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1、直流电机的电力拖动,以电动机为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，称为电力拖动。,皮带、齿轮等,2-1 电力拖动的运动方程式,另外，还有单机多轴系统（抽油机）和多机多轴系统（轧钢机）,单机单轴系统：单台电动机直接与生产机械同轴联接，简称为单轴系统。,单轴系统的运动方程式：,说明：1.在电力拖动系统中，通常称Tz为生产机械的总负载转矩，即：Tz=T2+T0,T2为生产机械的转矩，T0为电动机本身的空载转矩。,正方向的规定：首先规定电动状态下n的方向为系统旋转的正方向，电磁转矩T的实际方向与n相同则为正，相反则为负；负载转矩Tz的实际方向与n相同则为负，相反则为正。,2.J为整个系统的转动惯
2、量，包括电动机、传动机构和生产机械。工程上，通常用飞轮矩GD2来表征转动物体的惯性作用，GD2和J的关系为:,GD2为电动机转子、传动机构和生产机械转动部分的飞轮矩之和，单位为Nm2，一般可以查到。是一个完整的符号，不是G和D2的乘积，g为重力加速度，9.8m/s2。,T=Tz时，n=常数。是使系统稳定的先决条件。TTz时，n升高，系统加速。TTz时，n降低，系统减速。,3.转矩单位为Nm，转速单位为是r/min，时间为s，飞轮矩为Nm2，如果从产品目录上查出飞轮矩以kgm2为单位，则必须乘以9.8m/s2。,在大多数的电力拖动系统中，控制转速是我们的目标，抽油机、风扇、空调、洗衣机、电动车等
3、等。根据运动方程，系统的转速n与T和Tz有关，要控制n必须要知道Tz与n、T与n之间的关系。即要知道负载的转矩特性n=f(Tz)和n=f(T)电动机的机械特性。即本章第二节和第三节的内容。,2-2 生产机械的负载转矩特性,根据n与Tz的关系，可以分为三种类型的负载特性：恒转矩负载、恒功率负载、风机泵类负载,一、恒转矩负载,转速变化时，负载转矩的大小保持不变，称为恒转矩负载，可分为两类：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。,该负载的大小与转速无关，方向始终与转向相反，属于这类负载的生产机械有机床的平移机构等。,1.反抗性恒转矩负载,生产机械工作机构中具有位能部件，其转矩具有固定方向，不随转向的改
4、变而改变，如起重机系统。,2.位能性恒转矩负载,为简单起见，在今后的分析中，除非特别说明，位能性负载都采用理想特性。,恒功率负载是指负载的功率为常数，不随转速变化。,二.恒功率负载特性,恒功率负载的转矩与转速成反比。,对于通风机、水泵及油泵等生产机械，其负载是介质对机器叶片的阻力产生的阻转矩，基本上与转速的平方成正比，即：,三.通风机负载特性,实际生产机的负载特生，往往是上述几种典型特性的组合。例如，考虑空载转矩，实际鼓风机的负载特性如图中的虚线所示。,2-3 他励直流电动机的机械特性,电磁转矩：,感应电动势：,电枢回路电势平衡式：,电动机转速特性：,机械特性一般表达式：,一、直流电动机机械特
5、性的一般形式,电动机的机械特性与端电压U、主磁通及电枢回路外接电阻R有关，励磁方式不同时，主磁通与电磁转矩的关系是不同的，机械特性也不同。但上式是通用的。,二、他励直流电动机的固有机械特性,n0理想空载转速,N固有机械特性的斜率,额定负载时的转速降为：,n,0,T,n0,TN,nN,由于电枢回路电阻Ra很小，固有机械特性是一条的斜率很小的直线，可通过直线上的两个点来确定。通常取理想空载点和额定点来确定固有机械特性。,额定负载时的转速降落很小，他励直流电动机的固有机械特性较“硬”。,例2-2 某他励直流电动机数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=750r/min，试计算
