《電機及拖動基礎(chǔ)》課件第2章

2.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式2.2生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2.3他勵直流電動機的機械特性2.4他勵直流電動機的啟動和反轉(zhuǎn)2.5他勵直流電動機的調(diào)速2.6他勵直流電動機的制動思考與練習(xí)題第2章直流電動機的電力拖動2.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式2.1.1單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)就是電動機的軸與生產(chǎn)機械的軸直接連接的系統(tǒng)，如圖2－2(a)所示。作用在該連接軸上的轉(zhuǎn)矩有電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T、電動機的空載阻轉(zhuǎn)矩T0及生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。設(shè)轉(zhuǎn)軸的角速度為Ω，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量為J（包括電動機轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器和生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)動慣量），系統(tǒng)各物理量的參考方向如圖2－2(b)所示，則根據(jù)動力學(xué)定律，可得到系統(tǒng)的運動方程為（T0很小，可忽略）(2-1)式中：T——電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，即拖動轉(zhuǎn)矩（N·m）；

TL——生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即阻轉(zhuǎn)矩（N·m）；

J——系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；

Ω——轉(zhuǎn)軸的機械角速度（rad/s）；

t——時間（s）。式（2－1）為單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式，它描述了作用在單軸拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化率之間的關(guān)系，是分析電力拖動系統(tǒng)各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)。圖2-1電力拖動系統(tǒng)的組成圖2-2單軸電力拖動系統(tǒng)及各物理量的參考方向(a)單軸電力拖動系統(tǒng)；(b)系統(tǒng)各物理量的參考方向

在實際工程計算中,經(jīng)常用轉(zhuǎn)速n代替角速度Ω來表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)動速度,用飛輪慣量或稱飛輪矩GD2代替系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J來表示系統(tǒng)的機械慣性。Ω與n的關(guān)系,J與GD2的關(guān)系分別如下：（2-2）（2-3）將式（2-2）和式（2-3）代入式（2-1）,化簡得(2-4)

以上各式中：m——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量(kg)；

ρ與D——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的慣性半徑與慣性直徑(m)；

G——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力(N)；

g——重力加速度,取g=9.8m/s2；

GD2——轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩,是一個整體的物理量,反映了轉(zhuǎn)動體的慣性大小(N·m2)。 2.1.2電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)分析

式（2-4）描述了電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化率之間的關(guān)系,由此式可知電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化率dn/dt（加速度）是由T-TL決定的,T-TL稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩,因此根據(jù)式（2-4）可分析電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)。 首先規(guī)定某一旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速的正方向,即n＞0。在此旋轉(zhuǎn)方向下,根據(jù)式（2-4）分析電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)如下：

(1)當(dāng)T=TL時,dn/dt=0,n=0或n=常數(shù),即電力拖動系統(tǒng)處于靜止或穩(wěn)定（勻速）運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 (2)當(dāng)T＞TL時,dn/dt>0,電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)（過渡過程中）。

(3)當(dāng)T＜TL時,dn/dt<0,電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)（過渡過程中）。 由分析可知,當(dāng)T=TL時,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。但當(dāng)受到外界的干擾時,如負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的增加或減小,電源電壓的變化等影響時,平衡將被打破,轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化。對于一個穩(wěn)定的電力拖動系統(tǒng)來說,當(dāng)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破后,應(yīng)具有恢復(fù)新的平衡狀態(tài)的能力,在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定運行。

這種方法計算時非常復(fù)雜。為了簡化計算,通常是把實際的多軸系統(tǒng)折算為一個等效的單軸系統(tǒng),折算的原則是保持拖動系統(tǒng)在折算前后,其傳送的功率和儲存的動能不變。如圖2-3(b)所示,多軸多速的系統(tǒng)可簡化等效為單軸系統(tǒng)。具體的折算方法在此不作闡述,可查閱其他的書籍。圖2-3多軸電力拖動系統(tǒng)(a)多軸電力拖動系統(tǒng)；(b)多軸電力拖動系統(tǒng)等效為單軸系統(tǒng)

1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩ＴL的大小為一恒定值，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，這種特性稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又可分為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種。

(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點是，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定不變，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向總是與生產(chǎn)機械的運動方向相反，當(dāng)運動方向改變時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變，即n＞0時，TL＞0；n＜0時，TL＜0，但TL的絕對值保持不變。其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖2－4所示，總在第一或第三象限。但應(yīng)注意：n=0時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不存在。如皮帶運輸機、軋鋼機、機床的刀架平移和行走機構(gòu)等都是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。2.2生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性圖2-4反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖2-5位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

