西南交大電機與拖動基礎(chǔ)2章

1、第2章 直流電機的運行和拖動 摘要：本章主要介紹了直流電機的三個基本公式和電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動方程式，介紹了幾種典型的負載機械特性和他勵直流電動機的機械特性。在此基礎(chǔ)上，分析了他勵直流電動機的各種運行狀態(tài)及其起動、制動、調(diào)速的方法和特性。 2.1 直流電機的運行原理和特性 2.1.1 電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 (1)電樞電動勢圖2.1 氣隙合成磁場磁密分布和 平均磁密及導體受力情況 2.1.2 直流電機穩(wěn)態(tài)運行時的電壓平衡方程式 2.1.3 直流電機的運行特性 (1)直流發(fā)電機的運行特性 1)空載運行 空載特性圖2.2 他勵直流電機電路圖圖2.3 直流發(fā)電機的空載特性 并勵和復勵直流發(fā)電機空載電壓的

2、建立 自勵電壓的建立有三個條件： 電機必須有剩磁，如果電機無剩磁，可用其他直流電源激勵一次，以獲得剩磁。 勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確，否則在勵磁繞組接通以后，電樞電勢不但不會增大，反而會下降，如有這種現(xiàn)象，可將勵磁繞組與電樞出線端的連接對調(diào)，或者將電樞反轉(zhuǎn)。這兩種措施都可改變勵磁繞組兩端的極性，即改變勵磁電流的 方向。 如果勵磁回路中電阻很大，則伏安特性U0=If0rf很陡，與空載特性交點很低或無交點，也不能建立電壓，如圖2.5中直線3與空載特性相切，此時勵磁回路的電阻值稱為臨界值。所以要使發(fā)電機能順利地自勵建立電壓，還必須使rf小于臨界值。圖2.4 并勵直流發(fā)電機接線圖 2)負載運行

3、負載增加，去磁性質(zhì)的電樞反應引起氣隙合成磁通的減小，從而使相應的感應電勢下降。 負載增加，電樞回路的電阻壓降和電刷壓降增大。 (2)直流電動機的工作特性 1)并勵直流電動機的工作特性 轉(zhuǎn)速特性 轉(zhuǎn)矩特性 效率特性圖2.5 并勵直流發(fā)電機的自勵1空載特性；2勵磁電阻線；3臨界電阻線圖2.6 直流發(fā)電機外特性1積復勵發(fā)電機；2他勵發(fā)電機；3并勵發(fā)電機圖2.7 并勵直流電動機工作特性1轉(zhuǎn)速特性；2轉(zhuǎn)矩特性；3效率特性 2)串勵直流電動機的工作特性 轉(zhuǎn)速特性圖2.8 串勵直流電動機接線圖圖2.9 串勵直流電動機的工作特性1轉(zhuǎn)速特性；2轉(zhuǎn)矩特性；3效率特性 2.1.4 電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動方程式 (1)轉(zhuǎn)

4、動方程式 1) 即電機靜止或恒速 旋轉(zhuǎn)。電力拖動系統(tǒng)處 于穩(wěn)定運行狀態(tài)，簡稱穩(wěn)態(tài)。 2) 電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過渡過程。 3) ，電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也處于過渡過程。 (2)單軸與多軸系統(tǒng) 2.1.5 負載機械特性 (1)恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性 1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性 2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性圖2.10 電力拖動系統(tǒng)示意圖(a)實際多軸系統(tǒng)；(b)等效單軸系統(tǒng)圖2.11 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性圖2.12 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性 (2)恒功率負載機械特性 (3)風機類負載機械特性 例2.1 已知某電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN=260 Nm，額定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，

