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什么是直流电动机制动？详解直流电机的制动工作原理
中国传动设备网　时间：　信息来源：《电机学》
什么是直流制动？详解直流的制动工作原理，制动的基本理论
制动方式可分制动和电气制动两种， 其中电气制动：就是指使产生一个与转速方向相反的电磁转矩Tem，Tem起到阻碍运动的作用。
的制动有两方面的意义：一是使拖动系统迅速减速停车，这时的制动是指从某一转速迅速减速到零的过程（包括只降低一段转速的过程），在制动过程中的电磁转矩Tem起着制动的作用，从而缩短停车时间，以提高生产率；二是限制位能性负载的下降速度。这时的制动是指处于某一稳定的制动运行状态，此时的电磁转矩Tem起到与负载转矩相平衡的作用。 例如起重机下放重物时，若不采取措施，由于重力作用，重物下降速度将越来越快，直到超过允许的安全下放速度。为防止这种情况发生，就可以采用电气机制动的方法，使的电磁转矩与重物产生的负载转矩相平衡，从而使下放速度稳定在某一安全下放速度上。
上述两种情况中，前者属于过渡过程，故称为“制动过程”，后者属于稳定运行，则称为“制动运行”。
他励直流的电气制动方法有：能耗制动、反接制动和回馈制动等，下面分别讨论。
一、能耗制动
如下图所示，为能耗制动原理图。制动前接触器KM的常开触头闭合，常闭触头断开，将处于正向电动稳定运行状态，即电磁转矩Tem与转速n的方向相同（均为顺时针方向），Tem为拖动性转矩。在运行中保持励磁，断开常开触头KM使电枢电源断开，&KM常闭触头闭合，用电阻将电枢回路闭合，则进入能耗制。
能耗制动原理图
能耗制动时，励磁不变，电枢电源电&压U=0 ,由于惯性，制动始瞬间转速n不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势Ea也保持原来的大小和方向，而电枢电流Ia为；
从式（2-58）可见，电流Ia变为负，说明其Tem方向与原来电动运行时相反，因此电磁转矩&Tem也变负，表明此时的方向与转速的方向相反，起制动作用，称为制动性转矩。
由于TemTL，拖动系统减速。在减速过程中，Ea逐渐减小，Ia、Tem随之变小，动态转矩Tem-TL小于&0 ，拖动系统继续减速，直至n=0 ，此时&Ea、Ia、Tem都为0，如果拖动的是反抗性恒转矩负载，系统就在n=0时停车。从能耗制动开始到拖动系统迅速减速及停车的过渡过程就叫做“能耗制动过程”。在能耗制动过程中，靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将能转变成电能，再消耗在电枢回路电阻上，因而称能耗制动。
能耗制动的特性
能耗制动的特性方程为：
如果拖动的是位能性恒转矩负载，当n=0时，动态转矩Tem−TL0 ，系统在负载带动下将开始反向旋转，继续沿特性2运行直到C点（Tem−TL= 0）稳定运行，在C点&上满足稳定运行的充分必要条件，因此C点是稳定工作点。在C点上n为负、&Ea为负、Ia为正、Tem为正，所以Tem 是制动性转矩，在C点上&的稳定运行就叫做“能耗制动运行”。在能耗制动稳定运行状态下，靠位能性恒转矩负载带动旋转，电枢通过切割磁场将能转变成电能并消耗在电枢回路电阻上，其功率转换关系和能耗制动停车过程相同，不同的是能量转换功率EaIa大小在能耗制动稳定运行时是固定的，而在能耗制动停车过程中是变化的。
二、反接制动
反接制动分为电枢电压反向反接制动和倒拉反接制动。
（1）电枢电压反向反接制动
在电动运行中，断开KM1，闭合KM2， 使电枢电压反向并串入电阻RF，则进入制动。
反接制动时的电磁转矩与转速的方向变化情况；
反接制动时，加到电枢两端电源电压的极性方向相反，端电压为反向电压−U，同时接入反接制动电阻RF，系统减速，在减速过程中，反接制动初始瞬间，由于惯性，转速不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势也保持原来的大小和方向。
反接制动后电枢电流变为；
从式&（2-59 ）可知，电枢电流&Ia变负，电磁转矩Tem也随之变负，说明反接制动时Tem与n的方向相反，电磁转矩Tem为制动性转矩，拖动系统减速，在减速过程中，而 Ea& 逐渐减小，Ia 和Tem 也随之变小，动态转矩仍小于0，系统继续减速，直至n=0 ，应立即将接触器触头KM1, KM2都断开，使脱开电源，系统制动停车过程结束。
在反接制动过程中，电枢电压反接，电枢电流反向，电功率Pem= Ea Ia & 0，表明功率被转换成电功率，从电源输入的功率和转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（R + RF）上。
从图3.11可以看出，反接制动开始，的运行点从A 瞬间过渡到B点，然后沿特性曲线2转速下降，当到C点即&n=0时，立即断开电源，拖动系统制动停车过程结束。&从B点到C点，就是反接制动过程。
如果拖动的是反抗性恒转矩负载，当反接制动过程到达C点时，n=0，&Tem≠0，此时，若不立即断开电源，当-Tem的绝对值小于-TL 的绝对值时，，拖动系统将处于堵转状态；当-Tem的绝对值大于-TL 的绝对值时，拖动系统将就会反向启动，直到在D点稳定运行，这时-Tem=-TL。&反接制动适合于要求频繁正、反转的电力拖动系统，先用反接制动达到迅速停车，然后接着反向启动并进入反向稳态运行，反之亦然。若只要求准确停车的系统，反接制动不如能耗制动方便。如果拖动的是位能性负载,将在后面会提到的回馈制动状态 。功率平衡关系和制动电阻的计算；
同样反接制动的特性曲线的斜率也取决于制动电阻的大小为了保证制动电流不超过(2～8.5) 。制动电阻RF的求值；
&式中 ――电枢反接制动瞬间的电枢电流（），其大小与瞬间制动转矩有关。
在额定运行下制动，可以认为，代入进行计算。
（2）倒拉反接制动
&倒拉反接制
进入倒拉反转反接制动时，转速&n反向为负值，使反电势&Ea也反向为负值，电枢电流Ia是正值，所以电磁转矩也应为正值（保持原方向），与转速n方向相反，运行在制动状态。此运行状态是由于位能负载转矩拖动反转而形成的，所以称为倒拉反接制动。
在倒拉反转制动运行状态下，UN 、Ia 为正，电源输入功率P1=UN×Ia &0，而电磁功率Pem=EaIa &0，表明从电源输入的电功率和转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（Ra+RF）上，其功率关系与电枢电压反向反接制动时相似。
在由提升重物转为下放重物时，将KM触头断开，电枢电路内串接较大电阻RF，这时转速不能突变，工作点从a点瞬间跳至对应的人为特性b点上，由于Tem&TL，减速，沿曲线下降至c点。在c点，n=0，此时仍有Tem&TL，在负载重物的作用下，被倒拉而反转起来，重物开始下放并稳定运行在d点。
显而易见，下放重物的稳定运行速度可以因串入电阻RF的大小而不同，制动电阻RF越大，下放速度越快。进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖，同时电枢回路要串入较大的电阻。在此状态中，位能负载转矩是拖动转矩，而的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使之限制在安全范围之内，这种制动方式不能用于停车，只可以用于下放重物。
三、回馈制动（或称再生制动）
电动状态下运行的，在某种条件下会出现情况，此时，反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，处于发电状态――回馈制动状态。
Ea&U的条件：
（2）n不变，U减少。
（1）位能负载拖动
位能负载拖动
（2）他励改变电枢电压调速
在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生的情况，亦即出现了回馈制动状态。
降压调速过程中的回馈制动
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山东泰丰液压股份有限公司...直流电机原理电气工程学院 郭冀岭
