电力拖动基础-讲义2

第二章直流电动机的机械特性、运转状态及速度调节电力拖动基础讲义-2第二章直流电动机的机械特性、运转状态及速度调节2.1他励直流电动机的机械特性定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系：一、机械特性的表达式由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：机械特性的曲线：TemTNT0通常称b大的机械特性为软特性，b小的机械特性为硬特性。理想空载转速斜率速度降落二、固有机械特性当

时的机械特性称为固有机械特性：理想空载转速速度降落由于电枢回路没有附加电阻，速度降落小，机械特性为硬特性。时，转速降为额定转速降：此时，电机的额定转速为：电机的额定转速变化率为：额定转速变化率为：10%~18%，大电机为3%~8%1）电枢串电阻时的人工特性

保持

不变，只在电枢回路中串入电阻

的人工特性：特点：（1）n0不变，β变大；（2）Rad越大，特性越软。Tem三、人工机械特性当改变

或

或

得到的机械特性称为人工机械特性2）降低电枢电压时的人工特性

保持

不变，只改变电枢电压

的人工特性：特点：（1）n0随U变化；（2）U不同，曲线是一组平行线。Tem3）减弱励磁磁通时的人工特性

保持

不变，只改变励磁回路调节电阻

的人工特性：特点：（1）弱磁，n0增大；（2）弱磁，β增大TK1TK2TemTK<<一般由于负载有限不会工作在此区段。转速随电流变化的曲线为速度方程：n=0时：起动电流Isc=U/ra，理想空载转速各不相同，磁通减弱，理想空载转速升高。IIsc<<2.2直流他励电动机机械特性的计算与绘制求两点：1）理想空载点：

2）额定运行点：一、固有机械特性的计算与绘制已知：步骤：1）估算2）计算3）计算理想空载点：4）计算额定工作点：二、人工机械特性的求取在固有机械特性方程的基础上，根据人工特性所对应的参数或或变化，重新计算和b，然后得（）、（）。举例：见书p422.3他励直流电动机的起动一、起动方法起动过程就是把带有负载的电机从静止起动到某一稳定速度的过程。

1直接起动：电枢直接投入额定电压起动电流：可以达到额定电流的10~20倍,将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。切记：工业直流电动机不能加全电压直接起动。

2降压起动:起动时，降低电枢电压，减小起动电流，转速升高后，恢复额定电压值3串电阻起动：起动时，电枢回路串接电阻，减小起动电流，转速升高后，逐渐将起动电阻切除。TemIT1I1T2I2TLILnn0abcdn1n2efgnN他励直流电动机两级电阻起动的过程分级起动过程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T1)及切换电流I2(或相应的切换转矩T2)都保持不变，使起动过程有较均匀的加速。最大电流I1和切换电流I2一般为：

I1=（1.5~2）INI2=(1.1~1.2)IN起动前先建立磁场

起动电流为分级起动电阻的计算设对应转速n1、n2时电势分别为Ea1、Ea2，则有：a点b点c点d点e点比较以上各式得：

在已知起动电流比λ和电枢电阻ra前提下，m级起动时有:各级串联电阻的计算公式为：（1）估算或查出电枢电阻ra;（2）根据电机容量，选定起动级数m，选取最大转矩T1对应的最大电流I1（3）求最大起动电阻（4）计算起动电流比（5）计算切换电流计算各级起动电阻的步骤a、m已知（6）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选T1或m值并重新计算，直到满足该条件为止。（7）计算各级起动电阻。(b)、m未知（1）选T1和T2（2）计算λ（3）计算ra（4）求m（5）m取整，重新修正λ，T2（6）代入公式求出R1，R2，……，求出rst1……图解法2.4直流他励电动机的各种工作状态回馈制动：将电机轴上的机械能或拖动系统储存的动能，变成电能输送给电网。反接制动：电机同时吸收机械能和电能，消耗在转子回路的电阻中。能耗制动：将机械能变成电能，消耗在转子回路的电阻中。制动运行状态本质上为发电机运行状态

应用：迅速平稳的停车或反转

；由高速迅速降至低速；位能负载获得稳定的下放速度。1、提升重物（正向电动）一、电动机状态m>m0,TL为正，电动机工作在电动状态，消耗电网电能。工作在第一象限。UfUIEMTL(+)m0n(+)T

(+)m+-TL’Temnn0RaA0BCA’-n0C’B’2、下放空笼（反向电动）m0>m’,TL为负，电动机工作在电动状态，消耗电网电能。工作在第三象限。UIEMTL(-)m0n(-)T

(-)m’-+Uf二、回馈制动状态UIEMTL(-)m0n(+)T

(+)m’Ufm0>m’,TL为负，提升重物，T为正。1.提升空笼b保持不变电动机在T和Tl的作用下加速，n↑，E↑,I↓,T↓。当n=n0时，T=0,由于Tl的作用，电机继续加速，n>n0后，T<0，工作在制动状态。最后平衡在C点，工作在第二象限。UIEMTL(-)m0n(+)T

