1.2直流电机的调速

教

授课班级

案（首页）

机电高职 1002

授课日期

课题序号

1.2

授课形式

讲授

授课时数

课题名称

直流电机的调速

1．了解生产机械的负载特性。 2．熟悉直流电动机的机械特性。 3．了解直流电动机稳定运行条件。 4．重点掌握直流电动机的三种调速方法。 5．学会直流电动机调速方法的操作。 1、 直流电动机的三种调速方法 2、 直流电动机调速方法的操作

教学目标

教学重点

教学难点

1、 直流电动机的三种调速方法 2、 直流电动机调速方法的操作

教材内容更 新、补 无 充及删减

课外作业

见教案

教学后记

送审记录

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课堂时间安排和板书设计

复 习 5 导 入 5 新 授 55 练 习 15 小 结 10

一、 电气传动系统 1、电气传动系统的组成 2、电气传动系统的运动方程式 二、 生产机械的负载特性 1、恒转矩负载特性 2、恒功率负载特性 3、通风机型负载特性 三、 他励直流电动机的机械特性 1、固有机械特性 2、人为机械特性 四、 电动机的稳定运行条件 五、 他励直流电动机的调速 1、 2、 3、 4、 调速指标 电枢串电阻调速 弱磁调速 降压调速

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教学过程

导入

主要教学内容及步骤

直流电动机的最大优点是具有线性的机械特性，调速性能优异， 因此，广泛应用于对调速性能要求较高的电气自动化系统中。要 了解、分析和掌握直流电动机的调速方法，首先要掌握直流电动 机的机械特性，了解生产机械的负载特性。直流电动机有三种不 同的人为机械特性，所对应的就是三种不同性能的调速方法，分 别应用于不同的场合。因此熟悉机械特性是基础，掌握调速方法 是目的。知道了各种调速方法的性能特点后，就可以根据实际生 产机械负载的工艺要求来选择一种最合适的调速方法，发挥直流 电动机的最大效益。

新授

一、电气传动系统 用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产任务 的过程称之为驱动。用电动机作为原动机的驱动称为电气传动。 在电气传动系统中，电动机是原动机，起主导作用，生产机械是 负载。 1．电气传动系统的组成 电气传动系统一般由电动机、传动机构、生产机械的工作机构、 控制设备以及电源五部分组成， 如图 1-21 所示。其实例是四柱成 型机电气自动控制系统，传动机构是联轴器，生产机械的工作机 构是成型机，控制设备和电源组合在电气控制柜内。

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主要教学内容及步

骤

现代化生产过程中， 多数生产机械都采用电气传动， 其主要原因是： 电能的传输和分配非常方便，电机的效率高，电动机的多种特性能 很好地满足大多数生产机械的不同要求，电气传动系统的操作和控 制都比较简便，可以实现自动控制和远距离操作等。 2．电气传动系统的运动方程式 在图 1-21 所示的四柱成型机电气自动控制系统中，电动机直接与 生产机械的工作机构相连接，电动机与负载用同一个轴，以同一转 速运行。电气传动系统中主要的机械物理量有电动机的转速 n，电 磁转矩 T， 负载转矩 TL。 由于电动机负载运行时， 一般情况下 TL>>T0， 故可忽略 T0 (T0 为电动机空载转矩)。各物理量的正方向按电动机 惯例确定，如图 1-17 所示，电磁转矩 T 的方向与转速 n 方向一致 时取正号；负载转矩 TL 方向与转速 n 方向相反时取正号。根据转 矩平衡的关系，可以写出如下形式的电气传动系统运动方程式。

T  TL  GD 2 dn 375 dt

上式表明，T=TL 时，系统处于恒定转速运行的稳态；T>TL 时，系 统处于加速运动的过渡过程中；T

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生产机械工作机构的转速 n 与负载转矩 TL 之间的关系， n=f TL） 即 （ 称为生产机械的负载特性。生产机械的种类很多，它们的负载特性 各不相同，但根据统计分析，生产机械的负载特性按照性能特点， 可以归纳为以下三类。 1．恒转矩负载特性 (1)阻力性恒转矩负载特性 阻力性恒转矩负载的特点是工作机构

