直流电机的电力拖动(3)
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第二部分(直流电机的电力拖动-思考题与习题)Word版
第二部分直流电机的电力拖动思考题与习题1、什么叫电力推拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。
2、写出电力拖动系统的运动方程式，并说明该方程式中转矩正、负号的确定方法。
3、怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？4、研究电力拖动系统时为什么要把一个多轴系统简化成一个单轴系统？简化过程要进行哪些量的折算？折算时各需遵循什么原则？5、起重机提升重物与下放重物时，传动机构损耗由电动机承担还是由重物承担？提升或下放同一重物时，传动机构的效率相等吗？6、电梯设计时，其传动机构的上升效率η<0.5，若上升时η=04，则下降=15N·m，则下降时的负载时的效率η是多少？若上升时负载转矩的折算值TL转矩折算值为多少？7、从低速轴往高速轴折算时，为什么负载转矩和飞轮矩都要减小？8、起重机提升某一重物时，若传动效率小于0.5，那么下放该重物时传动效率为负值，此时的特理意义是什么？9、生产机械的负载转矩特性常见的哪几类？何谓位能性负载？10、表1中所列各电力拖动系统的数据不全，请通过计算把空格填满，计算时忽略电动机的空载转矩。
表14 17.6 128 0.85 85 78 5.5 16.5 减速11、表2所列电动机拖动生产机械在稳态运行时，根据表中所给数据，忽略电动机的空载转矩，计算表内未知数据并填入表中。
表2生产机械切削力或重物重F,G/N切削速度或升降速度v/m·s-1电动机转速n/r·min传动效率负载转矩TL/N·m电磁转矩Tem/N·m刨床3400 0.42 975 0.80 起重机9800 提升1.4 1200 0.75下降1.4电梯1500 提升1.0 950 0.42下降1.012、如图所示的运动系统中，已知n1/n2=3,n2/n3=2, GD21=80N·m2，GD22=250N·m2，GD 23=750 N·m2，I’L=90 N·m2，（反抗转矩），每对齿轮的传支效率均为η=0.98，求折算到电动机轴上的负载转长和总飞轮矩。
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
第8章直流电机的电力拖动03
※ Ia 和
n n0
b
a
1
O
c d
TL
T
T 始终没有改变方向。
制动运 行状态
2
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
制动效果 Rb →特性 2 斜率 →下放速度 。
n n0
a
b
1
Rb 的选择 (各量取绝对值) Ua＋Ed Ra＋Rb = Iad Ua＋CEΦ nL 稳定运行 d 点 = T / CTΦ 的 E 和 Ia CTΦ = (Ua＋CEΦ nL) TL－T0
a
1
TL
T 能耗制 动运行 2
c
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
＋ Ia Ua －
T
TL M
＋ Uf － Rb
Ia E
T TL
M
＋ Uf
E
n
n
制动过程 Ia T
－
电动状态 TL M ＋ Uf －
Rb
E
n 能耗制动运行 反向起动
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
制动效果 Rb →特性 2 斜率 →制动转矩 →制动快。
（各量取绝对值）
2' (Rb小) 2 (Rb大) n b n0 b'
a
1
T'
T
O
TL
T
Rb 的选择 Ra＋Rb≥
－n0
Ua ＋Eb
Iamax
制动瞬间 b 点的 E
－ Ia Rb
＋
M
Ua
＋
c点
n n0
b
a
1
O
c d
TL
T
T 始终没有改变方向。
制动运 行状态
2
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
制动效果 Rb →特性 2 斜率 →下放速度 。
n n0
a
b
1
Rb 的选择 (各量取绝对值) Ua＋Ed Ra＋Rb = Iad Ua＋CEΦ nL 稳定运行 d 点 = T / CTΦ 的 E 和 Ia CTΦ = (Ua＋CEΦ nL) TL－T0
a
1
TL
T 能耗制 动运行 2
c
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
＋ Ia Ua －
T
TL M
＋ Uf － Rb
Ia E
T TL
M
＋ Uf
E
n
n
制动过程 Ia T
－
电动状态 TL M ＋ Uf －
Rb
E
n 能耗制动运行 反向起动
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
大连理工大学电气工程系
8.4 他励直流电动机的制动
制动效果 Rb →特性 2 斜率 →制动转矩 →制动快。
（各量取绝对值）
2' (Rb小) 2 (Rb大) n b n0 b'
a
1
T'
T
O
TL
T
Rb 的选择 Ra＋Rb≥
－n0
Ua ＋Eb
Iamax
