2 直流電動機(jī)的電力拖動

第二章直流電動機(jī)的電力拖動2.1

他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性2.2

他勵直流電動機(jī)的起動2.3

他勵直流電動機(jī)的制動2.4

他勵直流電動機(jī)的調(diào)速2.5

串勵直流電動機(jī)的電力拖動2.1他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系稱為電動機(jī)的機(jī)械特性。一、機(jī)械特性方程式他勵直流電動機(jī)電路原理圖直流電動機(jī)基本方程式：電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動勢電樞電路電動勢平衡方程式機(jī)械特性方程式為：稱為理想空載轉(zhuǎn)速,實(shí)際空載轉(zhuǎn)速他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性0電樞反應(yīng)對機(jī)械特性的影響：0電樞反應(yīng)產(chǎn)生去磁作用，使磁通降低，轉(zhuǎn)速回升，機(jī)械特性在負(fù)載大時呈上翹現(xiàn)象。改善方法：在主磁極上加一匝數(shù)很小的串勵繞組，抵消電樞反應(yīng)的去磁作用。二、固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性當(dāng)時的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性：當(dāng)改變或或得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機(jī)械特性是硬特性。1、電樞串電阻時的人為機(jī)械特性保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點(diǎn)：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。2、降低電壓時的人為機(jī)械特性保持不變，只改變電壓時的人為特性：特點(diǎn)：1)

隨

變化,不變；

2)不同,曲線是一組平行線。3、減弱勵磁磁通時的人為機(jī)械特性保持不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：不同時的曲線不同時的曲線特點(diǎn)：1）弱磁，

增大；2）弱磁，增大減弱，增大,堵轉(zhuǎn)電流常值。不同時的曲線不同時的曲線三、機(jī)械特性的繪制1.固有特性的繪制

已知，求兩點(diǎn):理想空載點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)。具體步驟：（1）估算（2）計算（3）計算理想空載點(diǎn)：（4）計算額定工作點(diǎn)：2.人為特性的繪制

在固有機(jī)械特性方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對應(yīng)的參數(shù)或或變化，重新計算和，然后得到人為機(jī)械特性方程式。四、電力拖動穩(wěn)定運(yùn)行的條件處于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運(yùn)行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由上升到，，擾動消失，系統(tǒng)減速，回到點(diǎn)運(yùn)行。穩(wěn)定擾動使轉(zhuǎn)速由下降到，，擾動消失，系統(tǒng)加速，回到點(diǎn)運(yùn)行。穩(wěn)定在A點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的判據(jù)：“在交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上而在這一轉(zhuǎn)速之下?！盿）穩(wěn)定運(yùn)行0b）不穩(wěn)定運(yùn)行2.2他勵直流電動機(jī)的起動一、他勵直流電動機(jī)的起動方法電動機(jī)的起動是指電動機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。起動時，應(yīng)先通勵磁電流，而后加電樞電壓。

起動瞬間，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流分別為為了限制起動電流，他勵直流電動機(jī)通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。起動時由于轉(zhuǎn)速，電樞電動勢，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達(dá)很大值。過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動機(jī)的換向惡化；同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機(jī)構(gòu)。一般直流電動機(jī)不允許直接起動。降壓起動：

當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。

起動時，以較低的電源電壓起動電動機(jī)，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。降壓起動需專用電源，設(shè)備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。電樞回路串電阻起動：二級電阻起動時電動機(jī)的電路原理圖和機(jī)械特性圖為：，

二、他勵直流電動機(jī)起動電阻的計算

nb=nc,，故有Eb=Ec,在b點(diǎn)：

在c點(diǎn)

：

兩式相除，考慮同樣,由d點(diǎn)和e點(diǎn)，可得：故有兩級起動時：設(shè)，稱為起動電流比（起動轉(zhuǎn)矩比）

可見

，如果給定，需求，則則得各級電樞電路總電阻的計算公式：推廣到m級：計算分級起動電阻，有兩種情況：計算各級電阻或分段電阻。1.起動級數(shù)m未定：初選計算計算各級電阻或分段電阻。2.起動級數(shù)m已定，選定取或求m，整成整數(shù)m計算值2.3他勵直流電動機(jī)的制動他勵直流電動機(jī)有兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：1）電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)速n方向相同2）制動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)速n方向相反

制動的目的是使電力拖動系統(tǒng)停車，轉(zhuǎn)速降低或獲得穩(wěn)定的下降速度（位能性負(fù)載）。自由停車法電磁制動器電氣制動法能耗制動反接制動回饋制動(再生制動)一、能耗制動1．實(shí)現(xiàn)能耗制動的方法

