chap1-直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)1

《電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)》

授課內(nèi)容（30+6學(xué)時(shí)）第一章：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)（10+4學(xué)時(shí)）第二章：三相異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)（12+2學(xué)時(shí)）第三章：控制電機(jī)（6學(xué)時(shí)）第四章：電動(dòng)機(jī)的選擇（2學(xué)時(shí)）電力拖動(dòng)應(yīng)用各種電動(dòng)機(jī)使生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的方式稱為電力拖動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這一特定生產(chǎn)過(guò)程的裝置稱為電力拖動(dòng)裝置。電力拖動(dòng)裝置由電源、電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備、工作機(jī)構(gòu)等4部分組成。它們之間的關(guān)系如圖：電源控制設(shè)備電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖第1章直流電動(dòng)機(jī)

的電力拖動(dòng)直流電機(jī)基本原理復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)：一、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：由靜止的定子部分和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部分兩大部分構(gòu)成：1、定子部分：包括主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等。

主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場(chǎng),使電樞繞組在此磁場(chǎng)的作用下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。2、轉(zhuǎn)子部分：轉(zhuǎn)子又稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

電樞繞組：電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈（亦稱元件，有兩個(gè)出線端）組成，通過(guò)電樞繞組在主磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。二、直流電機(jī)的工作原理：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是外界條件不同而已。發(fā)電機(jī)：用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞恒速旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，就可以從電刷端引出直流電動(dòng)勢(shì)而作為直流電源對(duì)負(fù)載供電，輸出電能；電動(dòng)機(jī)：在電刷端外加直流電壓，將電能輸入電樞，則電動(dòng)機(jī)就可以帶動(dòng)軸上的機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。這種同一臺(tái)電機(jī)能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。三、直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程式（a）發(fā)電機(jī)慣例（b）電動(dòng)機(jī)慣例電樞電動(dòng)勢(shì)電磁轉(zhuǎn)矩四、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式他勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁由另外獨(dú)立的直流電源供給，與電樞繞組不相連接。自勵(lì)——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組相連接，勵(lì)磁電流由電機(jī)本身供給，或勵(lì)磁繞組與電樞繞組共用同一電源。自勵(lì)的方式可分為：并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)。并勵(lì)與他勵(lì)特性基本相同，重點(diǎn)分析。1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

本章主要介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等方法和物理過(guò)程。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式描述了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于作用在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式一、運(yùn)動(dòng)方程式

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)用形式：1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式一、運(yùn)動(dòng)方程式根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程可得系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三種狀態(tài)：1)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。3)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式二、運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩正、負(fù)號(hào)的規(guī)定

首先確定電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的某一旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向，然后規(guī)定：（1）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時(shí)為負(fù)，相反時(shí)為正。（3）慣性轉(zhuǎn)矩的大小和正負(fù)號(hào)由和的代數(shù)和決定。1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.1.2負(fù)載的機(jī)械特性一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載的機(jī)械特性，就是負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，簡(jiǎn)稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性?？蓺w納為以下三種：

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性是指生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的特性。分反抗性恒轉(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TLn2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TLn轉(zhuǎn)矩大小恒定，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。如恒定的摩擦力負(fù)載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩大小與方向恒定，與轉(zhuǎn)速及運(yùn)動(dòng)方向都無(wú)關(guān)。典型的如起重機(jī)，提升重物的重力為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，總是垂直向下。1.1.2負(fù)載的機(jī)械特性二、恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)（負(fù)載功率），即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLn三、泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性TLn12TL0典型的如金屬切削機(jī)床：粗加工：切削量大，大,低；精加工：切削量小，小,高；負(fù)載的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比:負(fù)載特性為一條拋物線。1.機(jī)械特性的一般表達(dá)式：將代入電壓平衡方程得：：為理想空載轉(zhuǎn)速

：為機(jī)械特性的斜率轉(zhuǎn)速降通常稱大的機(jī)械特性為軟特性，大；小的為硬特性，小。增加電樞回路串聯(lián)電阻，則機(jī)械特性變軟。1.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系：2.固有機(jī)械特性：

