第二章直流電機(jī)的拖動(dòng)-限選

第二章

直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

凡是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)，都稱為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。生產(chǎn)機(jī)械稱為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖所示。

本章首先介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，然后介紹電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性，最后主要研究他勵(lì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的四大問題——起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、調(diào)速一、單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，就是電動(dòng)機(jī)輸出軸直接拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。熟悉的直線運(yùn)動(dòng)方程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程物體的飛輪力矩，它是一個(gè)整體物理量，反映轉(zhuǎn)動(dòng)體的慣性

第一節(jié)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（靜止不動(dòng)或勻速）還是動(dòng)態(tài)（加速或減速），都可以從運(yùn)動(dòng)方程式來判定，當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)分析如下：

1).當(dāng)Ｔ＝ＴL時(shí)，dn/dt=0，則n＝0或n＝常數(shù)，即電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于靜止不動(dòng)或勻速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)。

2).當(dāng)ＴＴL時(shí)，dn/dt

0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過渡過程中。

3).當(dāng)TTL

時(shí)，dn/dt

0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也是過渡過程。例2-1

分析下圖中電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。解：設(shè)a圖為正向運(yùn)動(dòng)，T幫助正向運(yùn)動(dòng)為正，TL

反對正向運(yùn)動(dòng)為正，且T<TL，所以運(yùn)動(dòng)方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于正向減速狀態(tài)。

設(shè)b圖為反向運(yùn)動(dòng)，T幫助反向運(yùn)動(dòng)為負(fù)，TL

幫助反向運(yùn)動(dòng)為正，且數(shù)值上T=TL，所以運(yùn)動(dòng)方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于反向加速狀態(tài)。第二節(jié)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

不同生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速n變化規(guī)律不同，用負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性來表征，即n=f(TL)。各種生產(chǎn)機(jī)械的特性大致可分為以下三種類型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒功率負(fù)載特性

通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性TL=常數(shù)，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方向相反，總是阻礙電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如軋鋼機(jī)、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)、電力機(jī)車等。當(dāng)下放重物時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。起重設(shè)備提升重物時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為阻力矩，與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩由重力作用產(chǎn)生，其大小和方向始終不變恒功率負(fù)載特性通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

PL=常數(shù),TL=9.55P/nTL=Kn2

例：車床切削粗加工時(shí),切削量大(TL大)，用低速檔；精加工時(shí)，切削量小(TL小)，用高速檔電扇、水泵、油泵等

注意：以上三類是典型的負(fù)載特性，實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性常為幾種類型負(fù)載的綜合。

第三節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是指在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)的主要特性，是分析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等問題的重要工具。下面以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例討論機(jī)械特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的斜率轉(zhuǎn)速降斜率β越小，特性越平，稱為硬特性。反之稱為軟特性機(jī)械特性曲線實(shí)際空載轉(zhuǎn)速一般表達(dá)式他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線圖一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的機(jī)械特性稱固有機(jī)械特性Rpa=0,Ra很小，

=N數(shù)值最大，機(jī)械特性斜率β最小，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是硬特性。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2、人為機(jī)械特性

如果人為地改變固有機(jī)械特性中的氣隙磁通、電源電壓Ｕ和電樞回路電阻Rpa中的任意一個(gè)參數(shù)，這樣的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。（1）電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性斜率β

增加電阻增加n0

不變2、人為機(jī)械特性(2)改變電源電壓的人為機(jī)械特性(3)改變磁通的人為機(jī)械特性磁通減小電壓降低U降低，β

不變，n0減小(2)改變電源電壓的人為機(jī)械特性減小，β

增大，n0增大電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件：

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn)：即T=TL

電力系統(tǒng)要穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件：

兩條特性配合恰當(dāng)，即在交點(diǎn)處滿足：dT/dn<dTL/dn二、電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的分析結(jié)論：下斜的機(jī)械特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行;上翹的機(jī)械特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性在A點(diǎn)的斜率：dn/dTL=∞,則dTL/dn=0下斜的機(jī)械特性在A點(diǎn)其dn/dT<0,則dT/dn<0，在A點(diǎn)滿足dT/dn<dTL/dn上翹的機(jī)械特性在A點(diǎn)其dn/dT>0,則dT/dn>0，在A點(diǎn)不滿足dT/dn<dTL/dn穩(wěn)定運(yùn)行不穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)電壓波動(dòng)機(jī)特系統(tǒng)電壓波動(dòng)機(jī)特1、全壓起動(dòng)第四節(jié)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)：電動(dòng)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。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

