1、第三章第三章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动3.1 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性*他励直流电动机电路原理图他励直流电动机电路原理图 *他励直流电动机的参数关系他励直流电动机的参数关系*机械特性图机械特性图 *电枢反应对机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响l 电动机的机械特性是指电动机的机械特性是指:电动机的转速电动机的转速 n 与转矩与转矩 T 的关系的关系 n=f(T)l T 是电磁转矩，它与电动机轴上的输出是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转转 矩矩 T2 差一个空载转矩差一个空载转矩 T0电动状态时：电动状态时：02TTT一一.他励直流电动机机械特性方程式他
2、励直流电动机机械特性方程式1.他励直流电动机电路原理图他励直流电动机电路原理图2.他励直流电动机的参数关系他励直流电动机的参数关系l电磁转矩：电磁转矩：l感应电动势：感应电动势：l电枢电路电动势平衡方程式电枢电路电动势平衡方程式：l转速特性：转速特性：l并考虑到：并考虑到：可获得可获得他励直流电动机机械特性方程式他励直流电动机机械特性方程式：l由特性方程可知，转速由特性方程可知，转速 n 随转矩随转矩 T 增大而降低；增大而降低；l这说明空载电动机加了负载后这说明空载电动机加了负载后 n 会有一些降落；会有一些降落；l电动机的理想空载转速电动机的理想空载转速 n0。其中：其中：3.机械特性图机
3、械特性图lnN%为额定转速变化率为额定转速变化率 机械特性的斜率：机械特性的斜率：=R/(Ce CT 2)由于电枢电阻较小由于电枢电阻较小,一般他励电动机的一般他励电动机的机械特性都较硬机械特性都较硬4.电枢反应对机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响 当电枢电流较大时，机械特性在负载大时当电枢电流较大时，机械特性在负载大时呈上翘现象。呈上翘现象。电枢反应对机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响解决方法解决方法:l为避免上翘，往往在主磁极上加一个为避免上翘，往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，抵消电枢反应匝数很少的串励绕组，抵消电枢反应的去磁作用。的去磁作用。l这个串励绕组常称为稳定绕组这
4、个串励绕组常称为稳定绕组二二.固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性lU=UN，=N，电枢没有串联电阻时电枢没有串联电阻时的机械特性称为的机械特性称为固有机械特性固有机械特性:l改变电动机参数即获得改变电动机参数即获得人为机械特性人为机械特性；l三个变量中任何一个或几个值非额定时，三个变量中任何一个或几个值非额定时，得到的机械特性即为人为机械特性。得到的机械特性即为人为机械特性。(一一)电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性lU=UN,=N，R=Ra+R时，电枢时，电枢串联电阻串联电阻 R时人为机械特性的方程式为：时人为机械特性的方程式为：1.特点：特点：人为机
5、械特性由交纵坐标轴于一人为机械特性由交纵坐标轴于一点，但具有不同斜率的射线族组成。点，但具有不同斜率的射线族组成。2.机械特性图机械特性图电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性(二二)改变电压时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性l电枢不串联电阻电枢不串联电阻(R=0),=N，改变电，改变电压时的人为机械特性方程式为：压时的人为机械特性方程式为：1.特点：特点：人为机械特性是人为机械特性是一组平行线一组平行线，它，它们低于固有机械特性们低于固有机械特性，但与固有机械特，但与固有机械特性相平行。性相平行。2.机械特性图机械特性图改变电压时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性