時(shí)3.人為機(jī)械特性：固有機(jī)械特性三個(gè)條件中，改變其中任意一個(gè)條件即為一種人為機(jī)械特性。（1）電樞回路串接電阻（2）降低電壓時(shí)（3）減弱磁通時(shí)（1）、電樞串電阻時(shí)的人為特性

保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點(diǎn)：1）不變，變大；

2）越大越大，特性越軟。（2）、降低電樞電壓時(shí)的人為特性

保持不變，只改變電樞電壓時(shí)的人為特性：特點(diǎn)：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。（3）、減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性

保持不變，只改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點(diǎn)：1）弱磁，增大；

2）弱磁，增大1.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性4、機(jī)械特性求取一、固有特性的求取

已知，求兩點(diǎn):1）理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行。具體步驟：（1）估算（2）計(jì)算（3）計(jì)算理想空載點(diǎn)：（4）計(jì)算額定工作點(diǎn)：二、人為特性的求取

在固有機(jī)械特性方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對(duì)應(yīng)的參數(shù)或或變化，重新計(jì)算和，然后得到人為機(jī)械特性方程式。例：（15分）某他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：PN=10KW，UN=220V，IN=53A，nN=3000r/min，試求下列情況的機(jī)械特性方程，并計(jì)算各種人為機(jī)械特性下額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（估算Ra時(shí)系數(shù)取1/2）。1：固有特性；2：電樞串入2Ω電阻時(shí)；3：電源電壓為0.5UN時(shí)；4：磁通為0.8φN時(shí)。4.機(jī)械特性求取固有機(jī)械特性過(guò)（0，3235r/min）和（34.45，3000r/min）兩點(diǎn)5.電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件在點(diǎn)，系統(tǒng)平衡擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速上升到

，擾動(dòng)消失，系統(tǒng)減速，回到點(diǎn)運(yùn)行。擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速由下降到，擾動(dòng)消失，系統(tǒng)加速，回到點(diǎn)運(yùn)行。所以圖示系統(tǒng)（電機(jī)具有向下機(jī)械特性）能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

定義：當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，（必要條件）；若在某種擾動(dòng)作用下，離開了平衡位置，在新的條件下達(dá)到新的平衡或在擾動(dòng)消失后，還能回到原來(lái)的平衡位置（充要條件）。則稱該電力拖動(dòng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速由下降到，，即使擾動(dòng)消失，系統(tǒng)也將一直減速，不可能回到點(diǎn)運(yùn)行。擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速由上升到，，即使擾動(dòng)消失，系統(tǒng)也將一直加速，不能回到點(diǎn)運(yùn)行。所以圖示系統(tǒng)（電機(jī)具有向上機(jī)械特性）不能穩(wěn)定運(yùn)行。在點(diǎn)，系統(tǒng)平衡5.電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件一般情況，穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件：1).必要條件:電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn),即存在2).充分條件:

在交點(diǎn)處滿足。或者說(shuō)，在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以上存在（減速）,在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以下存在（加速）。在恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下，下降的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行，上升的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直接起動(dòng)時(shí)，n=0,反電動(dòng)勢(shì)Ea=0所以，起動(dòng)電流為：可見，這種方法下的起動(dòng)電流很大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很大，因此，除了小容量的電動(dòng)機(jī)可采用直接加電壓起動(dòng)的方法外，一般直流電動(dòng)機(jī)都不采用這種方法。1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要足夠大，使，起動(dòng)過(guò)程時(shí)間較短，提高效率。起動(dòng)：電機(jī)接上電源從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)到達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，這就是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。起動(dòng)條件：2）起動(dòng)電流不要太大由可知，能否在電樞兩端直接加Un,使Ia最大，從而使Ts較大？即直接起動(dòng)。另外，一般地，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先建立磁場(chǎng)，即先通勵(lì)磁電流，再加電樞電壓，由轉(zhuǎn)矩公式可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

，為使較大而又不致太大，起動(dòng)時(shí)應(yīng)將勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)電阻調(diào)至最小，使磁通為最大。1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

