1、13.4.1 他励直流机的起动及调速他励直流机的起动及调速3.4.2调速方法的转矩特性及其与负载的配合调速方法的转矩特性及其与负载的配合！3.4.3 他励直流机的四象限运行他励直流机的四象限运行(应用)电机的模型如下图。有电机的模型如下图。有3个可调节量个可调节量:,fR U I起动的概念起动的概念23.4.1 他励直流机的起动及调速他励直流机的起动及调速1 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程称为称为起动过程起动过程。，若对静止的他励直流电动机加额定电压NU、电枢回路不串电阻即直接起动。此时
2、0n，0aE，起动电流/startNaNIURI，起动转矩startTNstartNTCIT。注意：注意：他励直流电动机起动他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电流建立磁场，然后再加电枢电压。枢电压。aaaREUI顺利启动顺利启动条件？条件？3l由于电枢绕组电阻由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流很小，因此起动电流IsIN（约为（约为1020倍倍的的IN），这么大的起动电流），这么大的起动电流使电机换向困难使电机换向困难，在换向片表面产生，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；强烈的火花，甚至形成环火；l由于由于大电流产生的转矩过大大电流产生
3、的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。是不允许的。l因此一般直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设因此一般直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。备和采取措施来控制电机的起动过程。启动电流大会存在什么问题呢？启动电流大会存在什么问题呢？电机顺利起动应具备什么条件？电机顺利起动应具备什么条件？一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1)起动电流限制在一定范围内，即起动电流限制在一定范围内，即Is IN，为电机的过为电机的过载倍数，（载倍数，（一般为一般为22
4、.5）；）；2)足够大的起动转矩，足够大的起动转矩，Tst（1.11.2）TN；3)起动设备简单、可靠。起动设备简单、可靠。如何限制起动电流呢？如何限制起动电流呢？如何限制起动电如何限制起动电流呢？流呢？4如何限制起动电流呢？如何限制起动电流呢？l限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即阻，二是降低电源电压，即 直流电动机的起动方法有直流电动机的起动方法有电枢串电阻电枢串电阻和和降压两种降压两种。aaaREUIaNstRUI下面分别讨论两种方法。下面分别讨论两种方法。串电阻串电阻起动起动51）电枢回路串电阻起动电枢回路串电
5、阻起动启动原理启动原理n在额定电源电压下，电枢回路串入在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻分级起动电阻Rst，在，在起动过程中将起动电阻逐步切除。起动过程中将起动电阻逐步切除。n良好的起动必须保证在起动时每级起动电阻上有相同的良好的起动必须保证在起动时每级起动电阻上有相同的最大起最大起动电流动电流Ism（或（或最大起动转矩最大起动转矩Tsm）和相同的）和相同的切换电流切换电流Ich。一般。一般取切换电流为取切换电流为额定电流的额定电流的110%120%，以保证电动机在起动过，以保证电动机在起动过程中有大致相同的加速度。程中有大致相同的加速度。起动电阻怎样计算？起动电阻怎样计算？62.起动
