直流电动机的电拖new

1、第四章 直流电动机的电力拖动 机械负载的转矩特性nf（TL） 他励直流电动机的机械特性nf（Tem）他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动 他励直流电动机的调速 第一节 负载的转矩特性生产机械的负载转矩特性分为三大类： 1. 恒转矩负载特性 （1）反抗性恒转矩负载 （2）位能性恒转矩负载2. 恒功率负载特性 3. 通风机类负载特性 一、恒转矩负载特性 特点：负载转矩TL的大小与转速n无关1. 反抗性恒转矩负载 负载转矩的大小恒定不变，而负载转矩的方向总是与转速的方向相反。例如：摩擦力 2.位能性恒转矩负载 特点：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。例如：重力 二、 恒功率

2、负载特性特点：负载转矩TL与转速n成反比，是一条双曲线。例如：切削车床的粗加工、精加工。 三、 通风机类负载特性特点：负载转矩基本上与转速的平方成正比，是一条抛物线。实际通风机的负载特性应为 ：TL0摩擦转矩第二节 他励直流电动机的机械特性1机械特性方程式2固有机械特性 3人为机械特性 4. 电力拖动系统稳定运行条件 一、机械特性方程式 指电动机励磁电流If、电枢电压U和电枢回路电阻Ra恒定时，电机转速与电磁转矩的关系，用函数nf（ Tem ）表示 理想空载转速（r/min）转速降； 机械特性斜率绝对值。 图4-6 他励直流电动机的机械特性曲线 特点： （1）电磁转矩Tem越大，转速n越低，其

3、特性曲线是一条略微下倾的直线。 （2）当电磁转矩Tem为零时，转速n0为额定理想空载转速，此时电枢电流等于零，电动势与端电压相平衡。 （3）斜率绝对值很小，特性曲线较平坦，称为硬特性，转速随转矩扰动变化较小，因此转速鲁棒性好(稳定性) 。 反之，值大时的机械特性称为软特性，电机抗转矩干扰能力弱，鲁棒性能也较差。 （4）当电磁转矩额定（ Tem =TN）时，转速额定（n=nN），电机的额定转速降nN越小，说明转速越稳定。 二、固有机械特性 当他励直流电动机端电压额定(UUN)，每极磁通额定(=N)，电枢回路不串外接电阻(Rst0)时，其机械特性称为固有机械特性。 三、人为机械特性 1.电枢回路串

4、接电阻Rpa的人为机械特性 当电机端电压额定（UUN），每极磁通额定（N），电枢回路串接电阻Rpa时：图4-7 电枢回路串接电阻时的人为机械特性 2.改变电枢端电压的人为机械特性 保持每极磁通不变，电枢回路不外接电阻，只改变电枢电压时： 3.改变气隙磁通的人为机械特性 保持端电压额定，电枢回路不串外接电阻，通过减小励磁电流来调节每极磁通N，得 四、电力拖动系统稳定运行条件 (1)必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩的特性必须要有交点:Tem=TL (2)充分条件: 在交点Tem=TL处,满足 图4-10 电力拖动系统稳定运行条件第三节 他励直流电动机的起动 1.定义：从静止加速到稳定运行；

5、必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 2.直接起动： 他励直流电动机起动瞬间，转速n=0，电动势Ea=0，若采用全压直接起动（U=UN，Rst=0），因为电枢电阻Ra很小，电枢起动电流 将大大超过额定电流，一般为（1020）IN。 起动转矩： Tst=CTIst 危害： （1）过大的起动电流会引起电网电压的下降； （2）使电动机换向困难，换向片表面产生火花、环火； （3）使电枢绕组过热以致烧坏； （4） 过大的电流产生过大的起动转矩，损坏电动机传动机构。 除了小容量电机外，一般不允许直接起动。 3.起动要求： 限制Ist，Ist （22.5）IN； Tst足够大，Tst （1.11