為了滿足上述起動(dòng)條件，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動(dòng)。1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1.3.1電樞回路串電阻起動(dòng)我們?cè)陔姌谢芈分写腚娮?，可減小起動(dòng)電流。當(dāng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，則可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動(dòng)勢(shì)不斷增大，起動(dòng)電流繼續(xù)減小，由于，同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也在減小，所以為了在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中保持一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，加速電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，我們采用將起動(dòng)電阻一段一段逐步切除，最后電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)，起動(dòng)電阻應(yīng)被完全切除。由相關(guān)公式可知：1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一、起動(dòng)過(guò)程1.3.1電樞回路串電阻起動(dòng)三級(jí)電阻起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電路原理圖和機(jī)械特性為起動(dòng)限值切換值1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)二、分組起動(dòng)電阻的計(jì)算1.3.1電樞回路串電阻起動(dòng)b點(diǎn)c點(diǎn)d點(diǎn)e點(diǎn)f點(diǎn)g點(diǎn)比較左邊各式得：

β稱為起動(dòng)電流比。

設(shè)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3時(shí)電勢(shì)分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：在已知起動(dòng)電流比β和電樞電阻Ra前提下，經(jīng)推導(dǎo)可得起動(dòng)時(shí)各級(jí)總電阻為式（2.21）:各級(jí)串聯(lián)（分段）電阻為式（2.22）:由式（2.21）可得起動(dòng)電流比β和起動(dòng)級(jí)數(shù)m的計(jì)算公式為：（2）根據(jù)過(guò)載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的最大電流，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：一般取；1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)二、分級(jí)起動(dòng)電阻的計(jì)算1.3.1電樞回路串電阻起動(dòng)（6）由式（2.22）計(jì)算各級(jí)起動(dòng)電阻。（1）估算或查出電樞電阻；（3）計(jì)算起動(dòng)級(jí)數(shù)（或已給定）；（4）計(jì)算起動(dòng)電流比：取整數(shù)（5）校驗(yàn)切換電流:校驗(yàn)：如果不滿足，應(yīng)另選或值并重新計(jì)算，直到滿足該條件為止。計(jì)算各級(jí)起動(dòng)電阻的步驟：1.3.2降低電樞電壓起動(dòng)從最原始的公式，我們可以看出，除了增大電阻外，還可以通過(guò)減小電樞電壓來(lái)減小起動(dòng)電流：

起動(dòng)時(shí)，以較低的電源電壓起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。降壓起動(dòng)需專用電源，設(shè)備投資較大，但它起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過(guò)程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。降壓電路的控制方法利用開關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形PWM（PulseWidthModulation）：周期不變，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間變化，即導(dǎo)通比D改變從而改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速可以采用機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過(guò)改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法稱為機(jī)械調(diào)速；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)就是人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動(dòng)機(jī)工作在不同的機(jī)械特性上。nTTNRan0B0ARa+Rs1nNnmin電樞回路串電阻調(diào)速C如果機(jī)械特性不變，因負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速的變化，則不能稱為調(diào)速。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：電氣調(diào)速方法：1.調(diào)壓調(diào)速；2.電樞串電阻調(diào)速；3.調(diào)磁調(diào)速。1.4.1調(diào)速指標(biāo)：一、調(diào)速范圍D:電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速?gòu)恼{(diào)速性能來(lái)講，調(diào)速范圍D較大為好。但最高轉(zhuǎn)速受額定轉(zhuǎn)速的限制，最低轉(zhuǎn)速受低速運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定性的限制。nTTNRan0A0BRa+Rs1nNnmin電樞回路串電阻調(diào)速1.4.1調(diào)速指標(biāo)：二、靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性）：δ%與機(jī)械特性硬度和n0有關(guān)：即相同硬度特性，n0越低，δ%越大,δ1<δ3；n0相同時(shí)，特性越軟，δ%越大,δ1<δ2

