第2章-直流電動機(jī)傳動基礎(chǔ)

電氣傳動自動控制系統(tǒng)

ElectricalDriveandControlSystem

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系武健E-mail:wujianhit@163.com2023年7月27日第二章直流電動機(jī)傳動基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容直流電動機(jī)機(jī)械特性固有機(jī)械特性與人工機(jī)械特性直流他勵電動機(jī)機(jī)械特性的計算和繪制直流他勵電動機(jī)的起動

直流他勵電動機(jī)的工作狀態(tài)調(diào)速的基本指標(biāo)直流他勵電動機(jī)的調(diào)速方法直流他勵電動機(jī)調(diào)速時與負(fù)載性質(zhì)的配合2.1直流電動機(jī)機(jī)械特性“電機(jī)學(xué)”中，注重電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理，主要研究的是電機(jī)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時其內(nèi)部的電磁過程；而“電力拖動”，則注重的是電動機(jī)的使用，主要研究的是電機(jī)的外特性。在電動機(jī)的各類工作特性中首要的是機(jī)械特性。電動機(jī)的機(jī)械特性(Speed-TorqueCharacteristics)，是電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)T與其轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，即n=f(T)。機(jī)械特性的重要性電動機(jī)的機(jī)械特性是電動機(jī)性能的主要表現(xiàn)，只有掌握好電動機(jī)的機(jī)械特性，才能正確選擇和使用電動機(jī)。電動機(jī)的機(jī)械特性在很大程度上決定了電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行和過渡過程的性質(zhì)和特點。電動機(jī)機(jī)械特性的研究是“電氣傳動”課程的核心內(nèi)容。直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性方程式假設(shè)：電源電壓為恒值磁通為恒值，即勵磁電流不變，認(rèn)為無電樞反應(yīng)，電樞回路電阻為恒值。電壓平衡方程（基爾霍夫定律）

電樞回路的電壓平衡方程式為：U=E+IRa

U——電動機(jī)的電樞電壓(V)；

E——電動機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢(電樞電勢)(V)；

I——電樞電流(A)；

Ra——電樞回路總電阻()，

Ra=ra+Rad。電機(jī)電動勢直流電機(jī)的電樞電勢公式為：E=Cen

Ce——電勢常數(shù);

p——電機(jī)極對數(shù)；

N——電樞繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；

a——電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)；

——每極磁通(Wb)；

n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：T=CTI

式中： CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 則有： T——電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)。直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性方程式U=Cen+Ira直流電動機(jī)的機(jī)械特性的特點

直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性是一條向下傾斜的直線；斜率愈大，速度降落愈大，特性向下傾斜就愈明顯，即稱為機(jī)械特性愈“軟”；特性愈平坦，機(jī)械特性愈“硬”。

機(jī)械特性分為固有機(jī)械特性定義：當(dāng)電動機(jī)電樞接額定電壓，正常接線，磁通為額定磁通，電樞回路無附加電阻時，電動機(jī)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。

U=UN，=N，Rad=0，Ra=ra代入機(jī)械特性，即得固有機(jī)械特性方程式為：直流電動機(jī)固有機(jī)械特性曲線直流電動機(jī)固有機(jī)械特性具有以下幾個特點

其電磁轉(zhuǎn)矩T越大，轉(zhuǎn)速n越低，機(jī)械特性是一條下斜直線。原因是：T增大，電樞電流I與T成正比，I也增大，電樞電勢E=CenN=UN-Ira，E則減小，轉(zhuǎn)速n則降低。當(dāng)T=0時，為固有機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速。此時I=0，E=UN。固有機(jī)械特性的斜率為：轉(zhuǎn)速降為：當(dāng)n=0，即電動機(jī)起動時，E=CenN=0，此時電樞電流，稱為起動電流；電磁轉(zhuǎn)矩T=CTNIst=Tst，稱為起動轉(zhuǎn)矩。直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性是一條向下傾斜的直線，橫跨I、II、IV三個象限，特性較硬。機(jī)械特性只表征電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，是電動機(jī)本身的能力，至于電動機(jī)具體運行狀態(tài)，還要看拖動什么樣的負(fù)載。人工機(jī)械特性

1.電樞串接電阻時的人工機(jī)械特性

電樞串接電阻時，Rad0，電樞回路總電阻Ra=ra+Rad。電源電壓U=UN，磁通=N，此時的人工機(jī)械特性方程式為：2.改變電源電壓時的人工機(jī)械特性電樞不串接附加電阻，即Rad=0。磁通為額定磁通，即=N。只改變電源電壓U。