6、.2）TN; 起动设备简单、可靠。 4.限制起动电流的方法： 电枢回路中串接起动电阻 降低电压 一、电枢回路串电阻起动 在额定电压下，电枢回路串入分级电阻Rst1，Rst2和Rst3起动，后分级切除起动电阻，起动过程才完成。可使起动过程加快并维持在允许电枢电流范围内运行。优点：起动操作比较简单，稳定可靠；缺点：起动电阻要消耗大量电能，因此效率较低。图4-11 电枢回路串电阻起动a) 原理图 b) 机械特性 二、降压起动 降压起动需要一个可调直流电源，如可控整流电源。 起动时，降低电枢电压，以限制起动电流；随转速上升逐级提高电枢电压，直至UN。 优点：起动电流小，升速平稳，能量损耗小。 虽然降压

7、起动需要专用可调直流电源，设备投资大，但随着晶闸管技术的发展，越来越广泛应用。 如图4-12所示，负载转矩TL，起动电流对应电磁转矩为Tst，电压切换点的电磁转矩Tc ，Tc=(1.11.3) TL 。 图4-12 降压起动特性 三、转向的改变 改变Tem的方向就能改变电动机的转向， 由Tem=CTIa可知， 改变转向的方法： 改变磁场的方向即改变的方向； 改变Ia的方向（常用）。*说明：方法，由于励磁绕组电感大，可能导致绝缘击穿，不常用。*注意：若同时改变Ia和If的方向，电动机转向不变； 对调并励电动机电源端电压极性与电枢电压极性的区别。第四节 他励直流电动机的调速 电动机的调速方法 可以

8、看出，调速有三种方法： (1) 降低端电压U, 即改变电枢电源电压； (2) 在电枢回路串接调节电阻Rpa ； (3) 减弱磁通，即改变励磁回路的调节电阻Rpf 以改变励磁电流If。 一、电动机调速的性能指标 （1）静差率（相对稳定性） 指相对稳定性或转速变化率，是指电动机在某一条机械特性上从理想空载到额定负载时的转速降与埋想空载转速之比的百分数，用表示。 静差率值与机械特性的硬度、理想空载转速n0和额定转速nN有关。值越小，机械特性越硬。 （2）调速范围 指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比，用D表示。 车床D=20120，龙门刨床D=1040 ，轧钢机D=3

9、120 ，造纸机D=320等。 调速系统的调速范围D与静差率两者是矛盾的，因为机械特性硬度不变时，静差率与理想空载转速成反比，空载转速较低时，静差率较大，因此调速范围受到低速时静差率的制约。 调速系统对静差率的要求越高，调速范围就越小，否则调速范围就越大。 （3）平滑性 在一定的调速范围内，无级调速的平滑性最好，有级调速的平滑性用平滑系数表示。平滑系数是指相邻两级转速之比。 调速越平滑，值越接近于1.0。 （4）经济性二、调速方法 1、电枢回路串电阻调速图4-20 串电阻调速特性a) 原理图 b) 机械特性 优点：实现简单，适用于低速短时运行的拖动装置。 缺点： （1）调速后机械特性变软，静差

10、率增大，稳定性相对减弱； （2）转速只能低于额定转速，调速范围较小，一般在1.52.0内； （3）由于串接电阻上要消耗电功率，因此经济性也较差； （4）串接电阻是分级的，只能实现有级调速，平滑性差。要提高平滑系数，串接的级数要增多，接触器数量增多，控制也更复杂。图4-20 恒转矩负载的电枢回路串电阻调速过程 2降低电压调速图4-21 减压调速特性 优点： （1）机械特性硬度不变，但随电压降低静差率增大，励磁电流额定时，可实现恒转矩调速； （2）转速只能低于额定转速，但在允许静差率的范围内可获得比串电阻调速更宽的调速范围，一般可达2.512； （3）当调压电源可连续平滑调压时，拖动系统可实现无级

11、平滑调速； （4）能量损耗较小，因此调速经济性较好。 3弱磁调速 由于电机额定运行时，励磁电流已使磁路接近饱和。因此调节励磁调速只能小于额定励磁往下调，故称弱磁调速。图4-22 弱磁调速特性 图4-23 恒转矩负载的弱磁调速过程 优点：控制方便，调速平滑，经济性好。 缺点：调速范围窄，受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高。 调节励磁过程调速要防止弱磁造成飞车现象。 他励直流电动机电力拖动系统中，广泛使用调压调速和弱磁调速协同调速的方法，以获得很宽范围的、高效、平滑而又经济的调速。第四节 他励直流电动机的制动 直流电机的运行状态主要分为电动和制动两大类。 电动状态运行时：电磁转矩Tem与