6、(三三)减弱电动机磁通时的人为机械特性减弱电动机磁通时的人为机械特性l改变磁通实际上是减弱励磁。此时改变磁通实际上是减弱励磁。此时 U=UN，R=0，减弱磁通时人为机械特性方程式：，减弱磁通时人为机械特性方程式：而而 n=f(Ia)特性方程式为：特性方程式为：短路短路(堵转堵转)电流电流 IK=UN/Ra=常值，所以常值，所以短路短路(堵转堵转)转矩转矩 TK 将随将随 之减弱而降低。之减弱而降低。减弱磁通时的工作特性减弱磁通时的工作特性减弱磁通时的人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性NNTK注意事项注意事项:l一般情况下，一般情况下，TN 比堵转转矩比堵转转矩 TK 小得小得多，故多，故减弱
7、磁通使电动机转速升高减弱磁通使电动机转速升高；l但负载特别重或磁通但负载特别重或磁通 特别小时，特别小时，如再减弱磁通如再减弱磁通 ,转速会发生反而下转速会发生反而下降的现象。降的现象。三三.机械特性的绘制机械特性的绘制l根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。从电动机铭牌获得的据来计算机械特性。从电动机铭牌获得的数据一般是数据一般是 PN、UN、IN 和和 nNl(一一)获得机械特性方程表达式获得机械特性方程表达式估算电枢绕组电阻估算电枢绕组电阻 Ra：求取求取 CeN：求取求取 CTN：得固有机械特性方程式得固有机械特性方程式 n=f(T)
8、任意给出两点如任意给出两点如 T=0（空载点）和（空载点）和 T=TN，通过这两点得连线即为固有通过这两点得连线即为固有机械特性。机械特性。(二二)人为机械特性的绘制人为机械特性的绘制l各种人为机械特性的计算较为简单，各种人为机械特性的计算较为简单，把相应的参数值代入对应的人为机械把相应的参数值代入对应的人为机械特性方程式即可。特性方程式即可。四四.电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件l我们的任务是什么？我们的任务是什么？分析分析生产机械负载转矩特性生产机械负载转矩特性与与电动机电动机的机械特性的机械特性的配合问题。的配合问题。1.稳态时电动机电流由负载大小决定稳态时电动机电流
9、由负载大小决定（分析下图！（分析下图！）。）。结论：结论：稳态下电动机发出转矩的大小是稳态下电动机发出转矩的大小是由负载转矩的数值所决定的！由负载转矩的数值所决定的！他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性2.电力拖动的稳态运行问题电力拖动的稳态运行问题l(1)稳态运行的必要条件稳态运行的必要条件电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有交点；交点；l(2)稳态运行的充分条件稳态运行的充分条件如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用，使原来于出现某种干扰作用，使原来转矩转矩 T 与与 TZ 的平衡变
10、成不平衡，电动机转速便稍有的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，当干扰消除后，拖动系统有能力使变化，当干扰消除后，拖动系统有能力使转速恢复，回到干扰作用出现前原来交点转速恢复，回到干扰作用出现前原来交点处。处。3.充分条件的表述及分析充分条件的表述及分析l电动机电磁电动机电磁转矩为转矩为 T，负载，负载转矩为转矩为 TZ，工工作于平衡作于平衡点点 P。有：。有：Tp-TZ=0，dnp/dt=0l设有扰动使系统偏离平衡点设有扰动使系统偏离平衡点 P，分析！，分析！机械特性稳定的配合问题机械特性稳定的配合问题4.结论结论l稳定的充分条件稳定的充分条件是在两特性曲线交点处：是在两特性曲线交点处：l
11、或者说：或者说：在交点所对应的转速之上应保证在交点所对应的转速之上应保证 T TZ。3.2 3.2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动*直接加额定电压起动后果直接加额定电压起动后果*限制起动电流的措施限制起动电流的措施*他励电动机分级起动他励电动机分级起动一一.他励直流电动机的起动方法他励直流电动机的起动方法l他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。先通励磁电流），而后加电枢电压。l电枢电流电枢电流 Ia 为：为：刚起动时，转速刚起动时，转速 n=0，Ea=0；因为电动机的电枢绕组电阻因为电动机的电枢绕组电阻 R
12、a 很小，很小，所以直接加额定电压起动，所以直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电可能突增到额定电流的十多倍！流的十多倍！1.直接加额定电压起动后果直接加额定电压起动后果l换向情况恶化，产生严重的火花；换向情况恶化，产生严重的火花；l过大转矩将损坏拖动系统的传动机构；过大转矩将损坏拖动系统的传动机构；l！因此在起动时，必须设法限制电！因此在起动时，必须设法限制电枢电流。枢电流。2.限制起动电流的措施限制起动电流的措施l降压起动：降压起动：适用于电动机的直流电源是可调节的；适用于电动机的直流电源是可调节的；l电枢电路中串联电阻起动：电枢电路中串联电阻起动：当没有可调电源时，可在电枢电路中当没
