1、电力拖动,2,1 他励直流电动机的机械特性 2 电力拖动系统稳定运行的条件 3 他励直流电动机的起动 4 他励直流电动机的制动 5 他励直流电动机的调速 6 直流拖动系统的过渡过程 7 他励直流电动机过渡过程中的能量损耗 8 串励直流电动机的机械特性和运行特点 9 复励直流电动机的机械特性,第二章直流电动机的电力拖动,3,介绍他励直流电动机的机械特性，然后，着重阐述他励直流电动机的起动、制动、调速和拖动系统的过渡过程等问题，同时，对串励、复励直流电动机的运行特点和电动机在过渡过程中的能量损耗等问题也作相应的介绍。,第二章直流电动机的电力拖动,4,21 他励直流电动机的机械特性 2.1.1 他励
2、直流电动机机械特性方程 电动机的机械特性是指电动机在稳定运动状态(静态)下转速与电磁转矩之间的关系。 转速和转矩都是机械量，所以把稳态下这两个量之间的关系称为机械特性。 机械特性描述的是稳态下转速与转矩之间的关系，它与拖动系统运动方程相联系，也将决定系统过渡过程的工作情况，对分析电力拖动系统的运行是十分重要的。,第二章直流电动机的电力拖动,5,图给出了他励直流电动机的电路图，图中：U是电枢外加电压， Ea是电枢反电动势 Ia是电枢电流 Ra是电枢电阻 Rc是电枢外接串联电阻 If是励磁电流 Rf是励磁绕组电阻 Rcf是励磁绕组的外接串联电阻。 由于只考虑稳态情况，励磁回路中自感电动势为零，所以
3、图中没有标出电感。按照图中标明的各物理量的正方向，依据克希霍夫定律，可列出稳态下电柜电路的电压平衡方程式,第二章直流电动机的电力拖动,6,第二章直流电动机的电力拖动,7,第二章直流电动机的电力拖动,他励直流电动机机械持性方程式,8,第二章直流电动机的电力拖动,比较图A、B两点可见，由于IaBIaA，必然有EaBEaA，即nBnA，所以机械特性是“下倾”的。,他励直流电动机机械特性曲线,9,电动机的稳态转矩决定于负载的大小。 如果电动机空载运行，则电动机轴上的输出转矩等于零。此时，电动机只产生用来克服自身空载转矩的电磁转矩。 电动机的稳态转短能够自动地与静负载转短相平衡，而不需要通过任何操作去调
4、节电压、电阻或磁通。,第二章直流电动机的电力拖动,10,他励直流电动机的稳态转速由两部分组成。 第一部分是电磁转矩等于零时的转速 n0称为理想空载转速，即电动机不带负载且自身也没有空载转短情况下的转速。电动机的电压平衡关系为,第二章直流电动机的电力拖动,11,这说明电枢反电动势与外加电压相平衡，因此电枢电流为零，电磁转矩也为零。 通过改变电源电压或改变磁通来改变理想空载转速。 电动机稳态转速的第二部分是当电磁转矩不等于零时，转速比理想空载转速降低的部分，即,第二章直流电动机的电力拖动,n称为转速降，显然转速降与电磁转矩成正比。负载转矩越大，转速降越大，稳态转速越低。,12,电动机的实际空载转速
5、no。比理想空载转速勋要略低一些。因为实际电动机空载旋转时，其电磁转矩不可能等于零，必须等于M0，即空载损耗转矩。此时电动机实际空载转速为,第二章直流电动机的电力拖动,13,2.1.2机械特性的硬度 他励直流电动机的机械特性曲线是一条下倾的直线，而其它一些电动机的机械特性虽然不一定都是直线，但也基本是“下倾”的。当转矩增大时，转速都要下降。 对于不同的机械特性，其转速的下降程度是不同的；为了衡量转速下降的程度，引入“硬度”这一概念作为衡量指标。硬度的定义是,第二章直流电动机的电力拖动,14,硬度等于机械特性斜率倒数的绝对值。机械特性下倾越严重，则机械特性硬度越小。 硬度大的机械特性称为硬特性，
