直流电机拖动概论
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第03章 直流电机的电力拖动(第1部分)PPT课件
（1）首先取转速的方向为正方向； （2）对于电磁转矩，若与相同，则取“+”；反之，若与方
向相反，则取“-”； （3）对负载转矩而言，若与方向相反，则取 “+”；方向相
同则取“-”；
根据上述正负号选取规则，式（3-3）运算结果存在下列三种情况：
1.若 Tem 时TL，则 =常n 值，系统稳态运行；
2.若 Tem 时TL，则
式中，j
n nL
TL
t
TL ( ) L
t
TL (n nL
)
TL
t j
为传动机构总的转速比； L 为工作机构输出轴的机械角速度； T L
（3-4） 为工作
机构的实际负载转矩； t 为传动机构的总效率。
（2）当生产机械驱动电动机时，传动机构的损耗是由生产机械承担的。于是有：
根据上式，折算后的负载转矩为：
15
图3.9 恒功率负载的转矩特性
实际生产机械大都是上述典型负载特性的组合。如实际的通风机负载转矩特性可表示
11
3.2 各类生产机械的负载转矩特性
定义： 生产机械的负载转矩与转速之间的关系 n 即f (T为L)生产机械的负
载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。
大多数生产机械可归纳为：
恒转矩负载 风机与泵类负载
恒功率负载
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
，dd n电t 机0 处于加速状态；
3.若 Tem 时TL，则
，dd n电t 机0 处于减速状态。
6
考虑到对实际的大多数拖动系统而言，在电机和生产机械之间存在诸如减速箱、皮 带等传动机构，构成了所谓的多轴拖动系统。在使用式（3-3）时需进行多轴系统到单轴 系统的折算，具体折算方法介绍如下：
向相反，则取“-”； （3）对负载转矩而言，若与方向相反，则取 “+”；方向相
同则取“-”；
根据上述正负号选取规则，式（3-3）运算结果存在下列三种情况：
1.若 Tem 时TL，则 =常n 值，系统稳态运行；
2.若 Tem 时TL，则
式中，j
n nL
TL
t
TL ( ) L
t
TL (n nL
)
TL
t j
为传动机构总的转速比； L 为工作机构输出轴的机械角速度； T L
（3-4） 为工作
机构的实际负载转矩； t 为传动机构的总效率。
（2）当生产机械驱动电动机时，传动机构的损耗是由生产机械承担的。于是有：
根据上式，折算后的负载转矩为：
15
图3.9 恒功率负载的转矩特性
实际生产机械大都是上述典型负载特性的组合。如实际的通风机负载转矩特性可表示
11
3.2 各类生产机械的负载转矩特性
定义： 生产机械的负载转矩与转速之间的关系 n 即f (T为L)生产机械的负
载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。
大多数生产机械可归纳为：
恒转矩负载 风机与泵类负载
恒功率负载
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
，dd n电t 机0 处于加速状态；
3.若 Tem 时TL，则
，dd n电t 机0 处于减速状态。
6
考虑到对实际的大多数拖动系统而言，在电机和生产机械之间存在诸如减速箱、皮 带等传动机构，构成了所谓的多轴拖动系统。在使用式（3-3）时需进行多轴系统到单轴 系统的折算，具体折算方法介绍如下：
电机学课件第2章直流电机电力拖动课件
调速控制电路
采用可控整流器、直流斩波器等电路实现直流电 机调速控制。
直流电机启动控制
启动方式
通过软启动、星三角启动等方式实现直流电机的平稳启动。
启动电流
启动过程中电流较大，会对电网造成冲击。
启动控制电路
采用电阻限流、电抗限流等方式实现直流电机启动控制。
直流电机制动控制
1 2
制动方式
通过能耗制动、反接制动等方式实现直流电机的 制动。
根据调速方式分类
可分为有级调速和无级调 速直流电机电力拖动系统。
直流电机电力拖动系统的特点
调速性能好
直流电机可以通过改变 输入电压或电流实现平 滑调速，具有良好的线
性调速性能。
启动转矩大
直流电机启动时能够提 供较大的转矩，适用于 需要重载启动的场合。
控制精度高
直流电机电力拖动系统 可以通过控制器实现精 确的速度和位置控制。
直流电机的工作原理
当直流电源通过电刷和换向器加在电枢绕组上时，电流在电枢绕组中产生磁场。 磁场与主磁极相互作用，产生转矩，使转子旋转。
随着转子的旋转，电枢绕组中的电流方向不断改变，以保持磁场与电流方向的同步。
直流电机的励磁方式
他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组独立，励磁 电流由外部电源提供。
自励直流电机
负载变化对温升的影响
当负载增加时，直流电机的温升也会相应增加。因此，需要合理选 择电机容量和散热方式，以避免过热。
04
直流电机电力拖动系
通过改变电枢电流、电枢电压、励磁电流等参数， 实现直流电机的调速。
调速性能
