電機及其拖動基礎(chǔ) 第九章

1、第九章 直流電動機的電力拖動,直流電動機的機械特性 直流電動機的起動 直流電動機的制動 直流電動機的調(diào)速 電力拖動系統(tǒng)的過渡過程,電力拖動就是利用電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能，使各種類型的生產(chǎn)機械按人們所給定的規(guī)律運動。,研究電動機帶上負載后的各種運轉(zhuǎn)狀態(tài) 起動、制動、調(diào)速、反轉(zhuǎn) 及其它們的過渡過程。,電動機的機械特性、系統(tǒng)的基本運動方程式和生產(chǎn)機械的機械特性這三者是研究的基礎(chǔ)。它們決定了電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行及其過渡過程中的工作特性。,.,1 他勵直流電動機的機械特性,電動機的機械特性中，當U、和(Ra+Rc)一定時，n與T為一次函數(shù)。,當T=0時， ，稱為理想空載轉(zhuǎn)速。,k值小，機械特性較平，稱

2、為硬特性；,k值大，機械特性較斜，稱為軟特性。,轉(zhuǎn)速降,4,理想空載轉(zhuǎn)速,電動機實際空載轉(zhuǎn)速,電動機帶負載后的轉(zhuǎn)速降,當電樞電流較大時，由于飽和的影響，產(chǎn)生去磁作用。磁通降低，轉(zhuǎn)速就要回升，機械特性在負載大時呈上翹現(xiàn)象。,一、固有（自然）機械特性,稱為固有（自然）機械特性。,額定轉(zhuǎn)速降,二、人為機械特性,改變電壓、電阻、磁通當中一個 或幾個就得到人為機械特性。,1. 電樞回路串電阻Rc的人為機械特性,方程式為,特點： 理想空載轉(zhuǎn)速n0同固有特性；, 當Rc時，k，特性越軟，曲線越陡；, 特性曲線是通過理想空載轉(zhuǎn)速點的一族放射性直線。,用途： 起動；, 調(diào)速；, 制動。,2. 改變供電電壓U的人

3、為機械特性,方程式為,特點： 斜率同固有特性，同一轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降相等；, 理想空載轉(zhuǎn)速與供電電壓成正比變化；, 特性曲線是一組平行于固有特性的直線。,當采用晶閘管整流裝置時，可以實現(xiàn)無級調(diào)速。,注意：實際上只能降壓，而不能升壓，以免損壞電動機。,.,.,用途： 起動；, 調(diào)速；, 制動；,3. 減弱磁通的人為機械特性,方程式為,特點： 理想空載轉(zhuǎn)速點上移；, 斜率增大；, 特性曲線即不是平行線，也不是放射性直線。,用途：調(diào)速。,若勵磁電流可以連續(xù)調(diào)節(jié)，則可以得到平滑調(diào)速。,弱磁調(diào)速一般不單獨使用，往往同降壓調(diào)速配合使用， 可使調(diào)速范圍變寬。,注意：磁通不可太小，否則理想空載轉(zhuǎn)速太高，電動機的

4、 換向能力和機械強度承受不了。,.,三、機械特性的工程繪制,1. 固有機械特性的計算和繪制,因為他勵直流電動機的機械特性是直線，,所以繪制固有機械特性只要抓住兩個點就可以了。,一個點是理想空載點：T=0，n=n0；,另一個點是額定工作點：T=TN，n=nN。,計算數(shù)據(jù)可以根據(jù)電動機銘牌求取。,電動機銘牌數(shù)據(jù)有：PN、UN、IN、nN等。,.,若Ra未給出，可用估算法或伏安法求取,估算法,注意：PN的單位為瓦（W）。,伏安法,測量時，在I=(0.51.2)IN中取幾點，讀取電壓表和電流表 的數(shù)值，計算Rai（i=1、2、N），最后取平均值，得,.,計算關(guān)鍵點的值,最后在坐標系中標出（0，n0），

