他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)原理與運(yùn)行

1、他勵(lì)直流電機(jī)的運(yùn)行直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速從0上升到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先保證有磁場(即先通勵(lì)磁電流)，而后加電樞電壓。合閘瞬間的起動(dòng)電流很大應(yīng)盡可能的縮短啟動(dòng)時(shí)間，減少能量損耗以及減少生產(chǎn)中的損耗起動(dòng)電流大的原因：1、起動(dòng)開始時(shí)：n=0,Ea=CeOn=0,2、電樞電流：Ia=(U-Ea)/Ra=U/RaRa一般很小這樣大的起動(dòng)電流會(huì)引起后果：機(jī)、電機(jī)換向困難，產(chǎn)生嚴(yán)重的火花2、過大轉(zhuǎn)矩將損壞拖動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)電樞3、供電線路產(chǎn)生很大的壓降。變頻器整流回路的啟動(dòng)電阻結(jié)論：因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗破饎?dòng)電流，除容量極小的電機(jī)外，絕不允許

2、直接起動(dòng)起動(dòng)方法：電樞串電阻啟動(dòng)起動(dòng)過程中有能量損耗，現(xiàn)在很少用，在實(shí)驗(yàn)室中用降壓啟動(dòng)適用于電動(dòng)機(jī)的直流電源是可調(diào)的，投資較大，但啟動(dòng)過程中沒有能量損耗。直流啟動(dòng)器電樞串電阻起動(dòng)：最初起動(dòng)電流：Ist=U/(Ra+Rst)最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tst=KT1st啟動(dòng)電阻：Rst=(UN/XiIN)Ra為了在限定的電流1st下獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst,應(yīng)該使磁通盡可能大些，因此起動(dòng)時(shí)串聯(lián)在勵(lì)磁回路的電阻應(yīng)全部切除。有了一定的轉(zhuǎn)速n后，電勢Ea不再為0,電流1st會(huì)逐步減小，轉(zhuǎn)矩Tst也會(huì)逐步減小。為了在起動(dòng)過程中始終保持足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般將起動(dòng)器設(shè)計(jì)為多級(jí)，隨著轉(zhuǎn)速n的增大，串在電樞回路的起動(dòng)電阻R

3、st逐級(jí)切除，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后全部切除。起動(dòng)電阻Rst一般設(shè)計(jì)為短時(shí)運(yùn)行方式，不容許長時(shí)間通過較大的電流。直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)降壓起動(dòng)：對于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，可以采用專門設(shè)備降低電樞回路的電壓以減小起動(dòng)電流。起動(dòng)時(shí)電壓Umin,起動(dòng)電流1st：Ist=Umin/Ra入iIN啟動(dòng)過程中U隨Ea上升逐漸上升，直到U二UN申勵(lì)電動(dòng)機(jī)絕對不允許空載起動(dòng)。用電阻起動(dòng)設(shè)備簡單，投資小，但起動(dòng)電阻上要消耗能量；電樞降壓起動(dòng)設(shè)備投資較大，但起動(dòng)過程節(jié)能。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，工作機(jī)械的運(yùn)行速不可能是單一的。按照工作機(jī)械的要求認(rèn)為地調(diào)節(jié)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。例如：車床切削工件時(shí)，精加工用高速，粗加工用低速

4、。改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變比機(jī)械調(diào)速改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)一一電氣調(diào)速：直流和交流直流調(diào)速系統(tǒng)中大多數(shù)為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)人為機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性和機(jī)械特性的一般表達(dá)式：U n KeDRaRq T2 KTU n KeD理想空載轉(zhuǎn)速:noRaRq IKeaRaRqKeKT 2Ke斜率:固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性U=U,二N,Rq=0人為機(jī)械特性一一U或不等于額定值，或者RQ不等于零。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的三條人為機(jī)械特性：RQ*0,電樞回路用電阻時(shí)的機(jī)械特性UwUN改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性wN,改變氣隙磁通時(shí)的機(jī)械特性研究人為機(jī)械特性重點(diǎn)：理想空載轉(zhuǎn)速和斜率的變化電樞回路用電阻的機(jī)械特性：