转矩的绝对值是恒定不变的，转矩的性质总是阻止运动的制动性转 矩。即： n>0 时，TL>0(常数)；n

(2)位能性恒转矩负载特性

位能性恒转矩负载的特点是工作机构

转矩的绝对值是恒定的，而且方向不变 (与运动方向无关)，总是

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沿重力作用方向。如图 1-24 所示的起重机械，当 n>0 时，TL>0， 是阻碍运动的制动转矩；当 n0，是帮助运动的驱动转矩， 其机械特性如图 1-23 所示，位于第 I、第Ⅳ象限。起重机提升和下 放重物就属于这个类型。 2．恒功率负载特性 某些车床

，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，这时工作在低速 状态；而在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往工作在高速状 态。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，而机械 功率 PL∝n·TL=常数，称为恒功率负载，其负载转矩特性如图 1-25 所示。轧钢机轧制钢板时，工件尺寸较小则需要高速度低转矩，工 件尺寸较大则需要低速度高转矩，这种工艺要求也是恒功率负载。 3．通风机型负载特性 水泵、油泵、鼓风机、电风扇和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的 平方成正比，即 TL∝n2，此类称之为通风机型负载，其负载特性如 图 1-26 所示。 上述恒转矩负载、恒功率负载以及通风机型负载，都是从各种实际 负载中概括出来的典型的负载形式，实际上的负载可能是以某种典 型负载形式为主，或某几种典型负载形式的结合。例如，水泵主要 是通风机型负载特性，但是轴承摩擦力又是阻力性的恒转矩负载特 性，只是运行时后者数值较小而已。再例如起重机在提升和下放重

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物时，主要是位能性恒转矩负载特性，但各个运动部件的摩擦力又 是阻力性恒转矩负载特性。 三、他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流、电枢回路 电阻为恒值的条件下， 转速 n 与电磁转矩 T 之间的关系特性， n=f 即 （T） ，或转速 n 与电枢电流 Ia 的关系 n=f（Ia） ，后者也就是转速 特性。机械特性将决定电动机稳定运行、启动、制动以及调速的工 作情况。 1．固有机械特性 固有机械特性是指当电动机的工作电压和磁通均为额定值时，电枢 电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为

n UN Ra  Ia Ce  N Ce  N

固有机械特性如图 1-27 中 R=Ra 的曲线所示，由于 Ra 较小，故他 励直流电动机的固有机械特性较硬。图中 n0 为 T=0 时的转速，称 为理想空载转速。Δ nN 为额定转速降

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2．人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机参数 (U、R、Φ ) 而得到的机 械特性，他励电动机有以下三种人为机械特性。 (1)电枢串接电阻的人为机械特性 此时 U=UN，Φ =Φ N，R=Ra+Rpa。人为机械特性与固有特性相比， 理想空载转速 n0 不变，但转速降Δ n 相应增大，Rpa 越大，Δ n 越 大，特性越“软” ，如图 1-27 中曲线 1、2 所示。可见，电枢回路 串入电

阻后，在同样大小的负载下，电动机的转速将下降，稳定在 低速运行。 (2)改变电枢电压时的人为机械特性 此时 Rpa=0，Φ =Φ N。由于电动机的电枢电压一般以额定电压 UN 为上限，因此改变电压，通常只能在低于额定电压的范围变化。 与固有机械特性相比，转速降Δ n 不变，即机械特性曲线的斜率不 变，但理想空载转速 n0 随电压成正比减小，因此降压时的人为机 械特性是低于固有机械特性曲线的一组平行直线，如图 1-28 所示。 (3)减弱磁通时的人为机械特性 减弱磁通可以在励磁回路内串接电阻 Rf 或降低励磁电压 Uf，此时