调速平滑、范围宽、效率高，但调速过程中会产 生较大的转矩波动。
生产效率。
在电力、水利、化工等产业中， 直流电机用于泵、风机等设备的
采用可控整流器、直流斩波器等电路实现直流电 机调速控制。
直流电机启动控制
启动方式
通过软启动、星三角启动等方式实现直流电机的平稳启动。
启动电流
启动过程中电流较大，会对电网造成冲击。
启动控制电路
采用电阻限流、电抗限流等方式实现直流电机启动控制。
直流电机制动控制
1 2
制动方式
通过能耗制动、反接制动等方式实现直流电机的 制动。
根据调速方式分类
可分为有级调速和无级调 速直流电机电力拖动系统。
直流电机电力拖动系统的特点
调速性能好
直流电机可以通过改变 输入电压或电流实现平 滑调速，具有良好的线
性调速性能。
启动转矩大
直流电机启动时能够提 供较大的转矩，适用于 需要重载启动的场合。
控制精度高
直流电机电力拖动系统 可以通过控制器实现精 确的速度和位置控制。
直流电机的工作原理
当直流电源通过电刷和换向器加在电枢绕组上时，电流在电枢绕组中产生磁场。 磁场与主磁极相互作用，产生转矩，使转子旋转。
随着转子的旋转，电枢绕组中的电流方向不断改变，以保持磁场与电流方向的同步。
直流电机的励磁方式
他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组独立，励磁 电流由外部电源提供。
自励直流电机
负载变化对温升的影响
当负载增加时，直流电机的温升也会相应增加。因此，需要合理选 择电机容量和散热方式，以避免过热。
04
直流电机电力拖动系
通过改变电枢电流、电枢电压、励磁电流等参数， 实现直流电机的调速。
调速性能
调速平滑、范围宽、效率高，但调速过程中会产 生较大的转矩波动。
生产效率。
在电力、水利、化工等产业中， 直流电机用于泵、风机等设备的
直流电机的电力拖动第部分
C、调速方式与负载类型旳配合
调速系统须满足下列两个准则： （1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求： Ia ；IN （2）电动机旳负载能力要尽量得到充分利用。
鉴于此，不同类型旳负载必须选择合适旳调速方式。
下面分别就不同调速方式以及多种调速方式所适合旳负载类型加以讨论。
1. 调速方式
电力拖动系统旳调速方式主要分为两大类： （1）恒转矩调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下， 保Tem持不变； （2）恒功率调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下， 保Pe持m 不变。
直流电机旳电力拖动
3.6 直流电动机旳调速
A、与调速有关旳性能指标
a、调速范围D：
定义： 调速范围定义为拖动系统旳最高转速（或速度）与最低转速（或
速度）之比，即：
b、静差率 ：
D nmax vmax nmin vmin
（3-46）
定义： 对调速系统旳静差率即转速变化率，它是指理想空载转速与额定
老式旳可调压电源可采用如图3.24所示旳发电机-电动机旋转机组方案。
图3.24 直流发电机-电动机机组旳可调直流电源 目前应用较为广泛旳是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，有关内容已在 《电力电子技术》中简介过。
2. 弱磁升速
图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时旳人工机械特征。
图3.25 励磁变化情况下旳直流电动机人工机械特征和负载特征
结论： 基速下列，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以上，
则采用恒功率调速方式。
图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中旳机械特征与负载能力曲线。
图3.27 他励直流电动机调速过程中所允许旳转矩和功率
2. 调速方式旳选择
调速系统须满足下列两个准则： （1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求： Ia ；IN （2）电动机旳负载能力要尽量得到充分利用。
鉴于此，不同类型旳负载必须选择合适旳调速方式。
下面分别就不同调速方式以及多种调速方式所适合旳负载类型加以讨论。
1. 调速方式
电力拖动系统旳调速方式主要分为两大类： （1）恒转矩调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下， 保Tem持不变； （2）恒功率调速方式：在保持 Ia 不IN变旳前提下， 保Pe持m 不变。
直流电机旳电力拖动
3.6 直流电动机旳调速
A、与调速有关旳性能指标
a、调速范围D：
定义： 调速范围定义为拖动系统旳最高转速（或速度）与最低转速（或
速度）之比，即：
b、静差率 ：
D nmax vmax nmin vmin
（3-46）
定义： 对调速系统旳静差率即转速变化率，它是指理想空载转速与额定
老式旳可调压电源可采用如图3.24所示旳发电机-电动机旋转机组方案。
