第三章
直流电动机电力拖动
DC Motor Drives
本章教学基本要求
1.掌握分析直流电动机机械特性及各种
运行状态的基本理论和基本运算方法；
2.掌握他励直流电动机机械特性, 起动,
制动及其过渡过程的基本特性；
3.了解电枢反应对过渡过程的影响；
4.掌握他励直流电动机调速性能指标和
直流电动机调速方法
本章重点
重点,
1.直流电动机机械特性和起动, 制
动的过渡过程特性；
2.调速性能指标和调速方法 。
本次课程内容
直流电机的固有机械特性和人为机械特
性、电枢反应对机械特性的影响、电力拖动
系统稳定运行条件、他励直流电动机的起动
和反转。
本次课程教学重点和难点
教学重点,
机械特性、直流电动机的起动。
教学难点,
电力系统的稳定运行。
3.1他励直流电动机的机械特性
3.1.1一般概念
机械特性：指电源电压 U、气隙磁通 Φ,电枢回路
电阻 R均为常数时,电动机产生的电磁转矩 T与电力
拖动系统的转速 n之间的关系，即 n=f(T)。
? 方程,
。
TT
CC
RR
n
C
U
n
CC
RR
nnT
C
U
T
CC
RR
C
U
n
Te
a
eTe
a
eTe
a
e
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2
02
02
转速降
，，理想空载转速斜率
机械特性分析
硬度,斜率 β的倒数或定义机械特性曲线工作
范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：
α越大（ β越小），特性越硬，称为硬特性。即 T
变化时,Δn 的变化不大。
T
n
n
T
?
??? ??,
d
d
直流电动机的机械特性说明
1,并 (他 )励电动机：
α较大，称为硬特性
2.串励电动机：
α较小，称为软特性。
T
n 0
0
n
差复励
他励
积复励
串励
各种直流电动机机械特性
3.1.2固有机械特性
他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源
电压 U=UN，气隙磁通 Ф=ФN，电枢外串电阻 RΩ=0
时,n=?(T)的机械特性，其数学表达式为：
式中 β称为斜率,Δn为负载时的转速降。
nnTnT
CC
R
C
Un
NTe
a
Ne
N ???????
002 ???
固有机械特性
3.1.3人为机械特性
人为机械特性：指改变电机参数，即改变 U或变 R或
变 Φ得到机械特性。
1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性
条件：当 U=UN,Φ= ΦN，电枢回路外串电阻 RΩ时
T
CC
RR
C
U
n
NTe
a
Ne
N
2?
?
?
?
? ?
1.串电阻接线和特性 U fN
I fN
R f
M
-
R a R s1 R s2
R 1 =R a +R s1
KM 1 KM 2
R 2 =R a +R s1 +R s2
U N
+ -
( a ) 接线图 ( b ) 机械特性
电枢回路串电阻起动
n
n 0
0
T ( I )T L T 2 (I 2 ) T 1 (I 2 )
R a
R 1
A
a
b
c
d
e
R 2
①
②
③
2.改变电动机供电电源的人为特性
条件：当 U<UN,Φ= ΦN,电枢外串电阻
RΩ=0时,有
T
CC
R
C
U
n
NTe
a
Ne
2????
变电压接线和特性
n
n 0
n 01
n 02
n 03
0 T
L T
n N
n 1
n 2
n 3
U N
U 1
U 2
U 3
降低电枢电压调速的机械特性
U N >U 1 >U 2 >U 3
U f N
I f N
R f
调压电源
E a
n T
电源电压可调的他励直流电动机
3.改变磁通时的人为特性
条件：当 U=UN,Φ< ΦN,电枢外串电阻
RΩ=0时,有
T
CC
R
C
U
n
Te
a
e
N
2?
?
?
?
变磁通接线和特性
U f N
I f N
R f
E a
n T
(a )接 线图
R a
U N
I a
n
n 0
0 T
L T
? N
(b )机 械特性
n 02
n 01
? 1
? 2
? N > ? 1 > ? 2
弱磁他励直流电动机
3.1.3电枢反应对机械特性影响
在上述讨论固有特性和人为特性时，对变
R 和变 U，认为 ?为常数。而他励直流电动机
由于有电枢反应，产生去磁作用，使 ?↓,则
n0 ↑，即 n↑→特性上翘。特性上翘，对电动
机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加
装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定
绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应
的去磁作用。
加装稳定绕组
加装了稳定绕组后，电动机实质上已变
为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝
数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的
他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直
流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全
忽略电枢反应的影响,认为 ? 为常数。
上翘曲线
n
n 0
0
T
上翘机械特性
3.1.4电力拖动系统稳定运行的条件
稳定运行的概念：当 T=TL, n=f(T)与 n=f(TL)
有交点 称静态平衡，这是稳定运行的必要条件
T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力
拖动中，为使问
题简化均忽略即
T0≈0,T=T2=TL 。
n
T0 T L
n
T
T L
静态平衡示意图
n 0
A
n A
问题
问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?
答,(1)要看系统出现干扰后在新的条件
下
能否平衡。 (2)干扰消失后，能否回到原
来的平衡点。如果能满足以上两条件，
即为稳定运行。
例 1.电网电压波动
n
T
n = f ( T L )
0
电力拖动系统稳定平衡状态
n 0
A
A '
B C
曲线1( U N )
曲线1 '( U ' )
T B T L T C
n 0 '
U NU ' <
分析
系统原工作在平衡点 A，这时电网电压
向下波动，从 UN 降到 U’，在此瞬间由于机械
惯性，转速来不及变化，从 A点过渡到 B点。
负载转矩 TL 没变，则 UN↓→Ia↓→T↓→T<TL
破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系
统沿 BA’特性减速,n↓→Ea↓→Ia↑→T↑→到
A’点,TA’=TL达到新的平衡状态。
电压扰动消失后分析
在扰动消失后,U1 (U=UN)→Ia↑→T↑→T>TL
从 B’点过渡到 C点,TL 没变,T>TL系统加速。
n↑→Ea↑→Ia↓→T↓→ 系统沿 CA特性加速到 A点，
n=nN时, T=TL,达到原来平衡点 A。
说明,
当 U<UN,负载不变时，他励直流电动机能达到
新的平衡 (A’点 )，在干扰消失后，能回到原来的平衡点
(A点 )，所以能稳定运行。
讨论稳定运行示意图
n
T
0
T L
A? n
n = f ( T )
n = f ( T L )
? T
L
? T
探讨稳定运行条件的示意图
平衡稳定运行充要条件
平衡稳定运行的充要条件为：
1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在
交点处 T=TL 处，实现了转矩平衡。
2.在交点处有
0??
dn
dT
dn
dT L
3.2他励直流电动机的起动和反转
3.2.1他励直流电动机的起动
起动,指电动机从静止状态转动起来。
起动过程,电动机从静止运转到某一稳态转速
的过程叫起动过程。
1.系统对起动的要求
不同的生产机械对起动有不同的要求。例
如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生
产机械都要求快速起动。即要求起动时间 tst小
些，则起动转矩 Tst大些。
起动电流
Ist为起动电流，也称为堵转电流 (在起动瞬间
n=0)。从式 T=CTΦIa可知，当 Φ一定时,T与 Ia成正
比,Ist越大,Tst 也越大。但起动电流不能太大。
否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致
很大的线路压降，使电网电压不稳定。
Ist不能太大，一般为 1.5~2 IN,因为 T大小是
受机械强度限制,T太大，突然加到传动机构上，
会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿
等。
2.降压起动
起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把
电源电压降低到 U=(1.5~2.0) INRa，随着转速 n的上
升，电势 Ea也逐渐增大,Ia 相应减小，此时电压 U
必须不断升高 (手动调节或自动调节 )，而且使 Ia保持
在 (1.5~2.0) IN范围内，直到电压升到额定电压 UN,
电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。
降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投
资大。
3.电枢回路串电阻起动
电压不变，在电枢回路中串接电阻，
可达到限制起动电流的目的，使
? ? N
a
N
st IRR
UI 0.2~5.1?