電動狀態(tài)能耗制動將電樞從電源上斷開，通過K3使制動電阻RZ閉合。制動過程中，電動機(jī)靠系統(tǒng)的動能發(fā)電，消耗在電樞回路的電阻上，故稱為能耗制動。2．能耗制動時的機(jī)械特性此時U=0，，機(jī)械特性方程式為機(jī)械特性為過零點(diǎn)且位于第二、四象限的直線，其斜率決定于所串制動電阻的大小。電動機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動瞬間工作點(diǎn)制動過程工作段電動機(jī)拖動反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動機(jī)帶位能性負(fù)載,穩(wěn)定工作點(diǎn)3．能耗制動的分析

制動電阻RZ越小，機(jī)械特性斜率越小，制動開始瞬間的轉(zhuǎn)矩（和電流（）越大，一般電流的最大值不允許超過2IN，為此

即）

若帶位能性負(fù)載，則當(dāng)T=0、n=0時，由于Tz仍大于零，倒拉電動機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速沿能耗制動機(jī)械特性第四象限部分升高，至T=Tz

，轉(zhuǎn)速為－nz為止，勻速（nz）下放重物。電動狀態(tài)位能負(fù)載能耗制動二、反接制動（一）轉(zhuǎn)速反向的反接制動

1．實(shí)現(xiàn)方法他勵電動機(jī)拖動位能性負(fù)載，電樞回路串入較大電阻，使n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩（起動轉(zhuǎn)矩）小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz

。轉(zhuǎn)速反向（位能性負(fù)載）與電樞反接（一般用于反作用負(fù)載）。2．機(jī)械特性

電樞回路串入較大電阻正向電動狀態(tài)提升重物負(fù)載作用下電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)(下放重物)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物a)

轉(zhuǎn)速反向反接制動的分析

反接制動時，式中UIa為電網(wǎng)輸入電動率，EaIa為輸入的機(jī)械功率在電樞內(nèi)變成的電磁功率，兩者均消耗在電樞回路的電阻上，能量損耗大。設(shè)備簡單，操作方便，電樞回路串聯(lián)電阻較大，機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，能量損耗大，適用于低速勻速下放重物。b)

適用場合兩邊同乘以Ia

，則得（二）電樞反接的反接制動

K1、K2斷開,K3、K4閉合，使電樞電源反接的同時串入一個制動電阻RΩ

，這時由于U反向，電流反向，T反向，進(jìn)入制動狀態(tài)。

1．實(shí)現(xiàn)方法電動狀態(tài)電樞反接的反接制動電路圖

機(jī)械特性在第二象限。設(shè)電動機(jī)制動以前工作在電動狀態(tài)，在固有特性上的A點(diǎn)運(yùn)行，電樞反接，轉(zhuǎn)矩瞬時變?yōu)椋璗B

，沿BC迅速減速。

2．機(jī)械特性電源反接制動時，如不串入附加電阻，則制動起始時的電樞電流設(shè)備簡單，操作方便，制動轉(zhuǎn)矩平均值較大，制動強(qiáng)烈，但能量損耗大，適用于要求快速停車的拖動系統(tǒng)，對于要求快速并立即反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)更為理想。3．分析可見，比能耗制動時的差不多大一倍。特性斜率比能耗制動大得多。4．適用場合其值將達(dá)額定電流的20~40倍，即直接起動電流的兩倍左右，這是絕對不允許的，所以必須串入制動電阻，一般限制最大電流為2IN，則制動電阻應(yīng)為三、回饋制動1．實(shí)現(xiàn)方法①位能負(fù)載拖動電動機(jī)出現(xiàn)的回饋制動電流Ia及T均變?yōu)檎?，而n為負(fù)，電動機(jī)進(jìn)入制動狀態(tài)。至E點(diǎn)，T=Tz，穩(wěn)速下放重物。由于Ea>U，電流Ia與Ea同方向，與U反方向，所以電動機(jī)將位能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，故稱回饋制動。

