直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)1第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三引言

原動機(jī)為直流電動機(jī)的電機(jī)拖動系統(tǒng)稱直流電力拖動系統(tǒng)，或稱直流電機(jī)拖動系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，電動機(jī)有他勵、串勵和復(fù)勵三種直流電動機(jī)，其中最主要的是他勵直流電動機(jī)，因此本章重點(diǎn)介紹由他勵直流電動機(jī)組成的直流電力拖動系統(tǒng)，對串勵、復(fù)勵電動機(jī)的電力拖動只作簡單介紹。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)2第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)第一節(jié)他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性直流電動機(jī)的機(jī)械特性是直流拖動理論的基礎(chǔ)，下面以他勵直流電動機(jī)為例進(jìn)行討論。

一、機(jī)械特性的一般形式他勵式直流電動機(jī)的電路圖如圖4-1所示，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線便是電動機(jī)的機(jī)械特性，即n=f（Te）。為了推導(dǎo)機(jī)械特性公式的一般形式，在電樞回路中串入外接電阻R。由轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速特性推導(dǎo)可得機(jī)械特性的一般表達(dá)式為（4-1）3第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

二、固有機(jī)械特性直流電動機(jī)在電樞電壓、勵磁電壓均為額定值，電樞外串電阻為零時所得的機(jī)械特性稱為固有的機(jī)械特性。特性曲線如圖4-2所示，曲線滿足如下公式：第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-2）4第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

固有機(jī)械特性的主要特點(diǎn)為：

1)Te=0時，n=n0是理想空載轉(zhuǎn)速，這時Ia=0，UN

=Ea

。2)機(jī)械特性呈下傾的直線，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增大而減小。因?yàn)橄聝A的斜率

較小，轉(zhuǎn)速變化較小，所以又稱為硬特性。3)電動機(jī)起動時n=0，感應(yīng)電動勢Ea=0，這時電樞電流為起動電流Ia=Ist=UN/Ra；電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩Te=Tst=CTΦIst；又因?yàn)殡姌须娮鑂a很小，在額定電壓的作用下，起動電流將非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動機(jī)所允許的最大電流，會燒壞換向器，因此直流電機(jī)一般不允許全電壓直接起動。4)若轉(zhuǎn)矩Te>Tst，n<0，特性曲線在第四象限；若Te<0，n>0，則特性曲線在第二象限，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，形成制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。5第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

三、人為機(jī)械特性由公式（4-1）可知，當(dāng)改變電動機(jī)的參數(shù)電樞電壓Ua、勵磁電流I

f、電樞外接電阻R，可改變電動機(jī)的機(jī)械特性，這種人為改變參數(shù)引起的機(jī)械特性又稱人為機(jī)械特性。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

1.改變電樞電壓電動機(jī)勵磁電流為額定值，使每極磁通為N并保持不變，電樞回路不外接電阻，改變電動機(jī)的電樞電壓Ua，可得到一條與固有機(jī)械特性平行的人為機(jī)械特性。不斷改變Ua，可得到一組平行曲線，特性曲線的硬度均相同，僅理想空載轉(zhuǎn)速大小不同，如圖4-3所示。6第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三2.減小每極氣隙磁通當(dāng)降低勵磁電壓或在勵磁回路串接電阻Rc，使勵磁電流If減小，由于磁通與勵磁電流在額定磁通以下時基本成正比，所以主極磁通減小了。根據(jù)機(jī)械特性公式可知：第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)當(dāng)磁通減小后，理想空載轉(zhuǎn)速n0升高，而斜率

增大，使特性曲線傾斜度增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速較原來有所提高，整個特性曲線均在固有機(jī)械特性之上，如圖3-21所示。7第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

3.電樞回路串接電阻當(dāng)保持電樞回路電壓Ua，勵磁電流If不變，改變電樞回路的串接電阻R，電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0不變，但機(jī)械特性的斜率