?
?
?
1）串入恒值电阻起动
在电枢回路串入固定的
起动电阻 RΩ，电机拖动恒转
矩负载，在额定磁场下，将
刀开关 K合向电源使电机起
动。
缺点：起动时间 tst 较长，稳
态转速 ns低，长期串入电阻
不经济。
U f N
I f N
R f
E a
n T
电枢串入固定电阻起动的接线图
R ?
R a
串固定电阻起动特性
n
T
0
T L
n 0
电枢串入固定电阻特性曲线
n A A
2)分级起动 (逐级切除起动电阻的起动 )
为了在起动过程中使电枢和转矩被限制
在允许的范围之内，采用分级起动。
U fN
I fN
R f
M
-
R a R s1 R s2
R 1 =R a +R s1
KM 1 KM 2
R 2 =R a +R s1 +R s2
U N
+ -
(a )接 线图 (b )机 械特性
电枢回路串电阻起动
n
n 0
0
T ( I )T L T 2 (I 2 ) T 1 (I 2 )
R a
R 1
A
a
b
c
d
e
R 2
①
②
③
逐级切除起动电阻的起动分析
起动瞬间，电枢回路总电阻为
设 λ为电动机的过载倍数,λ= 1.5~2.0
212 ssa RRRR ??? stN I
R
UIn ???
3
1,0
? ? ? ? N11 0.2~5.1,0.2~5.1 TTII N ??
切换电流或切换转矩
? 求切换转矩的原则, 既要使电动机能够带
动负载起动，又要保证在切换时的加速度
转矩 ( T2和 TL之差 )不过小。过大，加速转
矩大，可满足快速起动的要求，但是起动
级数增多，过小，延缓起动过程。
? 综合考虑,选 I2= （ 1.1~1.2 ） IL，则切换转矩
T2= （ 1.1~1.2 ） TL 。电阻分三次切除称三级
起动，起动级数 m=3，一般选 m=3~4，级数
多，起动快，但同时也使设备增多，线路
复杂。运行不可靠性增大。
3）起动电阻的计算方法
解析法计算起动电阻
忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换
电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机
械惯性的作用，转速 n不变,Ea不变 。
计算公式
如有 m级，则通用公式为：
式中 Rm为 最大起动电阻，
各段电阻值：
a
a
m
m RRR
mR,?? ??
1I
UR N
m ?
,
,
122
11
RRR
RRR
s
as
??
??
讨论
m为起动级数，一般取 m=3~4,m大，
起动平滑，但设备多。
I1为起动电流； I2为切换电流,IL为负载
电流。
? ? ? ? LN IIIITTII 2.1~1.1,0.2~5.1,21
2
1
2
1 ?????
由 m求 ?时
m RR
a
m??
由 ?求 m时
m取整数，然后代入式
中，修正 ?，之后再求各级起动电阻。
?ln
ln
a
m
R
R
m ?
m
a
m
R
R
??
3.2.2他励直流电动机反转
两种方法：
1.改变电枢绕组端接线；
2.改变励磁绕组端接线。
课后复习要点
1.固有机械特性和人为特性
2.他励直流电动机的起动方法
3.逐级切除起动电阻的解析算法
思考题,P95 3-1,3-2,3-3,3-4,3-5、
3-6,3-8
作业,P96 3-28,3-29,3-30
本次课程内容和重点
内容,他励直流电动机调速方法、调速的性能
指标、调速时允许输出的转矩和功率、调速方
式与负载类型配合问题，以及他励直流电动机
制动的基本概念。
重点,调速的性能指标、调速方式与负载类型
配合。
3.3他励直流电动机调速
调速,是指通过人为手段改变电力拖动系统
的转速以满足生产实际的需要。
2.3.1调速方法
1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以
改变转速的方法，特点是：调速时必须停，
多为有级调速，同生活中如变速自行车原理
基本相似。
调速方法
2,电气调速,指通过改变电动机有关电气参数
电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变
速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调
速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反
馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统
静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动
化。
3.电气 —— 机械调速：指上述两种方法都采用
的混合调速法。（主要介绍电气调速）
3.3.2电气调速
1.降压调速：
降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速 n0
下降，导致转速下降。
2.电枢回路串电阻调速
电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特
性斜率 β变大，负载转速降变大，导致转速下降。
3,弱磁调速
减少他励直流电动机的励磁电流 If，使每极磁
通减少 (Φ<ΦN),导致理想空载转速 n0与特性斜率 β
均增加。在一定负载条件下，转速将增大。
说明
?注意：调速与转速自然变化的区别。
?,转速的自然变化”是指生产机械
的负载转矩发生变化时，电动机的电
磁转矩 T要相应发生变化，电动机的转
速也将随着发生变化。调速是通过人
为手段改变电机参数而实现的转速变
化。
3.3.2调速的基本指标
1.静差率 δ(或称相对稳定性 )
指同一条机械特性上额定负载时转速降落
Δn与理想空载转速 n0之比。定义为：
0n
n N?
??
静差率
? 电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳
定性愈高。
? 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求
静差率 δ%小于某一允许值，不同的生产机械，
其允许的静差率是不同的。如：普通机床 δ≤30% ;
起重类机械 δ≤50% ; ；精密机床 δ≤1% ～５ %;
精度高的造纸机 δ≤0.1%
? 静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之
处，两条平行的机械特性，硬度一样,β1=β2,但
静差率不同。
静差率比较
同样硬度的特性，
转速越低，静差率
越大，越难满足生
产机械对静差率的
要求。
n
n 01
0
TT L
n 02
不同机械特性对应的静差率
? n N 1
? n N2
1 ? 1
2 ?? 2
3 ?? 3
? n N3
2.调速范围 D
? 定义：
指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高
转速 nmax与最低转速 nmin之比。其中 nmax受直流电动
机转动部分机械强度与换向条件的限制,nmin受低
转速时相对稳定性的限制。
NTTn
n
D ??
?
?
?
?
?
?
m i n
m a x
调速范围
? 不同的生产机械对调速范围要求也不相同。
例如：
? 车床,D= 20 ~120,龙门刨床,D=10 ~ 40,
机床进给机构,D=5 ~ 200；轨钢机,D=3
~120 ; 造纸机,D=3 ~ 20 等。对于一些经
常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，
可用实际负载时的最高转速和最低转速之
比计算调速范围 D。
调速范围
(a )改 变电压的最低转速
n
n 0
0 TT
N ? T N
U N
(b )改 变电阻的最低电压
n
n 0
0 TT
N ? T N
n mi n
n mi n
调速中的最低转速
3,平滑性
? 用平滑系数表示调速的平滑性，定义
即相邻两级转速之比。
? 在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调
速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑
性。 k接近 1，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转
速，第 i-1 级表示较低的转速，因此系数 k>1，显
然，调速的级数越多,k 越接近于 1，调速的平滑
性越好。当 k=1时，称为无级调速，即在调速范围
内，转速可得到任意值。
1?
