第二章 直流电机(新)

2、充分条件：在交点处满足于：
dTem dn
dTL 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
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第四节 他励直流电动机的起动
U
一、他励直流电动机的起动方法 I a
E Ra
a
如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍，因此
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二、通风机负载特性
通风机负载特性
通风机负载的转矩与转速大小有关，基本 上与转速的平方成正比 。为反抗性负载。
TL Kn 2
属于通风机负载的生产机械有离 心式通风机、水泵、油泵等，其中空 气、水、油等介质对机器叶片的阻力 基本上和转速的平方成正比。
三、恒功率负载特性
负载转矩基本上与转速成反比，切削
n
源自文库
n0
R
CeCT
2
T
R1 Ra RΩ1 nhc nhe nec
R2
Ra
nhe
nhe
Δn
n0
n
T
CeCT 2
R
R1
Ra
nec nhe
R 2
Ra
nca nhe
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（二）解析法
在b点
I2
U
Eb R2
在c点
I1
U
Ec R1
两级起动时
I1 R2 R1 I 2 R1 Ra
lg
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[例]
R1 R1 Ra ( 1)Ra
RΩ2 R2 R1 ( 2 )Ra RΩ1
RΩm1
Rm1
Rm2
RΩm2
m
2
RΩ1
RΩm
Rm
Rm1
RΩm1
R m1 Ω1
一台他励直流电动机的铭牌数据为：型号Z-290
PN 29kW U N 440 V IN 76A nN 1000 r/min
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（二）电源反接的反接制动
断开 K1 和 K2 ， 接通 K3 和 K4
Ia
U Ea Ra RΩ
U Ea Ra RΩ
n
n0
Ra RΩ
CeCT 2
T
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电源反接的 反接制动电 路图
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三、回馈制动（或称再生制动）
（一）位能负载拖动电动机
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五、电力拖动稳定运行的条件
他励直流电动机 的机械特性
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。
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TL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
Ce CeCT 2
n n0 T
CT 9.55Ce
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理想空载转速 电动机实际空载转速
n0
U
Ce
n0
n0
R
CeCT
2
T0
电动机带负载后的转速降
Δn
R
CeCT
2
T
T
nN
%
n0 nN nN
100 %
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PN
2 3
220116 22000
1162
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 T 0
n
n0
UN
Ce N
220 r/min 1650r/min 0.133
额定点 T TN 9.55CeNIN 9.55 0.133 116 N m 147 .3N m
R2 R2 R1 1.043 0.627 0.416
R3 R3 R2 1.736 1.043 0.693
R4 R4 R3 2.889 1.736 1.153
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第五节 他励直流电动机的制动
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。
（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， Ia 60A ，求电动机反向下放转速。
（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， Ia 50A 时，转
速 n 600r/min ，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。
dn 0 dt
dn 0 dt dn 0 dt
电动机静止或等速旋转，电力拖动 系统处于稳定运转状态下。 电力拖动系统处于加速状态
电力拖动系统处于减速状态
三、运动方程式中转矩的正负符号分析
运动方程式的一般形式
T
(TL )
GD 2 375
dn dt
规定某个转动方向为正方向，则转矩T 正向取正，反向取负；阻转 矩TL 正向取负，反向取正。
他励直流电动 机的机械特性
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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。
n
UN
Ce N
Ra
CeCT N 2
T
（一）电枢串联电阻时的人为机械特性
n
UN
Ce N
Ra RΩ
CeCT N 2
T
他励直流电动 机固有机械特 性
2020年10月14日10时34分
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三、回馈制动（或称再生制动）
（一）位能负载拖动电动机
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 Ea后I a，
大部分回馈给电网（ 变为电枢回路的铜耗
U）I，a 小部分
I
2 a
( Ra
。R电Ω ) 动
电动机回馈制动电
机变为一台与电网并联运行的发电机。 路图(带位能负载)
ρ 与D——惯性半径与直径（m）
2n
60
GD2 dn T TL 375 dt
式中 GD2 称为飞轮惯量（ N m）2 ， GD 2 4gJ
375是个有单位的常数，单位为m/min.s
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1、当 T TL 2、当 T TL 3、当 T TL
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第二节电力拖动系统的负载转矩特性
在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz 与转速n 的关系 Tz=f (n) 即为生产机械的负载转矩特性。
一、恒转矩负载特性
位能性恒转 矩负载特性
反抗性恒转 矩负载特性
