1、第五章第五章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动一、直流电机的起动二、直流电机的制动三、直流电机的调速及控制四、直流电机四象限运行五、电力拖动系统的过渡过程 一、直流电动机的起动 1、起动相关的问题： 起动：通电后，转速从零达到稳态转速的过程 起动要求： 起动转距大 起动电流小 起动设备简单可靠、经济 起动方法： 直接起动： 电枢回路串电阻起动 降压起动 2、他励磁（并励磁）方式起动的有关问题： 起动前应加有励磁； 起动开始时应限流 t=0时 n=0、Ea=0 无限流时，起动电流： 起动转矩： 有： 电流冲击 机械冲击。aastRUII+ +MEa+ +- -Ra+RcIaIf- -U
2、UUfaTIKT 以某直流电动机参数为例：不限流时 :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。 AIRVUUNaN6 .15,35. 1,220NastIAII17035.1220 3、限流措施： 1电枢回路串接附加起动电阻： 为直流电动机电流短时允许过载倍数。2降低电枢电压； 起动过程中保持 不变，产生允许的最大加速度，缩短起动时间：Rc随n升高逐步切除，直到Rc0或U随n升高逐步增大，直到 aamcRIURNiamIIiamaIINUU 4、起动电阻的计算： 1图解解析法： 1）画出固有机械特性； 2）确定最大电流 和最小电流 ； 3）画出分级起动机械特
3、性； 4）由 （ ） 确定各级电阻。 Rkn*maxIminI2ETemkkTk 2解析法： 1）确定最大电流 和最小电流 2）在进行电阻分级切换时， 因为：转速不变化 ； 所有： 3）据此计算各分级电阻；maxIminI1-mmminmaxRRII 二、直流电动机的制动 1、直流电动机制动运行的相关问题： 制动运行的基本特征： 产生与n相反的电磁转矩 电机的作用为：将运动系统贮存的机械能转化为电能，实现能量的迅速转移； 结论:制动运行状态本质上为发电机运行状态。 与发电机运行的差异： 1输入能量有限; 2机电能量转换不是目的，而是一种能量转移的手段 。2、直流电动机制动的分类：1回馈制动 ；
4、 实现：回馈制动的条件： ，因而： 。 2能耗制动 ； 实现：U0，电枢回路串入电阻。 3反接制动 ； 实现：电枢电压或电动势极性突然改变 （励磁反向）UEa0nn 说明：电动机状态。+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：电动说明：电动机回馈制动状态。+ +MEa+ +- -RaIaIf- -U UUfTnn,T反方向：制动EaU (nn0)回馈制动Ia反向T反向说明：电动机能耗制动状态。MEa+ +- -Ra IaIfUfTnn,T反方向：制动RU0：能耗制动Ia反向、T反向说明：电动机反接制动状态（电源反接）。+ +MEa+ +- -RaIaIf- -U
5、UUfTnn,T反方向：制动Ea反接：反接制动n=Ea/Ke与U反接相同说明：电动机反接制动状态（转速反向）。+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T反方向：制动Ea反方向：反接制动励磁反向Ea反向、T反向3、他励直流电动机的电动机状态1条件： 2功率平衡关系： 功率平衡：3功率流程： aaacaaIERRIUI)(2emcuPPP1200PPTTTIELemaaP1PemP2PcuP0UEa 4、他励直流电动机的回馈制动状态 回馈制动时： 因而 1电压方程： 2功率平衡： UEa0nn aaaRIEUaaaaaIERIUI2aaaaaIERIUI2emcuPPP102
