直流电动机的运行及电力拖动(1)

1、第第3章章第第3章章 直流电动机的运行与电力拖动直流电动机的运行与电力拖动直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性3.1直流电动机的起动直流电动机的起动3.2直流电动机的调速直流电动机的调速3.3下 页直流电动机的制动直流电动机的制动3.4第第3章章本章重点本章重点n他励直流电动机的固有机械特性和人为机械他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性特点特性特点 。n他励直流电动机的起动方法、原理。他励直流电动机的起动方法、原理。 n他励直流电动机的调速原理、方法和调速性他励直流电动机的调速原理、方法和调速性能指标的含义能指标的含义 n他励直流电动机各种制动的原理、方法、特他励直流电动机各种制动的

2、原理、方法、特点、机械特性、制动电流和制动电阻的计算点、机械特性、制动电流和制动电阻的计算下 页第第3章章n直流电动机的运行情况：起动、调速、制动直流电动机的运行情况：起动、调速、制动 分析直流电动机的运行情况的基础分析直流电动机的运行情况的基础 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性n电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电力拖动。电力拖动。 分析直流电动机的电力拖动的基础分析直流电动机的电力拖动的基础 直流电动机的机械特性、系统旋转运动直流电动机的机械特性、系统旋转运动

3、的三种状态、负载的机械特性的三种状态、负载的机械特性概述概述下 页上 页返 回第第3章章MTnLTU下 页上 页返 回单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统 1.1.电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式回顾回顾dtdnGDTTL3752电动机的旋转方向为转速电动机的旋转方向为转速n的正方向，的正方向，规定：规定：1）电磁转矩）电磁转矩T与转速与转速n的正方向相同时为的正方向相同时为正；正； 2）负载转矩）负载转矩TL与转速与转速n的正方向相同时为的正方向相同时为负；负；TLT 3 3）惯性转矩）惯性转矩 的大小和正负号由的大小和正负号由 和和 的代数和决定。的代数和决定。dtdnGD23

4、75略空载转矩略空载转矩第第3章章2.系统旋转运动的三种状态系统旋转运动的三种状态1)1)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，运行状态，即处于稳态。即处于稳态。LTT 0dtdn2)2)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于运行状态，即处于动态。动态。LTT 0dtdn3)3)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于运行状态，即处于动态。动态。LTT 0dtdn下 页上 页返 回第第3章章3.负载的机械特性负载的机械特性恒转矩负载特性恒转矩负载特性n 恒转矩负载是指负载转矩恒转矩负载是指负载转矩TL为常数，为常数

5、，其大小其大小与转速与转速n无关。无关。n恒转矩负载分：反抗性负载特性和位恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能性负载特性。能性负载特性。1）反抗性负载转矩反抗性负载转矩TL的方向总是与转速的方向总是与转速n的方向相反，特性位于一、三象限；的方向相反，特性位于一、三象限；2）位能性负载转矩）位能性负载转矩TL的方向与转速的方向与转速n的的方向无关，特性位于一、四象限。方向无关，特性位于一、四象限。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性负载转矩特性负载的机械特性是指生产机械的负载转矩与转负载的机械特性是指生产机械的负载转矩与转速之间的关系即：速之间的关系即：n=f(TL)下 页上 页返 回nTn=f(

6、TL)0TL位能性负载转矩特性第第3章章恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性n当转速当转速n变化时，负载功率基本不变，变化时，负载功率基本不变，TL的大小基本上与转速的大小基本上与转速n成反比成反比nnPT155. 9 2L下 页上 页返 回通风机、泵类负载转矩特性通风机、泵类负载转矩特性nTL的大小基本上与转速平方成正比的大小基本上与转速平方成正比2L2 nTknTL或理想的通理想的通风机特性风机特性实际通风实际通风机特性机特性第第3章章4.电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件1)必要条件：电动机机械特性与负载特性必须相交，在交必要条件：电动机机械特性与负载特性必须相交，在交

7、点点T=TL 处实现转矩平衡。处实现转矩平衡。2)充分条件：在交点处有充分条件：在交点处有0dndTdndTL在交点所对应的转速之上（在交点所对应的转速之上（ ），应保证），应保证TTL （使电动机加速）。（使电动机加速）。 下 页上 页返 回第第3章章本次课程内容本次课程内容 直流电机的固有机械特性和人为机械特性、电直流电机的固有机械特性和人为机械特性、电枢反应对机械特性的影响、固有机械特性和人为机枢反应对机械特性的影响、固有机械特性和人为机械特性的求取械特性的求取；他励直流电动机的起动方法、起动他励直流电动机的起动方法、起动电阻计算。电阻计算。 下 页上 页返 回第第3章章3.1 直流电动

8、机的机械特性直流电动机的机械特性3.1.1机械特性的一般表达式n基础：TTCCRRnCUnCCRRnnTCUTCCRRCUnTeeTeeTee2a02a02a转速降，理想空载转速斜率n机械特性：指电源电压U、气隙磁通、电枢回路电阻Ra均为常数时，电动机的电磁转矩T与电力拖动系统的转速n之间的关系，即n=f(T)。（ T与n 都是机械量）aaaaa)(ICTnCERRIEUTen=n0n=T是电动机在某一定负载和电枢电路电阻时理想空载转速与实际转速之差理想空载转速与实际转速之差下 页上 页返 回第第3章章n当U、R为常数时，机械特性曲线为一条向下倾斜的直线。 电枢反应对机械特性的影响，可能使特性

9、在T较大时上翘。 机械特性的斜率机械特性的斜率 : :越大，特性越陡，称为软特性； 越小，特性越平，称为硬特性；表明机械特性曲线的下垂程度。 注意注意电动机空载运行时，存在空载损耗，电动机要输入一定的电枢电动机空载运行时，存在空载损耗，电动机要输入一定的电枢电流产生电磁转矩与由摩擦等原因的空载转矩平衡，电磁转矩电流产生电磁转矩与由摩擦等原因的空载转矩平衡，电磁转矩T不为零等于空载转矩不为零等于空载转矩T0，此时电动机转速为，此时电动机转速为实际空载转速。实际空载转速。000Tnnn下 页上 页返 回第第3章章n硬度：斜率的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：TnnT

10、，dd越大（ 越小），特性越硬，称为硬特性，即硬特性，即T变化时，变化时，n 的变化不大。的变化不大。nn额定转速变化率：额定转速降对额定转速的比值用百分数表示，即：%100%100%NN0NNNnnnnnn下 页上 页返 回第第3章章n电枢反应对机械特性影响 当电枢电流较大时，电枢反应的去磁作用较大，使 ，则n0，即n特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。 加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的他励直流

11、电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响,认为 为常数。下 页上 页返 回第第3章章各种直流电动机的机械特性各种直流电动机的机械特性1.他 (并)励电动机：较大，称为硬特性2.串励电动机:较小，称为软特性。Tn00n差复励差复励他励他励积复励积复励串励串励各种直流电动机机械特性各种直流电动机机械特性下 页上 页返 回第第3章章3.1.2固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外串电阻R=0时的机械特性，其数学表达式为：nnTnTCCRCUnTee002NaNN下 页上 页返 回第第3章章n起动时n=0，

12、感应电动势Ea=0，电枢电流称为起动电流起动电流n斜率 ，由于Ra 很小，转矩T 增大时， n下降很少，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。n理想空载时，T=0，Ia=0， UN=Ea，n=n0固有机械特性特点：n额定转速降nN%较小。电磁转矩称为起动转矩起动转矩aNstaRUIIstNstICTTT下 页上 页返 回第第3章章3.1.3 人为机械特性人为机械特性：人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变R或变得到的机械特性。TCCRRCUnTee2NaNNnnTnTCCRCUnTee002NaNN固有特性的条件：电源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外串电阻R=01.电枢回路串接

13、电阻时的人为机械特性电枢回路串接电阻时的人为机械特性条件：当U=UN， =N，电枢回路外串电阻R时下 页上 页返 回第第3章章TL是一簇通过理想空载点并具有不同斜率的射线n特点（1）理想空载转速n0不变。（2）机械特性的斜率 随 的增大而增大，特性硬度减小、变软。（3）负载转矩一定时，串接电阻越大，转速越低，转速降越大。n应用研究他励直流电动机串电阻分级起动；起重机和电车常用的调速方法。下 页上 页返 回第第3章章2.改变电动机供电电源的人为特性改变电动机供电电源的人为特性条件：当UU1U2U3第第3章章3.改变磁通时的人为特性改变磁通时的人为特性条件：当U=UN， 1 2弱磁他励直流电动机弱

14、磁他励直流电动机一族直线，但既不平行，又非放射形一族直线，但既不平行，又非放射形 下 页上 页返 回第第3章章n特点n应用（1）n0与 成反比，磁通减弱会使n0 升高。（2） 与磁通的平方成反比，磁通减弱会使斜率加大，特性硬度降低，特性上移。（3）负载转矩一定时，减弱磁通使转速升高，转速降增大。可用于需要平滑调速的场合。 下 页上 页返 回第第3章章3.1.4 机械特性的绘制机械特性的绘制 步骤：步骤：2NNNNa)3221(IPIUR1.固有机械特性的求取固有机械特性的求取（1）估算）估算Ra （2）计算）计算（4）计算额定工作点）计算额定工作点(TN，nN)下 页上 页返 回NaNNNNN

15、nRIUnECeNN55. 9CCeT（3）计算理想空载点）计算理想空载点(0，n0)NN0CUne根据额定数据PN、UN、IN、nNNNNICTT第第3章章2.人为机械特性的的求取人为机械特性的的求取 在固有机械特性方程在固有机械特性方程 的基础的基础上，根据人为特性所对应的参数上，根据人为特性所对应的参数 或或 或或 变变化，重新计算化，重新计算 和和 ，然后得到人为机械特性，然后得到人为机械特性方程式方程式。Tnn0aRU0n下 页上 页返 回第第3章章例例1：一台他励直流电动机的铭牌数据为PN=5.5kW，UN=110V，IN=62A，nN=1000r/min求（1）固有机械特性方程式

16、；（2）实际空载转速n0 解（1）求固有机械特性方程式TnTCCRCUnTee02NaNN先估算Ra，取系数为1/2时：)(172. 062105 . 56211021)3221(232NNNNaIPIUR099. 01000172. 062110NaNNNNNnRIUnECe945. 0099. 055. 955. 9NNCCeT84. 1945. 0099. 0172. 0min/1111099. 0110NNaNN0CCRrCUnTee固有特性方程为固有特性方程为TTnn84. 111110下 页上 页返 回第第3章章实际空载转速（2）求实际空载转速0002NaNN0TnTCCRCUnT

17、ee02TTT0N2NTTT额定电磁转矩mN6 .5862945. 0NNNICTT额定负载转矩mN5 .521000105 . 555. 955. 932NNNnPT空载转矩mN1.65.526.58N2N0TTTmin/11001 . 684. 11111000rTnn下 页上 页返 回第第3章章例例2：他励直流电动机的铭牌数据为PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，试分别求取下列机械特性方程式。（1）固有机械特性；（2）电枢串入电阻R=0.7时的人为特性；（3）电源电压降压至110V时的人为特性；（4）磁通减弱至 时的人为特性；（5）当负载转矩为额定转

18、矩时，要求电动机以低于额定转速的速度运转，试问有几种可能的方案？如何求出相应的参数。N32解（1）求固有机械特性方程式04. 1)(55. 9min/16542NNNaNN0CRCCRrCUneaTee固有特性方程为固有特性方程为TTnn04. 116450)(175. 0aR133. 0NCe下 页上 页返 回第第3章章（2）电枢串入电阻R=0.7时的人为特性；n0=1645r/min不变，增大为 18. 5133. 055. 97 . 0175. 0)(55. 922NaCRRe人为特性方程为人为特性方程为TTnn18. 516450（3）电源电压降压至110V时的人为特性04. 1不变，

19、n0变为 min/827165421N01rCUne人为特性方程为人为特性方程为TTnn04. 182701（4）磁通减弱至 时的人为特性；N32n0和均发生变化 min/248132NN02rCUne33. 2)32(55. 92NaCRe人为特性方程为人为特性方程为TTnn33. 2248102下 页上 页返 回TTnn04. 116450第第3章章(5)思考?下 页上 页返 回当负载转矩为当负载转矩为额定转矩时，额定转矩时，要求电动机以要求电动机以低于额定转速低于额定转速的速度运转，的速度运转，试问有几种可试问有几种可能的方案？能的方案？第第3章章3.2 直流电动机的起动直流电动机的起动

20、起动：指电动机从静止状态转动起来。 起动过程：电动机接通电源后，电动机接通电源后，从静止状态加速到某一稳态转速的过程叫起动过程。起动转矩Tst：电动机起动瞬间：电动机起动瞬间(n=0)的电磁转矩。的电磁转矩。起动电流Ist：起动瞬间：起动瞬间(n=0)的电枢电流。的电枢电流。n概念概念n系统对起动的要求 不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动快速起动。一般要想使电动机起动过程合理，应考虑要求起动电流要求起动电流 Ist小，起动转矩小，起动转矩Tst大，大，起动时间tst短；起动过程平滑使加速均匀，起动过程的能量损耗小，起动设备简单方便可

21、靠。 下 页上 页返 回第第3章章n起动时主要物理量起动时主要物理量(n=0)dtdnGDTTICTRUREUInCETe37502Lstststaaasta起动时：必须使起动转矩TstTL，dn/dt0；先通励磁电流，而后加电枢电压；起动时应保证电动机的磁通达到最大值 ；在同样的起动电流下，大则Tst大；而在同样的起动转矩下，大则Ist就可以小一些。 下 页上 页返 回第第3章章一般不能加额定电压直接起动；如果起动时直接将额定电压加至电枢两端，称为直接起动起动时直接将额定电压加至电枢两端，称为直接起动，一般电动机电枢绕组电阻Ra很小，Ist可能达到额定电流的十多倍。虽然当一定时，Tst与 I

22、a成正比， Ist越大， Tst 也越大，可缩短起动时间，但Ist过大会引起换向恶化，产生严重的火花；还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。而且Tst大小是受机械强度限制， Tst太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。一般起动时应设法限制起动电流不超过额定电流的一般起动时应设法限制起动电流不超过额定电流的1.52倍。倍。n限制Ist的方法：降低电枢电压起动，电枢回路串电阻起动。下 页上 页返 回第第3章章3.2.1 直接起动直接起动n起动过程：励磁绕组接入额定电流并保持不变，电枢绕组接通电源，使TstTL，电动机加速；随nEaIaT，直到T=TL，起动结

23、束，电动机以转速nA稳定运行。dtdnGDTTICTREUInCETe3752Laaaaa下 页上 页返 回第第3章章UfNIfNRf调压电源调压电源EanT电源电压可调的他励直流电动机电源电压可调的他励直流电动机3.2.2 降电压起动降电压起动n 降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大。UNU1U2U3复习复习改变电枢电压时的人为特性改变电枢电压时的人为特性下 页上 页返 回第第3章章n起动过程：起动瞬间起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到U4=(1.52.0) INRa，随着转速n的上升，电势的上升，电势Ea也逐渐也逐渐增大增大，Ia 相应减小相应减小，此时电压电压

24、U必须不断升高必须不断升高(手动手动调节或自动调节调节或自动调节)，使，使Ia保持在保持在 (1.52.0) IN范围范围内内，保证加速转矩(T2-TL)恒定，直到电压升到额定电压UN ，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。n发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动机组，现在多用晶闸管整流电源代替。n优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。0TLT2TstTnn0n01n02n03n04UNU1U2U3U4固有特性UNU1U2U3U4降压起动的机械特性降压起动的机械特性aaaaREUInCEe下 页上 页返 回第第3章章 电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使NaN

25、st0 . 25 . 1IRRUI3.2.3 电枢回路串入电阻起动电枢回路串入电阻起动复习复习电枢回路串电阻时的人为特性电枢回路串电阻时的人为特性TL下 页上 页返 回第第3章章1）串入恒值电阻起动）串入恒值电阻起动n在电枢回路串入固定的起动电阻R，电机拖动恒转矩负载，在额定磁场下，将刀开关K合向电源使电机起动。UfNIfNRfEanT电枢串入固定电阻起动的接线图电枢串入固定电阻起动的接线图R RanT0 0TLn0电枢串入固定电阻特性曲线电枢串入固定电阻特性曲线nAAn缺点：起动时间tst 较长，稳态转速nA低，长期串入电阻不经济。下 页上 页返 回第第3章章11aRrR3321aRrrrR

26、LLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3nn为了在起动过程中使电枢电流和转矩被限制在允许的范围之内，采用分级起动。n起动过程122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R22)分级起动分级起动(逐级切除起动电阻的起动逐级切除起动电阻的起动)下 页上 页返 回第第3章章逐级切除起动电阻的起动分析n起动瞬间，电枢回路总电阻为321a3rrrRRst3N10IRUIn ，N110 .25 .1 , 0 .25 .1TTIINn要求11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2下 页上 页返

27、 回第第3章章切换电流或切换转矩(I2或T2，电阻切除时的电流或转矩)n求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩保证在切换时的加速度转矩( T2和和TL之差之差 )不过小。不过小。过大，过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多；加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多；过小，过小，dn/dt小，延缓起动过程。小，延缓起动过程。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2dtdnGDTT3752L下 页上

28、页返 回第第3章章n综合考虑选选I2= （1.21.5 ）IL，则，则切换转矩切换转矩 T2= （1.21.5 ）TL 。电阻分三次切除称三级起动，起动级数电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选，一般选m=34，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。杂。运行不可靠性增大。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2下 页上 页返 回n表示起动电流(起动转矩) 之比 = I1/I2=T1/T2第第3章章3）起动电阻的计算方法

29、）起动电阻的计算方法解析法计算起动电阻 忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2nb=ncEb=Ecb点：32REUIbc点：221REUREUIbc2321RRIIa1122321RRRRRRII下 页上 页返 回第第3章章计算公式如有如有m级，则通用公式为：级，则通用公式为：2NNNNa)3221(IPIURmmmmRRRRaa ,1IURNm111122111122aa11)1(rRRrrRRrrRRrRRRrmmmmmmmm各段电阻值：各段电阻值：式中式中Rm为最大起动电阻：为最大起动电阻：a323a212a1,RRRRRRRRm为起动级数，一般取为起动级数，一般取 m=34, m大，起动平滑，大，起动平滑，但设备多。但设备多。LNIIIITTII5 . 12 . 1,0 . 25 . 1, 212121I1为起动电流；为起动电流；I2为切换电为切换电流，流，IL为负载电流。为负载电流。下 页