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（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 Ea U 的情况，亦即出现了回馈制动状 态。
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[例]一台他励直流电动机的数据如下： PN 29kW U N 440 V IN 76.2A Ra 0.393Ω nN 1050 r/min
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三、固有机械特性的绘制
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
n0
UN
Ce N
其中
Ce N
EN nN
UN
I N Ra nN
IN， UN及nN 为已知，Ra 可以估算
Ra
1 2
~
2 3
U
N
IN
电枢串联电阻
时的人为机械
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特性
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（二）改变电压时的人为机械特性
n
U
Ce N
Ra
CeCT N 2
T
（三）减弱电动机磁通时的 人为机械特性
n
UN
Ce
Ra
CeCT 2
T
N 1 2
电压不同时的人为机
械特性U N U1 U 2
n
UN
Ce
Ra
Ce
Ia
N 1 2
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R1 Ra 1.664 0.377 0.627
R2 R1 1.664 0.627 1.043
R3 R2 1.664 1.043 1.736 各分段电阻如R下4 ：R3 1.664 1.736 2.889
R1 R1 Ra 0.627 0.377 0.250
n Ra R zd T CeCnT N2
电动机
状态工
n0
A 作点
RRaa
Ra Rzd
0
TL
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Tem 若电动
机带位 能性负 载,稳定 工作点 21/38
二、反接制动
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）倒拉反接的反接制动
倒拉反接的反接 制动机械特性
电枢电路的电压平衡方程式变为 I a (Ra R ) U (Ea ) U Ea
转速反向的反接制动特性方程式为
n
n0
Ra R
CeCT
2 N
Tem
I
2 a
(
Ra
RΩ )
UI a
Ea Ia
上式表明，UI a 与 EI a两者之和消耗在电枢电路的电阻 Ra RΩ 上。
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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。 2020年10月14日10时34分
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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 转矩特性开发利用在有交点，即存在：
Tem TL
Ra 0.377 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 选择 I1 2IN 2 76A 152 A
Rm
R4
Ua I1
440 152
Ω
2.895 Ω
4
R4
4
2.895
1.664
Ra 0.377
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则各级起动总电阻如下：
直流电机一般不能直接起动。起动方法有降压起动、电枢回路串
电阻起动
电路图
特性图
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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
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
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能耗制动时的机械特性为：
机械特性方程
制动瞬 间工作
点 制动过 程工作 段
电动机拖动 反抗性负载， 电机停转。
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功率基本不变
。
TL
K n
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恒功率负 载特性
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第三节 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
T CTIa
Ea Cen
U Ea IaR n U IaR Ce
n U R T
I
2 N
PN
额定运行点
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TN CT N I N
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[例1 ] 一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：PN 22kW U N 220 V I N 116 A nN 1500 r / min
试计算其机械特性。
解
Ra
2 3
U
N
IN
I
2 N
第二章 直流电动机的电力拖动
第一节 电力拖动系统的运动方程式
一、电力拖动系统 组成
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二、电力拖动系统运动方程式
对于直线运动 对于旋转运动
dv
F Fz m dt
T
TL
J
d dt
转动惯量
J m 2 GD 2
4g
单位为 kg m2
式中 m与G——旋转部分的质量（kg）与重量（N）
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稳定运行点
不稳定运行点
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，
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Ea I a后，
大部分回馈给电网（ UI a），小部分
变为电枢回路的铜耗
I
2 a
( Ra
RΩ。) 电动
电动机回馈制动电
机变为一台与电网并联运行的发电机。 路图(带位能负载)
（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 Ea U 的情况，亦即出现了回馈制动状 态。
推广到m级起动的一般情况
I1 / I2 称为起动电流比
R1 Ra
R2 R1 Ra 2
Rm1
Rm 2
Ra
m1
R R R 2020年10月14日10时34分
m
m
m1
a
I1 Rm Rm1 R2 R1
I 2 Rm1 Rm2
R1 Ra
m Rm
Ra
lg Rm m Ra