第三章直流電機的起動與調速

第三章直流電機的起動與調速第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四3.7.1他勵直流電動機的起動電動機的起動指接通UN，轉速從n=0到n=nN起動要求：1）大2）小3）起動過程中消耗的能量少4)起動設備簡單，便于控制。滿足足夠大的條件下，盡量減少一、他勵直流電動機的起動方法第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四UEaIaK1Rst第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四直接起動太大，須限制限制的方法有：降壓起動；電樞回路串電阻起動。第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(一)電樞回路串電阻起動我們在電樞回路中串入電阻，可減小起動電流，當起動轉矩大于負載轉矩，電動機開始轉動，第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四此時，則

可見，隨著轉速的升高，反電動勢不斷增大，起動電流繼續(xù)減小，但是，同時起動轉矩也在減小，所以為了在整個起動過程中保持一定的起動轉矩，加速電動機的起動過程，我們采用將起動電阻一段一段逐步切除，最后電動機進入穩(wěn)態(tài)運行，此時，起動電阻應被完全切除。第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四RC3RC2UNEaRaKM1RC1KM2KM3If第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四TCIT1I1T2I2TLILnn0abcdn1n2n3efghnN他勵直流電動機三級電阻起動的機械特性第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(二）他勵直流電動機降低電樞電壓起動：從最原始的公式，我們可以看出，除了增大電阻外，還可以通過減小電樞電壓來減小起動電流：這種方法在起動過程中不會有大量的能量消耗。串勵與復勵直流電動機的起動方法基本上與并勵直流電動機一樣，采用串電阻的方法以減小起動電流。但特別值得注意的是串勵電動機絕對不允許在空載下起動，否則電機的轉速將達到危險的高速，電機會因此而損壞。第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四U第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四3.7.2他勵電動機的調速電力拖動系統(tǒng)的調速:1)機械調速;2)電氣調速第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電動機穩(wěn)定時T由負載轉矩決定，其不變時，改變U、、電樞串電阻都可以調速他勵直流電動機有3種方法可以調速：（1）改變電樞電壓；（2）改變勵磁電流，即改變磁通；（3）電樞回路串入調節(jié)電阻。第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(一）降低電樞電壓調速：因為電機在正常工作時，電樞電壓不能超過額定電壓，所以，采用向下調速。很顯然，在這里，只改變了，所以我們將得到一系列平行與固有特性的曲線。如圖：第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：1）電源電壓能夠平滑調節(jié)，可實現無級調速。2）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩(wěn)定性好。3）無論輕載還是負載，調速范圍相同4）電能損耗較小。缺點：1)需要一套電壓可連續(xù)調節(jié)的直流電源。2)轉速只能由額定電壓對應的速度向低調。此外，應用這種方法時，電樞回路需要一個專門的可調壓電源，過去用直流發(fā)電機-直流電動機系統(tǒng)實現，由于電力電子技術的發(fā)展，目前一般均采用可控硅調壓設備—直流電動機系統(tǒng)來實現。第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四A’BTTLAC（二）弱磁調速第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：這種調速方法的特點是由于勵磁回路的電流很小，只有額定電流的（1～3）%，不僅能量損失很小，且電阻可以做成連續(xù)調節(jié)的，便于控制。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經濟性是比較好。第十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四缺點：機械特性的斜率變大，特性變軟；轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大；其限制是轉速只能由額定磁通時對應的速度向高調，而電動機最高轉速要受到電機本身的機械強度及換向的限制。

為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓調速。第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(三）電樞回路串電阻調速：電樞回路串聯電阻越大，機械特性的斜率越大，因此在負載轉矩恒定時，即為常數，增大電阻，可以降低電動機的轉速。第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四nTTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rc1n2Ra+Rc2CRc2>Rc1第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。缺點：

2）低速時特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉速的相對穩(wěn)定性差；

3）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般；

4）損耗大，效率低，不經濟。對恒轉矩負載，調速前、后因磁通不變而使T和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯電阻消耗了。

1）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四直流電動機上述三種調速方法中，改變電樞電壓和電樞回路串電阻調速屬于恒轉矩調速，而弱磁調速屬于恒功率調速第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四三種調速方法的比較調速指標調節(jié)電源電壓電樞串接電阻減弱磁通調速方向從nN向下調從nN向下調從nN向上調調速平滑性好差好調速穩(wěn)定性好差較好容許輸出恒轉矩恒轉矩恒功率電能損耗較小大小設備投資多少較少第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四3.7.3.調速性能指標(一)技術指標1.調速范圍是指電動機在額定負載轉矩T=TL時，其最高轉速與最低轉速之比。2.靜差率靜差率也稱轉速變化率，指電動機由理想空載到額定負載時轉速的變化率第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四

以電機在不同轉速都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機的調速可分為恒轉矩調速和恒功率調速。3.7.4恒轉矩調速方式和恒功率調速方式第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四（一）恒轉矩調速方式和恒功率調速方式所謂恒轉矩調速方式指的是：在某種調速方法中，保持電樞電流若該電動機電磁轉矩恒定不變，則稱這種調速方式為恒轉矩調速方式。所謂恒功率調速方式指的是：在某種調速方法中，保持電樞電流若該電動機電磁功率恒定不變，則稱這種調速方式為恒功率調速方式。第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四

電動機的容許輸出功率與轉速成正比，而容許輸出轉矩為恒值----恒轉矩調速。第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四P,TPlTlnnminnN第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四

電動機的容許輸出轉矩與轉速成反比，而容許輸出功率為恒值----恒功率調速。第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四nmaxP,TPlTlnnN0第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四（三）調速方式與負載轉矩之間的匹配P,TPlTlnnminnNPlTlnmax0