13、有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流，并在起动串联电阻以限制起动电流，并在起动过程中将起动电阻逐步切除。过程中将起动电阻逐步切除。3.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动 起动过程 三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性U3321ststststaRrrrRZZIT22IT11ITIT0nabn1221stststaRrrR1ncd211ststaRrR2nef3aRngh3nMaRS1S1str2str3str2S3S分级起动时：分级起动时：可将可将每一级的每一级的 I1（或（或 T1）与）与 I2(或或 T2)取取得大小一致得大小
14、一致，以使电动机有比较均匀的加，以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。分级级起动电阻的计算 设对应转速设对应转速n n1 1、n n2 2、n n3 3时电势分别为时电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，则有：，则有：b b点点123aNstEUIRc c点点112aNstEUIRd d点点222aNstEUIRe e点点211aNstEUIRf f点点321aNstEUIRg g点点31aNaEUIR比较以上各式得：比较以上各式得：211122
15、3IIRRRRRRaststststst 在已知起动电流比在已知起动电流比 和电枢电和电枢电阻阻R Ra a前提下，经推导可得各级串联前提下，经推导可得各级串联电阻为电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRrRRrRRrRr 计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；m（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比
16、：）计算起动电流比：mastmmaNRRRIU1 取整数取整数m（5 5）计算转矩）计算转矩:12TT，校验校验：ZTT)3.11.1(2如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止。值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm二二.他他励直流电动机的反转励直流电动机的反转由由T=CT Ia知，改变知，改变 的方向，或改变的方向，或改变Ia的方向，的方向，都能改变都能改变T 的方向，实现的方向，实现电动机的反转。电动机的反转。他励直流电动机的反转的方法有：l磁场反向；l电枢反向。他他励直流电动机励磁绕组匝数多，电感较大，反向磁通建励直流电动机励磁绕组匝数多，电感较大
17、，反向磁通建立过程缓慢，仅用于不要求频繁正、反转的场合。立过程缓慢，仅用于不要求频繁正、反转的场合。电枢反向时的机械特性方程为：电枢反向时的机械特性方程为：nnTCCRRCUnrecae0)(nnTCCRRCUnrecae0oTn0-n0n当各参数含符号时，电动机反转的机械特性方程为：当各参数含符号时，电动机反转的机械特性方程为：三三.他他励直流电动机起动的过渡过程励直流电动机起动的过渡过程(选讲）选讲）1)电力拖动过渡过程：电力拖动过渡过程：指电力拖动系统指电力拖动系统由一个稳态工作状态由一个稳态工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。过渡到另一个稳定工作状态的过程。例如起动、制动、反转、调
18、速、负载例如起动、制动、反转、调速、负载突变等过程。突变等过程。2)负载图负载图l过渡过程中，过渡过程中，n、T、Ia 及及 P 均为时间均为时间的函数；的函数；l其变化规律称为电力拖动运行的负载其变化规律称为电力拖动运行的负载图；图；l负载图是正确选择与校验电动机功率负载图是正确选择与校验电动机功率的依据。的依据。3)研究过渡过程的意义研究过渡过程的意义l可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；提高生产率；l探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机的利用率；机的利用率；l研究如何改善电力拖动的运行情况，使设研究如何
