電機拖動第3章2

第3章直流電動機的電力拖動3.1直流電動機的起動——重點3.1.1直接起動3.1.2電樞回路串電阻起動3.1.3降低電樞電壓起動3.2直流電動機的調速——重點3.2.1電樞串電阻調速3.2.2改變電樞電源電壓調速3.2.3弱磁調速3.2.4調速的性能指標第3章直流電動機的電力拖動3.3直流電動機的制動——重點、難點3.3.1能耗制動3.3.2反接制動3.3.3倒拉反轉制動3.3.4回饋制動3.4直流電動機的各種運行狀態(tài)3.4.1電動運行狀態(tài)3.4.2制動運行狀態(tài)3.2直流電動機的調速許多生產機械運行時對拖動它的電動機轉速有不同的要求車床切削工件精加工——高轉速粗加工——低轉速

龍門刨床刨切：刀具切入和切出工件——較低速度中間一段切削——較高速度工作臺返回——高速度

系統(tǒng)運行的速度需要根據(jù)生產機械工藝要求而進行人為調節(jié)3.2直流電動機的調速什么叫調速？調節(jié)電動機的轉速，簡稱為調速調速方法分類機械調速：改變傳動機構速比電氣調速：改變電動機參數(shù)電氣——機械調速：兩種方法混合調速本節(jié)介紹電氣調速方法以及調速性能調速時必須停多為有級調速調速時不需停車可實現(xiàn)無級調速3.2直流電動機的調速調速要求：能調節(jié)轉速轉速調節(jié)范圍寬調節(jié)平穩(wěn)運行可靠調速方法簡單、經(jīng)濟人為改變電動機的機械特性可以達到調速目的3.2直流電動機的調速根據(jù)固有機械特性表達式：

可知，調速方法也有三種：電樞串電阻調速改變電樞電源電壓調速弱磁調速n0nTLT0ABCDnn1n2n3負載特性不能改變3.2.1電樞串電阻調速R越大，β越大△n越大，導致

n越低基速：通常把電動機運行于固有機械特性上的轉速，稱為基速調速方向：只能在基速與零轉速之間調節(jié)Ra+R1Ra+R2R1<R2n0nTLT0Ra圖3.3電樞串電阻調速AA1A23.2.1電樞串電阻調速思考：電樞回路串電阻調速時如果拖動恒轉矩負載電動機運行在不同轉速

n，n1或n2上時電動機電樞電流Ia的大小變化嗎？答案：不管電樞回路串多大電阻電動機運行在多大轉速下電動機電樞電流Ia的大小是不變的證明：

串電阻調速適用恒轉矩負載電動機勵磁磁通保持恒定，即并忽略電樞反應去磁效應的情況下電磁轉矩

穩(wěn)定運行時

電樞電流

因此

如果則即Ia與電動機轉速n無關證明：

串電阻調速適用恒轉矩負載可見電動機勵磁磁通保持恒定并忽略電樞反應去磁效應的情況下電樞電流Ia

的大小僅取決于負載轉矩TLTL大，Ia也大TL小，Ia也小TL不變，Ia也不變因此，電樞串電阻調速適用的負載類型：恒轉矩負載3.2.1電樞串電阻調速優(yōu)點：設備簡單、調節(jié)方便缺點：調速平滑性差，一般為有級調速調速效率較低轉速穩(wěn)定性差串入的電阻越大，斜率越大，機械特性越軟低速運行時，負載變動盡管不大卻會引起轉速較大的變化pCua=Ia2(Ra+R)Ia較大，R容量也較大電阻值不易連續(xù)調節(jié)3.2.2改變電樞電源電壓調速U越低，n0越低導致n越低調速方向：只能在基速與零轉速之間調節(jié)TLT0n圖3.4改變電樞電源電壓調速AA1A2思考：上一節(jié)講電樞回路串電阻調速時如果拖動恒轉矩負載不管電樞回路串多大電阻，電動機運行在多大轉速電動機電樞電流Ia的大小是不變的那么，改變電樞電源電壓調速時如果拖動恒轉矩負載，電動機運行在不同轉速上時電動機電樞電流Ia的大小變化嗎？答案：分析同理，也是不變的因此，適用負載類型：恒轉矩負載3.2.2改變電樞電源電壓調速優(yōu)點：調速平滑性好，可實現(xiàn)無級調速調速效率高轉速穩(wěn)定性好