增大，特性曲線傾斜度增加，且串入電阻越大，曲線越傾斜，其人為機(jī)械特性如下圖所示。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)8第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)他勵直流電動機(jī)的起動所謂起動就是指電動機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到某一穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程。他勵直流電動機(jī)起動時，必須先加額定勵磁電流建立磁場，然后再加電樞電壓。他勵直流電動機(jī)當(dāng)忽略電樞電感時，電樞電流Ia為第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-3）在起動瞬間，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n=0，反電動勢Ea=0，電樞回路只有電樞繞組電阻Ra，此時電樞電流為起動電流Ist，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩Tst，并有（4-4）（4-5）9第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)由于電樞繞組電阻Ra很小，因此起動電流Ist>>IN（約為10～20倍的IN），這么大的起動電流使電機(jī)換向困難，在換向片表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，甚至形成環(huán)火；另外，由于大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大，將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)，這都是不允許的。因此一般直流電機(jī)都不允許直接起動。這樣，就需要增加起動設(shè)備和采取措施來控制電機(jī)的起動過程。

一般直流電動機(jī)拖動負(fù)載順利起動的條件是：1)起動電流限制在一定范圍內(nèi)，即Ist

≤IN，

為電機(jī)的過載倍數(shù)；2)足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，Tst

≥（1.1～1.2）TN；3)起動設(shè)備簡單、可靠。如何限制起動時的電樞電流呢？由Ist=UN/Ra可知，限制起動電流的措施有兩個：一是增加電樞回路電阻，二是降低電源電壓，即直流電動機(jī)的起動方法有電樞串電阻和降壓兩種。10第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

一、電樞回路串電阻起動在額定電源電壓下，電樞回路串入分級起動電阻Rst，在起動過程中將起動電阻逐步切除。圖4-6a為他勵直流電動機(jī)三級起動時的電氣原理圖。11第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

二、減壓起動當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可以采用減壓方法起動。在起動瞬間，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n=0，反電動勢Ea=0，降低電源電壓U，將起動電流限制在允許的范圍內(nèi)。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)12第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

三、他勵直流電動機(jī)起動的過渡過程在第二章的第四節(jié)中，已對電力拖動系統(tǒng)的機(jī)械過渡過程作了理論分析，并得出了轉(zhuǎn)速動態(tài)方程（2-19）、轉(zhuǎn)矩動態(tài)方程（2-21）及過渡過程時間計(jì)算式（2-26）和式（2-27）。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)13第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三下面對他勵直流電動機(jī)串電阻起動的機(jī)械過渡過程作進(jìn)一步分析。圖4-8a為他勵直流電動機(jī)串固定電阻起動的機(jī)械特性曲線，其中S為起動過程開始的點(diǎn)（即起始點(diǎn)），對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Te=Tst，轉(zhuǎn)速為n=0；A點(diǎn)為起動過程結(jié)束的點(diǎn)（即穩(wěn)態(tài)點(diǎn)），對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Te=TL，轉(zhuǎn)速為n=nA。將S點(diǎn)與A點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)代入式（2-19）及式（2-21），便可得到起動過程中的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)14第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)當(dāng)采用電樞串多級電阻起動時，其過渡過程如何呢？圖4-9給出了他勵直流電動機(jī)二級起動的起動過程。15第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)他勵直流電動機(jī)的調(diào)速為了提高生產(chǎn)率和滿足生產(chǎn)工藝的要求，生產(chǎn)機(jī)械往往需要在不同速度下運(yùn)行。例如，車床切削工件時，精加工用高速，粗加工用低速；軋鋼機(jī)在軋制不同鋼種和不同規(guī)格的鋼材時，須用不同的軋制速度。這些事例說明，生產(chǎn)機(jī)械的工作速度需要根據(jù)工藝要求而可以調(diào)節(jié)。故所謂調(diào)速，就是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工藝要求人為地改變速度。但必須注意：這和由于負(fù)載變化，引起的速度變化是截然不同的概念。調(diào)速可用機(jī)械調(diào)速（改變傳動機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法）、電氣調(diào)速（改變電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的方法）或二者配合起來調(diào)速。本節(jié)只討論他勵直流電動機(jī)的調(diào)速性能和幾種常用的電氣調(diào)速方法。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)16第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三為生產(chǎn)機(jī)械選擇調(diào)速方法，必須在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行比較。那么評價調(diào)速方法的主要指標(biāo)是什么呢？

一、調(diào)速指標(biāo)

1.調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動機(jī)在額定負(fù)載下可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，通常用D來表示，即第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-7）調(diào)速范圍反映了生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求，不同的生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)的調(diào)速范圍有不同的要求，例如車床D=20~120，龍門刨床D=10~40，軋鋼機(jī)D=3~120，造紙機(jī)D=3~20等。對于一些經(jīng)常輕載運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，可以用實(shí)際負(fù)載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比來計(jì)算調(diào)速范圍D。17第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

