直流電機的電力拖動第部分

直流電機電力拖動直流電機的電力拖動第部分第1頁3.6直流電動機調(diào)速A、與調(diào)速相關性能指標a、調(diào)速范圍D：定義：調(diào)速范圍定義為拖動系統(tǒng)最高轉速（或速度）與最低轉速（或速度）之比，即：（3-46）b、靜差率：定義：對調(diào)速系統(tǒng)靜差率即轉速改變率，它是指理想空載轉速與額定轉速轉速改變量與空載轉速百分比，即：（3-47）直流電機的電力拖動第部分第2頁D與是相互關聯(lián)，它們之間關系可用圖3.21加以說明之。

圖3.21中曲線1、2分別給出了他勵直流電動機固有機械特征、電樞回路串電阻人工機械特征以及恒轉矩負載特征。圖3.21他勵直流電動機機械特征與靜差率之間關系對于實際電力拖動系統(tǒng)，若按低速時選擇，則高速時自然滿足要求。于是有：直流電機的電力拖動第部分第3頁

又依據(jù)式（3-47）知：，將其代入上式得靜差率與調(diào)速范圍

之間關系為：（3-48）上式表明，若低速時滿足要求，低速時越大則調(diào)速范圍越小；c、調(diào)速平滑性：

采取有級和無級調(diào)速來描述調(diào)速平滑性，其性能指標為平滑系數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級轉速比，即：（3-49）上式中，越靠近于1，則平滑性越好。若采取無級調(diào)速，即速度連續(xù)可調(diào)，則。d：原始投資與運行成本

調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標包含設備原始性一次投資和設備運行費用。運行費用主要是指調(diào)速過程中損耗，通慣用效率來衡量，即：直流電機的電力拖動第部分第4頁（3-50）B、他勵直流電動機慣用調(diào)速方法依據(jù)可知，他勵直流電動機能夠采取以下兩種方法調(diào)速：1.降低電樞電壓降速a、電樞回路串電阻降壓降速

圖3.22給出了他勵直流電動機電樞回路串電阻時人工機械特征和恒轉矩負載轉矩特征。直流電機的電力拖動第部分第5頁圖3.22電樞回路串電阻情況下人工機械特征和負載特征結論：伴隨電樞回路電阻增加，理想空載轉速不變，機械特征硬度變軟，造成轉速下降。所以，電樞回路串電阻只能在額定轉速（又稱為基速）以下調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速經(jīng)濟性指標分析以下：直流電動機輸入電功率為：（3-51）忽略機械耗和鐵耗，并依據(jù)上式得電動機總損耗為：直流電機的電力拖動第部分第6頁（3-52）于是，電機效率為：（3-53）

可見，伴隨轉速下降，電動機運行效率降低。b、降低電源電壓降壓降速

圖3.23給出了他勵直流電動機降低電源電壓時人工機械特征以及恒轉矩負載轉矩特征。圖3.23降低電源電壓情況下人工機械特征和負載特征直流電機的電力拖動第部分第7頁結論：

伴隨外加電源電壓降低，電動機轉速下降。調(diào)壓調(diào)速時特點是：其機械特征硬度保持不變，從而確保了這種調(diào)速方法含有更寬調(diào)速范圍。2.弱磁升速圖3.25給出了他勵直流電動機弱磁調(diào)速時人工機械特征。傳統(tǒng)可調(diào)壓電源可采取如圖3.24所表示發(fā)電機-電動機旋轉機組方案。圖3.24直流發(fā)電機-電動機機組可調(diào)直流電源

當前應用較為廣泛是靜止變流器方案，如相控變流器和斬控變流器，相關內(nèi)容已在《電力電子技術》中介紹過。直流電機的電力拖動第部分第8頁圖3.25勵磁改變情況下直流電動機人工機械特征和負載特征

結論：

伴隨勵磁電流減小，電動機轉速升高。為了確保電機磁路不至于過飽和，通常，弱磁調(diào)速普通在基速（額定轉速）以上進行。弱磁調(diào)速時過渡過程可用圖3.26加以描述。直流電機的電力拖動第部分第9頁圖3.26他勵直流電動機弱磁升速過渡過程

為了取得較高調(diào)速范圍，通常將額定轉速以上弱磁升速與額定轉速以下降壓調(diào)速配合使用。C、調(diào)速方式與負載類型配合調(diào)速系統(tǒng)須滿足以下兩個準則：（1）在整個調(diào)速范圍內(nèi)電機不至于過熱，為此，求：；（2）電動機負載能力要盡可能得到充分利用。鑒于此，不一樣類型負載必須選擇適當調(diào)速方式。直流電機的電力拖動第部分第10頁1.調(diào)速方式下面分別就不一樣調(diào)速方式以及各種調(diào)速方式所適合負載類型加以討論。電力拖動系統(tǒng)調(diào)速方式主要分為兩大類：（1）恒轉矩調(diào)速方式：在保持不變前提下，保持不變；（2）恒功率調(diào)速方式：在保持不變前提下，保持不變。（a)對于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式：因為調(diào)速過程中，，保持不變，故電磁轉矩為：電機軸上輸出功率為：結論：