5、拖動系統(tǒng)的總飛輪矩GD2=72 Nm2，負載為額定恒轉(zhuǎn)矩負載，即TL=TN。求：圖2.13 恒功率負載機械特性圖2.14 風機類負載機械特性圖2.15 實際通風機負載機械特性 1)若電動機的轉(zhuǎn)速由零起動至nN的加速時間為0.8s，加速過程中設(shè)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不變，則電動機輸出轉(zhuǎn)矩為多少? 2)若要求電動機轉(zhuǎn)速由nN制動到停止時的時間為0.4s，制動減速過程中設(shè)電動機輸出轉(zhuǎn)矩不變，則電動機輸出轉(zhuǎn)矩為多少? 解 設(shè)起動時電機旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速n的正向，電動機輸出轉(zhuǎn)矩T與n同向。 在加速或減速過程中電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩都不變，則加速度(或減速度)不變，由式(2.14)可得 2.2 他勵直流電動機的

6、機械特性 2.2.1 機械特性的一般表達式圖2.16 他勵直流電動機電路原理圖圖2.17 他勵直流電動機的機械特性 因此固有機械特性一般為硬特性。 (3)減弱磁通時的人為機械特性圖2.18 他勵直流電動機電樞回路串接電阻 時的機械特性(R1R2)圖2.19 他勵直流電動機降低電壓時的 機械特性(UNU1U2)圖2.20 他勵直流電動機減弱磁通時的 機械特性(N12) 2.2.4 機械特性的繪制 1.固有機械特性的繪制 (1)對于理想空載點(0，n0)： (2)對于額定運行點(TN，nN)： 2.人為機械特性的繪制 例2.2一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：UN=220 V, IN=115 A,

7、nN=1 500 r/min, PN=22 kW。求： (1)電樞回路串入電阻R=0.75時的人為機械特性； (2)磁通減弱為0.8N時的人為機械特性； (3)電壓下降為U=U時的人為機械特性。 解 估算Ra，取系數(shù)為12，則 額定數(shù)據(jù)為 (1)電樞回路串入電阻R=0.75時，n0不變，則 求得理想空載點(T=0，n=n0=1 606)和額定負載點為 (2)磁通減弱為=0.8N時，有圖2.21 他勵直流電動機帶動恒轉(zhuǎn)矩負載穩(wěn)定運行圖2.22 他勵直流電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載不穩(wěn)定運行 2.3 他勵直流電動機的起動 對直流電動機的起動過程一般有以下要求：(1)起動過程中起動轉(zhuǎn)矩Ts足夠大，使Ts TL

8、，電動機的加速度 0，保證電動機能夠起動，且使起動過程時間較短，從而提高生產(chǎn)效率；(2)起動電流的起始值Is不能太大，否則會造成換向困難，產(chǎn)生強烈火 花，而且與此電流成正比的轉(zhuǎn)矩還會產(chǎn)生較強的轉(zhuǎn)矩沖擊，可能損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)。也即起動轉(zhuǎn)矩Ts不能太大；(3)起動設(shè)備與控制裝置簡單、可靠、經(jīng)濟、操作方便。 他勵直流電動機起動時，必須先建立起磁場，即先通勵磁電流，再加電樞電壓。由直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式T=CTIa可知，起動轉(zhuǎn)矩Ts=CTIs。為使Ts較大而Is又不致太大,起動時應將勵磁回路的調(diào)節(jié)電阻調(diào)至最小，使磁通為最大。 當忽略電樞電感時，電樞電流Ia為： 剛起動時，轉(zhuǎn)速n=0，Ea=CeN=

9、0，則電動機的起動電流Is為圖2.23 他勵直流電動機降電壓起動時的機械特性 2.3.1 降電壓起動 2.3.2 電樞回路串電阻起動 1.起動過程 2.起動電阻的計算 (1)圖解法 (2)解析法圖2.24 他勵直流電動機三級起動的電路和特性(a)電路圖；(b)特性圖 例2.3 一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：Ra=0.48 ，PN=7.5 kW，UN=220 V，IN=40A，nN=1 500 r/min?，F(xiàn)拖動TL=0.8TN的恒轉(zhuǎn)矩負載，采用三級起動，試用解析法求解各級電阻和各分段電阻的數(shù)值。 解 取I1=2IN=240=80 A 已知m=3，故總電阻 可以滿足起動要求。根據(jù)式(2.21)