缺點：所需的可調壓電源設備投資較高適用負載類型：恒轉矩負載例題3-2(P49)例題3-2(P49)一臺他勵直流電動機的額定功率PN=125kW，額定電壓UN=220V額定電流IN=630A，額定轉速

nN=1000r/min電樞回路總電阻

Ra=0.01484Ω電動機帶動額定負載運行若要求轉速調到420r/min，求：（1）采用電樞串電阻調速時，電樞回路需串入多大電阻？該轉速下電動機的效率？（2）采用改變電樞電源電壓調速時，電樞電源電壓應調到多少伏？電動機的效率？例題3-2(P49)解：（1）電樞回路串入電阻值及效率的計算例題3-2(P49)效率的計算教材：9550——不合適例題3-2(P49)（2）電樞電源電壓及效率的計算或3.2.3弱磁調速Φ越低，n0與

β越大導致n越高調速方向：在基速與電動機所允許的最高轉速（一般約為1.2nN）之間進行調節(jié)TLT0n圖3.5弱磁調速AA1A2考慮磁飽和時的機械特性曲線T↑

→Ia↑由于有電樞反應產生去磁作用，使Φ↓可使機械特性曲線下降程度減小甚至成水平或上翹的曲線曲線上翹對電動機穩(wěn)定運行不利T0n思考：前兩節(jié)講電樞回路串電阻調速改變電樞電源電壓調速時如果拖動恒轉矩負載，電動機運行在不同轉速上時電動機電樞電流

Ia的大小都是不變的那么，弱磁調速時如果拖動恒功率負載，電動機運行在不同轉速上時電動機電樞電流Ia的大小變化嗎？答案：Ia的大小仍是不變的證明：

弱磁調速適用恒功率負載弱磁調速時，不論在什么轉速上運行，電動機的轉速與轉矩為：則電動機的電磁功率為證明：

弱磁調速適用恒功率負載如果電動機拖動的是恒功率負載，即則有如果則即Ia與電動機轉速

n無關因此，適用負載類型：恒功率負載3.2.3弱磁調速優(yōu)點：設備簡單、調節(jié)方便調速平滑性好調速效率較高轉速穩(wěn)定性較好缺點：勵磁過弱時，機械特性的斜率大，轉速穩(wěn)定性差拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大適用負載類型：恒功率負載證明：弱磁調速拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大電動機拖動的是恒轉矩負載電磁轉矩T=CTΦIa

穩(wěn)定運行時

T=TL

電樞電流

Ia=TL/（CTΦ）因此，弱磁調速時，Φ

↓為保證TL=C，Ia↑弱磁調速前，如果

TL=TN，此時Ia=IN

弱磁升速后，Ia↑，使得

Ia>IN，導致過載因此，弱磁調速拖動恒轉矩負載時，可能會使

Ia過大這意味著，弱磁調速不適合拖動恒轉矩負載說明：在直流電力拖動系統(tǒng)中，廣泛地采用改變電樞電源電壓調速弱磁調速優(yōu)點：可以得到很寬的調速范圍在調速范圍之內的任何轉速上運行調速時損耗較小，運行效率高能很好地滿足生產機械對調速的要求相結合的調速方法例題3-3(P51)例題3-3(P51)一臺他勵直流電動機的額定功率PN=90kW，額定電壓UN=440V額定電流IN=224A，額定轉速

nN=1500r/min電樞回路總電阻

Ra=0.0938Ω電動機拖動負載轉矩TL=0.75TN運行若要求轉速升高到1800r/min，求：（1）采用弱磁調速時，磁通應減少到額定磁通量的多少倍？該轉速下電樞電流為多少？（2）若所拖動負載轉矩不變，當電樞電流最大不超過額定電流時，弱磁升速的最高轉速為多少？例題3-3(P51)解：（1）弱磁調速時磁通及電樞電流的計算例題3-3(P51)因為所以即舍去例題3-3(P51)（2）最高轉速的計算3.2.4調速的性能指標1．調速范圍2．靜差率（或稱轉速變化率）

