《电机及拖动基础》
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础》（第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第九章 直流电动机的电力拖动
§ 9－ 1 他励直流电动机的机械特性
一、机械特性方程
e
a
aa
ea
aT
C
RIU
n
RIEU
nCE
ICT
转速特性：
电动势平衡：
感应电动势：
电磁转矩：
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T
CC
R
C
U
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Tee
0
2
机械特性：
TT
CC
R
n
C
U
n
Te
e
2
0其中：
特性大：表示机械特性为软特性小：表示机械特性为硬机械特性的斜率
机械特性方程式：
Tnn 0
NT
n
0n?
0n
Nn
T
Nn? 000 Tnn
%1 0 0% 0
N
N
N n
nnn
n
T
由于电枢反应使磁通减小，故机械特性在负载较大时呈上翘现象，因此常在电机中主磁极上加串励绕组（稳定绕组）
电枢反应对机械特性的影响他励直流电动机的机械特性
二、固有机械特性与人为机械特性
1、固有机械特性指的机械特性，此时因为 Ra小，故为硬特性
2、人为机械特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种：
a） 电枢串电阻
b） 改变电枢电压
c） 减弱励磁时aNN RRUU,,
T
CC
R
C
Un
NTe
a
Ne
N
2
1）电枢串电阻时的人为机械特性时 RRRUU aNN,,
T
CC
RR
C
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Ne
N
2?
n
aR
1 RR a
2 RR a
1
2
3
1－固有机械特性
2,3－电枢串电阻人为机械特性
21 RR
电枢串电阻的人为机械特性比固有机械特性软，
但理想空载转速不变。
串接不同电阻时的机械特性为交于纵坐标一点的射线族
T
2）改变电枢电压时的机械特性时aN RR,T
CC
R
C
Un
NTe
a
Ne
2
n
T
NU
1U
2U
21 UUU N
改变电枢电压时的机械特性改变电枢电压时的人为机械特性与固有机械硬度相等，但理想空载转速随电枢电压降低而降低，不同电枢电压下的机械特性为一组平行曲线。
3）减弱电动机磁通时的人为机械特性时aN RRUU,T
CC
R
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N
2
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a
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2?
21 N
曲线不同时的 )( aIfn 曲线不同时的 )( Tfn
N?
1?
2?
三、机械特性的绘制两点法：理想空载及额定运行
1）理想空载点其中而 对于已有电动机可以实测，无电机时也可以用经验公式：
2）额定运行点
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N
C
Un
0
N
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2)3
2~
2
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四、电力拖动稳定运行的条件
n
T
A
1zT
B
2zT
1、必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点
2、充分条件：干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来的稳定点在交点所对应的转速之上保证 T<Tz,,在交点所对应的转速之下保证 T>Tz
§ 9－ 2 他励直流电动机的起动
一、他励直流电动机的起动方法起动时先必须保证 先加励磁，后加电枢电压,
为了限制起动电流，常采用降低电枢电压起动：
1）、对于电源可调的：起动时降低电源电压，随着转速升高，电源电压也升高。保证电流在允许范围内。
2）、电枢串电阻起动。起动时在电枢中串接电阻，
随转速的升高，分级切除电阻，保证电流在允许范围内。
0,0 a
a
a
a EnR
EUI 则，又起动时
是额定电流的十几倍直接起动时 aI?
电枢串电阻分级起动过程：
n
T
1QT
2QTzT
b
a
c
d e
f
g
起动时，串接所有外接电阻，机械特性为
1，起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转速沿机械特性 1开始上升，在 b
点处切除部分外接电阻，机械特性变为 2，
设计恰当时，转矩又增大到 c点，转速再次上升，在 d点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为 3继续升速，直到 g点稳定，
起动完毕。
1
2
3
2R
1R
aR
h
二、他励直流电动机起动电阻的计算
1、图解解析法
1） 绘制固有机械特性
2）选取最大电流与切换点电流
3）绘出分级起动特性图，根据特性图求取所接入的电阻。
2QT
n
T
1QTzT
b
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c
d e
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h
22 RRR a
11 RRR a
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ec
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nRR
1
he
ac
a n
nRR
2
2、解析法从 b点切换到 c点时同理，从 d点切换到 e点，有：
故两级起动有：
推广到 m级起动，有：
n
T
1QTzT
b
a
c
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2
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12
1,..