U=UN，Rpa=0。因为Φ 是变量，所以 n=f（Ia）和 n=f（T）必须分

开表示，其特性曲线分别如图 1-29(a)和 (b)所示。

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当减弱磁通时，理想空载转速 n0 增加，转速降Δ n 也增加。通常在 负载不是太大的情况下，减弱磁通可使他励直流电动机的转速升 高。 四、电动机的稳定运行条件 电动机带上某一负载，假设原来运行于某一转速，由于受到外界 某种短时干扰，如负载的突然变化或电网电压的波动等，而使电动 机的转速发生变化，离开原来的平衡状态，如果系统在新的条件下 仍能达到新的平衡或者当外界干扰消失后，系统能自动恢复 到原来的转速，就称该拖动系统能稳定运行，否则就称不能稳定运 行。不能稳定运行时，即使外界干扰己经消失，系统的速度也会一 直上升或一直下降直到停止转动。 为了使系统能稳定运行，电动机的机械特性和负载特性必须配合得 当。为了便于分析，将电动机的机械特性和负载特性画在同一坐标 图上，如图 1-30 所示。

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设电动机原来稳定工作在 A 点， =TL=TA。 T 在图 1-30(a)所示情况下， 如果电网电压突然波动，使机械特性偏高，由曲线 1 转为曲线 2， 在这瞬间电动机的转速还来不及变化，而电动机的电磁转矩则增大 到 B 点所对应的值，这时电磁转矩将大于负载转矩，所以转速将沿 机械特性曲线 2 由 B 点上升到 C 点。随着转速的升高，电动机电磁 转矩变小，最后在 C 点达到新的平衡。当干扰消失后，电动机恢复 到机械特性曲线 1 运行，这时电动机的转速由 C 点过渡到 D 点，由 于电磁转矩小于负载转矩，转速下降，最后又恢复到 A 点，在原工 作点达到新的平衡。 反之，如果电网电压波动使机械特性偏低，由曲线 1

转为曲线 3， 则电动机将经过 A→B´→C´，在 C´点取得新的平衡。扰动消失后， 工作点将由 C´→D´→A，恢复到原工作点 A 运行。 图 1-30(b)所示则是一种不稳定运行的情况， 分析方法与图 1-30(a) 相同，读者可自行分析。

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由于大多数负载转矩都是随转速的升高而增大或保持恒定，因此只 要电动机具有下降的机械特性，就能稳定运行。而如果电动机具有 上升的机械特性，一般来说不能稳定运行，除非拖动像通风机这样 的特殊负载，在一定的条件下，才能稳定运行。 五、他励直流电动机的调速

在现代工业中，由于生产机械在不同的工作情况下，要求有不同的 运行速度，因此需要对电动机进行调速。调速可以用机械的、电气 的或机电配合的方法。电气调速就是在同一负载下，人为地改变电 动机的电气参数，便转速得到控制性的改变。调速是为了生产需要 而人为地对电动机转速进行的一种控制，它和电动机在负载变化时 而引起的转速变化是两个不同的概念。调速是通过改变电气参数， 有意识地使电动机工作点由一种机械特性转换到另一种机械特性 上，从而在同一负载下得到不同的转速。而因负载变化引起的转速 变化则是自动进行的，电动机工作在同一种机械特性上。 当负载不变时，他励直流电动机可以通过改变 U、Φ 、R 三个参数 进行调速。 1．调速指标 直流电动机具有极可贵的调速性能，可在宽广范围内平滑而经济地 调速，特别适用于调速要求较高的电气传动系统中。电动机调速

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电动机调速性能的好坏

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性能的好坏，常用下列各项技术指标来衡量: (1)调速范围 D 调速范围是指电动机驱动额定负载时，所能达到

的最高转速与最低转速之比。不同的生产机械要求不同的调速范 围， 例如轧钢机 D=3～120， 龙门刨床 D=l0～140， 车床进给机构 D=5～ 200 等。 (2)调速的平滑性 电动机相邻两个调速挡的转速之比称为调速的