——轉速相對穩(wěn)定性3．調速的平滑性4．恒轉矩調速方式和恒功率調速方式5．調速的經(jīng)濟性1．調速范圍定義指電動機在額定負載下調速時其最高轉速nmax與最低轉速

nmin之比用D表示表達式說明電動機

nmax受電動機的換向及機械強度限制nmin受轉速相對穩(wěn)定性（即靜差率）要求的限制1．調速范圍不同的生產機械對調速范圍要求也不相同例如：車床：D=20~120；龍門刨床：D=10~40機床進給機構：D=5~200；軋鋼機：D=3~120造紙機：D=3~20對于一些經(jīng)常輕載運行的生產機械例如精密機床等可用實際負載時的最高轉速和最低轉速之比計算調速范圍D2．靜差率（轉速變化率）

——轉速相對穩(wěn)定性定義指電動機在同一條機械特性上額定負載時的轉速降落

ΔnN

與該機械特性的理想空載轉速

n0

之比用δ

表示靜差率表達式式中，nN

為額定負載轉矩

TL

=TN時的轉速2．靜差率（轉速變化率）

——轉速相對穩(wěn)定性靜差率

δ越小，轉速的相對穩(wěn)定性越好負載波動時，轉速變化也越小生產機械調速時，為保持一定的穩(wěn)定程度要求靜差率

δ小于某一允許值

不同的生產機械，其允許的靜差率是不同的如：普通機床

δ≤30%；起重類機械

δ≤50%精密機床

δ≤1%～5%；精度高的造紙機δ≤0.1%圖3.6不同機械特性的靜差率△n1△n2△n30TNTnn0nN=nmax123串電阻，n0相同特性越硬，δ越小，相對穩(wěn)定性越好降電壓，硬度相同n0越小，δ越大，相對穩(wěn)定性越差說明希望電力拖動系統(tǒng)調速范圍

D越大越好靜差率

δ

越小越好——相對穩(wěn)定性越好但

D與

δ

的取值經(jīng)常會出現(xiàn)矛盾例如，對于改變電樞電源電壓的調速方式而言D與

δ

的關系為：證明

證明：設圖3.6中曲線3為對應最低電樞電源電壓的機械特性曲線，則其靜差率為而又

∴3．調速的平滑性定義指相鄰兩級轉速的接近程度用平滑系數(shù)φ表示表達式說明平滑系數(shù)

φ越接近1，說明調速的平滑性越好無級調速：調速連續(xù)，級數(shù)趨于無窮，平滑性最好有級調速：調速不連續(xù)，級數(shù)有限，平滑性較差4．恒轉矩調速方式

和恒功率調速方式額定運行是電機最佳運行方式容許輸出轉矩和功率：指電動機在某一轉速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉矩和功率電動機在額定轉速下容許輸出的功率主要取決于電機的發(fā)熱而發(fā)熱又主要取決于電樞電流在調速過程中，只要在不同轉速下

Ia<IN，其發(fā)熱不會超過允許的限度因此，額定電流是電機長期工作的利用限度充分利用：指在一定的轉速下電動機的實際輸出轉矩和功率達到它的容許值，即電樞電流達到額定值（1）定義當電動機調速時在不同的轉速，電樞電流能否總保持為額定值即電動機能否在不同轉速下都得到充分利用這個問題與調速方式和負載類型的配合有關以電機在不同轉速，都能得到充分利用為條件他勵直流電動機的調速可分為恒轉矩調速方式恒功率調速方式①恒轉矩調速方式指在某種調速方法中在保持電樞電流Ia=IN不變的前提下若該電動機允許輸出的電磁轉矩也恒定不變則稱這種調速方式為恒轉矩調速方式此種調速方式的磁通

Φ

不隨轉速的改變而改變顯然電樞串電阻調速改變電樞電源電壓調速屬于恒轉矩調速方式T=CTΦIa=C①恒轉矩調速方式電樞串電阻調速和降壓調速時磁通Φ

=ΦN

保持不變若在不同轉速下保持電流Ia=IN不變，即電機得到充分利用容許輸出轉矩和功率分別為：電動機的容許輸出功率與轉速成正比而容許輸出轉矩為恒值——恒轉矩調速②恒功率調速方式指在某種調速方法中在保持電樞電流

Ia=IN不變的前提下若該電動機允許輸出的電磁功率也恒定不變則稱這種調速方式為恒功率調速方式恒功率調速方式允許輸出的轉矩

T和磁通

Φ

都會隨著轉速的改變而改變顯然，弱磁調速屬于恒功率調速方式②恒功率調速方式弱磁調速時，磁通Φ是變化的在不同轉速下若保持電流Ia=IN

不變，即電機得到充分利用容許輸出轉矩和功率別為：電動機的容許輸出轉矩與轉速成反比而容許輸出功率為恒值——恒功率調速他勵直流電動機調速時

允許輸出的轉矩與功率圖基速以下恒轉矩調速方式電樞串電阻調速改變電樞電源電壓調速基速以上恒功率調速方式弱磁調速P,Tn0PTTP上圖說明：圖中，T=f（n）和P=f（n）曲線表示在保證電動機得到充分利用的條件下（即