6、电阻的计算起动电阻的计算有有图解法图解法和和解析法解析法。主要讨论主要讨论解析法解析法l启动过程启动过程l 各级起动电阻的计算方法：各级起动电阻的计算方法：RIErrrRIEaaaaaU1321)(第一阶段第一阶段11IURNu各切换点各切换点b，d，f 所对应的切换电流所对应的切换电流相同，均为相同，均为I2u a，c，e点对应的最大允许起动电流点对应的最大允许起动电流相同，均为相同，均为I1u在切除起动电阻瞬间，在切除起动电阻瞬间，n不能跃变，不能跃变，则则Eb=Ec，Ed=Ee，Ef=Eg，可得以下，可得以下三组方程三组方程起动电阻怎样计算？起动电阻怎样计算？7切除起动电阻瞬间，切除起动
7、电阻瞬间，n不能跃变不能跃变,得以下三组方程得以下三组方程将每组两个方将每组两个方程相除得程相除得 IREbU21REIREacUU112REIREIREcedUUU21322REIREIREeagfUUU3123 RRRRRR43322121II为为起动电流比或起起动电流比或起动转矩比。动转矩比。由上式得出由上式得出RRRRRRRRaaa3212323u最后得到每最后得到每段起动电阻段起动电阻8u最后得到每段起动电阻为最后得到每段起动电阻为u若起动级数为若起动级数为m，则计算总电阻，则计算总电阻公式为公式为RRrRRrRRra33322211RRam1mamaamRIURRRR1N11u已知
8、起动电阻级数已知起动电阻级数m可求起动电可求起动电流比，反之可求流比，反之可求m。若计算所得。若计算所得m不为整数时，应修改使不为整数时，应修改使m成为成为整数。整数。归纳总结计算起动电阻的步骤为：归纳总结计算起动电阻的步骤为：9计算起动电阻的步骤：计算起动电阻的步骤：估算或实测估算或实测Ra。计算计算R1。计算计算求求R2，R3，.，Rm。计算计算r1,r2,r3,.,rm。maRR1降压起动降压起动：103.2.2 降压起动降压起动当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速起动瞬间，电动机的转速n=0，反电动势，反电动
9、势Ea=0，降，降低电源电压低电源电压U，将起动电流限制在允许的范围内。将起动电流限制在允许的范围内。如何确定最低电压？如何确定最低电压？11如何确定最低电压？如何确定最低电压？负载负载TLTL已知，根据启动条件的要求，已知，根据启动条件的要求，可以确定电压可以确定电压U U的大小。的大小。根据启动电流确定降低电源电压到根据启动电流确定降低电源电压到U U：asRUI 有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小，可以逐渐升高电压较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到，直至最后升到UN。实际上，电。实际上，电源电压由于可以连续升高
10、，所以启动更快、更稳。源电压由于可以连续升高，所以启动更快、更稳。他励直流电动机空载启动或拖动反抗性转矩负载他励直流电动机空载启动或拖动反抗性转矩负载启动，改变电源电压启动，改变电源电压U的方向或改变励磁电流的的方向或改变励磁电流的方向，电动机都要反向启动。然后稳定运行。方向，电动机都要反向启动。然后稳定运行。！电源电压！电源电压U的方向的方向和和励磁电流的方向，励磁电流的方向，两种启动方式比较两种启动方式比较12他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速13 对电动机的转速，不仅要能调节，而且要求调对电动机的转速，不仅要能调节，而且要求调节的范围广，精度高，过程平滑，调节的方法要节的范围广，精
11、度高，过程平滑，调节的方法要简单、经济。简单、经济。通常把电动机运行于通常把电动机运行于固有机械特性上固有机械特性上的转速称的转速称为为基速基速。2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速电枢串电阻电枢串电阻的调速的调速14(1)电枢串电阻调速电枢串电阻调速 电枢串电阻调速电枢串电阻调速他励直流电动机拖动生产机械运行时，他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。电枢串电阻调速的机械特性方程式为电枢串电阻调速的机械特