三、他励直流电动机起动的过渡过程在起动过程中，
在电动机中过渡过程中同时存在着一些惯性：
1）机械惯性：飞轮力矩使转速不能突变。
2）电磁惯性：电枢回路及励磁回路中的电感阻止电流突变。
3）热惯性：电机工作温度不能突变。
都是时间的函数都是随时间变化的，即、、,PITn
（一）起动的机械过渡过程
1、电枢串固定电阻起动的过渡过程
T tMtKeII za
)1( T tMtenn z
aI
maxI
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数电力拖动的机电时间常
2
2
37 5?
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RGD
T
)(tfI a? )(tfn?
2、电枢串多级电阻起动的过渡过程
3、加速起动过程的途径：
起动过程延迟的原因：
1）系统本身机械惯性大，机电时间常数大
2）起动电流过渡过程呈衰减。
加速起动过程的途径：
a） 减小机电时间常数
b） 改善起动过程中的电流波形
11
1)1(
T t M
t
T t M
t eIeII
za
（二）电枢电路电感对起动过程的影响电枢电路电感使得电流与转速上升延迟、起动产生振荡。
)1( T t ateII sca
a
a
ta R
LT?电磁时间常数
§ 9－ 3 他励直流电动机的制动电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相反，电动机吸收机械能并转化为电能。
自由停车：断开电动机的电源，拖动系统自己停车。
但生产中常需要加快电动机的停车过程，提高生产效率。故必须对电动机采取一定的制动措施。
他励直流电动机的制动措施主要有三种：
1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。
2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。
3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。
一、能耗制动
＋
－
U
Ea
R
R
ZR
制动状态
n
T
电动时,K1,K2闭合,K3断开，电机转矩 T与转速 n方向相同
1K
1K
2K
3K
能耗制动时,K1,K2
断开，再接通 K3,电机的转速方向不变，但转矩 T的方向改变，电机作为发电机，将机械能转化为电能，然后在 Rz
上消耗掉。电枢电流与机械特性分别为
＋
－
U
EaZR
电动状态
T
n
2K
3K
aI
aI
za
a RR
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TCC RRn
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za
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由机械特性 可知,n为正时，
转矩为负。 TCC
RRn
Te
za
2?
n
1n
aR
za RR?
za RR?
1I?
aI
0n
能耗制动时的机械特性对制动电阻 Rz的讨论：
1,Rz越小，制动越快。
但制动始时的制动电流大。
2、若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：
N
N
N
N
za I
U
I
ERR
22
a
N
N
z RI
UR
2若电机带位能性负载，则电机在转速为 0后，反方向加速，则电动势、
电枢电流及转矩都反向。
能耗制动时的过渡过程：
由可得：
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TCC RRn
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2
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2
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二、反接制动
反接制动有两种方法：
（一）转速反接的反向制动电机带位能性负载的反接制动状态反接时不改变电路状态，但串接了一个电阻，则电动机的起动转矩小于负载转矩，
电机在负载作用下转动，电机以与电机的转矩方向相反的方向转动。即电机的转矩方向与电动状态方向相同，但此时转速逆于电机转矩，电机为制动状态。好像是电机的电枢被反接。故也称为反接制动状态。
＋
－
U
Ea
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n
G
aI
n
＋
－
反接制动的电枢电路的电压平衡：
反接制动的的功率传送：
电阻消耗功率＝电网输入功率＋机械功率转化的电磁功率
反接制动的机械特性：
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TCC RRnn
Te
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20?
n
T
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二、反接制动
（二）电枢反接的反向制动制动时，断开接通,即将电枢串接电阻后反接到电源上。则电枢电流与机械特性为：
11 KK?、
22 KK?、
za
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RR
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Te
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若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：
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N
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N
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－
三、回馈制动（再生制动）
1、位能负载拖动电动机
＋
－
－ U
Ea
1K T
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G
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n
1K?
－
＋
在反向制动状态时：
当电机在负载拖动下的转速高于理想空载转速时：
0nn UEa?
电流 Ia由电源的正端流出，即向电机外发电，向电网回馈电能，同时电机转矩与转动反向相反，
为制动。故称为回馈制动。
aI
＋
－
－ U
Ea
1K T
n
G
n
1K?