5、（TN，nN）兩個點，連接 這兩點就可以得到固有機械特性了。,2. 人為機械特性的計算和繪制,其方法與固有機械特性的方法相似。,也只要抓住兩個點就可以了。,根據(jù) ，找到兩個點，繪制出 曲線即可。,四、 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件,(一)、穩(wěn)定運行的概念,電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)是由電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T和 負載轉(zhuǎn)矩TL共同決定的。,當T=TL時， ，電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。,當系統(tǒng)在某一工作點穩(wěn)定運行時，擾動作用會導致系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。如果在擾動持續(xù)期間，系統(tǒng)能在新的條件 下達到新的平衡，在新的工作點穩(wěn)速運行，而且在擾動消 失后能夠自動回到原來的工作點穩(wěn)速運行，這樣的系統(tǒng)是 穩(wěn)定的。否則，系統(tǒng)是

6、不穩(wěn)定的。,(二)、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件,電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：, T=TL。只有在兩條機械特性的交點處，才能實現(xiàn) 轉(zhuǎn)矩平衡。,該點稱為工作點。, 在工作點處，,簡便判定法：,做一條水平直線于工作點上方，分別與兩條機械特性 相交。比較兩個轉(zhuǎn)矩的增量，若dT dTL，則系統(tǒng) 穩(wěn)定。否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。,在工作點上方做一條水平直線，分別交T-n 曲線于A點， TL-n 曲線于B點，若A點在B點左側(cè)，則系統(tǒng)穩(wěn)定， 否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。,.,dTdTL,系統(tǒng)產(chǎn)生負加速度，使轉(zhuǎn)速回復到原來n，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。,2 直流電動機的起動,直流電動機的起動要求： 有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩 起動電流限

7、制在允許范圍內(nèi) 起動時間短，符合生產(chǎn)技術(shù)要求 起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠,起動就是使原來靜止的電動機通電旋轉(zhuǎn)起來,并達到 所要求的轉(zhuǎn)速的整個過程。,起動方法：,首先要加勵磁，并使磁通達到最大，然后給電樞加 適當?shù)碾妷海妱訖C就可以起動了。,一、直接起動,直接起動就是不采用任何限制起動電流的措施，把電樞直接 接到額定電壓的電源上進行起動。,通電瞬間 n=0，Ea=0，,又Ra很小，,Ist很大，TstIst也很大。一般為額定值的1020倍。,隨著n，Ea，Ia，T，工作點沿著機械特性曲線上升， 直到電動機的機械特性與負載的機械特性的交點A處，T=TL， 電動機以轉(zhuǎn)速nA穩(wěn)定運行，起動過程結(jié)束。,直

8、流電動機直接起動操作簡單，但起動電流Ist太大。,對于大多數(shù)電動機要采取一些措施來限制起動電流Ist 。,在加速轉(zhuǎn)矩(Tst-TL)作用下， ，電動機開始轉(zhuǎn)動， 并且加速。,.,二、電樞回路串電阻起動,目的是限制起動電流。 切換瞬間電流變化，而轉(zhuǎn)速不能突變。,當轉(zhuǎn)速為零時,當轉(zhuǎn)速不為零時,轉(zhuǎn)速上升過程中逐級短接切除電阻,1. 串多級電阻起動過程,串電阻起動可以限制起動電流。,根據(jù)電動機容量可以采用一級或多級起動電阻。,2. 起動電阻的計算,起動電阻的計算的主要任務有：, 選擇最大起動電流IS1和切換電流IS2；, 確定適當?shù)钠饎蛹墧?shù) m；, 計算各分段電阻的阻值和功率。,要以起動級數(shù)少（一般為

9、34級，不超過6級為好）， 起動過程快為總原則。,一般選取IS1 =（1.5 2.2）IN；,IS2 =（1.1 1.2）IN 或 IS2 =（1.1 1.3）IL ；,當IS1確定后，即可求出第一級起動時電樞回路總電阻R1，即,在電流切換瞬間，反電勢不能突變,UNIS2R1 = UNIS1R2,故,同理可得,起動電流比,由此得各級 起動電樞回路電阻為,各分段 起動電阻值為,一般地，若起動級數(shù)為m級，則有,于是,起動電阻值的計算步驟：, 若不知道電樞回路電阻，可根據(jù)電動機的銘牌數(shù)據(jù) 估算出電動機的電樞回路電阻Ra；, 選取最大起動電流IS1，并由此計算出最大起動電阻R1；, 若起動級數(shù)不知道，

