電機及電力拖動（第五版） 課件 第02章－直流電動機的電力拖動

本章介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程、負載轉矩特性、直流電動機的機械特性、起動、調(diào)速、制動等方法和物理過程。第二章直流電動機的電力拖動

2.3他勵直流電動機的機械特性

2.4他勵直流電動機的起動

2.5他勵直流電動機的電氣制動

2.6他勵直流電動機的調(diào)速

2.7串勵直流電動機的電力拖動

2.2生產(chǎn)機械的負載轉矩特性

2.8復勵直流電動機的機械特性

2.9電力拖動系統(tǒng)的過渡過程

2.1電力拖動系統(tǒng)的動力學2.1電力拖動系統(tǒng)的動力學運動方程的實用形式：2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài):當或時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即動態(tài)。當或時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即動態(tài)。當或時,系統(tǒng)處于恒速運行狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)。首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規(guī)定：2.1.2、運動方程式中轉矩正、負號的規(guī)定電磁轉矩與轉速的正方向相同時為正，相反時為負。負載轉矩Tz與轉速n的正方向相同時為負，相反時為正。慣性轉矩的大小和正負號由和TZ的代數(shù)和決定。2.2生產(chǎn)機械的負載轉矩特性2.2.1恒轉矩負載恒轉矩負載特性是指生產(chǎn)機械的負載轉矩Tz與轉速無關的特性。分反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種。1.反抗性恒轉矩負載Tzn2.位能性恒轉矩負載Tzn2.1.2恒功率負載特性恒功率負載特點是：負載轉矩與轉速的乘積為一常數(shù)，即Tz與成反比，特性曲線為一條雙曲線。負載的轉矩Tz基本上與轉速的平方成正比。負載特性為一條拋物線。TznTzn12Tz02.1.3通風機負載特性2.3他勵直流電動機的機械特性2.3.1機械特性的方程式直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉速。實際空載轉速2.3.2固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：二、人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。電樞串接電阻時的人為特性保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。降低電樞電壓時的人為特性保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。減弱勵磁磁通時的人為特性保持不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大他勵電動機的固有機械特性為一條直線,所以求出直線上任意兩點的數(shù)據(jù)就可以畫出直線,一般選擇理想空載點和額定運行點2.3.3機械特性繪制一、固有特性的繪制步驟：4）計算額定工作點：1）估算2）計算3）計算理想空載點：在固有機械特性方程的基礎上，根據(jù)人為特性所對應的參數(shù)或或變化，重新計算和，然后得到人為機械特性方程式。二、人為機械特性的繪制

2.3.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件處于某一轉速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導致系統(tǒng)的轉速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)，或者當擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉速下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在點，系統(tǒng)平衡擾動使轉速有微小增量，轉速由上升到，，擾動消失，系統(tǒng)減速，回到點運行。擾動使轉速由下降到，，擾動消失，系統(tǒng)加速，回到點運行。2.3.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件：必要條件:

電動機的機械特性與負載轉矩特性有交點,即存在擾動使轉速由上升到，，即使擾動消失，系統(tǒng)也將一直加速，不能回到點運行。充分條件:

在交點處滿足?；蛘哒f，在交點的轉速以上存在,在交點的轉速以下存在。在點，系統(tǒng)平衡起動時轉速，電樞電動勢，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。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、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。2.4他勵直流電動機的起動電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。一、起動特性2.4.1電樞回路串電阻起動三級電阻起動時電動機的電路原理圖和機械特性為二、分組起動電阻的計算

設對應轉速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點c點d點e點f點g點比較以上各式得：

在已知起動電流比β和電樞電阻Ra前提下，經(jīng)推導可得各級串聯(lián)電阻為:（3）選取起動級數(shù)；（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉矩對應的最大電流；（6）計算各級起動電阻。（1）估算或查出電樞電阻；（4）計算起動電流比：取整數(shù)（5）計算轉矩:，校驗：如果不滿足，應另選或值并重新計算，直到滿足該條件為止。計算各級起動電阻的步驟：2.4.2減壓啟動減壓啟動只有在電動機有專用電源時才能使用啟動時,降低電源電壓,電流隨之減小啟動后,逐步提高電源電壓,使電磁轉距維持在一定數(shù)值,保證電機按需要的加速度升速設備投資大啟動電流小,升速平穩(wěn),啟動能耗小2.5他勵直流電動機的電氣制動當與的方向相同時，電機運行于電動機狀態(tài)，當與方向相反時，電機運行于制動狀態(tài)。2.5.1能耗制動電動制動在電動狀態(tài)，電樞電流、電樞電動勢、轉速及驅動性質的電磁轉矩如圖所示。需要制動時,將開關S投向制動電阻上即可。由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉，電動勢方向不變。由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反,對應的電磁轉矩與方向相反,為制動性質,電機處于制動狀態(tài)。制動時，電機靠生產(chǎn)機械的慣性拖動，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉動。能耗制動時的機械特性為：電動機狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段電動機拖動反抗性負載，電機停轉。若電動機帶位能性負載,穩(wěn)定工作點