直流电机原理? ? ? ? ? ? ?直流电机基本工作原理、结构和额定数据 直流电机绕组 直流电机磁场 直流电机基本方程 直流电机特性 直流电机换向 直流电机拖动
1 直流电机原理、结构及额定数据?? ? ? ?直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理 直流电机的基本结构 额定值 电机可逆原理1.1 直流电动机的工作原理(1) 状态一? ? ? ?磁极建立磁场 外加直流电压 在线圈中产生电流 载流导体在磁场中产生 电磁力主磁极+ F i nφ Nib线圈a dS φi c 电枢 F气隙f ? Bx li? ?克服阻力旋转 对外输出机械能-电动机模型1(2) 状态二：转子旋转180电角度?? ??直流电源供电 电流方向不变 旋转180电角度后电磁力 方向反向 平均电磁转矩为0主磁极+ i F nφ Nic F i线圈d aS φb 电枢气隙若要维持电磁力方向不变，必须: C 改变磁极极性 C 改变电流方向 C 二者改变且仅改变一个-电动机模型1(3) 两种位置电磁力对比主磁极主磁极+ F i nφ Nib线圈+ i F nφ Nic F i线圈a dS φi c 电枢 F气隙d aS φb 电枢气隙-电动机模型1-电动机模型1(4) 直流电动机原理－换向?几何中性线?磁极的几何分界线? ?电刷和换向器配合 电流换向＝电流逆变?+ F i n A B -φ Nib i c Fa dS φ???导体运动经过磁极的几 何中性线期间 交换线圈电源极性 交换线圈电流方向 电磁力方向维持不变电动机模型1.2 直流发电机的工作原理(1) 状态一? ???主磁极建立磁场 外加机械转矩 线圈在磁场中旋转 运动导体在磁场中产 生感应电势e ? Blv? ?带电负载 对外输出电能(2) 两种位置电动势对比(3) 直流发电机原理－换向??线圈旋转方向不变 导体感应电势??在不同极性磁极下感应电 势方向不同 导体感应电势交变+ A B nφ Ne eb ca dS φ?感应电势换向＝整流?? ??经过磁极的几何中性线 交换线圈输出极性 输出直流 否则，输出交流发电机模型(4) 线圈感应电势波形?线圈旋转，转过一对磁极的感应电势波形单线圈换向后的感应电势波形
小结：直流电机原理要求结构组成?直流电动机? ? ? ?建立磁场 → 产生电磁力的条件 载流导体 → 产生电磁力 线圈运动 → 对外输出机械功 换向器和电刷 → 换向 逆变换流，产生持续电磁力 建立磁场 → 产生感应电势的条件 导体运动 → 产生感应电势 外加负载 → 对外输出电能 换向器和电刷 → 换向 整流，产生直流电动势?直流发电机? ? ? ?1.3 直流电机的基本结构?静止部分（定子）?主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电 刷装置等 电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等?旋转部分（转子、电枢）?(1) 具体构成(2) 直流电机整体实物结构图
(3) 直流电机主要部件 ①主磁极 ②励磁绕组励磁绕组套在 主磁极极身上主磁极钢板冲片 （1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片 叠压而成
③电枢铁心 ④电枢绕组均匀开槽涂绝缘漆冲 片叠压而成 电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚) （硅钢片）⑤换向器换向器⑥电刷?固定部分与运动部分间滑动接触? ? ?直流电机 绕线式异步电机 同步电机
1.4 直流电机额定值???? ? ? ? ?额定功率 PN ：电机在铭牌规定的额定状态下 运行时电机的输出功率 (W/kW) 额定电压UN：电机出线端电压 (V) 额定电流IN：电机出线电流 (A) 额定转速nN：(r/min,r.p.m) 额定励磁电压UfN：(V) 额定励磁电流IfN：(A) 额定转矩TN：(Nm) 额定效率ηN：（直流电动机） (%)?Z2 -72 ” 表示直流电动机、第二次改进设计型， “ 7 ”表示机座号， 7 后面的 2 表示长铁芯（ 2 号 表示长铁芯， 1 号表示短铁芯）。国产直流电机主要系列产品? ? ? ? ? ??? ?Z2系列 一般用途 中小型 Z和ZF系列 一般用途 大中型 电动、发电 ZT系列 恒功调速范围广 拖动 ZZJ系列 冶金起重 ZQ系列 直流牵引 ZH系列 船用 ZA系列 防爆安全 ZU系列 龙门刨床 ZKJ系列 冶金、矿山挖掘机用直流电机额定值的计算?发电机PN ? U N ? I N PN ? U N ? I N ? ? N?电动机1.5 直流电机可逆性原理(1) 直流电机的可逆性原理?一台直流电机，既可作发电机运行也可作电动 机运行 ? 结构一样 ? 所处状态，由运行环境决定 ? 输出电能为发电机，输出机械能为电动机 掌握：如何判断直流电机的运行状态？电动机运行状态?? ????电网容量无限大 网压U=常数 → Ia 产生电磁转矩 感应电势 E&U → 从电网吸收 电能 克服阻力T2旋转,输出机械功率 稳定运行d? Tem ? T2 ? J ?0 dt发电机运行状态?? ???电网容量无限大 网压U=常数 外转矩T1 → 转速n旋转 感应电势E &U → 输出 电能,电枢电流Ia 稳定运行T1 ? Temd? ?J ?0 dt(2) 调节(发电机?电动机） 调节1（初始发电机状态） ? 保持磁场不变，不计电机损耗 ? 减小机械输入转矩T1 → 转速n下降 → 感应电 势E减小 → Ia减小/输出电功率减小 → 电磁转 矩减小 ? 重新稳定后 T1=Tem ，达到新平衡 ? 结果? ?输入机械功率减小 输出电功率减小调节2（达到理想空载状态）?减小T1到 T1=0，达到新平衡后? ??? ?输入机械功率＝0 输出电功率＝0 感应电势E＝U 电机转速n≠0 电枢电流Ia＝0 不将机械能转换成电能 也不将电能转换成机械能 称为理想空载?结果? ??调节3（最终为电动机运行状态） ? 在T1=0，再减小T1（T1&0) → 转速n下降 → 感 应电势E减小(E&U) → Ia减小(Ia&0)/输出电功率 减小(&0) → 电磁转矩减小(&0)? ?输入机械功率 & 0 ，输出机械能 输出电功率&0，从电网吸收电能?结果：电机进入电动机运行状态(3) 调节（电动机?发电机）??同理，电动机运行状态也可以调节至发电机运 行状态 一台直流电机，既可作发电机运行也可作电动 机运行问题：其他类型电机是否遵循可逆性原理？2 直流电机绕组?????直流绕组构成 直流绕组的术语 直流电机单叠绕组 直流电机单波绕组 各种绕组的应用范围2.1 直流绕组的构成(1) 绕组的要求?绕组?由一系列元件边和端接线按一定规律排列构成 的感应电势和产生电磁力的导体集合 将导体感应电势有效组织起来 将电枢电流有效分布 节省材料 结构简单 制造维护方便?作用? ??要求? ? ?(2) 电枢绕组的演变 ①环形电枢绕组?优点绕组不受极数的限制,即同样 的绕组可供不同极数的电机使用??缺点???中空铁心内侧导体无法切割磁 极磁通（无磁通可切）以产生 电势,即只有一半导体产生电动 势，浪费材料且增加电枢电阻 须手工绕制,制造费时,且绝缘处 理不易 使自感及互感增大致换向不良e ee ee ee ee ee ee e②鼓形电枢绕组?优点? ??导体利用率较环形绕组高 可采用成形的绕组,绕置 容易及易于绝缘 自感及互感较环形绕组小, 因此换向较环形绕组优?缺点?不能适用於不相同极数的 电机,有可能电动势方向 或电磁力方向会相反而 抵消一部分。2e 2e 2e 2e2e 2e2e 2e2e 2e2e 2e2e 2e(3) 电枢绕组的构成?? ??将两根导体组成一个线圈 将多个线圈通过换向片连接起来 所有换向片组成换向器 所有线圈组成绕组2.2 直流绕组的术语?元件边：在电枢槽内，感应电势和产生电磁力的导体 ?端接线：联接两元件边的导体 ?