制动瞬间 b 点的 E
－ Ia Rb
＋
M
Ua
＋
c点
电机与电力拖动基础教程第3章(3)
(0，-n0)，斜率为b，与电动状态时 电枢串入电阻RW时的人为机械特性 相平行的直线。
b
Ra RW CeCT Φ 2
第3章
返 回
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下 页
(3)电压反接制动过程 电压反接时，n不能突变，工 作点由第一象限A点平移至第 二象限B点。T＝-TB＜0，T与 TL共同作用使电机减速，直至 n＝0。反接制动过程结束。 如果电机拖动反抗性负载，n＝0时， T＝-TC＞-TL，电动机反向电动(第三 象限)直至T＝-TL(D点)，电动机稳定 运行。
第3章
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下 页
2.电动势反接的反接制动 电动势反接的反接制动仅 适用于位能性恒转矩负载， 又称倒拉反接制动或转速 反向反接制动。 (1)电动势反接制动的实现
当开关K闭合，电动机运行
于电动状态。 当开关K断开，电枢回路串 入较大电阻RW，使n＝0时， 电磁转矩小于负载转矩，电动 机反向加速，T与n反向，进 入电动势反接的反接制动运行。
Ra RW n T nC 2 CeCT ΦN
T=TL
CeCT Φ n RW Ra TL
2 N C
第3章
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5.能耗制动பைடு நூலகம்点
(1)制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电 机单独运行，把系统存储的动能或位能性负载的位能转变 成 电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+RW)。 (2)制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下降，故 低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少RW，以增大 制动转矩T ，此即多级能耗制动 C Φ n T CT ΦN I a CT ΦN e N , T n Ra RW
电机与拖动 第3章 直流电机的电力拖动
B、他励直流电动机的常用的起动方法
为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下 步骤进行：（1）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；（2） 待主磁场建立之后再加入电枢电压。
电枢回路串电阻起动
直流电机的 起动方法
降压起动
a、电枢回路串电阻起动
3.18 直流电动机人工起动器的电气原理图
B、电力拖动系统的稳定运行条件
定义： 对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电 压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一 旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称系统是稳定 的；否则，系统是不稳定的。
图3.13 电力拖动系统的稳定运行分析
电力拖动系统稳定运行的条件为：
B、多轴电力拖动系统的折算
a、折算的概念
图3.3 多轴电力拖动系统的简化
折算的原则是：确保折算前后系统所传递的功率或系统储存的动能 不变。
b、折算的方法
1) 机械机构的转矩折算
折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。现分析如下： （1）当电动机驱动机械负载时，传动机构的损耗是由电动机承担的。于是有：
TL TL Lt
根据上式，折算后的负载转矩为：
TL
TLt TLt j ( ) L
（3-5）
2）直线作用力的折算
折算时同样应考虑功率的流向问题。 图3.4给出了电机拖动起重机负载实现升降运动的示意图。
图3.4 电机带动起重机负载的示意图 （1）当重物提升时，传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有： 又
Tem n
nA
TL n
（3-15）
nA
上述结论可以通过系统的动力学方程式或上图的分析求得。其 物理意义是：当在A点处于稳定运行系统受到外部扰动使得转速增 加时，负载转矩的增加应大于电磁转矩的增加，系统才能够减速， 回到原来的运行点。此时，系统在A点处是稳定运行的。
电机拖动第三章
由图可见，位能性恒转矩负载的转矩不随转速 方向的改变而改变。无论电机正、反转，负载转 矩始终为单一方向。
B、通风机负载特性 特点:
负载转矩基本上和转速的平方成正比，
即
TL Kn
2
例：通风机、水泵及油泵等，负载转动时， 其中空气、水、油等介质对机器叶片的 阻力基本上和 2 成正比。
n
C、恒功率负载的转矩特性 恒功率负载：如 车床、恒张力卷 取机，随着卷取 直径增大，力矩 增大。但为了保 持张力不变，线 速度应不变，相 应地转速就要降 低，结果是功率 不变。
2
当电机工作在A点时，