2.靜差率靜差率是指在同一條機(jī)械特性上，從理想空載到額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比。用百分比表示為第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-8）靜差率δ反映了拖動系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。不同的生產(chǎn)機(jī)械，其允許的靜差率是不同的，例如普通車床δ≤30%，而精度高的造紙機(jī)則要求δ≤0.1%。靜差率δ值與機(jī)械特性的硬度及理想空載轉(zhuǎn)速n0有關(guān)。當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速n0一定時，機(jī)械特性越硬，額定速降ΔnN越小，則靜差率越小。而且，調(diào)速范圍D與靜差率δ兩項(xiàng)性能指標(biāo)是互相制約的。在同一種調(diào)速方法中，δ值較大即靜差率要求較低時，可得到較寬的調(diào)速范圍。18第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)ρ越接近于1，則系統(tǒng)調(diào)速的平滑性越好。當(dāng)ρ=1時，稱無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)，采用調(diào)壓調(diào)速的方法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無級調(diào)速。4.經(jīng)濟(jì)性主要考慮調(diào)速設(shè)備的初投資、調(diào)速時電能的損耗及運(yùn)行時的維修費(fèi)用等。

3.平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，則認(rèn)為調(diào)速越平滑。平滑性用平滑系數(shù)來衡量，它是相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比（4-9）19第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

二、他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法前面曾介紹過他勵直流電動機(jī)具有三種人為的機(jī)械特性，因而他勵直流電動機(jī)有三種調(diào)速方法，下面分別介紹。

1.串電阻調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時，保持電樞電壓額定，勵磁電流（磁通）額定，在電樞回路串入不同的電阻時，電動機(jī)可運(yùn)行于不同的速度。他勵直流電動機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速的電氣原理圖如圖4-10a示。電樞串電阻調(diào)速的機(jī)械特性方程式為第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-10）他勵直流電動機(jī)串電阻調(diào)速的機(jī)械特性如圖4-10b所示，是一組過理想空載點(diǎn)n0的直線，串入的電阻越大，其斜率越大。20第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)21第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

電樞回路串電阻調(diào)速的特點(diǎn)是：1）實(shí)現(xiàn)簡單，操作方便；2）低速時機(jī)械特性變軟，靜差率增大，相對穩(wěn)定性變差；3）只能在基速以下調(diào)速，因而調(diào)速范圍較小，一般D≤2；5）由于電阻是分級切除的，所以只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，平滑性差；4）由于串接電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)性較差，而且轉(zhuǎn)速越低，能耗越大。因此，電樞串電阻調(diào)速的方法多用于對調(diào)速性能要求不高的場合，如過去的起重機(jī)、電車等，現(xiàn)在已不多見。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)22第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

2.調(diào)電壓調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，保持勵磁電流（磁通）額定，電樞回路不串電阻，改變電樞兩端的電壓，可以得到不同的轉(zhuǎn)速。由于受電機(jī)絕緣耐壓的限制，其電樞電壓不允許超過額定電壓，只能在額定電壓UN以下進(jìn)行，因此，調(diào)壓調(diào)速也是一種在基速以下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法。調(diào)壓調(diào)速的原理圖如圖4-7a所示，其機(jī)械特性方程式為第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-11）

調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)是：1）由于調(diào)壓電源可連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以拖動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；2）調(diào)速前后機(jī)械特性硬度不變，因而相對穩(wěn)定性較好；23第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三3）在基速以下調(diào)速，調(diào)速范圍較寬，D可達(dá)10~20；4）調(diào)速過程中能量損耗較少，因此調(diào)速經(jīng)濟(jì)性較好；5）需要一套可控的直流電源。調(diào)壓調(diào)速多用在對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，如機(jī)床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)等。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)24第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

3.弱磁調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，保持電樞電壓額定，電樞回路不串電阻，改變勵磁電流（磁通），可以得到不同的轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)在額定運(yùn)行時，磁路已接近飽和，因此改變磁通調(diào)速，實(shí)際上是減弱磁通，所以叫弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速的原理圖如圖4-12所示。弱磁調(diào)速時，機(jī)械特性方程式為第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)（4-12）

