第九章 直流電動機的電力拖動VIP

電機及電氣自動控制直流電動機的電力拖動電機學中三個基本物理量：電、磁、力（運動）電機學中兩個重要的物理現(xiàn)象1、導體切割磁場產生感應電動勢大小關系：e=Blv

方向判定：右手定則?！?-0基礎知識2、載流導體在磁場中受到電磁力大小關系：f=Bli

方向判定：左手定則。電刷靜止換向器運動線圈運動磁極靜止直流電機的物理模型實際的電機中有多個線圈構成電樞繞組。

磁場通常由勵磁繞組通入直流電產生的。實際的直流電機電樞繞組的導體數(shù)較多，電樞繞組感應電動勢為多根導體感應電勢之和，大小為：Ea=CeΦn，其中Ce

是與電機結構有關的常數(shù)。感應電勢的方向由磁場方向和電機轉向決定，改變磁場方向或電機的轉向可以改變感應電動勢的方向。電樞繞組在磁場中受到電磁轉矩T=CTΦIa

，CT=9.55Ce

。電磁力的方向由磁場方向和電樞電流方向決定，改變磁場方向或電流方向可以改變電磁力的方向。根據勵磁繞組和電樞繞組之間的連接，直流電機可分為：他勵：勵磁繞組和電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系；并勵：勵磁繞組和電樞繞組相并聯(lián)；串勵：勵磁繞組和電樞繞組相串聯(lián)；復勵：勵磁繞組分為兩部分，分別與電樞繞組串聯(lián)和并聯(lián)。他勵直流電機的等效電路電樞回路勵磁回路注意：T方向與Ia方向相關；Ea方向與n方向相關。

電動狀態(tài)下，Ea的方向與U的方向相反；Ia

的方向與U的方向相關；T

的方向與n的方向相同。f§9-1他勵直流電動機的機械特性一、機械特性方程式電樞電路電勢平衡式為：感應電動勢：電磁轉矩：由以上三式得：其中：二、固有特性與人為特性固有特性：電動機電源電壓和磁通均為額定值，電樞回路沒有串聯(lián)電阻時的機械特性：曲線：過n0點，斜率為-β的下傾直線。額定點空載點理想空載點特點：Ra小，β小，轉速隨負載增大而下降的幅度小，機械特性較硬。1、電樞串電阻時的人為特性通過改變電動機的參數(shù)可以獲得不同的機械特性，稱為人為機械特性。曲線：n0不變，β′>β，轉速隨負載增大而下降的幅度大，機械特性較軟。參數(shù)：U=UN，f=fN，R=Ra+RΩ

。方程式：2、降低電源電壓的人為特性曲線：n0′<n0，斜率和固有特性相同，硬特性。參數(shù)：U<UN，f=fN，R=Ra

。方程式：3、減弱磁通的人為特性曲線：n0′>n0，β′>β

。參數(shù)：U=UN，f<fN，R=Ra。方程式：減弱磁通后轉速的變化趨勢：以例9-1中的電機為例，電機帶額定負載，磁通下降為額定狀態(tài)的90%，此時：可見在正常情況下，減弱磁通后電機的轉速將升高。TN三、機械特性的繪制以固有機械特性的繪制為例方法：兩點法理想空載點：其中：額定工作點：nN

，TNRa可實測或估算：四、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)分析方法：將n=f(T)和n=f(TZ)畫在同一坐標圖上，根據同一轉速n下T與TZ的大小關系，確定其運行狀態(tài)。穩(wěn)定運行條件：必要條件：n=f(T)和n=f(TZ)有交點，交點轉速

nZ

。穩(wěn)定→

dn/dt

=0→

T=TZ→

n=f(T)和n=f(TZ)有交點，交點轉速

nZ

。

充分條件：當n>nZ時，T<TZ；當n<nZ時，T>TZ。電機特性負載特性電機特性負載特性§9-2他勵直流電動機的起動

起動：轉速n

從0上升到nZ

的過程。對起動的要求：起動轉矩Tst

足夠大，起動電流Ist

不能太大；起動過程平穩(wěn)；設備簡單，經濟可靠。直接起動的危害：開始起動時，n=0→

Ea=CeΦn=0→

Ist=

UN/Ra，由于電樞繞組電阻Ra極小，電樞電流可達額定電流的十多倍，容易燒毀電機；同時，與電流成正比的轉矩將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構。降壓起動：先加低電壓，隨轉速上升，逐步提高電樞電壓。需要有可調直流電源。電樞回路串電阻起動：一、起動方法：保證Φ=ΦN時，合上開關K，過一段時間后合K2，再過一段時間后合K1。起動過程分析：起動時，n=0，Ea=0，Ia