12、性方程式为2NTeaNeNCCRRCUn电枢串电阻调速的特电枢串电阻调速的特点是什么？点是什么？15电枢回路串电阻调速的特点是：电枢回路串电阻调速的特点是：1）实现简单，操作方便）实现简单，操作方便,方向方向只能在只能在基速以向调速，基速以向调速，因而调因而调速范围较小，一般速范围较小，一般 D 2；2）由于串接电阻上要消耗电）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。转速越低，能耗越大。3）由于电阻是分级切除的，）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑所以只能实现有级调速，平滑性差性差（有级调速有级调速）；4）机械特性变软，静差率
13、增）机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；大，相对稳定性变差；应用：应用：电枢串电阻调速的方法电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。等，现在已不多见。讨论降压调速？讨论降压调速？16（2）改变电枢电源电压调速改变电枢电源电压调速（降压调速）（降压调速）降压调速降压调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机绝
14、缘耐压的限制，其电枢电压不允得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，只能在额定电压许超过额定电压，只能在额定电压U UN N以下进行，因此，调压调速以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。也是一种在基速以下调节转速的方法。调压调速的机械特性方程式为调压调速的机械特性方程式为e2TerecaNed0TCCRRCUn晶闸管整流器供电晶闸管整流器供电的直流调速系统的直流调速系统降低电源电压降低电源电压调速时的机械调速时的机械特性特性降压调速的特点是什么？降压调速的特点是什么？17调压调速的特点是：调压调速的特点是：1）在基速以下调速，调速范）在基速以
15、下调速，调速范围较宽，围较宽，D可达可达1020；2）调速前后机械特性硬度不）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；变，因而相对稳定性较好；3）由于调压电源可连续平滑）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现调节，所以拖动系统可实现无级调速；无级调速；4）调速过程中能量损耗较少，）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；因此调速经济性较好；5）需要一套可控的直流电源。）需要一套可控的直流电源。应用：应用：调压调速多用在对调调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸上，如机床、轧钢机、造纸机等。机等。讨论讨论弱磁弱磁调速？调速？1
16、8（3）弱磁调速弱磁调速弱磁调速弱磁调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速时，机械特性方程式为弱磁调速时，机械特性方程式为e2TeaeNTCCRCUn弱磁调速电路示意图弱磁调速电路示意图较大容量系统较大容量系统小容量系统小容量
17、系统减弱磁通的人减弱磁通的人为机械特性为机械特性弱磁弱磁调速的特点是什么？调速的特点是什么？19弱磁调速的特点是：弱磁调速的特点是：1）由于励磁电流）由于励磁电流I f 0，转，转速速0，Te为制动性为制动性转矩，这种稳态运转矩，这种稳态运行状况称为行状况称为能耗制能耗制动运行动运行。在这种运行状态下，在这种运行状态下，2LT方向与系统转速方向与系统转速n同方向，为拖同方向，为拖动性转矩。能耗制动运行时电动机电枢回路串入的制动电阻动性转矩。能耗制动运行时电动机电枢回路串入的制动电阻不同时，运行转速也不同不同时，运行转速也不同。制动电阻制动电阻R越大，越大，由于用于制动由于用于制动的电磁转矩的电