U改變時，理想空載轉(zhuǎn)速隨之成正比變化；而特性斜率b不變，都與固有機(jī)械特性的相同。

3.減弱電動機(jī)磁通時的人工機(jī)械特性改變勵磁回路的附加電阻Rfad，即可改變勵磁電流If，從而使磁通改變。一般，電機(jī)在額定磁通下工作時，磁路已接近飽和，所以只能是減弱磁通。

人工機(jī)械特性小結(jié)電樞串接電阻和弱磁時，機(jī)械特性都變軟了；

只有調(diào)壓調(diào)速，才保持和固有機(jī)械特性相同的硬度；直流他勵電動機(jī)機(jī)械特性的計算和繪制

直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性是一條向下傾斜的直線為了繪制其機(jī)械特性，不論是固有機(jī)械特性，還是人工機(jī)械特性，只需兩點即可，即：“兩點法”。

1.固有機(jī)械特性的計算和繪制

直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性可以由理想空載點(0，n0)和額定工作點(TN，nN)這兩點來決定。（1)首先確定理想空載點(0，n0)額定電壓UN由電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可得，而CeN可由額定狀態(tài)下電樞回路的電壓平衡方程式求出。額定電壓UN、額定電流IN以及額定轉(zhuǎn)速nN都是電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，而電樞電阻ra的值在產(chǎn)品目錄中一般并不給出。我們可以通過實測得出電樞電阻ra的值，或可以按照電機(jī)工作時的銅損來估算.給出電樞電阻ra的估算公式，即：認(rèn)為在額定負(fù)載時，電樞電阻ra所引起的電樞銅損占電機(jī)全部損耗的一半到三分之二。

（2)確定額定工作點(TN，nN)

額定工作點(TN，nN)，額定轉(zhuǎn)速nN是銘牌數(shù)據(jù)中給出的，只需求出額定轉(zhuǎn)矩即可

CT=9.55Ce

由T=CTI可知T'N=CTNIN有了理想空載點和額定工作點，就可以繪制出直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性2.人工機(jī)械特性的計算和繪制

由于直流他勵電動機(jī)的人工機(jī)械特性亦是直線，所以根據(jù)人工機(jī)械特性方程式，把相應(yīng)的參數(shù)代入，用與固有機(jī)械特性類似的“兩點法”即可例：直流他勵電動機(jī)銘牌數(shù)據(jù)為：PN=4kW，UN=220V，IN=22.7A，nN=1500r/min。電樞繞組，串聯(lián)穩(wěn)定繞組和換向極繞組的電阻分別為：0.56、0.037、0.245，電刷接觸電壓降為2V。

(1)試計算并繪制固有機(jī)械特性；

(2)當(dāng)電動機(jī)為額定負(fù)載、轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速一半時，電樞回路應(yīng)串多大附加電阻？并繪制該人工機(jī)械特性。解：(1)電動機(jī)的電樞電阻估算值根據(jù)工廠制造電機(jī)時所取得的數(shù)據(jù)，電樞繞組，串聯(lián)穩(wěn)定繞組和換向極繞組的電阻分別為：0.56、0.037、0.285。此外電刷接觸電阻為式中, Ua電刷接觸電壓降(V)則，電樞電阻的實際值ra：ra=0.56+0.037+0.285+0.088=0.97電動機(jī)的電勢常數(shù)2.2直流他勵電動機(jī)的起動

電機(jī)從靜止開始轉(zhuǎn)動，加速到某一穩(wěn)定運行速度的過程稱為起動過程。直流他勵電動機(jī)起動時，為了產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩及不使起動后的轉(zhuǎn)速過高，應(yīng)該滿磁起動，即勵磁電流為額定值，每極磁通為額定值。因此起動時勵磁回路不能串電阻，而且絕對不允許勵磁回路出現(xiàn)斷路，即失磁。2.2.1直流他勵電動機(jī)的起動方法不采取任何措施，把直流電動機(jī)的電樞直接投入額定電壓的起動，稱為直接起動。直流電動機(jī)一般不允許直接起動(小容量直流電機(jī)由于ra大,可以直接起動)。原因：直流電動機(jī)在起動瞬間，n=0，則電樞反電勢E=Cen=0，則此時電樞電流為，稱為起動電流，亦稱為短路電流或堵轉(zhuǎn)電流。由于電樞內(nèi)阻很小，則起動電流Ist很大，一般可達(dá)到額定電流的10～20倍。由于直接起動時的起動電流Ist很大，使換向惡化，在換向器表面產(chǎn)生過大的火花，嚴(yán)重時甚至產(chǎn)生“環(huán)火”。Ist很大，TI，Tst也很大，對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊也很大。這樣過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，對電網(wǎng)及傳動系統(tǒng)都是有害的。