額定電壓加于電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，由于起動(dòng)瞬間n=0，Ea=0，由U=Ea＋I(xiàn)aRa故起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分別為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)先合Q1再合Q2后果引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動(dòng)機(jī)的換向嚴(yán)重惡化，甚至?xí)龎碾妱?dòng)機(jī)過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，機(jī)械軸過度沖擊，損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

從上例可以看出，由于電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動(dòng)的起動(dòng)電流很大，通?？蛇_(dá)額定電流的（10～20）倍。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相當(dāng)大。

所以，直流電動(dòng)機(jī)一般不允許全壓起動(dòng)。起動(dòng)設(shè)備簡單、操作方便的全壓起動(dòng)只適用于容量很小的直流電動(dòng)機(jī)。（1）要有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Tst>TL)。（2）起動(dòng)電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動(dòng)設(shè)備簡單、可靠，操作方便，起動(dòng)時(shí)間短。對直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)的要求：電樞回路串電阻起動(dòng)減壓起動(dòng)注意：起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的磁通為最大值，以在限制起動(dòng)電流的情況下使轉(zhuǎn)矩較大。對于容量較大的電機(jī)，為限制起動(dòng)電流，可用2、減壓起動(dòng)

減壓起動(dòng)即起動(dòng)前將電源電壓降低，以減小起動(dòng)電流Ist。為獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Tst>TL），起動(dòng)時(shí)電流通常限制在(1.5～2)IN

內(nèi)，則起動(dòng)電壓應(yīng)為：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

當(dāng)n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——須U↑保證起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。至U=UN，起動(dòng)結(jié)束。3、電樞回路串電阻起動(dòng)

電樞回路串電阻起動(dòng)時(shí)，電源電壓為額定值且恒定不變，在電樞回路中串接一起動(dòng)電阻Rst，達(dá)到限制起動(dòng)電流的目的。采用4級起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電路接線圖及其機(jī)械特性

串入全部電阻逐級切除電阻穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)速逐步上升切換轉(zhuǎn)矩TSt2起動(dòng)點(diǎn)Ist1和Tst1為最大值二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)

要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩T的方向。只要將磁通和Ia任意一個(gè)參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩即改變方向。在自動(dòng)控制中，通常直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)施方法有兩種：由：

1、改變勵(lì)磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵(lì)磁繞組反接，使勵(lì)磁電流反向，磁通即改變方向。

2、改變電樞電壓極性：保持勵(lì)磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流Ｉa即改變方向。實(shí)際應(yīng)用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。

第五節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)：電動(dòng)狀態(tài)：T與n方向相同，機(jī)特Ⅰ、Ⅲ象限制動(dòng)狀態(tài)：T與n方向相反，機(jī)特Ⅱ、Ⅳ象限制動(dòng)方法：能耗制動(dòng)反接制動(dòng)回饋制動(dòng)制動(dòng)目的：快速停車（反向）或限速。一、能耗制動(dòng)制動(dòng)原理：電動(dòng)機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械慣性力的拖動(dòng)切割磁場而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。能耗制動(dòng)U=0運(yùn)行時(shí)KM1常開閉合，與電源連接；

制動(dòng)前的電動(dòng)狀態(tài)T與n方向一致制動(dòng)時(shí)連接電阻Rbk制動(dòng)時(shí)，T與n方向相反原運(yùn)行于a點(diǎn)制動(dòng)時(shí)，對于反抗性負(fù)載將經(jīng)b點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)停下來。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

U=0,機(jī)特過原點(diǎn)斜率取決于限流電阻Rbk一般限流：IbK(2～2.5)IN

對位能性負(fù)載將達(dá)到C點(diǎn)。

二、反接制動(dòng)1.電樞反接制動(dòng)制動(dòng)原理：Ibk產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩T，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動(dòng)作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk機(jī)械特性過-n0機(jī)械特性：制動(dòng)過程當(dāng)制動(dòng)的目的為停車時(shí)，在電機(jī)n≈0時(shí)，須立即斷開電源。為了限制過大的電樞電流，反接制動(dòng)時(shí)必須在電樞回路中串接制動(dòng)電阻Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制動(dòng)電阻的計(jì)算：電樞反接制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)一方面向電源吸取電功率P1＝UI，另一方面將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁功率Pem＝EaIa，這些電功率全部消耗在電樞電路的電阻(Ra＋Rbk)上。其能量損耗很大。電機(jī)的能耗：

二、反接制動(dòng)2.倒拉反接制動(dòng)只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，下放重物