?
i
i
n
n
k
4.经济性
在考虑技术指标的同时，还应考虑
设备投资、电能消耗、运行费用等。
3.3.3调速时允许输出的转矩和功率
电动机在额定转速下容许输出的功率主要取
决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流
在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额
定值 IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许
的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用
限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能
保持电流 Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从
合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与
负载类型相配合的问题。
1.恒转矩调速
调速过程中保持 Ia=IN,Ф=ФN=常数，则
T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方
法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机
供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒
转矩调速。电动机输出功率 P=TΩ,T=常数
Ω ↓→P ↓,即电动机转速越低，输出功率越小,
P?Ω。
允许输出转矩和功率
n
n m a x
n m i n
n N
T N P N T, P
0
他励直流电动机调速
时的允许输出转矩和功率
1 2
2,恒功率调速
调速中，保持 Ia=IN，若 Ф↓→n↑,P=
常数。
在保持电枢电流接近或等于额定值
条件下，调速过程中电动机允许输出功
率不变的调速方法称为恒功率调速。如
改变电动机主磁通 Ф的调速方法就属于
恒功率调速方法。
说明
在图中,T=f（ n）和 P=f（ n） 曲线表示在保
证电动机得到充分利用的条件下 (即 Ia=IN)，允许输
出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩
和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖
动的负载转矩和负载功率特性来决定。
实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转
矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。
如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动
机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。
3.调速方式与负载类型配合问题
调速方式与负载类型配合恰当，所选电
动机的体积较经济。在不同转速下，可较充
分地利用，不致造成浪费 (浪费是指电机的转
矩和功率选的过大 )，或长时间运行而烧坏。
(指转矩及功率选的较小 )
匹配
最好的配合方式为：恒功率负载，采用
恒功率的调速方法。 (弱磁调速 )；恒转矩负
载，采用恒转矩的调速方法。 (变电压或变串
入电阻调速 )。
这样匹配，使电机在整个调速范围内容
量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速
转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。
调速方式与负载类型配合恰当
n
n m a x
n N
T
0
电动机调速转矩与负载一致
n= f (T al )
n= f ( T L )
(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合
n
n mi n
T0
恒功率负载与恒转矩调速配合
n = f ( T L )
n = f ( T al )
(2) 恒转矩负载与恒功率调速方法配合
n
n m i n
T0
恒功率调速与恒转矩负载的配合
n = f ( T L )
n = f ( T al )
T L
3.4他励直流电动机制动
电动状态与制动状态
1.电动状态
特点,转速 n与转矩 T方向相同,T为拖动转
矩,Ia 与 Ea 方向相反，输入电能，输出机械
能，机械特性在直角坐标的第一,三象限。
2.制动状态
特点,转速 n与转矩 T方向相反,Ia 与 Ea 方向
相同，电机工作在发电状态。
直流电机拖动系统示意图
3.4.1制动的概念
? 制动,
指通过某种方法产生一个与拖动系统转
向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。
? 制动作用,
它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒
速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等
速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车,
实现制动方法
? 实现制动方法有,
机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生
阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用
于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制
动，是使电动机变直流发电机将系统的机械
能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电
枢电路的总电阻或回馈电网。
电气制动的分类
电气制动方法分：
能耗制动，反接制动，再生制动。
直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如
下：
(1)要求停车
切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电
源，机械抱闸，帮助停车。
(2) 降速过程中：
在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制
动状态。
制动的分类
(3) 提升机构下放重物
提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。
(4) 反转
电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后
才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理
解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。
课后复习要点
1.调速的性能指标
2.调速方式与负载类型配合问题
3.他励直流电动机制动基本概念
思考题,P95 3-16,3-17
作业,P97 3-35
本次课程内容和重点
内容：
能耗制动、反接制动、回馈制动方法、
特点和应用。
重点：
各种制动的特性。
3.4.2能耗制动
1.能耗制动实现及机械特性
(1)实现方法：
a.电动状态
接触器 KM1闭合，转矩
T与转速 n相同方向，电枢
电流与反电势方向相反，
电机运行在 A点。
b.能耗制动
接触器 KM2闭合 (电机原
运行在 A点 )，电枢脱离电源
经电阻 R将电枢短接。
U f
I f
R f
M
-
R
KM 1
KM 2
U N
+
-
I a
I a
E a
T
T
n
能耗制动原理接线图
（ 2）能耗制动分析
U=0,由于电机惯性,n≠0,Ea≠0,
在反电动势 Ea作用下产生电枢电流 Ia反向，电
动机的转矩也反向。这时 IB=-Ea/(R+Ra)。 IB
与原来的 IA 方向相反,TB反向，与 n相反,转
速下降，当 n=0,停车。
（ 3）能耗制动特性
T(I)T B (I B )
B A
n 0
T L (I L )
C
0
-T L
n
R a
R a +R ad
位能性负载转矩反抗性负载转矩
他励直流电动机能耗制动机械特性
（ 4）特性方程及制动电阻
特性是一条过原点的直线，在第二象限，
特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。
IC RRnTCC RRnU
Ne
ada
NTe
ada
?
???
?
????,0
2 或
分析
Rad越大，特性越斜,Rad越小，特性越
平，但 Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生
过大的冲击电流，取 IB=(2~2.5) IN,IB为制动
瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为 EB,
有：
当制动时转速大于或等于 nN时，认为 EB
与 U近似相等。
a
B
B
ad RI
ER ??
2.能耗制动运行
3.能耗制动特点
(i) 制动时 U=0,n0=0,直流电动机脱离电网变成直
流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能
性负载的位能转变成电能 ( EaIa)消耗在电枢电路的
总电阻上 I2(Ra+Rad).
(ii) 制动时,n与 T成正比,所以转速 n 下降时,T也下降，
故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少
Rad，以增大制动转矩 T，此即多级能耗制动
(iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当 n=0 时 T=0,可实
现准确停车。
nTRR nCCICT
ada
Ne
NTaNT,??
?????
4.应用
能耗制动多用于一般生产机械的制
动停车，对于起重机械，能耗制动可使
位能性负载的恒低速下放，确保生产安
全，对反抗性负载能确保停车 。
5.功率流程图
3.4.3反接制动
1.电压反接的反接制动
(1)方法：
将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电
枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两
种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线
路适合大容量的电动机采用。
反接制动实现
（ 2）方程式
方程式为：
特性 BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制
动状态到 n=0 告终，所以只有实线部分为反接制
动特性。
T
CC
RR
C
U
n
NTe
ca
e
N
2?
?
?
?
?
?
(3) 机械特性曲线
特性 BC段为电
压反接制动机械特
性曲线，由于制动
状态到 n=0 告终，
所以只有实线部分
为反接制动特性。
E
- n 0
n A
TT B
B
A
n 0
T LC 0
- T L
n
R a
位能性负载转矩
反抗性负载转矩
电压反接制动机械特性
D
(4) 制动电阻 Rc的计算
2?
????
?
?
?
?
其中取
N
N
a
N
N
a
N
aN
c
I
U
R
I
U
R
I
EU
R
制动电阻的比较
当制动初始转速 nL>nN，可用近似公式
计算，即：
反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。
a
N
N
ca
N
N
c RI
URR
I
UR ????
2
，能耗反接
2.电动势反接制动
又称转速反向
的反接制动或倒拉
反接制动
(1) 方法
电枢回路串入
大电阻
（ 2）特性
从 C点至
D点为电动减
速状态，从 D
点至 B点为发
电状态。
n A
T
- n B
A
n 0
T L
C
0
n
R a
电动势反接制动机械特性
B
（ 3）电阻计算
a
L
aN
c R
I
EU
R ?
?
?
3.反接制动时的能量关系
( 1 ) 电压反接制动时
说明从电源吸收电能
说明电动机
从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转
化为电能。
上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电
阻上。
00,0 a ???? aUIIU
00,00 ?????? aaaa IEIEn
( 2 )电动势反接制动时
说明从电源吸收电能
说明从负载吸收机械能
上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能
量关系同电压及制动时一样 。
00,00
00,0
??????