－
＋
反向电动状态
2,他励电动机改变电枢电压若电动机在带负载运行过程中，突然降低电枢电压，由于转速来不及变化。有：
则电枢电流也会发生改向，也是从电源正端流出，即出现回馈制动。
UEa?
n
T
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NU
1U
2U
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2n
1n
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Nn
§ 9－ 4他励直流电机的调速
一、他励直流电动机的调速方法
1、改变电枢电压,1）电枢串电阻,2）降低电源电压
2、改变励磁磁通：减小励磁电流二、调速原理
e
aaa
aaaea C
RRIUnRRIUnCE )()(
三、调速指标：技术指标、经济指标
1、技术指标：
1）调速范围 D：
2）静差率 δ
3） 平滑性 φ,
4） 调速时的容许输出
m i n
m a x
n
nD?
此处的 与 指的是电机带指定负载时可能的最大转速与可能的最小转速。不是指电机自身的转速。
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n? Φ越接近 1，平滑性越好。
经济指标：设备的效率
四、降低电枢电压调速
1、电枢串联电阻调速过程：当电枢电阻突然增加时，由于转速来不及突变，则 Ea不能突变。由电动机的电动势平衡方程式：
可知：电枢电流减小，转矩减小，系统开始减速，随着转速下降，电流又开始回升，转矩也跟着回升，
只要转矩小于负载转矩，系统就一直减速，直到转矩回升到原来的值，系统新的转矩平衡再次建立，
系统不再减速，调速过程结束。
PP
P
2
2?
)( RRIUnCE aaaea
2、降低电源电压调速过程：电源电压降低时，由于转速不能突变，则电流减小，转矩也减小，系统开始减速，当速度下降时，
电流开始回升，转矩也随之回升，直到系统转矩重新达到平衡，转速不再下降，调速过程结束。
若电源突然降低较大时,Ea>Ua,电流会改变方向，系统出现回馈制动。
五、弱磁调速：
调速过程：降低磁通时，转速不突变，则电枢反电动势
Ea减小，则电枢电流增大，若电枢电流增大程度超过磁通减小程度，则输出转矩增大，系统加速，则 Ea回升，电流开始下降，转矩也开始回落，直到新的转矩平衡。调速结束。
三种调速方法的对比电枢串电阻不经济,调速不平滑，为有极调速，机械特性硬度低，
调速范围不大方法简单控制设备不复杂降低电源设备投资大，控制复杂调速平滑，机械硬度高，调速范围广。调速性能最好。
弱磁调速范围不大，一般与降压配合应用。
再功率小的系统中调节方便，效率较高。
结束
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础》（第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第九章 直流电动机的电力拖动
§ 9－ 1 他励直流电动机的机械特性
一、机械特性方程
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转速特性：
电动势平衡：
感应电动势：
电磁转矩：
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机械特性：
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特性大：表示机械特性为软特性小：表示机械特性为硬机械特性的斜率
机械特性方程式：
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由于电枢反应使磁通减小，故机械特性在负载较大时呈上翘现象，因此常在电机中主磁极上加串励绕组（稳定绕组）
电枢反应对机械特性的影响他励直流电动机的机械特性
二、固有机械特性与人为机械特性
1、固有机械特性指的机械特性，此时因为 Ra小，故为硬特性
2、人为机械特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种：
a） 电枢串电阻
b） 改变电枢电压
c） 减弱励磁时aNN RRUU,,
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1）电枢串电阻时的人为机械特性时 RRRUU aNN,,
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1－固有机械特性
2,3－电枢串电阻人为机械特性
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电枢串电阻的人为机械特性比固有机械特性软，
但理想空载转速不变。
串接不同电阻时的机械特性为交于纵坐标一点的射线族
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2）改变电枢电压时的机械特性时aN RR,T
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改变电枢电压时的机械特性改变电枢电压时的人为机械特性与固有机械硬度相等，但理想空载转速随电枢电压降低而降低，不同电枢电压下的机械特性为一组平行曲线。
3）减弱电动机磁通时的人为机械特性时aN RRUU,T
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三、机械特性的绘制两点法：理想空载及额定运行
1）理想空载点其中而 对于已有电动机可以实测，无电机时也可以用经验公式：
2）额定运行点
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四、电力拖动稳定运行的条件
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1、必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点
2、充分条件：干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来的稳定点在交点所对应的转速之上保证 T<Tz,,在交点所对应的转速之下保证 T>Tz
§ 9－ 2 他励直流电动机的起动
一、他励直流电动机的起动方法起动时先必须保证 先加励磁，后加电枢电压,
为了限制起动电流，常采用降低电枢电压起动：
