第四章 他励直流电动机的运行
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他励直流电动机的运行
转矩。
二、 反接制动
（一）电压反接制动
U
电动
S
电压反接制动时接线如图所 示。开关S投向“电动”侧时，电枢 Ia
制动
I aB
RB
Ea
接正极电压，电机处于电动状态。
M
进行制动时，开关投向“制动”侧， T n TB
电枢回路串入制动电阻RB 后，接
If
上极性相反的电源电压，电枢回路
内产生反向电流：
I aB
PM Ea Ia 0 , 表明轴上输入的机械功率转变为 电枢回路电功率。
n
B
n0
A
注意：
TL C0
D
n0
Ra
TL
T
Ra RB
电动机拖到反抗性 负载时，若停车应 及时切断电源，否 则当 T TL 时会反
向启动
注意事项：
（1）反接制动转矩大――制动作用较强； （2）制动转矩大是由于电枢电流大，故制 动过程中会使电机发热，故不适合频繁制动
为了扩大调速范围，通常把降压和 弱磁两种调速方法结合起来，在额定 转速以上，采用弱磁调速，在额定转 速以下采用降压 调速。
二、恒转矩调速和恒功率调速
当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如 果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对
应的电磁转矩为额定值，则称为恒转矩调速
电枢串电阻调速和降压调速
磁通保持不变，在不同转速下保持电流不变
载的稳定速度。RB 越小,特性曲线的斜率越小,起
始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。
但制动电阻越小，制动电流越大。选 择制动电阻的原则是
I aB
Ea Ra RB
Imax
(2 ~ 2.5)IN
即：
RB
二、 反接制动
（一）电压反接制动
U
电动
S
电压反接制动时接线如图所 示。开关S投向“电动”侧时，电枢 Ia
制动
I aB
RB
Ea
接正极电压，电机处于电动状态。
M
进行制动时，开关投向“制动”侧， T n TB
电枢回路串入制动电阻RB 后，接
If
上极性相反的电源电压，电枢回路
内产生反向电流：
I aB
PM Ea Ia 0 , 表明轴上输入的机械功率转变为 电枢回路电功率。
n
B
n0
A
注意：
TL C0
D
n0
Ra
TL
T
Ra RB
电动机拖到反抗性 负载时，若停车应 及时切断电源，否 则当 T TL 时会反
向启动
注意事项：
（1）反接制动转矩大――制动作用较强； （2）制动转矩大是由于电枢电流大，故制 动过程中会使电机发热，故不适合频繁制动
为了扩大调速范围，通常把降压和 弱磁两种调速方法结合起来，在额定 转速以上，采用弱磁调速，在额定转 速以下采用降压 调速。
二、恒转矩调速和恒功率调速
当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如 果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对
应的电磁转矩为额定值，则称为恒转矩调速
电枢串电阻调速和降压调速
磁通保持不变，在不同转速下保持电流不变
载的稳定速度。RB 越小,特性曲线的斜率越小,起
始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。
但制动电阻越小，制动电流越大。选 择制动电阻的原则是
I aB
Ea Ra RB
Imax
(2 ~ 2.5)IN
即：
RB
直流他励电动机四象限运行
直流电动机四象限机械特性测试一．实验目的本实验通过对直流电动机四象限机械特性的测试时学生对直流电动机的基本特性以及四象限工作状态有更深入的了解，进而掌握直流电动机的认为特性及其在调速国策和那个中的应用方式，同时锻炼学僧的分析问题解决问题能力和独立工作的能力。
二．实验内容测试直流电动机四个象限的机械特性，包括设备选择，拖动及负载电动机的选择，调速方式，参数调整，接线以及数据测试和曲线的绘制等。
三．实验要求1）第一象限固有特性电动状态测量4个稳定工作点2）第二象限回馈状态（电压可适当降低）测量4个稳定工作点3）第二象限电动势反接制动（最大电流设为1.5倍的In）测量3个工作点4）第二象限能耗制动（最大电流设1.5In)测量三个工作点，可以接反抗性负载5）第三象限反向电动状态（类同一象限）6）第四象限能耗制动测量4个稳定工作点7）第四象限倒拉反转测量4个稳定工作点8）要求写清实验步骤，并记录数据四．实验步骤1 第一象限的固有特性1.1 实验原理在电源电压U =Un，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时，n =ƒ(T )的机械特性，其数学表达式为：特性表达式 T n TC C R C U n N T e a N e N ⋅-=Φ-Φ=β02机械转速N e N C U n Φ=0 斜率2N T e aC C R Φ=β空载1.2 实验步骤（１）按照实验接线图连接号电路，R1：电枢调节电阻（MEL-09）Rf ：磁场调节电阻（Ｍｅｌ－０９） Ｍ：直流并励电动机Ｍ０３ Ｇ：涡流测功机Ｕ１：可调直流稳压电源 Ｕ２：直流电机励磁电源Ｖ１：可调直流稳压电源自带电压表Ｖ２：直流电压表，量程为３６０ｖ档，位于ＭＥＬ－６（有的时候其实不用这个表，为了 实验的安全性和调速还是加上） Ａ：测电枢电流的安培表，ｍＡ：毫安表，位于直流电机励磁电源部（２）检查M ，G 之间是否用联轴器接好，电机导轨和MEL-13的连线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确。