（2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點是,負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定,而且具有固定的方向,不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變,即n＞0時,TL＞0,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）；n＜0時,TL＞0,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩。這種負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2-5所示,總是在第一或第四象限。如起重類機械提升和下放重物時產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，是典型的位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，無論是提升重物，還是下放重物，或靜止，負(fù)載轉(zhuǎn)距的大小及方向都不變。 2.恒功率負(fù)載特性 恒功率負(fù)載的特點是負(fù)載的功率為一恒定值,這時負(fù)載的功率值為

PL=TLΩ=TL=常數(shù) 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n成反比。轉(zhuǎn)速升高時,負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小；轉(zhuǎn)速降低時,負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大,負(fù)載功率不變。如車床的切削加工,粗加工時,切削量大,切削阻力大,負(fù)載轉(zhuǎn)矩大,用低速切削；精加工時,切削量小,切削阻力小,負(fù)載轉(zhuǎn)矩小,用較高的速度切削。負(fù)載功率恒定。恒功率負(fù)載的機械特性如圖2-6所示。圖2-6恒功率負(fù)載特性圖2-7通風(fēng)機型負(fù)載特性 3.通風(fēng)機型負(fù)載特性 風(fēng)機、水泵和油泵等通風(fēng)機型負(fù)載的特點是,負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比,即TL=Kn2,式中K為比例常數(shù)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性如圖2-7所示。 以上所述的三種負(fù)載特性是從實際中概括出來的比較典型的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。實際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性往往是幾種典型特性的綜合。例如實際鼓風(fēng)機,除了有風(fēng)機負(fù)載特性外,軸上還有一個磨擦轉(zhuǎn)矩,為反抗性的恒轉(zhuǎn)矩,所以實際的鼓風(fēng)機負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)為風(fēng)機負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的組合。2.3他勵直流電動機的機械特性2.3.1他勵直流電動機的機械特性方程式

直流電動機的機械特性方程式可由直流電動機的基本方程式推導(dǎo)出。如圖2－8所示為他勵直流電動機的接線圖，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列出直流電動機的電動勢平衡方程式為式中，Rpa為電樞電路外串電阻，R=Ra+Rpa。圖2-8

他勵直流電動機的接線圖

將Ea=CeΦn代入上式可得轉(zhuǎn)速特性方程式為

(2-5)

根據(jù)T=CTΦIa,得Ia=T/CTΦ,再代入式（2-5）可得機械特性方程式為

(2-6)

式中,Ce、CT是由電動機結(jié)構(gòu)所決定的常數(shù),當(dāng)U、Φ、R為恒定值時,機械特性曲線n=f(T)如圖2-9所示,它是一條向下傾斜的直線。圖2-9他勵直流電動機的機械特性

式(2-6)又可寫為

n=n0-βT=n0-Δn

(2-7)

式中：n0——理想空載轉(zhuǎn)速,即T=0時的轉(zhuǎn)速,n0=U/(CeΦ)。電動機在實際空載狀態(tài)運行時,雖然軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T2=0,但電動機還必須克服空載阻轉(zhuǎn)矩T0,使T=T0≠0。所以實際空載轉(zhuǎn)速n0′略低于理想空載轉(zhuǎn)速n0。

β——機械特性的斜率,β=R/(CeCTΦ2)。β值越小,直線的傾斜度越小,轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化越小,機械特性越硬;β值越大,直線的傾斜度越大,機械特性越軟。機械特性的軟硬是相對的,沒有嚴(yán)格的界限。

Δn——轉(zhuǎn)速降,Δn=RT/(CeCTΦ2)=βT。β值越大,在相同的電磁轉(zhuǎn)矩下,轉(zhuǎn)速降也越大,電動機的轉(zhuǎn)速也就越低。

2.3.2他勵直流電動機的固有機械特性 當(dāng)電動機的電源電壓U=UN,每極磁通Φ=ΦN,電樞電路不串入附加電阻,即Rpa=0時的機械特性,稱為固有機械特性。根據(jù)式（2-6）可得固有機械特性的方程式為

（2-8）

固有機械特性曲線如圖2-10所示,由于電樞電路沒有串入附加電阻,而電樞繞組的電阻值Ra較小,特性曲線的斜率較小,因此他勵電動機的固有機械特性曲線較硬。圖2-10他勵直流電動機的固有機械特性和 電樞串電阻時的人為機械特性 2.3.3他勵直流電動機的人為機械特性

1．電樞電路串電阻時的人為機械特性 電樞電路串電阻時的人為機械特性是指保持電源電壓U=UN,每極磁通Φ=ΦN,在電樞電路串接附加電阻Rpa時的機械特性。其機械特性方程式為(2-9)與固有機械特性相比較可知,理想空載轉(zhuǎn)速n0不變,特性曲線的斜率β增大,轉(zhuǎn)速降增大。Rpa越大,β和Δn也越大,特性曲線變軟。機械特性如圖2-10所示,是一組n0相同的人為機械特性曲線。(2-10)由于受電動機絕緣強度限制,改變電壓時,僅限于在額定電壓的基礎(chǔ)上降低電壓,因此該人為特性與固有機械特性相比,理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓U的降低成正比降低,特性曲線的斜率β不變。機械特性如圖2-11所示,為一組平行于固有機械特性的直線。