TemA TLA
则有:
GD2 dn Tem TL 375 dt
考虑到微小增量为在A点的偏 导数乘上 n ，上式为
Tem n
nA
TL n n
nA
GD2 dn n 375 dt
整理为线性微分方程
Tem n TL n
为了简化计算，把多轴复杂系统等效成
一个单轴简单系统，方法是把电机轴后面 的传动机构和工作机构部分（如下图中虚
线框部分所示）都折算到电机轴上，用一
个等效负载来代替它，这样就可以用单轴
系统的运动方程式来研究多轴系统，这时
运动方程式为
折算
折算方向：一般是从生产机械轴向电动 机轴折算。原因是研究对象是电动机。 且电动机轴一般是高速。根据传送功率 不变的原则，高速轴上的负载转矩数值 小。 折算的原则是：确保折算前后系统所传 递的功率或系统储存的动能不变。
例3-2： 用稳定运行的概念判断图中 的A点是否为稳定运行点？
系统原在A点平衡运转
TL1 TL 2
n nA
Tem TL1
第三章 直流电动机的电力拖动
U
Ec R1
两级起动时
I1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 Rm Rm1 R2 R1
I 2 Rm1 Rm2
R1 Ra
I1 / I2 称为起动电流比
30
R1 Ra
R2 R1 Ra 2
Rm1
Rm 2
Ra
m1
Rm Rm1 Ra m
17
B、风机与泵类负载的转矩特性
通风机负载转矩与转速的大小有关，基本上与转速的平方成正比
特点： TL Kn2
通风机类负载的转矩特性
如实际生产机械中的水泵、油泵、离心式通风机等其介质 对叶片的阻力基本上与转速的平方成正比。
18
C、恒功率负载的转矩特性
特点：
TL
k
1 n
恒功率负载的转矩特性
在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比,其功率基本
恒转矩负载 大多数生产机械可归纳为： 风机与泵类负载
恒功率负载
14
各类生产机械的负载转矩特性 A、恒转矩负载的转矩特性
特点： 负载转矩不受转速变化的影响。在任何转速下，负载转矩
总是保持恒定或大致恒定。
反抗性恒转矩负载 恒转矩负载
位能性恒转矩负载
15
(1) 反抗性恒转矩负载的转矩特性如下图所示。
反抗性恒转矩负载的转矩特性
22000 Ω
0.174Ω
Ce N
UN
I N Ra nN
220 116 0.174 V/(r/min) 1500
0.133 V/(r/min)
理想空载点 Te 0
n
n0
UN
Ce N
220 r/min 1650r/min 0.133
电机与电力拖动 第3章 直流电机的基本理论讲解
3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)
3.6.1 直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）
1 电压平衡方程式
+ Ia
If +
U Ea M
U
－
－
2 转矩平衡方程式
励磁电路： U = Rf If 电枢电路： U= Ea + Ra Ia
U： 端电压；
Ea ：电枢电动势； Ra ：电枢回路电阻； Rf ：励磁回路电阻； U>Ea时：电动机； U<Ea时：发电机；
If
Ia
Ea : 感应电动势
Uf
Ea MU
Ia :电枢电流 Ra :电枢电阻 I f :绕组电流
Rf Ra
Rf :绕组电阻
他励 I I N I f Ia
U UN Ea IaRa
U UN I f Rf
Ra
If
U
M
Rf
并励
Ea
I IN I f Ia U UN Ea IaRa
P
Ea
I
；
a
n ::转机速械；角速度, (2n ) / 60；
转矩的求法：T CT Ia
CT : 转矩常数CT ( pN ) /(2a); p : 磁极对数；
Ia：电枢电流I N ;
题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min， IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电 动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的 输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。
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b
g Ra
e
c
Ra Rst 1 R1
n1
TL IL
Ra Rst 1 Rst 2 R2
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3 R3
T1 I1
1
a
T2 I2
Tem I
石家庄动
设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有： b点 R3 I 2 U N Ea 1 在已知起动电流比β和电枢电 阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为:
Ra RS UN n Tem 2 C eΦN C e CT Φ N
n
n0
β 特点：1）n0 不变， 变大；
Ra
