第二章-直流電動機的電力拖動

1、第2章 直流電動機的電力拖動1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式和2負載的轉矩特性3他勵直流電動機的機械特性 4他勵直流電動機的起動5他勵直流電動機的制動6他勵直流電動機的調速1 1拖動系統(tǒng)的運動方程式拖動系統(tǒng)的運動方程式1 1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 在現(xiàn)代化工業(yè)生產過程中，為了實現(xiàn)各種生產工藝過程，需要使在現(xiàn)代化工業(yè)生產過程中，為了實現(xiàn)各種生產工藝過程，需要使用各種各樣的生產機械。各種生產機械的運轉，一般采用電動機用各種各樣的生產機械。各種生產機械的運轉，一般采用電動機來拖動，這種用電動機作為原動機來拖動生產機械運行的系統(tǒng)，來拖動，這種用電動機作為原動機來拖動生產機械運行的

2、系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。稱為電力拖動系統(tǒng)。 電力拖動系統(tǒng)的組成：電源、控制設備、電動機、傳動和工作電力拖動系統(tǒng)的組成：電源、控制設備、電動機、傳動和工作機構。機構。一、運動方程式一、運動方程式1 1、單軸系統(tǒng)、單軸系統(tǒng)MemTnLTUdtdJTTLem2、實用表達式 通常將轉動慣量通常將轉動慣量J J用飛輪矩用飛輪矩GDGD2 2來表示，它們之間的關系為來表示，它們之間的關系為 式中式中 m m與與G G轉動部分的質量與重量；轉動部分的質量與重量； p p與與D D慣性半徑與直徑（慣性半徑與直徑（m m）；）； g=9.81m/sg=9.81m/s2 2 重力加速度；重力加速度； 再將機械角速

3、度用轉速再將機械角速度用轉速n n表示表示 可得：可得： gGDDgGmJ4)2(222602ndtdnGDdtdJTTLem37523、系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài)、系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài)1)1)當當 或或 時時, ,系統(tǒng)處于系統(tǒng)處于靜止靜止或或恒轉速恒轉速運行狀態(tài)，即處運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。于穩(wěn)態(tài)。LemTT0dtdn2)2)當當 或或 時時, ,系統(tǒng)處于系統(tǒng)處于加速加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。LemTT0dtdn3)3)當當 或或 時時, ,系統(tǒng)處于系統(tǒng)處于減速減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。LemTT0dtdn二、運動方程式中轉矩正、負號的規(guī)定二、運動方程

4、式中轉矩正、負號的規(guī)定 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：向，然后規(guī)定：（1 1）電磁轉矩）電磁轉矩 與轉速與轉速 的正方向相同時為正，相反時為負。的正方向相同時為正，相反時為負。emTn （2 2）負載轉矩）負載轉矩 與轉速與轉速 的正方向相同時為負，相反時為正。的正方向相同時為負，相反時為正。LTnemTLT (3) (3)慣性轉矩慣性轉矩 的大小和正負號由的大小和正負號由 和和 的代數(shù)和決定。的代數(shù)和決定。dtdnGD2375dtdnGDdtdJTTLem375)(2 2 2 負載的轉矩特性負載的轉矩特性 負

5、載轉矩特性：負載轉矩負載轉矩特性：負載轉矩TLTL與轉速與轉速n n的關系用曲線的關系用曲線表示稱為生產機械的負載轉矩特性。表示稱為生產機械的負載轉矩特性。 一、恒轉距負載特性一、恒轉距負載特性 所謂恒轉距負載特性，是指生產機械的負載轉矩所謂恒轉距負載特性，是指生產機械的負載轉矩TLTL的大小與轉速的大小與轉速n n無關的特性，即無論轉速怎樣變無關的特性，即無論轉速怎樣變化，負載轉矩的大小都保持不變。根據(jù)負載轉矩的化，負載轉矩的大小都保持不變。根據(jù)負載轉矩的方向是否與轉向有關，恒轉矩負載方向是否與轉向有關，恒轉矩負載又分為又分為反抗性恒反抗性恒轉距負載特性和轉距負載特性和位能性恒轉矩負載特性。

