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1、1,2022/11/13,第3章 直流电动机的运行与电力拖动,2,2022/11/13,本章重点,1.直流电动机机械特性和起动、制动的过渡过程特性；2.调速性能指标和调速方法。,3,2022/11/13,3.1.1直流电动机的机械特性,1、机械特性的一般表达式,3.1直流电动机的机械特性,特点：他励直流电动机的转速n随转矩T的增大而降低。表示机械特性的斜率，越大，n就越大，机械特性越软。,指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系n=f(T ),下 页,上 页,返 回,4,2022/11/13,1、理想空载转速,2、电动机实际空载转速,3、电动机带负载后的转速降,4、当电枢电流较大时，由于饱和的影响
2、，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。,下 页,上 页,返 回,5,2022/11/13,2、固有机械特性,特点：T=0时，n为理想空载转速n0 ，这时Ia=0，UN=Ea；N通常较小，固有机械特性较硬；额定转速变化率nN%通常较小，中小型他励直流电动机为10% 15，大容量电动机为38；电动机起动时，n=0，感应电势Ea=CeNn=0，这时的电枢电流为起动电流即Ia=UN/Ra=Ist；电磁转矩为起动转矩T= CTNIa=Tst= CTNIst。,U=UN，=N， R=0时的机械特性称为固有机械特性。,下 页,上 页,返 回,6,2022/11/13,3、人为
3、机械特性,特点：理想空载转速n0不变；特性斜率增大，人为机械特性的硬度降低；一簇放射性特性。,（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性,指改变电机参数，即改变U、变R、变得到机械特性。,下 页,上 页,返 回,7,2022/11/13,特点：斜率不变，与固有机械特性平行；负载转矩一定时，电压越低，转速越低。,（2）改变电枢电压时的人为机械特性,下 页,上 页,返 回,8,2022/11/13,（3）减弱磁通时的人为机械特性,下 页,上 页,返 回,特点： 1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,9,2022/11/13,4、固有机械特性的绘制,只要求出理想空载（T=0，n0）及额定运行(TN，nN
4、)两个点的数据即可。,下 页,上 页,返 回,1、理想空载点,2、额定运行点,已知,10,2022/11/13,5、人为机械特性的绘制,绘制人为机械特性时仍然选择以下两点,1、理想空载点（T=0，n0）,2、额定负载点（TN，n）,注意：此时的转速并非是额定转速,11,2022/11/13,他励直流电动机的起动要求：(1)起动过程中起动转矩Tst足够大；(2)起动电流的起始值Ist不能太大；(3)起动设备与控制装置简单、可靠、经济、操作方便。,直流电动机的起动方法：直接起动降压起动电枢回路串电阻起动,3.2直流电动机的起动,下 页,上 页,返 回,起动：直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转
5、速的过程，是一动态过程。,12,2022/11/13,1、直接起动,（1）起动电流为,（2）直接起动特点： 不需要任何起动设备，操作简便，但起动电流太大。,（3）适用场合： 通常只有功率很小的电动机采用直接起动。例如家用电器采用的某些直流电动机，相对来说Ra较大，Ist较小，再加上电机惯性小，起动快，可以采用直接起动；一般工业用他励直流电动机则不允许直接起动。,下 页,上 页,返 回,如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍,13,2022/11/13,2、降电压起动,特点： 起动性能好、升速平滑、损耗小，可实现无级调压调速，容易实现自动控制，但起动设备复杂、投资大、运行费用高。
6、,适用场合： 多用于要求频繁起动的场合和大中型直流电动机的起动。,下 页,上 页,返 回,14,2022/11/13,缺点：起动时间tst 较长，稳态转速ns低，长期串入电阻不经济。,1）串入恒值电阻起动,3、电枢回路串电阻起动,下 页,上 页,返 回,15,2022/11/13,3、电枢回路串电阻起动,下 页,上 页,返 回,三级起动为例,起动电流,切换电流,忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变,16,2022/11/13,切换电流或切换转矩,求切换转矩的原则： 既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩(
7、 T2和TL之差 )不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。综合考虑： 选I2= （1.1-1.2 ）IL，则切换转矩 T2= （1.1-1.2 ）TL 。电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=3-4，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。,下 页,上 页,返 回,17,2022/11/13,3、电枢回路串电阻起动,起动电阻的计算（1）图解法：先绘制固有机械特性，然后选取起动过程中的最大电流I1与电阻切除时的切换电流I2（或T1与T2），在图中横坐标轴上截取I1及I2（或T1及T2）两点，并分别向上作垂直线，
8、绘出分级起动的各级人为机械特性。,下 页,上 页,返 回,18,2022/11/13,（2）解析法：,b点,c点,推广到m级起动的一般情况,三级起动时，可得,下 页,上 页,返 回,19,2022/11/13,起动电流比(或起动转矩比) ( ),则可得m级起动时各级总电阻计算公式为,各分段电阻计算公式,下 页,上 页,返 回,20,2022/11/13,3、电枢回路串电阻起动,用解析法计算分级起动电阻的计算步骤：,下 页,上 页,返 回,1)起动级数m已确定：a.选择I1(或T1)的数值，I1=（1.52）INb.计算Rm的数值，Rm=U1/I1c.计算值d.校验切换电流I2的值，I2=I1/