他励直流电动机启动和调速原理
他励直流电动机启动和调速原理
二、他励直流电动机调速原理 他励直流电动机的调速主要通过改变电枢电压、磁通或电枢回路电阻来实 现，具体方法包括： 1、电枢电压调速：通过改变电枢电压来调节电动机的转速。电压降低，转速 也随之降低。 2、磁场调速：通过改变励磁电流来调节磁通，从而改变电动机的转速。磁通 减小，转速增加。 3、电枢回路串电阻调速：在电枢回路中串联不同阻值的电阻，通过改变电阻 值来调节电动机的转速。电阻增大，转速降低；电阻减小，转速增加。
他励直流电动机启动和调速原理 2024.12.08
他励直流电动机启动和调速原理
他励直流电动机，是指电机的励磁线圈和电枢绕组 是分开的电机，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。
一、他励直流电动机的启动原理 他励直流电动机的启动是指从静止状态加速到稳定 运行状态的过程。启动过程中需要注意以下几点： 1、起动转矩和起动电流：在启动瞬间，电磁转矩称 为起动转矩，电枢电流称为起动电流。由于电枢电阻很小，直接启动会导致 很大的起动电流，恶化等问题。因此，一般不允许直接启动，除非是小容量电动机。 2、启动方法：常用的启动方法包括： a、电枢回路串电阻起动：在电枢回路中串联电阻，以限制启动电流。随 着转速上升，逐步切除电阻，直至电动机达到稳定运行状态。 b、降压启动：通过降低启动时的电压来减小电流和电磁转矩，适用于需 要平滑启动的场合。
欢迎指正！
他励直流电机的启动原理与运行
他励直流电机的运行直流电动机的起动电动机接到规定电源后，转速从0上升到稳态转速的过程称为起动过程。
他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。
合闸瞬间的起动电流很大应尽可能的缩短启动时间，减少能量损耗以及减少生产中的损耗起动电流大的原因：１、起动开始时：n=0,Ea=CeΦn=0,２、电枢电流：Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra一般很小这样大的起动电流会引起后果：１、电机换向困难，产生严重的火花２、过大转矩将损坏拖动系统的传动机构和电机电枢３、供电线路产生很大的压降。
变频器整流回路的启动电阻结论：因此必须采取适当的措施限制起动电流，除容量极小的电机外，绝不允许直接起动起动方法：电枢串电阻启动——起动过程中有能量损耗，现在很少用，在实验室中用降压启动——适用于电动机的直流电源是可调的，投资较大，但启动过程中没有能量损耗。
直流启动器电枢串电阻起动：最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩：Tst=ＫＴΦIst启动电阻：Rst＝（UN／λi IN）－Ra为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。
有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst 也会逐步减小。
为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。
起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。
降压起动：对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流。
起动时电压Umin,起动电流Ist：Ist= Umin/Ra< λiIN启动过程中U随Ea上升逐渐上升，直到U=UN串励电动机绝对不允许空载起动。
串电阻起动设备简单，投资小，但起动电阻上要消耗能量；电枢降压起动设备投资较大，但起动过程节能。
4电机及拖动基础-他励直电的运行
-TL
C
D
0
TL
Tem
4.他励直流电动机的运行
Operation-regulation of separately excited motor
1
NEPU
4.1 他励直流电动机的启动
一、直流电动机的起动
1. 对起动性能的要求：Tst足够大，Ist尽量小（小于允许值）。 2. 起动方法： （1）直接起动 —— UN （2）电枢回路串变阻器起动—— Rst （3）降压起动——U<UN （1）直接启动：因为电机在开始起动瞬间，其速度为零， 则。由公式可以得出，必然引起过大的电枢电流，这时的电 枢电流称为堵转电流(或称为短路电流)，通常可达到电机额 定电流的10～20倍。 （2）一起动时在电枢电路中串入适当的外加电阻，限制起 动瞬间的过大起动电流。 （3）降低给电枢绕组的电压，待电机转速升高，反电势增 大，电流降低后，再逐渐增高电枢两端的外加电压。
2
NEPU
n
他励直流电动机三级电阻起动的机械特性
h f d b a
TL IL T2 I2
3
n0 nN
n3 n2 n1
Ra g e Ra Rst1 R1
c
Ra Rst1 Rst 2 R2
Ra Rst1 Rst 2 Rst3 R3
