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1、第四章 他励直流电动机的运行DC Motor Drives,本章教学基本要求,1.掌握他励直流电动机机械特性、起动、制动及其过渡过程的基本特性；2.了解电枢反应对过渡过程的影响；3.掌握他励直流电动机调速性能指标和直流电动机调速方法,本章重点,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。,目录,4.1 他励直流电动机的启动4.2 他励直流电动机的调速4.3 他励直流电动机的电动与制动运行4.4 直流电力拖动系统的过渡过程,4.1 他励直流电动机的起动,他励直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起
2、动过程。1.系统对起动的要求 不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间 ts小些，则起动转矩Ts大些。,目录,起动电流,Is为起动电流，也称为堵转电流(在起动瞬间n=0)。从式T=CtIa可知，当一定时，T与 Ia成正比，Is越大，Ts 也越大。但起动电流不能太大。否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。Is不能太大，一般为1.52 IN，因为 T大小是受机械强度限制，T太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。,4.1.1 电枢回路串电阻起动,电压不变
3、，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使,1）串入恒值电阻起动,在电枢回路串入固定的起动电阻R，电机拖动恒转矩负载，在额定磁场下，将刀开关K合向电源使电机起动。缺点：起动时间ts 较长，稳态转速ns低，长期串入电阻不经济。,串固定电阻起动特性,2)分级起动(逐级切除起动电阻的起动),为了在起动过程中使电枢和转矩被限制在允许的范围之内，采用分级起动。,4.1.2 降压起动,起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到 U=(1.52.0)INRa，随着转速n的上升，电势Ea也逐渐增大，Ia 相应减小，此时电压U必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持在(1.52.
4、0)IN范围内，直到电压升到额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大。,TS,TL,O,n,n0,T,图4.2 降电压启动,例题4-1 某他励直流电动机,PN=96W,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,Ra=0.078，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用串电阻启动，IS=2IN，计算所串电阻RS和TS；（2）若采用降压启动，条件同上，求电压降至多少并计算TS,(1)解,例题4-1 某他励直流电动机,PN=96W,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,Ra=0.078，拖动额定大
5、小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用串电阻启动，IS=2IN，计算所串电阻RS和TS；（2）若采用降压启动，条件同上，求电压降至多少并计算TS,(2)解,4.2 他励直流电动机调速,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。1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，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。,本章目录,2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数调节转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态
6、与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。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）,4.2.1 他励直流电动机的调速方法,1.降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率变大，负载转速降变大，导致转速下降。3.弱磁调速 减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(N),导致理想空载转速n0与特性斜率均增加。在一定负载条件下，转速将增大。,说明,注意：调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电
7、动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（1）采用串电阻调速需串入的电阻值；,(1)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（1）采用串电阻调速需串入的电阻值；,(1)解,例题4-2 某他励直流
8、电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（2）若采用降压调速需把电压降到多少；,(2)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（3）上述两种调速情况下，电动机的输入功率和输出功率（输入功率不计励磁回路的功率）,(3)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115
9、A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（3）上述两种调速情况下，电动机的输入功率和输出功率（输入功率不计励磁回路的功率）,(3)解,例题4-3 例题4-2的他励直流电动机,仍忽略空载转矩，采用弱磁升速。（1）若要求负载转矩TL=0.6TN时，转速升到n=2000r/min，此时磁通应降到额定值的多少倍？,(1)解,(2)若已知电动机的磁化特性数据如下表,(2)解,Uf=220V,Rf=110，问：在题（1）情况下，求励磁回路所串的电阻值。,(3)若不使电枢电流超过额定电流IN,在按(1)要求减弱磁通的情况
10、下,该电动机所能输出的最大转矩为多少?,(3)解,4.2.2 恒转矩调速与恒功率调速,电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流。在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。,1.恒转矩调速,调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则 T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改
11、变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=T，T=常数 P,即电动机转速越低，输出功率越小,P。,允许输出转矩和功率,2.恒功率调速,调速中，保持Ia=IN，若n，P=常数。在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如 改变电动机主磁通 的调速方法就属于恒功率调速方法。,说明,在图中，T=f（n）和 P=f（n）曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖动的负载转矩和负载功率特性来决定。实际上，电动机在调速时实际输出的功
12、率和转矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。,3.调速方式与负载类型配合问题,调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下，可较充分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。(指转矩及功率选的较小),匹配,最好的配合方式为：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。,调