Ra RS Tem
石家庄铁路职业技术学院信息工程系
2） β 越大，特性越软。
单元2 直流电动机的电力拖动
2、降低电枢电压时的人为特性 保持 R Ra ,Φ ΦN不变，只改变电枢电压时的人为特性：
T (4)计算额定工作点： N CT ΦN I N , n nN
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动， 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在 新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来 的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。 在A点，系统平衡 Tem TL 扰动使转速有微小增量，转速由n A T 上升到nA ，em TL。 扰动消失,系统减速，回到 A 点运行。 扰动使转速有微小下降，由 n A下降 到 n ,Tem TL 。 A
n
nA nA nA
A
Tem
0
扰动消失,系统加速，回到 A 点运行。
TL
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单元2 直流电动机的电力拖动
在B点，系统平衡 Tem TL
n 扰动使转速有微小增量，转速由nB n B 上升到n ，em TL,系统加速 。 B T 即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 B n 扰动使转速有微小下降，由 nB下降 n B ,Tem TL ,系统减速。 到 nB
Ra UN n Tem 2 C eΦ C e CT Φ
n02 n
n01
Φ2
Φ1
Φ2 Φ1 ΦN
n0
n 特点：1）弱磁， 0增大；
β 2）弱磁， 增大
ΦN
Tem
Tk 2 Tk 1 Tk
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.2.3
机械特性求取
二、人为特性的求取 一、固有特性的求取 已知 PN ,U N, I N , nN ，求两点:1）理想空载 ) 点 (Tem 0 , n n0 )和额定运行(Tem TN , n nN 。 在固有机械特性 具体步骤： 方程 n n0 βTem 1 2 U N I N PN 的基础上，根据人为 (1)估算 Ra : Ra ( ~ ) 2 2 3 IN 特性所对应的参数RS U N I N RN 或 或Φ 变化，重新 U (2)计算 C eΦN 和 CT ΦN : C e Φ N nN 计算n0 和 β ，然后得 CT ΦN 9.55CeΦN 到人为机械特性方程 UN 式。 T (3)计算理想空载点： em 0 , n0 C e ΦN
Ra UN n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性 是硬特性。 二、人为机械特性 当改变U或 Ra 或Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。
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单元2 直流电动机的电力拖动
1、电枢串电阻时的人为特性
保持 U U N ,Φ ΦN 不变,只在电枢回路中串入电阻 RS 的人为 特性
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
2.1.1 电力拖动系统的运动方程式 一、运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的 运动状态，系统的运动状态取决于作用在原 动机转轴上的各种转矩。 根据如图给出的系统（忽略空载转矩）， 可写出拖动系统的运动方程式：
单元2 直流电动机的电力拖动
二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即TL 与 n 成反比，特性曲线为一条双 曲线。
三、泵与风机类负载特性
负载的转矩TL 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。
n
n
理想的通 风机特性
实际通风 机特性
TL
TL0
TL
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N
n0 称为理想空载转速。
U R 实际空载转速 n0 T0 2 C e Φ C e CT Φ
Tem
T0
TN
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.2.2 固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性 当 U U N ,Φ ΦN , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：
m
UN I 1 Ra
m 取整数
T1 T （5）计算转矩:T2 ，校验： 2 ( 1.1 ~ 1.3 )TL β
m 如果不满足，应另选T1 或 值并重新计算，直到满足该条件为止.