元件：组成绕组的最小独立部分， 由两个元件边和端接线组成?槽数Q 虚槽数Qu= u×Q???u为每个槽上下层各有元件边数 若每个槽上下层只有一个元件边，则u=1?绕组元件数S 换向片数K 一般情况下，u=1则 Qu=K=S?极距 τ 第一节距 第二节距 合成节距 换向节距??单叠绕组元件右行左行Q 2p Q y1 ? ? ε ? 整数 2py1 y2 y yK左行 y ? yK ?K ?1 p 单波绕组元件右行 y ? yK ?右行K ?1 p?第一节距y1? ? ? ? ?元件两有效边在电枢表面所跨的距离 尽量接近τ，必定为整数 Q y1=τ 整距绕组 常用 y1 ? ? ε ? 整数 2p y1&τ 短距绕组 常用?第二节距y2?y1&τ 长距绕组相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的 上层边在电枢表面上所跨的距离 相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离 叠绕组 y=y1-y2 波绕组 y=y1+y2 yK=y?合成节距y? ???换向（器）节距yK在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的 两个换向片之间所跨的距离?2.3 直流电机单叠绕组?? ???单叠绕组：所有相邻元件依次 串联，同时每个元件的出线端 依次连接到相邻的换向片上， 最后形成一个闭合回路。 y=1，右行； y=-1，左行 所有元件电势全部串联成一环 状，由电刷分割 电刷放在(感应电势为零的元 件上)几何中心线上 支路为2p偶数，对称y ? yc ? ?1?画出单叠绕组展开图某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片 数K均为16。第一节距y1Qu 16 y1 ? ?? ? ?4 2p 4合成节距y和换向器节距yky ? yK ? 1第二节距y2y2 ? y1 ? y ? 4 ? 1 ? 3(1) 画槽1612345678910111213141516(2) 放磁极τ τ τ τ1612345678910111213141516SNSNS(3) 画换向片τ τ τ τ1612345678910111213141516SNSNS1516123456789101112131415(4) 连绕组τ τ τ τ电枢转向1612345678910111213141516SNSNS1516123456789101112131415(5) 电动势方向τ τ τ τ电枢转向1612345678910111213141516SNSNS1516123456789101112131415(4) 放电刷τ τ τ τ电枢转向1612345678910111213141516SNSNS151612345 B1 -6789101112131415A1 +A2 +B2 -+-上层元件边 1 y 2 y1 下层元件边 5 y2 63456789101112131415161789101112131415161234?单叠绕组展开图单叠绕组是把一个 主极下的元件串联 成一条支路并联支 路数等于极数4极电机，Qu=S=K=16 单叠右行整距绕组 并联支路对数a=2=p?单叠绕组瞬间电路图Next发电机状态电动机状态??单叠绕组特点单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成 节距与换向节距均为1，即：y ? yk ? 1???1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与 支路数相同，2a=2p。 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最 大，电刷间电动势等于并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路电流之和。 为保证各支路电动势相等，不产生环流，可在电枢绕 组中理论上点位相等的点用均压线联结?补充?2.4 直流电机单波绕组???单波绕组：同一极性下对 应位置的所有元件串联起 来，直到沿电枢和换向器 绕过一周后，恰好回到出 发换向片的相邻一片上； 然后在从此换向片出发， 继续绕连，一直到把全部 元件连完，最后回到开始 出发的换向片，构成一个 闭合电路为止。 单波绕组只有两条并联支 路 -1为左行，+1为右行y ? yKK ?1 ? p?画出单波绕组展开图某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向 片数K均为15。 第一节距y1 Qu Qu 15 3 15 1 ' ?? ? ? ? 4 y1 ? ? ? ? ? ? 3 y1 ? 2p 4 4 2p 4 4 合成节距y和换向器节距yK K ? 1 15 ? 1 y ? yK ? ? ?7 p 2 第二节距y2y2 ? y1 ? y ? 7 ? 3 ? 4' y2 ? y1' ? y ? 7 ? 4 ? 3槽展开 τ绕组放置 τ τ安放磁极、电刷τ12S3456N 78910 S11 12 13 N 15 14345678910 11 12 13 14 1512
?单波绕组展开图单波绕组是把所有 处于相同极性下的 元件都串联起来构 成一条支路并联支 路数等于24极电机，Q=Qu=S=K=15 单波左行短整距绕组 并联支路对数a=1?单波绕组电路图?单波绕组特点???? ?1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为 1，与磁极对数无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的 位置对准主磁极中心线，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数； 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。?单叠绕组与单波绕组比较??并联支路对数不同 每条并联支路所串联的绕组不同?小结? ? ??直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组； 直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。 单叠绕组 a = p 即并联支路对数恒等于电机 极对数 单波绕组 a = 1 即并联支路对数恒等于1 电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负 电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路 的元件中的电动势为零。 对于端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下 的换向片上。?另外??2.5 各种绕组的应用范围? ? ? ? ?除单叠、单波绕组外 复叠绕组：两个单叠绕组互相间隔嵌入槽内 复波绕组：两个单波绕组互相间隔潜入槽内 混合绕组：一个单叠和一个单波绕组（蛙型） 应用?? ?? ?单波绕组支路最少，用于小容量电机和电压较高或转速较低 的电机 复波绕组可用于多极数、低速的大中型电机 单叠绕组的支路数比波绕组多，主要用于中等容量、正常电 压和转速的电机 复叠绕组用于大容量或低压、大电流的电机 蛙型绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机3 直流电机磁场???直流电机励磁方式 直流电机空载磁场 直流电机负载磁场(电枢反应)3.1 直流电机励磁方式??他励式：励磁绕组与电枢绕组无关 自励式：?并励：励磁绕组与电枢绕组并联? ?电动机： 发电机：I ? Ia ? I f I ? Ia ? I f?串励：励磁绕组与电枢绕组串联 I ? Ia ? I f 复励：兼有串励绕组和并励绕组?
