西南交大電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2章

1、第2章 直流電機(jī)的運(yùn)行和拖動(dòng) 摘要：本章主要介紹了直流電機(jī)的三個(gè)基本公式和電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程式，介紹了幾種典型的負(fù)載機(jī)械特性和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。在此基礎(chǔ)上，分析了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)及其起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速的方法和特性。 2.1 直流電機(jī)的運(yùn)行原理和特性 2.1.1 電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩 (1)電樞電動(dòng)勢(shì)圖2.1 氣隙合成磁場(chǎng)磁密分布和 平均磁密及導(dǎo)體受力情況 2.1.2 直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程式 2.1.3 直流電機(jī)的運(yùn)行特性 (1)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 1)空載運(yùn)行 空載特性圖2.2 他勵(lì)直流電機(jī)電路圖圖2.3 直流發(fā)電機(jī)的空載特性 并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的

2、建立 自勵(lì)電壓的建立有三個(gè)條件： 電機(jī)必須有剩磁，如果電機(jī)無(wú)剩磁，可用其他直流電源激勵(lì)一次，以獲得剩磁。 勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確，否則在勵(lì)磁繞組接通以后，電樞電勢(shì)不但不會(huì)增大，反而會(huì)下降，如有這種現(xiàn)象，可將勵(lì)磁繞組與電樞出線端的連接對(duì)調(diào)，或者將電樞反轉(zhuǎn)。這兩種措施都可改變勵(lì)磁繞組兩端的極性，即改變勵(lì)磁電流的 方向。 如果勵(lì)磁回路中電阻很大，則伏安特性U0=If0rf很陡，與空載特性交點(diǎn)很低或無(wú)交點(diǎn)，也不能建立電壓，如圖2.5中直線3與空載特性相切，此時(shí)勵(lì)磁回路的電阻值稱(chēng)為臨界值。所以要使發(fā)電機(jī)能順利地自勵(lì)建立電壓，還必須使rf小于臨界值。圖2.4 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線圖 2)負(fù)載運(yùn)行

3、負(fù)載增加，去磁性質(zhì)的電樞反應(yīng)引起氣隙合成磁通的減小，從而使相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)下降。 負(fù)載增加，電樞回路的電阻壓降和電刷壓降增大。 (2)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 1)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 轉(zhuǎn)速特性 轉(zhuǎn)矩特性 效率特性圖2.5 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)1空載特性；2勵(lì)磁電阻線；3臨界電阻線圖2.6 直流發(fā)電機(jī)外特性1積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)；2他勵(lì)發(fā)電機(jī)；3并勵(lì)發(fā)電機(jī)圖2.7 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性1轉(zhuǎn)速特性；2轉(zhuǎn)矩特性；3效率特性 2)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 轉(zhuǎn)速特性圖2.8 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線圖圖2.9 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1轉(zhuǎn)速特性；2轉(zhuǎn)矩特性；3效率特性 2.1.4 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程式 (1)轉(zhuǎn)

4、動(dòng)方程式 1) 即電機(jī)靜止或恒速 旋轉(zhuǎn)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)處 于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)態(tài)。 2) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過(guò)渡過(guò)程。 3) ，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也處于過(guò)渡過(guò)程。 (2)單軸與多軸系統(tǒng) 2.1.5 負(fù)載機(jī)械特性 (1)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性 1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性 2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性圖2.10 電力拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖(a)實(shí)際多軸系統(tǒng)；(b)等效單軸系統(tǒng)圖2.11 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性圖2.12 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性 (2)恒功率負(fù)載機(jī)械特性 (3)風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載機(jī)械特性 例2.1 已知某電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN=260 Nm，額定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，

5、拖動(dòng)系統(tǒng)的總飛輪矩GD2=72 Nm2，負(fù)載為額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即TL=TN。求：圖2.13 恒功率負(fù)載機(jī)械特性圖2.14 風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載機(jī)械特性圖2.15 實(shí)際通風(fēng)機(jī)負(fù)載機(jī)械特性 1)若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由零起動(dòng)至nN的加速時(shí)間為0.8s，加速過(guò)程中設(shè)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變，則電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為多少? 2)若要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由nN制動(dòng)到停止時(shí)的時(shí)間為0.4s，制動(dòng)減速過(guò)程中設(shè)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，則電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為多少? 解 設(shè)起動(dòng)時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檗D(zhuǎn)速n的正向，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與n同向。 在加速或減速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都不變，則加速度(或減速度)不變，由式(2.14)可得 2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的