图3.24 直流发电机-电动机机组旳可调直流电源 目前应用较为广泛旳是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，有关内容已在 《电力电子技术》中简介过。
2. 弱磁升速
图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时旳人工机械特征。
图3.25 励磁变化情况下旳直流电动机人工机械特征和负载特征
结论： 基速下列，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以上，
则采用恒功率调速方式。
图3.27a、b分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中旳机械特征与负载能力曲线。
图3.27 他励直流电动机调速过程中所允许旳转矩和功率
2. 调速方式旳选择
电机拖动第九章直流电动机的拖动
集成化
未来直流电动机将更加注重集成化设计，将驱动、控制和 保护等功能集成于一体，简化系统结构，提高可靠性。
市场发展前景
工业自动化
随着工业自动化程度的 不断提高，直流电动机 作为重要的动力设备， 其市场需求将持续增长。
新能源汽车
新能源汽车的发展将进 一步推动直流电动机市 场的增长，特别是在电 动汽车和混合动力汽车 领域。
地铁和轻轨
在地铁和轻轨车辆中，直流电动机作为牵引动力，确保列车安全、 高效地运行。
在家用电器中的应用
空调和冰箱
直流电动机在家用空调和冰箱中作为风机的动力源，实现空气循环 和制冷剂循环。
洗衣机和干衣机
直流电动机在洗衣机和干衣机中起到关键作用，驱动波轮或滚筒的 旋转，实现衣物的洗涤和烘干。
吸尘器和电动剃须刀
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
直流电动机还广泛应用于吸尘器和电动剃须刀等家用电器中，提供强 劲的动力和稳定的运行。
04
直流电动机的维护与保 养
日常维护保养
定期检查
定期检查直流电动机的外观、紧固件、接线端子 等，确保没有异常情况。
清洁
清洁电动机表面灰尘和杂物，保持清洁干燥，防 止腐蚀和短路。
润滑
根据电动机的润滑要求，定期加注润滑油或更换 润滑脂，保证轴承和齿轮的正常运转。
注意电动机的运行温度，避免过高或过低，影 响电动机的性能和使用寿命。
维护保养记录
建立电动机维护保养记录，记录每次维护保养的内容和时间，方便管理。
05
直流电动机的发展趋势 与展望
技术发展趋势
高效能
随着技术的不断进步，直流电动机的效率和性能将得到进 一步提升，以满足更高效、更节能的需求。
未来直流电动机将更加注重集成化设计，将驱动、控制和 保护等功能集成于一体，简化系统结构，提高可靠性。
市场发展前景
工业自动化
随着工业自动化程度的 不断提高，直流电动机 作为重要的动力设备， 其市场需求将持续增长。
新能源汽车
新能源汽车的发展将进 一步推动直流电动机市 场的增长，特别是在电 动汽车和混合动力汽车 领域。
地铁和轻轨
在地铁和轻轨车辆中，直流电动机作为牵引动力，确保列车安全、 高效地运行。
在家用电器中的应用
空调和冰箱
直流电动机在家用空调和冰箱中作为风机的动力源，实现空气循环 和制冷剂循环。
洗衣机和干衣机
直流电动机在洗衣机和干衣机中起到关键作用，驱动波轮或滚筒的 旋转，实现衣物的洗涤和烘干。
吸尘器和电动剃须刀
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
直流电动机还广泛应用于吸尘器和电动剃须刀等家用电器中，提供强 劲的动力和稳定的运行。
04
直流电动机的维护与保 养
日常维护保养
定期检查
定期检查直流电动机的外观、紧固件、接线端子 等，确保没有异常情况。
清洁
清洁电动机表面灰尘和杂物，保持清洁干燥，防 止腐蚀和短路。
润滑
根据电动机的润滑要求，定期加注润滑油或更换 润滑脂，保证轴承和齿轮的正常运转。
注意电动机的运行温度，避免过高或过低，影 响电动机的性能和使用寿命。
维护保养记录
建立电动机维护保养记录，记录每次维护保养的内容和时间，方便管理。
05
直流电动机的发展趋势 与展望
技术发展趋势
高效能
随着技术的不断进步，直流电动机的效率和性能将得到进 一步提升，以满足更高效、更节能的需求。
直流电动机的拖动概述
直流电动机的电力拖动
这类负载的特点是：不仅负载转矩的大小 （2） 位能性恒转矩负载 恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。属 于这一类的负载有起重机的提升机构
直流电动机的电力拖动
负载转矩是由重力作用产生的，无论起重机 是提升重物还是下放重物，重力作用方向始终不 变。图b为对应的机械特性曲线，显然位能性恒 转矩负载特性位于第一与第四象限内。
β为机械特性的斜率
直流电动机的电力拖动
（一）固有机械特性 二、固有机械特性和人为机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压 U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻Rs=0时，n=ƒ(T)的 机械特性，其数学表达式为：