6、其固有机械特性。,要求：,已知：UN，IN，PN，nN,须先求出：CeN或CMN，Ra,Ra可由估算公式估算出，然后利用电动势平衡方程式可求出CeN,三、他励直流电动机的人为机械特性,1、电枢回路串入电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻，所得的nf（T）关系。,对于给定的，为常数。,2、改变端电压时的人为机械特性,保持 N 不变而且电枢回路中串入电阻为零，改变电动机的端电压U所得的nf（T）关系。,电动机受耐压限制而不能在过电压状态下运行，所以一般只能使UUN,改变端电压人为特性的特点：（1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越
7、低。,（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。,3、减弱磁通时的人为机械特性,保持U=UN不变而且电枢回路中串入电阻为零，改变电动机的励磁电流If，使IfIfN，所得的nf（T）关系。,如何改变励磁电流？,改变励磁回路的调节电阻（小容量电机）；改变励磁电压（大容量电机）,为何励磁电流只能在额定值以下调？,往上调没有效果，因为磁路已饱和。,弱磁,N N,减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。,（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。,四、电力拖动系统的稳定运行条件,1.电力拖动系统的平衡
8、状态,电动机机械特性与负载转矩特性交点处，电磁转矩与总的负载转矩相等，转速不变，电枢电流不变，称该系统处于平衡状态。,2.电力拖动系统的稳定平衡状态,系统原来处于平衡状态，如果由于某种原因（电压的波动、负载的变化或电动机参数的正常调节），使系统离开了原来的平衡状态，但能够在新的条件下自动地达到新的平衡；或者在外界扰动消失后能够恢复到原来的平衡状态，则称该拖动系统原来的运行状态是稳定平衡状态。,如不能达到新的平衡或在外界扰动消失后不能够恢复到原来的平衡状态，则称该拖动系统原来的状态不是稳定平衡状态。,他励直流电动机带恒转矩负载端电压突然下降，然后又恢复到原来电压的动态过程。,到达B点是什么意思？
9、,TBTz，系统转速下降，最后到达C点（新的平衡点）,在C点，当电机端电压恢复时，到达D点，转矩为TD，TDTz，系统转速上升，最后到达A点，外界扰动消失后又恢复到原来的平衡状态。,电动机运行于红线上，此时转速不变，对应的转矩为TB,A点到B点，TBTz，转速上升？下降？,上升，无休止地上升不能平衡。,假设到达D点，外部扰动消失，能否再返回到A点？,原来的平衡状态A不是稳定的平衡状态,分析电力拖动系统的动态过程方法总结：电磁量变化的时间常数非常小，认为在瞬间完成。而在此时转速没来得及改变，但电动机的机械特性发生改变，即此时电磁转矩改变，负载的转矩特性不变，新的电磁转矩与负载转矩不相等，于是就有
10、了转矩差，有了转速变化率，转速开始变化。可以根据转速变化的方向，确定系统是否能达到新的平衡。,判断稳定平衡点的方法：1.利用公式；2.n法。,有一个扰动，使系统的转速有一个微小的变化n，系统能否恢复到原来的平衡状态，如能，则为稳定平衡状态，不能，则不是稳定平衡状态。,练习：课后习题,本节要点,他励直流电机的固有机械特性他励直流电机的三种人为机械特性及各自特点稳定运行条件及判断方法，电力拖动系统动态过程分析方法。,2-4 他励直流电动机的起动,一、直接起动存在的问题,将一台电动机接上电源，使之从静止状态开始旋转直至稳定运行，这个过程称为起动过程。如果起动时U=UN，R=0，称为直接起动。其起动初
11、瞬，电枢电流为：,电枢电阻较小，起动时电枢电流很大，可达到1020IN,直接起动存在的问题：,1.换向恶化，出现强烈的火花或环火，烧坏换向器，电枢绕组产生很大的电磁力而损坏绕组,2.如保持主磁通为额定值，此时的电磁转矩T也将达到额定值的1020倍，从而损坏传动机构。,3.过大的起动电流会引起电网的供电波动，影响同一电网上其他设备的运行。,总之，直接起动“害己、害人”，不能去做。,我们期望的起动过程是：起动快而又没有电流和转矩冲击。,起动时应限制起动电流，使之不超过1.52IN，且要使If=IfN，即满励磁起动。为何要满励磁起动？,起动时，我们期望的是转矩在允许的限度内最大，这样才能使转速尽快升