但制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻的原則是

能耗制動操作簡單,但隨著轉速下降,電動勢減小,制動電流和制動轉矩也隨著減小,制動效果變差。若為了盡快停轉電機,可在轉速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉矩。

改變制動電阻的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉矩及下放負載的穩(wěn)定速度。越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉矩越大,而下放負載的速度越小。即：其中為制動瞬間的電樞電動勢。2.5.2反接制動電壓反接制動時接線如圖所示。一、電樞反接制動反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉矩，從而產(chǎn)生很強的制動作用——電壓反接制動。電動制動開關S投向“電動”側時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關投向“制動”側，電樞回路串入制動電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：機械特性為：曲線如圖中所示。工作點變化為：。制動過程中,、、均為負，而、為正。,表明電機從電源吸收電功率；,表明電機從軸上吸收機械功率;,表明軸上輸入的機械功率轉變?yōu)殡姌谢芈冯姽β省?/p>

反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上。二、倒拉反接倒拉反轉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載。電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動狀態(tài)提升重物(A點)負載作用下電機反向旋轉(下放重物)電機以穩(wěn)定的轉速下放重物c點ABC倒拉反轉反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有倒拉反轉反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。倒拉反轉反接制動時的能量關系和電壓反接制動時相同。2.5.3回饋制動(再生制動)回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運行有兩種情況:當電車下坡時，運行轉速可能超過理想空載轉速,進入第二象限電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限降壓調(diào)速時出現(xiàn)的回饋制動制動過程為段。發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況增磁調(diào)速時出現(xiàn)的回饋制動制動過程為段?；仞佒苿訒r由于有功功率回饋到電網(wǎng)，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經(jīng)濟的。2.6他勵直流電動機的調(diào)速電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速可采用機械調(diào)速、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構速比進行調(diào)速的方法稱為機械調(diào)速；通過改變電機參數(shù)進行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。他勵直流電動機的轉速為電氣調(diào)速方法：1.調(diào)壓調(diào)速；2.電樞串電阻調(diào)速；3.調(diào)磁調(diào)速。改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動機工作在不同的機械特性上，如果機械特性不變，因負載變化而引起轉速的變化，則不能稱為調(diào)速。2.6.1調(diào)速指標：一、調(diào)速范圍:二、靜差率（相對穩(wěn)定性）：δ越小，相對穩(wěn)定性越好；δ與機械特性硬度和n0有關。指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩(wěn)定性好。D與δ相互制約:δ越小,D越小,相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的δ指標的前提,要擴大D,須減少Δn,即提高機械特性的硬度。

三、調(diào)速的平滑性

越接近1，平滑性越好，當時，稱為無級調(diào)速，即轉速可以連續(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。四、調(diào)速的經(jīng)濟性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數(shù)：主要指調(diào)速設備的投資、運行效率及維修費用等。2.6.2電樞電路串電阻調(diào)速nRan0nN0Ra+Rs1BATLTem未串電阻時的工作點A’n1串電阻Rs1后,工作點由A→A→B電樞電路串電阻調(diào)速調(diào)速過程電流變化曲線調(diào)速前、后電流不變調(diào)速過程轉速變化曲線tt=0n1nNIaNianian結論：帶恒轉矩負載時,串電阻越大,轉速越低。他勵電動機改變電樞回路電阻的調(diào)速過程電樞串電阻調(diào)速設備簡單，操作方便。低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉速的相對穩(wěn)定性差；

輕載時調(diào)速范圍小，額定負載時調(diào)速范圍一般為D≦2；損耗大，效率低，不經(jīng)濟。對恒轉矩負載，調(diào)速前、后因增通不變而使Tem和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；缺點:優(yōu)點：2.6.3弱磁調(diào)速A’BTemTLA調(diào)節(jié)磁場前工作點弱磁瞬間工作點A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點減弱磁通的人為機械特性減弱磁通調(diào)速前、后轉速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線ntt=0結論：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。改變勵磁電流調(diào)速時電流和轉速的變化過程ia

轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般D≤2；

為了擴大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉速以下采用降壓調(diào)速。機械特性的斜率變大，特性變軟；缺點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設備簡單，調(diào)速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經(jīng)濟性是比較好。優(yōu)點：2.6.4、降低電樞電壓調(diào)速A’B調(diào)速壓前工作點A降壓瞬間工作點穩(wěn)定后工作點

降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程相似，調(diào)速過程中轉速和電樞電流（或轉矩）隨時間變化的曲線也相似。TemTLA一、機械特性和調(diào)速特性

在電動機和發(fā)電機的電樞回路中，電動機的電樞電動勢

（2-52）式中Eaf——發(fā)電機的電樞電動勢；Raf——發(fā)電機的電樞電阻；Rad——發(fā)動機的電樞電阻；Φd——電動機的每極磁通。所以，電動機的機械特性方程式為