T1 I1 Tem I
NEPU
分级起动电阻的计算
P PL T TL
TL
T T
I a I N 这是一种理想的配合，转速是
电机既满足了负载要求， 从额定转速向下调，所以额定 转速为系统的最高转速。 又得到了充分利用。
22
NEPU
他励直流电动机的调速
2、恒功率负载配恒功率调速
第4章他励直流电动机的运行
GD 2 dn T TL 375 dt
n n0 T
dn n nL TM dt
n n0
n
g d b R2 a f h Ra R1 e c
nz n2 n1
0
0
Tz
Iz
T2
I2
T1
I1
T
Ia
0
t1
t2
t3
t
t1
t2 t3 t
n0
n0 n N n0
nmax nmax D nmin n0 nN nmax
nmax n N n0 1 n0
n n0
nN
n0
nmin
n N 1
nmax n N 1 nN 1
n N 3
n0 n n1
A Ra Ra+R1
Ra+R2
电磁转矩： T C t N I a 稳定运行时有： T TL 电枢电流：
TL Ia C t N C t N T
n2
0
TL
T
TL=常数时，Ia=常数
电枢回路串电阻，只能在额定转速（基速）以下调速， 一般称为由基速向下调速。 特点：① 机械特性变软，受负载波动影响大； ② 在空载或轻载时，调速范围小； ③ 有级调速； ④ 损耗大，电动机效率低。 它应用于对调速性能要求不高的场合（中、小型电机等）。
0
TL
T
TL=常数时，Ia=常数
特点：① 基速向下调速； ② 机械特性的硬度不变，速度稳定性好； ③ 可实现无级调速； ④ 损耗小，电动机效率高。
3.弱磁调速
保持U=UN不变，电枢回路不串电阻
n n 01
n0
n n0 T
dn n nL TM dt
n n0
n
g d b R2 a f h Ra R1 e c
nz n2 n1
0
0
Tz
Iz
T2
I2
T1
I1
T
Ia
0
t1
t2
t3
t
t1
t2 t3 t
n0
n0 n N n0
nmax nmax D nmin n0 nN nmax
nmax n N n0 1 n0
n n0
nN
n0
nmin
n N 1
nmax n N 1 nN 1
n N 3
n0 n n1
A Ra Ra+R1
Ra+R2
电磁转矩： T C t N I a 稳定运行时有： T TL 电枢电流：
TL Ia C t N C t N T
n2
0
TL
T
TL=常数时，Ia=常数
电枢回路串电阻，只能在额定转速（基速）以下调速， 一般称为由基速向下调速。 特点：① 机械特性变软，受负载波动影响大； ② 在空载或轻载时，调速范围小； ③ 有级调速； ④ 损耗大，电动机效率低。 它应用于对调速性能要求不高的场合（中、小型电机等）。
0
TL
T
TL=常数时，Ia=常数
特点：① 基速向下调速； ② 机械特性的硬度不变，速度稳定性好； ③ 可实现无级调速； ④ 损耗小，电动机效率高。
3.弱磁调速
保持U=UN不变，电枢回路不串电阻
n n 01
n0
他励直流电动机的调速
T TL TL Ia 电枢电流 CT N TL = 常数时，I a 常数，如果 T TL ,则 I a I N ，即 I a 因此，
稳定运行时
与电动机转速n无关。 3．弱磁调速：Φ↓ A、调速过程： UN Ra R n T Ce CeCT
U Ea I a Ra =210V+10A（1Ω）
Ts≥（1.l～1.2）TN，这样系统才能顺利起动。
他励直流电动机起动方法有两种，下面分别叙述。
4.1.1 电枢回路串电阻起动 :(如图) UN 起动电流为： I S Ra R 特点：1、根据负载TL起动条件的要求，可确定所串入电阻R的 大小，有级。 2、简单、成本低。 3、功耗大。 4.1.2降电压启动 (如图)
（B）扰动消失后→ 回原稳定点。（食堂买饭）
3 ．稳定性分析：（图2.13）
（1）(机特交点A )当干扰导致U↓ → ∵瞬间n = C、Ea = C ∴Ia↓→T↓(新的机特交点B) → TA – T0﹤0 →n↓→Ea↓→Ia↑ →T↑→(稳定在新的机特交点A’)
（2）当干扰导致U↑→ ∵瞬间n= C、Ea= C ∴Ia↑
（2）位能性恒转矩负载：电梯 （A）︱Tf ︳= C; （B）nf＞0， Tf＞0，nf＜0， Tf＞0， 2 ．泵类：风机、油泵等，（图2.10） Tf ≌ n2 3 ．恒功率负载：（图2.11） n↑→Tf↓；n↓→Tf↑； P ≌ Tf * n = C。 二、电力拖动运行的稳定条件： 1 ．交点（机特与负特）— 同解（图2.12） 2 ．扰动后仍能稳定： （A）U 变化→Tf变化→新的稳定点，而不发散；
n
返回 反抗性 恒功率 通风机
位能性
T 0
反抗性
4他励直流电动机的运行
R
Uf If
Rf
Φ/ΦN 0.758 1.1 If
220 110 90 1.1
(3)若不使电枢电流超过额定电流IN,在按(1)要 求减弱磁通的情况下,该电动机所能输出的最 大转矩为多少?
(3)解
T 9.55Ce I N
9.55 0.1054 115 115.76N m
(2)解
U S I S Ra 2 250 0.078 39V
TS 2TN 2 1833.5 3667 N m
4.2 他励直流电动机调速