12、起来。所在要满励磁起动。,如何来限制起动电流？,降压起动或电枢回路串电阻起动,二、他励直流电动机的起动方法,优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小,1.降压起动起动时降低端电压U，使 且，在不大的起动电流下使系统顺利起动，随着转速升高，反电动势 增大，电枢电流开始下降，这时逐渐升高端电压，直到U=UN，则起动完毕。,2.电枢回路串电阻起动将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。,R1+R2+R3,R1+R2,R1,N,课堂练习：习题2-9、11,本节要点,理解他励直流电动机起动存在的问题掌握他励直流电动机起动的方法,2-5 他励直流电动机的制动,直流电动机的两种运行状态：,（1
13、）电动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同。,（2）制动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反。,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，要求制动运行。,分析运行状态，关键有两点：T与n的关系，能量流动关系,直流电动机的制动方法,一、能耗制动的方法和原理,参数特点：N，U0，电枢回路总电阻RRaRz,实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。,能耗制动时的机械特性,机械特性的一般表达式,思考：哪一条线串的电阻大？哪一条线电机停车更快,位能性负载稳速下放,mg,mg,n,T,mg,n,T,如果要放慢下放速度，该减少还是增加
14、串入电阻？最小的下放速度是多少？,下放转度：,不计传动机械的损耗，则下放时稳态电枢电流与提升时相同,能耗制动的特点,能耗制动的特点：,例25（不计空载损耗）,他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A，nN=1500r/min，Ra=0.8且=N，试求：,（1）当n=1000r/min时系统转入能耗制动，要求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大电阻？,分析：已知电流和电枢电阻，如能求出Ea，即可求出Rz,如何求出Ea?转速有了，如有CeN，则可求。,关键在于CeN，根据已知条件，有：,使Tz=0.8TN的位能性负载以最低的速度稳速下放，则应串入制动电阻大小为？最低的转速为？
15、,最低下放转速对应最小电阻，最小的电阻即Ra。,此时电枢电流可求，整个回路的感应电动势可求，转速可求。,或者直接利用机械特性来求。,二、反接制动的方法和原理,能耗制动为何停机慢？,随着转速降低，感应电动势减小，电枢电流也减少，所以产生制动转矩也减少。,如何实现快速停机？,使其低速下仍然有较大的反向的电枢电流产生制动转矩，所以需要在电枢回路中再串入反向电压。这就是电压反向的反接制动。,C,对于相同的起始制动电流值，电压反向的反接制动所需的制动电阻约为能耗制动的2倍,在转速接近于零时，仍然有较大的电磁转矩。制动效果比能耗制动好，可用于快速停机。,能量流动关系：U与Ia同向，电源输出电能，Ea与Ia
16、同向，电机向外输出电能，即动能转换为电能，这些电能消耗在电枢电阻和制动电阻上。,如果仅要求制动停机，应在转速降到零时立刻切断电源，否则系统有可能反向起动。,对于反抗性负载，会稳定运行于D点，此时电机处于反向电动状态，T与n都小于零，但方向相同,对于位能性负载，会进入第四象限，T0，n0且大于理想空载转速，电机处于发电状态，此时电源输出还是吸收电能？能量流动情况？,电压反向的反接制动的特点,（1）可以很快使机组停机。（2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流；（3）如需停机，则转速至零时，需切断电源。（4）转速与理想空载转速方向相反（5）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,2.电动势
