第3章 直流电机拖动3.7-3.8
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《电机与拖动学习指导与实验教程》教学课件—03直流电动机的电力拖动
3)机械特性的绘制
1.固有特性的绘制
2.人为特性的绘制
已知 PN ,U N , I N , nN，求两点:理想空载点
(T 0, n n0) 额定运行点 (T TN , n nN ) 。
具体步骤：
（1）估算 Ra
:
Ra
(1 2
~
2 3
)
U
N
IN
I
2 N
PN
（2）计算 Ce N 和CT N :
Tst CT I st
I st
U Ea Ra
U Ra
2)降低电枢端电压起动
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用降低电源电 压或电枢回路串电阻起动。
（1）降低电源电压起动：
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
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。
解：1.固有特性表达式
根据 ： PN ,U N , I N , nN
具体步骤：
（1）计算 Ra :
Ra
1 2
~
2 3
U
N
IN IN
2
PN
1 2
220
210 40103 2102
0.07
（2）计算 Ce N :
Ce N
UN
I N Ra nN
220
210 0.07 750
0.2737
Ia
减弱，n0 U N Ce 增大,堵转电流 Ik U N Ra 常值。
n
n02 n
2
n01 2
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：
《电机拖动与控制》电子教案 第3 章 直流电动机及其控制线路
• 当线圈转过180°之后,换向片E转至与A 刷接触,换向片F转至与B刷 接触。电流由正极经换向片F流入,导体cd中电流由d流向c,导体ab中 电流由b流向a,由换向片E经A 刷流回负极。用左手定则判定,电磁转 矩仍为顺时针方向,这样电动机就沿着一个方向连续选择下去。
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３.１ 直流电机的基本工作原理
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３.１ 直流电机的基本工作原理
• 2. 直流电动机的用途 • 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能,常应用于对启动和调速
有较高要求的场合,如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电 梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动机 自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机车和大型起重机等 生产机械中。如图3.3所示。
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3.2 直流电机的基本结构与铭牌
• 2)换向极 • 换向极由铁芯和套在铁芯上的绕组构成,直流电机的基本工作原理
• 直流电动机工作时接于直流电源上,如A 刷接电源负极,B 刷接电源正 极,则电流从B 刷流入,经线圈abcd,由A 刷流出。图3.4所示之瞬间,在 S极的导体ab中电流是由a到b;在N 极的导体cd中电流方向是由c到d 。根据电磁感应定律可知,载流导体磁场中要受到力的作用,其方向可 由左手定则判定。此瞬间导体ab所受电磁力方向向上,导体cd所受电 磁力方向向下,这样就在线圈abcd上产生一个转矩,称为电磁转矩,该 转矩的方向为顺时针方向,使整个电枢顺指针方向旋转。
• 由此可知,加在直流电动机上的直流电源通过换向器和电刷在电枢线 圈中流过的电流方向是交变的,而每一极性下的导体中的电流方向始 终不变,因而产生单方向的电磁转矩,使电枢向一个方向旋转。这就是 直流电动机的基本工作原理。
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３.１ 直流电机的基本工作原理
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３.１ 直流电机的基本工作原理