1）、对于电源可调的：起动时降低电源电压，随着转速升高，电源电压也升高。保证电流在允许范围内。
2）、电枢串电阻起动。起动时在电枢中串接电阻，
随转速的升高，分级切除电阻，保证电流在允许范围内。
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电枢串电阻分级起动过程：
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1，起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转速沿机械特性 1开始上升，在 b
点处切除部分外接电阻，机械特性变为 2，
设计恰当时，转矩又增大到 c点，转速再次上升，在 d点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为 3继续升速，直到 g点稳定，
起动完毕。
1
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二、他励直流电动机起动电阻的计算
1、图解解析法
1） 绘制固有机械特性
2）选取最大电流与切换点电流
3）绘出分级起动特性图，根据特性图求取所接入的电阻。
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2、解析法从 b点切换到 c点时同理，从 d点切换到 e点，有：
故两级起动有：
推广到 m级起动，有：
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三、他励直流电动机起动的过渡过程在起动过程中，
在电动机中过渡过程中同时存在着一些惯性：
1）机械惯性：飞轮力矩使转速不能突变。
2）电磁惯性：电枢回路及励磁回路中的电感阻止电流突变。
3）热惯性：电机工作温度不能突变。
都是时间的函数都是随时间变化的，即、、,PITn
（一）起动的机械过渡过程
1、电枢串固定电阻起动的过渡过程
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数电力拖动的机电时间常
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2、电枢串多级电阻起动的过渡过程
3、加速起动过程的途径：
起动过程延迟的原因：
1）系统本身机械惯性大，机电时间常数大
2）起动电流过渡过程呈衰减。
加速起动过程的途径：
a） 减小机电时间常数
b） 改善起动过程中的电流波形
11
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（二）电枢电路电感对起动过程的影响电枢电路电感使得电流与转速上升延迟、起动产生振荡。
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LT?电磁时间常数
§ 9－ 3 他励直流电动机的制动电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相反，电动机吸收机械能并转化为电能。
自由停车：断开电动机的电源，拖动系统自己停车。
但生产中常需要加快电动机的停车过程，提高生产效率。故必须对电动机采取一定的制动措施。
他励直流电动机的制动措施主要有三种：
1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。
2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。
3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。
一、能耗制动
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制动状态
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电动时,K1,K2闭合,K3断开，电机转矩 T与转速 n方向相同
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能耗制动时,K1,K2
断开，再接通 K3,电机的转速方向不变，但转矩 T的方向改变，电机作为发电机，将机械能转化为电能，然后在 Rz
上消耗掉。电枢电流与机械特性分别为
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电动状态
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由机械特性 可知,n为正时，
转矩为负。 TCC
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能耗制动时的机械特性对制动电阻 Rz的讨论：
1,Rz越小，制动越快。
但制动始时的制动电流大。
2、若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：
N
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2若电机带位能性负载，则电机在转速为 0后，反方向加速，则电动势、
电枢电流及转矩都反向。
能耗制动时的过渡过程：
由可得：
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za
2?
dt
dnGDTT
z 375
2
22
2 )(
3 7 5
)(
Te
zaz
Te
za
CC
RRT
dt
dn
CC
RRGDn
2
2
3 7 5
)(
Te
za
tM CC
RRGDT令：
2
)(,
Te
zaz
zzz CC
RRTnnnTT 则时，
ztM nndt
dnT
二、反接制动
反接制动有两种方法：
（一）转速反接的反向制动电机带位能性负载的反接制动状态反接时不改变电路状态，但串接了一个电阻，则电动机的起动转矩小于负载转矩，
电机在负载作用下转动，电机以与电机的转矩方向相反的方向转动。即电机的转矩方向与电动状态方向相同，但此时转速逆于电机转矩，电机为制动状态。好像是电机的电枢被反接。故也称为反接制动状态。
＋
－
U
Ea
R T
n
G
aI
n
＋
－
反接制动的电枢电路的电压平衡：
反接制动的的功率传送：
电阻消耗功率＝电网输入功率＋机械功率转化的电磁功率
反接制动的机械特性：
aaaa EUEURRI )()(
TCC RRnn
Te
a
20?