调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统 的转速以满足生产实际的需要。 1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以 改变转速的方法，特点是：调速时必须停， 多为有级调速，同生活中如变速自行车原理 基本相似。
出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩
和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖 动的负载转矩和负载功率特性来决定。 实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转 矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。 如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动 机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 他励直流电动机的启动 他励直流电动机的调速 他励直流电动机的电动与制动运行 直流电力拖动系统的过渡过程
4.1 他励直流电动机的起动
3.2.1他励直流电动机的起动 起动：指电动机从静止状态转动起来。 起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速 的过程叫起动过程。
1.系统对起动的要求
电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。
降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投 资大。
n n0
图4.2 降电压启动
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解：
;
不计电枢反应时 T TN KTIa 对应＝N，Ia IaN
TN K T N IaN IaN 考虑电枢反应 T TN时，Ia K T 0.95K T N 0.95 I aN 15.6 U - Ra 220 1.3 U - R a Ia 0.95 0.95 1572 n [r / min] K e 0.95Ke N 0.95 0.133
解：a. 起动瞬间电枢是静止的，反电动势为0V，起动 电流仅受 Ra 限制
Ia U / Ra 150/ 1 150A
b. 因励磁不变，反电动势与转速成正比， 由 n 500 r / min 可得
Ce
时 Ea 50V
Ea 50 0.1[V / r / min]或[Wb] n 500
2 U N I N PN 2 220116 22000 Ra Ω 0.174Ω 2 2 3 IN 116 3
U N I N Ra Ce N 0.133V/rpm nN
理想空载点，T＝0
UN n n0 1650 rpm Ce N
T 1.1TN
1.1TN 1.1K T N IaN 1.1IaN Ia K T 0.90K T N 0.90
U - Ra
1.1I aN 15.6 1.1 220 1.3 U - R a Ia 0.90 0.90 1631 n [r / min] K e 0.90Ke N 0.90 0.133
– 当电枢电流较大时，产生去磁作用。 磁通降低，转速就要回升，机械特性 在负载大时呈上翘现象。
电枢反应 对机械特 性的影响
• 减少电枢反应对电动机机械特性的影响
– 在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动 势可以减少电枢反映的去磁作用； – 实质上变为复励电动机； – 由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反 应时的他励直流电动机相同，因此仍视为他励直 流电动机。
n n0 2 +n -n 1 B
0
T
n 500 r / min 例4-1：设某他励直流电动机Ra 1W ， 时, Ea 50V 。 如果U＝150V，计算： a. 起动电流； b. 电动机在1000r/min和1460r/min时的反 电动势； c．在1000r/min和1460r/min时的电枢电 流。
直流电动机的几个基本方程式 – 电磁转矩： – 感应电动势：
T CTI a
Ea Cen
– 电枢回路电动势平衡方程式：
U Ea I a R
– 电动机转速特性：
U Ia R n Ce
• 由此可得机械特性方程式：
U R n T 2 Ce CeCT
或 n n0 T
• 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。
固有机械特性与人为机械特性
• 电枢串电阻时的人为机械特性
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
固有机械特性
电枢串联电 阻时的人为 机械特性
• 改变电枢电压时的人为机械特性
Ra U n T 2 Ce N CeCT N
第四章 他励直流电动机的运行
4.1 他励直流电动机的启动 4.2 他励直流电动机的调速 4.3 他励直流电动机的电动和制动运行
回忆——
他励直流电动机的机械特性
机械特性方程式 固有与人为机械特性 机械特性的绘制 电力拖动稳定运行的条件 实例