弱磁調(diào)速的特點(diǎn)是：1）由于勵磁電流I

f

<<Ia，因而控制方便，能量損耗?。?）可連續(xù)調(diào)節(jié)電阻值，以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；3）在基速以上調(diào)速，由于受電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向火花的限制，轉(zhuǎn)速不能太高，一般約為（1.2~1.5）nN，特殊設(shè)計(jì)的弱磁調(diào)速電動機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為（3~4）nN，因而調(diào)速范圍窄。25第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍小，所以很少單獨(dú)使用，一般都與調(diào)壓調(diào)速配合，以獲得很寬范圍的、高效、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速。26第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

三、調(diào)速方式與負(fù)載類型

1.電動機(jī)的容許輸出與充分利用電動機(jī)的容許輸出，是指電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下長期可靠工作時所能輸出的最大功率和轉(zhuǎn)矩。容許輸出的大小主要取決于電機(jī)的發(fā)熱，而發(fā)熱又主要決定于電樞電流。因此，在一定轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)額定電流時的輸出功率和轉(zhuǎn)矩便是電動機(jī)的容許輸出功率和轉(zhuǎn)矩。要使電動機(jī)得到充分利用，應(yīng)在一定轉(zhuǎn)速下讓電動機(jī)的實(shí)際輸出達(dá)到容許值，即電樞電流達(dá)到額定值。顯然，在大于額定電流下工作的電機(jī)，其實(shí)際輸出將超過它的容許值，這時電機(jī)會因過熱而損壞；而在小于額定電流下工作的電機(jī)，其實(shí)際輸出會小于它的允許值，這時電機(jī)便會因得不到充分利用而造成浪費(fèi)。因此，最充分使用電動機(jī)，就是讓它工作在Ia=IN情況下。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)27第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三

2.調(diào)速方式電力拖動系統(tǒng)中，負(fù)載有不同的類型，電動機(jī)有不同的調(diào)速方法，具體分析電動機(jī)采用不同調(diào)速方法拖動不同類型負(fù)載時的電樞電流Ia的情況，對于充分利用電動機(jī)來說，是十分必要的。對于他勵直流電動機(jī)的三種調(diào)速方法，可以把它分歸類為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速兩種方式。所謂恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式指的是：在整個調(diào)速過程中保持電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te不變；而恒功率調(diào)速方式指的是：在整個調(diào)速過程中保持電動機(jī)電磁功率Pem不變。由Te=CTΦNIa，當(dāng)Ia=IN時，若Φ=ΦN，則Te=常數(shù)，因而他勵直流電動機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速和降低電源電壓調(diào)速是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。此時，P=Teω，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，輸出功率也上升（見圖4-13中的曲線1）。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)28第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三因?yàn)門e=CTΦNIa，P=Te

ω，當(dāng)Ia=IN時，若Φ減小，則轉(zhuǎn)速上升，同時轉(zhuǎn)矩減小，保持P=常數(shù)。他勵直流電動機(jī)改變磁通調(diào)速就屬于恒功率調(diào)速方式（見圖4-13中的曲線2）。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)29第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三3.調(diào)速方式與負(fù)載類型的配合為了使電機(jī)得到充分利用，對于不同的負(fù)載，應(yīng)選用相應(yīng)的調(diào)速方式。通常，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，恒功率負(fù)載應(yīng)采用恒功率調(diào)速方式，這樣可使調(diào)速方式與負(fù)載類型相匹配，電動機(jī)可以被充分利用。對于泵類負(fù)載，既非恒轉(zhuǎn)矩類型，也非恒功率類型，那么采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式或恒功率調(diào)速方式的電動機(jī)，拖動泵類負(fù)載時，無論怎樣都不能做到調(diào)速方式與負(fù)載性質(zhì)匹配。至于泵類負(fù)載應(yīng)采用什么調(diào)速方式，我們將在第九章中討論。