10、可初選切換電流IS2，從而初得 起動電流比q，由 算出起動級數(shù)（有小數(shù)）， 取接近的整數(shù)即為所要的起動級數(shù)m；, 計算起動電流比q；, 校核切換電流IS2 ，若不滿足要求，則重選起動級數(shù)m；, 將起動電流比q代入相應公式，計算相應的起動電阻值。,.,例：一臺直流電動機，其額定參數(shù)為PN=10KW，UN=220V， IN=52.6A，nN=1500r/min，Ra=0.284，設(shè)TL=0.8TN， 起動級數(shù)m=3，電動機的過載倍數(shù)為2，求各分段起動 電阻值。,解：,選取最大起動電流IS1=（1.52.2）IN,IS1=2IN=252.6=105.2A,求出R1,求起動電流比q,例 題,校核切換電

11、流IS2，IS2=（1.21.5）IL,TL=0.8TN，,IL=0.8IN=0.852.6=42.08A,計算各分段電阻值,穩(wěn)態(tài)電流,U,三、起動的過渡過程,得,對電勢基本方程求導，,同理：,過渡過程時間t=（34）tM,三要素法： 初始值、穩(wěn)態(tài)值 和時間常數(shù),時間常數(shù),四、降壓起動,當他勵直流電動機的電樞回路由專用可調(diào)電源供電時，可用 降低電壓的方法來限制最大起動電流。起動電流將隨著電樞 電壓降低而成正比減小。,起動前，先調(diào)好勵磁，然后使電源電壓自動地由低向高調(diào)節(jié)， 電動機就逐步起動。,在手動調(diào)節(jié)時，應使電源電壓慢慢上升，不可使電壓升得 太快，否則，會發(fā)生較大的沖擊電流，失去降壓起動的意義

12、。 平滑升速、耗能小。,五、他勵直流電動機的反轉(zhuǎn),改變電動機轉(zhuǎn)向的方法：,將電樞繞組兩端的極性保持不變，而將勵磁繞組反接 ；,將勵磁繞組兩端的極性保持不變，而將電樞繞組反接 。,前者較少用，而后者最常用。,磁場反向,電樞反向,取決于電磁轉(zhuǎn)矩 T 的方向。 T 的方向取決于 和 Ia 的方向。,3他勵直流電動機的制動,制動是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能性 負載下降速度的一種運轉(zhuǎn)過程。,制動方式, 自然停車, 機械制動, 電氣制動, 能耗制動, 反接制動, 回饋制動,電動狀態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n同方向，電動機輸入電能， 輸出機械能。,制動狀態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n反方向，電動機輸入機械能，

13、 輸出電能。,一、能耗制動,能耗制動電路圖,U=0，電樞回路串入電阻,帶位能負載的能耗制動機械特性, 能耗制動過程, 制動原理,工作點變動情況：A B O。,在整個制動過程中,因為電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，所以電動機處于制動狀態(tài)。, 能耗制動的機械特性,電阻Rz越小，機械特性越平，起始制動轉(zhuǎn)矩Tb的絕對值 越大，制動就越迅速。,但Rz不可過分小，以免使Tb太大而損壞電動機。,一般限制Tb2TN，或Iamax2IN，,從能量的觀點看，能耗制動的能量是由 機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再轉(zhuǎn)變成熱能。,能耗制動操作簡單，電動機拖動反抗性負載能迅速停車， 但在轉(zhuǎn)速降到較低時，制動效果就不太明顯，此時或采用 分級切