（6）计算各级起动电阻。
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.3.2
降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
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单元2 直流电动机的电力拖动
2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n
S
U
S1 S 2
M
S3
nN
Tem I
n3
n0
h
f 3 d 2
b
g Ra
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源 电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐 渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在 一定的数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起 动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
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Ra U n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
n0
n
UN
n01
特点：1)n0随 U 变化, β 不变; 2)U不同,曲线是一组平行线。
U1 U N
U1
Tem
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3、减弱励磁磁通时的人为特性
保持R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻RSf 的人为特性：
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2.1.2
负载的转矩特性
负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 一、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。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 1.反抗性恒转矩负载 2.位能性恒转矩负载
n
TL
n
TL
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B
Tem
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 0 TL 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是： (1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点, 即存在 Tem TL dTem dTL (2)充分条件:在交点处,满足: 。 dn dn 或者说,在交点的转速以上存在Tem TL ,在交点的转速以下存 在 Tem TL
Rst 1 (β 1 ) Ra Rst 2 (β 1 ) βRa βRst 1 Rst 3 (β 1 ) β 2 Ra βRst 2 Rstm (β 1 ) β m 1 Ra βRstm 1
c点 R2 I1 U N Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea 2 e点 R1 I1 U N Ea 2 f点 R1 I 2 U N Ea 3 g点 Ra I1 U N Ea 3
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩Tem 与转速 n 的正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩 TL 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
GD 2 dn (3)惯性转矩 的大小和正负号由Tem 和 TL 的代数和决定。 375 dt
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U
M
Tem
Tem TL J
dΩ dt
n
TL
dΩ 其中 J 为系统的惯性转矩。 dt
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单元2 直流电动机的电力拖动
运动方程的实用形式：
GD 2 dn Tem TL 375 dt 系统旋转运动的三种状态 dn 1)当 Tem TL 或 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处 dt 于稳态。
单元2 直流电动机的电力拖动
本单元主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、 直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。 2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性 2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 2.4 他励直流电动机的制动 2.5 他励直流电动机的调速
n
b点 R3 I 2 U N Ea 1
c点 R2 I1 U N Ea1
g Ra
e
c
Ra Rst 1 R1
n1
TL IL
Ra Rst 1 Rst 2 R2
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3 R3
T1 I1
1
a
T2 I2
Tem I
石家庄动
设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有： b点 R3 I 2 U N Ea 1 在已知起动电流比β和电枢电 阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为:
Ra RS UN n Tem 2 C eΦN C e CT Φ N
n
n0
β 特点：1）n0 不变， 变大；
Ra
Ra RS Tem
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2） β 越大，特性越软。
单元2 直流电动机的电力拖动
2、降低电枢电压时的人为特性 保持 R Ra ,Φ ΦN不变，只改变电枢电压时的人为特性：
T (4)计算额定工作点： N CT ΦN I N , n nN
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2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动， 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在 新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来 的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。 在A点，系统平衡 Tem TL 扰动使转速有微小增量，转速由n A T 上升到nA ，em TL。 扰动消失,系统减速，回到 A 点运行。 扰动使转速有微小下降，由 n A下降 到 n ,Tem TL 。 A
n
nA nA nA
A
Tem
0
扰动消失,系统加速，回到 A 点运行。
TL
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在B点，系统平衡 Tem TL
n 扰动使转速有微小增量，转速由nB n B 上升到n ，em TL,系统加速 。 B T 即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 B n 扰动使转速有微小下降，由 nB下降 n B ,Tem TL ,系统减速。 到 nB
Ra UN n Tem 2 C eΦ C e CT Φ
n02 n
n01
Φ2
Φ1
Φ2 Φ1 ΦN
n0
n 特点：1）弱磁， 0增大；
β 2）弱磁， 增大
ΦN
Tem
Tk 2 Tk 1 Tk
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2.2.3
机械特性求取