6、硬度小的机械特性称为软特性。 他励直流电动机的机械特性硬度，可以通过对式求导数得出，即,第二章直流电动机的电力拖动,15,他励直流电动机的机械特性硬度也可以 用机械特性曲线上有限增量的比值来描述，即,第二章直流电动机的电力拖动,16,第二章直流电动机的电力拖动,17,2.1.3 他励直流电动机固有机械特性和人为机械特性 当他励直流电动机的外加电压U、磁通、电枢回路总电阻R发生变化时，机械特性曲线也发生变化。 电动机电压和磁通均为额定值，电枢回路没串接电阻时的机械特性称为固有机械持性，简称固有特性。 凡是电源电压或磁通不为额定值，或者电抠回路存在外串电阻的机械特性，都称作人为机械特性，简称人为特
7、性。,第二章直流电动机的电力拖动,18,2.1. 3.1 固有机做特性 根据他励直流电动机固有机械特性的条件，其固有机械特性方程为,第二章直流电动机的电力拖动,固有机械特性是其所有机械特性中最硬的,19,2.1.3.2 人为机械特性 1.电枢串电阻时的人为特性 此时，UUN，=N，RRa+Rc，电枢串电阻Rc时的人为特性方程为,第二章直流电动机的电力拖动,20,2改变电源电压的人为机械特性 电枢回路电阻等于电枢电阻Ra，磁通为额定磁通，于是，人 为机械特性方程为,第二章直流电动机的电力拖动,21,3减弱磁通时的人为机械持性 通常，他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机磁路巳接近饱和，因此，实际
8、上改变磁通只能是减弱磁通减弱磁通可通过在励磁回路串电阻来实现。 电源电压为额定值，电枢回路电阻等于电枢电阻，于是，减弱磁通时的人为机械持性为,第二章直流电动机的电力拖动,22,第二章直流电动机的电力拖动,23,图中，Mk、Mk1、Mk2，分N 、 1 、 2时的短路(堵转)转矩，由于N 1 2，所以Mk Mk1 Mk2不同的持性曲线在第I象限有交点。 一般情况下，电动机额定负载转矩MN比Mk小很多，所以减弱磁通使电动机转速升高。,第二章直流电动机的电力拖动,24,2.1.4机械特性的绘制 由机械特性方程可见，要计算或绘制机械特性，必须知道Ce和Cm等参数，而这些参数又与电机结构参数p,a,N有
9、关，要把所有的参数都查清楚是不太容易的，因为这些参数并不标在电动机的M铭牌或产品目录上。 在工程设计时，往往是根据电动机铭牌或产品目录上的额定数据，或是根据实测数据来绘制机械持性。通常对计算有用的数据是PN、UN、IN和nN。,第二章直流电动机的电力拖动,25,2.2 电力拖动系统稳定运行的条件 讨论生产机械的负载转矩特性和直流他励电动机的机械特性的配合问题。,第二章直流电动机的电力拖动,26,第二章直流电动机的电力拖动,27,对于恒转矩负载，只要电动机的机械特性曲线呈下倾趋势，电力拖动系统才可稳定运行，若机械特性曲线呈上翘趋势，则电力施动系统将不能稳定运行，,第二章直流电动机的电力拖动,28
10、,判断拖动系统工作点是否稳定，应以系统偏离工作点时电动机转矩与静负载转矩之差M=M-ML的作用性质为依据。 当拖动系统偏离工作点后，若 M的作用是使系统趋于返回原工作点运行的，则原工作点为稳定工作点； 如果 M是使系统更趋于偏离原工作点运行的，则原工作点为不稳定工作点。,第二章直流电动机的电力拖动,29,若将上述分析加以数学描述，便可得电力拖动系统稳定运行的充分必要条件为： 电动机机械符性与负载转矩特性应有清晰的交点(M=ML)，且在该交点处满足dMdndMLdn。,第二章直流电动机的电力拖动,30,第二章直流电动机的电力拖动,31,2.3 他励直流电动机的起动 2.3.1 起动过程分析和起动