14、除制動電阻，或采用機械抱閘，以加快制動效果。, 能耗制動電阻Rz的計算, 能耗制動運行,工作點變動情況：A B O C。,系統(tǒng)拖動位能性負載。,在C點，T=TL，系統(tǒng)穩(wěn)定工作。而此時T0，nC0， 兩者方向相反，電動機處于制動狀態(tài)。,這種運行狀態(tài)稱為能耗制動運行。,能耗制動運行，可以防止負載按自由落體運動，因此 也稱為限速制動。,限速制動的速度是可變的。,當電樞回路串入不同的制動電阻Rz時，制動的轉(zhuǎn)速 也不同。Rz越小， nC 也越小。,二、反接制動,當他勵直流電動機的電樞電壓U和電樞電勢Ea之中任意一個 在外部條件作用下改變了極性時，電動機就處于反接制動 狀態(tài)。,位能性負載的反接制動電路圖,

15、位能負載反接制動機械特性,機械特性方程為,這是一條通過（0，-n0）點與電樞串阻Rrb的人為特性 相平行的直線。,工作點變動情況：A B C。,注意：工作點到達C點時，n=0，制動過程結(jié)束。,此時必須立即切斷電源，否則由于TC TL ， 電動機會反向起動。,.,1. 電壓反接制動（B C）,外加電壓的方向改變了。,由于電動機轉(zhuǎn)速n及電樞電勢Ea不能突變，而使U與Ea 極性一致。,為了限制電壓反接時的電樞電流，在電樞回路中串入 電阻Rrb ，其值為,電壓反接制動電阻Rrb的計算：,電壓反接過程中的能量關(guān)系為：,電動機從電源吸收電功率P1= -UNIa 0，從軸上吸收 機械功率P2=T20，然后全

16、部消耗在電樞回路的總 電阻上。,2. 電勢反接制動（倒拉反接）,工作點變動情況：A B C D 。,系統(tǒng)拖動位能性負載。,在C點，n=0，但是TC TL，電動機被位能性負載 拖動開始反轉(zhuǎn)，直至D點，TD=TL，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。,在C D 過程中，電樞電勢的方向與原來的方向相反， 故為電勢反接制動。,倒拉反接制動的機械特性, RC值較大，使D點處的 kCT n0, nD 0,三、回饋制動（nn0， Ea U）,他勵直流電動機運行時，若實際轉(zhuǎn)速在外部條件作用下， 變得高于其理想空載轉(zhuǎn)速n0，致使電樞電勢Ea高于電網(wǎng) 電壓U時，電動機即運行于回饋制動狀態(tài)。,C,T,0,A,D,T,T,b,L,n,n,

17、0,回饋,n,T反號,制動,降壓調(diào)速時的回饋制動,（最終穩(wěn)定運行在電動狀態(tài)）,B,1. 回饋制動過程,工作點變動情況：A B C D,在 B C 過程中，n n0 0，相應地Ea U ， 所以為Ia負值，即有電流回饋給電網(wǎng)。,由于電磁轉(zhuǎn)矩亦為負值，故電動機處于回饋制動狀態(tài)。,在回饋制動過程中， Ia 0 ，T 0 ， Ea U ，所以 P1=UIa 0，即向電網(wǎng)回送電能；而P2=T2 0，即 吸收機械功率，因此這一過程是將機械能變成電能(即 發(fā)電機運行)。,.,例 題,【例1】他勵直流電動機數(shù)據(jù)為 該電機加額定電壓及額定勵磁，帶反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載運行，在轉(zhuǎn)速 n=1000r/min 時采用電氣制

18、動停車，若限定最大制動電流 ，試 計算采用能耗制動和電壓反接制動時電樞回路各應串接 多大的電阻？,解：先求出制動開始時的電樞電勢,能耗制動過程中應串入電阻,電壓反接制動過程中應串入電阻,例2一臺他勵直流電動機的數(shù)據(jù)如下：,（1）電動機帶動一個位能負載，在固有特性上作回饋制動下放， ，求電動機反向下放轉(zhuǎn)速。,（2）電動機帶動位能負載，作反接制動下放， 時，轉(zhuǎn)速 ，求串接在電樞電路中的電阻值、電網(wǎng)輸入的功率、從軸上輸入的功率及電樞電路電阻上消耗的功率。,（3）電動機帶動反作用負載，從 進行能耗制動，若其最大制動電流限制在100A，試計算串接在電樞電路中的電阻值。,解 （1）,電動機反向下放轉(zhuǎn)速,（