2．改變電壓時的人為機械特性改變電壓時的人為機械特性是指保持每極磁通Φ=ΦN，電樞電路不串接附加電阻（Rpa=0）,僅改變（降低）電壓時的機械特性。其機械特性方程式為圖2-11降低電樞電壓時的人為機械特性圖2-12減弱磁通時的人為機械特性

3．改變磁通時的人為機械特性 改變磁通時的人為機械特性是指保持電源電壓U=UN,電樞電路不串附加電阻（Rpa=0）,減小磁通Φ時的機械特性。其機械特性方程式為(2-11)由于電動機在設(shè)計制造時,磁通Φ已接近于飽和,不容易增加,磁通一般只能在額定值的基礎(chǔ)上減弱,因此該人為特性與固有機械特性相比,理想空載轉(zhuǎn)速n0隨磁通Φ的減小而升高,斜率β隨磁通Φ的平方成反比地增大,機械特性變軟。不同磁通時的機械特性如圖2-12所示,這是一組n0升高,斜率β變大的直線。2.3.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)是由電動機和生產(chǎn)機械負(fù)載構(gòu)成的,在分析電力拖動系統(tǒng)的運動情況時,應(yīng)將電動機的機械特性和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性結(jié)合起來。通常是把電動機的機械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性畫在同一直角坐標(biāo)系內(nèi),如圖2-13所示。直線1為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，直線2為電動機的機械特性，在兩特性的交點A點處電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，相互平衡，因此Ａ點稱為平衡點。根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的運動方程可知，當(dāng)T＝TL時，系統(tǒng)應(yīng)該在A點穩(wěn)定運行，但是僅根據(jù)T=TL還不能說明系統(tǒng)一定能夠在該點穩(wěn)定運行，這是因為實際的電力拖動系統(tǒng)運行時，經(jīng)常會出現(xiàn)一些小的干擾，如電源電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動等，當(dāng)電力拖動系統(tǒng)在兩特性交點上穩(wěn)定運行時，若突然出現(xiàn)干擾，則原來的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系將被打破，電動機的轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化。所謂穩(wěn)定運行，就是指電力拖動系統(tǒng)在某種外界因素的擾動下，離開原來的平衡狀態(tài)，能夠到達新的平衡狀態(tài)；當(dāng)“擾動”消失后，仍能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。圖2-13電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行分析在電力拖動系統(tǒng)中，電動機的機械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點，即T=TL僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。系統(tǒng)要穩(wěn)定運行，還需要兩條特性配合恰當(dāng)?？梢宰C明，電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是(在T=TL處)（2－12）如圖2－14所示的系統(tǒng)中，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性與下降的電動機機械特性配合，在兩特性的交點A處，T增加時n減小，即dT/dn<0，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，即dTL/dn=0，所以在交點A處，滿足dT/dn<dTL/dn,故系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。它說明負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動時(TL1→ＴＬ２),系統(tǒng)的平衡點從Ａ點移到Ｂ點，若波動消失，系統(tǒng)的平衡點將從Ｂ點回到Ａ點。圖2-14電力拖動系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時的穩(wěn)定運行分析如圖2－15所示的系統(tǒng)中，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性與下降的電動機機械特性配合，在兩特性的交點A處，T增加時n減小，即dT/dn<0，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，即dTL/dn=0，所以在交點A處，滿足dT/dn<dTL/dn,故系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。它說明負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動時(TL1→ＴＬ２),系統(tǒng)的平衡點從Ａ點移到Ｂ點，若波動消失，系統(tǒng)的平衡點將從Ｂ點回到Ａ點。圖2－15電力拖動系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行分析2.4他勵直流電動機的啟動和反轉(zhuǎn) 2.4.1他勵直流電動機的啟動

1．全壓啟動 全壓啟動是他勵直流電動機直接加額定電壓進行啟動,亦稱直接啟動。這種啟動方法在啟動開始瞬間,電動機因為機械慣性作用,轉(zhuǎn)速n=0,電樞電動勢Ea=CeΦn=0,忽略電樞電路電感的作用,則啟動瞬間的啟動電流為(2-13)

由于他勵直流電動機的電樞電阻Ra較小,這時的啟動電流可達10～20倍的額定電流,大的啟動電流產(chǎn)生較強的火花,甚至產(chǎn)生環(huán)火,燒壞換向器和電刷,而且這個瞬間,啟動電流產(chǎn)生大的啟動轉(zhuǎn)矩Tst=CTΦIst,使拖動系統(tǒng)受到?jīng)_擊,損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)。所以只有小容量（幾百瓦）的電動機允許全壓（直接）啟動。一般允許直流電動機的啟動電流Ist=(1.5～2)IN,為此,對于大容量的直流電動機,在啟動時必須限制啟動電流,常用的方法是降低電源電壓或在電樞電路串電阻。