3.2 直流电机空载气隙磁场(1) 空载?空载? ?输出功率为零 有损耗存在，电枢电流≠0 电枢电流为零 且 转速≠0 机械能不转换成电能 电能也不转换成机械能 电机中的磁场完全由主极绕组产生?理想空载? ? ? ?(2)直流电机空载磁场分布? ? ?励磁绕组通直流电产生的磁场 空载时电机中的磁场分布对称 主磁通 漏磁通?主极磁场根据磁力线通路（磁路）差异区分??主磁通Φ ：通过气隙，并形成气隙磁场（主磁场）， 同时交链励磁绕组和电枢绕组 主极漏磁通Φf ? ：不通过气隙的磁通，不产生感 应电势 主磁通在转子导体(电枢绕组)中产生感应电势 漏磁通不产生感应电势，可能引起主极铁心饱和， 增大磁路磁阻?主磁路??主极漏磁路?(3) 空载气隙磁密?假设? ?铁磁材料μ→∞ 不计齿槽影响?则? H ? dl ? ? I? 2 ? H x ?? x ? 2 ? N f ? I f僧帽形??0Bx?? x ? N f ? I fNf ?If? Bx ? ? 0 ??x(4) 导体空载感应电势及电磁力?结构? ???感应电势导体沿铁心轴向分布 磁力线径向分布 运动方向：转子圆周切线方向 B、l、v三者正交?运动导体感应电势e x ? Bx lv?载流导体产生电磁力 f x ? Bx li(5) 直流电机空载磁化特性?0 ?N气隙线A0I fNIf0 If Ff 0 I N3.3 直流电机负载气隙磁场(1) 电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势? ?以o为原点 以（x，-x）构成闭合磁路?则x处磁动势大小 Fax?i ? ?H ? ??2Nia x ? Da?Nia 则x处磁密大小 Bax ? ?0 H ? ? ?0 ? x ? ? Da?主磁极正下方气隙均匀 B∝F 几何中性线附近气隙很大? B很小马鞍形Fax? ??电机负载时，气隙磁场由主极磁势和电枢磁势 共同建立电枢磁场磁通 密度分布曲线主磁场的 磁通密度 分布曲线 两条曲线逐点叠 加后得到负载时 气隙磁场的磁通 密度分布曲线(2) 电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势?当电刷不在几何中性线上? ?电刷从几何中性线偏移β角，电枢磁动势轴线也随之移动β角 电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：? ?交轴电枢磁动势Faq 直轴电枢磁动势Fad??交轴磁势Faq：磁势与电刷轴线重合 直轴磁势Fad：磁势与磁极轴线重合(3) 直流电机电枢反应?? ?电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，负载后电枢中有电 枢电流，气隙中磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用 的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电 枢反应与电刷的位置有关。 交轴电枢磁势→交轴电枢反应 直轴电枢磁势→直轴电枢反应①交轴电枢反应电枢磁场磁通 密度分布曲线主磁场的 磁通密度 分布曲线 两条曲线逐点叠 加后得到负载时 气隙磁场的磁通 密度分布曲线α?交轴电枢磁势对电机磁场的影响?磁场畸变? ? ?半个磁极内助磁 半个磁极内去磁 物理中性线发生偏移? ?发电机 顺着电机运动方向偏移α 角 电动机 逆着电机运动方向偏移α 角?磁通变化??不饱和时，每极磁通不变 饱和时，每极磁通略有减少②直轴电枢反应?直轴电枢磁场对主极磁场的影响? ?与主极磁势平行 去磁 或 助磁(4) 直流电机电枢反应小结?当电刷在几何中性线上时?使气隙磁场发生畸变?空载时电机的物理中性线与几 何中性线重合。每一个磁极下， 一半磁场被增强，一半被削弱， 物理中性线偏离几何中性线α 角，磁通密度的曲线与空载时 不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱 的数量等于加强的数量，每极 下的磁通量与空载时相同。 饱和时，每极磁通略有减少??对主磁场起去磁作用???电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移发电机 电动机S电刷逆转向偏移交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁S交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁nFaFfnFfβ电 动 机 状 态Fa切 换 到 发 电 机βNN?电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移发电机 电动机S电刷逆转向偏移交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁S交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁nFaFfnFfβ发 电 机 状 态Fa切 换 到 电 动 机βNN4 直流电机基本方程?? ? ?直流电机感应电动势和电磁转矩方程直流电机机械运动方程 直流电机电压电流方程 直流电机转矩功率方程
4.1 直流电机感应电动势和电磁转矩方程?导体感应电势ex ? Bx ? l ? v?导体电磁力f x ? Bx ? l ? i(1) 直流电机感应电动势导体感应电势ex ? Bx ? l ? v设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路 每条支路串联导体数NaN Na ? 2a支路感应电势E a ? ? Bx ? l ? v ? l ? v ? ? Bxx ?1 x ?1Na导体切割磁场速度n v? ? 2 p ?? 60定义平均磁密Bav ??Bx ?1NaxNa?? B dx ? B ldxx x 0????0?l? ? ?l电枢绕组感应电势pN Ea ? l ? v ? ? Bx ? l ? v ? ( N a ? Bav ) ? n? 60a x ?1Na电枢绕组感应电势pN Ea ? ? ? ? n ? Ce ? ? ? n 60 apN 其中 Ce ? 称为直流电机的电势常数 60 a(2) 直流电机电磁转矩一根导体产生的电磁力f x ? Bxli设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路电枢绕 组总电流为Ia，电枢外径为Da 每条支路电流Ia i? 2a一根导体产生的电磁转矩Da ?Da 2 p? I a Tx ? f x ? Bxli ? l Bx 2 2? 2? 2a电磁转矩2 p? I a N Tem ? ? Tx ? l ? Bx 2? 2a x ?1 x ?1N定义平均磁密Bav ??Bx ?1NaxNa?? B dx ? B ldxx x 0????0?l? ? ?l电枢绕组产生的电磁转矩Ia 2 p ?? pN Tem ? ? l ? ? N ? Bav ? ?? ? I a 2? 2a 2? a直流电机电磁转矩TempN ? ? ? ? I a ? CT ? ? ? I a 2?apN 称为直流电机的转矩常数 其中 CT ? 