电力传动控制系统 上海开放大学

第一篇 电机与拖动基础 第一章 直流电机拖动基础

内容提要 直流电机的工作原理 直流电动机基本方程和特性 他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的运行

概述 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机。 直流电动机具有调速范围广且平滑，起、 制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合。

概述 按能量转换方式，可分为发电机和电动机。 电动机将输入的电能转换成机械能输出，发电机将输入的机械能转换成电能输出。 这两种工作方式是可逆的，同一台电机既可以作为电动机也可以作为发电机。

1.直流电机的工作原理 直流电机主要由定子、转子，电刷装置、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。

直流电机的结构 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置组成，产生主磁场和作电机的机械支架。

直流电机的结构 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成，产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。

直流电机的基本原理 励磁线圈通入直流电流，产生直轴（d轴）方向的主极磁通，称为主磁场。

直流电机的励磁方式 四种励磁方式 他励式：励磁绕组由单独的直流电源供电，励磁电流独立可调。 并励式 ：励磁绕组与电枢绕组并联，由一个直流电源供电，励磁电流不独立可调。 串励式：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流。 复励式 ：兼有并励和串励的特点。

直流电机的励磁方式 四种励磁方式

直流电机的气隙磁场 两极电机：线圈匝数为N的励磁绕组，通以电流i，将产生一个两极磁场，磁力线的方向由电流方向决定。

直流电机的气隙磁场 气隙磁场：产生的气隙磁场在每个磁极下的磁场强度不变，为一个随转角  变化的矩形波。

直流电机的电枢绕组 电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的核心部件。 交轴（q轴）方向上的一对电刷将电枢绕组分为上下两部分。

电枢绕组感应电动势 电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感应电动势 电动势常数Ce，与电机结构有关 电枢总有效边数Z，支路对数a，电枢绕组的匝数N = Z/4a

电磁转矩 电枢绕组电枢绕组流过电流，产生力矩。 直流电机电磁转矩 转矩常数CT

2.直流电动机基本方程和特性 直流电动机等效电路 各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。

他励式直流电动机电压方程 电枢回路电源电压Ua，包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻Ra，电枢回路电压方程 感应电动势

他励式直流电动机励磁方程 他励式直流电动机的励磁线圈采用单独电源供电，励磁电流及气隙磁通 电磁转矩

他励式直流电动机转矩方程 电磁转矩Te ，与电动机空载转矩T0 和电动机的轴上负载转矩TL 相反。 当电机稳态运行时，电动机的转矩方程

他励式直流电动机功率方程 励磁回路输入的电功率 电枢回路输入的电功率 电磁功率 电枢回路铜耗

他励式直流电动机功率方程 电动机输入电功率

他励式直流电动机的效率 电磁功率 电磁转矩的另一种表达式 电动机的效率

并励、串励直流电动机 并励、串励直流电动机满足他励式直流电动机基本方程，还受到制约 并励直流电动机：电枢电压等于励磁电压 串励直流电动机：电枢电流等于励磁电流

转速特性 Ua =UN ，I f =I fN 时，转速特性 当Ia 增加时，转速n下降，形成转速降 n，如曲线1 所示。

转矩特性 Ua =UN ，I f =I fN 时，转矩特性 磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电流成正比。考虑电枢反应，转矩随电枢电流的增加而略微下垂，如曲线2所示。

效率特性 Ua =UN ，I f =I fN 时，效率特性 电动机的效率随Ia 增大而上升，当Ia 大到一定值后，效率又逐渐下降，如曲线3所示。

3.他励直流电动机的机械特性 电动机的机械特性是电磁转矩与转速之间的关系曲线n=f（Te )。 为了推导机械特性的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻R。

他励直流电动机的机械特性 机械特性的一般形式n=f（Te ）

他励直流电动机的铭牌数据 1、额定功率PN(kW)：轴上输出的机械功率 2、额定电压UN(V)：输入额定电压 3、额定电流IN(A)：在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流 4、额定转速nN(r/min)：在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速 5、额定励磁电流IfN(A)：对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流

他励直流电动机固有机械特性 直流电动机在电枢电压、励磁电流为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有机械特性。 固有机械特性也可称作自然特性。

固有机械特性的主要特点 1) 理想空载转速

固有机械特性的主要特点 2) 额定工作点 电枢电流为额定电流 电磁转矩为额定转矩 感应电动势

固有机械特性的主要特点 3) 电动机堵转 感应电动势 电枢电流为堵转电流 电磁转矩为堵转转矩

固有机械特性的主要特点 电动机起动瞬间相当于堵转 因为电枢电阻很小，在额定电压的作用下， 起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流。 直流电机一般不允许全电压直接起动。