19、2）電樞電路總電阻,電樞串接電阻,電網(wǎng)輸入功率,電樞電路電阻上消耗的功率,軸上功率（為負值，表示從軸上輸入功率）,（3）能耗制動時最大電流出現(xiàn)在制動開始時，此時感應電動勢為,電樞電路總電阻,電樞電路串接電阻,4 他勵直流電動機調(diào)速,一、他勵直流電動機的調(diào)速方法,改變電動機的參數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速的目的。,改變U、Rc中任何一個參數(shù)，都可以改變電動機的 機械特性，從而改變拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點，也就是改 變了拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，達到了調(diào)速的目的。,1. 電樞回路串電阻調(diào)速,工作點變動情況：A AB。,電樞回路串電阻，只能在額定轉(zhuǎn)速（基速）以下調(diào)速， 一般稱為由基速向下調(diào)速。,特點： 機械特性變軟，受負

20、載波動影響大；, 在空載或輕載時，調(diào)速范圍小；, 有級調(diào)速；, 損耗大，電動機效率低。,它應用于對調(diào)速性能要求不高的場合（如起重機、電車等）。,A,B,C,B ,A ,n,T,n0,TL,2. 降低電源電壓的調(diào)速,工作點變動情況：A AB。,特點： 基速向下調(diào)速；, 機械特性的硬度不變，速度穩(wěn)定性好；, 可實現(xiàn)無級調(diào)速；, 損耗小，電動機效率高。,3. 弱磁調(diào)速,工作點變動情況：A AB。,特點： 基速向上調(diào)速；, 可實現(xiàn)無級調(diào)速；, 損耗小，電動機效率高。,二、調(diào)速指標,1. 靜差率,靜差率是指電動機帶額定負載時的轉(zhuǎn)速降n與對應 機械特性上理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。用符號表示，即,靜差率是反映運

21、行轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定的一個指標。,靜差率越小，因負載波動而引起的轉(zhuǎn)速變化就越小， 轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越好。,注意：靜差率不僅與機械特性的硬度有關(guān)， 還與理想空載轉(zhuǎn)速n0的高低有關(guān)。,相同的硬度，而不同的理想空載轉(zhuǎn)速，其靜差率是不一樣的。,因為當n=const 時，n0，則 ；反之亦然。,.,2. 調(diào)速范圍,調(diào)速范圍是指電動機在額定負載時，最高轉(zhuǎn)速nmax與 最低轉(zhuǎn)速nmin之比。用符號D表示，即,最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機換向能力和機械強度的限制。,最低轉(zhuǎn)速nmin受靜差率指標的限制。,nmax ； ； n。,采用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，是擴大調(diào)速范圍的最好方法。,一般取為電動機的額定轉(zhuǎn)速nN。,當n0

22、=const時，n，n，。,而是越小越好。,.,擴大調(diào)速范圍D的途徑：,.,.,3. 調(diào)速的平滑性,定義：相鄰兩級轉(zhuǎn)速中，高一級轉(zhuǎn)速ni與低一級轉(zhuǎn)速ni-1之比， 用平滑系數(shù) 表示，即,越大，調(diào)速的平滑性越差。,越接近1，調(diào)速的平滑性越好。,為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。,4. 調(diào)速的經(jīng)濟性,調(diào)速的經(jīng)濟性主要是指調(diào)速裝置的初投資、電能損耗 及運轉(zhuǎn)維修費用。,6 電力拖動系統(tǒng)的過渡過程,在電力拖動系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被破壞，從而導致 系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)向另一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)移的過程，稱為電力拖動 系統(tǒng)的過渡過程。,研究過渡過程可以分析如何縮短過渡過程的時間 從而提高生產(chǎn)率,探討減小過渡過程損耗的途徑 提高電動機的利用率,還可以研究如何改善電力拖動的運行情況 使設(shè)備能安全進行,研究過渡過程的意義,產(chǎn)生過渡過程的內(nèi)在原因是因為系統(tǒng)中存在著儲藏能量的 慣性環(huán)節(jié)，使一些物理量不能突變。, 機械慣性