2?a(3) 直流电机感应电势和电磁转矩感应电势 电磁转矩pN Ea ? ?n ? Ce ?n 60 apN Tem ? ?I a ? CT ?I a 2?apN 电势常数 Ce ? 60 apN 转矩常数 CT ? 2?a(4) 直流电机电势常数和转矩常数的关系pN CT 2?a ? 60 ? 9.55 ? pN Ce 2? 60 a转速与旋转角速度的关系2?n ?? 60pN pN 60? pN Ea ? Ce ?n ? ?n ? ? ? ?? ? CT ?? 60 a 60 a 2? 2?a4.2 直流电机机械运动方程T1 ? TemTemd? ? T2 ? J dtd? ?J dt4.3 直流电机电压电流方程(1) 参考定向电动机参考定向发电机参考定向(2) 并励直流电机电压、电流方程 电流方程电动机：I ? I a ? I f 发电机：I ? I a ? I f电压方程电动机：U ? Ea ? I a Ra ? 2?U b ? Ea ? I a ? Ra发电机：U ? Ea ? I a Ra ? 2?U b ? Ea ? I a ? RaRj RfRaU ? E ? I a Ra ? CeΦn ? I a Ra U ? I f RfI ? Ia ? I f? Ra ? Ra ? ?R?U bj2?U b 为电枢回 路总电阻 Ia? Rf ? Rj为励磁回 路总电阻 为电刷接 触压降(3) 他励直流电机电压、电流方程I a ? I，U f ? I f R f 发电机：Ea ? U ? I a Ra ? 2?U b 电动机：Ea ? U ? I a Ra ? 2?U b(4) 串励直流电机电压、电流方程 电流方程 I ? Ia ? I f 电动机电压方程U ? Ea ? I a ? Ra ? I f ? R f ? 2?U b ? Ea ? I a ? ? Ra4.4 直流电机转矩功率方程(1) 电磁功率?通过气隙磁场进行机电能量转换的功率Pem= EaIa=TemΩ? (Ce ?n) I a? (CT ??) I a ? (CT ?I a )?(2) 转矩平衡方程发电机：T1 ? Tem ? T0 电动机：T2 ? Tem ? T0(3) 损耗?铜耗pcua ? I Ra2 apc ? 2 I a ?U bpFe?摩擦损耗 p? ? ?通风损耗空载损耗 p0?铁耗 机械损耗??杂散（附加）损耗p?(4) 功率平衡方程?发电机P ? Pem ? p? ? pFe ? Pem ? p0 1 P2 ? Pem ? pcua ? pcuf?电动机P ? Pem ? pcua ? pcuf 1 P2 ? Pem ? p? ? pFe ? Pem ? p0(5) 并励直流电机的功率流程图【例】一台并励直流发电机，电动机的额定数据 为：额定功率25kW，额定电压230V，额定转速 1455r/min，励磁电阻130Ω，电枢电阻0.15Ω；带 额定负载时杂散损耗为3.8％PN，铁耗582W，机 械损耗305W，求发电机额定负载时： （1）电磁功率与电磁转矩； （2）输入功率； （3）效率。（1）解： INPN ? ? 108.7 A UNI fNUN ? ? 1.77 A R fNI aN ? I N ? I fN ? 110.47 Apcuf ? I 2 R fN ? 407.28W fN2 pcua ? I aN Ra ? 1831.54WPem ? PN ? pcuf ? pcua ? 27.24kWTemPem 9.55 Pem ? ? ? 178.2 N ? m ?N nN（2）输入功率：P ? Pem ? pFe ? pmec ? pad ? 29.08kW 1PN （3）效率： ? ? ? 86.21% P15 直流电机运行特性??直流发电机运行特性 直流电动机运行特性? ?机械特性工作特性5 直流电机运行特性5.1 直流发电机运行特性发电机参数：U , I f , I , n?空载特性：U 0 ? f ( I f ) ? ?负载特性：U ? f ( I f ) n?C? ? 外特性：U ? f ( I ) ? 调整特性：I f ? f ( I ) ?(1) 他励直流发电机空载特性n?c I ?0U 0 ? f (I f )U 0 ? E0 ? Ce ?n ? ? BI f ? F0 ? H(2) 并励直流发电机的自励自励产生过程n ? nN剩磁剩磁电动势E0r励磁电流I f 01加强磁场E01...I f 02稳定电压U 0?自励条件气隙中有剩磁存在 ? 励磁磁动势与剩磁 方向相同 ? 励磁回路总电阻 小于临界电阻??不同转速的临界电阻(3) 负载运行端电压特性――外特性U ? f (I ) n?c If ?c分析：曲线下降原因？U ? Ce ?n ? I a Ra电压调整率性能指标U0 ?U N ?u N ? ?100% UN注意：他励在额定励磁时不可短路他励发电机短路43If[A]2 1 00.0050.010.0150.020.025 0.03 Time[s]0.0350.040.0450.05400 300Ia[A]200 100 000.0050.010.0150.020.025 0.03 Time[s]0.0350.040.0450.05发电机外特性特点300?他励发电机外特性 特点：?250?200比水平线略微下降的 直线 额定励磁下短路，短 路电流很大U[V]150?并励发电机外特性 特点：?10050?0 0 10 20 30 40 50 I[A] 60 70 80 90 100?负载电流增大，端电 压下降较快 有拐弯现象 稳态短路（端电压为 0），短路电流不大?串励一般不做发电 机?复励发电机外特性???一般采用积复励 并励占主要作用 串励补偿??电枢反应的去磁作用 电枢回路的电阻压降① 平复励发电机 当 I = IN 时的 UN = U0 。 ② 过复励发电机 当 I = IN 时的 UN＞U0 。 ③ 欠复励发电机 当 I = IN 时的 UN ＜U0 。发电机外特性比较U 过复励 UN 平复励 欠复励他励并励差复励O I IN(4) 调整特性?表明n=C，负载变化时，如何调节励磁以保持 U=CI f ? f (I ) n?c U ?cI?U ? C e?I ? IRaIf ??直流发电机的效率 ? 小型直流发电机额定效率 ? N ? 91% ~ 96% ? 大中型直流发电机额定效率 ? N ? 70% ~ 90%5.2 直流电动机运行特性?机械特性（转矩-转速特性）?固有机械特性 ? ?人为机械特性?并、他励电动机机械特性 ? ? 串励电动机机械特性?工作特性 ?转速特性 n ? f ( P2 ) ? ?转矩特性 Tem ? f ( P2 ) ?效率特性 ? ? f ( P ) 2 ??并他励电动机工作特性 ? ? 串励电动机工作特性 ? 复励电动机工作特性 ?(1) 机械特性（转矩-转速特性）1）直流他励、并励电动机的机械特性U ? Ce ?n ? I a ( Ra ? Rs )T ? CT ?I a硬特性Ra ? Rs U n? ? T 2 C e? CT C e? ? n0 ? ?T理想空载转速考虑电枢反应去磁的机械特性?固有特性（自然特性）? ? ?电压为额定电压 磁通为额定磁通 电枢电路只有绕组电阻Ra U n? ? T 2 Ce ? CT Ce ? ? n0 ? ? T?人为特性?通过人为改变电机运行条件形成的 机械特性? ? ?改变电枢回路电阻 改变电枢电压 改变磁通U n0 ? Ce ? Ra ? Rs ?? Ce ? CT ? ? 