11、方法 所谓电动机的起动是指，电动机在静止状态下通电后旋转，且转速不断增加直到进入 稳态运行的过程。 通常，从生产机械的生产过程来看起动过程居于非生产过程，因此，大多数生产机械要求起动过程越短越好，以便提高生产效率，对于频繁起、制动的生产机械尤其如此。,第二章直流电动机的电力拖动,32,单从缩短起动过程而盲，需要提高加速度，也就是提高起动过程中的电磁转矩。 对于他励直流电动机，由于磁场为恒定磁场，电磁转短正比于电抠电流，故应使起动过程中电枢电流尽可能大一些。,第二章直流电动机的电力拖动,33,产生问题： 1、电枢回路电压平衡方程UNEa十IaRa，电动机起动瞬间转速为零，电枢反电势也为零，加之电
12、枢电阻很小，直接起动电流很大，通常可达额定电流值的10一20倍。使换向恶化，引起强烈的火花，严重时将产生环火，烧伤换向器表面。,第二章直流电动机的电力拖动,34,2、电枢绕组中还会产生过大的电动应力， 使绕组受到损害。 过大的起动电流还会影响接于同一线路上的其它用电设备的正常运行。 过大的电磁转短可能产生机械撞击，导致机械传动部件受到损害。,第二章直流电动机的电力拖动,35,3、有些生产机械不允许起动过程进行太快，如起重运输机考虑到安全、车轮与钢轨打滑等问题，乘人电梯考虑到乘客的舒适感，都对加速度有所限制。 因此，对于电动机的起动电流必需加以限制。,第二章直流电动机的电力拖动,36,综上所述，
13、对于电力拖动系统的起动性能的要求可归纳为： (1)接通励滋回路，建立符合运行条件的磁场： (2)起动电流要小，以避免损坏电机和减小对电网的冲击； (3)起动转短要大，以加快起动过程，缩短起动时间，又必需满足不损害施动系统传动机构的条件。 ,第二章直流电动机的电力拖动,37,对于直流电动机而言，由于换向条件许可的最大电流一般只有额定电流的两倍左右， 所以在起动电动机时，应采取措施将电枢电流限制在这个范围内。 通常采用的方法是降低电源电压起动，或是电枢回路串电阻分级起动。,第二章直流电动机的电力拖动,38,2.3.2 串电阻分级起动的起动过程 在串电阻分级起动过程中，因为电枢电流随时间变化所以在电
14、枢电路中有自感电势 产生。电枢电路中的电感主要是电枢的电感，由于电抠的电感值通常都很小，忽略它不致引起明显的误差，却可以使问题得以简化。,第二章直流电动机的电力拖动,39,串电阻三级起动原理图。,第二章直流电动机的电力拖动,40,第二章直流电动机的电力拖动,41,I1是电动机的最大允许电枢电流，I2称作起动切换电流。由因可见，I2必须大于IL，并且I2越大，起动平均电流越大，起动时间越短。但是，切换电流增大，起动级数增多，起动设备增加。因此，如果无特殊要求，可选I2 (1.11.3) IL 。,第二章直流电动机的电力拖动,42,第二章直流电动机的电力拖动,43,第二章直流电动机的电力拖动,44
15、,第二章直流电动机的电力拖动,45,第二章直流电动机的电力拖动,46,第二章直流电动机的电力拖动,47,2.3.3.2 图解法 在利用图解法求起动电阻时，首先必须绘出 起动时电动机的机械特挫图。以图为基础，将作图过程说明如下： (1)绘制固有机械特性 如图直线n0ig所示。 (2)选取起动过程中的最大允许电流I1和电阻切除时的切换电流I2：,第二章直流电动机的电力拖动,48,49,在图中横坐标轴上截取I1 和I2两点，分别向上作垂直线I1h 和I2k ，交过n0点的水平线于h点和k点； I1h交固有特性于g点。 (3)连接n0 a，交I2k于b点(a点与I1点重台)；过b点作水平线交I1h于f