=UN/R2=I1

，T=T1>TZ→dn/dt

>0→

n↑→

Ea↑

→

Ia↓

→

T↓

但仍大于TZ

→n↑

速度變慢；當T=T2，Ia=I2

(b點)時合上K2(RΩ2切除)，特性曲線轉移到cdn0，由于慣性，n不能突變，工作點：b→c，

Ia=(UN-Ea)/R1

=I1

→

T>TZ→

dn/dt

>0→n↑=nd

(d點)時合上K1(RΩ1切除)，特性轉移到固有特性，ne=nd，Ia

=I1

，T>TZ→

n↑=ng

時，T=TZ，起動結束。

注意！他勵直流電動機起動時，必須先保證有磁場，然后才能加電樞電壓。原因：Φ=0→

T=CTΦn=0，電機無法起動，同時Ea=CeΦn=0→

Ia=

UN/R，電樞電流大且不會衰減，將影響電機壽命。每級T1（I1），T2（I2）取一致

通常取I1=（1.5~2）IN，I2=（1.1~1.2）IN

切換電流I2要適當

I2大→

每級n上升幅度小，起動級數(shù)m增加

I2小→

各級電阻切除前加速度小，起動時間長一般取m=3~4（1）依據：電阻切除瞬間轉速不會突變的原則

b、c點：

d、e點：推廣到m級起動的一般情況，得二、他勵直流電動機起動電阻的計算（解析法）各級電樞總電阻：各級分段電阻：（2）起動電阻計算步驟

m已知選定I1

→

Rm

=UN

/I1

求β：求各級各段電阻

若m未知，必須先確定m：

初定

I1、I2

→

Rm

=UN

/I1

并初定

β′=I1/I2

。

求m

并圓整：三、他勵直流電動機起動的過渡過程1、什么叫過渡過程從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的過程起動：n=0（穩(wěn)態(tài)）→

n=nz

（穩(wěn)態(tài)）特點：n、T、Ia

等均隨時間變化2、產生過渡過程的原因

外界干擾：電壓降落、負載突變等工藝要求：起動、調速和制動等3、影響過渡過程的主要因素機械慣性：反映在飛輪力矩上，使轉速不能突變電磁慣性：反映在電感上，使電流不能突變熱慣性：使溫度不能突變，影響小，一般不考慮4、分析過渡過程的意義正確、合理地使用設備，正確選擇電機容量提高勞動生產率5、過渡過程的分類機械過渡過程：僅考慮機械慣性的影響電氣—機械過渡過程：同時考慮機械慣性和電磁慣性的影響（一）起動的機械過渡過程1、電樞串固定電阻起動的過渡過程（1）電流變化曲線Ia

=f(t)當t=0時Ia

=Ist，則:積分得：將Ia

表達式整理得：將Ia

=f(t)代入轉速方程得：（2）轉速變化曲線n

=f(t)注意：以上推導所得的結論是通用的，適用于各種過渡過程。對于不同的過渡過程只需將不同的初始狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)和機電時間常數(shù)代入即可。（3）過渡過程的時間

TtM的物理意義電機起動時，nst

=0，則求導得：加速度隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減當t

=0，物理意義：若電動機以起動瞬間的加速度加速，經過TtM的時間，速度就可以達到穩(wěn)定轉速。實際起動過程需要（3~4）TtM的時間轉速才能穩(wěn)定。過渡過程的時間tx時刻電樞電流求得：同理可得：2、電樞串多級電阻起動的過渡過程轉速和電流隨時間變化的規(guī)律與串固定電阻起動時的規(guī)律相同，只是各級的初始狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、末了狀態(tài)和機電時間常數(shù)不一樣?？芍苯討们懊嫱茖У墓?。各級的參數(shù)見書本P42表9-1。3、加快起動過程的途徑起動過程延緩的原因：系統(tǒng)的機械慣性大。反映為機電時間常數(shù)大。起動電流隨時間衰減。Ia↓