6、位能性恒轉矩負載特性。1反抗性恒轉距負載特性反抗性恒轉距負載特性特點：特點： 的大小恒定不變，方向總是與運動方向相反。負的大小恒定不變，方向總是與運動方向相反。負 載轉矩特性在載轉矩特性在第一和第三第一和第三象限，如圖所示，象限，如圖所示，例如：例如： 金屬的壓延，機床的平移機構等。金屬的壓延，機床的平移機構等。T TL LnLTT TL Ln2、位能性恒轉矩負載特性、位能性恒轉矩負載特性特點：特點： 的大小和方向均與轉速無關，不隨機變化。的大小和方向均與轉速無關，不隨機變化。 其負載轉矩特性在其負載轉矩特性在第一和第四第一和第四象限，如圖象限，如圖 所示，所示，例如重物的提升與下放等。例如重

7、物的提升與下放等。LT二、恒功率負載特性二、恒功率負載特性 特點：特點： 的大小基本上與轉速的大小基本上與轉速n n成反比，即負載成反比，即負載功率為常數(shù)，故稱恒功率負載特性。如圖功率為常數(shù)，故稱恒功率負載特性。如圖 所所示，是一條雙曲線。切削機床屬于此類。示，是一條雙曲線。切削機床屬于此類。 T TL LnLT三、泵與風機類負載特性三、泵與風機類負載特性特點：特點： 的大小基本上與轉速的大小基本上與轉速n n的平方成正比。的平方成正比。 其特性如圖其特性如圖 所示，在第所示，在第一、三一、三象限，是一象限，是一條拋物線。例如風機、水泵、油泵等。條拋物線。例如風機、水泵、油泵等。T TL Ln

8、理想的通風理想的通風機特性機特性實際通風實際通風機特性機特性TL0 實際生產機械的負載轉矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。LT3他勵直流電動機的機械特性l一、機械特性的表達式l二、固有機械特性和人為機械特性l三、機械特性的求取l四、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件一、機械特性的表達式一、機械特性的表達式 機械特性：機械特性：電動機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，電動機的電動機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，電動機的電磁轉矩電磁轉矩TemTem與轉速與轉速n n的關系曲線稱為電動機的機械特的關系曲線稱為電動機的機械特性。（性。（ TemTem與與n n 都是機械量）都是機械量）ememTesaeaeaeTnTCCRRCUIC

9、RRCUn02其中：其中：eCUn 0稱為理想空載轉速稱為理想空載轉速稱為機械特性的斜率，大小反映軟特性與硬特性稱為機械特性的斜率，大小反映軟特性與硬特性 稱為負載時的轉速降稱為負載時的轉速降ememTesaTTCCRRn22TesaCCRR機械特性曲線：機械特性曲線：當當U U、RsRs、為常數(shù)時，為一條向下傾斜的直線。、為常數(shù)時，為一條向下傾斜的直線。 機械特性的硬度機械特性的硬度 :越大，特性越陡，稱為軟特性；越大，特性越陡，稱為軟特性； 越小，特性越平，稱為硬特性；越小，特性越平，稱為硬特性；表明機械特性曲線的下垂程度。表明機械特性曲線的下垂程度。 二、二、 固有機械特性固有機械特性1

10、、固有機械特性固有機械特性其 方程式為：2aNemeNeTNRUnTC C C 當當 時的機械特性稱為固有機械特性：時的機械特性稱為固有機械特性：aNNRR,UU三、三、人為機械特性人為機械特性1、電樞串電阻時的人為機械特性電樞串電阻時的人為機械特性 是一族通過理想空載點并具是一族通過理想空載點并具有不同斜率的人為特性。有不同斜率的人為特性。保持保持 不變不變, ,只在電樞回路中串入電阻只在電樞回路中串入電阻 的人為的人為特性特性NN,UUSRemNTeSaNeNTCCRRCUn20nnaRemTSaRR 2、降低電樞電壓時的人為機械特性、降低電樞電壓時的人為機械特性 是位于固有特性下方，且與

11、是位于固有特性下方，且與固有特性平行的一組直線。固有特性平行的一組直線。保持保持 不變，只改變電樞電壓時的人為特性：不變，只改變電樞電壓時的人為特性：Na,RR2aemeNeTNRUnTC C C 0nnNUemT1UNUU101n3、減弱磁通時的人為機械特性、減弱磁通時的人為機械特性 保持保持 不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻 的人為特性：的人為特性：NaUU,RRSfR2aNemeeTRUnTC C C 202n2kTNn0nemTkTN12三、三、 機械特性的求取機械特性的求取 1、固有機械特性的的求取步驟：（1）估算 （2）計算（3）計算理想空載點 （4）計算額