2．降壓啟動 降壓啟動是電動機的電樞繞組由一可調(diào)電壓的電源（如可控整流器）供電,接線如圖2-16(a)所示。 啟動時,先接通勵磁繞組電源,并將勵磁電流調(diào)到額定值,然后由低向高調(diào)節(jié)電樞繞組電壓。開始時,加到電樞兩端的電壓應(yīng)使得電樞電路的電流Ist不超過（1.5～2）IN,電磁轉(zhuǎn)矩Tst＞TL,電動機開始啟動,隨著轉(zhuǎn)速的升高,Ｅa也逐漸增大,電樞電流減小,電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小。為保證啟動過程中有足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩,電壓必須不斷地提高,直到U=UN。

圖2-16降壓啟動時的接線圖及機械特性

(a)接線圖；(b)機械特性

降壓啟動時的機械特性如圖2-16(b)所示。電動機將沿圖中的a→b→c→…→k→加速到p點,電動機進入穩(wěn)定運行,啟動過程結(jié)束。 降壓啟動法在啟動過程中損耗較小,啟動平穩(wěn),便于實現(xiàn)自動化。

3．電樞電路串電阻啟動

電動機啟動時,在他勵電動機的電樞電路串接可調(diào)電阻Rst,稱為啟動電阻,將啟動電流Ist限制在允許值范圍Ist=（1.5～2）IN。啟動電流為Ist=UN/(Ra+Rst),則啟動電阻為 （2-14）

電動機啟動完畢后，理應(yīng)將串接在電樞電路中的電阻Rst切除，使電動機在固有機械特性上運行。但Rst不能一次全部切除，若一次全部切除，會引起過大的電流沖擊，因此，啟動過程中，在啟動電流的允許值范圍內(nèi)，先切除一部分電阻，待轉(zhuǎn)速升高后，再切除一部分電阻，如此逐步地每次切除一部分，直到Rst全部切除為止，啟動過程結(jié)束。這種啟動方法稱為串電阻分級啟動，啟動級數(shù)不宜過多，一般分為2～5級。下面對分級啟動法進行分析。圖2-17電樞電路串電阻啟動時的接線圖及機械特性(a)接線圖；(b)機械特性

在電動機啟動過程中,為減小啟動時對系統(tǒng)生產(chǎn)機械的沖擊,各級啟動電阻的計算,應(yīng)以在啟動過程中最大的啟動電流Ist1(或最大啟動轉(zhuǎn)矩Tst1)與切換啟動電流Ist2（或切換啟動轉(zhuǎn)矩Tst2）不變?yōu)樵瓌t。對普通的直流電動機通常取

Ist1=(1.5～2)IN

Ist2=(1.1～1.2)IN

2.4.2他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)

1)改變勵磁電流的方向保持電樞繞組兩端電源電壓的極性不變,將勵磁繞組反接,使勵磁電流反向,從而改變磁通Φ的方向。

2)改變電樞繞組兩端電源電壓的極性保持勵磁繞組的電壓極性不變,將電樞繞組反接,使電樞電流改變方向。

2.5他勵直流電動機的調(diào)速

調(diào)節(jié)生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速有兩種方法：

(1)改變機械傳動機構(gòu)的速比,從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速,這種方法稱為機械調(diào)速。

(2)改變電動機的電氣參數(shù),以改變電動機的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速,這種方法稱為電氣調(diào)速。這種調(diào)速方法的傳動機構(gòu)簡單,可以實現(xiàn)無級調(diào)速,且易于實現(xiàn)電氣自動化。

電氣調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下,通過人為地改變電動機的有關(guān)參數(shù),調(diào)節(jié)電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,必須指出調(diào)速與因負(fù)載變化而引起的速度變化是不同的。如圖2-18所示為他勵直流電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL,工作在固有機械特性的A點上,轉(zhuǎn)速為nA,若人為地降低電樞電壓,使機械特性平行下移,與負(fù)載機械特性的交點移至B點,轉(zhuǎn)速為nB,這就是我們討論的調(diào)速。圖2-18調(diào)速與轉(zhuǎn)速變化的區(qū)別

因為負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化,如由TL增大為TL′,使工作點由A點移至C點,轉(zhuǎn)速變?yōu)閚C,這屬于因負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而引起的轉(zhuǎn)速變化,二者是有區(qū)別的。 根據(jù)他勵直流電動機的機械特性方程式 可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)矩Ｔ不變時,改變電樞電路串接的電阻Rpa、電樞兩端電壓U和氣隙磁通Φ都可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。

2.5.1調(diào)速指標(biāo)