19、改善电力拖动的运行情况，使设备能安全进行。备能安全进行。4)电力拖动系统中存在的惯性电力拖动系统中存在的惯性电力拖动系统中一般存在以下三种惯性电力拖动系统中一般存在以下三种惯性:l(1)机械惯性机械惯性：体现在飞轮矩：体现在飞轮矩 GD2 上，它上，它使转速使转速 n 不能突变；不能突变；l(2)电磁惯性电磁惯性：体现在电枢回路电感：体现在电枢回路电感 La 及及励磁回路电感励磁回路电感 Lf 上，使电枢电流和励磁电上，使电枢电流和励磁电流不能突变；流不能突变；l(3)热惯性热惯性：使温度不能突变：使温度不能突变。5)我们将要研究的电力拖动过渡过程我们将要研究的电力拖动过渡过程l(1)机械过渡
20、过程（机械过渡过程（考虑机械惯性）考虑机械惯性）l(2)电气电气机械过渡过程（机械过渡过程（考虑机械惯考虑机械惯性和电磁惯性）性和电磁惯性）(一一)起动的机械过渡过程起动的机械过渡过程1.电枢串固定电阻起动的过渡过程电枢串固定电阻起动的过渡过程(1)直流电动机起动原理直流电动机起动原理图图他励直流电动机起动原理图他励直流电动机起动原理图(2)直流电动机的几个基本公式直流电动机的几个基本公式IZ 负载转矩对应的负载电流负载转矩对应的负载电流,保持稳定转保持稳定转 速运行时的电枢电流。速运行时的电枢电流。(3)电力拖动系统的机电时间常数电力拖动系统的机电时间常数TtM 称为电力拖动系统的称为电力拖
21、动系统的机电时间常数机电时间常数(4)反映过渡过程中电枢电流的微分方程反映过渡过程中电枢电流的微分方程如何解上述微分方程？如何解上述微分方程？可使用三要素法可使用三要素法(5)解一阶微分方程的三要素法解一阶微分方程的三要素法初始值：初始值：Xi；稳态值：；稳态值：Xf；时间常数；时间常数：T一阶微分方程的解：一阶微分方程的解：(6)电枢电流、转速过渡过程解电枢电流、转速过渡过程解起动时电枢电流过渡过程起动时电枢电流过渡过程起动时转速上升过渡过程起动时转速上升过渡过程(7)结论结论时间时间 t t转速转速 n nT TtMtM63.2%63.2%n nZ Z2T2TtMtM86.4%86.4%n
22、 nZ Z3T3TtMtM95.0%95.0%n nZ Z4T4TtMtM98.2%98.2%n nZ Z无穷大无穷大n nZ Z请看下表：请看下表：(7)结论结论l可以看出：理论上，只有当时间可以看出：理论上，只有当时间 n 趋于无趋于无穷时，转速才能达到稳态值；穷时，转速才能达到稳态值；l实际上，由于当实际上，由于当 t=（3 4）TtM 时，系时，系统转速已达到稳定运行转速统转速已达到稳定运行转速 nz 的的 95%98%；l所以，一般可认为经过所以，一般可认为经过 3 4 个时间常数，个时间常数，转速便达到稳定值，过渡过程结束。转速便达到稳定值，过渡过程结束。2.电枢串多级电阻起动的过
23、渡过程电枢串多级电阻起动的过渡过程1)电枢串多级电阻起动的电路电枢串多级电阻起动的电路2)起动的过程起动的过程串二级起动的过程串二级起动的过程 3)结论结论l(1)不同加速级的机电时间常数是不同的电不同加速级的机电时间常数是不同的电枢电路的电阻愈大，则枢电路的电阻愈大，则 TtM 愈大；愈大；l(2)不同加速级的起始转速与稳定转速都是不同加速级的起始转速与稳定转速都是不同的；不同的；l(3)各级的起始电流均限定为各级的起始电流均限定为 I1，各级的稳，各级的稳定电流定电流 Iz 由恒转矩负载决定，其值不变。由恒转矩负载决定，其值不变。l(4)总的起动时间总的起动时间 tst：3.加快起动过程的
24、途径加快起动过程的途径l措施一措施一:设法减小系统的飞轮矩设法减小系统的飞轮矩 GD2，以减小，以减小机电时间常数；机电时间常数；l措施二措施二:尽可能设法改善起动过程中电枢电流的尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形。波形。起动过程中理想的电枢电流波形起动过程中理想的电枢电流波形3.3 3.3 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 1.可以采用的调速方法：可以采用的调速方法：机械方法；电气方法；机械电气配合方法。机械方法；电气方法；机械电气配合方法。2.电气调速方法：电气调速方法：由转速调节特性来看由转速调节特性来看:欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电欲改变电动机的转速，可以改变电枢端