為了獲得位能負(fù)載下較低的穩(wěn)定下放速度，一般在回饋制動時將電樞內(nèi)串聯(lián)的電阻切除。制動過程為段。②他勵電動機(jī)改變電樞電壓調(diào)速時出現(xiàn)的回饋制動自動進(jìn)入回饋制動狀態(tài)。降壓降速時，突然降低電樞電壓，減速到n02后，電動機(jī)恢復(fù)電動狀態(tài)。欲繼續(xù)保持回饋制動狀態(tài)，必須不斷降低電壓以實(shí)現(xiàn)在回饋制動狀態(tài)下系統(tǒng)減速?；仞佒苿油瑯映霈F(xiàn)在他勵電動機(jī)增加磁通的降速過程中。③增磁調(diào)速時出現(xiàn)的回饋制動制動過程為段。用于高速勻速下放重物和降壓、增加磁通調(diào)速過程中自動加快減速過程。2.機(jī)械特性可能在第二象限，也可能在第四象限。3.分析回饋制動過程中，有功率UIa回饋電網(wǎng)，能量損耗最少。4.使用場合例題：一臺他勵直流電動機(jī)的數(shù)據(jù)為：（1）電動機(jī)帶動一個位能負(fù)載，在固有特性上作回饋制動下放，，求電動機(jī)反向下放的轉(zhuǎn)速；（2）電動機(jī)帶動位能負(fù)載，作反接制動下放，時轉(zhuǎn)速n=-600r/min,求串接在電樞回路中的電阻值、電網(wǎng)輸入的功率、從軸上輸入的功率及電樞回路電阻上消耗功率。（3）電動機(jī)帶動反作用負(fù)載，從n=500r/min進(jìn)行能耗制動，若最大制動電流限制在100A，試計算串接在電樞回路中的電阻值。解答：(1)(2)電樞回路總電阻為：電動機(jī)反向下放的轉(zhuǎn)速為：電樞回路串接電阻為：電網(wǎng)輸入功率為：解答：電樞回路電阻上消耗功率為：電動機(jī)軸上輸入功率為：P2為負(fù)，即電動機(jī)軸上輸入功率為11.7kW解答：(3)能耗制動時最大電流出現(xiàn)在制動開始時，此時的感應(yīng)電動勢為：電樞回路總電阻為：電樞回路串接電阻為：2.4

他勵直流電動機(jī)的調(diào)速

電氣調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，通過人為的方法改變電動機(jī)的有關(guān)參數(shù)，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)和整個拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。大量生產(chǎn)機(jī)械（如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等）的工作機(jī)構(gòu)要求在不同的情況下以不同的速度工作，要求我們用人為的方法改變其速度，這可用機(jī)械方法、電氣方法或機(jī)械電氣配合的方法。機(jī)械調(diào)速是指通過改變傳動機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法。他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為忽略電阻壓降欲改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變電樞端電壓改變勵磁磁通改變電動機(jī)的參數(shù)就是人為地改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動機(jī)工作在不同的機(jī)械特性上，如果機(jī)械特性不變，因負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速的變化，則不能稱為調(diào)速。2.4

他勵直流電動機(jī)的調(diào)速額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動機(jī)可能運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，即nmax受電動機(jī)換向及機(jī)械強(qiáng)度限制，nmin受生產(chǎn)機(jī)械對轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定性要求限制。一．調(diào)速指標(biāo)（一）調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)1.調(diào)速范圍D2.靜差率（相對穩(wěn)定性）相對穩(wěn)定性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩變換下轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化越小，相對穩(wěn)定性越好。相對穩(wěn)定性的程度用靜差率來表示：在一條機(jī)械特性上運(yùn)行時，電動機(jī)由理想空載加到額定負(fù)載所出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比：電動機(jī)的機(jī)械特性越硬，靜差率越小，相對穩(wěn)定性越高同樣硬度的特性，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，越難滿足生產(chǎn)機(jī)械對靜差率的要求。調(diào)速范圍D受低速特性時的靜差率制約。若D和已由生產(chǎn)機(jī)械要求確定可算出允許轉(zhuǎn)速降：3.平滑性

越接近1，平滑性越好，當(dāng)時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。

在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù)：保持額定電流條件下調(diào)速時，電動機(jī)容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩或最大功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。4.調(diào)速時的容許輸出（二）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用等。二．降低電樞端電壓調(diào)速1.電樞串聯(lián)電阻調(diào)速TTZRaAB保持適當(dāng)大小的電阻,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

電樞回路串入調(diào)速前后不變，不變，不變。

特點(diǎn)：只能將轉(zhuǎn)速往下調(diào)，且靜差率明顯增大，所以調(diào)速范圍D較小，平滑性差，損耗大，設(shè)備簡單，投資少。

適用于容量不大，低速運(yùn)行時間不長，對調(diào)速性能要求不高的場合電樞串電阻調(diào)速經(jīng)濟(jì)性分析：電動機(jī)由電網(wǎng)吸取功率：損耗△P：效率：2.降低電源電壓調(diào)速直流電動機(jī)一般由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電。晶閘管整流裝置交流電動機(jī)直流發(fā)電機(jī)組（G-M機(jī)組)交流放大機(jī)、磁放大器、汞弧整流器等TTZ保持Φ=ΦN、RΩ=0，降低電源電壓U，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：特性平行下移，δ變化不明顯，調(diào)速范圍D較大，平滑性好，損耗小，需可調(diào)直流電源，初投資大。適用于對調(diào)速性能要求較高的中大容量拖動系統(tǒng)，如重型機(jī)床、精密機(jī)床和軋鋼機(jī)等。三．弱磁調(diào)速減弱磁通，小容量系統(tǒng)在勵磁電路中串接可調(diào)電阻；大容量時用單獨(dú)的晶閘管整流裝置向勵磁回路供電。TTZab保持U=UN、RΩ=0，調(diào)節(jié)勵磁電流使之減小，亦即減弱磁通，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