n
T
stT ZT
o
aaaaa IEUIRRI )(2
二、反接制动
（二）电枢反接的反向制动制动时，断开接通,即将电枢串接电阻后反接到电源上。则电枢电流与机械特性为：
11 KK?、
22 KK?、
za
a
za
a
a RR
EU
RR
EUI
TCC RRnn
Te
a
20?
若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：
N
N
N
N
N
NN
a I
U
I
U
I
EURR
2
2
2 a
N
N R
I
UR
＋
－Ea
T
aI
n
1K
2K
1K?
2K?
R
＋
－
三、回馈制动（再生制动）
1、位能负载拖动电动机
＋
－
－ U
Ea
1K T
n
G
aI
n
1K?
－
＋
在反向制动状态时：
当电机在负载拖动下的转速高于理想空载转速时：
0nn UEa?
电流 Ia由电源的正端流出，即向电机外发电，向电网回馈电能，同时电机转矩与转动反向相反，
为制动。故称为回馈制动。
aI
＋
－
－ U
Ea
1K T
n
G
n
1K?
－
＋
反向电动状态
2,他励电动机改变电枢电压若电动机在带负载运行过程中，突然降低电枢电压，由于转速来不及变化。有：
则电枢电流也会发生改向，也是从电源正端流出，即出现回馈制动。
UEa?
n
T
ZT?ZT
NU
1U
2U
3U3n
2n
1n
1n?
Nn
§ 9－ 4他励直流电机的调速
一、他励直流电动机的调速方法
1、改变电枢电压,1）电枢串电阻,2）降低电源电压
2、改变励磁磁通：减小励磁电流二、调速原理
e
aaa
aaaea C
RRIUnRRIUnCE )()(
三、调速指标：技术指标、经济指标
1、技术指标：
1）调速范围 D：
2）静差率 δ
3） 平滑性 φ,
4） 调速时的容许输出
m i n
m a x
n
nD?
此处的 与 指的是电机带指定负载时可能的最大转速与可能的最小转速。不是指电机自身的转速。
maxn min
n
%100%100
00
0
n
n
n
nn N?
1?
i
i
n
n? Φ越接近 1，平滑性越好。
经济指标：设备的效率
四、降低电枢电压调速
1、电枢串联电阻调速过程：当电枢电阻突然增加时，由于转速来不及突变，则 Ea不能突变。由电动机的电动势平衡方程式：
可知：电枢电流减小，转矩减小，系统开始减速，随着转速下降，电流又开始回升，转矩也跟着回升，
只要转矩小于负载转矩，系统就一直减速，直到转矩回升到原来的值，系统新的转矩平衡再次建立，
系统不再减速，调速过程结束。
PP
P
2
2?
)( RRIUnCE aaaea
2、降低电源电压调速过程：电源电压降低时，由于转速不能突变，则电流减小，转矩也减小，系统开始减速，当速度下降时，
电流开始回升，转矩也随之回升，直到系统转矩重新达到平衡，转速不再下降，调速过程结束。
若电源突然降低较大时,Ea>Ua,电流会改变方向，系统出现回馈制动。
五、弱磁调速：
调速过程：降低磁通时，转速不突变，则电枢反电动势
Ea减小，则电枢电流增大，若电枢电流增大程度超过磁通减小程度，则输出转矩增大，系统加速，则 Ea回升，电流开始下降，转矩也开始回落，直到新的转矩平衡。调速结束。
三种调速方法的对比电枢串电阻不经济,调速不平滑，为有极调速，机械特性硬度低，
调速范围不大方法简单控制设备不复杂降低电源设备投资大，控制复杂调速平滑，机械硬度高，调速范围广。调速性能最好。
弱磁调速范围不大，一般与降压配合应用。
再功率小的系统中调节方便，效率较高。
结束
