第三章 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速原理

杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院第三章他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速原理電力拖動(dòng)系統(tǒng)，亦稱電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械來滿足生產(chǎn)設(shè)備所需要的工藝要求的電氣系統(tǒng)的總稱。直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)：由直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)；交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)：由交流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成(1)電源：電動(dòng)機(jī)和控制單元的電能量來源。（交流電源和直流電源）(2)電動(dòng)機(jī)：為生產(chǎn)設(shè)備提供機(jī)械能的原動(dòng)機(jī)，作用是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。（交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)）。(3)控制單元：控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，由各種控制電器（繼電器、接觸器等）、功率轉(zhuǎn)換單元（IGBT、MOSFET等）及控制器（單片機(jī)、DSP或者工業(yè)計(jì)算機(jī)等）等組成。(4)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：在電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)之間傳遞動(dòng)力的裝置，例如減速箱、傳動(dòng)帶和聯(lián)軸器等。(5)機(jī)械負(fù)載：有多種性質(zhì)的負(fù)載，例如恒功率負(fù)載、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載等。3.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本理論3.1.1電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方程式直線運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式其中（1）當(dāng)，，則為常值，即電機(jī)靜止或者恒速旋轉(zhuǎn)；動(dòng)轉(zhuǎn)矩飛輪矩（3）當(dāng)，，則逐漸減小，即電動(dòng)機(jī)處于減速狀態(tài)。（2）當(dāng)，，則逐漸增大，即電動(dòng)機(jī)處于加速狀態(tài)；折算原則：保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能不變。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.1.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

和轉(zhuǎn)速n

之間的關(guān)系稱為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分為三種：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒功率負(fù)載特性1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性：負(fù)載轉(zhuǎn)矩

TL

與轉(zhuǎn)速

n無關(guān)的特性，即當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

TL

保持恒定的值。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載分為：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

2.泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與轉(zhuǎn)速n的平方成正比。屬于泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械有離心式通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等，其中空氣、水、油等介質(zhì)對(duì)于機(jī)械葉片的阻力基本上和轉(zhuǎn)速的平方成正比。3.恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載：當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出機(jī)械功率基本不變。汽車的負(fù)載性質(zhì)具有恒功率負(fù)載的特性，爬坡時(shí)需要大的扭矩必須降低擋位，而高速加速時(shí)必須提高擋位。（汽車電機(jī)輸出功率不變時(shí)）杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院T2n13.1.3電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件負(fù)載擾動(dòng)電壓突變BTLTL2A1T1TL10TnAn1G1nGn2G20TnAnGBTLG1G2G3不穩(wěn)定情況的分析電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn)，在交點(diǎn)處負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（T=TL

），且轉(zhuǎn)速升高時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（T<TL

），轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（T>TL

），即，在交點(diǎn)處電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)注意的兩點(diǎn)：應(yīng)該在額定勵(lì)磁電流情況下起動(dòng)；小功率直流電動(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)，大于1kW的直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)避免直接起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法：降壓起動(dòng)串電阻起動(dòng)理想空載轉(zhuǎn)速直接起動(dòng)電流0TnUnGTL1.降壓起動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)適合于電源電壓可以調(diào)節(jié)的場(chǎng)合；當(dāng)電源電壓無法調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用在電樞回路中串聯(lián)電阻方法進(jìn)行起動(dòng)。T1U1T29U2U3U4n48n367n24531n12AU>U4>U3>U2>U1Ra+Ra1+Ra2+Ra3+Ra4n0Ra+Ra1Ra+Ra1+Ra2Ra+Ra1+Ra2+Ra32.串電阻起動(dòng)0TnRaTLT1T29n487531n12An24n36nG選擇起動(dòng)電流Is的原則：不超過電動(dòng)機(jī)的最大電流Imax。最大電流Imax為額定電流的2~2.5倍，因此必須保證：若要求快速起動(dòng)，Is選擇大一點(diǎn)，若要求平穩(wěn)起動(dòng)，則Is可以小一點(diǎn)。切換點(diǎn)電流的選擇原則：保證起動(dòng)的快速性，同時(shí)要考慮起動(dòng)設(shè)備的合理性，一般切換點(diǎn)的電流為1.1~1.2倍的額定電流。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用一定的方法改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，以滿足生產(chǎn)的需要，這種人為改變生產(chǎn)機(jī)械速度的過程就稱為調(diào)速。調(diào)速方法：機(jī)械調(diào)速方法：調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比電氣調(diào)速方法：調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速機(jī)械電氣配合的方法：配合調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由其工作點(diǎn)決定的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)改變了，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之發(fā)生改變。對(duì)于具體的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載而言，負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性是一定的，不會(huì)改變。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性卻可以根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行人為地調(diào)節(jié)。通過改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)發(fā)生變化，便可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性是在其機(jī)械特性圖中進(jìn)行分析的。