。靜差率反映了負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度，δ%越小，轉(zhuǎn)速變化小，相對(duì)穩(wěn)定性越好。nTTN1n0A0B23Δn1Δn2Δn3圖2.26機(jī)械特性與靜差率的關(guān)系1.4.1調(diào)速指標(biāo)：二、靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性）：由圖可推導(dǎo)D與低速機(jī)械特性下δ%的關(guān)系為：由表達(dá)式可見，D與δ%相互制約:低速機(jī)械特性δ越小,相對(duì)穩(wěn)定性越好,D越小;在保證一定的低速機(jī)械特性δ指標(biāo)的前提下,要擴(kuò)大D,須減少Δn,即提高機(jī)械特性的硬度。nTTN1n0A0B23Δn1Δn2Δn3圖2.26機(jī)械特性與靜差率的關(guān)系低速特性1.4.1調(diào)速指標(biāo)：三、調(diào)速的平滑性

越接近1，平滑性越好，當(dāng)時(shí)，稱為無(wú)級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，稱為有級(jí)調(diào)速。五、調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用等。在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，調(diào)速越平滑。用平滑系數(shù)來(lái)衡量平滑的程度，其定義為相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比：四、調(diào)速的容許輸出（或調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)矩）該指標(biāo)是考察調(diào)速方式與負(fù)載類型是否相互匹配，以使電動(dòng)機(jī)得到充分利用。（后續(xù)將詳細(xì)分析）1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)用形式：1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式一、運(yùn)動(dòng)方程式根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程可得系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三種狀態(tài)：1)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。3)當(dāng)或時(shí),系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式二、運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩正、負(fù)號(hào)的規(guī)定

首先確定電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的某一旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向，然后規(guī)定：（1）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時(shí)為負(fù)，相反時(shí)為正。（3）慣性轉(zhuǎn)矩的大小和正負(fù)號(hào)由和的代數(shù)和決定。知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點(diǎn)：1）不變，變大；

2）越大越大，特性越軟。電樞串電阻時(shí)的人為特性知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法一、電樞回路串電阻調(diào)速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串電阻時(shí)的工作點(diǎn)串電阻Rs1后,工作點(diǎn)由A→A’→BT’1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法一、電樞回路串電阻調(diào)速帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),調(diào)速過(guò)程電流變化曲線，調(diào)速前、后電流不變調(diào)速過(guò)程轉(zhuǎn)速變化曲線tt=0n1nNIaNianian結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),串電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法一、電樞回路串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，初投資不大。2）輕載時(shí)調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍一般為D=1.4-2；

3）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前、后因磁通不變而使Tem和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。缺點(diǎn)：1）低速時(shí)，要求串接電阻大，特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性差；該方法一般適用于容量不大，低速時(shí)運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)于調(diào)速性能要求不高的設(shè)備，如電車和中小型起重機(jī)。保持不變，只改變電樞電壓時(shí)的人為特性：特點(diǎn)：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。降低電樞電壓時(shí)的人為特性知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法二、降低電源電壓調(diào)速TemTLAA’B降壓調(diào)速前工作點(diǎn)A降壓瞬間工作點(diǎn)穩(wěn)定后工作點(diǎn)

降壓調(diào)速過(guò)程與電樞串電阻調(diào)速過(guò)程相似，調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時(shí)間變化的曲線也相似。T’1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法二、降低電源電壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：1）調(diào)速前后的機(jī)械特性的斜率不變，硬度不變，Δn不變，雖n0有減小，但靜差率只是略有增大，負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定性好。

2）無(wú)論輕載還是負(fù)載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá)D=8?12。3）電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。4）由于沒有外串電阻，電能損耗較小。缺點(diǎn)：需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。

該方法適用于對(duì)于調(diào)速性能有較高要求的設(shè)備，如造紙機(jī)、軋鋼機(jī)等。保持不變，只改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點(diǎn)：1）弱磁，增大；

2）弱磁，增大減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法三、減弱磁通調(diào)速A’BTemTLA調(diào)節(jié)磁場(chǎng)前工作點(diǎn)弱磁瞬間工作點(diǎn)A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點(diǎn)T’1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法三、減弱磁通調(diào)速減弱磁通調(diào)速前、后轉(zhuǎn)速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線tt=0n結(jié)論：磁場(chǎng)越弱，轉(zhuǎn)速越高。因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路不能開路。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.2調(diào)速方法三、減弱磁通調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：1）由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑性好。2）弱磁升速后電樞電流增大，電動(dòng)機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動(dòng)機(jī)的效率基本不變，因此經(jīng)濟(jì)性是比較好。2）轉(zhuǎn)速的升高受到電動(dòng)機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，升速范圍不可能很大，一般D≤2；