Ia=IN）允許輸出的轉矩和功率并不代表電動機實際輸出的轉矩和功率電動機在調速時實際輸出的功率和轉矩是多大則要看電動機拖動什么類型的負載如果配合適當，電機實際輸出即為允許輸出，電動機容量能充分利用否則電機容量造成浪費注意：恒轉矩調速、恒功率調速恒轉矩負載、恒功率負載前者電動機本身所具有的轉矩和功率輸出能力實際輸出多少轉矩和功率則取決于它所拖動的負載后者負載本身所具有的轉矩和功率特性它要求電動機輸出相應的轉矩和功率與之相配合完全不同的概念（2）調速方式和負載類型

的匹配負載類型是一定的，不能改變電動機的調速方式可人為選擇在選擇調速方式時，要與負載類型配合恰當這樣，所選電動機的體積較經(jīng)濟在不同轉速下，可較充分地利用不致造成浪費——浪費是指電機的轉矩和功率選的過大或長時間運行而燒壞——指電機的轉矩和功率選的較小（2）調速方式和負載類型

的匹配恒轉矩調速方式拖動恒轉矩負載——相匹配恒功率調速方式拖動恒功率負載——相匹配

恒轉矩調速方式拖動恒功率負載低速——相匹配；高速——不相匹配恒功率調速方式拖動恒轉矩負載高速——相匹配；低速——不相匹配

泵類負載恒轉矩調速方式恒功率調速方式——不相匹配①恒轉矩調速方式

拖動恒轉矩負載——相匹配電動機采用恒轉矩調速方式：串電阻，或降電壓如果拖動恒轉矩負載運行，并且

TL=TN那么無論運行在什么轉速下Ia=IN，電動機得到了充分利用則恒轉矩調速方式拖動恒轉矩負載的配合是合適的也稱相匹配②恒功率調速方式

拖動恒功率負載——相匹配電動機采用恒功率調速方式：弱磁調速如果拖動恒功率負載運行，并且

PM=PN那么無論運行在什么轉速下Ia=IN，電動機得到了充分利用則恒功率調速方式拖動恒功率負載的配合是合適的也稱相匹配③恒轉矩調速方式

拖動恒功率負載低速——相匹配TL=TN

→Ia=IN電動機利用充分高速——不相匹配負載：恒功率高速TL小→T

<TNΦ

=ΦNT=CTΦNIa→Ia<IN電動機利用不充分電動機容量會有所浪費只能按低速選配電動機0nminnmaxTLTr=TNTn負載特性機械特性恒轉矩調速與恒功率負載的配合圖Tr為電動機允許輸出的轉矩Tr=TN

？④恒功率調速方式

拖動恒轉矩負載同理高速——相匹配低速——不相匹配只能按高速運行情況選配合適的電動機低速時電動機容量則有所浪費0nminnmaxTrTL=TNTn負載特性機械特性恒功率調速與恒轉矩負載的配合圖Tr為電動機允許輸出的轉矩⑤泵類負載泵類負載既非恒轉矩負載類型也非恒功率負載類型調速方式恒轉矩調速方式恒功率調速方式但采用電樞串電阻調速或改變電樞電源電壓調速比弱磁調速合適一些——與負載性質都不相匹配5．調速的經(jīng)濟性調速的經(jīng)濟性主要是考慮調速設備的初始投資調速時電能的損耗運行時的維修費用……表3-1直流電動機三種調速方法的調速性能比較調速方法電樞串電阻改變電樞電源電壓弱磁調速調速方向基速以下基速以下基速以上調速范圍D(δ一定時)小較大小調速平滑性差好好適合負載類型恒轉矩負載恒轉矩負載恒功率負載設備投資少多較少電能損耗大小小靜差率δ大小較小例3-4(P54)例3-4(P54)一臺他勵直流電動機的額定功率PN=75kW，額定電壓UN=220V額定電流IN=385A，額定轉速nN=1000r/min電樞回路總電阻Ra=0.01824Ω求電動機在以下各種不同靜差率