UN Ra n T n0 N T n0 n N 2 Ce N Ce CT N
一、机械特性方程
直流电动机的电力拖动
以他励电动机为例，电动 机的电压方程
将电枢电动势和电磁转矩的 公式代入
U Ea RIa
Ea Cen
T CTIa
U R n T n 0 T n 0 n 2 Ce Ce CT
n0称为理想空载转速(T0=0)
实际空载转速 n0 U R T0 2 Ce CeCT
本章主要分析直流电机拖动系 统的运动方程、机械特性、启动、 调速及制动的原理及方法。
第二章 直流电动机的电力拖动
第一节 电力拖动系统的动力学基础 电力拖动系统是指由各种电动机作为原动 机，拖动各种生产机械，完成一定生产任务 电源 的系统。
控制设备 电动机 传动和工作机构
直流电动机的电力拖动
一、单轴电力拖动系统的运动方程式 最简单的电力拖动系统是电动机转轴与生产 机械的工作机构直接相连，称为单轴电力拖动 系统
直流电机的电力拖动
直流电机的电力拖动
一、概述
直流电机是一种常见的电动机，利用直流电流产生的磁场来实现转动。
在工业领域，直流电机的电力拖动应用广泛，包括但不限于电动车辆、机器人、工业生产线等领域。
二、直流电机的结构
直流电机通常包括定子和转子两部分。
定子上绕有电磁线圈，转子上则安装有电刷和电枢。
当电流通过电磁线圈产生磁场时，磁场与转子上的磁铁相互作用，导致转子产生转动。
三、直流电机的工作原理
直流电机的工作原理是基于洛伦兹力的作用。
当电流流过电磁线圈时，产生的磁场与磁铁相互作用，使转子受到一个力矩，从而实现转动。
这种力矩被称为电力拖动的基础。
1. 电动车辆
直流电机在电动车辆中广泛应用。
电动汽车利用直流电机将电能
转化为机械能，驱动车辆行驶。
电力拖动的优势在于高效、省时省力。
2. 机器人
机器人是另一个常见的使用直流电机电力拖动的例子。
直流电机
提供了机器人运动的动力，使其具备移动、抓取等功能。
3. 工业生产线
在工业生产线中，直流电机常用于传送带、旋转机械等设备的驱动。
通过电力拖动，提高了生产效率和精确度。
电力拖动具有高效、响应速度快、控制方便等特点。
通过调节电
流大小和方向，可以实现精准的转动控制，适用于多种工业应用。
六、结语
直流电机的电力拖动在现代工业中扮演着重要的角色，其应用范
围广泛且效果显著。
通过适当的控制和调节，直流电机可以实现高效、精准的电力拖动，推动各种机械设备的运行和发展。
电机拖动基础第2章直流电机电力拖动
TN 1>2
T
23
第2章 直流电机
3. 降低电枢端电压U U 研究条件： , N , R Ra
n
U1>U2 UN U1
Ra U n Tem n0 Tem n’0 2 Ce N CeCT N
与固有机械特性比较，特点是
n0 nN
n1 n’’0 n2
U2
①理想空载转速n0减小。 ②与固有机械特性相比，转速降 0 TN T n未变，斜率β未变，机械特性与 固有机械特性平行，属硬特性。 ③降低电枢电压主要用于电动机的起动和调速，并能保 持机械特性硬度不变。
28
第2章 直流电机
2.2.5 电力拖动系统稳定运行的条件
负载转矩特性和电动机的机械特性要有一定的配合，电力 拖动系统才能稳定运行。
n n0
a
GD 2 dn Tem TL 375 dt 稳定运行: 工作点在交点上 Tem－TL = 0，n = 常数 过渡过程: 工作点动态变化 Tem－TL ＞ 0 ，Tem－TL ＜ 0
U
R R
n0 nN n1 n2
Ra Ra+Rad1 Ra+Rad2 Rad2>Rad1
0
TN
T 21ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第2章 直流电机
与固有机械特性比较，特点是：
①理想空载转速n0未变，与固有机械特性相同。 ②与固有机械特性相比，由于电枢回路串入电 阻，斜率变大，机械特性变软。 ③电枢回路串接电阻主要用于电动机的起动 和调速。
m：系统转动部分的质量(kg) G：系统转动部分的重量(N)
：系统转动部分的转动半径(m) D ：系统转动部分的转动直径(m) g ：重力加速度(9.8m/s2)
直流电机力拖动
第卒章直洗电机的电力祗幼
•癱•攀鲁•参拳參參參參眷參•攀♦譽*春•參
第4章直流电机的电力拖动
4.1他励直流电机的机械特性 4.2他励直流电机拖动时的运行状态 4.3其他直流电机的运行机械特性 4.4
直流电机拖动系统的控制方法 小结
/ 女第什 直洗*机的*力拖幼
X 4.1他励5^流电特性 A 屯动机的机械特性记指电动机的转速/r与电磁转矩7；fnZ fj 间的关系，Wn=f（rcm）。
阻&这三个参数中的任意一个、河个或三个，所 得到的机械特性 为人为机械特性。
-七、M 直飢始*力抱切
Jk 1.电枢回路串接电阻/?e时的人为机械dv特••性善‘I 当UJ:UN，/?^/?a+/?e,电枢回路申接电阯/?e时
武的人为机械特性方程为
n =—C爲-——cecT<7c；m m
(4-7)
图4-4不同尺吋的人为机械特性