（2-53）和（2-54）

G-M系統(tǒng)機械特性起動首先必須使電動機勵磁，并調(diào)節(jié)勵磁電流達到額定值，然后再使發(fā)電機勵磁。發(fā)電機的感應電動勢是從零逐漸升高的，這就不會發(fā)生起動電流過大造成對電動機的沖擊，保證了電動機能平穩(wěn)起動，而不需要在電樞電路中串接起動電阻。制動要使電動機停轉，只要將開關斷開，電動機就能獲得電氣制動而迅速停下來。反轉要實現(xiàn)電動機反轉，只要將開關投到相反位置即可。反向時不會產(chǎn)生很大的沖擊電流，電動機能夠實現(xiàn)比較平穩(wěn)的反轉。二、起動和制動2.7串勵直流電動機的電力拖動2.7.1串勵電動機的機械特性當磁路不飽和時當磁路飽和時，磁通基本不變，機械特性與他勵直流電動機的機械特性相似。TemnABC磁路不飽和時的機械特性曲線AB段磁路飽和時的機械特性曲線BC段一、固有特性

固有特性是指當時的特性，具有以下特點：它是一條非線性的軟特性，負載時轉速降落很大；空載時，為無窮大。實際上，空載時存在剩磁，為有限值，但值也很大——“飛車”現(xiàn)象。因此串勵電動機不允許空載或輕載運行。由于，起動和過載時電樞電流大，故串勵電動機的起動轉矩大，過載能力強。二、人為特性電樞串電阻的人為特性串入電阻后，轉速降增大，所以電樞串電阻的人為特性在固有特性的下方，且特性變得更軟。降低電壓的人為特性降低電壓時，理想空載轉速下降，人為特性下移。電壓下降后，電樞反電動勢隨之減少，轉速必然減少，所以降低電壓的人為特性位于固有特性下方。改變磁通的人為特性改變磁通的方法是在勵磁繞組上并聯(lián)一個分流電阻。與固有特性相比，在電樞電流相等情況下，勵磁電流減少，磁通減少，所以人為特性位于固有特性上方。2.7.2串勵電動機的起動、調(diào)速一、串勵電動機的起動串勵電動機的起動性能要比他勵電動機好，這是因為串勵電動機的勵磁電流等于電樞電流，因此在同樣的起動電流下，串勵直流電動機有較大的起動轉矩。起動時為了限制起動電流，仍然需要接入起動電阻。起動過程與他勵電動機相似。串勵電動機的機械特性通常不是直線，所以起動電阻的計算一般不能用解析法而只能采用圖解法二、串勵電動機的調(diào)速串勵電動機的調(diào)速也采用電樞串電阻、降壓和弱磁三種方法，其中串電阻常用，弱磁用得較少。2.7.2串勵電動機的制動串勵電動機若不考慮剩磁，理想空載轉速為無窮大，因此不能有回饋制動。串勵電動機的制動能耗制動反接制動他勵磁式制動自勵式制動電樞反接制動倒拉反接制動2.8復勵電動機的機械特性復勵電動機的固有和人為機械特性2.9電力拖動系統(tǒng)的過渡過程動態(tài)過程是指系統(tǒng)從一個穩(wěn)定工作點向另一個穩(wěn)定工作點過渡的中間過程，這個過程被稱為過渡過程，系統(tǒng)在過渡過程的變化規(guī)律和性能被稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。研究這些問題，對經(jīng)常處于起動、制動運行的生產(chǎn)機械如何縮短過渡過程時間，減少過渡過程中能量損耗，提高勞動生產(chǎn)率等，都有實際意義。2.9.1他勵直流電動機起動時的過渡過程為突出主要機電過程，在討論中作如下假定：電網(wǎng)電壓U=UN=常數(shù)，不因起動電流的沖擊而產(chǎn)生波動。不考慮電樞反應影響，即磁通Ф常數(shù)。負載轉矩TZ=常數(shù)。設一他勵直流電動機在全電壓的條件下，電樞串入固定電阻進行起動，根據(jù)電動勢平衡方程式和轉矩平衡方程式，可寫出式中R——電樞電路總電阻。

（2-63）（2-62）式中Iz——對應于負載轉矩TZ時的穩(wěn)態(tài)電樞電流（負載電流）

Tm——機電時間常數(shù)，解式（2-64）得（2-65）

由式（2-62），得所以，代入式（2-63），得（2-64）式中K由起始條件決定，在起動瞬間，即t=0時，Ia=Ist1，于是可求得K=Ist1+Iz，代入式（2-65）求得（2-66）（2-67）上式即表示起動過程中電樞電流隨時間的變化規(guī)律它按指數(shù)規(guī)律變化。因為ф=常數(shù)，所以由式（2-66）便可直接推出電磁轉矩在起動過程中的變化規(guī)律