第4章-直流電動機的運行

本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程、負載轉(zhuǎn)矩特性、直流電動機的機械特性、啟動、調(diào)速、制動等方法和物理過程。第4章他勵直流電動機的運行一、電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。1、運動方程式負載電動機傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械控制設備電源電力拖動系統(tǒng)的組成2、運動方程的實用形式3、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動的三種狀態(tài)1)當或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當或時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當或時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。常把或稱為動負載轉(zhuǎn)矩，把稱為靜負載轉(zhuǎn)矩。式中，GD2為轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩。

首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速的正方向，然后再規(guī)定：4、運動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負號的規(guī)定（1）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為正，相反時為負。（2）負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為負，相反時為正。(3)慣性轉(zhuǎn)矩的大小和正負號由和的代數(shù)和決定。1）恒轉(zhuǎn)矩負載特性負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。

恒轉(zhuǎn)矩負載特性是指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負載兩種。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載TLn（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載TLn5、負載的轉(zhuǎn)矩特性2）恒功率負載特性

恒功率負載特點是：負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLnTLn理想的通風機特性實際通風機特性TL0

負載的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比。負載特性為一條拋物線。3）泵與風機類負載特性二、他勵電動機的啟動1、直接啟動在直接啟動時，啟動電流啟動轉(zhuǎn)矩通常情況下，若直接啟動：

電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。因此，若直接啟動可能造成以下后果：①換向困難；②換向器產(chǎn)生環(huán)火燒毀電刷；③電樞繞組產(chǎn)生過大電磁力，損壞繞組；④引起電網(wǎng)電壓波動，影響其他電氣設備運行。結(jié)論：除了微型直流電動機，由于自身電樞電阻大，可以直接啟動外，一般直流電動機都不允許直接啟動。（1）由于電流增大造成的后果：（2）由于轉(zhuǎn)矩增大造成的后果：過大的電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生過大的加速度，損壞機械傳動部件。因此，一般情況下2、電樞回路串電阻啟動由電動機啟動時的公式可以確定電動機啟動時電樞回路所串電阻的大小啟動后，分段切除所串電阻，全部切除后，穩(wěn)定運行在A點。R增大

為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。2、降低電樞電壓啟動由電動機啟動時的公式可以確定電動機啟動時電壓的大小U降低電源電壓可以連續(xù)上升（調(diào)節(jié)），使啟動更快、更平穩(wěn)。例題：P69例題4-1三、他勵電動機的調(diào)速1、調(diào)速原因是它拖動的生產(chǎn)機械的需要，例如：車床切削工件時精加工用高轉(zhuǎn)速，粗加工用低轉(zhuǎn)速；軋鋼機軋輥在咬鋼時用低轉(zhuǎn)速，在軋制中用高轉(zhuǎn)速，等等。2、調(diào)速方法有電樞串電阻調(diào)速，降低電樞電壓調(diào)速和弱磁調(diào)速三種方法。3、調(diào)速的性能指標1）調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)時，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。一般講，調(diào)速范圍大好。2）靜差率額定負載時的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比。靜差率越小，相對穩(wěn)定性越好。3）平滑性相鄰兩級調(diào)速中，高一級轉(zhuǎn)速與低一級轉(zhuǎn)速之比。φ越接近1，平滑性越好。i→∞，φ→1為無極調(diào)速。4、調(diào)速方法1）電樞串電阻調(diào)速結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負載時,串電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。（1）調(diào)速過程中電流和轉(zhuǎn)速的變化示意圖調(diào)速前后、電流不變調(diào)速中轉(zhuǎn)速變化情況前提串入R。（2）調(diào)速特性曲線R增大（3）主要特征①R↑→n↓；②從基速向下調(diào)速；③負載轉(zhuǎn)矩TL一定時，電樞電流Ia與轉(zhuǎn)速n無關(guān)；④負載轉(zhuǎn)矩TL一定時，銅損耗隨轉(zhuǎn)速n降低而增大；⑤R↑→β↑→特性變軟→n的運行穩(wěn)定性差；⑥受R容量大，體積大的限制，只能有級調(diào)速，最大為六級。2）降低電樞電壓調(diào)速前提調(diào)U。（1）調(diào)速特性曲線U降低（2）主要特征①U↓→n↓；②從基速向下調(diào)速；③負載轉(zhuǎn)矩TL一定時，電樞電流Ia與轉(zhuǎn)速n無關(guān)；④β不變，硬度不變，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；⑤可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，平滑性好。3）弱磁調(diào)速前提不過分大。（1）調(diào)速特性曲線Ф減?。?）主要特征①從基速向上調(diào)速；②因為勵磁電流小，所以功率損耗??；③弱磁控制方便；④最大轉(zhuǎn)速nmax受換向和機械強度的限制，nmax≤1.2