1．調(diào)速范圍D

調(diào)速范圍是指電動機在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下,可調(diào)到的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比,用D表示,即 不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速的范圍要求不同,例如車床要求D=20～120,龍門刨床要求D=10～40,

軋鋼機要求D=3～120,造紙機械要求D=3～20等。

(2-15)

2．靜差率δ

靜差率是指電動機在某一條機械特性上運行時,由理想空載到額定負(fù)載運行的轉(zhuǎn)速降ΔnＮ與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比(用百分?jǐn)?shù)表示),用δ表示,即

靜差率的大小反映了靜態(tài)轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性,即負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時,轉(zhuǎn)速變化的程度。

(2-16)轉(zhuǎn)速變化小,穩(wěn)定性就好。由他勵直流電動機的機械特性可知,機械特性越硬,靜差率越小，穩(wěn)定性越好。一般靜差率δ＜50％,不同的生產(chǎn)機械要求不一樣,如刨床要求δ＜10％,造紙機械要求δ≤0.19%,普通車床要求δ≤30%等。

3．調(diào)速的平滑性 調(diào)速的平滑性是指相鄰兩極（i級和i-1級）轉(zhuǎn)速之比,用φ表示,即

在允許的調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)速級數(shù)越多,亦即每一級調(diào)節(jié)的量越小,調(diào)速的平滑性越好。顯然,φ愈接近1,平滑性愈好,當(dāng)φ≈1時,可近似看作無級調(diào)速。不同的生產(chǎn)機械對平滑性的要求不同。（2-17）

4．調(diào)速時的允許輸出 調(diào)速時的允許輸出是指在額定電流條件下調(diào)速時,電動機允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩或最大功率。允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法,稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;允許輸出的最大功率與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法,稱為恒功率調(diào)速。

5．調(diào)速的經(jīng)濟性 調(diào)速的經(jīng)濟性是指對調(diào)速設(shè)備的投資、運行過程中的電能損耗、維護費用等進行綜合性比較,在滿足一定的技術(shù)指標(biāo)下,確定調(diào)速方案,力求投資設(shè)備少,電能損耗小,且維護方便。 2.5.2他勵直流電動機的調(diào)速方法

1．電樞電路串電阻調(diào)速 電樞電路串電阻調(diào)速是指保持電源電壓U=UN,勵磁磁通Φ=ΦN,通過在電樞電路串接電阻Rpa進行調(diào)速。電樞電路串電阻調(diào)速時,電動機的機械特性如圖2-18所示。

設(shè)電動機在電樞電壓、勵磁電流及負(fù)載轉(zhuǎn)矩均保持不變時，運行在機械特性的A點，此時T=TL，電樞電流為Ia。開始調(diào)速時，在電樞電路串入電阻Rpa1，由于機械慣性電動機轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電動勢仍為Ea=CeΦnA，而電樞電流Ia=(UN-Ea)/(Ra+Rpa1)減小，T=CTΦIa減小，運行點由A點平移到人為機械特性的B點，此時由于T＜TL，電動機開始減速，在Ra+Rpa1的機械特性上運行，隨著轉(zhuǎn)速的降低，電樞電動勢減小，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩上升，當(dāng)回升到原來的Ia及T時，T=TL，在C點穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速為nC，調(diào)速過程結(jié)束。同理，如再改變電阻由Rpa1增大到Rpa2，可使轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，如圖2－18中所示的D點，穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速為nD。電樞電路串電阻調(diào)速的方法具有以下特點：（1）轉(zhuǎn)速只能從額定值往下調(diào)，且機械特性變軟，轉(zhuǎn)速降ΔnN增大，靜差率明顯增大，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性變差,因此調(diào)速范圍較小，一般情況下D=1～3。（2）調(diào)速電阻Rpa不易實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，只能分段有級調(diào)節(jié)，調(diào)速平滑性差。（3）調(diào)速電阻Ｒpa中有較大電流Ia流過，消耗較多的電能，不經(jīng)濟。（4）調(diào)速設(shè)備投資小，方法簡單。這種調(diào)速方法適用于小容量電動機運行速度較低，且調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機械，如中、小型的起重機械和運輸牽引裝置等。

例2.1

一臺他勵直流電動機,其銘牌數(shù)據(jù)為PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,已知電樞電阻Ra=0.1Ω,電動機拖動額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行,若采用電樞串電阻的方法將轉(zhuǎn)速降至1000r/min,應(yīng)串多大的電阻？

解根據(jù)他勵直流電動機的電動勢平衡方程式,可得額定運行時電樞電動勢為

EaN=UN-INRa=220-115×0.1=208.5V

根據(jù)Ea=CeΦn,由于串電阻調(diào)速前后的磁通Φ不變,因此調(diào)速前后的電動勢與轉(zhuǎn)速成正比,故轉(zhuǎn)速為1000r/min時的電動勢為