(-)m’Uf2.下放重物T

(+)b保持不变，工作在第四象限。UIEMTL(+)m0n(-)T

(-)m-+Uf功率平衡关系：

电动时：

功率平衡：

回馈制动时：

功率平衡：

电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功率输入，输入功率为负，代表功率回馈到电源

3.电机由高速向低速变速

实现回馈制动的必要条件：，因而TemTLnn01AnAU10U2n02nCBCU2<U1降压调速时产生的回馈制动增磁调速时产生的回馈制动Φ1nn01nAATemTL0Φ2n02nCBCΦ1Φ2>Φ1回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限。回馈制动状态下瞬态过程有以下两种情况：1、降压调速过程中；2、弱磁状态下增磁调速过程中。三、反接制动状态1.转速反向的反接制动（倒拉反转)UIEMTL(+)m0n(+)T

(+)mRadUfnTemTLn0A0TBTKCDB功率平衡：

机械特性串入电阻Rad，故b增大。2.电枢反接的反接制动UUfIEMTL(+)n(+)T

(+)+-I<0，故T<0UIEMTL(+)T

(-)-+Ufn(+)RadTnTL-T0反接制动-TL位能负载反抗负载制动到0不断电回馈制动反向电动稳定运行点ABCDE功率平衡：

机械特性串入电阻Rad，故b增大。实现：电枢电压或电动势极性突然改变（励磁反向）·电枢电压和电动势顺极性串联；反接时必须采取限制电枢电流的措施。

轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻。

T(-)RB制动IaB-U+电动IanT(+)M-Ea

+IfTLTnn0RaA0CBRa+RB四、能耗制动机械特性：U=0I<0，故T<0功率平衡：机械能量全部消耗在RB中。

特点：n=0时T=0，能耗制动可以准确停车。2.5调速的基本指标电力拖动系统的调速:1)机械调速;2)电气调速他励电动机的转速公式：电气调速方法：1）调压调速；2）电枢回路串电阻调速；3）调磁调速。调速指标：1、调速范围D：2、静差度（相对稳定性）s：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。电机由空载到满载时速度落差与理想空载转速之比。S越小，相对稳定性越好，斜率越小；S与机械特性硬度和n0有关。D与s相互制约：

SarN越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的S指标的前提下，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。在额定转矩下nmax=nNnmin=narNnN=n0(1-SN)narN=n0(1-SarN)nSSNSarNnNnarNTLT3、调速的平滑性：

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数

：

K越接近1，平滑性越好，当K=1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。4、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。2.6直流他励电动机的调速方法及其调速性能一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1n2Ra+RS2CRS1>RS2tt=0n1nNIaNianian优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点：

2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；

3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。

1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2、减弱磁通调速A’BTemTLACtt=0n优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般

D≤2；

为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。3、降低电压调速TemTLAA’BC

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5~12。4）电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。(1)发电机—电动机系统1–发电机2-电动机3–异步机4–励磁机接线图机械特性:调速原理：Φ1变化引起E1的变化，通过调节励磁回路的电阻Rfad1能有效调节发电机的励磁电流。调速范围和静差度:在速度很低时，调速受到电枢反映，电刷压降及剩磁作用的影响，工作效果欠佳。调速范围D一般为8~10。nmax=n0(1-SN)nmin=n0’(1-SarN)由于斜率不变由于SN很小起动与制动起动：先将交流电动机起动，将发电机与励磁机转动，调节励磁机的Rfadf得到额定电压，此时电动机得到励磁，调节Rfad2使电动机得到额定励磁电流，合上开关Q，可以调节Rfad1使E上升，实现了降压启动过程。制动：当电机在弱磁下工作时，为了制动，恢复励磁电流，励磁电流增加，故电动机的感应电动势增加，当电动机的感应电势超过发电机的电势时，电流反向，产生回馈制动。当达到额定励磁时，减小发电机的励磁电流，电动机的电势仍大于发电机的电势，仍为回馈制动，直到停车为止。优点：调速范围广。可以实现平滑调速。控制过程在励磁回路中进行，控制功率小，容易反转。无须起动电阻，起动能量损耗小。缺点：设备容量大，价格昂贵。效率低。机械特性斜率大。（2）晶闸管整流供电装置优点：调速范围广，平滑性好。占地面积小，重量轻。无噪音。效率高，运行可靠。快速性好，动态响应性快。缺点：整流电流中交流分量大，损耗加大，对电机运行不利。系统在低速时，功率因数低。系统中的高次谐波对电网产生污染。2.7电动机调速时负载能力及其与负载性质的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢

电流达到额定值。

当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。一、电动机调速时的负载能力

以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。

电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值----恒转矩调速。

电枢串电阻调速和降压调速时，磁通

保持不变，若在不同转速下保持电流

不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：

电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值----恒功率调速。

弱磁调速时，磁通

是变化的，在不同转速下若保持电流

不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：

上述容许输出转矩和功率与转速的关系为：恒功率调速恒转矩调速

以

为界，分两个区域：

为恒转矩调速区；

为恒功率调速区1、恒功率负载配恒功率调速和均为常数，和均与成反比，只要选择