→T↓

→

dn/dt↓。

加快起動的方法：減小系統(tǒng)的飛輪力矩雙電機拖動長鐵心電機拖動改善起動電流的波形三、他勵直流電動機起動的電氣自動控制四、直流電動機正反轉控制§9-3他勵直流電動機的制動電動機的工作狀態(tài)：電動狀態(tài)：T與n同向，Ⅰ、Ⅲ象限，電能→機械能。發(fā)電狀態(tài)：T與n反向，Ⅱ、Ⅳ象限，機械能→電能。制動目的：快速停車：減小過渡過程時間，增加有效工作時間。降低轉速：用于從高速向低速調速。限制轉速上升：下放重物時。制動原理：使電動機產生一個與n反向的T。一、能耗制動1、線路：切除電源，通過外接電阻形成電樞回路。2、機械特性：特點：過原點的直線，傾斜程度大于固有特性。制動開始瞬間，由于機械慣性，轉速不能突變→Ea不變→Ia

=-Ea/(Ra+RZ)

反向→T反向，與n反方向，為制動轉矩。在T和TZ的作用下，n↓→Ea↓→|

Ia|↓當n=0時，Ea=0，Ia=0，T=0，對于反抗性負載，TZ

=0，電機停車，制動過程結束。對于位能性負載，TZ

不為零，電機在TZ的作用下反轉，|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,當T=TZ

時，電機穩(wěn)定下放重物。3、能耗制動的物理過程

RZ太小→Ia

大、T大，損壞電機。如果要求|Ia

|≤|I1|，則

RZ太大→T小，制動時間長。對于位能性負載，RZ大，重物下放速度也大。對于位能性負載，若要求下放速度小，可以先串大電阻，速度下降到一定程度后切除部分電阻。制動電阻的選擇5、制動的過渡過程6、能耗制動控制電路二、反接制動（一）轉速反向反接制動1、條件：外來轉矩使轉子轉向與電磁轉矩方向相反。2、典型應用：電樞回路串大電阻下放重物。3、工作原理：電樞回路串大電阻，使得Tst

<TZ，在TZ的作用下，電機反轉，隨著|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,當T=TZ

時，電機穩(wěn)定下放重物。此時T與n反向，電機工作在制動狀態(tài)。思考：電機帶位能性負載TZ，電樞回路串電阻，若希望重物停在空中，所串電阻R0應如何計算？增大R0的值，重物會上升還是下降？4、功能關系電網輸入的電能機械能轉換的電能消耗在電樞回路電阻上的電能（二）電樞反接制動1、條件：電源反接、電樞回路串電阻。2、機械特性：曲線：圖中BC段。3、制動原理：Ia

=(-UN-Ea)/R<0，→

T<0，與n反向，為制動轉矩→

n↓，B→C。思考：轉速下降為0（C點）以后，電機將進入什么狀態(tài)？位能性負載：反向起動，進入電動狀態(tài)（C-n0段），當反向轉速高于理想空載轉速（-n0點）,電機將進入回饋制動狀態(tài)（-n0E段）。反抗性負載：若|Tc|>|TZ|，反向起動，進入電動狀態(tài)，最終穩(wěn)定在D點。若|Tc|<|TZ|，無法反向起動，停車。4、電樞反接制動的過渡過程二、回饋制動特點：轉速n高于理想空載轉速n0，|Ea|>|U|，Ia