6、機(jī)械特性 2.2.1 機(jī)械特性的一般表達(dá)式圖2.16 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖圖2.17 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 因此固有機(jī)械特性一般為硬特性。 (3)減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性圖2.18 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串接電阻 時(shí)的機(jī)械特性(R1R2)圖2.19 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電壓時(shí)的 機(jī)械特性(UNU1U2)圖2.20 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)減弱磁通時(shí)的 機(jī)械特性(N12) 2.2.4 機(jī)械特性的繪制 1.固有機(jī)械特性的繪制 (1)對(duì)于理想空載點(diǎn)(0，n0)： (2)對(duì)于額定運(yùn)行點(diǎn)(TN，nN)： 2.人為機(jī)械特性的繪制 例2.2一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：UN=220 V, IN=115 A,

7、nN=1 500 r/min, PN=22 kW。求： (1)電樞回路串入電阻R=0.75時(shí)的人為機(jī)械特性； (2)磁通減弱為0.8N時(shí)的人為機(jī)械特性； (3)電壓下降為U=U時(shí)的人為機(jī)械特性。 解 估算Ra，取系數(shù)為12，則 額定數(shù)據(jù)為 (1)電樞回路串入電阻R=0.75時(shí)，n0不變，則 求得理想空載點(diǎn)(T=0，n=n0=1 606)和額定負(fù)載點(diǎn)為 (2)磁通減弱為=0.8N時(shí)，有圖2.21 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行圖2.22 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不穩(wěn)定運(yùn)行 2.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程一般有以下要求：(1)起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts足夠大，使Ts TL

8、，電動(dòng)機(jī)的加速度 0，保證電動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)，且使起動(dòng)過(guò)程時(shí)間較短，從而提高生產(chǎn)效率；(2)起動(dòng)電流的起始值Is不能太大，否則會(huì)造成換向困難，產(chǎn)生強(qiáng)烈火 花，而且與此電流成正比的轉(zhuǎn)矩還會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩沖擊，可能損壞拖動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。也即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts不能太大；(3)起動(dòng)設(shè)備與控制裝置簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、操作方便。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先建立起磁場(chǎng)，即先通勵(lì)磁電流，再加電樞電壓。由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式T=CTIa可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts=CTIs。為使Ts較大而Is又不致太大,起動(dòng)時(shí)應(yīng)將勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)電阻調(diào)至最小，使磁通為最大。 當(dāng)忽略電樞電感時(shí)，電樞電流Ia為： 剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，Ea=CeN=

9、0，則電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流Is為圖2.23 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降電壓起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性 2.3.1 降電壓起動(dòng) 2.3.2 電樞回路串電阻起動(dòng) 1.起動(dòng)過(guò)程 2.起動(dòng)電阻的計(jì)算 (1)圖解法 (2)解析法圖2.24 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三級(jí)起動(dòng)的電路和特性(a)電路圖；(b)特性圖 例2.3 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：Ra=0.48 ，PN=7.5 kW，UN=220 V，IN=40A，nN=1 500 r/min?，F(xiàn)拖動(dòng)TL=0.8TN的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用三級(jí)起動(dòng)，試用解析法求解各級(jí)電阻和各分段電阻的數(shù)值。 解 取I1=2IN=240=80 A 已知m=3，故總電阻 可以滿(mǎn)足起動(dòng)要求。根據(jù)式(2.21)