KR(l =\.5INRa = 1,5x207,5x().067 = 20.85V
fK+ 第《章 直洗奄机的*力枝动
d v • • _ ‘I
% ............ 3）电枢回路串电阻起动
A
起动屯阻：R.鉍大起动电流：
计算方法：
注意：起动电阻只在电机起动时起限制起动电流的作用， 在起动后必须切除，否则会降低机械特性硬度和电机转 速。 为保证起动平稳应采用逐级切除的方法。
。-念 ' ’ < 第《章 A 电飢的电力抱切
•拳鲁參*•參*_•⑩譽_______參
2.改变电源电压％时的人为机械特性
当加％，电枢回路不申接电阻（/?e=0），改变电源电 Hst/d时的人为机械特性方程为
(4-8)
f -七第《青 JU丸舍飢始*力抱初 i 3.改变磁
•癱•攀鲁•参拳參參參參眷參•攀♦譽*春•參
第4章直流电机的电力拖动
4.1他励直流电机的机械特性 4.2他励直流电机拖动时的运行状态 4.3其他直流电机的运行机械特性 4.4
直流电机拖动系统的控制方法 小结
/ 女第什 直洗*机的*力拖幼
X 4.1他励5^流电特性 A 屯动机的机械特性记指电动机的转速/r与电磁转矩7；fnZ fj 间的关系，Wn=f（rcm）。
阻&这三个参数中的任意一个、河个或三个，所 得到的机械特性 为人为机械特性。
-七、M 直飢始*力抱切
Jk 1.电枢回路串接电阻/?e时的人为机械dv特••性善‘I 当UJ:UN，/?^/?a+/?e,电枢回路申接电阯/?e时
武的人为机械特性方程为
n =—C爲-——cecT<7c；m m
(4-7)
图4-4不同尺吋的人为机械特性
KR(l =\.5INRa = 1,5x207,5x().067 = 20.85V
fK+ 第《章 直洗奄机的*力枝动
d v • • _ ‘I
% ............ 3）电枢回路串电阻起动
A
起动屯阻：R.鉍大起动电流：
计算方法：
注意：起动电阻只在电机起动时起限制起动电流的作用， 在起动后必须切除，否则会降低机械特性硬度和电机转 速。 为保证起动平稳应采用逐级切除的方法。
。-念 ' ’ < 第《章 A 电飢的电力抱切
•拳鲁參*•參*_•⑩譽_______參
2.改变电源电压％时的人为机械特性
当加％，电枢回路不申接电阻（/?e=0），改变电源电 Hst/d时的人为机械特性方程为
(4-8)
f -七第《青 JU丸舍飢始*力抱初 i 3.改变磁
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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
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。
12
反抗性恒转矩负载 恒转矩负载
位能性恒转矩负载
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
反抗性恒转矩负载的转矩与转速的方向总是相反，亦即负载转矩 总是阻碍电机的运动。如实际生产机械中的轧钢机。造纸机、皮带 传输机、机场的刀架平移机构等由摩擦力产生的转矩负载。
电枢反应对机 械特性的影响
2
二、固有机械特性与人为机械特性
固有机械特性：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
人为机械特性：人为改变电动机的参数所得的特性。
（一）电枢串联电阻R 时的人为机械特性
保持 U U N ,不变 ,只N在电枢回路中 串入电阻的人为机械特性：
电动机实际空载转速
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 %
越大，n越大，机械特性越软。
小－硬特性 大－软特性
当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 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。
他励直流电动 机的机械特性
8
四、电力拖动稳定运行的条件
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。
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。
9
电力拖动系统的动力学方程式
单轴电力拖动系统的示意图
单轴电力拖动系统的动力学方程式可由下式给出：
n 1.若 Tem 时T，L 则 =常值，系统稳态运行；
2.若 Tem 时T，L 则 3.若 Tem 时TL，则
，dn电机0 处于加速状态； dt ，dn电机0 处于减速状态。 dt
11
各类生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩与转速之间的关系 n 即f (T为L )生产机械的负 载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。
械特性U N U1 U 2
特点：1)n0随 U变化, 不变; 2) 不U同,曲线是一组平行线。
4