17、反向的反接制动,在机械特性的第四象限，系统处于电动势反向的反接制动状态电机运行于发电状态，电源处于何种状态？此时能量流动关系？,因为电枢电流仍为正（为什么？），电枢端电压为正，故电源仍然输出电功率。电机发的电和电源输出的电功率均消耗在电枢电阻和制动电阻上。,转速与理想空载转速相反。,最低的下放转速为多少？,接近于零。可以以极低的稳定下放速度下放重物。,反接制动的特点,（1）转速与理想空载转速方向相反（2）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,更是能耗型制动方式，如何改进？,例2-6 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A，nN=1500r/min，Ra=0.8，
18、且=N，,（1）当n=1000r/min时将电枢反接，使系统快速制动停机，要求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大电阻？,（2）保持额定励磁不变，使Tz=0.8TN的位能性负载以20r/min的速度稳速下放，应采用什么制动方式？串入多大的制动电阻？,关键仍然是,首先，排除电压反向的反接制动（为什么？），然后根据例2-5，排除能耗制动，只能采用电动势反向的反接制动，实质上就是在电枢回路串一大电阻，使其机械特性很软，与负载特性曲线交于第四象限。,有了转速，就有了感应电动势，注意此时为负，有了电枢电流和电枢端电压，可求出串入的电阻阻值。注意各量的符号。,三、回馈制动,电压反向的回馈制动，电压不
19、反向的回馈制动。,（1）电机的转速方向与其理想空载转速方向一致，且绝对值大。,（2）能量流动关系：电机运行于发电状态，发出的电功率一部分消耗在电枢回路电阻上，一部分回馈给电源，所以称为回馈制动。,电车下坡,转速高于理想空载转速，且与其方向相同。电磁转矩为负，而转速为正，电机运行于发电状态，电源吸收电能（能否从等效电路解释？）。,降低端电压的降速过程,转速与理想空载转速方向一致，而且高于理想空载转速。电机发电，电源吸收电功率。,降压降速或停机的过程可以节能。如果快速调节电压，使电机始终运行于最大允许转矩下，可加快停机速度。,电机在在主磁通不变情况下，不同条件下三条机械特性曲线，哪一条电枢回路总电
20、阻最大？为什么？,相同。根据机械特性的一般表达式,各段各运行于什么状态？能量流动是什么情况？,小结：制动只是电机运行的一种状态。无论哪种制动，电机都运行于发电状态。能耗制动和反接制动实际上都是能耗制动。前者不接外电源，后者外电源也输出电功率。而回馈制动则是外电源吸收电功率。从转速的角度来看：能耗制动的理想空载转速为零，反接制动的实际转速与理想空载转速方向相反，回馈制动则方向相同，但实际转速绝对值大于理想空载转速，正向和反向电动则转速方向与理想空载转速相同，但绝对值小。,2-6 他励直流电动机的调速,一、调速方法,电枢回路串电阻调速、降低端电压调速、减弱主磁通调速,1.电枢回路串电阻调速,（1）
21、空载或轻载时，调速效果不明显；（2）低速时，机械特性软，负载变化时，转速波动大（3）电阻只能分段调节，有级调速，速度调节不平滑（4）能耗大，效率低。,2.降低电枢端电压调速,（1）无论空载或满载，都有明显的调速效果；（2）机械特性硬度不变，低速时由负载变化引起的转速波动不大；（3）可实现速度平滑调节，实现无级调速；（4）调节过程能耗小，效率高。,3.减弱主磁通调速,（1）控制励磁回路，控制方便，能量损耗小（2）可实现速度平滑调节，实现无级调速；（3）通常与调压调速配合来扩大调速范围。,If,UN,Ea,Ia,n,例2-8 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A，nN=1500