10、可求得各級(jí)電阻為 根據(jù)式(2.30)可求各分段電阻為 2.4 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式的一般形式圖2.25 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化與調(diào)速 2.4.1 調(diào)速的性能指標(biāo) 1.調(diào)速的技術(shù)指標(biāo) (1)調(diào)速范圍D (2)靜差率(相對(duì)穩(wěn)定性)(2.25)圖2.26 機(jī)械特性與靜差率的關(guān)系 (3)平滑性 (4)調(diào)速時(shí)的容許輸出(或調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)矩) 2.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 2.4.2 電樞回路串電阻調(diào)速圖2.27 電樞回路串電阻調(diào)速(R2R1) 2.4.3 降低電源電壓調(diào)速 2.4.4 弱磁調(diào)速圖2.28 降電源電壓調(diào)速(U2U1UN)圖2.29 弱磁調(diào)速(21N) 例2.4 一

11、臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī), 其Ra=0.225, UN=220 V, IN=68.5 A, nN=1 500 r/min, PN = 13 kW?，F(xiàn)拖動(dòng)額定負(fù)載運(yùn)行，忽略空載轉(zhuǎn)矩，求： (1)采用電樞串電阻調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為1 000 r/min，串入的電阻應(yīng)為多大？ (2)采用降電壓調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為 1 000 r/min，電源電壓應(yīng)降為多少伏？ (3)采用弱磁調(diào)速，當(dāng)=0.85N時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為多少？能否長(zhǎng)期運(yùn)行？ (4)如要求靜差率30%，分別采用(1)、(2)兩種調(diào)速方法能達(dá)到的調(diào)速范圍有多大？ 解 根據(jù)已知數(shù)據(jù)求得 (1)電樞串電阻調(diào)速，當(dāng)=N，T=TN時(shí)，Ia=IN=68.5 A

12、 解得 R=0.995 (2)降電壓調(diào)速，當(dāng)=N，T=TN時(shí)，Ia= IN=68.5 A 解得 U=151.8 V (3)弱磁調(diào)速，當(dāng)=0.85N，T=TN時(shí)，由T=CNIa，TN=CNNIN，得 所以 由于Ia=80.59 AIN，故電動(dòng)機(jī)不能長(zhǎng)期運(yùn)行。 (4)額定條件下(固有特性) 電樞串電阻調(diào)速時(shí)，n0不變，= =30%時(shí)，額定負(fù)載容許的轉(zhuǎn)速降為 降電壓調(diào)速時(shí),nN不變,= =30%時(shí),容許的最低理想空載轉(zhuǎn)速為 容許的最低轉(zhuǎn)速為 調(diào)速范圍為 或用式(2.26)直接計(jì)算得 2.5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng) 運(yùn)行 2.5.1 電動(dòng)運(yùn)行與制動(dòng)運(yùn)行 1.電動(dòng)運(yùn)行 2.制動(dòng)運(yùn)行 2.5.2 能耗

13、制動(dòng)運(yùn)行圖2.30 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)和能耗制動(dòng)的電路圖(a)電動(dòng)運(yùn)行；(b)能耗制動(dòng)圖2.31 能耗制動(dòng)的機(jī)械特性 2.5.3 反接制動(dòng)運(yùn)行 1.電樞反接的反接制動(dòng)圖2.32 電樞反接制動(dòng)電路圖圖2.33 電樞反接制動(dòng)機(jī)械特性圖2.34 倒拉反接制動(dòng)電路圖圖2.35 倒拉反接制動(dòng)機(jī)械特性圖2.36 電動(dòng)車(chē)回饋制動(dòng)機(jī)械特性圖2.37 降壓調(diào)速過(guò)程中回饋制動(dòng)機(jī)械特性(U1UN) 例2.5 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)以n=nN/2的速度下放位能性額定負(fù)載的重物。電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：Ra=0.7 ，UN=110 V，IN=20 A，nN=1 450 r/min，PN=2.75 kW。求： (1)采用倒拉反接制動(dòng)時(shí)，電樞回路串入的電阻應(yīng)為多大？ (2)采用能耗制動(dòng)時(shí)，電樞回路串入的電阻應(yīng)為多大？ (3)采用回饋制動(dòng)時(shí)，電樞回路不串電阻，電源電壓應(yīng)降為多少伏？ (4)在上述三種制動(dòng)情況下，電樞回路上的損耗功率有多大？ 解 以上升方