固有机械特性的主要特点 4) 机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。下倾的斜率 小，称为硬特性。反之，斜率 大，称为软特性。

他励直流电动机人为机械特性 改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁电流I f 、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性。 这种人为改变参数引起的机械特性称人为机械特性。

改变电枢电压的人为机械特性 励磁电流为额定值，磁通为N 并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电枢电压Ua ，得到与固有机械特性平行的人为机械特性。 改变Ua 得到一组平行曲线，特性曲线的硬度相同，理想空载转速随Ua变化。

改变电枢电压的人为机械特性 由于电机绝缘的限制

减小气隙磁通的人为机械特性 降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc ， 使励磁电流I f 减小，以减小气隙磁通。 理想空载转速n0升高，斜率 增大，特性曲线倾斜度增加，机械特性变软。

减小气隙磁通的人为机械特性 由于电机磁路饱和的限制

电枢回路串电阻的人为机械特性 保持电枢回路电压UN、励磁电流If 不变，改变电枢回路的串接电阻R。 串入电阻越大，曲线越倾斜，机械特性越软。

电枢回路串电阻的人为机械特性 电枢回路总电阻

4.他励直流电动机的运行 改变电动机参数或运行状态，使其偏离固有机械特性，工作在人为机械特性上，以适应不同的需求。 电动机运行状态分成两大类： Te 与n同方向时为电动运行状态， Te 与n反方向时为制动运行状态。

他励直流电动机的电动运行 电动机的电磁转矩Te与转速n方向相同，Te为拖动转矩。 电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。

正向电动运行 他励直流电动机工作点在第Ⅰ象限A点，电动机的电磁转矩Te>0，转速n>0，方向相同，为正向电动运行。

反向电动运行 他励直流电动机工作点在第Ⅲ象限B点，电动机的电磁转矩Te < 0，转速n < 0，方向仍相同，为反向电动运行。

他励直流电动机的反转 改变电动机转动方向，需要改变电磁转矩方向。 有两种方法： 反接电枢绕组来改变电枢电流方向； 反接励磁绕组来改变主极磁通方向

他励直流电动机的起动 起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程。 他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 起动瞬间，电动机堵转，起动电流和起动转矩过大，必须限制。不允许直接起动。

他励直流电动机的起动 直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： 直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。 起动电流限制在一定范围内，  为电机的过载倍数； 足够大的起动转矩 直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。

电枢回路串电阻起动 在额定电压下，电枢回路串入起动电阻，在起动过程中，随着转速上升，起动电阻逐步切除。 三级起动

降压起动 可调直流电源降压起动。 降低电源电压U ， 将起动电流限制在允许的范围内。 随着转速上升，电压抬高。

他励直流电动机的制动 电动机的电磁转矩Te与转速n方向相反，Te为制动性阻转矩。 电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。 常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动三种。

能耗制动的机械特性 能耗制动时的机械特性是一条经过原点、位于第Ⅱ、 Ⅳ象限的直线。 限制最大制动电流Imax，能耗制动电阻

能耗制动的功率关系 电磁转矩与转速方向相反，负载向电动机输入了机械功率，电磁功率为负值，功率传递方向与电动状态时相反。 电磁作用把机械功率转变为电功率；转化为热能消耗在电枢回路电阻上。

能耗制动过程 反抗性负载：没有稳定运行点，称为能耗制动过程，第Ⅱ象限。

能耗制动过程 直流电动机拖动负载，运行于电动状态的A点。 采用能耗制动，转速不能突变，电动机的运行点从A突变→B。 能耗制动过程B→O，在O点停止。

能耗制动状态 位能性负载：有稳定运行点，故称为能耗制动运行状态，第 Ⅳ象限。 能耗制动电阻大，机械特性软。

能耗制动过程 直流电动机拖动负载，运行于电动状态的A点。A→B→O的过程相同。 到达O点，在位能性负载转矩TL作用下开始反转，系统进入四象限，稳定运行于C点。

他励直流电动机的反接制动 电枢反接制动：一般用于反抗性负载； 转速反向反接制动（倒拉反接制动）：用于位能性负载。

电枢反接制动 把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接。

电枢反接制动 电枢反接制动的机械特性，第Ⅱ、 Ⅲ 、 Ⅳ象限 反接制动机械特性是一条过-n0 ，斜率取决于（Ra+Rrb）大小的直线。 制动电阻必须足够大

电枢反接制动 从负载输入机械功率P2，转变为电磁功率Pem，从电源输入电功率P1。 P1与Pem 全部消耗在电阻（Ra+Rrb）上。

电枢反接制动过程 拖动 2) 拖动位能性恒转矩负载 直流电动机拖动负载，运行于电动状态的A点。 电枢反接，电动机的运行点从A→B，进入制动B→C，在C点n=0 ，制动过程结束。 如需要停止运行，需切除电源，投入机械制动。 拖动 2) 拖动位能性恒转矩负载