18、磁转矩eT越小，越小，转速绝对值转速绝对值n越高，如图越高，如图（b）所示。所示。反接反接制动过程制动过程424 电压反接制动电压反接制动 能耗制动过程的一个实例是能耗制动过程的一个实例是反接制动停车反接制动停车。它是把正向运。它是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串入限流的反接制动电阻串入限流的反接制动电阻R来实现的。拖动反抗性恒转矩负来实现的。拖动反抗性恒转矩负载，反接制动停车载，反接制动停车(BC)时，其机械特性如图所示。时，其机械特性如图所示。(a)(b)图 3.4.9 反接制动过程 R反向电源正向电源aIM
19、1:固有机械特性；2:nUU，电枢串电阻的机械特性 DTnTCCRRCeUnNTNecaNN00caaNaRREUI反接反接制动过程制动过程由突然反接电由突然反接电枢电压产生枢电压产生43 R反向电源正向电源aIMneTBA 对于采用可调节电压源的电力拖动系统，常常采用先降对于采用可调节电压源的电力拖动系统，常常采用先降压减速（避免接限流电阻）、再反接低电压从而反接制动停压减速（避免接限流电阻）、再反接低电压从而反接制动停车并接着反向（或正向）起动的运行方式，达到迅速制动并车并接着反向（或正向）起动的运行方式，达到迅速制动并反转（正转）的目的。反转（正转）的目的。表3.4.3 反接制动过程中的
20、功率关系 输入电功率 1P 电枢回路 总损耗CuaP 电磁功率（电?机）MP 电动机 空载损耗0p 输出机械功率 2P N aU I 2aaIRR a aE I T 0T 2T 反接反接制动运行制动运行445 倒拉反转运行（制动）倒拉反转运行（制动）他励直流电动机如果拖动他励直流电动机如果拖动位能性负载运行位能性负载运行，电枢回路串入，电枢回路串入电阻时，转速电阻时，转速n下降，但是如果电阻值大到一定程度后，如图下降，但是如果电阻值大到一定程度后，如图3.4.6-5 所示，就会使转速所示，就会使转速0n，工作点在第，工作点在第象限，电磁转象限，电磁转矩矩0eT，与，与n方向相反，是一种制动运行
21、状态，称为方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反倒拉反转运行或限速反转运行。转运行或限速反转运行。正向回馈制动过程正向回馈制动过程也叫电动势反接制动也叫电动势反接制动由位能性负由位能性负载时断开电载时断开电源或串大电源或串大电阻产生阻产生45 图 3.4.11(a)正向回馈制动过程 原来电动机运行在固有机械特性曲线的原来电动机运行在固有机械特性曲线的 A A 点上，电压降为点上，电压降为1U后，电动机运行点从后，电动机运行点从 A AB BC CD D，最后稳定运行在，最后稳定运行在 D D 点。点。在这一降速过渡过程中，从在这一降速过渡过程中，从 B BC C 这一阶段，电动机的转速这一阶
22、段，电动机的转速0n，而电磁转矩，而电磁转矩0eT，eT与与n的方向相反，的方向相反，eT是制动性转是制动性转矩，是一种矩，是一种正向回馈制动正向回馈制动过程过程。6 正向回馈制动过程和运行正向回馈制动过程和运行（1）正向回馈制动过程正向回馈制动过程正向回馈制动过程正向回馈制动过程由降低电枢电源电压产生由降低电枢电源电压产生46表表 3.4.4 正（反）向回馈制动运行正（反）向回馈制动运行时的功率关系时的功率关系 输入输入 电功率电功率1P 电枢回路电枢回路 总损耗总损耗CuaP 电磁功率电磁功率（电（电?机）机）MP 电动机电动机 空载损耗空载损耗0p 输出输出 机械功率机械功率2P NaU
23、 I 2aaI R aaE I T 0T 2T 其功率流程与直流发电机的功率流程其功率流程与直流发电机的功率流程一致，所不同的是：一致，所不同的是：机械功率的输入不是原动机送进，机械功率的输入不是原动机送进，而是系统从高速向低速降速过程中释而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动能所提供；放出来的动能所提供；电功率送出不是给用电设备，而是电功率送出不是给用电设备，而是给直流电源。即正向回馈制动过程，给直流电源。即正向回馈制动过程，“回馈回馈”指电动机把功率回馈电源。指电动机把功率回馈电源。正向回馈制动运行正向回馈制动运行47 图 3.4.11(B)正向回馈制动与运行 小车在平路上前进时，负载
