第二章直流電動機拖動系統

第二章直流電動機拖動系統第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日21.如果直接起動起動時U=UN，Rs=0，稱為直接起動；起動初瞬，電樞電流為：

電樞電阻較小，起動時電樞電流很大，可達到10～20IN所以直接起動會造成很大的起動電流和起動轉矩第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日3直接起動存在的問題：起動電流太大，換向惡化，出現強烈的火花或環(huán)火，燒壞換向器，電樞繞組產生很大的電磁力而損壞繞組；過大的起動電流還會引起電網電壓下降，影響同一電網上其他設備的運行；如保持主磁通為額定值，此時的電磁轉矩T也將達到額定值的10～20倍，造成機械碰撞或沖擊強烈，從而損壞電樞繞組和傳動機構。所以，一般不允許直接起動。第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日42.起動要求一般直流電動機拖動負載順利起動的要求是：1)起動電流限制在一定范圍內，即Ist≤（1.8～2.5）IN，

=1.8～2.5為電機的過載倍數；2)足夠大的起動轉矩，Tst≥（1.1～1.2）TN；3)起動設備簡單、可靠。第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日53.起動方法關鍵是限制起動電流（1）降壓起動（必須有電壓可調的直流電源）（2）電樞回路串電阻起動第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日6[例題]某他勵直流電動機的銘牌數據為：

拖動額定大小為恒轉矩負載TL運行，忽略T0，（1）若采用降壓起動，起動電流IS＝2IN,電壓應該降為多少？此時起動轉矩是多少？（2）若采用電樞回路串電阻起動，IS＝2IN，求串入的電阻和起動轉矩。第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日74.電樞回路串一個電阻的缺點起動過程變慢，穩(wěn)態(tài)速度降低所以，隨著轉速上升，應該讓所串電阻逐漸下降，讓電樞電流始終保持在較大的數值；方法：串電阻分級起動第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日8二、串電阻分級起動特性圖電路圖首先假設：忽略電樞電感，電樞電流可以突變轉速n不能突變（機械慣性）（一）起動過程分析（以二級起動為例）第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日9第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日10說明：求切換轉矩T2的原則：既要使電動機能夠帶動負載，又要保證在切換時的加速度轉矩T-TL不過于??；綜合考慮：選T2＝（1.1～1.3）TLI2＝（1.1～1.3）IL串電阻分級起動方法，電流不超過限值，起動過程中，起動轉矩的大小、起動速度、起動平穩(wěn)度決定于所選擇的起動級數，級數多，平穩(wěn)度好，但是設備復雜，投資高。一般空載起動，取級數m＝1～2，重載取m＝3～4第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日11（二）、他勵直流電動機起動電阻的計算解析法Ra+Rst1+Rst2+Rst3Ra+Rst3Ra+Rst2+Rst3Ra稱為起動電流比第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日12用解析法求Rs，存在兩種情況：1.起動級數m已知，先求2.m不確定，則先取I1和I2的值，求出M一般不是整數，取最接近的整數作為實際的起動級數重新求出=I1/I2第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日13[例2－1]一臺他勵直流電動機的銘牌數據為：IL=IN

試用解析法計算四級起動時的起動電阻值。解已知起動級數m=4

選擇各分段電阻如下：第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日14在電力拖動系統中，一些電氣參數（如電壓、電阻等）與負載轉矩的突然變化，會引起過渡過程，但由于慣性，這些變化卻不能導致電動機的轉速、電流、轉矩等參量的突變，而必須是個連續(xù)變化的過程。過渡過程：電力拖動系統中，轉矩平衡方程式一旦被破壞，系統從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡時所經歷的過程。研究過渡過程的意義：減小過渡過程的持續(xù)時間，提高生產率，減小過渡過程損耗的功率，提高電機利用率和力能指標，改善系統動態(tài)或穩(wěn)態(tài)運行品質，使設備安全可靠運行。第四節(jié)直流拖動系統的過渡過程第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日15電力拖動系統中一般存在三種慣性導致過渡過程：1．機械慣性

——反映在系統的飛輪慣量和飛輪力矩上，它使轉速n不能突變。2．電磁慣性

——反映在電樞回路電感及勵磁回路電感上，它們分別使電樞電流和勵磁電流不能突變，從而使磁通不能突變。(對過渡過程影響較小，經常忽略）3．熱慣性

——電動機的溫度不能突變。（溫度的變化一般也不考慮）

第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日16一.他勵直流電動機拖動恒轉矩負載過渡過程的數學分析1.研究前提：只考慮機械過渡過程，忽略電樞電感（n不能突變）電源電壓在過渡過程中恒定不變磁通恒定，忽略電樞反應的去磁效應第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日172.以電樞回路串電阻調速為例：過渡過程：在機械特性上表現為：電動機的運行點從起始點B開始，沿著機械特性2向著穩(wěn)態(tài)點C的變化過程。起始點B：過渡過程開始的點;結束點C：過渡過程結束的點，有時不一定是穩(wěn)態(tài)點第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日183.定量分析從B到C點沿曲線進行的過渡過程：三要素：起始值穩(wěn)態(tài)值時間常數——電力拖動系統的機電時間常數，是表征機械慣性的一個非常重要的物理量第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日194.過渡過程的時間計算或或第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日201．電樞串固定電阻Rs起動的過渡過程