2A 改变电枢电阻的机械特性：Ra ? Rs U U ?UN n? ? T 2 Ce ? CT C e ? n R &R &Rs1 s2 s3? ? ?Nn0 ? C? ? Ra ? RsRaRa ? Rs 1Ra ? Rs 2n0Ra ? Rs 30TLTB改变电枢电压的机械特性Ra ? Rs U n? ? T 2 Ce ? CT C e ?? ? ? N ，RS ? 0? ?cn0 ? Unn01 n02 n03 n04U1 & U2 & U 3 & U4U1 U2 U3 U40TLTC改变励磁的机械特性Ra ? Rs U n? ? T 2 Ce ? CT Ce ?U ? UN RS ? 0? ? ?N机械特性绘制??已知铭牌数据： PN , U N , I N , nN 绘制固有特性：确定两点 (TN , nN ), (T如何求 如何求? 0, n0 )?n0Ce ? NEaNRa ? Rs UN U n0 ? ? T |T ?0,U ?U N ,??? N ? 2 Ce ? CT C e ? Ce ? NCe ? N ? EaN nN??如何求?如何求根据经验EaN ? (0.93 ~ 0.97)U N EaN U N ? I N Ra Ce ? N ? ? nN nNRa?如何求TN根据所选电机实测Ra P 1 2 U 根据经验Ra ? ( ~ )( N ? N ) 2 2 3 IN IN TN ? CT ? N I N ? 9.55Ce? N I N2）直流串励电动机的机械特性软特性打开 关闭Ra U n? ? T 2 em Ce ? CeCT ?? ? KI a Tem Tem Ia ? ? CT ? CT KI a假设注意：不能轻载或空载CT K 1 U n? ( U ? Ra ) ? C1 ? C2 Ra Ce K Tem Tem1 C1 ? CeCT 1 , C2 ? K Ce K固有特性（自然特性）?n1?当Ia或T较大时，磁路饱和，机械特性接 近于直线 当Ia较小，磁通很小，机械 特性在固有 特性上方，Ia过小时会造成飞车On? Ra U ? T Ce ? CT Ce ? 2UNT? ? K f I f ? K f IaC ? KCe , C ? KCT' e ' Tn?R U ? ' a' 2 T Ce' I a CT Ce I a' CT U R n? ' ? a' Ce T CeT ? CT ?I a ? C I' 2 T aIa ?T ' CTA降低电源电压人为特性? ?n2调压器调压 通过串并联连接方式改变来实 现串励电机降电压1U1&UNUN U1OTCT K 1 U n? ( U ? Ra ) ? C1 ? C2 Ra Ce K Tem TemB串电阻人为特性I + Ia Ra If U Rfn1 2 RaORa+RtTRt -CT K 1 U n? [ U ? ( Ra ? Rt )] ? C1 ? C2 ( Ra ? Rt ) Ce K Tem TemC励磁绕组并分路绕组n2 1 励磁绕组 并电阻I + Ia RaOTUIB RBIfRf?不并联RB，Ia=If?RB 并联RB时， I f ? I a RB ? R f励磁减弱，机械特性应在固有机 械特性之上-?D电枢并分路电阻I + I’ B Ia Ra?n12 电枢并电阻’ RBO?TIf U Rf?Rt -?不并联R’B，Ia=If 并联R’B，If=Ia+I’B，磁通增长， 则机械特性应在固有特性下方 另外，由于Rt上附加压降，电枢电 压降低，转速大大降低 可能进入第二象限，当理想空载 转速时，有U=Ea，Ia=0，但I’B不 ' ' Ea I B RB U 为0，且n0 ?Ce ??Ce ??Ce ?n4 1 2 U1 3 5O? ?T1固有机械特性 人为机械特性??? ?2 降压人为机械特性 3串RΩ人为机械特性 4 励磁绕组并分路绕组人为机械特性 5 电枢并分路电阻人为机械特性3）用Matlab绘制直流电机机械特性??%并励电机机械特性? ? ? ? ? ? ? ? ?%电机基本数据?U=220;Ra=0.17;p=2;N=398;a=1;phi =0.0103;K=0.0013;Te=0:0.01:5;并励 并励或他励直流电机机械特性?%电磁转矩变化范围?1610n(r/min)1609.5Ce = p*N/60/a; Ct = p*N*2/pi/a; n=U/Ce/phiRa*Te/Ce/Ct/phi^2; subplot(2,1,1) plot(Te,n,'k') xlabel('Te(Nm)') ylabel('n(r/min)') title(‘并励') hold on C1=1/Ce*(Ct/K)^0.5; C2=1/Ce/K; n=C1*U*(Te+0.000001 ).^(-0.5)-C2*Ra; subplot(2,1,2) plot(Te,n,'b') ylabel('n(r/min)') title(‘串励') xlabel('Te(Nm)') hold on axis([0,5,0,60000])1609?0 x 104%串励电机机械特性? ? ? ?1608.50.511.52.5 3 3.5 Te(Nm) 串励 串励直流电机机械特性244.556n(r/min)4? ? ?20 00.511.522.5 Te(Nm)33.544.55? ? ?（2）直流电动机工作特性U ? UN I f ? I fNn, Tem ,? ? f ( P2 )n ? f ( P2 )或n ? f ( I a ) ?转速特性 ? ?转矩特性 Tem ? f ( P2 )或Tem ? f ( I a ) ?效率特性 ? ? f ( P )或? ? f ( I ) 2 a ?1）直流并励电动机的工作特性n? R U ? a Ia Ce ? Ce ??n ? n0 ? nN nNTem ? CT ?I a?p ? ? 1?P 1 ? 1?2 pFe ? pmec ? pcuf ? I a Ra ? 2 I a ?U bU (Ia ? I f )d? 2 ? 0 ? pFe ? pmec ? pcuf ? I a Ra 注意：励磁绕组不可断开 dI a2）直流串励电动机的工作特性? ? I f (? I a )? Ea ? Ce ?n ? Ce' nI a ? ' 2 T ? CT ?I a ? CT I a ?U ? Ea ? I a Ra ? I a R fRa ? R f U n? ' ? Ce I a Ce'?n ? n1/4 -nN ? 100% nN3）复励电动机的工作特性速率特性比较以并励为主的积复励：当负载转矩突然增加时，电 枢电流增大（电枢反应去磁 作用增强），串励磁势增加， 使主磁通增大。①使电磁转矩很快的增大以 克服突然增大的负载转矩； ②使反电势很快的增大以减 小电枢电流的冲击值。 ③ 当电枢反应去磁作用很强 时，仍能使电机有下降的机 械特性，保持其稳定运行。1－并励电动机 2－并励为主的复励电动机 3－串励为主的复励电动机 4－串励电动机 5－差复励电动机6 直流电机的换向6.1 换向过程（假设电刷宽度等于换向片宽度）?? ?电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路 结束， 从一条支路转换到另一条支路， 电流改变了 方向。 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期（1）直线换向??