《電氣控制與PLC》課件-2.3直流電機(jī)的啟動-調(diào)速-制動

鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)資源庫一、他勵直流電動機(jī)的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動（一）他勵直流電動機(jī)的起動起動：電動機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。起動轉(zhuǎn)矩為Tst=CTφIst

如果他勵直流電動機(jī)在額定電壓下直接起動，由于起動瞬間n=0，Ea=0，故起動電流為：電樞電阻Ra很小，所以，直接起動電流將達(dá)到很大的數(shù)值，通?？蛇_(dá)到（10～20）IN

后果：引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動機(jī)的換向嚴(yán)重惡化，甚至?xí)龎碾妱訖C(jī)過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機(jī)構(gòu)除了個別容量很小的電動機(jī)外，一般直流電動機(jī)不允許直接起動。（1）要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。（2）起動電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動設(shè)備要簡單、可靠。對直流電動機(jī)的起動的要求：限制起動電流的方法：他勵直流電動機(jī)：電樞回路串電阻起動降低電樞電壓起動起動時應(yīng)保證電動機(jī)的磁通為最大值，以使轉(zhuǎn)矩較大1．電樞回路串電阻起動起動前，應(yīng)使勵磁回路調(diào)節(jié)電阻Rst=0，對于普通直流電動機(jī)，一般要求

Ist≤（1.5～2）IN

為了縮短起動時間，保持電動機(jī)在起動過程中的加速不變，應(yīng)將起動電阻平滑地切除，最后使電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到運(yùn)行值。采用三級電阻起動時電動機(jī)的電路原理圖及其機(jī)械特性起動點(diǎn)，Ist和Tst都為最大值轉(zhuǎn)速逐步上升串入全部電阻逐級切除電阻穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)2．降壓起動當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可以采用降壓方法起動。降低U起動n↑，Ea↑Ia↓逐漸提高電源電壓，保證起動電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。特點(diǎn)：需要專用電源，設(shè)備投資較大起動平穩(wěn)，起動過程中能量損耗小（二）他勵直流電動機(jī)的調(diào)速調(diào)速：機(jī)械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動機(jī)構(gòu)速比改變電動機(jī)參數(shù),人為地改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而使負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：改變電壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻1．評價調(diào)速的指標(biāo)（1）調(diào)速范圍電動機(jī)在額定負(fù)載下可能運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、換向條件、電壓等級等方面的限制受到低速運(yùn)行時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性的限制（2）靜差率（相對穩(wěn)定性）負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對穩(wěn)定性好不同機(jī)械特性的靜差率靜差率與調(diào)速范圍兩個指標(biāo)是相互制約,電動機(jī)的范圍D與最低轉(zhuǎn)速是的靜差率關(guān)系:最低轉(zhuǎn)速機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速降最低轉(zhuǎn)速時的靜差率（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當(dāng)φ

=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用等。2．調(diào)速方法（1）電樞回路串電阻調(diào)速設(shè)電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載原運(yùn)行于A點(diǎn)，串電阻后對應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)為B，C點(diǎn)。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時電樞串電阻調(diào)速過程

缺點(diǎn)：（1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差。（2）低速是特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差。電樞串電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡單，操作方便；

缺點(diǎn)：（3）輕載時調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時調(diào)速范圍一般為D≤2。（4）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，則調(diào)速后輸出功率（P2∝TLn）隨轉(zhuǎn)速的下降而減小，此時效率較低。而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，所以這種調(diào)速方法是不太經(jīng)濟(jì)的。

（2）降低電源電壓調(diào)速電壓越低，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也越低電壓從UN下降至U1再降至U2,轉(zhuǎn)速從nN降至n1再降至n2。降壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：（1）電源電壓能夠平衡調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；（2）調(diào)速前后機(jī)械特性的斜率不變，硬度較高，負(fù)載變化時，速度穩(wěn)定性好；（3）無論輕載還是重載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá)D=2.5～12；（4）電能損耗較小。降壓調(diào)速的直流電源：G—M系統(tǒng)示意圖SCR—M系統(tǒng)示意圖（3）減弱磁通調(diào)速改變磁通只能從額定值往下調(diào)，調(diào)節(jié)磁通調(diào)速即是弱磁調(diào)速。減弱磁通調(diào)速Φ2<Φ1<ΦN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時弱磁通調(diào)速過程在電流較小的勵磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，而且調(diào)速平滑性好。雖然弱磁升速后電樞電流增大，電動機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動機(jī)的效率基本不變，因此弱磁調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性比較好.弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；轉(zhuǎn)速的升高受到電機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，因此升速范圍不可能很大，一般D≤2。弱磁調(diào)速的缺點(diǎn)：[例1]