16、点；连接n0 c，交I2k于d点，过d点作水平线，交I1h于e点；连接n0e，交I2k于f点。 (4)过f点作水平线，若该水平线正好交I1h 于f点，则起动级数可以确定。如果作图的结果不能保证这一点，必须对选取的I1 和I2数值稍作变动(一股可变动I2的数值)，然后按上述步骤重新绘图，直到满足I1 一致的条件为止，即作图过程进行到最后所作的 水平线经过g点。,第二章直流电动机的电力拖动,50,分级起动特性图一经确定，便可在图上确定起动级数，如图中为3级起动。与此同时，可在图中裁取相应的线段，并作很简单的计，就可算出各段起动电阻。其方法的依据是： 由机械特性方程式,第二章直流电动机的电力拖动,5
17、1,上式表明，当电磁转短(或电枢电流)为某一确定值时，转速降n与电枢回路总电阻成正 比。 当IaI1，时，固有特性上的转速降与hg对应，串电阻只Rst3特性上的转速降与he对 应，以此类推。,第二章直流电动机的电力拖动,52,第二章直流电动机的电力拖动,53,2.4 他励直流电动机的制动 2.4.1制动的一般概念 电动机有两种运行状态；电动运行状态和制动运行状态。 电动机的电磁转矩方向与电动机旋转方向相同的运行状态称为电动运行状态； 电动机的电磁转矩与旋转方向相反的运行状态称为制动运行状态，简称制动，此时，电磁转矩为制动性质的转矩。,第二章直流电动机的电力拖动,54,电动机制动运行时，把电动机
18、具有的机械能转变成电能，或把这些电能转变成热能消耗掉，或把这些电能回送给电网。 许多生产机械工作时经常需要减速或停车，简单的方法是将电动机断电靠系统运动部件的摩擦转矩和静负载转矩的作用使电动机减速或停车(即自由停车)这种方法其减速或停车过程进行得较慢，满足不了生产效率的要求。,第二章直流电动机的电力拖动,55,提升装置为了使吊起的重物匀速下放，需要用制动转矩来平衡重物产生的转矩。 制动转矩可以通过摩擦获得，也可以通过电动机运行于制动状态获得。 前一种获得制动转矩的方法称为机械制动；后一种方法称为电气制动。,第二章直流电动机的电力拖动,56,2.4.2 他励直流电动机的能耗制动 2.4.2.1
19、能耗制动状态的机械特性 他励直流电动机能耗制动的接线图和机械特性,第二章直流电动机的电力拖动,57,将电枢从电源断开，立即把电阻R2并接到电枢两端，电动机即进行能耗制动根据图中所标明的各量正方向，可列出电压平街方程式,第二章直流电动机的电力拖动,58,在他励直流电动机能耗制动开始的瞬间，电枢电流和电磁转矩的大小与制动时电枢回赂的总电阻有关。 制动电阻越小，机械持性越平，制动转矩的绝对值越大，制动越迅速。 制动电阻也不能太小，否则制动时的电枢电流和电磁转矩将超过允许值，从而对拖动系统的运行带来不利影响，甚至损坏电动机或传动机构。能耗制动电阻可由下式计算,第二章直流电动机的电力拖动,59,第二章直
20、流电动机的电力拖动,60,2.4.2.2 能耗制动的能量关系 他励直流电动机能耗制动时，在电枢电路中只有一个电源，即Ea，电枢电流的方向必然与电抠电势方向相同，电动机是发出电能的。根据电压平街方程式，可得功率平衡方程式,第二章直流电动机的电力拖动,61,这说明如果忽略电动机的空裁损耗，电动机将机械功率-M变成电功率，全部消耗在 电枢电阻和制动电阻中，变成热能消耗掉，因此称为能耗制动。 当能耗制动用于匀速下放位能性负载时，机械功率就是静负载输送给电动机的功率； 当电动机拖动反抗性负裁能耗制动时，用于制动的能量来自于拖动系统减小动能放出 的机械能。,第二章直流电动机的电力拖动,62,第二章直流电动
21、机的电力拖动,63,243 他励直流电动机的反接制动 他励直流电动机的反接制动可用两种方法实现，即转速反向(倒拉反转)反接制动和 电压反向(电枢反接)反接制动。,第二章直流电动机的电力拖动,64,由转速反向反接制动的定义可知，此时电动机工作在第IV象限，如图1中的cd段。反接制动时各物理量的实际方向如图2所示。由图可见，电动机被倒拉反转时，电压为正，转速为负，因而电枢电势Ea也为负， Ea与U顺向串联，共同在电枢回路中产生电流，电流为正，所以电滋转矩M也为正。,第二章直流电动机的电力拖动,65,第二章直流电动机的电力拖动,66,第二章直流电动机的电力拖动,67,讨论转速反向反接制动状态下的功率