如果换向元件中电势为零， 则在被电刷短路的闭合 回路中不会有环流。 换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面 积决定。变化曲线时一条直线， 称为直线换向。i +ia 但是换向过程中， 不可能没有电势！ -ia t（2） 换向元件中的感应电势①电抗电势er?换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势 和互感电势之和，称为电抗电势。er ? ? Lr ? di dtLr：换向元件的电抗系数， 包括自感和互感er的平均值：er ? ? Lr ?2i ?i ? ? Lr a ?t Tk设电刷宽度bs等于换向片宽度bk， 换向片数为K，换向周期Tk：bs bk ? Da / K 60 Tk ? ? ? ? vk vk ? Da ? n / 60 K ? n?电抗电势的特点ia er ? ? I a ? n Tk??电机负载越重或转速越高， 电抗电势越大。 电抗电势的方向阻止换向电流的变化， 因此er的 方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。②旋转电势????换向元件所处的几何中线 处，主磁场几乎为零； 电枢反应磁势所产生的磁 通Φa正好穿过换向元件。 电枢旋转时， 换向元件切 割Φa 所生电势ea称为旋转 电势。 设换向元件匝数为Na，电 枢反应磁势在换向元件处 所生的磁密为Ba， 则ea的 平均值ea ? Ba ? N a ? l ? va??旋转电势的特点 特点 ? （1） ea ? I a ? n ， 负载越重或者转速越高， 旋转电势也越大。 （2） 据右手定则， ea 的方向总是与换向前元 件中的电流方向相同， ea与er 方向一致，也阻 碍换向?（3）电刷下产生火花的电磁原因①环流能量释放?换向元件中存在两个方向相同的电势er和ea,合成电势：?e ? e?a? er ? 0合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流：ik?e ? e ? e ? ?R ?Rar?由闭合转为断开时，由ik建立的 电磁能量以火花的形式释放出来。iik t换向过程的原因： 在电刷与换向片间产生火花。有电磁、机械、电化学、电热等方面的原因。②延迟换向和超越换向??延迟换向和超越换向相对于直线 理想换向而言 ?e=0，即旋转电势恰好补偿电 抗电势为直线换向?换向电流i的变化是一直线，均匀变 化，是理想的换向情况??e ?0，产生附加换向电流??如?e&0，则倾向于保持原来的电流 方向，则半个换向周期后，电流未 下降至零，前刷边（换向器滑入边） 电流密度减小，而后刷边（换向器 滑出边） 电流密度增大。 如?e&0，则倾向于产生与换向后相 同方向的换向电流，则不到半个换 向周期，电流已下降至零，前刷边 电流密度大于后刷边电流密度。（4）换向时刷面下火花原因分析?电磁原因――引起火花的重要原因??如换向完毕后，附加换向电流不为零，则在换向回路存 储相当大的电磁能量，在电 刷与换向片间产生火花 换向过分超越，则前刷端电流密度过大；过分延迟，则 后刷端电流密度过大，引起发热，产生电火花电刷与换向器接触不良 过大电刷压力破坏电刷表面的氧化膜（有利换向），容 易引起火花?机械原因??电化学原因?6.2 改善换向的方法减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效 地改善换向。最有效的办法：装换向极。抵消电枢反应磁势，使ea＝0Nn换向极磁势NkΦ aeaerSk建立Bk，产生ek，使?e ? er? ek ? 0S（1）安装换向极的要求? ??换向极应装在几何中性线上 换向极的极性使产生的Bk方向与电枢反应磁势的方向 一致。 换向极绕组必须与电枢绕组串联，使在任何时候， ek ＝－er（2）加换向极后的结构图6.3 环火及其防止?电枢反应使气隙磁场发生畸变， 使处于Bδmax处的元件 的感应电势增大。 当片间电压Uk超过一定值时， 换向 片间空气被击穿，产生火花，称为电位差火花。?电位差火花与换向火花连成一片， 构成环火。?防止环火的措施：在主磁极的极靴装补偿绕组， 并与 电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应磁势相反。7 直流电动机拖动7.1 直流电动机起动? ?起动：通电后，转速从零达到稳态转速的过程。 起动要求? ? ?起动转矩大 起动电流小 起动设备简单可靠、经济d? T ? TL ? J dt(1)他励直流电动机机械特性RsRf??UIaT EMnIfUf?U ? E ? I a ( Ra ? Rs ) U ? C e?n ? I a ( Ra ? Rs )?nn0RanNRa ? Rs U n? ? T 2 Ce ? CeCT ? ? n0 ? ? TTN0T理想空载转速(2)起动时注意事项? ? ?起动时必须先保证有磁场(先加励磁电流); 保证必须的起动转矩，起动时磁通为最大(满励磁); 起动开始时应限流。分析： t ? 0时，n ? 0, Ea ? 0不限流U 起动电流：I st ? I a ? Ra可达额定电流的10~20倍电流冲击起动转矩：Tst ? CT ?I st机械冲击(3)限流措施：限流：I st ? I am ? ?i I N?i为直流电动机短时允许电流过载倍数，一般取1.5 ~ 2.0分析：U ? C e?n ? I a ( Ra ? Rs )U ? C e?n Ia ? Ra ? Rs? ?降低电枢电压 电枢回路串接附加起动电阻（4）起动方法?1）降压起动手动调节 U随n升高逐步增大，直到U=UN 自动调节?2）电枢回路串接附加起动电阻U Rs ? ? Ra I amRs随n升高逐步切除（分级起动），直到Rs＝0?分级起动过程Rs 1Rs 2nn0Rag fhMdKM 1KM 2RaeR2cR2R1bR10aTL T2T1T起动：R1 ,T＝T1 & TLn ? ,T ?a ?bKM1通，R2b?cT＝T1 & TL , n ? c ? dKM 2 通，Rad ?eT＝T1 & TL , n ?e ? f ? g 注意：每级T1、T2 相等n n0MOILI1I2Ia7.2 直流电动机的调速7.2.1 直流电动机的调速相关问题(1)调速定义根据工作机械的要求人为改变电动机的转速。(2)调速系统分类 ? 速度控制系统、位置控制系统、张力控制系统、 多电机同步控制系统（控制的要求） ? 有级调速与无级调速（调速的平滑性） ? 向上调速和向下调速（调速的方向性） ? 恒转矩调速和恒功率调速（适应负载要求）(3)直流电动机调速方法分析：Ra U n? ? T 2 C e ? CT C e ?? ??1)改变电枢电压调速 2)电枢电路串附加电阻调速 3)改变励磁调速7.2.2 直流电动机的调速方法改变电枢电压调速 (1)改变电枢电压调速机械特性Ra ? Rs Ur n? ? T 2 Ce ? CeCT ?nn01 n02? ? ? N，RS ? 0U ? UNU1 & U2 & U3 & U4n03 n04U1 U2U3U40TLT(2)改变电枢电压调速过程n n0n1 n2 n3U=UN U=U1&UN U=U2&U1 T0TL(3)改变电枢电压调速方法特点? ? ? ? ? ?1）调节平滑，可以实现无级调速。 