24、转矩小车在平路上前进时，负载转矩为摩擦性阻转矩为摩擦性阻转矩1LT，01LT。下下坡时小车受到的总负载转矩为坡时小车受到的总负载转矩为2LT，02LT。所以，。所以，负载机械特性为曲负载机械特性为曲线线 1 和曲线和曲线 2。平路时电动机则运行。平路时电动机则运行在正向电动运行状态，工作点为固在正向电动运行状态，工作点为固有机械特性与曲线有机械特性与曲线 1 的交点的交点 A；走；走下坡路时，电动机则运行在正向回下坡路时，电动机则运行在正向回馈运行状态，工作点为固有机械特馈运行状态，工作点为固有机械特性与曲线性与曲线 2 的交点的交点 B。(2)正向回馈制动运行正向回馈制动运行反向回馈制动运行
25、反向回馈制动运行由位能性负载拖动引起由位能性负载拖动引起48如果他励直流电动机如果他励直流电动机拖动位能性负载拖动位能性负载，当电源电压反接时，当电源电压反接时，工作点在第工作点在第 4 限，见图限，见图（a）中的中的 B B 点，这时电磁转矩点，这时电磁转矩0eT，转速转速0n，eT与与n反方向，称为反方向，称为反向回馈制动运行反向回馈制动运行。7 反向回馈反向回馈 制动运行制动运行反向回馈制动运行反向回馈制动运行 由位能性负载下放由位能性负载下放重物时引起的再生重物时引起的再生发电发电 制动制动49 图 3.4.12 反向回馈制动运行 eTeT1LT他励直流电动机如果拖动位能性负载进行反接
26、制动，当转他励直流电动机如果拖动位能性负载进行反接制动，当转速下降到速下降到0n时，如果不及时切除电源，也不抱闸抱住电动机时，如果不及时切除电源，也不抱闸抱住电动机轴，那么由于电磁转矩与负载转矩不相等，系统不能维持轴，那么由于电磁转矩与负载转矩不相等，系统不能维持0n的恒速，而继续减速即反转，如图的恒速，而继续减速即反转，如图（b）所示直到达到反接制所示直到达到反接制动机械特性与负载机械特性交动机械特性与负载机械特性交点点 C，方才稳定。电动机在方才稳定。电动机在 C 点点的运行状态也是反向回馈制动运行状态。的运行状态也是反向回馈制动运行状态。四象限运行小结四象限运行小结503.4.3 小结小
27、结例略例略51例题：例题：例例3.4-252例例3.4-3 典型的电梯的机械结构如图典型的电梯的机械结构如图3.4.8所示、分为定滑所示、分为定滑轮、载物轿箱和配重（图中用黑框表示）。此外，还在定轮、载物轿箱和配重（图中用黑框表示）。此外，还在定滑轮上设置了抱闸装置用于停车时将定滑轮抱死以保证可滑轮上设置了抱闸装置用于停车时将定滑轮抱死以保证可靠停车。配重的重量一般为载物轿箱满载重量的一半，于靠停车。配重的重量一般为载物轿箱满载重量的一半，于是轿箱空载时负载转矩的方向为拖动轿箱上升的方向，轿是轿箱空载时负载转矩的方向为拖动轿箱上升的方向，轿箱满载时负载转矩的方向为拖动轿箱下降的方向。试分析箱满
28、载时负载转矩的方向为拖动轿箱下降的方向。试分析采用调压调速的直流电机拖动电梯轿箱作四象限运行的基采用调压调速的直流电机拖动电梯轿箱作四象限运行的基本运行状态。本运行状态。53 neT0提升下降nLTLTneTeTn0eT提升下降nLTLTneT设定：LT逆时针为正，顺时针为负；n下降为正，上升为负；电压U右正时为加正电压，右负时为加反电压。图3.4.14 电梯的四象限运行示意 aIaEUaIaEUaIaEUaIU解：解：首先设定各个物理量的正方向正方向如图3.4.14中的说明（注意：若不假定正方向，则无法讨论）。54 neT0提升LT下降neT在减速停车时，有可能进入象限 neTLT在加速时，
29、有可能进入?象限 tnnAB图 3.4.15 轿箱空载下降并降压停车和加速上升（正方向同图 3.4.14）小结小结55本节小结：本节小结：小结小结56（3）电动机的四象限运行和能量的流动：电动机的四象限运行和能量的流动：通过调速，系统（电动机负载）可在四象限运行。电通过调速，系统（电动机负载）可在四象限运行。电动机的能量流向决定了其工作状态。电动机的工作状态分为电动机的能量流向决定了其工作状态。电动机的工作状态分为电动（动（电磁转矩电磁转矩eT和转速和转速n同方向同方向）和制动（或称为发电，）和制动（或称为发电，eT和和n不同方向不同方向）；）；电动机工作状态可以是“稳态运行”、也可以是电动机工作状态可以是“稳态运行”、也可以是“过渡过过渡过程程”。两者的能量特性一样。两者的能量特性一样。END