電樞回路串電阻與減低電源電壓降壓調(diào)速均屬恒轉矩調(diào)速方式，其軸上允許輸出功率與轉速成正比。直流電機的電力拖動第部分第11頁（b)對于弱磁調(diào)速方式：因為調(diào)速過程中，保持不變，于是有：將上式代入電磁轉矩表示式得：于是有：結論：

弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其允許輸出轉矩與轉速成反比。直流電機的電力拖動第部分第12頁結論：基速以下，他勵直流電動機采取恒轉矩調(diào)速方式，而基速以上，則采取恒功率調(diào)速方式。

圖3.27a、b分別給出了他勵直流電動機在整個調(diào)速過程中機械特征與負載能力曲線。圖3.27他勵直流電動機調(diào)速過程中所允許轉矩和功率直流電機的電力拖動第部分第13頁2.調(diào)速方式選擇

考慮到生產(chǎn)機械可大致分為恒轉矩負載和恒功率負載兩種類型，為了確保電機在不過熱前提下負載能力得到充分發(fā)揮，調(diào)速方式應依據(jù)以下準則選擇：（1）對于恒轉矩負載應選擇含有恒轉矩調(diào)速方式；（2）對于恒功率負載應選擇含有恒功率調(diào)速方式；不然，會造成無須要轉矩和功率浪費。

現(xiàn)說明以下：

圖3.28分別給出了恒轉矩負載采取恒功率調(diào)速方式以及恒功率負載采取恒轉矩調(diào)速方式時負載轉矩特征和電動機機械特征。圖3.28調(diào)速方式與負載類型不匹配說明直流電機的電力拖動第部分第14頁a、假若恒轉矩負載選擇恒功率調(diào)速方式（見圖3.28a）。

為了滿足整個調(diào)速范圍內(nèi)轉矩要求，必須滿足：。依據(jù)圖3.28a，顯然，電動機轉矩應按照高速數(shù)值選擇，即：（3-54）低速時，有：（3-55）浪費轉矩為：（3-56）浪費功率為：結論：

恒轉矩負載不宜采取恒功率調(diào)速方式。

直流電機的電力拖動第部分第15頁b、假若恒功率負載選擇恒轉矩調(diào)速方式（見圖3.28b）。

為了滿足整個調(diào)速范圍內(nèi)轉矩要求，必須，依據(jù)圖3.28a，顯然，電動機轉矩應按照低速數(shù)值選擇，即：。高速時，有：（3-57）浪費功率為：浪費轉矩為：（3-58）結論：恒功率負載不宜采取恒轉矩調(diào)速方式。

直流電機的電力拖動第部分第16頁3.7他勵直流電動機制動定義：廣義制動是電磁轉矩與轉速方向相反一個運行狀態(tài)。A、能耗制動定義:

能耗制動是指將機械軸上動能或勢能轉換而來電能經(jīng)過電樞回路外串電阻發(fā)燒消耗掉一個制動方式。

圖3.29a、b分別給出了制動前后電機作電動機運行時和能耗制動時接線圖以及各物理量實際方向。直流電機的電力拖動第部分第17頁圖3.29他勵直流電機能耗制動前后接線圖

由圖3.29可見，制動前后，直流電機電樞電流方向改變，所以，改變方向，由驅動性變?yōu)橹苿有噪姶呸D矩，即從而電機處于發(fā)電制動狀態(tài)。1.能耗制動時電動機機械特征與制動電阻計算能耗制動時，他勵直流電機機械特征可表示為：(3-61)式（3-61）可用圖3.30所表示曲線表示之。（1）對于反抗性負載：

很顯然，能耗制動時他勵直流電機機械特征是一條經(jīng)過原點且位于第II象限直線。直流電機的電力拖動第部分第18頁（2）對于位能性負載：(見圖3.31)

能耗制動時，他勵直流電機機械特征將由第II象限經(jīng)過原點進入第IV象限。圖3.30能耗制動時直流電機機械特征與過渡過程曲線

能耗制動時制動電阻決定了制動轉矩大小，為預防制動電流過大，普通按照以下規(guī)則選擇制動電阻，即：直流電機的電力拖動第部分第19頁由此求出制動電阻為：（3-62）圖3.31直流電機帶位能性負載時能耗制動情況2.能耗制動時他勵直流電動機過渡過程分析（1）對于反抗性負載：能耗制動時拖動系統(tǒng)基本關系式可由下式給出：直流電機的電力拖動第部分第20頁（3-63）將式（3-63）第1式代入第2式，并整理得：（3-64）式中，機電時間常數(shù)。（2）對于位能性負載：當時，，故有：將上式代入（3-64）得：直流電機的電力拖動第部分第21頁（3-65）解上式得：（3-66）同理，（3-67）依據(jù)上述關系式，便可繪出以及如圖3.30所表示。B、反接制動定義：反接制動是指外加電樞電壓反向或電樞電勢在外部條件作用下反向一個制動方式。a、電樞反接反接制動