U=UN，電樞串大電阻Rbk機(jī)械特性過+n0，與負(fù)載特性的交點(diǎn)落在第Ⅳ象限n0從提升重物至下放重物過程：a—b—c—d，Rbk越大，下放轉(zhuǎn)速也越大。三、回饋制動(dòng)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的nn0時(shí)，Ea>U，Ia方向與電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)相反，T的方向與電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相反，為制動(dòng)性質(zhì)，P1<0，電機(jī)向電源回饋電能，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)稱為回饋制動(dòng)。

當(dāng)位能性負(fù)載進(jìn)行電樞反接制動(dòng)，當(dāng)n=0時(shí)，如不切除電源，電機(jī)便在電磁轉(zhuǎn)矩和位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0時(shí)，電機(jī)進(jìn)入反向回饋制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)因n為負(fù)，T為正，機(jī)械特性位于第IV象限，最終穩(wěn)定下放重物運(yùn)行于d點(diǎn)

反向回饋制動(dòng)對位能性負(fù)載下放時(shí)起限速作用。第六節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速：機(jī)械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比改變電動(dòng)機(jī)參數(shù),人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而使負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：降壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻一、調(diào)速指標(biāo)1.調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下可能運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、換向條件、電壓等級等方面的限制受到低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性的限制

不同的生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速范圍的要求不同，例如車床Ｄ＝20～120，龍門刨床Ｄ＝10～40，軋鋼機(jī)Ｄ＝3～120，造紙機(jī)Ｄ＝3～20等。

顯然，在相同的n0情況下，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性愈硬，Δn愈小，靜差率就愈小，相對穩(wěn)定性就愈好。生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速時(shí)，要求靜差率小于一定值，以使負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化，保持一定的穩(wěn)定程度，生產(chǎn)機(jī)械容許的靜差率用r表示。例如，普通車床要求r30

，一般設(shè)備要求r50

，高精度的造紙機(jī)要求r0.1

。靜差率與調(diào)速范圍兩個(gè)指標(biāo)是相互制約,要統(tǒng)疇考慮。2.調(diào)速的相對穩(wěn)定性（靜差率）負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對穩(wěn)定性好3.調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當(dāng)φ

=1時(shí)，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(shí)，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。4.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性對調(diào)速設(shè)備的投資和電能消耗等經(jīng)濟(jì)效果的綜合比較。

二、改變電樞電路串電阻的調(diào)速電樞回路串電阻的機(jī)特，Rpa愈大，特性愈軟，轉(zhuǎn)速愈低。調(diào)速過程：電動(dòng)機(jī)原穩(wěn)定運(yùn)行在固有機(jī)械特性的a點(diǎn)上，當(dāng)Ｒpa接入瞬間，因n不能突變，工作點(diǎn)從a點(diǎn)跳至人為機(jī)械特性的b點(diǎn)，這時(shí)，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，電動(dòng)機(jī)在低速的c點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

電樞串電阻調(diào)速的特點(diǎn)：

(1)串入電阻后轉(zhuǎn)速只能降低，由于機(jī)械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載稍有變動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，因此調(diào)速范圍受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)調(diào)速的平滑性不高；輕載時(shí)調(diào)速不明顯。

(3)由于電樞電流大，調(diào)速電阻消耗的能量較多，不夠經(jīng)濟(jì)。

(4)調(diào)速方法簡單，設(shè)備投資少。

例2-5

一臺(tái)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)為：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，電樞電路總電阻Ｒa=0.04

，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，現(xiàn)用電樞串電阻的方法將轉(zhuǎn)速調(diào)至600r/min，應(yīng)在電樞電路內(nèi)串多大電阻？由且為額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Ia=IN得解三、降壓調(diào)速Un0nn01n02n03調(diào)速過程：a-b-c降壓調(diào)速的特點(diǎn)1)無論高速還是低速，機(jī)械特性硬度不變，靜差率小，調(diào)速性能穩(wěn)定，故調(diào)速范圍廣。2)電源電壓能平滑調(diào)節(jié)，故調(diào)速平滑性好，可達(dá)到無級調(diào)速。3)降壓調(diào)速是通過減小輸入功率來降低轉(zhuǎn)速的，低速時(shí)，損耗減小，調(diào)速經(jīng)濟(jì)性好。4)調(diào)壓電源設(shè)備較復(fù)雜。降壓調(diào)速的性能好，目前被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。如軋鋼機(jī)，龍門刨床等。降壓較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)回饋制動(dòng)

例