為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來(lái)，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓調(diào)速。缺點(diǎn)：1）機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.3調(diào)速方式(容許輸出)與負(fù)載類型的配合容許輸出：指電動(dòng)機(jī)在充分利用下，在調(diào)速過(guò)程中所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩和功率。充分利用：指在一定的轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和功率達(dá)到它的容許值，即電樞電流達(dá)到額定值。已知，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，實(shí)際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載的需要決定的。因此，要使電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都得到充分利用，即電樞電流保持為額定值，就是要求調(diào)速方式和負(fù)載類型能相互匹配。

以電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速都能得到充分利用為條件，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.3調(diào)速方式與負(fù)載類型的配合

可知，電動(dòng)機(jī)的容許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，而容許輸出轉(zhuǎn)矩為恒值----恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速時(shí)，磁通保持不變，若在不同轉(zhuǎn)速下保持電流不變，則使電機(jī)得到充分利用，而容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率分別為：

1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1.4.3調(diào)速方式與負(fù)載類型的配合可知，電動(dòng)機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而容許輸出功率為恒值----恒功率調(diào)速。

減弱磁通調(diào)速時(shí)，磁通是變化的，在不同轉(zhuǎn)速下若保持電流不變，使電機(jī)得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率別為：

為了使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。拖動(dòng)恒功率負(fù)載時(shí)，采用恒功率調(diào)速方式。對(duì)風(fēng)機(jī)類負(fù)載，三種方式都不是十分適合，但采用串電阻或降壓調(diào)速比弱磁調(diào)速合適一些。直流電動(dòng)機(jī)全數(shù)字雙閉環(huán)控制的框圖實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)都有轉(zhuǎn)速給定量，并使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨給定值進(jìn)行控制。為了使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，通常要構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，如圖。速度調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)給定速度與反饋速度之差按一定規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。并通過(guò)運(yùn)算結(jié)果對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。電流調(diào)節(jié)器起到電流調(diào)節(jié)和限幅作用，從而實(shí)現(xiàn)快速加減速和電流限流作用。另一個(gè)作用是使系統(tǒng)的抗電源擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力增強(qiáng)。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

1、電動(dòng)運(yùn)行：的方向與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向相同，有正向電動(dòng)運(yùn)行（機(jī)械特性為1象限）和反向電動(dòng)運(yùn)行（機(jī)械特性為3象限）

。1.4.1電動(dòng)運(yùn)行與制動(dòng)運(yùn)行2、制動(dòng)運(yùn)行：使電力拖動(dòng)系統(tǒng)停車：1）自由停車：即斷開電樞電源。2）制動(dòng)運(yùn)行：使拖動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，稱為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。a）機(jī)械制動(dòng)：利用機(jī)械摩擦獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械抱閘；b）電氣制動(dòng)：使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反（本節(jié)討論）。利用電氣制動(dòng)中使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行，既可以使電力拖動(dòng)系統(tǒng)減速或停車，又可使位能性負(fù)載獲得穩(wěn)定的下降速度。根據(jù)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)方法和制動(dòng)時(shí)電機(jī)內(nèi)部能量傳遞的關(guān)系不同，制動(dòng)運(yùn)行分為3種：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。由于慣性，電樞保持原來(lái)方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)勢(shì)方向不變。由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的方向相反,對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩與方向相反,為制動(dòng)性質(zhì),電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.4.1能耗制動(dòng)電動(dòng)制動(dòng)在電動(dòng)狀態(tài)，電樞電流、電樞電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩如圖所示。需要制動(dòng)時(shí),將開關(guān)S投向制動(dòng)電阻上即可。制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械的慣性力的拖動(dòng)而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，故稱為能耗制動(dòng)。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)將能耗制動(dòng)的條件U=0代入機(jī)械特性一般表達(dá)式（2.15）得能耗制動(dòng)的機(jī)械特性方程為：電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載,穩(wěn)定工作點(diǎn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)制動(dòng)過(guò)程工作段機(jī)械特性如下圖BC段1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.4.1能耗制動(dòng)