12、定工作點數(shù)據(jù)NeNTCC55.92)3221(NNNNaIPIURaRNaNNNNNenRIUnECNeNCUn0二、人為機械特性的的求取 在固有機械特性方在固有機械特性方程程 的的基礎上，根據(jù)人為特基礎上，根據(jù)人為特性所對應的參數(shù)性所對應的參數(shù) 或或 或或 變化，重新計算變化，重新計算 和和 ，然后得到人為，然后得到人為機械特性方程式機械特性方程式。em0TnnSRU0n五、五、 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件一、穩(wěn)定運行的概念一、穩(wěn)定運行的概念 電力拖動系統(tǒng)在某種擾動作用下，離開原來的平衡狀態(tài)，電力拖動系統(tǒng)在某種擾動作用下，離開原來的平衡狀態(tài)，但仍能在新的條件下達到平衡狀

13、態(tài)，或者在擾動消失后仍能但仍能在新的條件下達到平衡狀態(tài)，或者在擾動消失后仍能自動恢復原平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。自動恢復原平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。二、穩(wěn)定運行的條件二、穩(wěn)定運行的條件 （1 1）必要條件：電動機的機械特性與負載的轉矩特性必）必要條件：電動機的機械特性與負載的轉矩特性必須有交點，即存在須有交點，即存在Tem=TTem=TL L (2) (2)充分條件：在交點的轉速以上存在充分條件：在交點的轉速以上存在TemTemT TL L，而在交，而在交點的轉速以下存在點的轉速以下存在TemTemT TL L。LemdTdndTdn或者或者 不穩(wěn)定運行不穩(wěn)定運行nAemTLTAn0nBe

14、mTLTBn0穩(wěn)定運行穩(wěn)定運行4他勵直流電動機的起動l一、電樞回路串電阻起動 l二、降壓起動起動過程：電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀起動過程：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。態(tài)的過程。起動轉矩起動轉矩T Tst：電動機起動瞬間的電磁轉矩。：電動機起動瞬間的電磁轉矩。起動電流起動電流I Ist：起動瞬間的電樞電流。起動瞬間的電樞電流。一、一般直流電機不允許直接起動一、一般直流電機不允許直接起動 從公式可以看出直接起動電流很大，能夠達到從公式可以看出直接起動電流很大，能夠達到10-20倍的倍的額定電流。這將引起嚴重的后果。應設法限制電樞電流的不超額定電流。這將引

15、起嚴重的后果。應設法限制電樞電流的不超過額定電流的過額定電流的1.52倍。倍。二、解決方法二、解決方法1、對直流電機起動的要求：足夠大的、對直流電機起動的要求：足夠大的T Tst ， I Ist要限制在一定要限制在一定的范圍內，起動設備要簡單可靠。的范圍內，起動設備要簡單可靠。2 2、限制、限制I Ist的方法：電樞回路串電阻起動，降低電樞電壓起動。的方法：電樞回路串電阻起動，降低電樞電壓起動。無論哪種方法都應保證電動機的磁通達到最大值。無論哪種方法都應保證電動機的磁通達到最大值。三、三、 電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動1、起動過程MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S331RR

16、RRRst2ststaLLIT2IT21IT1ITem0nabn1aRNngh3n11astRRRITemef3122aststRRRR1ncd22、起動電阻的計算、起動電阻的計算 在已知起動電流比在已知起動電流比和電樞電和電樞電阻前提下，經推導可得各級串聯(lián)電阻前提下，經推導可得各級串聯(lián)電阻為阻為: :12231211111 stma1mstmstaststastastRR)(RRR)(RRR)(RR)(R計算各級起動電阻的步驟：計算各級起動電阻的步驟：（1）求）求RaRa（2 2）根據(jù)過載倍數(shù)求）根據(jù)過載倍數(shù)求T T1,I,I1 (3) (3) 選取選取m m（4 4）計算）計算（5 5）求

17、）求 檢驗是否滿足檢驗是否滿足T T2 2(1.11.3)TL，若不滿，若不滿 足，另選足，另選T1或或m值，直到滿足條件。值，直到滿足條件。3、三點起動器（簡單了解）、三點起動器（簡單了解） 人工手動辦法起動人工手動辦法起動12TT四、四、 降壓起動降壓起動當直流電源電壓可調時可采用降壓起動方法。當直流電源電壓可調時可采用降壓起動方法。發(fā)展：過去可調的直流電源采用直流的發(fā)電機發(fā)展：過去可調的直流電源采用直流的發(fā)電機-電動電動機組，現(xiàn)在多用晶閘管整流電源代替。機組，現(xiàn)在多用晶閘管整流電源代替。優(yōu)點：起動平穩(wěn)，起動過程中能量損耗小。優(yōu)點：起動平穩(wěn)，起動過程中能量損耗小。5他勵直流電動機的制動l一

