面。5、调速时电动机的容许输出容许输出是指在调速过程中，电动机所能输出的最大功率和最大转矩。电动机运行时的实际输出功率与转矩是由电动机拖动的实际负载的大小所决定的，所以调速方法必须要满足负载的要求。432.5他励直流电动机的调速

二、他励直流电动机的调速方法1、电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速：是指保持电源电压及主磁通为额定值不变时，在电枢回路中串联附加电阻时，使电动机稳定运行于较低转速的一种调速方法。调速的方法分为三种：电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速、弱磁调速。电枢回路串电阻

调速的机械特性如图2-22所示。442.5他励直流电动机的调速1、电枢回路串电阻调速图2-22电枢回路串电阻调速的机械特性电枢串电阻调速的优点：调速方法简单，适用于小容量的电动机的调速。缺点：由于受静差率的限制，为保证拖动系统的相对稳定性，其调速范围不大；平滑性不

高；电枢电流大，因此调速过程中能耗大，经济性差。452.5他励直流电动机的调速2、降压调速降压调速：是指保持额定磁通和电枢电阻不变时，降低电枢电源电压，使理想空载转速下降，从而导致转速下降的一种调速方法。图2-23他励直流电动机降压调速的机械特性降压调速的优

点：机械特性硬度不变，调速性能稳定，调速范围广泛；调速平滑性好，可以实现无级调速；损耗小，经济性好；总的来说降压调速的性能较好，广泛应用于实际工业控制系统中。缺点：降压调速的调压电源设备比较复杂。他励直流电动

机降压调速的机械特性如图2-23所示。462.5他励直流电动机的调速3、弱磁调速弱磁调速：指保持额定电压和电枢电阻不变时，通过降低他励直流电动机的励磁电流If，使主磁通降低，导致理想空载转速和转速降都增加,在一定

负载下,转速n上升的一种调速方法。图2-24他励直流电动机弱磁调速的机械特性弱磁调速的优点：平滑性较好，可以实现无级调速；控制设备小，能耗小，经济性好。缺点：机械特性比较软，调速范围受电动机最高转速的限制，比较小，

D=1~2。他励直流电动机降压调速的机械特性如图2-24所示。472.6串励及复励直流电动机的电力拖动一、串励直流电动机的特性图2-25串励直流电动机接线图串励直流电动机接线图如图2-25所示。串励直流电动

机的励磁绕组与电枢电路串联，则励磁电流与电枢电流相等，If=Ia.1、串励直流电动机的机械特性机械特性方程式为TCCRCUCRIUCRrRIUnTeeeaepafaa2)(−=−=++−=串励直流电动机的机械特性如图2-26所示。图2-26串励、

复励直流电动机的机械特性482.6串励及复励直流电动机的电力拖动2、串励直流电动机的电力拖动（1）启动：在铁芯未饱和时，串励直流电动机的磁通Ф和电枢电流Ia成正比，又有T=CeФIa，所以电磁转矩T和Ia2成正比，而他励直流电动机和并励直流电动机的T和Ia成正比

。因此，在启动电流和额定电流之比相同的情况下，串励电动机的启动转矩倍数更大，其启动性能更好。通常工程中会在串励电动机启动时也会接入启动电阻来限制启动电流。（2）调速：串励直流电动机的调速方法与他励直流电动机大致相同，可通

过在电枢电路中串入电阻、改变磁通、改变电源电压等方法来调速。（3）制动：串励直流电动机的制动方法有反接制动和能耗制动两种。之所以没有回馈制动，是因为串励电动机的理想空载转速趋于无穷大，实际转速无法超过。（4）反转：使串励直流电动机改变转向的方法有两种，电枢绕组反接和励磁绕组反接。492.6串励

及复励直流电动机的电力拖动二、复励直流电动机的特性复励直流电动机有两个励磁绕组：与电枢绕组并联的并励绕组、与电枢绕组串联的串励绕组，其结构如图2-27所示。若两个绕组的磁通势方向相同，则称为积复励，方向相反

称为差复励。图2-27复励直流电动机的接线图积复励直流电动机综合了他（并）励、串励直流电动机的优点，当负载增加时，因串励绕组的作用，转速比并励电动机下降得多些；当负载减轻时，因并励绕组的作用，电机不会因转速过高而出现“飞车”现象，并且其启动转矩较大，启动

时加速较快，因此积复励电动机在机械生产中应用广泛。50本章小结◼电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成。◼电力拖动系统稳定运行的充分必要条件。◼直流电动机的机械特性。◼生产机械的负载特性。◼他励直流电动机启动条

件。◼常用的电气制动方法。5152