9、，I2=（1.11.2）IN或I2=（1.21.5）ILe.计算各级电阻或各分段电阻。,2)起动级数m未确定：a.选择I1(或T1)的数值，I1=（1.52）INb.初定I2(或T2)的数值，c.计算Rm的数值，d.初定起动电流比，e.计算起动级数mf.修正切换电流I2的数值g.算出各级及各分段电阻。,21,2022/11/13,调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。,3.2直流电动机的调速,调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比来改变电动机转速的方法。特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。,2. 电气调速： 指通过改变电动机
10、有关电气参数来改变电动机转速的方法。特点是：在运行中便可以调速，可实现无级调速，易于实现电气控制自动化，但是电气系统较复杂。3.电气机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）,下 页,上 页,返 回,22,2022/11/13,下 页,上 页,返 回,调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,注意,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。,23,2022/11/13,3.3.1调速指标：,1.调速的技术指标,(1)调速范围,(2)静差率,说明,2、生产机械调速时，为
11、保持一定的稳定程度，要求静差率%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床30%; 起重类机械 50%; ；精密机床 1%;精度高的造纸机0.1%,1、静差率%与机械特性硬度的区别。,下 页,上 页,返 回,24,2022/11/13,调速范围D与静差率的关系,下 页,上 页,返 回,25,2022/11/13,相互联系、相互依存的；相互制约、相互限制的。,1、当调速方法相同时，数值越大，调速范围越广。,下 页,上 页,返 回,2、D与%相互制约：越小,D越小,相对稳定性越好; 3、在保证一定的指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬度。,26,2022/
12、11/13,(3)平滑性,时称无级调速，此时调速的平滑性最好。,值越接近于1，则平滑性越好。,下 页,上 页,返 回,27,2022/11/13,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,2、调速的经济性,下 页,上 页,返 回,3、调速时电动机的容许输出,指在电动机允许工作的情况下，在调速过程中所能输出的功率与转矩。,1、恒转矩调速方式,忽略空载转矩，电动机允许输出的最大转矩是恒定的。,2、恒功率调速方式,电动机允许输出的最大功率是恒定的,28,2022/11/13,3.3.2电枢回路串电阻调速,保持电源电压U=UN，励磁磁通=N不变，调节电枢回路串入的电阻R即可调节转速。,机械特性方程
13、式为,未串电阻时的工作点,串电阻R1后,工作点由ABC,下 页,上 页,返 回,29,2022/11/13,适用范围： 适用于容量不大，低速运行时间不长，对于调速性能要求不高的设备，例如用于电车和中小型起重机械等，现在已不多见。,电枢回路串电阻调速的特点：1）属于恒转矩调速方式。2）控制设备简单，操作方便。3）低速时，RaR增大，机械特性变软，转速降nN增大，静差率变大，相对稳定性变差。4）调速范围较小，一般情况D=2.52。5）由于电阻分级切除，只能实现有级调速，调速的平滑性差。6）由于串接的电阻要消耗电功率，所以经济性差。且转速越低，电阻越大，损耗越大。,下 页,上 页,返 回,30,20
14、22/11/13,3.3.3改变电源电压调速,保持励磁磁通=N不变，电枢回路串接电阻R=0，降低电源电压来调节转速。,机械特性方程式为,下 页,上 页,返 回,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,31,2022/11/13,适用范围：适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。,降低电源电压调速特点：1）属于恒转矩调速方式。2）调速前后机械特性硬度不变，因此相对稳定性较好。3）调压电源可连续平滑调节，可实现无级调速。4）调速范围较宽。一般D=8-10。5）调速过程中能量损耗较小，且转速下调时还可再生制动，因此调速经济性较好。6）需要专门的可控直流电源，投资较大。目前主要使用
15、晶闸管可控整流装置作为可控直流电源。,下 页,上 页,返 回,32,2022/11/13,3.3.4改变励磁磁通调速,保持电源电压U=UN不变，电枢回路串接电阻R=0，减弱磁通（励磁回路串入可调电阻或降低励磁电压）来调节转速。,机械特性方程式为,下 页,上 页,返 回,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,33,2022/11/13,改变励磁磁通调速特点：1）属于恒功率调速方式。2）调速范围窄，一般为D=2。3）由于励磁电流IfIa，因而控制方便，能量损耗小。4）可连续调节励磁电流，易做到无级调速，平滑性好。5）控制设备简单，初投资少，维护方便，经济性能好。,适用范围： 用