6、PPPem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功率流程：P1PemP2PcuP04机械特性(他励) 电压方程 转速特性 aecaeIKRRKUn机械特性 TKKRRKUnTecae2)(caaaRRIEUnKEea*aTIKT*5机械特性示意：nn0回馈电动T06机械特性示意：nn02T0n01n1n2TTbLn n0 回馈n,T反号 制动制动初转矩Tb+TL降压调速时的回馈制动（最终稳定运行在电动状态）7机械特性示意：nn0回馈电动T0TLnc下放位能负载时的回馈制动运行（最终稳定运行在回馈制动状态）nTTLG 5、他励直流电动机的能耗制动状态
7、 能耗制动时： 电枢回路串入电阻 。 1电压方程： 2功率平衡： 0U)(0caaaRRIEaaacaIERRI)(02aaacaIERRI)(02emcuPP 002PPPem电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功 率输入；输入功率为零，代表无功率回馈到电源， 机械能量全部消耗在电阻中 。 3功率流程： 0P1PemP2PcuP001P4能耗制动接线图：EaU+-K1K2RcRa+-+-IfIa制动前EaRa+-+-IfIaRcTTnLTnTL能耗制动 5机械特性：(假定正向仍按电动方向)TKKRRnTeca 6机械特性示意：TnTLTb0位能负载反抗负载制动到0停车能耗制动稳定运行点R R
8、a a+ +R Rc cRan,TTGL 6、他励直流电动机的反接制动 反接制动时：电枢电压或电动势极性突然改变 。 （必须采取限制电枢电流的措施） 1电压方程为： 电枢电压反接时： 电流反向，转向不变，电磁转矩为制动性质； 转子转向相反时： 电流方向不变，转向反向，电磁转矩为制动性质；acaaIRREU)(acaaIRREU)( 2功率平衡： 3功率流程： 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上。2)(acaaaaIRRIEUIcuemPPP1 4反接制动接线图（电源反接）：Ea+ +- -IaRaU+ +- -电动Ea+ +- -IaRaRcU+ +- -反
9、接制动TLnTTnTL 5机械特性： 假定正方向按电动机惯例不变，各变量为有符号数，则机械特性方程不变，仍为：TKKRRKUnTecae 6机械特性示意：TnTLTb0反抗性负载的反接制动n=0时停车 7机械特性示意：TnTL0位能性负载的反接制动稳定运行点 8机械特性示意：TnTLTb0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 三、直流电机的调速及控制 1、直流电动机调速的相关内容 调速及调速的基本方法 调速指标 电枢串电阻调速 变电机端电压调速 弱磁调速 2、调速及调速的基本方法： 调速：根据工作机械的要求人为人为改变变电动 机的运行速速度 ； 调速的方法：
10、1电枢电路串附加电阻调速； 2改变电枢电压调速； 3改变励磁调速 ； 3、调速指标：1调速范围: 定义：额定负载下电机允许达到的最高转速 与保证不超过工作机械的最大允许静差 率条件下的最低转速 之比。 调速范围： 2静差率： maxnminnminmaxnnD 000nnnnnSNN图示如下：TNTnn0N01nminnN允许最大静差率： 调速范围和最大允许静差率的关系：结论：对同一调速系统静差率要求不同，则 所能达到的调速范围也不同 。 即，当静差率一定时，若要求扩大调速范 围，则 ： 受限； 必须设法减小 。 NTTnnnS0min0maxNnSSnnnD)1 (maxmaxmaxminm
11、ax DSmaxmaxnnn 3电动机负载能力的充分应用： 负载能力：调速运行中在额定电流状态下， 电动机轴上输出转矩与输出功 率大小和变化规律。 调压调速： 与转速成正比，称为恒转矩调速恒转矩调速。常数NNTaTIKIKT CKnnTnTPN95509550改变磁通调速： 称为恒功率调速恒功率调速。 关于转矩计算：二者相差空载转矩 。1CKIRUKIRUneNaNeaanCnICKIKTNTaT11 常数NNNNPnnCnnCnTnTP95501955019550955011：电磁转矩轴上输出转矩；NTemNNIKTPT :95500T 充分利用电动机的负载能力：按负载性质充分利用电动机的负