18、、能耗制動l二、反接制動l三、回饋制動l四、直流電動機的反轉 制動的概念：從某一穩(wěn)定轉速開始減速到停制動的概念：從某一穩(wěn)定轉速開始減速到停止或限制位能負載下降速度的一種運行過程。止或限制位能負載下降速度的一種運行過程。電機的兩種運行狀態(tài)電機的兩種運行狀態(tài)制動狀態(tài)：制動狀態(tài)：電磁轉矩電磁轉矩T Temem的方向與轉速的方向與轉速n n的方向的方向相反。相反。電動狀態(tài)：電動狀態(tài)：電磁轉矩電磁轉矩T Temem的方向與轉速的方向與轉速n n的方向的方向相同相同。制動的方式有三種：制動的方式有三種：能耗制動、反接制動、回饋制動。能耗制動、反接制動、回饋制動。 一、一、 能耗制動能耗制動1 1、實現(xiàn)能耗

19、制動的方法、實現(xiàn)能耗制動的方法 將電樞從電源上斷開，通將電樞從電源上斷開，通過制動電阻過制動電阻R RB B閉合。電樞閉合。電樞電流電流Ia Ia變?yōu)橛勺優(yōu)橛蒃aEa產生，與產生，與原來方向相反，電磁轉矩原來方向相反，電磁轉矩 隨之反向，隨之反向，TemTem與與n n反向，反向，進入制動狀態(tài)，制動過程進入制動狀態(tài)，制動過程中，電動機中，電動機靠靠系統(tǒng)的動能系統(tǒng)的動能發(fā)電，發(fā)電，消耗在電樞回路的消耗在電樞回路的電阻上，電阻上，故稱為能耗制動故稱為能耗制動。制動制動BRaBIemBT U電動電動MaEaInemTfIS 2 2、能耗制動時的機械特性、能耗制動時的機械特性從機械特性曲線看制動過程（

20、從機械特性曲線看制動過程（A A、B B、C C、三點）、三點）Bn0naRA0LTemTBaRR CB3 3、機械特性方程、機械特性方程4 4、能耗制動的優(yōu)點、能耗制動的優(yōu)點5 5、計算、計算em2NsaRTCCRnTe二、二、 反接制動反接制動（一）、電壓反接制動（一）、電壓反接制動1 1、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)方法 如圖所示，使電樞電如圖所示，使電樞電源反接的同時串入一個制源反接的同時串入一個制動電阻動電阻R RB B, ,這時由于這時由于U U反向反向, ,反向的電樞電流很大，產反向的電樞電流很大，產生很大的反向生很大的反向TemTem，從而，從而產生很強的制動作用，進產生很強的制動作用，進入

21、制動狀態(tài)。入制動狀態(tài)。2 2、制動電阻、制動電阻 電源反接的反接制動電路圖3、機械特性、機械特性 4、從機械特性曲線看制動、從機械特性曲線看制動 過程過程 5、功率關系、功率關系6、優(yōu)點、優(yōu)點 設備簡單，操作方便。設備簡單，操作方便。BaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD02aBNememeNeTNRRUnTnTC C C (二）、倒拉反轉反接制動二）、倒拉反轉反接制動（只適用于位能性恒轉矩負載）只適用于位能性恒轉矩負載）1 1、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)方法 他勵電動機拖動位能性負載，電樞回路串入較大電阻，使他勵電動機拖動位能性負載，電樞回路串入較大電阻，使n=0n=0時的電磁轉矩（起動轉矩）時

22、的電磁轉矩（起動轉矩）小于小于負載轉矩負載轉矩 。BaRR CBn0naRA0LTemTBTDKT2、機械特性方程：、機械特性方程： 0aB0L2eTNRRnnTC C LT3、從機械特性曲線看制動過程、從機械特性曲線看制動過程4、功率關系、功率關系5、適用場合、適用場合 設備簡單，操作方便，適用于低速勻設備簡單，操作方便，適用于低速勻速下放重物。這種反轉制動主要是位能負速下放重物。這種反轉制動主要是位能負載的倒拉作用，因此得名載的倒拉作用，因此得名。 三、三、 回饋制動回饋制動1 1、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)方法 他勵直流電動機在電動他勵直流電動機在電動狀態(tài)下提升重物時，將電源狀態(tài)下提升重物時，將電源