（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性
保持 特性：
R Ra不,U变，U N只改变励磁回路串联电阻
n
UN
Ce
Ra
CeCT 2
T
的人为rQ机械
N 1 2
N 1 2
特点：1）弱磁，n0增大；
2）弱磁， 增大
其中
Ce N
EN nN
UN
I N Ra nN
IN， UN及nN 为已知，Ra 可以估算（在额定负载下，电枢
~ 铜耗占电动机总损耗的1/2 2/3－经验公式）
Ra
1 2
~
2 3
U
N
IN
I
2 N
PN
6
（2）额定运行点
TN CTNIN 9.55CeNIN
（二）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
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
13
位能性恒转矩负载的转矩特性如下图所示。
位能性恒转矩负载的转矩特性
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。如实际生产机械中的 电梯、卷扬机、起重机等提升类负载。
14
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
值代入相应的人为机械特性方程式即可。
7
[例9-1 ] 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
PN
2 3
220116 1162
22000 Ω
0.174Ω
Ce N
n 0 Ea Cen 0 Isc U N Ra
堵转转矩为：
Tsc CT Isc CT U N Ra 5
三、机械特性的绘制
（一）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。
（1）理想空载点
n0
UN
Ce N
第九章 直流电动机的电力拖动
第一节 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
Ce
RCeCTຫໍສະໝຸດ 2Tn n0 TCT 9.55Ce
理想空载转速
n0
U
Ce
Tem
TL
J
d dt
其中，转动惯量 J由下式给出：
J m 2 G D2 GD2
g 4 4g
GD2 为转动部分的飞轮矩（ N ）m2，由相应手册给出
10
考虑到机械角速度 与转速 之n 间的关系： 2，n于/ 6是0 有： GD2 dn
Tem TL 375 dt
根据动力学方程式，拖动系统可能出现下列三种情况：
16
实际生产机械大都是上述典型负载特性的组合。如实际的通
风机负载转矩特性可表示为： TL T0 Kn2
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。
15
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。如实际生产 机械中的车床切削、恒张力卷取机等。车床在粗加工时切削量 大，切削阻力大，此时开低速；精加工时，切削量小，切削力 小，往往开高速。
他励直流电动机 固有机械特性
n
UN
Ce N
Ra RΩ
CeCT N 2
T
特点：1）n0不变，变大；
2） 越大，特性越软。
电枢串联电阻时 的人为机械特性
3
（二）改变电压时的人为机械特性
保持 R Ra ,不变 ，N只改变电枢电压 时的人为U 机械特性：
n
U
Ce N
Ra
CeCT N 2
T
电压不同时的人为机
大多数生产机械可归纳为： 风机与泵类负载
恒功率负载
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。
12
反抗性恒转矩负载 恒转矩负载
位能性恒转矩负载
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
反抗性恒转矩负载的转矩与转速的方向总是相反，亦即负载转矩 总是阻碍电机的运动。如实际生产机械中的轧钢机。造纸机、皮带 传输机、机场的刀架平移机构等由摩擦力产生的转矩负载。
电枢反应对机 械特性的影响
2
二、固有机械特性与人为机械特性
固有机械特性：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
人为机械特性：人为改变电动机的参数所得的特性。
（一）电枢串联电阻R 时的人为机械特性
保持 U U N ,不变 ,只N在电枢回路中 串入电阻的人为机械特性：
电动机实际空载转速
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 %
越大，n越大，机械特性越软。
小－硬特性 大－软特性
当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 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。
他励直流电动 机的机械特性
8
四、电力拖动稳定运行的条件
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。