對于反抗性類負載，把外加電源反接，同時在電樞回路中串入限流反接制動電阻，便可實現(xiàn)反接制動。圖3.32給出了反接制動時電氣接線圖以及各物理量實際方向。直流電機的電力拖動第部分第22頁圖3.32他勵直流電機反接制動時接線圖1.反接制動時電動機機械特征與制動電阻計算反接制動過程中電機機械特征可表示為：（3-72）

上式可用圖3.33所表示曲線表示之。很顯然，反接制動時電機機械特征是一條位于第II象限直線。

反接制動時制動電阻決定了制動轉矩大小。為預防制動電流過大，普通按照以下規(guī)則選擇制動電阻，即：直流電機的電力拖動第部分第23頁式中，為反接制動起始電流。對應制動電阻為：（3-73）圖3.33反接制動時直流電機機械特征直流電機的電力拖動第部分第24頁2.反接制動時他勵直流電動機過渡過程分析（1）對于反抗性負載：

依據(jù)圖3.33可知，若希望系統(tǒng)在反接制動過程中最終停車，則電機機械特征對應于BC段。對應于BC段過渡過程曲線可采取三要素法并利用虛穩(wěn)定點概念取得，其表示式以下：（3-75）（3-76）

若反接制動在C點不停車，則電機將反轉，系統(tǒng)工作點將沿CD移動并最終穩(wěn)定運行在D點。對應于CD段過渡過程曲線可采取一樣方法求得，其表示式以下：（3-79）直流電機的電力拖動第部分第25頁（2）對于位能性負載：

若僅考慮反接制動停車，則BC段過渡過程與反抗性恒轉矩負載情況完全相同（見圖3.33）。

若反接制動在C點不停車，則因為整個制動過程包含停車（BC段）、反向電動機運行（CF段）以及回饋制動階段（FE段），跨越機械特征第II、III、IV象限，如圖3.33所表示。采取三要素法便可取得對應過渡過程曲線表示式為：（3-81）（3-82）b、轉速反向反接制動圖3.34是他勵直流電機帶位能性負載反接制動時電路圖。直流電機的電力拖動第部分第26頁圖3.34直流電機帶位能性負載反接制動時電路圖當采取轉速反向反接制動時，他勵直流電動機機械特征可表示為：（3-85）式（3-85）可用圖3.35所表示曲線表示之。圖3.35位能性負載反接制動機械特征直流電機的電力拖動第部分第27頁C、回饋制動

定義：

回饋制動是電機實際轉速超出理想空載轉速運行狀態(tài)。在這種運行狀態(tài)下，電機處于發(fā)電制動狀態(tài)，故回饋制動又稱為再生制動。

回饋制動時電機接線同電動機運行狀態(tài)完全相同，其機械特征表示式也完全相同。所不一樣是：電機實際轉速超出理想空載轉速，造成外加電壓低于感應反電勢，即：。于是有：（3-87）（1）當電機正向運行時：他勵直流電機機械特征為：（3-88）直流電機的電力拖動第部分第28頁（2）當電機反向運行時：他勵直流電機機械特征為：（3-90）依據(jù)式（3-88）和（3-90）繪出回饋制動時直流電機機械特征如圖3.36所表示。圖3.36直流電機回饋制動時機械特征

由圖3.36能夠看出，正、反轉回饋制動時機械特征分別位于第II、IV象限，它們分別是正、反轉電動機運行時機械特征（分別位于第I、III象限）延伸。直流電機的電力拖動第部分第29頁回饋制動通常發(fā)生在以下三種情況下：1.重物下放過程中圖3.37重物下放時直流電機回饋制動接線圖(位能性負載)2.降壓過程中圖3.38電壓降低過程中回饋制動特征直流電機的電力拖動第部分第30頁3.增磁減速過程中圖3.39弱磁升速過程中回饋制動特征3.8直流拖動系統(tǒng)四象限運行分析定義:

對于能夠提供正、反轉運行并能分別實現(xiàn)正、反轉方向上快速制動拖動系統(tǒng)，因為其對應電機機械特征分別位于四個象限，故又稱為含有四象限運行電力拖動系統(tǒng)。直流電機的電力拖動第部分第31頁圖3.42給出了含有四象限運行功效他勵直流電機機械特征及其各種運行狀態(tài)。圖3.4