以為界，分兩個區(qū)域：

為恒轉矩調速區(qū)；

為恒功率調速區(qū)第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四和均為常數,和均與轉速成正比，只要選擇電動機的與相等，在任何轉速下均有：電機既滿足了負載要求，又得到了充分利用。這是一種理想的配合，轉速是從額定轉速向下調，所以額定轉速為系統(tǒng)的最高轉速。第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四P,TPlTlnnminnN0TLPL第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四和均為常數，和均與成反比，只要選擇與相等，在任何轉速下均有：電機既滿足了負載要求，又得到了充分利用。這是一種理想的配合，轉速是從額定轉速向上調，所以額定轉速為系統(tǒng)的最低轉速。第三十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四P,TPlTlnnminnNPlTlnmax0TLPL第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四恒轉矩調速配恒功率負載負載轉矩電動機容許輸出轉矩只有在最低轉速時才有：電機得到了充分利用。在高于最低轉速時：電機未被充分利用。第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四P,TPlTlnnminnN0TL第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四上式證明：

這種配合，電動機的實際輸出功率（恒定的負載功率）只是電動機額定功率的

（D為調速范圍）。顯然，這種配合將造成電動機容量的浪費。第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四恒轉矩負載配恒功率調速負載轉矩電動機容許輸出轉矩只有在最高轉速時才有：電機得到了充分利用。在低于最高轉速時：電機未被充分利用。第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四nP,TnminnNTlnmax0TL第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四上式證明：

在最低轉速時，電動機的實際輸出功率（負載功率）只是電動機額定功率的

（D為調速范圍）。顯然，這種配合將造成電動機容量的浪費。第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四風機型負載與兩種調速方式的配合由于負載轉矩隨轉速的升高而增大，為了使電動機在最高轉速時（所需的轉矩最大）能滿足負載的需要，應使只有在最高轉速時，電動機才被充分利用。恒轉矩調速方式所造成的電動機容量浪費比恒功率調速方式小一些。第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四他勵直流電動機的調速根據以上五種情況分析可得：1）電樞串電阻調速和降壓調速方式屬于恒轉矩調速，適用于恒轉矩負載。2）弱磁調速屬于恒功率調速方式，適用于恒功率負載。3）對于泵與風機類負載，三種調速方式都不十分合適，但采用電樞串電阻和降壓調速比弱磁調速合適一些。

第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四

制動狀態(tài)

電動機生產機械TnTL電動狀態(tài)電動機生產機械TnTL制動狀態(tài)電磁制動的概念：讓電動機產生一個與旋轉方向相反的電磁力矩來實現制動。3.7.5他勵直流電動機的制動

第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四電動機制動的目的：停車；限速電動機制動的方法有：機械制動；電磁制動電磁制動分類：能耗制動；反接制動；回饋制動第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四TBRB制動IaB+U-電動IanTM+Ea

–If一、能耗制動：(一)能耗制動的方法和原理能耗制動過程：如圖第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四在制動時，將閘刀合向下方，第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四很明顯，此時，電網的電能不再供向電動機，而是在電阻上以電阻壓降的形式進行消耗，這樣一來使的電機的轉速迅速下降。這時電機實際處于發(fā)電機運行狀態(tài)，將轉動部分的動能轉換成電能消耗在電阻和電樞回路的電阻上，所以稱為能耗制動。第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四二.反接制動(一)轉速反向的反接制動電動機軸RTUN第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四TRaAnDCBn0n0nARa+RTE第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四

他勵直流電動機拖動位能性恒轉矩負載運行，電樞回路串入電阻，將引起轉速下降，串的電阻越大，轉速下降越多。如果電阻大到一定程度，將使電動機的機械特性和負載的機械特性的交點出現在第4象限，如圖所示，這時電動機接線未變，轉速反向。是一種制動運行狀態(tài)，稱為倒拉反轉制動運行。第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四倒拉反轉制動運行常用于起重設備低速下放重物的場合。在這種運行方式中，電動機的電磁轉矩起了制動作用，限制了重物下降的速度。改變電阻的大小，即改變了機械特性的交點，使重物以不同的穩(wěn)定速度下降。第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(二)、電壓反接制動：反接制動過程分析：如圖所示，電壓反接制動是將正在正向運行的他勵直流電動機電樞回路的電壓突然反接，電樞電流也將反向，主磁通不變，則電磁轉矩反向，產生制動轉矩。第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四三、回饋制動：(一)正向回饋制動：他勵直流電動機拖動負載運行，電機將系統(tǒng)具有的動能反饋回電網，且電機仍為正向轉動，稱之為正向回饋制動。如圖nBTTLBADOUNU’n0n’0C第五十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四TTLnn01AnAU10U2n02nCBCU2<U1降壓調速時產生的回饋制動增磁調速時產生的回饋制動Φ1nn01nAATTL0Φ2n02nCBCΦ1Φ2>Φ1第五十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四(二）反向回饋制動：他勵直流電動機拖動位能性恒轉矩負載運行，采用電壓反接制動，電機將系統(tǒng)具有的動能反饋回電網，電機為反向轉動，稱之為反向回饋制動。第五十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四他勵直流電動機的四個象限上的運行電動狀態(tài)：特性在第一，三象限，其中第一象限是正向電動狀態(tài)，第三象限是反向電動狀態(tài)。制動狀態(tài)：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回饋制動，電壓反接制動。第四象限是反向能耗，反向回饋制動，轉速反向反接制動，處在反向電動狀態(tài)時進行電壓反接的電壓反接制動。第五十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期四四象