根據(jù)T=CTΦIa,由于調(diào)速前后的磁通Φ不變,T=TL未變,因此調(diào)速前后的電樞電流Ia=IN不變,故串電阻調(diào)速至1000r/min時的電動勢平衡方程式為

UN=Ea+IN(Ra+Rpa)

所串電阻為

2.降低電樞電壓調(diào)速降低電樞電壓調(diào)速是指保持磁通Φ=ΦN,且電樞電路不串接附加電阻（Ｒpa=0）,通過降低電樞兩端電壓U進行調(diào)速。降低電樞電壓調(diào)速時的機械特性如圖2-19所示。圖2-19降低電樞電壓調(diào)速的機械特性降低電樞電壓調(diào)速的物理過程：當(dāng)Φ=ΦN，Rpa=0，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL時，電動機在機械特性的A點上穩(wěn)定運行。當(dāng)電樞電壓從UN降為U1時，由于機械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點由A點移至B點，此時T＜TL，電動機開始減速，轉(zhuǎn)速n降低，電樞電動勢Ea降低，電樞電流Ia升高，電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦIa增大，直到T=TL時，電動機在C點穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速變?yōu)閚C。若電壓繼續(xù)降低至U2時，同理可知電動機在D點穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速變?yōu)閚D。

降低電樞電壓調(diào)速的方法具有以下特點： （1）機械特性的硬度不變,靜差率較小,調(diào)速性能穩(wěn)定。 （2）調(diào)速的范圍大,調(diào)速的平滑性好,可實現(xiàn)無級調(diào)速。 （3）功率損耗小,效率高。 （4）調(diào)壓電源設(shè)備的費用較高。

例2.2

在例2.1的他勵直流電動機中,參數(shù)不變,若采用降低電源電壓的方法進行調(diào)速,將轉(zhuǎn)速調(diào)至1000r/min,電源電壓應(yīng)為多少伏？

解由例題2.1的計算可知,采用降低電壓的方法把轉(zhuǎn)速降至1000r/min時,電樞電動勢Ea=139V,T=TL未變,電樞電流Ia=IN,故轉(zhuǎn)速降到1000r/min時的電壓為

U=Ea+INRa=139+115×0.1=150.5V3．弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速是指保持電動機的電樞電壓U=UN，電樞電路不串接附加電阻（Rpa=0），通過減小磁通Φ進行調(diào)速。通?？捎迷龃髣畲烹娐冯娮鑱頊p小磁通Φ，但磁通不能太小。弱磁調(diào)速時的機械特性如圖2－20所示。從圖中可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變，若電動機原在A點上穩(wěn)定運行，當(dāng)磁通Φ減小至Φ1（略微減小）時，電樞電動勢Ea=CeΦn減小，電樞電流Ia=(UN-Ea)/Ra增大較多，電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦIa仍增大，工作點由A點平移至B點，由于T>TL，轉(zhuǎn)速上升，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸升高，電動勢Ea回升，電流Ia回降，電磁轉(zhuǎn)矩T回降，當(dāng)T降到T=ＴL時，電動機在機械特性的C點穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速變?yōu)閚C。圖2－20弱磁調(diào)速的機械特性

弱磁調(diào)速的方法具有以下特點： （1）轉(zhuǎn)速只能向上調(diào),由于轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)向條件及機械強度的限制,因此調(diào)速的范圍不大，一般D=1～2。 （2）機械特性稍有變軟,靜差率δ基本保持不變,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。 （3）勵磁電流較小,便于連續(xù)調(diào)節(jié),可平滑調(diào)速,實現(xiàn)無級調(diào)速。（4）調(diào)節(jié)勵磁的可變電阻器功率較小,所以電能損耗小。 （5）調(diào)速設(shè)備投資小,控制和維護方便,較為經(jīng)濟。

例2.3

在例2.1中,電動機參數(shù)不變,如果采用弱磁調(diào)速,將磁通Φ降至0.8ΦN時,試求：

(1)Φ減少瞬間的電動勢和電樞電流；

(2)調(diào)速后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

解

(1)弱磁調(diào)速瞬間,轉(zhuǎn)速n=nN不變,Φ減小,根據(jù)Ea=CeΦn可知電動勢Ea與磁通Φ成正比,故磁通Φ降至0.8ΦN瞬間的電動勢為

根據(jù)弱磁調(diào)速瞬間的電動勢平衡方程式

得弱磁瞬間的電樞電流為

由上式結(jié)果可知,弱磁調(diào)速瞬間磁通只減小到原來的0.8倍,卻使電樞電流變得很大,是原來的532/115≈4.6倍。 (2)弱磁調(diào)速后穩(wěn)定運行時,T=TL。 由于