3.3.1調(diào)速的性能指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能指標(biāo)分為動(dòng)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在過渡過程中的性能指標(biāo)，主要包括跟隨性能指標(biāo)和抗干擾性能指標(biāo)。靜態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)。重點(diǎn)研究他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)性能指標(biāo)，分為三個(gè)主要方面：靜差率和調(diào)速范圍調(diào)速的平滑性調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性

(1)靜差率靜差率又稱為轉(zhuǎn)速變化率，是指電動(dòng)機(jī)由理想空載轉(zhuǎn)速n0到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速n的變化率，用δ表示R1：靜差率δ滿足最低要求（δ最大）。轉(zhuǎn)速降Ra+R1n0RaTN0TnGnmaxG1nminΔnΔn’理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，機(jī)械特性越硬，轉(zhuǎn)速降越小，則靜差率越小。U1n’0n0UTN0TnGnmaxG1nminΔnU>U1U1：靜差率δ

滿足最低要求（δ最大）。機(jī)械特性硬度相同時(shí)，轉(zhuǎn)速降相同，理想空載轉(zhuǎn)速越大，則靜差率越小。Δn(2)調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)額定負(fù)載進(jìn)行調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin

之比，用D

表示

調(diào)速范圍必須在滿足具體的靜差率約束下才有意義，否則電動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速可以為零，這在實(shí)際中是毫無意義的。電力拖動(dòng)系統(tǒng)希望調(diào)速范圍越大越好，靜差率越小越好，但是實(shí)行起來存在一定的困難，因?yàn)檫@兩個(gè)指標(biāo)相互制約。當(dāng)靜差率要求不高（δ

較大）時(shí)，nmin可以小一點(diǎn)，D才能大一點(diǎn)；當(dāng)靜差率要求高（δ

較小）時(shí)，nmin就會(huì)變大，D相應(yīng)地減小。靜差率與調(diào)速范圍之間的關(guān)系可以表示為2.調(diào)速的平滑性定義：相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速中，高一級(jí)轉(zhuǎn)速ni

與低一級(jí)轉(zhuǎn)速ni-1

的比。平滑性用平滑性系數(shù)

φ

表示。φ

越接近1，說明調(diào)速越平滑。無級(jí)調(diào)速的平滑性最好。3.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性調(diào)速系統(tǒng)必須考慮技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，當(dāng)技術(shù)要求相對(duì)較高，且前期的費(fèi)用要求也高時(shí)，則應(yīng)在成本和技術(shù)要求之間進(jìn)行折中。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法根據(jù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有三種：電樞串電阻調(diào)速調(diào)壓調(diào)速弱磁調(diào)速T2T1電樞串入的電阻增大1.電樞串電阻調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，保持UN

和IfN

，在電樞回路中串入電阻。Ra+R1Ra+R1+R20TnRaTLGn1G2G4n2G1G3n3T2T1電樞串入的電阻減小Ra+R1RaRa+R1+R20TnTLGn1G2G4G3n3G1n2電樞串電阻調(diào)速的特點(diǎn)(1)理想空載轉(zhuǎn)速不變，而機(jī)械特性的斜率隨串電阻的增加而不斷增大。(2)增大電阻時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性的過渡過程在負(fù)載特性曲線的左邊；

減小電阻時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性的過渡過程在負(fù)載特性曲線的右邊。(3)將增大電阻和減小電阻配合起來，就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的升、降速。(4)調(diào)速性能指標(biāo)不高，調(diào)速范圍不大，機(jī)械硬度較小，調(diào)速的平滑性不高，

只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的電功率電樞串電阻調(diào)速的效率分析直流電動(dòng)機(jī)的功率損耗為（忽略空載損耗）直流電動(dòng)機(jī)的效率U2U1T2T12.調(diào)壓調(diào)速降壓調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，保持IfN