• 2. 直流电动机的用途 • 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能,常应用于对启动和调速
有较高要求的场合,如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电 梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动机 自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机车和大型起重机等 生产机械中。如图3.3所示。
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3.2 直流电机的基本结构与铭牌
• 2)换向极 • 换向极由铁芯和套在铁芯上的绕组构成,直流电机的基本工作原理
• 直流电动机工作时接于直流电源上,如A 刷接电源负极,B 刷接电源正 极,则电流从B 刷流入,经线圈abcd,由A 刷流出。图3.4所示之瞬间,在 S极的导体ab中电流是由a到b;在N 极的导体cd中电流方向是由c到d 。根据电磁感应定律可知,载流导体磁场中要受到力的作用,其方向可 由左手定则判定。此瞬间导体ab所受电磁力方向向上,导体cd所受电 磁力方向向下,这样就在线圈abcd上产生一个转矩,称为电磁转矩,该 转矩的方向为顺时针方向,使整个电枢顺指针方向旋转。
• 由此可知,加在直流电动机上的直流电源通过换向器和电刷在电枢线 圈中流过的电流方向是交变的,而每一极性下的导体中的电流方向始 终不变,因而产生单方向的电磁转矩,使电枢向一个方向旋转。这就是 直流电动机的基本工作原理。
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
电机与拖动-第3章直流电机电力拖动
G
2013-9-11 5
第3章 直流电机电力拖动 3.1.3 电力拖动系统的运动方程式 1. 单轴电力拖动系统的运动方程
研究运动方程,以电动机的轴为研究对象。电动机运行时 轴的受力如图示。 T T
0 2
电动机
生产机械
Tem
轴
TL
Tem
n
d Tem－TL= J dt
Tem：电动机的电磁转矩( N.m ); TL：负载转矩( N.m ); J：电动机轴上的总转动惯量( N.m.s2); ：电动机转子角速度(rad/s)。
Te
O
TL
稳定运行必须满足Tem=TL，且能抗干扰
2013-9-11 28
第3章 直流电机电力拖动 稳定运行时，若产生了干扰，原来的平衡状态 被破坏，系统进入动态调整过程；当干扰消失 后，系统若回到干扰产生前的状态，则该系统 为稳定的。
n n0
干扰使 TL
a
a
n → Tem → a 点。 干扰过后 Tem＞TL →n →Tem →Tem = TL → a 点。
2013-9-11
27
第3章 直流电机电力拖动 3.2.5 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。 2
n n0
a
GD dn Tem TL 375 dt 稳定运行:——工作点在交点上 Tem－TL = 0，n(Ω) = 常数 过渡过程:——工作点动态变化 Tem－TL ＞ 0 ，Tem－TL ＜ 0
机械特性方程变为 n U N Ra Rad T n T em 0 em n Ce N CeCT 2 N n0 nN n1 n2
第3章 直流电机的电力拖动(3)
降低电源电压只能在额定转速 （又称为基速）以下调速。
15
P n n 1 p 1 (1 ) P n0 n0 1
由于调压调速在低速时n0也变小，所以效率较串电阻调 速要高。 优点： （1）调速平滑性好，可实现无级调速； （2）机械特性硬度不变，转速稳定性好； （3）调速效率高； 缺点：调压电源设备投资较高。
14
b、降低电源电压降压降速
图3.23给出了他励直流电动机降低电源电压时的人工机械特性以及恒 转矩负载的转矩特性。
Ra U1 Ia n Ce C e
切换瞬间，n不能突变！
Te CT I a
GD 2 dn Tem TL 375 dt
图3.23 降低电源电压情况下的 人工机械特性和负载特性
第3章 直流电机的电力拖动（3）
电气工程教研室
1
3.6
概述及定义
直流电动机的调速
1、什么是调速？为什么需要调速？ 为提高劳动生产率，确保产品质量，被拖动的 生产机械根据工艺要求需要电动机在运行中能 调节转速。 例子：轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢 材时，就必须有不同的工作速度以保证生产的 需要。这种人为改变速度的方法称为调速。
n