12、电枢转向n一致，电机从电源吸收电功率，机械特性处在第、象限内。 制动状态运行时：电磁转矩Tem与电枢转向n相反，电机的机械特性处在第和第象限内。 制动方法：电气制动和机械抱闸。 制动的定义：电动机减速停车（电力机车、龙门刨床）、限制速度的升高（机车下坡、起重机下放重物）、快速反转（可逆式轧钢机）。 制动的基本要求： Tbk足够大； 限制Ibk不超过电动机换向所允许的电流， Ibk （22.5）IN。 三种制动方式： 1、能耗制动 2、反接制动 3、回馈制动一、能耗制动 图4-24 他励直流电动机能耗制动原理图 由于机械惯性，转速和转向不能突变，电枢电动势方向维持不变，此时U=0、=N， 说明电

13、枢电流方向反向，电磁转矩也改变方向。 由于电磁转矩与转向相反，起制动作用，电机处在制动状态。 随着转速下降，反电动势不断减小，电枢电流和电磁转矩相应减小，转子动能（-Ea Ia）均转换为电枢回路电阻和制动电阻上的热能（I 2a（Ra+Rbk）消耗掉，这种制动方式称为能耗制动。 当端电压U=0、=N及串接电阻Rpa=Rbk:图4-25 他励直流电动机能耗制动机械特性电动机状态工作点制动瞬间工作点电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点制动过程工作段 当系统拖动摩擦性负载转矩时，电机制动减速，最终停车，稳定在坐标原点的静止状态。 当系统拖动位能性负载时，系统将在转速下降到零

14、后，继续在负载转矩的作用下反向拖动转子加速。最终稳定在机械特性的C点，匀速下放重物。 起始制动转矩的大小与外接制动电阻Rbk的大小有关： 外接制动电阻越大，初瞬制动转矩越小，制动过程越缓慢；反之初瞬制动转矩越大，制动过程越快速。 特点：能快而准确地停车。 注意：能耗制动时，不允许直接将电枢两端短接，否则Ibk将很大。二、反接制动 主要有电枢反接制动和倒拉反接制动两种。 （1）电枢反接制动（反压正转） 改变电枢端电压极性的制动方法，适用于紧急事故停车。 可见Ia和Tem方向反向，n方向不变。图4-27 电枢反接制动a) 原理图 b) 机械特性机械特性方程： （1）若负载为摩擦性转矩，且数值小于反

15、向起动转矩，则电机会反向起动，而进入第象限反向电动状态运行，直至稳定。 若要立即停车，当n接近0时，迅速切除反向电源，否则反转。 （2）若负载为位能性转矩，则电机反向转速不断升高，超过理想空载转速n0，电枢电动势大于端电压，电枢电流反向，电机进入回馈制动状态。 特点：制动瞬间制动转矩很大，制动效果强烈。 但耗能很大: UIa+EaIa=I2a (Ra+Rbk） （2）倒拉反接制动（正压反转） 适用于拖动位能性负载，如起重机低速稳定下放重物。 电枢回路串接较大电阻，使机械特性起动转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第象限运行， 可见Ia和Tem方向不变，n反向。 图4-28 倒拉反接制动a)原理图 b) 机械特性 串入电阻越大，稳定反向转速越高。 电网输入的电能与电机轴端输入的机械能之和，除了转子加速存储动能之外，其余能量完全消耗在电枢回路的电阻和外接电阻上，因此经济性较差。 UIa + EaIa = I2a（Ra+Rbk）机械特性方程：三、回馈制动 1 、拖动位能性负载，电机n n0运行 适用于起重机高速稳定下放重物(或机车下坡)。 当n n0，EaU=Ce n0 可见Ia和Tem方向反向，n方向不变。 电压反接制动时，带位能性负载的他励直流电动机的转速下降至零并反向加速，其工作点达到理想空载转速时，电磁转矩为零，在负载转矩作用下转速持续上升