22、平衡关系。 如将电枢回路电压平衡方程式两侧同乘以电枢电流Ia，得,第二章直流电动机的电力拖动,68,2.4.3.2 电压反向反接制动 电压反向反接制动接线图如图所示。制动开始时,电枢回路瞬间串入制动电阻RZ，并接上极性相反的电压，使电源电压与仍旧存在的电枢电势(因转速不能突变)顺向串联，共同产生很大的反向电流，从而产生强烈的制动效,第二章直流电动机的电力拖动,69,第二章直流电动机的电力拖动,70,采用电压反向反按制动时，因电压为负，故理想空载转速也为负。为了限制制动起始 电流，电枢回路必须串入一个较大的制动电阻。此时，机械特性方程为,第二章直流电动机的电力拖动,71,第二章直流电动机的电力拖
23、动,72,由电枢回路电压平衡方程式可得，电压反向反接制动开始瞬间的电枢电流为 如果反接制动时最大电流也不超过2.0IN，且自额定转速nN 反接制动，则有,第二章直流电动机的电力拖动,73,244 他励直流电动机的回馈制动 他励直流电动机在电动状态下提升重物时，如果反接电枢，就有可能过渡到机械特性的第IV象限运行，此时电动机便在回馈制动状态下匀速下放重物。 他励直流电动机在回馈制动时，转速方向应与理想空载转速方向一致，U与Ea的方向与电动状态时一样，但电机转速高于理想空载转速，即电枢电势高于外加电压，电枢电流是电枢电势克服了外加电压产生的。 与电动状态相比，电枢电流已经反向，电磁转矩也反向，由电
24、动状态时的驱动转矩变为制动转矩。因此，这时电机吸收机械能，输出电能，具有发电并向电网回馈电能的性质，故称为回馈制动状态。,第二章直流电动机的电力拖动,74,第二章直流电动机的电力拖动,75,第二章直流电动机的电力拖动,76,(1)高速下放重物 电动机高速下放重物的工作状态如上图中的d点所示。此时，电动机的实际转速高于电动机的理想空载转速，重物下故时释放出的位能转为电动机轴上的输入机械功率，这部分功率扣除各种损耗后，余下的部分便是向电网回馈的电功率。 通常称这种回馈制动状态为稳定的回馈制动状态。,第二章直流电动机的电力拖动,77,第二章直流电动机的电力拖动,78,(2)电车下坡 当由电动机牵引的
25、车辆在平路上行驶时，电动机工作在正向电动状态，如图中的a点所示。而电车下坡时，电车自身的重力将沿斜坡方向产生一分力，当此分力减去车轮与路面的摩擦力，余下的部分便体现为作用在电动机轴上的驱动力矩，迫使电动机加速，直到进入回馈制动状态，如图e点。,第二章直流电动机的电力拖动,79,(3)降低端电压调速 在电动机运行于正 向电动状态时，如果采用降低端电压调速，在电动机减速运动的过程中有可能存在一段时间，电动机运行于回馈制动状态，如图中的bd段。,第二章直流电动机的电力拖动,80,设电动机带动运转负载运行于a点，如瞬间降低电源电压，机械特性变为bd，由于转速不能突变，电动机的运行点将由a点移到b点于是电动机进入回馈制动状态。这时，由于瞬间电压下降较多，而由转速决定的电势又不能突变，因此，电枢电势高于电源电压，从面使电动机工作于回馈制动状态，拖动系统释放动能，电机则向电网馈送电能。,第二章直流电动机的电力拖动,81,随着系统动能的释放，电动机的转速也逐渐下降，电势也跟着下降，一旦电势下降到小于电源电压，则电动机又重新进入电动状态。如图中的cd段，而最终运行于d点。通常称这种回馈制动工作状态为过度的回馈制动状态,第二章直流电动机的电力拖动,82,第二章直流电动机的电力拖动,83,第二章直流电动机的电力拖动,