一臺他勵直流電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)為UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r/min，Ra=0.4Ω，保持額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，求：（1）電樞回路串入1.65Ω電阻后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（2）電源電壓降為110V時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（3）磁通減弱為90%ΦN時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。[解]（1）因?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩不變，且磁通不變，所以Ia不變。（2）與（1）相同，Ia=IN不變（3）因?yàn)樗裕ㄈ┧麆钪绷麟妱訖C(jī)的反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方法：改變Φ的方向改變Ia的方向（四）他勵直流電動機(jī)的制動電動狀態(tài)：Tem與n方向相同制動狀態(tài)：Tem與n方向相反電動機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)：回饋制動制動：能耗制動反接制動1．能耗制動運(yùn)行時與電源連接；制動時連接電阻RB制動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n方向相反制動運(yùn)行時，電機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械慣性力的拖動而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動為止。能耗制動時的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速為零斜率原運(yùn)行于A點(diǎn)制動時，對于反抗性負(fù)載將經(jīng)B點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)停下來。對位能性負(fù)載將達(dá)到C點(diǎn)。通常限制最大制動電流不超過2～2.5倍的額定電流。制動電阻的選取：能耗制動操作簡單，但轉(zhuǎn)速低時，制動弱?？稍谵D(zhuǎn)速較小時，切除一部分制動電阻，使制動轉(zhuǎn)矩增大，從而加強(qiáng)制動作用。[例2]

一臺他勵直流電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為PN=10kW，UN=220V，IN=53A,nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，電樞電流最大允許值為2IN。（1）電動機(jī)在額定狀態(tài)下進(jìn)行能耗制動，求電樞回路應(yīng)串接的制動電阻值。（2）用此電動機(jī)拖動起重機(jī)，在能耗制動狀態(tài)下以300r/min的轉(zhuǎn)速下放重物，電樞電流為額定值，求電樞回路應(yīng)串入多大的制動電阻？Ea=UN?RaIN=(220?0.353)V=204.1（V）[解]（1）制動前電樞電動勢為應(yīng)串入的制動電阻值為：（2）因?yàn)閯畲疟３植蛔儯瑒t下放重物時，轉(zhuǎn)速為n=?300r/min，由能耗制動的機(jī)械特性2．反接制動（1）電壓反接制動IaB產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩TemB，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動作用。為了限制過大的電樞電流，反接制動時必須在電樞回路中串接制動電阻RB

Imax=(2～2.5)IN

故電壓反接制動時的機(jī)械特性U=?UN，Φ＝ΦN，R=Ra+RB條件下的一條人為特性當(dāng)制動的目的就是為了停車時，那么在電機(jī)轉(zhuǎn)速接近于零時，必須立即斷開電源。反接制動過程電壓反接制動時的機(jī)械特性U=?UN，Φ＝ΦN，R=Ra+RB條件下的一條人為特性反接制動過程反接制動時，從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成的電功率一起全部消失在電樞回路的電阻（Ra+RB）上，其能量損耗很大。（2）倒拉反轉(zhuǎn)反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在電樞回路串入較大電阻下放速度決定于所串電阻3．回饋制動電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下（如電動機(jī)拖動的機(jī)車下坡時）會出現(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0的情況，此時Ea>U，電樞電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變：由驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩。從能量傳遞方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。機(jī)車恒速下坡重物勻速下放降壓調(diào)速時產(chǎn)生回饋制動增磁調(diào)速時產(chǎn)生回饋制動由于轉(zhuǎn)速不能突變在降壓時形成的回饋制動回饋制動二、串勵直流電動機(jī)的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動（一）串勵電動機(jī)的起動、調(diào)速和反轉(zhuǎn)起動方法：電樞串電阻起動降低電源電壓起動Tem∝Ia2串勵電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩較大，適用于重載起動的生產(chǎn)機(jī)械上，例如起重、運(yùn)輸設(shè)備等。串勵電動機(jī)調(diào)速：也是采用電樞串電阻、降壓和弱磁三種調(diào)速方法。其中電樞串電阻調(diào)速比較常用，弱磁調(diào)速用得較少。反轉(zhuǎn)方法：改變Φ的方向改變Ia的方向

由于串勵電動機(jī)的電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)，要單獨(dú)改變一個電流的方向，則每個繞組的接線端必須引出。不能采用單獨(dú)變外部電源極性的方法。（二）串勵電動機(jī)的制動要使Ea＞U，轉(zhuǎn)速將高達(dá)不能允許的數(shù)值，故串勵電動機(jī)不存在回饋制動狀態(tài)。制動方法：能耗制動反接制動1．能耗制動串勵電動機(jī)的能耗制動分為他勵式和自勵式兩種。

串勵電動機(jī)的他勵式能耗制動因?yàn)镽f小，必須串入較大的限流電阻

必須保證If方向不變制動段制動段

必須改接串勵繞組n下降，制動轉(zhuǎn)矩下降很快制動效果變?nèi)?，制動時間長且制動不平穩(wěn)。主要用于事故停車（不需電源）2．反接制動電壓反接制動、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動不能改變電壓極性，可以電樞繞組反接。制動段在C點(diǎn)應(yīng)切斷電源，否則電動機(jī)將反向起動到D點(diǎn)串勵電動機(jī)倒拉反接制動適用于位能性負(fù)載。保持電壓極性不變，電樞回路串入一個較大的電阻RB，使電動機(jī)倒拉反轉(zhuǎn)。

起始運(yùn)行點(diǎn)

反接制動穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)三、復(fù)勵直流電動機(jī)的的起動、調(diào)速與制動串勵繞組和他勵（或并勵）繞組的磁動勢方向相同積復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性: