李发海电机与拖动基础第四版第四章

1、 第四章第四章 他励直流电动机的运行他励直流电动机的运行4.1 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动 为了产生较大的启动转矩并限制过高的启动转速，应使每极磁通为额定值，即励磁电流为额定值。且仅防励磁回路开。 他励直流电动机加额定电压直接启动，此时由于速 ，反电势 ，则启动电流 ，启动转矩将产生过大的电流，导火花过大甚至拉弧，损坏电刷和换器；还会产生机械冲。除小电机外，一般不允许直接启动。41.1 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻 R ，启动电流为0n 0aE NaNaUIIRStNSSTCITNSaUIRR 串入电阻的大小依据负载转矩而定。为了保持在启动过程中，电磁转矩持

2、续较大和电枢电流持续较小，可逐段切断启动电阻进行动。如图4.1所示。LT图 4.11 电枢回路串电阻启动4.1.2 降电压启动降电压启动降低电压时，启动电流为 ，电压的大小根据负载转矩和启动条件而定。为了保持在启动过程中，电磁转矩持续较大和电枢电流持续较小，可逐渐升高电压，直至 ，如4.2。aaUIRNU图 4.2 降压启动图中A点为稳定运行点。 4.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 4.2.1 他励直流电动机的调速方法他励直流电动机的调速方法 1.电枢串电阻调速 保持电源电压与磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同电阻时，电动机LatNTIC图4.3 电枢回路串电阻调速运行于不同

3、转速，如图4.3 所示。 串电阻调速，电机在不同速度下运行时，只要负载转矩变，电枢电流也不变。因为 电枢串电阻调速的缺点是损耗大，串电阻越大、速度越低、损耗越大。 2. 2. 降低电源电压调速降低电源电压调速保持磁通为额定值，电枢回路不串电阻，降低电枢电压的调速如图4.4所示。图中的负载为恒转矩负载，降低电压时，电 机工作在不同转速上。同理，只要负载转矩不变，电枢电流就不变。由于降压调速的机械特性为一组硬度较大的平行线，低速运行时稳定性好，速度调节平滑，故广泛运用图4.4 降低电源电压调速在直流拖动系统中。3.弱磁调速弱磁调速 保持电机电压不变，电枢回路不串电阻，在负载转矩不太大的情况下，降低

4、直流电动机磁通，可使直流电动机转速升高。恒转矩负载的图4.5 弱磁调速机械机械特性如图4.5所示。弱磁升速中，最高转速受换向器和机械强度限制，一般不超过 1.2 。 在直流电机拖动系统中，广泛用降电压向下调速及减弱磁通向上调速的双向调速法，以获取较宽的调速范围。Nn4.2.2 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速和恒功率调速 在调速过程中，保持点枢电流和每极磁通为额定值（即电磁转矩为额定值），称为恒转矩调速。 保持电枢电流为额定值，采用弱磁调速，此时虽然转矩小，但转速变高，而功率保持不变，称恒功率调速。4.2.3 调速的性能指标调速的性能指标1. 1.调速范围与静差率调速范围与静差率

5、在额定负载下，电动机调速时的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用 D 表示。即 (4-3) 静差率 又称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负 maxminnDn载时的转速变化率，用 表示，即 （4-4）由式（4-4）可知，静差率与以下两个因素有关。（1）与转速降落有关。 由图 4.7 可知，固有机械特性的转速降落 较小，而人为机械特性的转速降落 较大，即人为机械特性比固有机械特性的静差率大。若串最大电阻时机械特性的静差率满足要求， 则其他特性上的静差率都能满足要求。则在串最大电阻的机械特性上 时的转速，就是串电阻调速的最低转速 ，而 就是最高转速 。（2）与理想空载转速有关。机械特性硬

6、度一定时，理想空载转速越高，静差率越小。00minnnnnn nNnNTTminnNnmaxn在图 4.8 的降压调速机械特性中，当 时，两条特性的转速降落相同，但两条特性的静差率却不同，显然低电压特性的静差率大。故在降压调速中，只要电压最低的机械特性的静差率满足要求，其他各条特性都能满足要求。这条电压最低机械特性在 时的转速为最低转速 ，而 为最高转速 。 NTTNTTminnmaxnNn图4.7 电枢串电阻调速的静差率与调速范围图 4.8 降电源电压的静差 率与调速范围 调速范围与静差率是两互相制约的指标，实际生产中，需要根据静差率与调速范围两项指标来选择调速方法。 2. 调速的平滑性调速

7、的平滑性 有级调速的平滑性用平滑系数 表示，其定义为，相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比，即 ， 越小，平滑性越好。当 时，成为无级调速。 3. 3. 调速的经济性调速的经济性 调速的经济性主要指调速设备的初投资、调速的电能损耗和运行时的维修费用等。 以上所述他励直流电动机的三种调速方法的性能比较，请见课本表4.1 。1iinn 4.3 他励直流电动机的电动与制动运行他励直流电动机的电动与制动运行 电动机在负载特性与机械特性的交点上的恒速运行，称为稳态运行；在工作点之外的机械特性上的运行时，称为过度过程；他励直流电动机的固有特性、人为特性和各类生产机械的负载转矩特性都分布在直角坐标的四

8、个象限内。4.3.1 4.3.1 电动运行电动运行 1. 1.正向电动运行正向电动运行 电动机的电磁转矩 T0 ，转n0这种运行状态称为正向电动运行。由于图4.9 他励直流电动机电动运行1-固有特性 2-降压人为特性 3-电源为( ) 的人为机械特性T 与 n 同方向，T 为拖动性负载。在第一象限，如图4.9 所示的 A 点和 B 点。表4.2 为直流电动机稳态运行的功率关系。 表表4.2 4.2 他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系 输入输入 电枢回路电枢回路 电磁功率电磁功率 电动机电动机 输出输出 电功率电功率 总损耗总损耗 （电（电机机） 空载损

9、耗空载损耗 机械功率机械功率 MP2P0pCuap2()aaaaaUIIRRE I02TTT + + + + +2. 反向电动运行 拖动反抗性负载，反向时工作点在第三象限如图4.9 的C点。这时电磁转矩 T0，转速 n 0，转速 n 0 , n 0 ，而转矩T0，转速 n0，且其绝对值大于 ，这种运行状态称反向回馈制动运行。其功率关系与正向回馈制动运行完全一样。 若他励直流电动机拖动位能性负载进行反接制动，当n = 0，若不切电源，或抱闸 0n图图 4.18 反向回馈制动运行反向回馈制动运行制动，则转速反转，将过度到反接制动机械特性与负载机械特性的交点，如图4.18 (b) 所示的 C点。这也

10、是反向回馈制动运行状态。小结小结将四的象限的机械特性画在一起如图 4.19所示。第一、三象限为电动运行状态，第二、四象限为制动运行状态。在电力拖动系统的实际运用中，一般都要在两种以上状态下运行。因此要求掌喔电机的各种运行状态及相互间的过度过程。图图 4.19 他励直流电动机各种运行状态他励直流电动机各种运行状态 4.4 直流电力拖动系统的过渡过程直流电力拖动系统的过渡过程 4.41 他励直流电动机过渡过程的数学分析他励直流电动机过渡过程的数学分析 分析过渡过程时，忽略电磁过度过程，只考虑机械过度程，且假设： （1）电源电压在过渡过程中恒定不变； （2）磁通 恒定不变； （3）负载转矩为常数不变

11、。 下面以图 4.20为例，从起始点A到稳定点 B的过渡过程。图图 4.20 机械特性上机械特性上ABB的过渡过程的过渡过程1. 1. 转速转速 n n 的变化规律的变化规律 n=f (t)n=f (t) 设负载转矩 和 为常数，其转矩与转速的动态方程为： 按前述转速与转矩关系有:上两式联立消去 T 得微分方程： 令 即得 (4-5)0nn20()375LGDdnnnTdt20375BGDdnnndtLMdnnnTdt2375LGDdnTTdt2GDLT2375MGDT 式（4-5）为非齐次常系数一阶微分方程。通过求解得： (4-6) 将初始条件 t=0， , 代入（4-6）式得到： (4-7

12、)式（4-7）即为转速过渡过程关系式，其中 为稳态分量， 为自由分量，曲线如图4.21(a)所示。过渡函数的三个要素为起始值、稳态值与时间常数。其中时间常数为： (4-8) 可见其大小不仅与 有关，还与电磁量 及 有关，固称其为机电时间常数。0FnnLn10()MTFLnn e222375375aMtGDRR GDTCeCaRRMMttCTTLnneKe0()MtTLFLnnnne2GD图图 4.21 过渡过程曲线过渡过程曲线 2. 2. 转矩变化规律转矩变化规律 T = f ( t )T = f ( t )参阅图4.20中机械特性与转速的关系有： ( 4-9 ) 将式(4- 9)代入式(4-

13、7)化简得： (4-10)0nnT0LLnnT000FFnnT0()MtTLFLTTTTe显然转矩过渡式中也包含了一个稳态值与一个按指数规律衰减的自由分量，见图4.21（b）。 3. 电枢电流变化规律 Ia = f ( t ) 电流与转矩的关系式为： （4-11） 将式（4-11）代入式（4-10）化简后得： (4-12)可见电枢电流也包括强制分量和自由分量两部分，如图 4.21（c）所示。0tatLtFTCTCTCIII0()MtTaLFLIIIIe 4. 4. 过渡过程时间的计算过渡过程时间的计算 图 4.20 中X 为AB 中间的任意一点，所对应的时间为 、对应转速为 、对应转矩为 。若

14、已知X点的转速 ，则可通过函数 n = f (t) 及公式（4-7）求出时间 ，见图 4.21(a)，即 (4-13) 同理，依据T= f (t) ,及X点的 ，求出 ，见图 4.21(b)，即 （4-14） 同理，依据 = f (t) ,及X点的 ，求出 ，见图 4.21(c)，即 (4-15)4.4.2 4.4.2 启动的过渡过程启动的过渡过程XtXnXTXnXt0FLXM nXLnntT lnnXTXt0FLXM nXLTTtT lTTaIXt0FLXM nXLIItT lII 图 4.22（a）为他励直流电动机一启动机械特性，将启动点 A到稳态运行点 S的具体数据代入式（4-7）与式（

15、4-10）便得启动过渡过程的n = f (t) 和 T= f (t) ，即 和 ，参阅图 4.22（b）和（c）。 图图 4.22 启动过渡过程启动过渡过程MtTAAnnn e()MtTLSLTTTTe4.4.3 能耗制动过渡过程能耗制动过渡过程 在分析过渡过程时，若电机机械特性与负载特性不相交，则延长负载特性使之相交，推出过渡过程，该交点称谓虚稳点虚稳点。 在图 4.23 (a)中，已知曲线1、2、3，系统飞轮矩及点 A和点 X，求从AX 的过渡过程。图 4.23 机械特性上 AX 的过渡过程 解：将曲线2延长与曲线1交于B点，参照式（4-5）可得： 该一阶微分方程的通解为： LMdnnnT

16、dt(0)Xnn将初始条件代入解得： (4-16)根据式（4-16）画出 n =f (t)曲线如图4.23(b)中的实线部分。 为了区分稳态点与虚稳态点，我们用AXB 表示实稳态过程；用AX(B) 表示虚稳态过程。 1. 拖动反抗性恒转矩负载过程拖动反抗性恒转矩负载过程 图4.24(a)为直流电机反抗性恒转矩负载能耗制动的机械性，其中曲线1为固有机械特性，曲线2为能耗制动机械特性，曲线3为正转负载机械特性，曲线4为反转负载机械特性。显然能耗制(0)Xnn(0)XnnMtTLnnKe0()MtTLFLnnnne动的过程是 BO(C) ，虚稳态点为C，将起始点与虚稳态点的数据代入式（4-7）和（4

17、-10）得： 和 。画出曲线如图4.24(b) 和 (c)所示。 将对应点的值代入式（4-13）或式（4-14）即可求出能耗制动所需的时间。 ()MtTCACnnnne(0)n ()MtTABATTTTe(0)T 图图4.24 拖动反抗性恒转矩负载时能耗制动过渡过程拖动反抗性恒转矩负载时能耗制动过渡过程 2. 2. 拖动位能性恒转矩负载的过程拖动位能性恒转矩负载的过程 图 4.25为他励直流电机拖动位能性负载进行能耗制动的机械特性。若只考虑制动停车，其过程为BO(C), C为虚稳态点。该 过程与反抗性负载一样，其曲线如图4.25(b)与(c)中的BO(C)段。图图 4.25 拖动位能性负载时能

18、耗制动过渡过程拖动位能性负载时能耗制动过渡过程 如果到O点时不采取停车措施，系统将进入OD过程，负载特性变为曲线4，代入新的稳态值得：见图4.25(b)与(c)中的OD部分的实线。 4.4.4 4.4.4 反接制动过渡过程反接制动过渡过程 1.拖动反抗性恒转矩负载过程 该系统制动过程图见图 4.26 。图中，曲线1为固有特性；曲线2为反接制动机械特性；曲线3为正向转矩特性；曲线4为反向转矩特性。反接制动停车时，过渡过程是BE()这一段，B为起MtTDDnnn eMtTDDTTT e始点，C为虚稳态点，E为制动到转速为零的点。其转速与转矩的过渡关系式分别为：()MtTCACnnnne(0)n ()ET ()MtTABATTTTe图图 4.26 他励反抗性负载时反