12、载能力：按负载性质 选择调速方式选择调速方式。 调压调磁U增大减小0nTTNnNPPN 调解电压和励磁的: T=f(n) 和 p=f(n) 特性曲线 4调速的平滑性： 相邻两级转速之比: ， K1称为无级调速。 调压、调磁调速，为无级调速； 串附加电阻调速，为有级调速。 5原始投资与运行费用的合理利用 略 1iinnK 4、电枢串电阻调速： 设 ,串Rc时的机械特性:NNUU, TKKRRKUnTecae2特点特点: 1 在不同的Rc下， 不变； 2 斜率绝对值随Rc增大而增大; 3 固有特性， 人为特性; 4所有人为特性均在固有特性之下 ;结论：结论： 调速只能在固有特性之下进行。 0cR0
13、cR0n图示说明：0nn0TTLn1nnn234Rc=0Rc1Rc2Rc3Rc3Rc2Rc1 5、改变电枢电压调速： 设： ； 当： 时，机械特性为：0cNR，NUU TKKRRKUnTecae2特点特点: 1 在不同的U下， 与U成正比 ； 2 斜率绝对值，与U无关 ; 3 :固有特性， :人为特性; （电压值受绝限制， ） 4所有人为特性均在固有特性之下 ;结论：结论： 调速只能在固有特性之下进行。 0nNcUU NcUU UNcUU 图示说明：0nn0TTLn1nnn234U=UU=U1U=U2U=U3NU3U2U1 随磁通下降而增大;2斜率绝对值随磁通下降而增大;3转速特性所有堵转电流
14、 交与一点;4机械特性：磁通下降， 下降;5在有效负载范围内，人为机械特性在固 有特性之上;6对恒转矩负载，弱磁后，速度升高同时 电流相应也增大。eNKUn0aNstRUIstTstIKT 结论：结论： 调速只能在固有特性之上进行。 图示说明：0nn0NIn01n0221N21N弱磁调速的转速特性0nn0NTn01n0221N21N弱磁调速的机械特性TLIstTstTst1Tst2以上分析表明，以上分析表明，调速时调速时： 额定转速以下：串电阻或调压调速； 额定转速以上：弱磁调速。 7、 电动机的基本调速方式 1转速调节的机电过程:UiBlF(T)v(n)Blve+ +- -UKn=K+ +-
15、 -Ia=U-EaRa+RcIaTTL375GD2 L)dt+CneEa忽略电磁惯性（L)时 转速和转矩的控制方法2描述直流电动机调速的基本方程：acaaIRREU)(nKEea dtdnGDTTL3752aTIKT3 改变电枢电压的调速过程 ：0nn0TTLn1nnn234Rc=0Rc1Rc2Rc3Rc3Rc2Rc1 励磁绕组的脉宽调制系统 并联电枢法 电枢电压控制4改变励磁的调速过程 ：0nn0TTLn1nn23U=UU=U1U=U2NU2U1改变电枢电路电阻的调速过程 ：弱磁时，因励磁电路电磁时间常数影响，励磁电流不能突变，I、T 的最大值均不可能达到；相点运动轨迹为曲线。因dT小，弱磁
16、升速过渡过程较长。0nn0NIn01n021N1N弱磁调速的转速特性0nn0NTn01n021N1N弱磁调速的机械特性TLIbbT 四、直流电机四象限运行 在直流电机所处的状态中，如其感应电动势 和电枢电流 是可逆的，那么直流电机的运行就是四象限运行。 直流电机的四象限运行，通过相应的控制来实现。aEaI 六、电力拖动系统的过渡过程 1、运动方程式（转矩平衡方程）运动方程式（转矩平衡方程）对平面运动，有：旋转运动则为： 转矩平衡方程的另一形式： dtdvmmaFdtdJT dtdnGDTTL3752 2、转矩、转动惯量的折算：、转矩、转动惯量的折算： 1不考虑中间传动机构的损耗： 原则：系统的传送功率不变。 2考虑中间传动机构的损耗： 在折算关系中，加入传动效率 。c 3、直流电机起动的过渡过程：、直流电机起动的过渡过程： 起动过渡过程中的惯性： 1机械惯性： 2电磁惯性： 3热惯性； 起动过渡过程中分析： 1机械过渡过程； 2电气机械过渡过程； 过渡过程分析中所用到的关系: 1忽略电磁惯性时： 2考虑电枢电感对起动的影响时：RinkRieuaEaa1aTzikdtdnGDTT37522dtdiLiuaaa1aaaaedtdiLiu2aTzikdtdnGDTT37532谢谢！谢谢！