電動機(jī)負(fù)載起動的一般條件是：Ist(2~2.5)IN，因為換向最大允許電流為(2~2.5)IN。Tst(1.1~1.2)TN，這樣系統(tǒng)才能順利起動。直流他勵電動機(jī)的起動方法有以下兩種(為限制起動電流)：降壓起動；電樞串接電阻起動降壓起動在電動機(jī)起動時，降低電樞電壓，使起動電流降低，待電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高后，再逐漸使電樞電壓恢復(fù)到正常值。電樞串接電阻起動在電動機(jī)起動時，在電樞回路中串接電阻(稱為起動電阻)，待電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高之后，再逐級將起動電阻切除。為使起動平穩(wěn)可靠，常采用電樞回路串接電阻分級起動的方法。

Ra1=ra+Rad1+Rad2適當(dāng)?shù)剡x擇所切除的電阻值Rad1，使切除Rad1后的電樞電流剛好等于I1，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T1。在分級起動過程中，各級的最大電流I1(或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T1)及切換電流I2(或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2)都是不變的，這樣，使得起動過程有較均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電組分級起動的要求，起動電阻的阻值需要合適的取值。下面討論啟動電阻的計算方法。

2.2.2直流他勵電動機(jī)起動電阻的計算方法推導(dǎo)計算起動電阻的公式對a點有對b點有對c點有因為切除電阻Rad1的瞬間，由于機(jī)械慣性nb＝nc，又由于略去電樞電感的影響，所以電流由I2突增到I1。當(dāng)切除Rad2的瞬間，對d點有對e點有同理，nd＝ne，Ed＝Ee

兩級起動推廣為m級起動（為最大起動電流I1與切換電流I2之比）為最大起動電流與切換電流之比

每級電樞回路總電阻各級的起動電阻起動最大電流I1及切換電流I2按生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求確定，一般電動機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩計算起動電阻的步驟

按電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，求出電動機(jī)的電樞電阻ra；（a）起動級數(shù)m已知時(一般可按電機(jī)容量及起動要求選定起動級數(shù)m)

先確定最大起動電流Il，一般I1=(1.5~2)IN

求出最大起動電阻Ra1，（b)算出值

求出切換電流I2，應(yīng)滿足I2=(1.1~1.2)IN；

3.（a）當(dāng)m未知時，先選定最大電流I1及切換電流I2；

（b）求出值

（c）求出最大起動電阻Ra1

（d）算出起動級數(shù)m

（e）如得出的m不是整數(shù)，則選取與其相近的較大整數(shù)。然后用其所選之整數(shù)m，按式反過來修正值及切換電流I2值；(f)求出各級起動電樞回路總電阻

(g)求出各級起動電阻值。例：直流他勵電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：PN＝13kW，UN＝440V，IN＝33.5A，nN＝1500r／min。起動級數(shù)m＝4，試用分析法計算起動電阻。

(1)按電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)求出電樞電阻

(2)選取最大起動電流I1為

Il＝2IN=2×33.5＝67A

(3)求最大起動電阻Ra1

(4)

求值

(5)切換電流為

(6)求起動時各級電樞回路總電阻

(7)求起動時各級切除的電阻2.3直流他勵電動機(jī)的各種工作狀態(tài)電動機(jī)的工作狀態(tài)按拖動性能分為電動當(dāng)電機(jī)從電網(wǎng)取得電能，并且發(fā)出與系統(tǒng)運動方向一致的轉(zhuǎn)矩，即為電動工作狀態(tài)制動。當(dāng)電機(jī)向電網(wǎng)回饋電能，并且發(fā)出與運動方向相反的轉(zhuǎn)矩時，即為制動工作狀態(tài)。在電力拖動系統(tǒng)中有三種不同的制動狀態(tài)。回饋制動狀態(tài)：將電機(jī)軸上的機(jī)械能或拖動系統(tǒng)存儲的動能，變成電能輸送到電網(wǎng)。反接制動狀態(tài)：電機(jī)同時吸收機(jī)械能和電能，把它們消耗在電樞（轉(zhuǎn)子）回路的電阻中。能耗制動狀態(tài)：將機(jī)械能變成電能，把它們消耗在電樞（轉(zhuǎn)子）回路的電阻中。制動工作狀態(tài)的實質(zhì)是電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，消耗機(jī)械能。哪些情況下需要使電機(jī)工作在制動狀態(tài)？迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地停車或迅速反轉(zhuǎn)；由高速迅速降到低速；位能負(fù)載為獲得穩(wěn)定的下放速度。