22、r/min，Ra=0.8，电枢反应去磁不计，不计空载损耗。试求：,（1）保持U=UN且If=IfN不变，使Tz=0.8TN恒转矩负载转速降为1000r/min，应在电枢回路串入的电阻是多少？,不计电枢反应，励磁电流等于额定励磁电流，则=N；不计空载损耗，则平衡时，T=Tz=0.8TN，此时电枢电流为0.8IN如求出Ea，则电阻可求，如何求Ea？先求CeN。,U,（2）设该机带通风机负载Tz=kn2，原来运行于额定状态，现通过降压调速使转速降为1300r/min，则端电压U为多少？稳定后电流为多少？,U,要求电压，转速已知，Ea已知，如求出电枢电流，即可求出端电压U。如何求电枢电流？利用转矩平衡
23、方程式，知负载转矩可求电枢电流。,（3）系统带反抗性恒转矩负载Tz=TN，额定运行时突然励磁回路断线，已知断线后的剩磁为0.04N，则断线后系统将加速还是减速？稳定后的电流与转速各是多少？,断线瞬间，转速来不及变，但主磁通已变为剩磁。电路已处于平衡状态，所以可以用电动势平衡方程式求解。可得电枢电流。,由电枢电流，可求出此时电磁转矩，根据电磁转矩和负载转矩的大小关系，判断系统加速还是减速。,系统将减速，速度减小，电流将增大，电磁转矩增大，即使速度为0，电磁转矩仍小于负载转矩，此时系统最终将停转。如带位能性恒转矩负载，将反转，电枢电流增大，直到转矩平。,二、调速指标1、调速范围（D）：指电动机在额
24、定负载下调速时所能达到的最高与最低转速之比2、静差度（相对稳定性）：指电动机在某一条机械特性上运行时，额定负载时的转速降与其理想空载转速之比。与D是相互联系又相互制约的。3、调速的平滑性：用相邻两级转速之比来表示。当1.06时，认为是无级调速。4、调速的经济性 包含两个方面，一是调速设备投资及运行费用，另一个是电机能否得到充分利用。,2-8 串励和复励直流电动机,一、串励直流电动机的机械特性,磁路不饱和时,1、串励电动机固有机械特性,特点：(1)磁路不饱和时，为非线性的软特性。(2)空载时，转速可达到56倍的nN所以，串励电机不允许空载运行。(3)电磁转矩与电枢电流的平方成正比，起动和过载能力
25、强。,只是说额定电压时不允许空载或轻载运行，当电压较小时，也可以轻载。,特点：a)相当于他励直流电动机；b)此时负载很大，转速下降减少，特性变硬，特性近似直线。,磁路饱和时情况：,2、串励电动机人为机械特性,（1）电枢回路串电阻，磁路不饱和时,3,（2）降低端电压的人为特性,磁路不饱和时,当电压较小的时候，可否空载运行？,b)电枢绕组并联分流电阻：相当于增加了，增磁作用，曲线5。可进入第二象限。,（3）调节励磁电流,a)串励绕组并联分流电阻：相当于减小了，弱磁作用，对应曲线4,二、串励直流电动机的电力拖动,1.起动：（1）电枢回路串电阻分级起动；（2）降压起动,2.反转：只将电枢两端调换方向,
26、3.调速：（1）电枢回路串电阻，使nnN。,4.制动,串励电动机的理想空载转速趋于无穷大，实际转速不可能超过它，不可能实现回馈制动,a、反接制动（1）电势反向的反接制动：对于位能负载，在电枢串足够大电阻，可实现电势反向的反接制动，将重物匀低速下放；,（2）电压反向的反接制动：对于反抗性负载，将电枢电压反接的同时再在回路串电阻，可实现电压反接制动，使之快速停机。,停机后必须快速切断电源否则系统可能反向起动。,b、能耗制动,可以分为自励能耗制动与他励能耗制动两种。,自励能耗制动的接线特点：切断外接直流电源，接入制动电阻形成回路；励磁绕组反接。（为什么？）,此时电枢电流方向与原来方向相反，要形成制动
27、转矩，必须保证磁通方向与原来相同，只有将励磁绕组反接才能做到。,自励能耗制动,自励能耗制动后期，转速下降，Ea下降，Ia下降，电磁转矩与Ia的平方成正比，下降得更多，制动效果差。但接线简单，可用于断电事故时安全制动。,为了加快可靠停车，通常采用他励能耗制动，电路特点：将电机从电路中断开，用一个励磁限流电阻Rf取代；电机通过制动电阻Rz形成回路。,他励能耗制动,EO段用于能耗制动停车，OF段可用于能耗制动使重物下放。,本章小结,系统运动方程式，正方向的规定负载的转矩特性他励直流电动机的机械特性，要求记住一般形式。稳定平衡点的条件及判断方法，分析系统由动态过程的方法。起动（中型以上电机不能直接起动）制动（重点掌握能量流动关系及判断是何种制动方式）调速（哪三种调速方式，各有何优缺点）,大作业,