机械特性方程式
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) ，
• 负载转矩TL已知
• 目标：保证电磁转矩持续较大及电流持续较小； • 电枢回路串电阻起动：一般采用多级电阻分级起动， 起动过程中起动电阻逐步切除。 • 如图4.1所示
K1
K2 Ia
n n0
Ra
R1
Ua K3
R2
Ea
R1
Ra
R1+R2 0 TL T2
Ts
T
图4.1电枢回路串电阻启动
4.1.2 降电压启动
Ia (U Ea ) / Ra (150 146) /1 4 A
例4-2 他励DCM（4_7）
PN 2.8kW, UN 220V, I N 15.5A, n N 1500 r / min
试计算其机械特性。
UN 解： 即要求 n 0 , TN ， n 0 所以需先求出Ce。 Ce UN R a IN 又 Ce ，还需先得到 R a ： nN
降低电源电压U，启动电流为
U IS Ra
负载转矩TL已知，根据启动条件要求，可
以确定U的大小； 逐渐升高电压U，直至最后升高到额定电压
n n0
A为稳定运行点
A
0
TL
TS
T
U IS Ra
例4-4 以4-2为例的他励DCM参数为例：
U U N 220V, R a 1.3W, I N 15.6A, n N 1500r / min, Ce 0.133V / r / min
• 电动机带负载后的转速降
–
• 额定转速变化率
R Δn T T 2 CeCT R ：机械特性斜率， CeCT 2
n0 nN nN % 100% nN
– 国产Z系列他励直流电动机的nN%一般为10%～18%，大容 量电动机为3%～8%。
• 电枢反应对电动机机械特性的影响
4.1 他励直流电动机的启动
他励直流电动机的起动方法
• 他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即 先通励磁电流），而后加电枢电压。 • 不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia 为 U Ea U＝Ea Ra I a＝Ke n Ra I a I a R a • 起动时n＝0， Ea 0 如直接加额定电压起动，电 UN IN 。 流启动电流 I S
– R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻 Ra和电枢串励电 阻 RW ； Ce ：电动机电动势常数， Ce=pN/(60a) ； CT ：
电动机转矩常数， CT=pN/(2pa)
CT 9.55Ce
• 理想空载转速 • 实际空载转速
U n0 Ce R n0 n0 T 2 0 CeCT
额定工作点，
T TN 9.55Ce N I N 147.3N m
电力拖动稳定运行的条件
• 主要研究：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。 • 在电力拖动运动方 程式中，当转矩T 与 Tz 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。
R a的估算：额定工况下电枢铜耗约为总损耗的50％
~75%。
2 Ia R a (0.5 ~ 0.75)(1 N )UNI N
N
PN UNIN
本例取50%计算，得：
R a 0.5(1- N )UNI N 1.3W
Ce
UN R a IN 0.133V / r / min nN U n 0 N 1650r / min Ce
他励直流电动 机的机械特性
负载特性
负载特性
电力拖动稳定运行的条件 • 稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。 • 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，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。
n 1000 r / min
时 时
Ea Cen 0.11000 100 V
n 1460 r / min
Ea Ce n 0.11460 146 V
c. 在1000r/min时，
Ia (U Ea ) / Ra (150 100) /1 50A
在1460r/min时，
• 设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或
实测数据来计算或绘制机械特性； • 对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。
• 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 其中
n0 UN Ce N
Ce N
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
– 改变电枢电压时的人为机械特性
n Ra U T 2 Ce N CeCT N
– 减弱电动机励磁时的人为机械特性
n UN Ra T 2 Ce CeCT
例题
• 一台 Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为： PN=22kW, UN=220V, IN=116A, nN=1500rpm。试绘制其机械特性。 解：