二、人为特性的求取 一、固有特性的求取 已知 PN ,U N, I N , nN ，求两点:1）理想空载 ) 点 (Tem 0 , n n0 )和额定运行(Tem TN , n nN 。 在固有机械特性 具体步骤： 方程 n n0 βTem 1 2 U N I N PN 的基础上，根据人为 (1)估算 Ra : Ra ( ~ ) 2 2 3 IN 特性所对应的参数RS U N I N RN 或 或Φ 变化，重新 U (2)计算 C eΦN 和 CT ΦN : C e Φ N nN 计算n0 和 β ，然后得 CT ΦN 9.55CeΦN 到人为机械特性方程 UN 式。 T (3)计算理想空载点： em 0 , n0 C e ΦN
Ra UN n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性 是硬特性。 二、人为机械特性 当改变U或 Ra 或Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。
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1、电枢串电阻时的人为特性
保持 U U N ,Φ ΦN 不变,只在电枢回路中串入电阻 RS 的人为 特性
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2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
2.1.1 电力拖动系统的运动方程式 一、运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的 运动状态，系统的运动状态取决于作用在原 动机转轴上的各种转矩。 根据如图给出的系统（忽略空载转矩）， 可写出拖动系统的运动方程式：
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二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即TL 与 n 成反比，特性曲线为一条双 曲线。
三、泵与风机类负载特性
负载的转矩TL 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。
n
n
理想的通 风机特性
实际通风 机特性
TL
TL0
TL
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N
n0 称为理想空载转速。
U R 实际空载转速 n0 T0 2 C e Φ C e CT Φ
Tem
T0
TN
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2.2.2 固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性 当 U U N ,Φ ΦN , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：
m
UN I 1 Ra
m 取整数
T1 T （5）计算转矩:T2 ，校验： 2 ( 1.1 ~ 1.3 )TL β
m 如果不满足，应另选T1 或 值并重新计算，直到满足该条件为止.
（6）计算各级起动电阻。
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2.3.2
降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
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2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n
S
U
S1 S 2
M
S3
nN
Tem I
n3
n0
h
f 3 d 2
b
g Ra
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源 电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐 渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在 一定的数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起 动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
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Ra U n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
n0
n
UN
n01
特点：1)n0随 U 变化, β 不变; 2)U不同,曲线是一组平行线。
U1 U N
U1
Tem
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3、减弱励磁磁通时的人为特性
保持R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻RSf 的人为特性：
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2.1.2
负载的转矩特性
负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 一、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。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 1.反抗性恒转矩负载 2.位能性恒转矩负载
n
TL
n
TL
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B
Tem
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 0 TL 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是： (1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点, 即存在 Tem TL dTem dTL (2)充分条件:在交点处,满足: 。 dn dn 或者说,在交点的转速以上存在Tem TL ,在交点的转速以下存 在 Tem TL
Rst 1 (β 1 ) Ra Rst 2 (β 1 ) βRa βRst 1 Rst 3 (β 1 ) β 2 Ra βRst 2 Rstm (β 1 ) β m 1 Ra βRstm 1
c点 R2 I1 U N Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea 2 e点 R1 I1 U N Ea 2 f点 R1 I 2 U N Ea 3 g点 Ra I1 U N Ea 3
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩Tem 与转速 n 的正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩 TL 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
GD 2 dn (3)惯性转矩 的大小和正负号由Tem 和 TL 的代数和决定。 375 dt
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U
M
Tem
Tem TL J
dΩ dt
n
TL
dΩ 其中 J 为系统的惯性转矩。 dt
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运动方程的实用形式：
GD 2 dn Tem TL 375 dt 系统旋转运动的三种状态 dn 1)当 Tem TL 或 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处 dt 于稳态。
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本单元主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、 直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。 2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性 2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 2.4 他励直流电动机的制动 2.5 他励直流电动机的调速
n
b点 R3 I 2 U N Ea 1
c点 R2 I1 U N Ea1