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒功率調(diào)速和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載是完全不同的概念。前者是電動機(jī)本身允許輸出的轉(zhuǎn)矩和功率，表示輸出轉(zhuǎn)矩和功率的限度，實(shí)際輸出多少取決于它所拖動的負(fù)載。后者則是負(fù)載所具有的轉(zhuǎn)矩和功率，表示負(fù)載本身的性質(zhì)。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)30第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)31第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)第四節(jié)他勵直流電動機(jī)的制動一、電動狀態(tài)和制動狀態(tài)直流電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)主要分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài)兩大類。電動狀態(tài)是電動機(jī)運(yùn)行時的基本工作狀態(tài)。電動狀態(tài)運(yùn)行時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n方向相同，此時Te為拖動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)從電源吸收電功率，向負(fù)載傳遞機(jī)械功率。電動機(jī)電動狀態(tài)運(yùn)行時的機(jī)械特性如圖4-14所示。32第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三電動機(jī)在制動狀態(tài)運(yùn)行時，其電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n方向相反，此時Te為制動性阻轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能，該電能或消耗在電阻上，或回饋電網(wǎng)。電動機(jī)的機(jī)械特性處在第二、四象限。制動的目的是使拖動系統(tǒng)停車，或使拖動系統(tǒng)減速。對于位能性負(fù)載的工作機(jī)構(gòu)，用制動可獲得穩(wěn)定的下放速度。制動的方法有幾種。最簡單的就是自由停車，即切除電源，靠系統(tǒng)摩擦阻轉(zhuǎn)矩使之停車，但時間較長。要使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速停車，可以使用電磁制動器，即將制動電磁鐵的線圈接通，通過機(jī)械抱閘制動電機(jī)；還可以使用電氣制動的方法，即由電動機(jī)提供一個制動性阻轉(zhuǎn)矩Te，以增加減速度；也可以將電磁抱閘制動與電氣制動同時使用，加強(qiáng)制動效果。這里主要介紹電氣制動的方法，常用的電氣制動方法有能耗制動、反接制動、回饋制動三種。第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)33第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

二、能耗制動能耗制動的機(jī)械特性與電動機(jī)所帶負(fù)載的特性有關(guān)，對于反抗性負(fù)載，其機(jī)械特性曲線在第二象限，沒有穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，稱為能耗制動過程；對于位能性負(fù)載，其機(jī)械特性曲線在第四象限，有穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，故稱為能耗制動運(yùn)行狀態(tài)。34第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

1.能耗制動過程

(1)能耗制動的機(jī)械特性將U=0、Φ=ΦN，R=Ra+Reb代入他勵直流電動機(jī)機(jī)械特性方程式，可得能耗制動時的機(jī)械特性可見，能耗制動時的機(jī)械特性是一條經(jīng)過原點(diǎn)、位于第二、四象限的直線，如圖4-15b中的特性2所示。（4-13）（4-14）35第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(2)能耗制動的功率關(guān)系他勵直流電動機(jī)能耗制動過程中的功率傳遞方向?yàn)椋阂螂娫匆驯粩嚅_，不向電動機(jī)提供能量，輸入電功率P1=0；此時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，機(jī)械功率P2為負(fù)，說明電動機(jī)軸上非但沒有輸出機(jī)械功率給負(fù)載，反而是負(fù)載向電動機(jī)輸入了機(jī)械功率，扣除空載損耗P0，其余的轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em；電磁功率Pem因而也變?yōu)樨?fù)值，說明功率傳遞方向與電動狀態(tài)時相反，即在電動機(jī)內(nèi)，電磁作用把機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β剩蛔罱K，該電功率在電樞回路總電阻上被轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。從電磁功率把機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電功率這一點(diǎn)來說，能耗制動過程中的電動機(jī)似發(fā)電機(jī)，但與一般的發(fā)電機(jī)不同，表現(xiàn)在：1)沒有原動機(jī)輸入機(jī)械功率，其機(jī)械能是系統(tǒng)從高速向低速制動時所釋放出來的動能；2)沒有電功率輸出，而是轉(zhuǎn)化為電樞回路總電阻（Ra+Reb）上的熱能消耗掉了，因此稱這種制動方式為能耗制動。36第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(3)能耗制動電阻的計(jì)算能耗制動過程中，起始制動轉(zhuǎn)矩的大小與外接制動電阻Reb的大小有關(guān)。外接制動電阻越大，制動轉(zhuǎn)矩越小，制動過程越緩慢，但電機(jī)不易過熱；反之外接電阻越小，則制動轉(zhuǎn)矩越大，制動過程越快。但制動電阻的最小值受到電動機(jī)過載能力的限制，因此在能耗制動過程中，應(yīng)將制動瞬間的電流（即最大制動電流Imax）限制在允許的范圍內(nèi)，即應(yīng)按下式選擇電阻（4-14）（4-15）當(dāng)制動初始轉(zhuǎn)速大于nN時，可用下列近似公式計(jì)算Reb，即37第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