TN CTIN 9.55CeIN 19.8N m
TN CT I N
TN 9550
求得的是额定电磁转矩。
PN 求得的是额定轴上输出转矩。 nN
与上结果相差。
例4-3 对例4-2，若电枢反应使 T TN 时， 0.95N T 0.9TN 时， 0.98 N T 1.1TN 时， 0.90N 求此时的机械特性。
EN U N I N Ra nN nN
– UN 、 IN 和 nN 为已知， Ra 可实测，或通过下式估 算。 2 U I P 1
Ra ~ 2 3
N
I
N 2 N
N
– 额定工作点
TN CT N I N
CT N 9.55Ce N
人为机械特性的绘制 • 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的 参数值代入相应的人为机械特性方程式即可； – 电枢串电阻时的人为机械特性
;
不计电枢反应时 T TN KTIa 对应＝N，Ia IaN
TN K T N IaN IaN 考虑电枢反应 T TN时，Ia K T 0.95K T N 0.95 I aN 15.6 U - Ra 220 1.3 U - R a Ia 0.95 0.95 1572 n [r / min] K e 0.95Ke N 0.95 0.133
解：a. 起动瞬间电枢是静止的，反电动势为0V，起动 电流仅受 Ra 限制
Ia U / Ra 150/ 1 150A
b. 因励磁不变，反电动势与转速成正比， 由 n 500 r / min 可得
Ce
时 Ea 50V
Ea 50 0.1[V / r / min]或[Wb] n 500
2 U N I N PN 2 220116 22000 Ra Ω 0.174Ω 2 2 3 IN 116 3
U N I N Ra Ce N 0.133V/rpm nN
理想空载点，T＝0
UN n n0 1650 rpm Ce N
T 1.1TN
1.1TN 1.1K T N IaN 1.1IaN Ia K T 0.90K T N 0.90
U - Ra
1.1I aN 15.6 1.1 220 1.3 U - R a Ia 0.90 0.90 1631 n [r / min] K e 0.90Ke N 0.90 0.133
– 当电枢电流较大时，产生去磁作用。 磁通降低，转速就要回升，机械特性 在负载大时呈上翘现象。
电枢反应 对机械特 性的影响
• 减少电枢反应对电动机机械特性的影响
– 在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动 势可以减少电枢反映的去磁作用； – 实质上变为复励电动机； – 由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反 应时的他励直流电动机相同，因此仍视为他励直 流电动机。
n n0 2 +n -n 1 B
0
T
n 500 r / min 例4-1：设某他励直流电动机Ra 1W ， 时, Ea 50V 。 如果U＝150V，计算： a. 起动电流； b. 电动机在1000r/min和1460r/min时的反 电动势； c．在1000r/min和1460r/min时的电枢电 流。
直流电动机的几个基本方程式 – 电磁转矩： – 感应电动势：
T CTI a
Ea Cen
– 电枢回路电动势平衡方程式：
U Ea I a R
– 电动机转速特性：
U Ia R n Ce
• 由此可得机械特性方程式：
U R n T 2 Ce CeCT
或 n n0 T
• 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。
固有机械特性与人为机械特性
• 电枢串电阻时的人为机械特性
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
固有机械特性
电枢串联电 阻时的人为 机械特性
• 改变电枢电压时的人为机械特性
Ra U n T 2 Ce N CeCT N
第四章 他励直流电动机的运行
4.1 他励直流电动机的启动 4.2 他励直流电动机的调速 4.3 他励直流电动机的电动和制动运行
回忆——
他励直流电动机的机械特性
机械特性方程式 固有与人为机械特性 机械特性的绘制 电力拖动稳定运行的条件 实例
机械特性方程式
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) ，
• 负载转矩TL已知
• 目标：保证电磁转矩持续较大及电流持续较小； • 电枢回路串电阻起动：一般采用多级电阻分级起动， 起动过程中起动电阻逐步切除。 • 如图4.1所示
K1
K2 Ia
n n0
Ra
R1
Ua K3
R2
Ea
R1
Ra
R1+R2 0 TL T2
Ts
T
图4.1电枢回路串电阻启动
4.1.2 降电压启动
Ia (U Ea ) / Ra (150 146) /1 4 A
例4-2 他励DCM（4_7）
PN 2.8kW, UN 220V, I N 15.5A, n N 1500 r / min
试计算其机械特性。
UN 解： 即要求 n 0 , TN ， n 0 所以需先求出Ce。 Ce UN R a IN 又 Ce ，还需先得到 R a ： nN