電動工作狀態(tài)(以位能負(fù)載為例分析)提升重物（正向電動）下放空籠（反向電動）電機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速方向相同的拖動轉(zhuǎn)矩，來克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩使重物提升m0為平衡錘m為重物m>m0提升重物機(jī)械特性位于第1象限A點機(jī)械特性方程

n=n0-bT負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)由電網(wǎng)供給電能，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（勢能）下放空籠

空籠質(zhì)量m’<m0

轉(zhuǎn)速反向電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同電機(jī)電樞反接工作在第3象限反向電動

回饋制動狀態(tài)（提升空籠，下放重物，高速向低速變速）（1)提升空籠正向電動當(dāng)?shù)竭_(dá)空載轉(zhuǎn)速后，工作在第2象限

BC段，T為負(fù)，n為正，制動作用電機(jī)吸收的能量為負(fù)，能量回饋

C點穩(wěn)定提升回饋制動

回饋制動－－(2)（2)下放重物反向電動工作在第3象限回饋制動工作在第4象限（3)電機(jī)從高速向低速變速由弱磁工作快速恢復(fù)勵磁時；迅速降低電壓。小結(jié)：回饋制動提升空籠（第2象限），下放重物（第4象限）把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；一部分電能消耗在電樞電阻上，其余部分電能均回饋到電網(wǎng)；轉(zhuǎn)速均高于理想空載轉(zhuǎn)速反接制動狀態(tài)（1)轉(zhuǎn)速反向的反接制動（2)電樞反接的反接制動（1)轉(zhuǎn)速反向的反接制動正向電動當(dāng)Tst<TL時，出現(xiàn)“倒拉”，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反系統(tǒng)工作于第4象限的G點，以穩(wěn)定的速度下放。從電網(wǎng)輸入的功率和由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成的電磁功率都消耗在電阻上。（2)電樞反接的反接制動Rad

阻力負(fù)載穩(wěn)定在D點位能負(fù)載穩(wěn)定在E點從電網(wǎng)輸入的電功率和從機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率都消耗在電樞電阻上。能耗制動狀態(tài)電機(jī)處于電動運行狀態(tài)下，把電樞斷開電源，接到制動電阻上。電動狀態(tài)能耗制動狀態(tài)

阻性負(fù)載穩(wěn)定在O

位能負(fù)載穩(wěn)定在C

能耗上優(yōu)于反接制動零速時沒有轉(zhuǎn)矩，可以準(zhǔn)確停車串勵直流電動機(jī)的制動狀態(tài)反接制動注意電樞電源和勵磁電源不能同時反接。能耗制動注意勵磁電流方向不能改變。沒有回饋制動2.4合理選擇調(diào)速方式的基本依據(jù)調(diào)速范圍能否滿足要求電動機(jī)的負(fù)載能力是否得到合理利用調(diào)速的平滑性原始投資和運行費用的合理支配（一）調(diào)速范圍定義：額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動機(jī)允許達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與不超過工作機(jī)械允許的最大靜差率所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比。顯然△n愈小，s愈小，表征相對穩(wěn)定性越好1、2曲線比較：機(jī)械特性越硬，則s越??；1、3曲線比較：機(jī)械特性硬度相同，但s并不一定相同；n0越大，s越小，即高速特性的相對穩(wěn)定性優(yōu)于低速特性。TL=TN△nN△nN123nN=nmaxnmin生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速時，為保證一定的穩(wěn)定性，通常要求靜差率s小于某一允許值;如果低速特性的靜差率s滿足要求，則高轉(zhuǎn)速特性一定也滿足要求s和D是互相聯(lián)系的兩項指標(biāo)，nmin取決于低速特性的靜差率s，因此，D也受低速特性的靜差率s的限制調(diào)速范圍D和靜差率s的關(guān)系（二）電動機(jī)負(fù)載能力的合理利用電動機(jī)的負(fù)載能力：即電動機(jī)的允許輸出