2.能耗制動運(yùn)行狀態(tài)若他勵直流電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩位能性負(fù)載，原運(yùn)行于電動狀態(tài)的A點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速nA提升重物?，F(xiàn)采用能耗制動，如圖4-16所示，電動機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從A→B→O，其中B→O是能耗制動過程（與拖動反抗性負(fù)載時完全一樣）。在O點(diǎn)（Te=0，n=0）時，停止提升。此時如果不采用其他辦法停車，則系統(tǒng)將在位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL作用下開始反轉(zhuǎn)（即下放重物），系統(tǒng)進(jìn)入四象限。38第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

3.能耗制動的過渡過程能耗制動的過渡過程與電動機(jī)所拖動的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，下面分別討論。(1)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載他勵直流電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動的過渡過程如圖4-17所示，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化是從起始點(diǎn)B到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)C的兩條光滑的指數(shù)曲線（一條實(shí)線，一條虛線）。

(2)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載他勵直流電動機(jī)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載進(jìn)行能耗制動的過渡過程也如圖4-17所示。拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，能耗制動過程就是一個制動停車的過程，從B點(diǎn)開始，到O點(diǎn)為止（如圖4-17中實(shí)線部分所示）。39第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)40第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

4.能耗制動的特點(diǎn)能耗制動的線路簡單、經(jīng)濟(jì)、安全；用于反抗性負(fù)載可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車；用于位能性負(fù)載，可下放重物。但在制動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的下降，制動轉(zhuǎn)矩隨之減小，制動效果變差，為使電機(jī)更快停車，可在轉(zhuǎn)速降到一定程度時，切除一部分電阻，使制動轉(zhuǎn)矩增大，從而加強(qiáng)制動作用。

三、反接制動為了使生產(chǎn)機(jī)械快速停車或反向運(yùn)行，可采用反接制動。有兩種反接制動方式：電樞反接（一般用于反抗性負(fù)載）；轉(zhuǎn)速反向（用于位能性負(fù)載）。

1.電樞反接制動電樞反接制動是把正向運(yùn)行的他勵直流電動機(jī)的電源電壓突然反接，圖4-18a所示為電樞電壓反接的反接制動原理圖。41第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)電動機(jī)反接制動時的機(jī)械特性如圖4-18b所示。42第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(1)電樞反接制動的機(jī)械特性反接制動過程中，Ф=ФN，U=-UN，R=Ra+Rrb，其機(jī)械特性方程式為（4-17）當(dāng)n=0時，Te=TeC；Te=0時，n=-n0，所以反接制動機(jī)械特性是一條過-n0，斜率取決于（Ra+Rrb）大小的直線，如圖4-18特性2所示。

(2)電樞反接制動功率關(guān)系他勵直流電動機(jī)反接制動過程中的功率傳遞方向?yàn)椋簭碾娫摧斎腚姽β蔖1，從負(fù)載輸入機(jī)械功率P2，P2扣除空載損耗Δp0后，即轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em。P1與Pem兩部分電功率全部消耗在電阻（Ra+Rrb）上。這時的機(jī)械功率是由系統(tǒng)釋放的動能提供的。43第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(3)電樞反接制動電阻的計(jì)算反接制動過程開始瞬間，電樞電流的大小與電樞回路總電阻成反比，所串的電阻Rrb越小，電樞電流越大，為使制動時最大電流不超過允許值，應(yīng)使反接制動電阻Rrb為（4-19）（4-18）當(dāng)制動初始轉(zhuǎn)速大于nN時，可用下列近似公式計(jì)算Rrb，即與能耗制動電阻相比，電壓反接制動電阻幾乎大一倍。44第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(4)電樞反接反接制動的過渡過程電樞反接反接制動的過渡過程與電動機(jī)所拖動的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，如右圖所示：1)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

2)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載45第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(5)電樞反接反接制動的特點(diǎn)由于Rrb較能耗制動時的Reb差不多大一倍，機(jī)械特性比能耗制動陡得多，即BC段的制動轉(zhuǎn)矩都比較大，因此比能耗制動時制動作用更強(qiáng)烈，制動更快。如能使制動停車過程中電樞電流始終保持最大值Iamax，即停車過程中始終保持最大的減速度，則制動效果最佳，這需要自動控制系統(tǒng)來完成。在頻繁正、反轉(zhuǎn)的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，常采用這種先反接制動停車，接著自動反向起動的運(yùn)行方式，以達(dá)到迅速制動并反轉(zhuǎn)的目的。46第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