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。
9
电力拖动系统的动力学方程式
单轴电力拖动系统的示意图
单轴电力拖动系统的动力学方程式可由下式给出：
n 1.若 Tem 时T，L 则 =常值，系统稳态运行；
2.若 Tem 时T，L 则 3.若 Tem 时TL，则
，dn电机0 处于加速状态； dt ，dn电机0 处于减速状态。 dt
11
各类生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩与转速之间的关系 n 即f (T为L )生产机械的负 载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。
械特性U N U1 U 2
特点：1)n0随 U变化, 不变; 2) 不U同,曲线是一组平行线。
4
（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性
保持 特性：
R Ra不,U变，U N只改变励磁回路串联电阻
n
UN
Ce
Ra
CeCT 2
T
的人为rQ机械
N 1 2
N 1 2
特点：1）弱磁，n0增大；
2）弱磁， 增大
其中
Ce N
EN nN
UN
I N Ra nN
IN， UN及nN 为已知，Ra 可以估算（在额定负载下，电枢
~ 铜耗占电动机总损耗的1/2 2/3－经验公式）
Ra
1 2
~
2 3
U
N
IN
I
2 N
PN
6
（2）额定运行点
TN CTNIN 9.55CeNIN
（二）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
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
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位能性恒转矩负载的转矩特性如下图所示。
位能性恒转矩负载的转矩特性
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。如实际生产机械中的 电梯、卷扬机、起重机等提升类负载。
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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
值代入相应的人为机械特性方程式即可。
7
[例9-1 ] 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
PN
2 3
220116 1162
22000 Ω
0.174Ω
Ce N
n 0 Ea Cen 0 Isc U N Ra
堵转转矩为：
Tsc CT Isc CT U N Ra 5
三、机械特性的绘制
（一）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。
（1）理想空载点
n0
UN
Ce N
第九章 直流电动机的电力拖动
第一节 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
Ce
RCeCTຫໍສະໝຸດ 2Tn n0 TCT 9.55Ce
理想空载转速
n0
U
Ce
Tem
TL
J
d dt
其中，转动惯量 J由下式给出：
J m 2 G D2 GD2
g 4 4g
GD2 为转动部分的飞轮矩（ N ）m2，由相应手册给出
10
考虑到机械角速度 与转速 之n 间的关系： 2，n于/ 6是0 有： GD2 dn
Tem TL 375 dt
根据动力学方程式，拖动系统可能出现下列三种情况：
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实际生产机械大都是上述典型负载特性的组合。如实际的通
风机负载转矩特性可表示为： TL T0 Kn2
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。
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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。如实际生产 机械中的车床切削、恒张力卷取机等。车床在粗加工时切削量 大，切削阻力大，此时开低速；精加工时，切削量小，切削力 小，往往开高速。
他励直流电动机 固有机械特性
n
UN
Ce N
Ra RΩ
CeCT N 2
T
特点：1）n0不变，变大；
2） 越大，特性越软。
电枢串联电阻时 的人为机械特性
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（二）改变电压时的人为机械特性
保持 R Ra ,不变 ，N只改变电枢电压 时的人为U 机械特性：
n
U
Ce N
Ra
CeCT N 2
T
电压不同时的人为机