與U反向，能量由電動機回饋到電源?？赡艹霈F(xiàn)于下列兩種情況：位能性負載拖動電機以高于n0的速度旋轉。降壓調速時，降低電壓后n0

立即下降，而轉速由于慣性仍保留原來轉速，此時可能出現(xiàn)回饋制動狀態(tài)?！?-4他勵直流電動機的調速

調速：在負載一定的情況下，人為地改變生產機械工作速度的方法。注意與因負載變化引起的速度變化的區(qū)別。調速方法：機械調速：改變傳動比獲得不同負載轉速。電氣調速：改變電氣參數(shù)獲得不同電機轉速。電氣—機械調速：兩種調速方法配合使用。一、調速指標（一）技術指標1、調速范圍：D=nmax/nminD生產機械=D傳動機構×D電動機，一般希望D越大越好。由于

nmax受機械強度等限制，nmin受相對穩(wěn)定性限制，實際D不可能無限大。2、靜差率：δ=ΔnN/n0注意：ΔnN

指的是額定負載所對應的轉速降，并不總是等于n0-nN！

δ和特性硬度之間的關系：

n0相同，硬度大→δ小。硬度相同，n0大→δ小。

D和低速靜差率δ之間的關系：從上式可以看出：調速范圍大，低速時的靜差率也大，系統(tǒng)不穩(wěn)定；若要求低速時靜差率小，則調速范圍也小。可見調速范圍D受低速時靜差率δ的制約，在設計調速方案時，必須綜合考慮調速范圍和靜差率這兩個技術指標，選擇合適的調速方法。3、平滑性：φ=ni/ni-1=vi/vi-1

φ越接近于1，平滑性越好。φ=1時為無級調速。

D一定的情況下，級數(shù)越多，平滑性越好。4、調速時的容許輸出定義：在電動機容量得到充分利用（Ia=IN)的情況下，調速過程中軸上輸出的功率和轉矩。注意：容許輸出只是表示調速過程電機輸出的能力，其實際輸出由負載決定。常見容許輸出類型恒轉矩：調速過程容許輸出的轉矩不變。恒功率：調速過程容許輸出的功率不變。（二）經濟指標設備投資。運行費用：取決于調速過程的損耗。調速指標總結：調速范圍：越大越好。靜差率：越小越好。平滑性：越平滑越好。容許輸出：與負載特性相匹配最好。設備投資：越小越好。運行費用：越低越好。二、調速方法由轉速特性可以看出，改變以下參數(shù)可以改變他勵直流電動機的速度：改變電樞回路電阻：串電阻調速改變電源電壓：降壓調速改變勵磁電流從而改變磁通：弱磁調速1、電樞串電阻調速參數(shù)：U、Φ

不變，R=Ra+RΩ。機械特性：調速原理：電樞回路電阻增大，理想空載轉速不變，斜率越大，同一負載下電機的轉速下降。容許輸出：恒轉矩輸出

Ia=IN→T=CTΦIa=CTΦIN=TN

優(yōu)缺點：設備簡單、操作方便調速指標不高：低速靜差率大、調速范圍小、平滑性差、效率低。輸入功率電磁功率電樞回路損耗隨著轉速

n

的下降，損耗增大，效率降低。為提高機械特性的硬度，可在電樞兩端并電阻2、降低電源電壓調速參數(shù)：Φ、R不變，

U<UN。

方程式：調速原理：電源電壓降低，斜率不變，理想空載轉速降低，同一負載下電機的轉速下降。容許輸出：恒轉矩輸出

Ia=IN→T=CTΦIa=CTΦIN=TN

優(yōu)缺點：調速性能好：低速靜差率小、調速范圍大、無級調速、效率高。需要可調直流電源，成本高。直流電源的獲取晶閘管整流裝置供電：通過晶閘管整流裝置直接把交流電整成直流電，為電動機提供電源。適用于小容量電機。直流發(fā)電機供電：適用于大容量電機。

機械特性直流發(fā)電機端電壓直流電動機端電壓很顯然發(fā)電機和電動機的端電壓應該相等，則理想空載時Ia

=0，轉速思考：帶恒功率負載的電動機能否用電樞串電阻或降低電源電壓的方法調速？采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法調速時，磁通Φ保持不變，由T=CTΦIa知，Ia∝T

。對于恒功率負載，T∝1/n，n↓→T↑→Ia↑，若調速前電流為額定電流，則速度下降以后，電流將大于額定電流，若長時間運行，可能燒毀電機。3、弱磁調速參數(shù)：Φ

<ΦN，U、R不變

。方程式：調速原理：Φ↓→Ea