2.倒拉反接制動他勵直流電動機(jī)拖動位能性負(fù)載，如起重機(jī)下放重物時，若在電樞回路串入大電阻，致使電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這樣電機(jī)將被制動減速，并被負(fù)載反拖進(jìn)入第Ⅳ象限運(yùn)行，如圖4-20所示，這一制動方式被稱為倒拉反接制動。47第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)時的機(jī)械特性就是電樞串電阻的人為特性，但這時所串的電阻阻值較大，使n<0，其機(jī)械特性方程式（4-20）由上式可見，在電樞回路串入不同的電阻Rrb，可得到不同的下放速度，所串電阻越大，下放速度越高。而對應(yīng)某一給定的下放速度nD，所串電阻的大小為（4-21）倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行的功率關(guān)系與反接制動過程的功率關(guān)系一樣，區(qū)別僅在于機(jī)械能的來源，反接制動的功率是負(fù)載釋放出來的動能，倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行的功率是負(fù)載減少的位能。48第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

四、回饋制動（再生發(fā)電制動）電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下（如電動車輛下坡時）會出現(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0的情況，此時Ea>U，電樞電流Ia反向，電磁轉(zhuǎn)矩Te方向也隨之改變，由拖動性轉(zhuǎn)矩變成制動性轉(zhuǎn)矩，即Te與n方向相反。從能量傳遞方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能變成電能回饋給電網(wǎng)，因此稱這種狀態(tài)為回饋制動狀態(tài)。回饋制動時的機(jī)械特性方程式與電動狀態(tài)時相同，只是運(yùn)行在特性曲線上不同的區(qū)段而已。正向回饋制動時的機(jī)械特性位于第二象限，反向回饋制動時的機(jī)械特性位于第四象限。49第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

1.正向回饋制動

(1)正向回饋制動過程在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，電壓降低的幅度稍大時，會出現(xiàn)電動機(jī)經(jīng)過第二象限的減速過程，如圖4-21a所示。50第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

正向回饋制動過程其功率關(guān)系與直流發(fā)電機(jī)相同，都是將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出。所不同的是：1)機(jī)械功率不是由原動機(jī)輸入，而是系統(tǒng)從高速到低速的降速過程中，釋放出的動能所提供；2)電功率不是給用電設(shè)備，而是回送給直流電源，故稱回饋制動。又因?yàn)闆]有穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，只是一個過程，而稱為正向回饋制動過程。正向回饋制動過程僅僅是降速過程中的一個階段。在降壓調(diào)速過程中，只要是降壓前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速大于降壓后的理想空載轉(zhuǎn)速，而且電源允許電樞電流反向，則在降速過程中，電動機(jī)就要經(jīng)過正向回饋制動過程和正向電動狀態(tài)減速兩個階段?；仞佒苿舆^程同樣會出現(xiàn)在他勵直流電動機(jī)增加磁通（當(dāng)磁通未達(dá)到額定值時）的降速過程中，如圖4-21b所示。51第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)(2)正向回饋制動運(yùn)行如圖4-13所示，用他勵直流電動機(jī)驅(qū)動一輛電動車，當(dāng)電動車下坡時，將出現(xiàn)正向回饋制動運(yùn)行。回饋制動運(yùn)行時的功率關(guān)系與回饋制動過程時相同，只是機(jī)械功率是由電動車減少位能儲存來提供的。52第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

2.反向回饋制動運(yùn)行他勵直流電動機(jī)拖動位能性負(fù)載（如起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)），可以出現(xiàn)反向回饋制動運(yùn)行，如圖4-23所示?；仞佒苿拥闹匾攸c(diǎn)是：n>

n0，Ea

>U，向電源回饋電能，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。由于其功率關(guān)系與直流發(fā)電機(jī)一樣，故又稱為再生發(fā)電制動。53第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)五、他勵直流電動機(jī)的四象限運(yùn)行到此為止，他勵直流電動機(jī)四個象限的運(yùn)行狀態(tài)全部介紹完了，現(xiàn)將四個象限運(yùn)行的機(jī)械特性畫在一起，如右圖所示?？梢姡妱訖C(jī)運(yùn)行狀態(tài)分成兩大類，Te與n同方向時為電動運(yùn)行狀態(tài)，Te與n反方向時為制動運(yùn)行狀態(tài)。54第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