利用三要素法分析：二.他勵直流電動機起動的過渡過程第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日21或或起動過程中轉速的上升曲線起動過程中電樞電流的變化曲線第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日222．電樞串多級電阻分級起動的過渡過程他勵電動機二級起動的機械特性：第一級起動時第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日23轉速變化曲線機械特性曲線電流變化曲線第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日24第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日25[例題]一臺他勵直流電動機銘牌數據為：已知四段起動電阻為：電樞電阻系統飛輪慣量求分級起動總的起動時間。解：

第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日26設=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)×1.61s+4×0.0306s=0.922s第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日27采用一定的方法來改變生產機械的工作速度，以滿足生產的需要，這種方法通常稱為調速。電力拖動系統中通常采用兩種調速方法：機械調速：電動機的轉速不變，通過改變機械傳動機構（如齒輪等）的速比，實現調速；電氣調速：通過改變電動機的參數調節(jié)電動機的轉速。第二節(jié)他勵直流電動機的調速第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日28調速和因負載變化而引起的轉速變化是不同的：調速：改變電機參數，電機運行在不同的人為機械特性上，從而在相同的負載下，得到不同的運行速度；負載變化：電動機在同一條機械特性上發(fā)生轉速變化。第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日29一、他勵直流電動機的調速方法

（一）電樞串聯電阻分析電樞串接電阻調速的經濟性：

效率電樞串聯電阻調速第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日30串電阻調速特點：串電阻的方法只能是基速（電動機運行于固有機械特性上的轉速）向下調；如果拖動恒轉矩負載，電動機運行于不同的轉速，電樞電流大小變化嗎？轉速越低，損耗越大；該方法穩(wěn)定性能差，低速運行時，負載在不太大的范圍內變化，就會引起較大的轉速變化；空載或輕載時，調速范圍小，調速效果不明顯，但設備簡單，易于操作?？傊?，該方法，損耗大，低速時調速不穩(wěn)定。第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日31例題2－2第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日32（二）降低電源電壓

降低電源電壓的調速系統的機械特性方程式為晶閘管整流器供電的直流調速系統降低電源電壓調速時的機械特性第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日33降壓調速特點：恒轉矩負載，電樞電流也是恒值；降壓調速，機械特性硬度不變（斜率不變），穩(wěn)定性較好，可以在低速范圍內運行；降壓調速可以得到較大的調速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調，就可以實現轉速的平滑調速，即無級調速。第三十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日34（三）、弱磁調速弱磁調速電路示意圖較大容量系統小容量系統弱磁調速時，機械特性方程式是：第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日35弱磁調速特點：一般用于升速，從基速向上調；在功率較小的勵磁電路中進行調節(jié)，控制方便，能量損耗小，調速的平滑性較高。由于調速范圍不大，常和額定轉速以下的降壓調速配合應用，以擴大調整范圍。第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日36第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日37不同機械特性下的靜差率1．靜差率（或稱相對穩(wěn)定性）電動機的機械特性愈硬，則靜差率愈小，相對穩(wěn)定性就愈高。二、調速指標調速方法最主要的有兩大指標：即技術指標與經濟指標調速指標是決定電動機選擇哪一種調速方法的依據。（一）調速的技術指標第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日38相對穩(wěn)定性：指負載轉矩變化時，轉速變化的程度，轉速變化越小，相對穩(wěn)定性越高；靜差率與機械特性的硬度又有區(qū)別；若對應于最低轉速的機械特性能滿足靜差率的要求，則其他情況也能滿足。第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日392.調速范圍不同生產機械要求的調速范圍是不同的，例如車床D＝20～120，龍門刨床D＝10～40，機床的進給機構D＝5～200，軋鋼機D＝3～120，造紙機D＝3～20等調速范圍D與低速靜差率%間的關系：允許的轉速降第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日40說明：若最大轉速和轉速降一定，則對要求越高，小，調速范圍D也越小；如果選定了調速方法，則低速機械特性已定，在一定的轉速降下，可以計算D，以校驗是否滿足生產機械工藝對D的要求。允許的轉速降第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日41例題2－3第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日423．平滑性相鄰兩極轉速的接近程度。在一定的調速范圍內，調速的級數愈多則認為調速愈平滑。平滑系數：

值愈接近于1，則平滑性愈好。等于1時稱為無級調速，即轉速連續(xù)可調，級數接近無窮多，此時調速的平滑性最好。4．調速時的容許輸出（或調速時的功率與轉矩）容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下，在調速過程中軸上所能輸出的功率和轉矩。第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日43（二）調速的經濟指標