特點(diǎn)：只能向上調(diào)，受換向和機(jī)械強(qiáng)度限制，調(diào)速范圍不大，但靜差率小，平滑性好，設(shè)備簡單，損耗小。常與調(diào)壓調(diào)速聯(lián)合使用,以擴(kuò)大調(diào)速范圍。調(diào)速前：調(diào)速后：例題：一臺他勵直流電動機(jī)的數(shù)據(jù)為：當(dāng)額定負(fù)載（恒轉(zhuǎn)矩）時：（1）如果在電樞回路中串入，求串接電阻后的轉(zhuǎn)速；（2）如果電源電壓下降110V，求電樞內(nèi)無串接電阻時的轉(zhuǎn)速；（3）若減弱勵磁使磁通減小10％，求電樞內(nèi)無串接電阻時的轉(zhuǎn)速。解答：(1)(2)解答：(3)調(diào)速前后，轉(zhuǎn)矩保持不變四．調(diào)速時的功率與轉(zhuǎn)矩容許輸出：指電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩和功率。充分利用：指在一定的轉(zhuǎn)速下電動機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和功率達(dá)到它的容許值，即電樞電流達(dá)到額定值。當(dāng)電動機(jī)調(diào)速時，在不同的轉(zhuǎn)速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機(jī)能否在不同轉(zhuǎn)速下都得到充分利用，這個問題與調(diào)速方式和負(fù)載類型的配合有關(guān)。

以電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機(jī)的調(diào)速可分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。

電動機(jī)的容許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，而容許輸出轉(zhuǎn)矩為恒值----恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速時，磁通保持不變，若在不同轉(zhuǎn)速下保持電流不變，即電機(jī)得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率分別為：

電動機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而容許輸出功率為恒值----恒功率調(diào)速。

減弱磁通調(diào)速時，磁通是變化的，在不同轉(zhuǎn)速下若保持電流不變，即電機(jī)得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率別為：

為了使電動機(jī)得到充分利用，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。拖動恒功率負(fù)載時，采用恒功率調(diào)速方式。對風(fēng)機(jī)類負(fù)載，三種方式都不是十分適合，但采用串電阻或降壓調(diào)速比弱磁調(diào)速合適一些。2.5串勵直流電動機(jī)的電力拖動串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞串聯(lián)，磁通Φ是電流Ia的函數(shù)。一、串勵電動機(jī)的機(jī)械特性Ia及T較大時，磁路飽和，串勵電動機(jī)機(jī)械特性方程式與他勵電動機(jī)相似。固有特性是指當(dāng)時的特性，具有以下特點(diǎn)：（1）它是一條非線性的軟特性，負(fù)載時轉(zhuǎn)速降落很大；（2）空載時，為無窮大。實(shí)際上，空載時存在剩磁，為有限值，但值也很大——“飛車”現(xiàn)象。因此串勵電動機(jī)不允許空載或

輕載運(yùn)行。（3）由于，起動和過載時電樞電流大，故串勵電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。串勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性及串電阻機(jī)械特性：0nTRa′Ra′+RΩ串勵電動機(jī)的人為機(jī)械特性可通過下列方法獲得：1）降低電源電壓0nTUNU1UN>U1對于串勵電動機(jī)常采用2～4臺電動機(jī)串聯(lián)及并聯(lián)聯(lián)結(jié)法以降低電壓。2）勵磁繞組并分路電阻RB0nT固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性3）電樞并分路電阻RB′Φ減小Φ增大0nT固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性n0，二、串勵電動機(jī)的制動狀態(tài)反接制動：轉(zhuǎn)速反向（位能負(fù)載）、電樞反接（反作用負(fù)載）能耗制動0nT轉(zhuǎn)速反向的反接制動電樞反接的反接制動①反接制動②能耗制動：電樞從電源斷開，Is方向不變串勵電動機(jī)的接線簡單，工作可靠，適用于要求有較大起動轉(zhuǎn)矩、較大過載能力、工作要求