5、c_Un_RaRqno2理想空載轉(zhuǎn)速：Ke斜率：KeKT對應(yīng)于不同的區(qū)可以得到一簇斜率不同射線。均在固有機(jī)械特性之下因?yàn)椋憾﨨=Cont,T=KT*即T正比于la,故人為機(jī)械特性的圖形在另一適當(dāng)?shù)臋M軸比例尺下可以代表其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速特性改變電樞電壓的機(jī)械特性n-U-Rn0一2理想空載轉(zhuǎn)速：Ke斜率：KeKT斜率不變，理想空載轉(zhuǎn)速n0不同的一簇平行線。電動(dòng)機(jī)絕緣條件的限制，電樞電壓不能高于額定電壓，UB1,所在的特性曲線不同TTL平衡被破壞,電動(dòng)機(jī)減速,相點(diǎn)沿(RC1)曲線B1-A2下降過程中隨n的下降T逐漸增大,dn/dt減小，向新的平衡狀態(tài)移動(dòng)A2,T增大到了TL,系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)，n=n2電機(jī)

6、機(jī)電過程分析某環(huán)節(jié)上出現(xiàn)外部因素的干擾，平衡被破壞，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)過程，達(dá)到新的平衡。如Rc突然增大.n不變Ea不變IaTnEaIaT電樞用電阻調(diào)速特點(diǎn)：電流的變化：負(fù)載Tl不變，平衡狀態(tài)要求T不變，Ia不變平衡時(shí)電樞電流由負(fù)載決定（起動(dòng)時(shí)1st由電壓和電阻決定）優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、操作簡單。缺點(diǎn)：只能降速，低轉(zhuǎn)速時(shí)變化率較大，電樞電流較大時(shí)，不易連續(xù)調(diào)速，有損耗。調(diào)壓調(diào)速：降低電樞電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性平行下移。負(fù)載不變時(shí)，交點(diǎn)也下移，速度也隨之改變過程：電流的變化：負(fù)載Tl不變，平衡狀態(tài)要求T不變，Ia不變平衡時(shí)電樞電流由負(fù)載決定（起動(dòng)時(shí)1st由電壓和電阻決定優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不變、無級(jí)

7、、平滑、損耗小。缺點(diǎn)：只能下調(diào)，且專門設(shè)備，成本大。（可控硅調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)）改變勵(lì)磁電流調(diào)速減少勵(lì)磁電流時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性no點(diǎn)和斜率增大。負(fù)載不變時(shí)，交點(diǎn)也下移，速度也隨之改變。A、Z、AA處負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz相同，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，但注意這些點(diǎn)的電流不同。三、合理選擇調(diào)速方式的基本依據(jù)調(diào)速范圍能否滿足要求電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力是否得到合理利用調(diào)速的平滑性原始投資和運(yùn)行費(fèi)用的合理支配（一）調(diào)速范圍定義：額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動(dòng)機(jī)允許達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與不超過工作機(jī)械允許的最大靜差率所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比。nmaxnmin靜差率：（轉(zhuǎn)速變化率）用以表征相對穩(wěn)定性nonNsT TnnonnoTl=Tn顯然口愈

8、小，s愈小，表征相對穩(wěn)定性越好1、2曲線比較：機(jī)械特性越硬，則s越小；1、3曲線比較：機(jī)械特性硬度相同，但s并不一定相同；no越大，s越小,即高速特性的相對穩(wěn)定性優(yōu)于低速特性。生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速時(shí)，為保證一定的穩(wěn)定性，通常要求靜差率s小于某一允許值如果低速特性的靜差率s滿足要求，則高轉(zhuǎn)速特性一定也滿足要求S和D是互相聯(lián)系的兩項(xiàng)指標(biāo)，nmin取決于低速特性的靜差率s,因此D也受低速特性的靜差率s的限制調(diào)速范圍D和靜差率s的關(guān)系nmax?SmaxnN(1Smax)n minnNSJ max(1SJ max（二）電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的合理利用電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力：即電動(dòng)機(jī)的允許輸出，指在調(diào)速過程中，保持電樞電流Ia