????
aaaa
aa
IEIEn
UIIU
反接制动功率流程图
|P 2 |
p 0
|P em |=| T ? |=| E a I a |
I a (R a +R ad )
2
反接制动过程中的功率流程图
4.两种反接制动的异同点
共同点,能量关系相同。
不同点,电压反接制动特性位于第二象限，
制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制
动特性位于第四象限，机械能来自负载的位
能，不能用于停车。
5.应用
应用,
转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一
般可在 n< n0 的条件下稳速 下降。电压反接制动，
宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场
合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，
当制动到 n=0 时，应迅速切断电源，否则有反向起
动的可能性。
3.4.4回馈制动 (再生发电制动 )
1.特点,
n>n0 则 Ea>U, Ia与 Ea同方向,T与 n
方向相反，电机工作在发电状态，回馈能
量给电源，经济。
2.变电压过程中的回馈制动
n
n 0 A
0 T L T
n 01
U N
U 1
他励直流 电动 机降 压过 程
中的回 馈 制 动 机械特性
说明
在回馈过程中，电动机向电源回送电能
为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动
反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈
制动状态，直到转速等于零。这个制动停车
过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零
这个制动停车方法最节省能量，制动时间也
短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电
阻 Ra的能耗制动状态。
3.位能负载下放重物时回馈制动
n
n 0
A
B
0T B C T L T
- n 0
位能性负载时电机回馈制动机械特性
DE
F
4.回馈制动时的功率流程图
5.应用
回馈制动多用于电力机车高速下坡或起
重类机械高速下放重物的场合。在调速的过
程中也会出现回馈制动。
注意,回馈制动只有在 |n|>|n0| 时才会出现，
故不能用于停车制动中。
课后复习要点
各种制动的实现方法、特性、方程等。
本次课程内容及重点
? 内容：
? 四象限运行分析
? 电力拖动系统过渡过程
? 重点：
? 过渡过程
3.4.5他励直流电动机的四个象限上
的运行
? 电动状态：特性在第一，三象限，其中第
一象限是正向电动状态，第三象限是反向
电动状态。
? 制动状态：特性在第二，四象限，其中第
二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压
反接制动。第四象限是反向能耗，反向回
馈制动，转速反向反接制动，处在反向电
动状态时进行电压反接的电压反接制动。
四象限运行分析
3.5电力拖动系统过渡过程
3.5.1过渡过程的概述
1.稳态 (静态 ),指电动机转矩 T和负载转矩 TL
相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。
2.动态,指 T与 TL不相等，加速或减速状态。
即非平衡状态 dn/dt≠0，动态也称过渡过程。
转速由 n=0升至某一转速或从某一转速升至另
一转速的变化过程均称为 过渡过程 。
3.产生过渡过程的原因
外因,
例,TL变化，或电机参数变化，引起 T变化。
内因,系统存在 GD2，即机械惯性以及电磁惯性，
即存在 L(电感 )。
GD2 的存在，使 n不能突变。 L的存在，使电流
不能突变。若只考虑 GD2影响，称机械过渡过程；
只考虑 L的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称
机电过滤过程。
4.过渡过程
重点,机械过渡过程，因为较多的情况下，
机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简
化分析，略去电磁惯量影响。
研究过渡过程的实际意义在于：找出减
小过渡过程持续时间，提高生产率；探讨减
少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用
率和力能指标；改善系统动态或稳定运行品
质，使设备能安全可靠运行。
3.5.2过渡过程数学分析
系统的动态特性可用下列微分方程组描述：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
???
???
aNT
Nea
L
aaa
a
a
ICT
nCE
dt
dnGD
TT
RIE
dt
di
LU
375
2
1.过渡过程中转速变化规律
设电动机原稳
定工作在图 2-27(a)
所示的 A点上，现负
载突然由 TLA减小到
TLB，电动机工作点
从 A点过渡到 B点，
下面讨论过渡过程
中转速的变化规
律。
数学分析
? 将机械特性方程和电力拖动系统运动方程
联立，消除中间变量电磁转矩 T，可得微分
方程如下：
TCC RCUn
Tee
2?? ?? dt
dnGDTT
LB 375
2
??
dt
dnTn
dt
dnTnnI
C
R
dt
dnGD
CC
Rnn
mBmBLB
eTe
??????????? 0
2
20 3 7 5 ??
数学分析
整理后得：
上式中为 机电时间常数
将式两边积分，代入初始条件，整理得：
mB T
dt
nn
dn ??
?
3 7 5
2
2
GD
CC
RT
Te
m ?? ?
mmm T
t
A
T
t
B
T
t
BAB enenennnn
???
?????? )1()(
分析
它有两部分组成：一部分是稳态分量，
另一部分是暂态分量,转速 n的过渡过程是一
条按指数规律变化的曲线，起始值为 nA，稳
态值是 nB,n=?(t)曲线如图 2-27(b)所示。
2.过渡过程中电磁转矩或电枢电流
变化规律
同理可推得过渡过程中电磁转矩或电枢
电流变化规律：
mmm T
t
aA
T
t
aB
T
t
aBaAaBa eIeIeIIII
???
?????? )1()(
mmm T
t
LA
T
t
LB
T
t
LBLALB eTeTeTTTT
???
?????? )1()(
3.过渡过程时间的计算
当 t→∞时,n=nB。实际上，当 t=(3~4)Tm，
n≈nB，工程上认为系统进入稳态，所以只要已
知机电时间常数 Tm，就可求出整个过渡过程所
需的时间。但实际生产中，往往还需要求过渡
过程进行到某一阶段所需的时间，例如求 A,B
之间任意一点 x，转速 nx为已知，则过渡过程时
间 tx为：
m
x
T
t
BABx ennnn
?
??? )(
计算过渡过程时间 tx公式
Bx
BA
mx nn
nn
Tt
?
?
? ln
LBx
LBLA
mx TT
TTTt
?
?? ln
aBax
aBaA
mx II
II
Tt
?
?
? ln
3.5.3起动过渡过程
起动过渡过程表达式：
)1( mT
t
A enn
?
??
)1( mTtA enn ???
mm T
t
st
T
t
L eTeTT
??
??? )1(
mm T
t
st
T
t
La eIeII
??
??? )1(
1.串固定电阻的起动过渡过程特性
3.5.4能耗制动过渡过程
1.位能负载
能耗制动过渡过程解析式
)1( mm T
t
C
T
t
B enenn
??
???
)1( mM T
t
L
T
t
B eTeTT
??
???
)1( mM T
t
L
T
t
Ba eIeII
??
???
C
AC
m
C
CA
m n
nnT
n
nnTt ??
?