平滑性，其比值φ 称为平滑系数。在一定的范围内，调速挡数越多， 相邻级转速差越小，φ 越接近于 1，平滑性越好。φ =l 时称为无级 调速。 (3)调速的稳定性 调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，电动

机转速随之变化的程度。工程上常用静差率δ 来衡量，它是指电动 机在某一机械特性上运转时，由理想空载至额定负载时的转速降Δ

n0  n

N 100 % n0

nN 对理想空载转速的百分比，

(4)调速的经济性



调速的经济性由调速设备的投资及电动机运行

时的能量消耗来决定。 (5)调速时电动机的允许输出 在电动机得到充分利用的情况下

(一般是指电流为额定值)，调速过程中电动机所能输出的功率和转 矩。主要有恒功率调速方式和恒转矩调速方式两大类。 2．电枢串电阻调速

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如图 1-31 所示，他励直流电动机原来工作在固有特性 a 点，转速 为 n1，当电枢回路串入电阻后，工作点转移到相应的人为机械特性 上，从而得到较低的运行速度。整个调速过程如下：调整开始时， 在电枢回路中串入电阻 Rpa，电枢总电阻 R1= Ra+Rpa 这时因转速来 不及突变，电动机的工作点由 a 点平移到 b 点。此后由于 b 点的电 磁转矩 T´

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时工作的，因此不能把启动电阻当做调速电阻使用。 3.弱磁调速 这是一种改变电动机磁通大小来进行调速的方法。为了防止磁路饱 和，一般只采用减弱磁通的方法。小容量电动机多在励磁回路中串 接可调电阻，大容量电动机可采用单独的可控整流电源来实现弱磁 调速。 图 1-32 中曲线 1 为电动机的固有机械特性曲线，曲线 2 为减弱磁 通后的人为机械特性曲线。 调速前电动机运行在 a 点， 调速开始后， 电动机从 a 点平移到 c 点，再沿曲线 2 上升到 b 点。考虑到励磁回 路的电感较大以及磁滞现象，磁通不可能突变，电磁转矩的变化实 际如图 1-32 中的曲线 3 所示。 弱磁调速的速度是往上调的，以电动机的额定转速 nN 为最低速度， 最高速度受电动机的换向条件及机械强度的限制。同时若磁通过 弱， 电枢反应的去磁

作用显著， 将使电动机运行的稳定性受到破坏。 在采用弱磁调速时，由于在功率较小的励磁电路中进行调节，因此 控制方便，能量损耗低，调速的经济性比较好，并且调速的平滑性 也较好，可以做到无级调速。 4．降压调速 采用这种调速方法时，电动机的工作电压不能大于额定电压。从 机械特性方程式可以看出，当端电压 U 降低时，转速降Δ n 和特性

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曲线的斜率不变，而理想空载转速 n0 随电压成正比例降低。降压 调速的过程可参见降压时的人为机械特性曲线。 通常降压调速的调速范围可达 2.5～12。随着晶闸管技术的不断发 展和广泛应用，利用晶闸管可控整流电源可以很方便地对电动机进 行降压调速，而且调速性能好，可靠性高，目前正得到广泛应用。

思考与练习

1．电气传动系统一般由哪几部分组成？ 2．生产机械按照性能特点可以分为哪几类典型的负载特性? 3．直流电动机的机械特性指的是什么? 4．何谓固有机械特性?什么叫人为机械特性? 5．他励直流电动机有哪几种调速方法?各有什么特点?电枢回路串 电阻调速和弱磁调速分别属于哪种调速方式? 6．改变磁通调速的机械特性为什么在固有机械特性上方?改变电枢 电压调速的机械特性为什么在固有机械特性下方? 7． 他励直流电动机的机械特性 n=f(T)为什么是略微下降的?是否会 出现上翘现象?为什么?上翘的机械特性对电动机运行有何影响? 8．当直流电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢电压， 为什么会引起电动机转速降低? 9．当直流电动机的负载转矩和电枢电压不变时，减小励磁电流， 为什么会引起转速的升高?

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