T=CT0.8ΦNIa′,

TL=TN=CTΦNIN

因此兩式相等,得穩(wěn)定運行時的電樞電流 根據(jù)穩(wěn)定運行時的電動勢平衡方程式

得穩(wěn)定運行時的電樞電動勢

Ea′=UN-Ia′Ra=220-143.75×0.1≈205.63V

由于

Ea′=Ce0.8ΦNn′,EaN=CeΦNnN

因此兩式相比,得穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速

4.他勵直流電動機調(diào)速時的允許輸出

1)電樞串電阻調(diào)速和降低電樞電壓調(diào)速當(dāng)他勵直流電動機采用電樞串電阻調(diào)速和降低電樞電壓調(diào)速時，因為Φ=ΦN不變，在Ia=IN的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦNIN=TN不變，與n無關(guān)，所以電動機的允許輸出轉(zhuǎn)矩也不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。這時電磁功率 ,故允許輸出功率（近似為電磁功率）則與轉(zhuǎn)速n成正比。

2）弱磁調(diào)速當(dāng)他勵直流電動機采用弱磁調(diào)速時，U=UN，Φ是變化的，若保持Ia=IN不變，則Φ與n有如下關(guān)系：式中，為常數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩可表示為式中，C2=C1CTIN為常數(shù)。該式表明T與n成反比變化。故電動機的電磁功率可表示為由以上分析可知，弱磁調(diào)速時電動機的電磁功率保持不變，允許輸出的功率也保持不變，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，屬于恒功率調(diào)速方式。這時允許輸出的轉(zhuǎn)矩（近似為電磁轉(zhuǎn)矩）則與轉(zhuǎn)速n成反比。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式和恒功率調(diào)速方式，都是用來表征電動機采用某種調(diào)速方法時的帶負(fù)載能力，并不是指電動機的實際輸出。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式必須應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒功率調(diào)速方式必須應(yīng)用于恒功率負(fù)載，亦即調(diào)速方式應(yīng)與負(fù)載類型相匹配,否則電動機得不到合理的使用。2.6他勵直流電動機的制動

2.6.1能耗制動能耗制動是把正處于電動運行狀態(tài)的電動機電樞繞組從電網(wǎng)上斷開，并立即與一個附加制動電阻Rbk相連接構(gòu)成閉合電路。能耗制動又可分為能耗制動停車和能耗制動運行。如圖2－21(a)所示，為實現(xiàn)電動機拖動反抗性負(fù)載快速停車，先將KM1斷開，電動機電樞與電源脫離，電壓U=0；再將KM2閉合，電樞通過電阻Rbk構(gòu)成閉合電路。在電路切換的瞬間，由于機械慣性作用，電動機轉(zhuǎn)速不能突變，轉(zhuǎn)速n仍保持原電動狀態(tài)的大小和方向，因此電樞電動勢Ea的大小和方向不變，根據(jù)電動機的電動勢平衡方程式圖2-21他勵直流電動機能耗制動時的接線圖及制動原理

(a)電路接線圖；(b)制動原理

U=Ea+Ia(Ra+Rbk)

可得電樞電流（2-18）電樞電流為負(fù)值，說明電樞電流與電動狀態(tài)時的方向相反，因此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩反向，與轉(zhuǎn)速方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，如圖2－21(b)所示。在制動轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)n=0時，Ea=0，Ia=0，T=0，制動過程結(jié)束。在制動過程中，電動機將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換為電能消耗在電阻（Ra+Rbk）上，直到電動機停止轉(zhuǎn)動為止。所以這種制動方式稱為能耗制動。

能耗制動時,U=0，R=Ra+Rbk,其機械特性方程式為

（2-19）

由上式可知其機械特性曲線為一條通過原點，位于第二象限的直線，如圖2－22所示。設(shè)電動機原在固有特性的A點穩(wěn)定運行，切換到能耗制動的瞬間，轉(zhuǎn)速nA不能突變，電動機的工作點從A點跳到B點，此點的電磁轉(zhuǎn)矩TB＜0，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩同方向，拖動系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的共同作用下，迅速減速，運行點沿能耗制動特性曲線BO下降，直到原點，電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速降為零，電動機停車。若電動機原來拖動位能性負(fù)載在固有機械特性的A點運行，以轉(zhuǎn)速nA提升重物，如圖2－22所示。為了使電動機勻速下放重物，首先采用能耗制動使電動機減速，這時工作點由A點跳至B點，再沿特性曲線BO下降至O點，在該點電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為零。此時拖動系統(tǒng)在位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的作用下使電動機反轉(zhuǎn)，如圖2－23所示，并反向加速,n＜0，Ea＜0，Ia>0,T>0，T與n的方向相反，電動機運行在第四象限的機械特性上，如圖2－22中的虛線OC段所示。隨著轉(zhuǎn)速的反向升高，電樞電動勢Ea增加，電樞電流Ia增加，電磁轉(zhuǎn)矩T增加，直到T=TL時，在C點穩(wěn)定運行，勻速下放重物，電動機處于能耗制動穩(wěn)定運行狀態(tài)。圖2－22能耗制動時的機械特性圖2－23他勵直流電動機能耗制動運行原理圖