电枢反接制动过程 在C点n=0 ，制动过程结束。 反抗性负载：越过C点，反向起动，进入第三象限。最后稳定运行于D点，工作于反向电动状态。 位能性负载：越过C点， 进入第三象限，工作于反向电动状态；越过-n0，最后稳定运行于E点，第四象限，工作于反向回馈制动状态。

倒拉反接制动 倒拉反接制动的机械特性

倒拉反接制动过程 他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，电机将被制动减速，BC段。 电机在位能性负载作用下，被负载反拖进入第Ⅳ象限，反向运转，称为倒拉反接制动。

倒拉反接制动 机械特性，第Ⅰ 、 Ⅳ象限 从电源输入电功率和从负载输入机械功率全部消耗在电阻上。 电枢串较大阻值电阻的人为特性，制动电阻必须足够大

他励直流电动机的回馈制动 特征：转速n高于理想空载转速n0。 电枢电流Ia 反向，电磁转矩Te方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩。 电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，称回馈制动，又称为再生发电制动。

回馈制动（再生发电制动） 回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，运行在特性曲线上不同的区段而已。 正向回馈制动时的机械特性位于第Ⅱ象限，反向回馈制动时的机械特性位于第Ⅳ象限。

正向回馈制动过程 调速中，电压降低或增加磁通减速时，出现电动机经过第二象限的回馈制动过程。 没有稳定运行点，只是一个过程，而称为正向回馈制动过程。 在减速过程中，电动机经过正向回馈制动过程和正向电动状态减速两个阶段。

正向回馈制动过程 正向回馈制动将机械功率转换成电功率输出，机械功率是系统从高速到低速的降速过程中，释放出的动能所提供。

正向回馈制动运行

正向回馈制动运行 当电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行，有稳定的工作点。 回馈制动运行时的功率关系与回馈制动过程时相同，只是机械功率是由电动车减少位能储存来提供的。

反向回馈制动运行 他励 直流电动机 拖动 位能性负载（如起重机的提升机构），可以出现反向回馈制动运行。

他励直流电动机的四象限运行 电动机运行状态分成两大类: Te与n同方向为电动状态， 第Ⅰ、Ⅲ象限。 Te与n反方向为制动状态，第Ⅱ、Ⅳ象限。

他励直流电动机的电动运行 Te 为拖动性电磁转矩， Te与n同方向。 正向电动运行： Te > 0，n > 0，运行在第Ⅰ象限。

他励直流电动机的制动运行 Te 为制动性电磁转矩， Te与n反方向。 正向制动运行： Te <0，n > 0，运行在第Ⅱ象限。

他励直流电动机的制动运行 第Ⅱ象限中制动运行包括有：能耗制动过程、反接制动过程、正向回馈制动运行等； 第Ⅳ象限中制动运行包括有：能耗制动运行、倒拉反转运行、反向回馈制动运行等。 从制动运 行的定义来看，只要是在第Ⅱ、Ⅳ象限各条机械特性上运行，不论是稳态运行，还是动态过程， 都属于制动运行状态。各象限中各种运行状态一般都包括稳态运行和加速或减速过程两种情 况。

他励直流电动机的四象限运行 电枢电压、励磁电流和电枢回路电阻确定了他励直流电动机机械特性。 机械特性可以跨越多个象限，表明在同一条机械特性上可能出现不同的状态。

他励直流电动机的四象限运行 电动机从某一平衡点进入新的平衡点都有一个变化过程，这就是过渡过程。 稳定工作点由有机械特性和负载特性共同确定。

本章要点 电枢反接制动的机械特性，反接制动的过程及稳定运行。 转速反向反接制动（倒拉反接制动）的机械特性，反接制动的过程及稳定运行。 他励直流电动机的四象限运行的基本特征及工作状态。

本章要点 直流电机感应电动势和电磁转矩产生的基本原理与表达式 直流电机的励磁方式 直流电机基本方程和特性 他励直流电动机固有机械特性和人为机械特性

本章要点 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动 他励直流电动机的四象限运行