調速的經濟指標決定于調速系統的設備投資及運行費用，而運行費用又決定于調速過程的損耗，它可用設備的效率來說明。[例

]有一直流調速系統采用改變電源電壓調速，已知電動機的額定轉速，高速機械特性的理想空載轉速如果額定負載下低速機械特性的轉速，而相應的理想空載轉速。（1）試求出電動機在額定負載下運行的調速范圍D和靜差率；（2）如果生產工藝要求靜差率≤20%，則此時額定負載下能達到的調速范圍是多少？還能否滿足原有的要求？第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日44解：（1）低速靜差率（2）不能滿足原有調速范圍的要求第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日45三、調速方式與負載類型的配合

在調速過程中，只要在不同轉速下電流不超過額定值，電動機長時運行，其發(fā)熱不會超過容許的限度。對于他勵直流電動機，轉矩與功率的關系為：降壓調速時，從高速到低速，容許輸出轉矩是常數，稱為恒轉矩調速方式。而容許輸出功率則正比于轉速。式中通常用于電動機帶恒轉矩負載。第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日46弱磁調速：容許輸出功率為常數，稱為恒功率調速方式通常用于電動機帶恒功率負載。第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日47機械特性和容許輸出轉矩容許輸出轉矩和功率第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日48制動的目的：迅速停車；獲得穩(wěn)定的下放速度；電氣制動方式：能耗制動，反接制動，回饋制動。第三節(jié)他勵直流電動機的制動運行1）電動運轉狀態(tài)——電動機轉矩的方向與轉速的方向相同，此時電網向電動機輸入電能，并變?yōu)闄C械能以帶動負載。2）制動運轉狀態(tài)——電動機轉矩與轉速的方向相反，此時，用電動機吸收機械能并轉化為電能。一、概述第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日49二、能耗制動電動狀態(tài)能耗制動第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日50能耗制動機械特性方程式:1.能耗制動用于快速停車第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日51制動過程中的幾點說明：能耗制動，轉速下降，造成能量損耗；系統的動能，一部分轉化為輸出的機械能（電動機仍然帶負載）；另一部分轉化為電動機和所串電阻上的損耗。第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日52[例2-5]一臺他勵直流電動機的銘牌數據如下：電樞電流最大允許值為2IN,求能耗制動時電樞回路所應串接的電阻值。第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日532.能耗制動用于恒速下放重物反抗性負載：負載轉矩的方向總是和轉速的方向相反，即負載轉矩的性質總是起反抗運動的作用；位能性負載：由拖動系統中的某些具有位能的部件構成，（如起重類型負載中的重物），特點：負載轉矩具有固定的方向，不隨轉速的方向而改變。第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日54電動機帶位能負載時的能耗制動電路圖第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日55能耗制動時電流與轉速的關系：第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日56[例2-6]一臺他勵直流電動機的數據如下：在能耗制動狀態(tài)下以500r/min的轉速下放重物，電樞電流為額定值，求電樞回路內應串接的電阻值，并計算這時的電磁轉矩。第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日57反接制動反接制動可用兩種方法實現，即轉速反向（用于位能負載）與電樞反接（一般用于反作用負載）。三、電壓反向的反接制動電壓反向的反接制動電路圖1.接線第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日58斷開和，接通和2.電路第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日59BC段就是反接制動過程；如果制動的目的是為了使系統停車，則到了C點必須采取措施，否則，電機會沿著機械特性自行反轉，反向加速并到達新的穩(wěn)態(tài)點。位能性負載終止在E點反抗性負載終止在D點3.機械特性第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日604.電樞反接時的過渡過程電樞反接時的人為機械特性和轉速及電流變化曲線1．反作用負載2．位能負載第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日61第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日62[例2-7]一臺他勵直流電動機的銘牌數據如下：電樞電流最大允許值為2IN,求電壓反向的反接制動時電樞回路所應串接的電阻值。第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日63說明：在電樞電流允許的最大值相同時，電壓反向的反接制動電樞回路所串電阻幾乎是能耗制動所串電阻的兩倍；特點：平均制動轉矩較大，制動效果好；能量消耗大，經濟效率差；轉速為0時，如果不斷開電源，有可能反向起動；適用于要求快速停車的生產機械；對要求快速停車，隨后立即反向起動的生產機械更為合適。第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日64電動機帶位能負載時的轉速反向制動電路圖四、轉速反向的反接制動轉速反向的反接制動機械特性轉速反向的反接制動特性方程式為電樞電路的電壓平衡方程式變?yōu)榈诹捻摚财呤摚?022年，8月28日65上式表明，與兩者之和消耗在電樞電路的電阻上。

轉速反向反接制動的特點：設備簡單，操作方便，電樞回路所串電阻較大，機械特性軟，能量消耗大，不經濟；適用場合：適用于低速下放重物。第六十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日66[例2-8