1
Ce
a
Ce
Ia
切换瞬间，n不能突变！
Te CT I a
GD 2 dn Tem TL 375 dt
结论： （1）随着电枢回路电阻的增加，理 想空载转速不变，机械特性的硬度 变软，导致转速下降。 （2）电枢回路串电阻只能在额定转 速（又称为基速）以下调速。 12
图3.22 电枢回路串电阻情况下的 人工机械特性和负载特性
25
b、假若恒功率负载选择恒转矩调速方式（见图3.28b）。
第3章 直流电机的电力拖动-1
图3.15 直流电机的传递函数框图（电枢控制方式）
图3.15 直流电机的传递函数框图（电枢控制方式） 根据图3.15可分别求出传递函数为：
( s) U1 ( s) T
CT La Js ( La B1 JR)s RB1 CeCT
2
（3-21）
L 0
( La s R ) ( s ) TL ( s ) U 0 La Js 2 ( La B1 JR ) s RB1 CeCT 1
工作机构
4. 多轴旋转运动加升降运动系统
G
3.1 电力拖动系统的动力学方程式
A、单轴电力拖动系统的动力学方程式
研究运动方程,以电动机的轴为研究对象。电动机运行时 轴的受力如图示。 T0 T2
电动机
生产机械
Tem
轴
n
TL
Tem
n T0+T2=TL
d Tem－TL= J dt
在工程计算中,常用n代替 表示系统速度，用飞轮力矩 GD2代替J表示系统机械惯性。
对于实际电力拖动系统，考虑到 （1）电机可能正、反转运行； （2）电机可能运行在电动机或发电机运行状态； （3）负载转矩也可能由上升过程中的制动性变为下降过程中的驱 动性转矩。
正负号一般按如下惯例选取：
（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“-”；
B、风机与泵类负载的转矩特性
通风机型负载的方向特点是 属于反抗性负载；大小特点是 负载转矩的大小与转速 n 的平方 成正比，即 TL Kn 2
式中 K——比例常数 常见的这类负载如风机、 水泵、油泵等。负载特性曲线率负载的转矩特性
电机原理及拖动第三章
n 3 C D A 1 2 B
电网电压波动时稳定分析： 右图1为负载机械特性；2、 3为电压波动前后的电动机 机械特性。
T TL 电机原理及拖动
原在A点运行，转速为nA n 3 在A点 T=TL 无加速转矩 C dn/dt =0，系统在A点稳定 D B A 运行。 2 如电源电压突然升高： 1 T TL 瞬间A B，nA=nB Ia=（U- Ea）/Ra T >TL n Ia ( T ) 当上升到C点时T=TL 达到新的平衡,此时n=nc 当于拢消失,系统将由C到D A回到原工作点. 故该系统能稳定运行.A点是稳定的工作点.
Ia=(U-Ea)/Ra
n ФN>Ф2>Ф1
C B A
Ф1 ФN
T/
Ф2
TL
T=CT ФIa(Ia增加多于Ф的减少)>TL 点稳定.T=TL 但Ia增加了.
n 到C
特点:1.弱磁调速只能在基速以上的范围内调节. 即.n nN
电机原理及拖动
2.在电流较小的励磁回路内进行调节,控制方便， 功耗小. 3.便于实现无机调速. 4.由于转速越高,电机换向困难,机械强度也不准许 转速太高.一般升到1.2～1.5nN,特殊电机3～4 nN, 在实际生产中,通常把降压调速和弱磁调整结合 起来使用,以实现双向调速.扩大调速范围. 三、调速的性能指标 用性能指标来比较各种调速方法的优劣. 主要的调速指标: 1.调速范围D nmax,nmin为在额定 nmax D 负载时的数值. n
在第二象限内：n> 0,且n> n0, 所以Ea>0,且Ea>U,电枢电流
U Ea Ia 0 Ra Rc
T=CT ФIa 改变方向， 且与n相反
成为阻碍运动的制动转矩。Ia与Ea方向一致，电机输出能 量，电源吸收能量。 在第三象限内：n<0,电机反转，Ea<0,变为与U同方向 T>0,与n反方向 U Ea Ia 0 成为制动转矩 Ra Rc 二、固有机械特性及人为机械特性 （一）固有机械特性 条件：U=UN、Ф= ФN、R=Ra即为额定参数时
电网电压波动时稳定分析： 右图1为负载机械特性；2、 3为电压波动前后的电动机 机械特性。
T TL 电机原理及拖动
原在A点运行，转速为nA n 3 在A点 T=TL 无加速转矩 C dn/dt =0，系统在A点稳定 D B A 运行。 2 如电源电压突然升高： 1 T TL 瞬间A B，nA=nB Ia=（U- Ea）/Ra T >TL n Ia ( T ) 当上升到C点时T=TL 达到新的平衡,此时n=nc 当于拢消失,系统将由C到D A回到原工作点. 故该系统能稳定运行.A点是稳定的工作点.