*第五節(jié)串勵和復(fù)勵電動機(jī)的電力拖動

一、串勵直流電動機(jī)的電力拖動

1.串勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性串勵式直流電動機(jī)的電路連接如圖4-25a所示。其連接特點(diǎn)是電樞電流等于勵磁電流，也等于總電流，即Ia=If=I，U=Ua+U

f+IR，若電動機(jī)在磁通未飽和狀態(tài)，每極磁通應(yīng)與電路電流成線性正比，即（4-22）當(dāng)電動機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時，電樞電流是變化的，這將引起串勵電動機(jī)磁通的變化，此時串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為（4-23）式中Ces——串勵電動機(jī)電勢系數(shù)，且Ces=CeKf；55第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)電磁轉(zhuǎn)矩公式為（4-24）式中CTs——串勵電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，且CTs=CTKf。56第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

這樣，機(jī)械特性公式為（4-25）上述公式用曲線表示如圖3-23b所示。由于轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的開方成反比，轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速迅速減??；而轉(zhuǎn)矩減小，則轉(zhuǎn)速很高。理想狀態(tài)下Te=0，n0→∞。特性曲線是一條非線性的軟特性。串勵電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行時，當(dāng)電動機(jī)電流趨于零時，電動機(jī)尚存剩磁，理想空載轉(zhuǎn)速不會無窮大，但轉(zhuǎn)速還是很高的，所以一般串勵電動機(jī)不允許空載運(yùn)行。若電動機(jī)磁通處于飽和狀態(tài)，其磁通為額定值常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩為（4-26）57第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)從公式（4-24）和（4-26）可見，串勵電動機(jī)輕載時，磁動勢較小，磁通處于不飽和狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流的平方成正比；隨著負(fù)載的增加，磁動勢增大，磁通呈飽和狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩僅與電流成正比，且電動機(jī)能拖動大負(fù)載低速運(yùn)行，電動機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。2.串勵電動機(jī)的起動與調(diào)速串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，電樞電流也就是勵磁電流，即Ia=If。主磁通Φ是電樞電流Ia的函數(shù)，其機(jī)械特性方程由式（4-25）表示為由上式可知，串勵直流電動機(jī)起動時也會出現(xiàn)起動電流過大的問題，所以為了限制起動電流，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法。58第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

串勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法也分為電樞串電阻、降壓、弱磁三種。調(diào)速原理如圖4-26所示，當(dāng)接觸器KM1、KM2釋放打開時，改變電樞串接電阻R

vs的大小可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種串電阻調(diào)速方法常用在電車上；當(dāng)接觸器KM1釋放打開，KM2合上，勵磁繞組并聯(lián)電阻Rfp時，在相同的電樞電流下，勵磁電流減小，即可弱磁升速；當(dāng)接觸器KM2釋放打開，KM1合上，電樞繞組并聯(lián)電阻Rap時，可使加于電樞的電壓降低，轉(zhuǎn)速下降，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。對于串勵電動機(jī)，常用2~3臺電動機(jī)串聯(lián)及并聯(lián)聯(lián)接法以降低電壓。59第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

3.串勵電動機(jī)的制動串勵電動機(jī)的制動狀態(tài)有：能耗制動、反接制動與倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行。由于電動機(jī)的反電勢Ea無法超過U，因此在串勵電動機(jī)中不能得到回饋制動。(1)能耗制動串勵電動機(jī)正常運(yùn)行時，若把電樞脫離電源，并接至制動電阻Reb，勵磁繞組可以采用他勵或自勵方式，由于串勵繞阻電阻很小，當(dāng)接成他勵時，必須在勵磁回路中串入較大的限流電阻Rfs，如圖4-27所示。60第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)(2)反接制動串勵電動機(jī)進(jìn)行反接制動時，并不是將電源電壓反接，因?yàn)檫@樣會使Ia和If同時改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，起不到制動作用。因此，只能將電樞兩端反接，勵磁繞組接法不變，如圖4-18所示。61第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動基礎(chǔ)

(3)倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行當(dāng)串勵電動機(jī)拖動位能性負(fù)載，電樞回路串入大電阻Rrb時，電動機(jī)將運(yùn)行于倒拉反轉(zhuǎn)狀態(tài)。其接線圖和機(jī)械特性如圖4-29所示。62第六十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期三第四章直流電機(jī)拖動