?? ln
0ln0
2.反抗性负载
3.5.4电压反接制动时的过渡过程
3.5.6过渡过程中的能量损耗
自学。
本章小结
电动机的起动方法有：直接起动、降压
起动、电枢串电阻起动。起动时应有足够大
的起动转矩，同时要限制起动电流，一般限
制在 2IN左右。由于起动瞬间，反电势未建
立，使额定电压全部降在电枢电阻上，电枢
电流约为额定电流的 10~20倍，易损坏电
机，故除小容量电动机外，一般不允许直接
起动。
本章小结
电动机的机械特性在 Ⅰ, Ⅲ 象限内为电
动状态，在 Ⅱ, Ⅳ 象限内为制动状态，制动
可用于迅速停车或位能性恒转矩负载匀速下
放。他励直流电动机电气制动有：能耗制
动、电压反接和转速反向的反接制动、回馈
制动 。
本章小结
通过改变电动机的电气参数可改变转速
的方法称为电气调速。他励直流电动机电气
调速方法有：降低电枢电压的调速、电枢串
电阻的调速和减小主磁通的调速，其中降低
电枢电压和电枢串电阻的调速属于恒转矩调
速，减小磁通的调速属于恒功率调速。为合
理使用电动机，调速方式应与负载类型匹
配，恒转矩调速与恒转矩负载、恒功率调速
与恒功率负载是相互匹配的。
本章小结
由某个稳定状态变化到另一稳定状态的
过渡 过程可用动态特性 n=?(t),T=?(t)和
Ia=?(t)描述。
第三章作业,Problems
?思考题,P96 3-18,3-19
?作业,P97 3-36,3-37,3-44。
直流电动机电力拖动
DC Motor Drives
本章教学基本要求
1.掌握分析直流电动机机械特性及各种
运行状态的基本理论和基本运算方法；
2.掌握他励直流电动机机械特性, 起动,
制动及其过渡过程的基本特性；
3.了解电枢反应对过渡过程的影响；
4.掌握他励直流电动机调速性能指标和
直流电动机调速方法
本章重点
重点,
1.直流电动机机械特性和起动, 制
动的过渡过程特性；
2.调速性能指标和调速方法 。
本次课程内容
直流电机的固有机械特性和人为机械特
性、电枢反应对机械特性的影响、电力拖动
系统稳定运行条件、他励直流电动机的起动
和反转。
本次课程教学重点和难点
教学重点,
机械特性、直流电动机的起动。
教学难点,
电力系统的稳定运行。
3.1他励直流电动机的机械特性
3.1.1一般概念
机械特性：指电源电压 U、气隙磁通 Φ,电枢回路
电阻 R均为常数时,电动机产生的电磁转矩 T与电力
拖动系统的转速 n之间的关系，即 n=f(T)。
? 方程,
。
TT
CC
RR
n
C
U
n
CC
RR
nnT
C
U
T
CC
RR
C
U
n
Te
a
eTe
a
eTe
a
e
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2
02
02
转速降
，，理想空载转速斜率
机械特性分析
硬度,斜率 β的倒数或定义机械特性曲线工作
范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：
α越大（ β越小），特性越硬，称为硬特性。即 T
变化时,Δn 的变化不大。
T
n
n
T
?
??? ??,
d
d
直流电动机的机械特性说明
1,并 (他 )励电动机：
α较大，称为硬特性
2.串励电动机：
α较小，称为软特性。
T
n 0
0
n
差复励
他励
积复励
串励
各种直流电动机机械特性
3.1.2固有机械特性
他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源
电压 U=UN，气隙磁通 Ф=ФN，电枢外串电阻 RΩ=0
时,n=?(T)的机械特性，其数学表达式为：
式中 β称为斜率,Δn为负载时的转速降。
nnTnT
CC
R
C
Un
NTe
a
Ne
N ???????
002 ???
固有机械特性
3.1.3人为机械特性
人为机械特性：指改变电机参数，即改变 U或变 R或
变 Φ得到机械特性。
1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性
条件：当 U=UN,Φ= ΦN，电枢回路外串电阻 RΩ时
T
CC
RR
C
U
n
NTe
a
Ne
N
2?
?
?
?
? ?
1.串电阻接线和特性 U fN
I fN
R f
M
-
R a R s1 R s2
R 1 =R a +R s1
KM 1 KM 2
R 2 =R a +R s1 +R s2
U N
+ -
( a ) 接线图 ( b ) 机械特性
电枢回路串电阻起动
n
n 0
0
T ( I )T L T 2 (I 2 ) T 1 (I 2 )
R a
R 1
A
a
b
c
d
e
R 2
①
②
③
2.改变电动机供电电源的人为特性
条件：当 U<UN,Φ= ΦN,电枢外串电阻
RΩ=0时,有
T
CC
R
C
U
n
NTe
a
Ne
2????
变电压接线和特性
n
n 0
n 01
n 02
n 03
0 T
L T
n N
n 1
n 2
n 3
U N
U 1
U 2
U 3
降低电枢电压调速的机械特性
U N >U 1 >U 2 >U 3
U f N
I f N
R f
调压电源
E a
n T
电源电压可调的他励直流电动机
3.改变磁通时的人为特性
条件：当 U=UN,Φ< ΦN,电枢外串电阻
RΩ=0时,有
T
CC
R
C
U
n
Te
a
e
N
2?
?
?
?
变磁通接线和特性
U f N
I f N
R f
E a
n T
(a )接 线图
R a
U N
I a
n
n 0
0 T
L T
? N
(b )机 械特性
n 02
n 01
? 1
? 2
? N > ? 1 > ? 2
弱磁他励直流电动机
3.1.3电枢反应对机械特性影响
在上述讨论固有特性和人为特性时，对变
R 和变 U，认为 ?为常数。而他励直流电动机
由于有电枢反应，产生去磁作用，使 ?↓,则
n0 ↑，即 n↑→特性上翘。特性上翘，对电动
机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加
装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定
绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应
的去磁作用。
加装稳定绕组
加装了稳定绕组后，电动机实质上已变
为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝
数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的
他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直
流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全
忽略电枢反应的影响,认为 ? 为常数。
上翘曲线
n
n 0
0
T
上翘机械特性
3.1.4电力拖动系统稳定运行的条件
稳定运行的概念：当 T=TL, n=f(T)与 n=f(TL)
有交点 称静态平衡，这是稳定运行的必要条件
T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力
拖动中，为使问
题简化均忽略即
T0≈0,T=T2=TL 。
n
T0 T L
n
T
T L
静态平衡示意图
n 0
A
n A
问题
问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?
答,(1)要看系统出现干扰后在新的条件
下
能否平衡。 (2)干扰消失后，能否回到原
来的平衡点。如果能满足以上两条件，
即为稳定运行。
例 1.电网电压波动
n
T
n = f ( T L )
0
电力拖动系统稳定平衡状态
n 0
A
A '
B C
曲线1( U N )
曲线1 '( U ' )
T B T L T C
n 0 '
U NU ' <
分析
系统原工作在平衡点 A，这时电网电压
向下波动，从 UN 降到 U’，在此瞬间由于机械
惯性，转速来不及变化，从 A点过渡到 B点。
负载转矩 TL 没变，则 UN↓→Ia↓→T↓→T<TL
破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系
统沿 BA’特性减速,n↓→Ea↓→Ia↑→T↑→到
A’点,TA’=TL达到新的平衡状态。
电压扰动消失后分析
在扰动消失后,U1 (U=UN)→Ia↑→T↑→T>TL
从 B’点过渡到 C点,TL 没变,T>TL系统加速。
n↑→Ea↑→Ia↓→T↓→ 系统沿 CA特性加速到 A点，
n=nN时, T=TL,达到原来平衡点 A。
说明,
当 U<UN,负载不变时，他励直流电动机能达到
新的平衡 (A’点 )，在干扰消失后，能回到原来的平衡点
(A点 )，所以能稳定运行。
讨论稳定运行示意图
n
T
0
T L
A? n
n = f ( T )
n = f ( T L )
? T
L
? T
探讨稳定运行条件的示意图
平衡稳定运行充要条件
平衡稳定运行的充要条件为：
1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在
交点处 T=TL 处，实现了转矩平衡。
2.在交点处有
0??
dn
dT
dn
dT L
3.2他励直流电动机的起动和反转
3.2.1他励直流电动机的起动
起动,指电动机从静止状态转动起来。
起动过程,电动机从静止运转到某一稳态转速
的过程叫起动过程。
1.系统对起动的要求
不同的生产机械对起动有不同的要求。例
如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生
产机械都要求快速起动。即要求起动时间 tst小
些，则起动转矩 Tst大些。
起动电流
Ist为起动电流，也称为堵转电流 (在起动瞬间
n=0)。从式 T=CTΦIa可知，当 Φ一定时,T与 Ia成正
比,Ist越大,Tst 也越大。但起动电流不能太大。
否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致
很大的线路压降，使电网电压不稳定。
Ist不能太大，一般为 1.5~2 IN,因为 T大小是
受机械强度限制,T太大，突然加到传动机构上，
会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿
等。
2.降压起动
起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把
电源电压降低到 U=(1.5~2.0) INRa，随着转速 n的上
升，电势 Ea也逐渐增大,Ia 相应减小，此时电压 U
必须不断升高 (手动调节或自动调节 )，而且使 Ia保持
在 (1.5~2.0) IN范围内，直到电压升到额定电压 UN,
电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。
降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投
资大。
3.电枢回路串电阻起动
电压不变，在电枢回路中串接电阻，
可达到限制起动电流的目的，使
? ? N
a
N
st IRR
UI 0.2~5.1?