由機(jī)械特性圖，

改變制動(dòng)電阻的大小可以改變能耗制動(dòng)特性曲線的斜率,從而可以改變能耗制動(dòng)開始時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩及下放位能負(fù)載的穩(wěn)定速度。越小,特性曲線的斜率越小,起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大,而下放負(fù)載的速度越小。電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)制動(dòng)過(guò)程工作段1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.4.1能耗制動(dòng)

但制動(dòng)電阻越小，制動(dòng)電流越大。選擇制動(dòng)電阻的原則是能耗制動(dòng)操作簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠。但隨著轉(zhuǎn)速下降,電動(dòng)勢(shì)減小,制動(dòng)電流和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨著減小,制動(dòng)效果變差。若為了盡快停轉(zhuǎn)電機(jī),可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時(shí),切除一部分制動(dòng)電阻,增大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。即：其中為制動(dòng)瞬間的電樞電動(dòng)勢(shì)。適用于一般機(jī)械要求準(zhǔn)確停車的場(chǎng)合，及位能性負(fù)載的低速下放。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.4.2反接制動(dòng)一、電樞反接制動(dòng)電樞反接制動(dòng)時(shí)接線如圖所示。電動(dòng)開關(guān)S投向“電動(dòng)”側(cè)時(shí)，電樞接正極電壓，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動(dòng)作用，由于是電樞反接引起的制動(dòng)，故稱為電樞反接制動(dòng)。由于n不能突變，Ea亦不變，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，開關(guān)投向“制動(dòng)”側(cè)，電樞回路串入制動(dòng)電阻后，接上極性相反的電源電壓。制動(dòng)-+1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)一、電樞反接制動(dòng)將U=-U代入，得機(jī)械特性為：曲線如圖中所示。工作點(diǎn)變化為：反接制動(dòng)結(jié)束時(shí)的C點(diǎn)，n=0,而轉(zhuǎn)矩既不為零也未必與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，故系統(tǒng)不能自行停車。試以帶反抗性負(fù)載及位能性負(fù)載兩種情況分析C點(diǎn)之后的過(guò)渡過(guò)程？電動(dòng)制動(dòng)反接制動(dòng)的制動(dòng)作用強(qiáng)烈，常用于反抗性負(fù)載的快速停車或快速反向運(yùn)行。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)一、電樞反接制動(dòng)反接制動(dòng)結(jié)束時(shí)的C點(diǎn)，n=0,而轉(zhuǎn)矩既不為零也未必與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，故系統(tǒng)不能自行停車。對(duì)于反抗性負(fù)載，系統(tǒng)反向起動(dòng)加速至D點(diǎn)，-T=-TL（負(fù)載轉(zhuǎn)矩），為反向電動(dòng)狀態(tài)（T與n同向）。對(duì)于位能性負(fù)載，工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，T=TL，為回饋制動(dòng)狀態(tài)（T與n反向）

。同能耗制動(dòng)，制動(dòng)瞬間的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小決定于所串電阻。其選擇應(yīng)滿足：若要C點(diǎn)停車，對(duì)反抗性負(fù)載可斷電源；對(duì)位能性負(fù)載可機(jī)械抱閘停車。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)二、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)

+U–Ia+Ea

-TemnTLnanTemTLn0A0電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)T/n為正，提升重物

+U–Ia–Ea

+RBTemnTLnbTBTstCDB倒拉反接制動(dòng)狀態(tài)T與n反向，下放重物在電樞回路中串入較大電阻RB后，使Tst<TL，則電機(jī)在TL的作用下反方向起動(dòng)。位能負(fù)載倒拉電動(dòng)機(jī)，且由于n0與n反向，如同電樞被反接，稱為倒拉反接制動(dòng)。1.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)二、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)倒拉反接制動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。但串入較大電阻使特性變軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的低速下放。電