第4章-直流電動機(jī)的運(yùn)行

本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、直流電動機(jī)的機(jī)械特性、啟動、調(diào)速、制動等方法和物理過程。第4章他勵直流電動機(jī)的運(yùn)行一、電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式

運(yùn)動方程式描述了系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)取決于作用在原動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。1、運(yùn)動方程式負(fù)載電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)生產(chǎn)機(jī)械控制設(shè)備電源電力拖動系統(tǒng)的組成2、運(yùn)動方程的實(shí)用形式3、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的三種狀態(tài)1)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當(dāng)或時,系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。常把或稱為動負(fù)載轉(zhuǎn)矩，把稱為靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩。式中，GD2為轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩。

首先確定電動機(jī)處于電動狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向，然后再規(guī)定：4、運(yùn)動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負(fù)號的規(guī)定（1）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為正，相反時為負(fù)。（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為負(fù)，相反時為正。(3)慣性轉(zhuǎn)矩的大小和正負(fù)號由和的代數(shù)和決定。1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負(fù)載的機(jī)械特性，簡稱負(fù)載特性。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性是指生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TLn（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TLn5、負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性2）恒功率負(fù)載特性

恒功率負(fù)載特點(diǎn)是：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLnTLn理想的通風(fēng)機(jī)特性實(shí)際通風(fēng)機(jī)特性TL0

負(fù)載的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比。負(fù)載特性為一條拋物線。3）泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性二、他勵電動機(jī)的啟動1、直接啟動在直接啟動時，啟動電流啟動轉(zhuǎn)矩通常情況下，若直接啟動：

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。因此，若直接啟動可能造成以下后果：①換向困難；②換向器產(chǎn)生環(huán)火燒毀電刷；③電樞繞組產(chǎn)生過大電磁力，損壞繞組；④引起電網(wǎng)電壓波動，影響其他電氣設(shè)備運(yùn)行。結(jié)論：除了微型直流電動機(jī)，由于自身電樞電阻大，可以直接啟動外，一般直流電動機(jī)都不允許直接啟動。（1）由于電流增大造成的后果：（2）由于轉(zhuǎn)矩增大造成的后果：過大的電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生過大的加速度，損壞機(jī)械傳動部件。因此，一般情況下2、電樞回路串電阻啟動由電動機(jī)啟動時的公式可以確定電動機(jī)啟動時電樞回路所串電阻的大小啟動后，分段切除所串電阻，全部切除后，穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)。R增大

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。2、降低電樞電壓啟動由電動機(jī)啟動時的公式可以確定電動機(jī)啟動時電壓的大小U降低電源電壓可以連續(xù)上升（調(diào)節(jié)），使啟動更快、更平穩(wěn)。例題：P69例題4-1三、他勵電動機(jī)的調(diào)速1、調(diào)速原因是它拖動的生產(chǎn)機(jī)械的需要，例如：車床切削工件時精加工用高轉(zhuǎn)速，粗加工用低轉(zhuǎn)速；軋鋼機(jī)軋輥在咬鋼時用低轉(zhuǎn)速，在軋制中用高轉(zhuǎn)速，等等。2、調(diào)速方法有電樞串電阻調(diào)速，降低電樞電壓調(diào)速和弱磁調(diào)速三種方法。3、調(diào)速的性能指標(biāo)1）調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)時，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。一般講，調(diào)速范圍大好。2）靜差率額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比。靜差率越小，相對穩(wěn)定性越好。3）平滑性相鄰兩級調(diào)速中，高一級轉(zhuǎn)速與低一級轉(zhuǎn)速之比。φ越接近1，平滑性越好。i→∞，φ→1為無極調(diào)速。4、調(diào)速方法1）電樞串電阻調(diào)速結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時,串電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。（1）調(diào)速過程中電流和轉(zhuǎn)速的變化示意圖調(diào)速前后、電流不變調(diào)速中轉(zhuǎn)速變化情況前提串入R。（2）調(diào)速特性曲線R增大（3）主要特征①R↑→n↓；②從基速向下調(diào)速；③負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL一定時，電樞電流Ia與轉(zhuǎn)速n無關(guān)；④負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL一定時，銅損耗隨轉(zhuǎn)速n降低而增大；⑤R↑→β↑→特性變軟→n的運(yùn)行穩(wěn)定性差；⑥受R容量大，體積大的限制，只能有級調(diào)速，最大為六級。2）降低電樞電壓調(diào)速前提調(diào)U。（1）調(diào)速特性曲線U降低（2）主要特征①U↓→n↓；②從基速向下調(diào)速；③負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL一定時，電樞電流Ia與轉(zhuǎn)速n無關(guān)；④β不變，硬度不變，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；⑤可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，平滑性好。3）弱磁調(diào)速前提不過分大。（1）調(diào)速特性曲線Ф減小（2）主要特征①從基速向上調(diào)速；②因?yàn)閯畲烹娏餍。怨β蕮p耗?。虎廴醮趴刂品奖?；④最大轉(zhuǎn)速nmax受換向和機(jī)械強(qiáng)度的限制，nmax≤1.2

導(dǎo)致調(diào)速范圍?。虎萏匦宰冘洝鷑的運(yùn)行穩(wěn)定性差。4）調(diào)速綜述他勵直流電動機(jī)廣泛采用降低電源電壓向下調(diào)速及減弱磁通向上調(diào)速的雙向調(diào)速方法，具有①調(diào)速范圍寬；②功率損耗小；③運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。例題：P73例題4-25）恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速調(diào)速過程中：則=常數(shù)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）恒功率調(diào)速在中，調(diào)速時，讓?dǎo)丁鶷↓，但Ф↓→n↑（Ω↑）則P=T↓Ω↑