?
?
?
1）串入恒值电阻起动
在电枢回路串入固定的
起动电阻 RΩ，电机拖动恒转
矩负载，在额定磁场下，将
刀开关 K合向电源使电机起
动。
缺点：起动时间 tst 较长，稳
态转速 ns低，长期串入电阻
不经济。
U f N
I f N
R f
E a
n T
电枢串入固定电阻起动的接线图
R ?
R a
串固定电阻起动特性
n
T
0
T L
n 0
电枢串入固定电阻特性曲线
n A A
2)分级起动 (逐级切除起动电阻的起动 )
为了在起动过程中使电枢和转矩被限制
在允许的范围之内，采用分级起动。
U fN
I fN
R f
M
-
R a R s1 R s2
R 1 =R a +R s1
KM 1 KM 2
R 2 =R a +R s1 +R s2
U N
+ -
(a )接 线图 (b )机 械特性
电枢回路串电阻起动
n
n 0
0
T ( I )T L T 2 (I 2 ) T 1 (I 2 )
R a
R 1
A
a
b
c
d
e
R 2
①
②
③
逐级切除起动电阻的起动分析
起动瞬间，电枢回路总电阻为
设 λ为电动机的过载倍数,λ= 1.5~2.0
212 ssa RRRR ??? stN I
R
UIn ???
3
1,0
? ? ? ? N11 0.2~5.1,0.2~5.1 TTII N ??
切换电流或切换转矩
? 求切换转矩的原则, 既要使电动机能够带
动负载起动，又要保证在切换时的加速度
转矩 ( T2和 TL之差 )不过小。过大，加速转
矩大，可满足快速起动的要求，但是起动
级数增多，过小，延缓起动过程。
? 综合考虑,选 I2= （ 1.1~1.2 ） IL，则切换转矩
T2= （ 1.1~1.2 ） TL 。电阻分三次切除称三级
起动，起动级数 m=3，一般选 m=3~4，级数
多，起动快，但同时也使设备增多，线路
复杂。运行不可靠性增大。
3）起动电阻的计算方法
解析法计算起动电阻
忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换
电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机
械惯性的作用，转速 n不变,Ea不变 。
计算公式
如有 m级，则通用公式为：
式中 Rm为 最大起动电阻，
各段电阻值：
a
a
m
m RRR
mR,?? ??
1I
UR N
m ?
,
,
122
11
RRR
RRR
s
as
??
??
讨论
m为起动级数，一般取 m=3~4,m大，
起动平滑，但设备多。
I1为起动电流； I2为切换电流,IL为负载
电流。
? ? ? ? LN IIIITTII 2.1~1.1,0.2~5.1,21
2
1
2
1 ?????
由 m求 ?时
m RR
a
m??
由 ?求 m时
m取整数，然后代入式
中，修正 ?，之后再求各级起动电阻。
?ln
ln
a
m
R
R
m ?
m
a
m
R
R
??
3.2.2他励直流电动机反转
两种方法：
1.改变电枢绕组端接线；
2.改变励磁绕组端接线。
课后复习要点
1.固有机械特性和人为特性
2.他励直流电动机的起动方法
3.逐级切除起动电阻的解析算法
思考题,P95 3-1,3-2,3-3,3-4,3-5、
3-6,3-8
作业,P96 3-28,3-29,3-30
本次课程内容和重点
内容,他励直流电动机调速方法、调速的性能
指标、调速时允许输出的转矩和功率、调速方
式与负载类型配合问题，以及他励直流电动机
制动的基本概念。
重点,调速的性能指标、调速方式与负载类型
配合。
3.3他励直流电动机调速
调速,是指通过人为手段改变电力拖动系统
的转速以满足生产实际的需要。
2.3.1调速方法
1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以
改变转速的方法，特点是：调速时必须停，
多为有级调速，同生活中如变速自行车原理
基本相似。
调速方法
2,电气调速,指通过改变电动机有关电气参数
电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变
速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调
速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反
馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统
静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动
化。
3.电气 —— 机械调速：指上述两种方法都采用
的混合调速法。（主要介绍电气调速）
3.3.2电气调速
1.降压调速：
降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速 n0
下降，导致转速下降。
2.电枢回路串电阻调速
电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特
性斜率 β变大，负载转速降变大，导致转速下降。
3,弱磁调速
减少他励直流电动机的励磁电流 If，使每极磁
通减少 (Φ<ΦN),导致理想空载转速 n0与特性斜率 β
均增加。在一定负载条件下，转速将增大。
说明
?注意：调速与转速自然变化的区别。
?,转速的自然变化”是指生产机械
的负载转矩发生变化时，电动机的电
磁转矩 T要相应发生变化，电动机的转
速也将随着发生变化。调速是通过人
为手段改变电机参数而实现的转速变
化。
3.3.2调速的基本指标
1.静差率 δ(或称相对稳定性 )
指同一条机械特性上额定负载时转速降落
Δn与理想空载转速 n0之比。定义为：
0n
n N?
??
静差率
? 电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳
定性愈高。
? 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求
静差率 δ%小于某一允许值，不同的生产机械，
其允许的静差率是不同的。如：普通机床 δ≤30% ;
起重类机械 δ≤50% ; ；精密机床 δ≤1% ～５ %;
精度高的造纸机 δ≤0.1%
? 静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之
处，两条平行的机械特性，硬度一样,β1=β2,但
静差率不同。
静差率比较
同样硬度的特性，
转速越低，静差率
越大，越难满足生
产机械对静差率的
要求。
n
n 01
0
TT L
n 02
不同机械特性对应的静差率
? n N 1
? n N2
1 ? 1
2 ?? 2
3 ?? 3
? n N3
2.调速范围 D
? 定义：
指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高
转速 nmax与最低转速 nmin之比。其中 nmax受直流电动
机转动部分机械强度与换向条件的限制,nmin受低
转速时相对稳定性的限制。
NTTn
n
D ??
?
?
?
?
?
?
m i n
m a x
调速范围
? 不同的生产机械对调速范围要求也不相同。
例如：
? 车床,D= 20 ~120,龙门刨床,D=10 ~ 40,
机床进给机构,D=5 ~ 200；轨钢机,D=3
~120 ; 造纸机,D=3 ~ 20 等。对于一些经
常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，
可用实际负载时的最高转速和最低转速之
比计算调速范围 D。
调速范围
(a )改 变电压的最低转速
n
n 0
0 TT
N ? T N
U N
(b )改 变电阻的最低电压
n
n 0
0 TT
N ? T N
n mi n
n mi n
调速中的最低转速
3,平滑性
? 用平滑系数表示调速的平滑性，定义
即相邻两级转速之比。
? 在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调
速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑
性。 k接近 1，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转
速，第 i-1 级表示较低的转速，因此系数 k>1，显
然，调速的级数越多,k 越接近于 1，调速的平滑
性越好。当 k=1时，称为无级调速，即在调速范围
内，转速可得到任意值。
1?