25、电压压 Ua（包括改变包括改变U 和改变和改变R)，或改变励磁，或改变励磁磁通磁通 实现。实现。(1)调压限制：调压限制：l提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，所以，根据规定电枢电耐压的限制，所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高压只容许比额定电压提高 30%；l实际上改变实际上改变 Ua 应用在降压的方向应用在降压的方向，即即从额定转速向下调速从额定转速向下调速。(2)调磁限制：调磁限制：l一般电动机的额定磁通已设计得使铁一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和。心接近饱和。所以，改变磁通一般应用在弱磁的方所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为
26、向，称为弱磁调速；弱磁调速；l一般可以使一般可以使转速从额定值向上调节。转速从额定值向上调节。一一.调速指标调速指标 1.调速的技术指标调速的技术指标l(1)调速范围：调速范围：一般假定：一般假定：nmax 与与 nmin 代表电动机在额定负载下可能代表电动机在额定负载下可能达到的最高与最低转速。达到的最高与最低转速。不同生产机械要求的调速范围不同生产机械要求的调速范围l对负载很轻的生产机械，可用实际负载下对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算。的最高与最低转速来计算。生产机械类型生产机械类型调速范围调速范围车床车床20 20 120120龙门刨床龙门刨床10 10 404
27、0机床的进给机构机床的进给机构5 5 200200轧钢机轧钢机3 3 120120造纸机造纸机3 3 2020(2)静差率静差率(相对稳定性相对稳定性)l相对稳定性的程度用静差率相对稳定性的程度用静差率%来表示来表示：表明负载变化引起转速变化的大小程度。表明负载变化引起转速变化的大小程度。静差率与调速范围的关系：静差率与调速范围的关系：l静差率与调速范围是互相联系的两项指标，静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统系统可能达到最低速可能达到最低速 nmin 决定于低速特性的静差率。决定于低速特性的静差率。调速范围调速范围 D 与低速静差率与低速静差率%间的关间的关系：系：)1(maxDnnN
28、(3)平滑性平滑性l调速的级数愈多则认为调速愈平滑；调速的级数愈多则认为调速愈平滑；l用平滑系数用平滑系数 ，即相邻两级转速或线速，即相邻两级转速或线速度之比来衡量：度之比来衡量：=1 时称为无级调速，此时转速连续可调。时称为无级调速，此时转速连续可调。(4)调速时的容许输出调速时的容许输出l指电动机在得到充分利用的情况下，指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上在调速过程中轴上所能输出的功率和所能输出的功率和转矩转矩；l注意！注意！电动机稳定运行时的电动机稳定运行时的实际输出的功率实际输出的功率与转矩是由负载的需要来决定的。与转矩是由负载的需要来决定的。2.调速的经济指标调速的经济指
29、标 l(1)设备投资设备投资l(2)运行费用运行费用运行费用决定于调速过程的损耗，用效率运行费用决定于调速过程的损耗，用效率 来说明来说明二二.降低电枢端电压调速降低电枢端电压调速1.电枢串联电阻调电枢串联电阻调速速电枢串联电阻调速电枢串联电阻调速调速指标：调速指标：l(1).调速范围不大；调速范围不大；l(2).调速的平滑性不高，是有级调速；调速的平滑性不高，是有级调速；l(3).调速的经济性调速的经济性由电网吸取功率由电网吸取功率：RIIEUIPaaaa21产生损耗：产生损耗：效率：效率：当当 n=0.5n0 时，时，=50%，可见，可见电枢串联电电枢串联电阻调速的效率不高，是不经济的。阻
30、调速的效率不高，是不经济的。(4).适用场合适用场合l用于串励或复励直流电动机拖动的电用于串励或复励直流电动机拖动的电车；车；l炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上。炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上。2.降低电源电压降低电源电压使用的可调直流电源有：使用的可调直流电源有：l(1)晶闸管整流装置；晶闸管整流装置；l(2)电动机电动机-发电机机组。发电机机组。容量较大时用机组作为可调直流电源，而用容量较大时用机组作为可调直流电源，而用晶闸管装置调节发电机晶闸管装置调节发电机G的励磁电流。的励磁电流。电枢由晶闸管整流供电的直流调速系统示意图电枢由晶闸管整流供电的直流调速系统示意图晶闸管励磁的发电机晶闸管励磁的发电机-电动机机组调速系统电动机机组调速系统