10、可求得各級電阻為 根據(jù)式(2.30)可求各分段電阻為 2.4 他勵直流電動機的調(diào)速 由他勵直流電動機的機械特性方程式的一般形式圖2.25 他勵直流電動機負載變化與調(diào)速 2.4.1 調(diào)速的性能指標 1.調(diào)速的技術(shù)指標 (1)調(diào)速范圍D (2)靜差率(相對穩(wěn)定性)(2.25)圖2.26 機械特性與靜差率的關(guān)系 (3)平滑性 (4)調(diào)速時的容許輸出(或調(diào)速時的功率與轉(zhuǎn)矩) 2.調(diào)速的經(jīng)濟指標 2.4.2 電樞回路串電阻調(diào)速圖2.27 電樞回路串電阻調(diào)速(R2R1) 2.4.3 降低電源電壓調(diào)速 2.4.4 弱磁調(diào)速圖2.28 降電源電壓調(diào)速(U2U1UN)圖2.29 弱磁調(diào)速(21N) 例2.4 一

11、臺他勵直流電動機, 其Ra=0.225, UN=220 V, IN=68.5 A, nN=1 500 r/min, PN = 13 kW?，F(xiàn)拖動額定負載運行，忽略空載轉(zhuǎn)矩，求： (1)采用電樞串電阻調(diào)速，使電動機轉(zhuǎn)速降為1 000 r/min，串入的電阻應為多大？ (2)采用降電壓調(diào)速，使電動機轉(zhuǎn)速降為 1 000 r/min，電源電壓應降為多少伏？ (3)采用弱磁調(diào)速，當=0.85N時，電動機轉(zhuǎn)速為多少？能否長期運行？ (4)如要求靜差率30%，分別采用(1)、(2)兩種調(diào)速方法能達到的調(diào)速范圍有多大？ 解 根據(jù)已知數(shù)據(jù)求得 (1)電樞串電阻調(diào)速，當=N，T=TN時，Ia=IN=68.5 A

12、 解得 R=0.995 (2)降電壓調(diào)速，當=N，T=TN時，Ia= IN=68.5 A 解得 U=151.8 V (3)弱磁調(diào)速，當=0.85N，T=TN時，由T=CNIa，TN=CNNIN，得 所以 由于Ia=80.59 AIN，故電動機不能長期運行。 (4)額定條件下(固有特性) 電樞串電阻調(diào)速時，n0不變，= =30%時，額定負載容許的轉(zhuǎn)速降為 降電壓調(diào)速時,nN不變,= =30%時,容許的最低理想空載轉(zhuǎn)速為 容許的最低轉(zhuǎn)速為 調(diào)速范圍為 或用式(2.26)直接計算得 2.5 他勵直流電動機的電動與制動 運行 2.5.1 電動運行與制動運行 1.電動運行 2.制動運行 2.5.2 能耗

13、制動運行圖2.30 他勵直流電動機電動和能耗制動的電路圖(a)電動運行；(b)能耗制動圖2.31 能耗制動的機械特性 2.5.3 反接制動運行 1.電樞反接的反接制動圖2.32 電樞反接制動電路圖圖2.33 電樞反接制動機械特性圖2.34 倒拉反接制動電路圖圖2.35 倒拉反接制動機械特性圖2.36 電動車回饋制動機械特性圖2.37 降壓調(diào)速過程中回饋制動機械特性(U1UN) 例2.5 一臺他勵直流電動機以n=nN/2的速度下放位能性額定負載的重物。電動機額定數(shù)據(jù)為：Ra=0.7 ，UN=110 V，IN=20 A，nN=1 450 r/min，PN=2.75 kW。求： (1)采用倒拉反接制動時，電樞回路串入的電阻應為多大？ (2)采用能耗制動時，電樞回路串入的電阻應為多大？ (3)采用回饋制動時，電樞回路不串電阻，電源電壓應降為多少伏？ (4)在上述三種制動情況下，電樞回路上的損耗功率有多大？ 解 以上升方