?
i
i
n
n
k
4.经济性
在考虑技术指标的同时，还应考虑
设备投资、电能消耗、运行费用等。
3.3.3调速时允许输出的转矩和功率
电动机在额定转速下容许输出的功率主要取
决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流
在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额
定值 IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许
的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用
限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能
保持电流 Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从
合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与
负载类型相配合的问题。
1.恒转矩调速
调速过程中保持 Ia=IN,Ф=ФN=常数，则
T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方
法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机
供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒
转矩调速。电动机输出功率 P=TΩ,T=常数
Ω ↓→P ↓,即电动机转速越低，输出功率越小,
P?Ω。
允许输出转矩和功率
n
n m a x
n m i n
n N
T N P N T, P
0
他励直流电动机调速
时的允许输出转矩和功率
1 2
2,恒功率调速
调速中，保持 Ia=IN，若 Ф↓→n↑,P=
常数。
在保持电枢电流接近或等于额定值
条件下，调速过程中电动机允许输出功
率不变的调速方法称为恒功率调速。如
改变电动机主磁通 Ф的调速方法就属于
恒功率调速方法。
说明
在图中,T=f（ n）和 P=f（ n） 曲线表示在保
证电动机得到充分利用的条件下 (即 Ia=IN)，允许输
出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩
和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖
动的负载转矩和负载功率特性来决定。
实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转
矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。
如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动
机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。
3.调速方式与负载类型配合问题
调速方式与负载类型配合恰当，所选电
动机的体积较经济。在不同转速下，可较充
分地利用，不致造成浪费 (浪费是指电机的转
矩和功率选的过大 )，或长时间运行而烧坏。
(指转矩及功率选的较小 )
匹配
最好的配合方式为：恒功率负载，采用
恒功率的调速方法。 (弱磁调速 )；恒转矩负
载，采用恒转矩的调速方法。 (变电压或变串
入电阻调速 )。
这样匹配，使电机在整个调速范围内容
量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速
转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。
调速方式与负载类型配合恰当
n
n m a x
n N
T
0
电动机调速转矩与负载一致
n= f (T al )
n= f ( T L )
(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合
n
n mi n
T0
恒功率负载与恒转矩调速配合
n = f ( T L )
n = f ( T al )
(2) 恒转矩负载与恒功率调速方法配合
n
n m i n
T0
恒功率调速与恒转矩负载的配合
n = f ( T L )
n = f ( T al )
T L
3.4他励直流电动机制动
电动状态与制动状态
1.电动状态
特点,转速 n与转矩 T方向相同,T为拖动转
矩,Ia 与 Ea 方向相反，输入电能，输出机械
能，机械特性在直角坐标的第一,三象限。
2.制动状态
特点,转速 n与转矩 T方向相反,Ia 与 Ea 方向
相同，电机工作在发电状态。
直流电机拖动系统示意图
3.4.1制动的概念
? 制动,
指通过某种方法产生一个与拖动系统转
向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。
? 制动作用,
它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒
速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等
速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车,
实现制动方法
? 实现制动方法有,
机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生
阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用
于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制
动，是使电动机变直流发电机将系统的机械
能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电
枢电路的总电阻或回馈电网。
电气制动的分类
电气制动方法分：
能耗制动，反接制动，再生制动。
直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如
下：
(1)要求停车
切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电
源，机械抱闸，帮助停车。
(2) 降速过程中：
在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制
动状态。
制动的分类
(3) 提升机构下放重物
提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。
(4) 反转
电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后
才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理
解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。
课后复习要点
1.调速的性能指标
2.调速方式与负载类型配合问题
3.他励直流电动机制动基本概念
思考题,P95 3-16,3-17
作业,P97 3-35
本次课程内容和重点
内容：
能耗制动、反接制动、回馈制动方法、
特点和应用。
重点：
各种制动的特性。
3.4.2能耗制动
1.能耗制动实现及机械特性
(1)实现方法：
a.电动状态
接触器 KM1闭合，转矩
T与转速 n相同方向，电枢
电流与反电势方向相反，
电机运行在 A点。
b.能耗制动
接触器 KM2闭合 (电机原
运行在 A点 )，电枢脱离电源
经电阻 R将电枢短接。
U f
I f
R f
M
-
R
KM 1
KM 2
U N
+
-
I a
I a
E a
T
T
n
能耗制动原理接线图
（ 2）能耗制动分析
U=0,由于电机惯性,n≠0,Ea≠0,
在反电动势 Ea作用下产生电枢电流 Ia反向，电
动机的转矩也反向。这时 IB=-Ea/(R+Ra)。 IB
与原来的 IA 方向相反,TB反向，与 n相反,转
速下降，当 n=0,停车。
（ 3）能耗制动特性
T(I)T B (I B )
B A
n 0
T L (I L )
C
0
-T L
n
R a
R a +R ad
位能性负载转矩反抗性负载转矩
他励直流电动机能耗制动机械特性
（ 4）特性方程及制动电阻
特性是一条过原点的直线，在第二象限，
特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。
IC RRnTCC RRnU
Ne
ada
NTe
ada
?
???
?
????,0
2 或
分析
Rad越大，特性越斜,Rad越小，特性越
平，但 Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生
过大的冲击电流，取 IB=(2~2.5) IN,IB为制动
瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为 EB,
有：
当制动时转速大于或等于 nN时，认为 EB
与 U近似相等。
a
B
B
ad RI
ER ??
2.能耗制动运行
3.能耗制动特点
(i) 制动时 U=0,n0=0,直流电动机脱离电网变成直
流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能
性负载的位能转变成电能 ( EaIa)消耗在电枢电路的
总电阻上 I2(Ra+Rad).
(ii) 制动时,n与 T成正比,所以转速 n 下降时,T也下降，
故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少
Rad，以增大制动转矩 T，此即多级能耗制动
(iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当 n=0 时 T=0,可实
现准确停车。
nTRR nCCICT
ada
Ne
NTaNT,??
?????
4.应用
能耗制动多用于一般生产机械的制
动停车，对于起重机械，能耗制动可使
位能性负载的恒低速下放，确保生产安
全，对反抗性负载能确保停车 。
5.功率流程图
3.4.3反接制动
1.电压反接的反接制动
(1)方法：
将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电
枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两
种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线
路适合大容量的电动机采用。
反接制动实现
（ 2）方程式
方程式为：
特性 BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制
动状态到 n=0 告终，所以只有实线部分为反接制
动特性。
T
CC
RR
C
U
n
NTe
ca
e
N
2?
?
?
?
?
?
(3) 机械特性曲线
特性 BC段为电
压反接制动机械特
性曲线，由于制动
状态到 n=0 告终，
所以只有实线部分
为反接制动特性。
E
- n 0
n A
TT B
B
A
n 0
T LC 0
- T L
n
R a
位能性负载转矩
反抗性负载转矩
电压反接制动机械特性
D
(4) 制动电阻 Rc的计算
2?
????
?
?
?
?
其中取
N
N
a
N
N
a
N
aN
c
I
U
R
I
U
R
I
EU
R
制动电阻的比较
当制动初始转速 nL>nN，可用近似公式
计算，即：
反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。
a
N
N
ca
N
N
c RI
URR
I
UR ????
2
，能耗反接
2.电动势反接制动
又称转速反向
的反接制动或倒拉
反接制动
(1) 方法
电枢回路串入
大电阻
（ 2）特性
从 C点至
D点为电动减
速状态，从 D
点至 B点为发
电状态。
n A
T
- n B
A
n 0
T L
C
0
n
R a
电动势反接制动机械特性
B
（ 3）电阻计算
a
L
aN
c R
I
EU
R ?
?
?
3.反接制动时的能量关系
( 1 ) 电压反接制动时
说明从电源吸收电能
说明电动机
从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转
化为电能。
上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电
阻上。
00,0 a ???? aUIIU
00,00 ?????? aaaa IEIEn
( 2 )电动势反接制动时
说明从电源吸收电能
说明从负载吸收机械能
上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能
量关系同电压及制动时一样 。
00,00
00,0
??????