但Rbk不宜太小,因Ia受電機換向條件限制不能太大,所以規(guī)定制動開始時的最大允許制動電流Ibk≤（2～2.5）IN,則制動電阻Rbk應(yīng)為

（2-20） 式中：Ea——制動開始時電動機的電樞電動勢；

Ibk——制動開始時的電樞電流。

*例2.4一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=30kW，UN=220V，IN=157A，nN=1500r/min，電樞電阻Ra=0.082Ω。試求：

(1)電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL=0.8TN運行時，進行能耗制動，允許最大制動電流為2IN，電樞電路應(yīng)串多大的電阻？

(2)電動機拖動位能性負(fù)載TL=TN，以1000r/min的速度下放重物時，電樞電路應(yīng)串多大的電阻？解

(1)忽略空載轉(zhuǎn)矩Ｔ0時，額定電磁轉(zhuǎn)矩TN=CＴΦNIN=9.55CeΦNIN=9.55×0.138×157≈206.9N·m制動前穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速能耗制動開始瞬間的電樞電動勢Ea=CeΦNn=0.138×1519.6≈209.7V能耗制動時電樞應(yīng)串電阻（取Ibk=2IN）

(2)電動機拖動負(fù)載TL=TN，以1000r/min下放重物時，根據(jù)式（2－19）可得電樞應(yīng)串電阻 2.6.2反接制動

1．電源反接制動

電源反接制動是在制動時將電源極性對調(diào),反接在電樞兩端,同時還要在電樞電路中串一制動電阻Rbk,如圖2-24(a)所示為電路原理接線圖。當(dāng)接觸器的觸頭KM1閉合,KM2斷開時,電動機拖動負(fù)載在Ａ點穩(wěn)定運行,如圖2-25(b)所示。電動機制動時,KM1斷開,KM2閉合,電樞所加電壓反向,同時在電樞電路中串入了電阻Rbk,這時電樞電壓變?yōu)樨?fù)值,電樞電流則為(2-21)由上式可知電樞電流Ia變?yōu)樨?fù)值而改變方向,電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦΙa也隨之變?yōu)樨?fù)值而改變方向,與原轉(zhuǎn)速方向相反,成為制動轉(zhuǎn)矩,使電動機處于制動狀態(tài)。圖2-24他勵直流電動機電源反接制動電路與機械特性

(a)電路接線圖；(b)機械特性

電樞反接制動時電動機的機械特性方程式為

為了把電樞電流限制在Ibk=（2～2.5）IN范圍內(nèi),則制動電阻為 若制動前在額定負(fù)載下運行,可認(rèn)為Ｅa≈UN,則制動電阻的近似值為(2-22)(2-23)(2-24)

2.倒拉反接制動 倒拉反接制動的方法使用在電動機拖動位能性負(fù)載,由提升重物轉(zhuǎn)為下放重物的系統(tǒng)中,將重物低速勻速下放,制動控制電路接線圖如圖2-26(a)所示。其接線與提升重物時的電動狀態(tài)基本相同,只是在電樞電路串了一個大的電阻Ｒbk。 當(dāng)電動機提升重物時,KM1和KM2閉合,電動機在機械特性的A點穩(wěn)定運行,如圖2-26(b)所示。

下放重物時,將KM2斷開,電樞電路串入一個較大的電阻Rbk,在KM2斷開的瞬間,電動機的轉(zhuǎn)速nA不能突變,工作點由A點跳至人為機械特性的C點,由于電樞串入了較大電阻,這時電樞電流變小,電磁轉(zhuǎn)矩T變小,即T＜TL,因此系統(tǒng)不能將重物提升。在負(fù)載重力的作用下,轉(zhuǎn)速迅速沿特性下降到n=0,如圖2-26(b)所示的D點,在該點電磁轉(zhuǎn)矩還是小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,即T＜TL,電動機開始反轉(zhuǎn),也稱為倒拉反轉(zhuǎn),使轉(zhuǎn)速反向,n＜0,Ea=CeΦn＜0,電樞電流則為

（2-25）

由上式可知,電樞電流仍是正值,未改變方向,以致電磁轉(zhuǎn)矩T也是正值,未改變方向,但轉(zhuǎn)速已改變方向,因此電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,為制動轉(zhuǎn)矩,電動機處于制動狀態(tài)。由上式可知,隨著轉(zhuǎn)速的升高,電樞電流增大,電磁轉(zhuǎn)矩也增大,直到T=TL時,如圖2-25(b)所