2）人为特性硬度大，稳定性好。 3）可以调节至较低转速，调速范围大。 4）属于恒转矩调速方式。 5）工业中应用广泛。 6）调速只能在固有特性之下。(4)改变电枢电压的主要方法?①旋转变流机组???交流电动机和直流发电 机组成的系统，简称GM系统。 可获得可调直流电压， 为早期调压调速系统。 高速性能好，可无级大 范围调速，但系统复杂、 效率低、维护成本高， 且系统体积大、噪音大。 现在极少使用。?②静止变流装置???20世纪50年代，出现的 晶闸管变流装置供电的 直流调速系统，简称V-M 系统。 调速性能好，可靠性好， 经济，很快取代了G-M 系统而成为当时直流电 机调速主流。 存在四象限可逆运行电 路复杂、功率因素低、 输出电压脉动大、电流 断续等弱点。?③PWM变换器???又称直流斩波器，利用可控的 功率开关器件实现对负载所加 电压的通断控制，控制通断时 间改变负载上的直流电压的平 均值，从而将固定的直流电源 变为可调的直流电压 直流斩波器调速性能好、效率 高、可控性好、体积小、重量 轻 斩波调速为目前直流调速的主 流斩波器+ Ud D+ Uo -L Muo Ud Uotton toffT他励直流电动机串电阻调速 (1)电枢串不同电阻时的机械特性nRs 1 & Rs 2 & Rs 3n0RaRa ? Rs 1Ra ? Rs 2Ra ? Rs 30TLT1) RS 越大特性越软，静差越大，稳定性越差。 2)所有人为特性都在固有特性之下。调速只能在固有特性之下进行。(2)电枢回路串电阻调速的过程n n0MOTL T(3)电枢回路串电阻调速的优缺点?优点? ?方法简单 控制设备简单 1）空载或轻载时调速范围小，效果不明显 2）低速调速实现困难，越低特性越陡（特性软，易 出现波动） 3）调速不平滑，只能有级调速 4）电阻消耗大量电能?缺点? ???(4)改变电枢电压与串联电阻调速比较?两种方法实际上都改变电枢电压??串联电阻调速，将一部分电压加在所串的电阻上，剩余部 分加在电枢上 改变电枢电压调速，直接改变电枢上的电压，没有额外的 能量损失 方法简单，成本低 效率低，电阻上能量白白消耗 可控性好，效率高 需要增添设备，初期成本高?串联电阻调速? ??改变电枢电压调速? ?改变励磁调速(1)励磁调速的机械特性Ra ? Rs Ra ? Rs U U n? ? T? ? Ia 2 C e? CT C e? C e? C e?n02n01U ? UN RS ? 0? ? ?N? 2 & ?1 & ? N ?2? 2 & ?1 & ? Nn02n01 n0 N?2n0 N ? 1?1?N?N0I 0 弱磁调速的转速特性I stT 弱磁调速的机械特性(2)改变励磁的调速过程n n02 n 01 n 0N ? ? ?N 1 1&?Nn n02 n 01 n 0N?1 ??1 &?NN0Ib弱磁调速的转速特性I0TLTb 弱磁调速的机械特性T??弱磁时，因励磁电路电磁时间常数影响，励磁电流不能 突变，I、T 的最大值均不可能达到Ib、Tb； 相点运动轨迹为曲线。因dT小，弱磁升速过渡过程较长。(3)改变励磁调速特点? ???1）斜率绝对值随磁通下降而增大； 2）在有效负载范围内，人为机械特性在固有特性 之上，即调速只能在固有特性之上进行; 3）高速下电枢电流去磁作用增大，转速特性不稳 定，换向性能下降，故调速范围小。 4）调节在功率较小的励磁电路进行，故控制方便， 能量损耗小，调速平滑性好。7.2.3 串励直流电动机调速他励直流电动机串电阻调速 (1)电枢串不同电阻时的机械特性及调速过程CT K 1 U n? ( U ? Ra ) ? C1 ? C2 Ra Ce K Tem Temn1 2 BARaCORa+RtT(2)直流串励电动机电枢串电阻调速应用
他励直流电动机调压调速 (1)输入电压变化时的机械特性及调速过程n? CK 1 U ( T U ? Ra ) ? C1 ? C2 Ra Ce K Tem Temn2 1 U1&UNUNBAU1COT(2)直流串励电动机斩波调压调速应用7.3 他励直流电动机的制动7.3.1 制动相关问题（1）制动的目的? ? ?1）使电力拖动系统停车 2）使电力拖动系统的转速降低 3）位能负载获得稳定的下降速度 1）自由停车 2）电磁制动器 抱闸 3）电气制动过渡制动状态 稳定制动状态（2）制动的方法? ??（3）他励直流电动机制动的分类?1）能耗制动U ? 0，电枢回路串电阻?2）回馈制动n & n0，Ea & U磁场反向?U ? ?Un & 0，Ea & 03）反接制动转速反向7.3.2 他励直流电动机的能耗制动?Ia??nMKMKMIanMRf?IfEU?UIfERbUf?T电动状态?T能耗制动状态（1）能耗制动状态分析：E Ia ? ? (负值) Ra ? RbU ? 0，电枢回路串入电阻RbT 方向改变，与n相反T起制动作用 (电动机作用：将动能转变为电能，并消耗在电阻上）(假定正向仍按电动方向) （2）能耗制动时的机械特性：Ra ? Rb n?? T 2 CeCT ?n Ra Ra+Rb T -Tb 0 TL 位能负载 能耗制动 稳定运行点 GTn,TL反抗负载 制动到0停车（3）能耗制动的特点?? ???1）制动减速平稳可靠； 2）控制电路简单； 3）便于实现准确停车，因转速为零时制动转矩也 为零； 4）制动过程与电源隔离，当电源断电时，可通过 保护电路换接到制动状态进行安全停车； 5）制动转矩随转矩下降而减小，制动效果比反接 制动差，为克服此缺点，可采用分级能耗制动。7.3.3他励直流电动机回馈(再生)制动(1)回馈制动状态分析：n & n0Ea & URfU ? Ea Ia ? (负值) RT方向改变，与n相反 T起制动作用电动机作用：将动能转变为电能，向电网馈送。(2)回馈制动的三种情况1）下放位能负载时的回馈制动运行nTL0 电动 n0TTnTL回馈稳定运行点G2）电车下坡的回馈制动运行稳定运行点回馈n n0TL2电动Tem1TL1TL103）降压调速时的回馈制动n01 n02制动初转矩＝Tb+TL n&n0 回馈 n,T反号 制动nn1 n2 T-Tb0TL最终稳定运行在电动状态7.3.4 他励直流电动机的反接制动(1)电源反接制动：电动状态：KMF闭合，KMR断开 制动状态： KMR闭合，KMF断开? U ? Ea Ia ? (负值) RT方向改变，与n相反 T起制动作用反接制动过程分析（位能性负载）反接制动Bn n0正向电动ACT 0-Tb反向电动DTL-n0回馈制动FE注：遍历四个象限，经历多种状态(2)倒拉反接制动：倒拉反接制动状态：电动机正常连接n与n0方向相反应用场合：控制位能负载的下降速度倒拉反接制动分析：工作点A，Rb1 工作点B, Rb3n?Rb1 ? Rb3TL & TEa ?U ? Ea Ia ? ? Rn ? 0, TL & Tn&0U ? Ea Ia ? ?? TL ? T R工作点C运动状态与机械特性象限分析：能耗制动 n 反接制动 -T L Tb 制动到0不断电反抗负载 反向电动电动 反接制动 TL 0T位能负载 稳定停车 反接制动位能负载 回馈制动位能负载 能耗制动直流电机四象限运行制动n0 Ra? TL 0电动TL? n0Ra ? RS反向电动制动（1）电动状态n正 向OT反 向（2） 制动状态nT O谢谢！
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