，電樞回路不串入電阻，調(diào)節(jié)U。（U≤UN

）UNTL0TnGn1G4G2n2n3G1G3UN>U1

>U2U1TL0Tnn1G升壓調(diào)速U2T1UNT2G3G4G2U1

<U2<UNG1n2n3調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)（1）理想空載轉(zhuǎn)速隨電壓而變化，而機(jī)械特性的斜率不隨電壓而變化。（2）降壓調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性的過渡過程在負(fù)載特性曲線的左邊；

升壓調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性的過渡過程在負(fù)載特性曲線的右邊。（3）將升壓調(diào)速和降壓調(diào)速配合起來，就可實(shí)現(xiàn)升、降速調(diào)速。（4）調(diào)壓調(diào)速的性能要比電樞串電阻調(diào)速好，調(diào)速的范圍大，調(diào)速的機(jī)械特性硬，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。ΦNn01TL0Tn1Gn3.弱磁調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，保持UN

，電樞回路不串入電阻，調(diào)節(jié)If。（If≤IfN

）T1Φ1

<ΦNn2Φ1n02G1G2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三種調(diào)速方法的比較串電阻調(diào)速調(diào)壓調(diào)速弱磁調(diào)速調(diào)速方向額定轉(zhuǎn)速以下額定轉(zhuǎn)速以下額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速范圍小大較大機(jī)械硬度軟硬較硬帶載能力恒轉(zhuǎn)矩恒轉(zhuǎn)矩恒功率調(diào)速平滑性有級(jí)調(diào)速無級(jí)調(diào)速無級(jí)調(diào)速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差好較好電能損耗大較少少杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分析(1)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)

T

與n

方向相同，T是拖動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。包括正向電動(dòng)和反向電動(dòng)。第一象限和第三象限。(2)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)

T

與n

方向相反，T是制動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或被消耗掉。包括能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)、倒拉反轉(zhuǎn)和回饋制動(dòng)。第二象限和第四象限。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是由電機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的關(guān)系決定。機(jī)械特性圖是分析電機(jī)運(yùn)行的重要根據(jù)。電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)是機(jī)械特性圖中，電機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)。由于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性分布在機(jī)械特性圖的四個(gè)象限，同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性也可以分布在四個(gè)象限之中，因此通過起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)三種運(yùn)行方式的相互配合，可以使電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在四個(gè)象限。3.4.1電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)T

與n

方向相同。正向電動(dòng)在第一象限，反向電動(dòng)在第三象限。T>0，n>0T<0，n<0他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率關(guān)系第一象限：U、Ia、n為正；第三象限：U、Ia、n為負(fù)。電動(dòng)運(yùn)行功率流程圖杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.4.2能耗制動(dòng)位能性負(fù)載他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的功率關(guān)系U=0。第二象限：Ia為負(fù)，n為正；第四象限：Ia為正，n為負(fù)。能耗制動(dòng)功率流程圖能耗制動(dòng)時(shí)，為限制電樞電流，必須在電源斷開的瞬間，接入足夠大的電阻。則應(yīng)串入的最小電阻為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)(1)電源沒有向電機(jī)提供電功率，即電機(jī)與電源之間沒有電的聯(lián)系。(2)電機(jī)沒有原動(dòng)機(jī)的輸入機(jī)械功率，機(jī)械能來自于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速由高速向低速減速的過程中釋放的動(dòng)能。(3)電機(jī)由機(jī)械能轉(zhuǎn)變而來的電功率沒有輸出到電源，這部分電能被消耗在電樞回路的總電阻上。(4)機(jī)械功率的輸入是來自位能性負(fù)載減少的位能。（針對(duì)位能性負(fù)載）杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院3.4.3反接制動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)時(shí)的功率關(guān)系第二象限：U、Ia為負(fù)，n為正。反接制動(dòng)功率流程圖反接制動(dòng)的特點(diǎn)(1)電源電功率仍輸入；機(jī)械功率不僅沒有輸出，而且還反向發(fā)電，轉(zhuǎn)換為電能。(2)電機(jī)軸上沒有輸入外部機(jī)械功率，消耗的機(jī)械功率是系統(tǒng)由高速到低速的減速過程中釋放的動(dòng)能。(3)輸入的電功率和系統(tǒng)釋放的動(dòng)能除去空載損耗外，都消耗在電樞回路的總電阻上。為了保證電動(dòng)機(jī)的反向電流則所串入的最小電阻為反接制動(dòng)到反向起動(dòng)在需要頻繁快速正反轉(zhuǎn)時(shí)，反接制動(dòng)是非常有效的一種控制方法。停車的時(shí)