=常數(shù)為恒功率調(diào)速。TLnTLn四、他勵電動機(jī)的制動

當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時,電機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時,電機(jī)運(yùn)行于制動狀態(tài)。1、能耗制動電動制動

制動運(yùn)行時，將系統(tǒng)儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。制動瞬間（如特性曲線圖），U=0，n不能突變，運(yùn)行點(diǎn)從A→B，Ф和均不變。此時<0，<0。1）能耗制動過程如圖，處于電動狀態(tài)的電動機(jī)，突然將開關(guān)S投向制動電阻上，即實(shí)現(xiàn)制動。2）能耗制動時的機(jī)械特性曲線電動狀態(tài)工作點(diǎn)制動瞬間工作點(diǎn)制動過程工作段拖動反抗性負(fù)載制動過程結(jié)束若電動機(jī)帶位能性負(fù)載，穩(wěn)定工作點(diǎn)3）主要特征①制動發(fā)生在第二象限的B→0段；②TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；③-TB與-TL共同作用使電動機(jī)減速；④減速中n和Ea逐漸下降，到0點(diǎn)后，Ea=0，Ia=0，n=0，停車結(jié)束；⑤容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。機(jī)械特性4）功率流程圖

電動機(jī)將系統(tǒng)釋放所儲存的動能扣除空載功率損耗后，轉(zhuǎn)變成電磁功率全部消耗在電樞回路的電阻上。5）制動電阻的最小值因?yàn)椋核裕阂驗(yàn)镽↓→Iab↑→↑

→停車越快；但是，因?yàn)镽↓→Iab↑→換向困難，R又不能太小。所以制動電阻的最小值為：式中，為電動機(jī)的最大允許電流。

能耗制動操作簡單，但隨著轉(zhuǎn)速下降，電動勢減小，制動電流和制動轉(zhuǎn)矩也隨著減小，制動效果變差。若為了盡快停轉(zhuǎn)電機(jī)，可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時，切除一部分制動電阻，增大制動轉(zhuǎn)矩。拓展：2、反接制動如圖，將正向運(yùn)行的電動機(jī)的電源電壓突然反接，同時在電樞回路串入電阻。電動制動開關(guān)S投向“電動”時，電樞接正極電壓，電機(jī)處于電動狀態(tài)。進(jìn)行制動時，開關(guān)投向“制動”，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，電動機(jī)處于制動狀態(tài)。1）制動過程2）特性曲線正向電動狀態(tài)工作點(diǎn)制動瞬間工作點(diǎn)制動過程工作段制動過程結(jié)束反向啟動過程3）主要特征①制動發(fā)生在第二象限的B→C段；②反接制動工作點(diǎn)A→B→C；③④減速中n和Ea逐漸下降，到0點(diǎn)后，Ea=0，Ia=0，n=0，經(jīng)抱閘停車；⑤不容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。，從反向看（-n0），β↑（特性軟）。④TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；4）功率流程圖

電動機(jī)將電源輸入的電功率加上系統(tǒng)釋放所儲存的動能扣除空載功率損耗后，轉(zhuǎn)變成電磁功率全部消耗在電樞回路的電阻上。5）制動電阻的最小值因?yàn)椋核裕阂驗(yàn)镽↓→Iab↑→↑

→停車越快；但是，因?yàn)镽↓→Iab↑→換向困難，R又不能太小。所以制動電阻的最小值為：式中，為電動機(jī)的最大允許電流。能耗自動最小電為：3、反接制動與能耗制動比較1）若是同一臺電動機(jī)，同一個最大允許電流，則Rmin（反）=2Rmin（能）2）因?yàn)镽min（反）=2Rmin（能）所以，β（反）=2β（能）3）從特性曲線上看，在停車過程中，反接制動的電磁轉(zhuǎn)矩比能耗制動的大，因此停車迅速。4）在準(zhǔn)確停車上，反接制動不如能耗制。5）對于要求頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械（如可逆軋鋼機(jī)）采用反接制動可使正向停車和反向啟動連續(xù)進(jìn)行，縮短過渡過程時間。能耗制動能耗制動反接制動4、倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行他勵直流電動機(jī)拖動位能性負(fù)載運(yùn)行。在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻，即可實(shí)現(xiàn)制動。1）特性曲線工作點(diǎn)由A-B-C-D，CD段為制動段。正向電動提升重物電樞串較大電阻特性電動機(jī)以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下放重物負(fù)載作用下電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)2）主要特征①拖動位能負(fù)載；②電樞回路串聯(lián)較大電阻，β很大（特性較軟）；③運(yùn)行在第四象限的C→D段；④TB>0，n<0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。5、回饋制動運(yùn)行

電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅(qū)動變?yōu)橹苿印哪芰糠较蚩?，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運(yùn)行有兩種情況:電壓反接制動帶位能性負(fù)載進(jìn)入第四象限當(dāng)電車下坡時，運(yùn)行轉(zhuǎn)速可能超過理想空載轉(zhuǎn)速，進(jìn)入第二象限1）正向回饋制動運(yùn)行（1）特性曲線（2）主要特征②制動運(yùn)行在第二象限的A點(diǎn)；③TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；④n>0，為正向回饋制動狀態(tài)。（3）功率流程圖見前頁圖。系統(tǒng)釋放所儲存的動能回饋電源①

；2）反向回饋制動運(yùn)行（1）特性曲線1（2）主要特征②

拖動位能性負(fù)載；③電源電壓反接U=-U；⑥

n<0，反向回饋制動。④運(yùn)行在第四象限B點(diǎn)；