降低电源电压U，启动电流为
U IS Ra
负载转矩TL已知，根据启动条件要求，可
以确定U的大小； 逐渐升高电压U，直至最后升高到额定电压
n n0
A为稳定运行点
A
0
TL
TS
T
U IS Ra
例4-4 以4-2为例的他励DCM参数为例：
U U N 220V, R a 1.3W, I N 15.6A, n N 1500r / min, Ce 0.133V / r / min
• 电动机带负载后的转速降
–
• 额定转速变化率
R Δn T T 2 CeCT R ：机械特性斜率， CeCT 2
n0 nN nN % 100% nN
– 国产Z系列他励直流电动机的nN%一般为10%～18%，大容 量电动机为3%～8%。
• 电枢反应对电动机机械特性的影响
4.1 他励直流电动机的启动
他励直流电动机的起动方法
• 他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即 先通励磁电流），而后加电枢电压。 • 不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia 为 U Ea U＝Ea Ra I a＝Ke n Ra I a I a R a • 起动时n＝0， Ea 0 如直接加额定电压起动，电 UN IN 。 流启动电流 I S
– R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻 Ra和电枢串励电 阻 RW ； Ce ：电动机电动势常数， Ce=pN/(60a) ； CT ：
电动机转矩常数， CT=pN/(2pa)
CT 9.55Ce
• 理想空载转速 • 实际空载转速
U n0 Ce R n0 n0 T 2 0 CeCT
额定工作点，
T TN 9.55Ce N I N 147.3N m
电力拖动稳定运行的条件
• 主要研究：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。 • 在电力拖动运动方 程式中，当转矩T 与 Tz 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。
R a的估算：额定工况下电枢铜耗约为总损耗的50％
~75%。
2 Ia R a (0.5 ~ 0.75)(1 N )UNI N
N
PN UNIN
本例取50%计算，得：
R a 0.5(1- N )UNI N 1.3W
Ce
UN R a IN 0.133V / r / min nN U n 0 N 1650r / min Ce
他励直流电动 机的机械特性
负载特性
负载特性
电力拖动稳定运行的条件 • 稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。 • 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，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。
n 1000 r / min
时 时
Ea Cen 0.11000 100 V
n 1460 r / min
Ea Ce n 0.11460 146 V
c. 在1000r/min时，
Ia (U Ea ) / Ra (150 100) /1 50A
在1460r/min时，
• 设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或
实测数据来计算或绘制机械特性； • 对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。
• 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 其中
n0 UN Ce N
Ce N
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
– 改变电枢电压时的人为机械特性
n Ra U T 2 Ce N CeCT N
– 减弱电动机励磁时的人为机械特性
n UN Ra T 2 Ce CeCT
例题
• 一台 Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为： PN=22kW, UN=220V, IN=116A, nN=1500rpm。试绘制其机械特性。 解：
TN CTIN 9.55CeIN 19.8N m
TN CT I N
TN 9550
求得的是额定电磁转矩。
PN 求得的是额定轴上输出转矩。 nN
与上结果相差。
例4-3 对例4-2，若电枢反应使 T TN 时， 0.95N T 0.9TN 时， 0.98 N T 1.1TN 时， 0.90N 求此时的机械特性。
EN U N I N Ra nN nN
– UN 、 IN 和 nN 为已知， Ra 可实测，或通过下式估 算。 2 U I P 1
Ra ~ 2 3
N
I
N 2 N
N
– 额定工作点
TN CT N I N
CT N 9.55Ce N
人为机械特性的绘制 • 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的 参数值代入相应的人为机械特性方程式即可； – 电枢串电阻时的人为机械特性