導致調(diào)速范圍小；⑤特性變軟→n的運行穩(wěn)定性差。4）調(diào)速綜述他勵直流電動機廣泛采用降低電源電壓向下調(diào)速及減弱磁通向上調(diào)速的雙向調(diào)速方法，具有①調(diào)速范圍寬；②功率損耗小；③運行效率高等優(yōu)點。例題：P73例題4-25）恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速調(diào)速過程中：則=常數(shù)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）恒功率調(diào)速在中，調(diào)速時，讓Ф↓→T↓，但Ф↓→n↑（Ω↑）則P=T↓Ω↑

=常數(shù)為恒功率調(diào)速。TLnTLn四、他勵電動機的制動

當電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時,電機運行于電動機狀態(tài)；當電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時,電機運行于制動狀態(tài)。1、能耗制動電動制動

制動運行時，將系統(tǒng)儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動。制動瞬間（如特性曲線圖），U=0，n不能突變，運行點從A→B，Ф和均不變。此時<0，<0。1）能耗制動過程如圖，處于電動狀態(tài)的電動機，突然將開關(guān)S投向制動電阻上，即實現(xiàn)制動。2）能耗制動時的機械特性曲線電動狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段拖動反抗性負載制動過程結(jié)束若電動機帶位能性負載，穩(wěn)定工作點3）主要特征①制動發(fā)生在第二象限的B→0段；②TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；③-TB與-TL共同作用使電動機減速；④減速中n和Ea逐漸下降，到0點后，Ea=0，Ia=0，n=0，停車結(jié)束；⑤容易實現(xiàn)準確停車。機械特性4）功率流程圖

電動機將系統(tǒng)釋放所儲存的動能扣除空載功率損耗后，轉(zhuǎn)變成電磁功率全部消耗在電樞回路的電阻上。5）制動電阻的最小值因為：所以：因為R↓→Iab↑→↑

→停車越快；但是，因為R↓→Iab↑→換向困難，R又不能太小。所以制動電阻的最小值為：式中，為電動機的最大允許電流。

能耗制動操作簡單，但隨著轉(zhuǎn)速下降，電動勢減小，制動電流和制動轉(zhuǎn)矩也隨著減小，制動效果變差。若為了盡快停轉(zhuǎn)電機，可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時，切除一部分制動電阻，增大制動轉(zhuǎn)矩。拓展：2、反接制動如圖，將正向運行的電動機的電源電壓突然反接，同時在電樞回路串入電阻。電動制動開關(guān)S投向“電動”時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關(guān)投向“制動”，電樞回路串入制動電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流，電動機處于制動狀態(tài)。1）制動過程2）特性曲線正向電動狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段制動過程結(jié)束反向啟動過程3）主要特征①制動發(fā)生在第二象限的B→C段；②反接制動工作點A→B→C；③④減速中n和Ea逐漸下降，到0點后，Ea=0，Ia=0，n=0，經(jīng)抱閘停車；⑤不容易實現(xiàn)準確停車。，從反向看（-n0），β↑（特性軟）。④TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；4）功率流程圖

電動機將電源輸入的電功率加上系統(tǒng)釋放所儲存的動能扣除空載功率損耗后，轉(zhuǎn)變成電磁功率全部消耗在電樞回路的電阻上。5）制動電阻的最小值因為：所以：因為R↓→Iab↑→↑

→停車越快；但是，因為R↓→Iab↑→換向困難，R又不能太小。所以制動電阻的最小值為：式中，為電動機的最大允許電流。能耗自動最小電為：3、反接制動與能耗制動比較1）若是同一臺電動機，同一個最大允許電流，則Rmin（反）=2Rmin（能）2）因為Rmin（反）=2Rmin（能）所以，β（反）=2β（能）3）從特性曲線上看，在停車過程中，反接制動的電磁轉(zhuǎn)矩比能耗制動的大，因此停車迅速。4）在準確停車上，反接制動不如能耗制。5）對于要求頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械（如可逆軋鋼機）采用反接制動可使正向停車和反向啟動連續(xù)進行，縮短過渡過程時間。能耗制動能耗制動反接制動4、倒拉反轉(zhuǎn)運行他勵直流電動機拖動位能性負載運行。在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻，即可實現(xiàn)制動。1）特性曲線工作點由A-B-C-D，CD段為制動段。正向電動提升重物電樞串較大電阻特性電動機以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下放重物負載作用下電動機反向旋轉(zhuǎn)2）主要特征①拖動位能負載；②電樞回路串聯(lián)較大電阻，β很大（特性較軟）；③運行在第四象限的C→D段；④TB>0，n<0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。5、回饋制動運行

電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運行有兩種情況:電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限當電車下坡時，運行轉(zhuǎn)速可能超過理想空載轉(zhuǎn)速，進入第二象限1）正向回饋制動運行（1）特性曲線（2）主要特征②制動運行在第二象限的A點；③TB<0，n>0，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；④n>0，為正向回饋制動狀態(tài)。（3）功率流程圖見前頁圖。系統(tǒng)釋放所儲存的動能回饋電源①

；2）反向回饋制動運行（1）特性曲線1（2）主要特征②

拖動位能性負載；③電源電壓反接U=-U；⑥

n<0，反向回饋制動。④運行在第四象限B點；