9、=IN時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率的大小，即調(diào)速運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)的長期最大輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)TKTIaP二工沁瓜10001000609550用電阻和降電壓調(diào)速T允許KTInTN常數(shù)T允tnPt許Cn9550從高速到低速進(jìn)行調(diào)速時(shí)，允許輸出的轉(zhuǎn)矩是常數(shù)，允許輸出的功率正比于轉(zhuǎn)速一一恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式弱磁調(diào)速是變化的，但轉(zhuǎn)速nUn-InR1keT允許KT I NKTINU1 C1 ke n n允許95509550n(KT I N NUn-InR,ke)Pn常數(shù)95509550 nC-常數(shù)KT I NUn-InR,ke9550Pn允許輸出的功率是常數(shù),允許輸出轉(zhuǎn)矩的從低速到高速進(jìn)行調(diào)速時(shí)，

10、反比于轉(zhuǎn)速一一恒功率調(diào)速方式由于工作機(jī)械的負(fù)載特性亦具有恒轉(zhuǎn)矩和橫功率兩種類型，為保證電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力得到充分利用，必須按照負(fù)載性質(zhì)來選擇調(diào)速方式及電動(dòng)電機(jī)。Tn具體做法：具有包轉(zhuǎn)矩型的工作機(jī)械選用包轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速方式，且電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tn應(yīng)等于或略大于恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有恒功率型的工作機(jī)械選用恒功率性質(zhì)的調(diào)速方式，且電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或略大于恒值負(fù)載功率（三）調(diào)速的平滑性定義：相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比：k=ni/m-1K=1表示速度連續(xù)可調(diào)高性能調(diào)速要求之一改變電樞電壓和弱磁調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速串電阻調(diào)速不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速原始投資和運(yùn)行費(fèi)用：原始投資：設(shè)備費(fèi)用運(yùn)行費(fèi)用：運(yùn)行中電能的消耗和維護(hù)費(fèi)用電樞

11、串電阻調(diào)速：降電壓與弱磁調(diào)速：直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)運(yùn)行在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動(dòng)機(jī)盡快停轉(zhuǎn)，或者限制勢能性負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)問題。實(shí)現(xiàn)制動(dòng)既可以采用機(jī)械的方法，也可以采用電氣的方法。我們重點(diǎn)來看一下電氣制動(dòng)方法：能耗制動(dòng)反接制動(dòng)回饋制動(dòng)一、電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：n與T方向相同，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械特性位于I、m象限制動(dòng)狀態(tài)：n與T方向相反，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，（回饋電網(wǎng)或熱能損耗）機(jī)械特性位于H、IV象限二、能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)過程：將閘刀合向下方，制動(dòng)開始開始時(shí)由于慣性，n不變一Ea不變，由于電樞電壓等于0,電樞電流Ia=0-Ea/(Ra+R),

12、與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)符號(hào)相反，由于不變，所以T亦反向，則T與n相反制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)過程中，對電機(jī)靠相同動(dòng)能發(fā)電，將轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻和電樞回路的電阻上，所以稱為能耗制動(dòng)。能耗制動(dòng)的特點(diǎn)：電樞端電壓(外加電壓)為0電勢平衡方程：Ea=Ia(Ra+R)功率平衡EaIa=IaIa(Ra+R)制動(dòng)過程中相同動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，消耗在Ra+R上制動(dòng)電阻R用以限制制動(dòng)瞬間的電樞電流能耗制動(dòng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為：由于U0，nRaRTn2TKeKTN是一條過原點(diǎn)的直線，如圖在由運(yùn)行點(diǎn)到停轉(zhuǎn)的制動(dòng)過程中, 直在變化中，因此稱為能耗制動(dòng)過程。轉(zhuǎn)速并非穩(wěn)定在某一數(shù)值,而是能耗制動(dòng)的應(yīng)用縮短降速時(shí)間

13、下方重物（獲得一個(gè)穩(wěn)定的下方速度）結(jié)果分析：這種方法所甫入的電阻越小，耗制動(dòng)開始瞬間的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電樞電流就越大，而電流太大，會(huì)造成換向上的困難，因此能耗制動(dòng)過程中電樞電流有個(gè)上限，即電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。由可以計(jì)算出能耗制動(dòng)過程電樞回路中串入制動(dòng)電阻的最小值：這種制動(dòng)方法在轉(zhuǎn)速較高時(shí)制動(dòng)作用較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，制動(dòng)作用也隨之減小，在低速時(shí)可配合使用機(jī)械制動(dòng)裝置，使系統(tǒng)迅速停轉(zhuǎn)。（三）反接制動(dòng)反接制動(dòng)過程分析：如圖所示,電壓反接制動(dòng)是將正在正向運(yùn)行的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓突然反接，電樞電流也將反向，主磁通不變，則電磁轉(zhuǎn)矩反向，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。機(jī)械特性分析：Ia反接前:反接后:Un EaRaU

14、nI所以：UnEaRa因此反接后電流的數(shù)值將非常大，為了限制電樞電流，所以反接時(shí)必須在電樞回路用入一個(gè)足夠大的限流電阻。RminUn EaI a maxRa電壓反接制動(dòng)時(shí)，UUNN,電樞回路的電阻為：RaR,電動(dòng)UnRaRn2T機(jī)的機(jī)械特性方程式為：CeNCeCTNRaR2其對應(yīng)的曲線為過-n0點(diǎn)，斜率為CeCTN的直線，如圖反接制動(dòng)反向起動(dòng)過程：如果C點(diǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)零時(shí)，應(yīng)迅速將電源開關(guān)從電網(wǎng)上拉開，否則電動(dòng)機(jī)將反向起動(dòng)，最后穩(wěn)定在D點(diǎn)運(yùn)行，如圖所示。電壓反接制動(dòng)在整個(gè)制動(dòng)過程中均具有較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此制動(dòng)速度快，在可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，常常采用這種方法。電源反接的反接制動(dòng)

15、特點(diǎn)Ua=-UNIa0T0制動(dòng)電阻的選取原則：太大：制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小太??；制動(dòng)電流大電勢平衡功率平衡電機(jī)由軸上吸收機(jī)械能（動(dòng)能），并轉(zhuǎn)換為電功率，從電源吸收電功率，全部付出在電樞中的銅耗中。倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，電樞回路用入電阻，將引起轉(zhuǎn)速下降，用的電阻越大，轉(zhuǎn)速下降越多。如果電阻大到一定程度，將使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)出現(xiàn)在第象限，如圖所示，這時(shí)電動(dòng)機(jī)接線未變，轉(zhuǎn)速反向。而是一種制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，稱為倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行。倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行常用于起重設(shè)備低速下放重物的場合。在這種運(yùn)行方式中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩起了制動(dòng)作用，限制了重物下降的速度。改變的大小，即可改變機(jī)械特性的交點(diǎn)，使重物以不同的穩(wěn)定速度下降。反接制動(dòng)特點(diǎn)Ua=UN0T0電勢平衡功率平衡電機(jī)由軸上吸收機(jī)械能（動(dòng)能），并轉(zhuǎn)換為電功率，從電源吸收電功率,全部付出在電樞中的銅耗中。（四）回饋制動(dòng)：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中如果出現(xiàn)實(shí)際的轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0,電機(jī)即進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)（發(fā)電機(jī)狀態(tài)）電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，回饋制動(dòng)的產(chǎn)生（1）突然降低電樞電壓noBC段電流方向轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)速方向CD(2)突然增加磁通A點(diǎn)運(yùn)行，突然增加磁通BC段電流方向轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)速方向CD磁通的突變以上兩種情況回饋制動(dòng)的特點(diǎn)nn0,EaUa,電流方向改變電勢平衡關(guān)系功率平衡