Ia=(U-Ea)/Ra
n ФN>Ф2>Ф1
C B A
Ф1 ФN
T/
Ф2
TL
T=CT ФIa(Ia增加多于Ф的减少)>TL 点稳定.T=TL 但Ia增加了.
n 到C
特点:1.弱磁调速只能在基速以上的范围内调节. 即.n nN
电机原理及拖动
2.在电流较小的励磁回路内进行调节,控制方便， 功耗小. 3.便于实现无机调速. 4.由于转速越高,电机换向困难,机械强度也不准许 转速太高.一般升到1.2～1.5nN,特殊电机3～4 nN, 在实际生产中,通常把降压调速和弱磁调整结合 起来使用,以实现双向调速.扩大调速范围. 三、调速的性能指标 用性能指标来比较各种调速方法的优劣. 主要的调速指标: 1.调速范围D nmax,nmin为在额定 nmax D 负载时的数值. n
在第二象限内：n> 0,且n> n0, 所以Ea>0,且Ea>U,电枢电流
U Ea Ia 0 Ra Rc
T=CT ФIa 改变方向， 且与n相反
成为阻碍运动的制动转矩。Ia与Ea方向一致，电机输出能 量，电源吸收能量。 在第三象限内：n<0,电机反转，Ea<0,变为与U同方向 T>0,与n反方向 U Ea Ia 0 成为制动转矩 Ra Rc 二、固有机械特性及人为机械特性 （一）固有机械特性 条件：U=UN、Ф= ФN、R=Ra即为额定参数时
第3章直流电动机
功率流程图：
Pcua= Ia2Ra
P0= pm+ pFe
P1= UIa PM= EaIa
P2
pf
图3-4 他励直流电动机功率流程图
3.2 负载的机械特性
生产机械工作机构的负载转矩TL与转速之间的关系，即n=f(TL) 称为负载的机械特性。也就是负载的转矩特性，简称负载特性。
3.2.1 恒转矩负载的机械特性
用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生 产任务的过程称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力 拖动。电力拖动系统包括：电动机、传动机构、工作机构、控 制设备和电源五个部分。
电源
控制设备
电动机
传动机构
图3-1 电力拖动系统的组成
工作机构
3.1.1 电力拖动系统简介
2.电力拖动系统的运动方程
U M
T n
TL
F图3-2 单轴电力拖动
2.电力拖动系统的运动方程 系统旋转运动的三种状态
1)当 T = TL 于稳态。
或
dn dt
=
0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处
2)当 T 3)当 T
> TL
或
dn dt
>
0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。
< TL或
dn < 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
3.3.3 人为机械特性
n
n02
Φ2
n01
Φ1
n0
ΦN
0
T
图3-12 减弱磁通人为机械特性
对于一般电机，当Ф ＝Ф N时，磁路已经饱和，再增加磁 通已不容易，所以人为机械特性一般只能在Ф ＝Ф N的基础上 减弱磁通。
第三章电机拖动.
U*
n
+
ASR U*i
+
n
1/Ce
Ks
- Un
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图
—转速反馈系数; —电流反馈系数
限幅电路
R R 11
C1C1 M
VD VD1 Rlim R VD2 VD 2
+ RP1 Uex RP2 -
R0 Uin R 0
0
+
+
0 0
0
0
N
二极管钳位的外限幅电路
限幅电路（续）
Id n IdL
Idm n IdL
Idcr
O
t
Ot b) 理想的快速起动过程 Nhomakorabeaa) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统
图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形
3.1.1
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节 器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间
第 3 章
转速、电流反馈控制直流调速系统
内容提要
转速、电流反馈控制直流调速系统组成及其静 特性；
转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型 和动态过程分析；
转速、电流反馈控制直流调速系统的设计
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性 1. 问题的提出 2. 理想的起动过程
Id Idm
B
O IdN Idm Id
（1）转速调节器不饱和
* Un U n n n0
U i* U i I d
式中， —— 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得