23、反接，電動機進入電壓反接反接，電動機進入電壓反接制動狀態(tài)由于制動狀態(tài)由于EaUEaUN N，電流，電流Ia Ia與與EaEa同方向，與同方向，與U UN N反方向，反方向，所以電動機將位能轉換為電所以電動機將位能轉換為電能回饋電網(wǎng)，故稱回饋制動。能回饋電網(wǎng)，故稱回饋制動。 電動機回饋制動電路圖(帶位能負載)2、機械特性、機械特性由上所述，可能在第四象限，由上所述，可能在第四象限，也可能在第二象限。也可能在第二象限。3、分析、分析回饋制動過程中，有功率回饋制動過程中，有功率UIa回饋電網(wǎng)，能量損耗最回饋電網(wǎng)，能量損耗最少。少。4、使用場合、使用場合用于高速勻速下放重物和降用于高速勻速下放重物和降

24、壓、增加磁通調速過程中自壓、增加磁通調速過程中自動加快減速過程。動加快減速過程。Bn0nA0LTemTLT0n四、四、 直流電動機的反轉直流電動機的反轉 許多生產機械要求電動機做正、反轉運行，直流電機許多生產機械要求電動機做正、反轉運行，直流電機的轉向由電樞電流方向和主磁場方向確定。的轉向由電樞電流方向和主磁場方向確定。反轉方法有兩種：反轉方法有兩種： 一是一是改變電樞電流方向改變電樞電流方向( (即改變電樞兩端的電壓極性，或者說把電樞繞組兩端即改變電樞兩端的電壓極性，或者說把電樞繞組兩端換接。）換接。） 二是二是改變勵磁電流的方向改變勵磁電流的方向（很少采用）（很少采用）6他勵直流電動機的調

25、速l一、評價調速的指標l二、調速方法l三、調速方式與負載類型的配合調速：為了提高生產效率或滿足生產工藝的要求，許多生調速：為了提高生產效率或滿足生產工藝的要求，許多生產機械在工作過程中都需產機械在工作過程中都需 要調速。要調速。 電力拖動系統(tǒng)的調速可以采用：電力拖動系統(tǒng)的調速可以采用： 機械調速：改變傳動機構速比。機械調速：改變傳動機構速比。 電氣調速：改變電動機參數(shù)。即人為的改變電動機的機電氣調速：改變電動機參數(shù)。即人為的改變電動機的機械特性。械特性。 注：由負載變化引起的電機速度變化不稱為速度調節(jié)，注：由負載變化引起的電機速度變化不稱為速度調節(jié)， 而稱為速度變化。而稱為速度變化。 一、一、

26、 評價調速的指標評價調速的指標調速指標：調速指標：為了評價各種調速方法的優(yōu)缺點，對調速為了評價各種調速方法的優(yōu)缺點，對調速 方法提出的一定的技術經濟指標。方法提出的一定的技術經濟指標。1 1、調速范圍調速范圍 2 2、靜差率、靜差率 minmaxnnD %100%100%000nnnnnNN)1 ()1 ()1 (maxmax00max0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD4、調速的經濟指標、調速的經濟指標 經濟指標包含三個方面：經濟指標包含三個方面：一是調速設備初投資的大小，一是調速設備初投資的大小，二是運行過程中能量損耗的多少，三是維護費用的高二是運行過程中能量損耗的多少

27、，三是維護費用的高低，三者總和較小者經濟指標均較好。低，三者總和較小者經濟指標均較好。1iinn可見：生產機械允許的最低轉速時的靜差率越大，電動機可見：生產機械允許的最低轉速時的靜差率越大，電動機允許的調速范圍允許的調速范圍D越大。越大。3、平滑性、平滑性二、二、 調速方法調速方法（一）、電樞回路串電阻調速（一）、電樞回路串電阻調速 0aRn0nNnLTemTA1SaRR1nA B特點：特點：只能將轉速往下調，且靜差只能將轉速往下調，且靜差率明顯增大，所以調速范圍率明顯增大，所以調速范圍D較小，平滑性差，損較小，平滑性差，損 耗大，耗大，設備簡單，投資少，屬恒轉設備簡單，投資少，屬恒轉矩調速。矩調速。適用于：容量不大，低速運適用于：容量不大，低速運行時間不長，對調速性能要行時間不長，對調速性能要求不高的場合。求不高的場合。（二）、降低電源電壓調速（二）、降低電源電壓調速 T0nnNUTLNnA