16、于需要向上调速的恒功率调速系统，通常与向下调速方法如降压调速配合使用，来获得宽范围的、高效的、平滑而又经济的调速。 常用于重型机床，例如龙门刨床、大型立车等。,下 页,上 页,返 回,注意：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路，避免飞车。,34,2022/11/13,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。,4. 调速方式与负载类型的配合,1、恒转矩调速方式,忽略空载转矩，电动机允许输出的最大转矩是恒定的。,例：电枢回路串电阻、降压调速,2、恒功率调速方式,电动机允许输出的最大功率是恒定的,例：弱磁调速,下 页,上 页,返 回,3
17、5,2022/11/13,恒转矩负载、恒转矩调速,恒功率负载、恒功率调速,下 页,上 页,返 回,36,2022/11/13,最佳配合：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。,这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用,例题3-3,恒功率负载、恒功率调速,37,2022/11/13,3.4直流电动机的制动,下 页,上 页,返 回,制动作用： （1）使系统迅速减速*制动过程* （2）限制位能性负载的下降速度*制动运行*,1）电动运行状态电动机转矩的方
18、向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2） 制动运行状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,38,2022/11/13,下 页,上 页,返 回,机械制动：即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。 特点是损耗大，多用于停车制动电磁制动：使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。 能耗制动 反接制动 回馈制动,39,2022/11/13,3.4.1能耗制动,40,2022/11/13,1、能耗制动,机械特性方程式,下 页,上 页,返 回,电动机状态工作点,制动过程工作段,1、电
19、动机拖动反抗性负载,2、电动机带位能性负载,稳定工作点,41,2022/11/13,电阻 的选取,如果按最大制动电流不超 过来选择,则,如果位能性负载，要求下放重物的速度为nC,则,下 页,上 页,返 回,42,2022/11/13,下 页,上 页,返 回,能量关系,能耗制动,43,2022/11/13,(1) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+R)。(2) 低速时制动效果差， 为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩T ，此即多级能耗制动(3) 实现能耗制动
20、的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现准确停车。,特点：,适用于一般生产机械或要求准确停车的场合以及位能性负载的低速下放等。,例题3-4,44,2022/11/13,3.4.2、 反接制动,他励直流电动机的电枢电压U和电枢电势Ea中任一个量在外部条件作用下改变方向，即两者由原来方向相反变为一致时，电动机即进入反接制动状态。 电枢反接电压反向 (用于反抗性负载)转速反向电势反接（用于位能负载）,45,2022/11/13,3.4.2、 反接制动,此时：,机械特性为：,下 页,上 页,返 回,1、电压反接制动,46,2022/11/13,2、反接制动,下 页,上 页,返 回,F,E,1、电动
21、机拖动反抗性负载,2、电动机带位能性负载,稳定工作点,制动电阻的计算,BC段,串电阻R，使瞬间最大电枢电流不超过2IN,47,2022/11/13,（2）电动势反接制动（倒拉反转制动）,下 页,上 页,返 回,实现对重物的稳速下放，转速反接制动电路图 提升重物时，触点K闭合，电动机处于正向电动运行状态（n、T均为正值）。下放重物时，断开触点K，在电枢回路中串入较大的电阻R。,48,2022/11/13,适用于位能性负载的低速下放等。,工作点由A点跳至B点机械特性方程式为 n0C段为正向电动特性，CD段为转速反向的反接制动特性。,49,2022/11/13,反接制动能量关系,下 页,上 页,返
22、回,功率流程图,1、电压反接制动2、电动势反接制动,50,2022/11/13,两种反接制动的异同点,共同点：能量关系相同。不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好，电动势反接制动特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。,应用：1、电压反接制动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，当制动到n = 0 时，应迅速切断电源，否则有反向起动的可能性。2、电动势反接制动，可应用于位能负载，一般可在n n0 的条件下稳速下降。,例题3-5,51,2022/11/13,3、 回馈制动,（1）降压调速时的回馈制动过程：,下 页,上 页,返 回,电动状态下运行的电
23、动机，在某种条件下会出现 情况，此时 ， 反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。,降压过快或降压幅度太大，使感应电势来不及变化而产生EaU，发生回馈制动过程。稳定运行在A点，电压降到U1后，由于转速不能突变，工作点从A点跳到第二象限的B点。,52,2022/11/13,（2）反接制动时的回馈制动过程：,下 页,上 页,返 回,nn0, Ea U ,53,2022/11/13,回馈制动时的功率流程图,上 页,返 回,54,2022/11/13,回馈制动特点,回馈制动运行时，电动机不从电源吸收功率，还有能将系统减少的位能或动能变为电能回馈给电网。与能耗制动和反接制动相比，能量损耗最少，经济性最好。 转速高于理想空载转速n0。,例题3-6,