????
aaaa
aa
IEIEn
UIIU
反接制动功率流程图
|P 2 |
p 0
|P em |=| T ? |=| E a I a |
I a (R a +R ad )
2
反接制动过程中的功率流程图
4.两种反接制动的异同点
共同点,能量关系相同。
不同点,电压反接制动特性位于第二象限，
制动转矩大，制动效果好，转速反向反接制
动特性位于第四象限，机械能来自负载的位
能，不能用于停车。
5.应用
应用,
转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一
般可在 n< n0 的条件下稳速 下降。电压反接制动，
宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场
合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，
当制动到 n=0 时，应迅速切断电源，否则有反向起
动的可能性。
3.4.4回馈制动 (再生发电制动 )
1.特点,
n>n0 则 Ea>U, Ia与 Ea同方向,T与 n
方向相反，电机工作在发电状态，回馈能
量给电源，经济。
2.变电压过程中的回馈制动
n
n 0 A
0 T L T
n 01
U N
U 1
他励直流 电动 机降 压过 程
中的回 馈 制 动 机械特性
说明
在回馈过程中，电动机向电源回送电能
为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动
反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈
制动状态，直到转速等于零。这个制动停车
过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零
这个制动停车方法最节省能量，制动时间也
短，过原点的最后一级特性，是电枢回路电
阻 Ra的能耗制动状态。
3.位能负载下放重物时回馈制动
n
n 0
A
B
0T B C T L T
- n 0
位能性负载时电机回馈制动机械特性
DE
F
4.回馈制动时的功率流程图
5.应用
回馈制动多用于电力机车高速下坡或起
重类机械高速下放重物的场合。在调速的过
程中也会出现回馈制动。
注意,回馈制动只有在 |n|>|n0| 时才会出现，
故不能用于停车制动中。
课后复习要点
各种制动的实现方法、特性、方程等。
本次课程内容及重点
? 内容：
? 四象限运行分析
? 电力拖动系统过渡过程
? 重点：
? 过渡过程
3.4.5他励直流电动机的四个象限上
的运行
? 电动状态：特性在第一，三象限，其中第
一象限是正向电动状态，第三象限是反向
电动状态。
? 制动状态：特性在第二，四象限，其中第
二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压
反接制动。第四象限是反向能耗，反向回
馈制动，转速反向反接制动，处在反向电
动状态时进行电压反接的电压反接制动。
四象限运行分析
3.5电力拖动系统过渡过程
3.5.1过渡过程的概述
1.稳态 (静态 ),指电动机转矩 T和负载转矩 TL
相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。
2.动态,指 T与 TL不相等，加速或减速状态。
即非平衡状态 dn/dt≠0，动态也称过渡过程。
转速由 n=0升至某一转速或从某一转速升至另
一转速的变化过程均称为 过渡过程 。
3.产生过渡过程的原因
外因,
例,TL变化，或电机参数变化，引起 T变化。
内因,系统存在 GD2，即机械惯性以及电磁惯性，
即存在 L(电感 )。
GD2 的存在，使 n不能突变。 L的存在，使电流
不能突变。若只考虑 GD2影响，称机械过渡过程；
只考虑 L的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称
机电过滤过程。
4.过渡过程
重点,机械过渡过程，因为较多的情况下，
机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简
化分析，略去电磁惯量影响。
研究过渡过程的实际意义在于：找出减
小过渡过程持续时间，提高生产率；探讨减
少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用
率和力能指标；改善系统动态或稳定运行品
质，使设备能安全可靠运行。
3.5.2过渡过程数学分析
系统的动态特性可用下列微分方程组描述：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
???
???
aNT
Nea
L
aaa
a
a
ICT
nCE
dt
dnGD
TT
RIE
dt
di
LU
375
2
1.过渡过程中转速变化规律
设电动机原稳
定工作在图 2-27(a)
所示的 A点上，现负
载突然由 TLA减小到
TLB，电动机工作点
从 A点过渡到 B点，
下面讨论过渡过程
中转速的变化规
律。
数学分析
? 将机械特性方程和电力拖动系统运动方程
联立，消除中间变量电磁转矩 T，可得微分
方程如下：
TCC RCUn
Tee
2?? ?? dt
dnGDTT
LB 375
2
??
dt
dnTn
dt
dnTnnI
C
R
dt
dnGD
CC
Rnn
mBmBLB
eTe
??????????? 0
2
20 3 7 5 ??
数学分析
整理后得：
上式中为 机电时间常数
将式两边积分，代入初始条件，整理得：
mB T
dt
nn
dn ??
?
3 7 5
2
2
GD
CC
RT
Te
m ?? ?
mmm T
t
A
T
t
B
T
t
BAB enenennnn
???
?????? )1()(
分析
它有两部分组成：一部分是稳态分量，
另一部分是暂态分量,转速 n的过渡过程是一
条按指数规律变化的曲线，起始值为 nA，稳
态值是 nB,n=?(t)曲线如图 2-27(b)所示。
2.过渡过程中电磁转矩或电枢电流
变化规律
同理可推得过渡过程中电磁转矩或电枢
电流变化规律：
mmm T
t
aA
T
t
aB
T
t
aBaAaBa eIeIeIIII
???
?????? )1()(
mmm T
t
LA
T
t
LB
T
t
LBLALB eTeTeTTTT
???
?????? )1()(
3.过渡过程时间的计算
当 t→∞时,n=nB。实际上，当 t=(3~4)Tm，
n≈nB，工程上认为系统进入稳态，所以只要已
知机电时间常数 Tm，就可求出整个过渡过程所
需的时间。但实际生产中，往往还需要求过渡
过程进行到某一阶段所需的时间，例如求 A,B
之间任意一点 x，转速 nx为已知，则过渡过程时
间 tx为：
m
x
T
t
BABx ennnn
?
??? )(
计算过渡过程时间 tx公式
Bx
BA
mx nn
nn
Tt
?
?
? ln
LBx
LBLA
mx TT
TTTt
?
?? ln
aBax
aBaA
mx II
II
Tt
?
?
? ln
3.5.3起动过渡过程
起动过渡过程表达式：
)1( mT
t
A enn
?
??
)1( mTtA enn ???
mm T
t
st
T
t
L eTeTT
??
??? )1(
mm T
t
st
T
t
La eIeII
??
??? )1(
1.串固定电阻的起动过渡过程特性
3.5.4能耗制动过渡过程
1.位能负载
能耗制动过渡过程解析式
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2.反抗性负载
3.5.4电压反接制动时的过渡过程
3.5.6过渡过程中的能量损耗
自学。
本章小结
电动机的起动方法有：直接起动、降压
起动、电枢串电阻起动。起动时应有足够大
的起动转矩，同时要限制起动电流，一般限
制在 2IN左右。由于起动瞬间，反电势未建
立，使额定电压全部降在电枢电阻上，电枢
电流约为额定电流的 10~20倍，易损坏电
机，故除小容量电动机外，一般不允许直接
起动。
本章小结
电动机的机械特性在 Ⅰ, Ⅲ 象限内为电
动状态，在 Ⅱ, Ⅳ 象限内为制动状态，制动
可用于迅速停车或位能性恒转矩负载匀速下
放。他励直流电动机电气制动有：能耗制
动、电压反接和转速反向的反接制动、回馈
制动 。
本章小结
通过改变电动机的电气参数可改变转速
的方法称为电气调速。他励直流电动机电气
调速方法有：降低电枢电压的调速、电枢串
电阻的调速和减小主磁通的调速，其中降低
电枢电压和电枢串电阻的调速属于恒转矩调
速，减小磁通的调速属于恒功率调速。为合
理使用电动机，调速方式应与负载类型匹
配，恒转矩调速与恒转矩负载、恒功率调速
与恒功率负载是相互匹配的。
本章小结
由某个稳定状态变化到另一稳定状态的
过渡 过程可用动态特性 n=?(t),T=?(t)和
Ia=?(t)描述。
第三章作业,Problems
?思考题,P96 3-18,3-19
?作业,P97 3-36,3-37,3-44。