13、速方式与负载类型配合恰当,(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合,(2)恒转矩负载与恒功率调速方法配合,例题4-4 某他励直流电动机,PN=17kW，UN=220V，IN=90A，nN=1500r/min，Uf=110V。该电机在额定电压额定磁通时，拖动某负载运行的速度为n=1550r/min，当负载要求向下调速，nmin=600r/min，现采用降压调速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。（1）负载为恒转矩负载（2）负载为恒功率负载,(1)解,(2)解,在低速时已过流,说明降低电源电压调速方法不适合恒功率负载,例题4-5 上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850
14、r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。（1）负载为恒转矩负载（2）负载为恒功率负载,(1)解,例题4-5 上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。（1）负载为恒转矩负载（2）负载为恒功率负载,例题4-5 上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。（1）负载为恒转矩负载（2）负载为恒功率负载,(2)解,结论：弱磁升速时，若带恒转矩负载，转速升高后电枢电流增大；若带恒功率负载，
15、电枢电流不变。因此弱磁升速，适合于拖动恒功率负载,4.2.3 调速的基本指标,1.静差率(或称相对稳定性)指同一条机械特性上额定负载时转速降落n与理想空载转速n0之比。定义为：,静差率,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。生产机械调速时，为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%静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，1=2，但静差率不同。,静差率比较,同样硬度的特性，转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要
16、求。,2.调速范围D,定义：指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制，nmin受低转速时相对稳定性的限制。,调速范围,不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20 120，龙门刨床：D=10 40,机床进给机构：D=5 200；轧钢机：D=3 120;造纸机：D=3 20 等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。,调速范围,例题4-6 某他励直流电动机,PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min
17、，Ra=0.04。求下面各种情况下电动机的调速范围。（1）静差率30%，电枢串电阻调速,(1)解,例题4-6 某他励直流电动机,PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，Ra=0.04。求下面各种情况下电动机的调速范围。（2）静差率20%，电枢串电阻调速,(2)解,例题4-6 某他励直流电动机,PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，Ra=0.04。求下面各种情况下电动机的调速范围。（3）静差率20%，降低电源电压调速,(3)解,3.平滑性,用平滑系数表示调速的平滑性，定义 即相邻两级转速之比。在一定的调速范围内，调速的级数越多
18、，认为调速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。接近1，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转速，第 i-1 级表示较低的转速，因此系数1，显然，调速的级数越多，越接近于1，调速的平滑性越好。当=1 时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。,4.经济性,在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。,返回目录,4.3 他励直流电动机制动,电动状态与制动状态1.电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、三象限。2.制动状态特点：转速n与转矩T方向相反，Ia 与Ea 方向相同，电机
19、工作在发电状态。,目录,直流电机拖动系统示意图,制动的概念,制动：指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.,实现制动方法,实现制动方法有：机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是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。,电气制动的分类,电气制动方法分：能耗制动，反接制动，再生制动。直流电机正常工作时，出现制动
20、状态情况分析如下：(1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中：在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。,制动的分类,(3)提升机构下放重物 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。(4)反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。,能耗制动,1.能耗制动实现及机械特性(1)实现方法：a.电动状态 接触器KM1闭合，KM2断开,转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反。b.能耗制动 接触器KM2闭合,KM1断开(电机原运行在A点
21、)，电枢脱离电源经电阻R将电枢短接。,（2）能耗制动分析,U=0,由于电机惯性，n0，Ea0，在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向，电动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的IA 方向相反，TB反向，与n相反,转速下降，当n=0，停车。,（3）能耗制动特性,（4）特性方程及制动电阻,特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 R。,分析,R越大，特性越斜，R越小，特性越平，但R不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：,2.能耗制动运行,3.能耗制动特点,(i)制动时
22、 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).(ii)制动时，n与T成正比,所以转速n 下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少R，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0,可实现准确停车。,4.应用,能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。,5.功率流程图,4.3.3 反接制动,1.电压反接的反接制动(1)方法：将正在运行的
23、电机电枢串入制动电阻 R，且电枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采用。,反接制动实现,（2）方程式,方程式为：,(3)机械特性曲线,特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制动状态到 n=0 告终，所以只有实线部分为反接制动特性。,(4)制动电阻R的计算,制动电阻的比较,反接制动过程比能耗制动过程电枢串入的电阻最小值几乎大一倍,4.3.4.倒拉反接制动,又称转速反向的反接制动或电动势反接制动(1)方法电枢回路串入大电阻,（2）特性,从C点至D点为电动减速状态，从D点至B点为发电状态。,D,（3）电阻计算,反接制动时的能量
24、关系,(1)电压反接制动时 说明从电源吸收电能 说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。,(2)电动势反接制动时,说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样。,反接制动功率流程图,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，倒拉反转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。,5.应用,应用：转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一般可在n n0 的条件下稳速 下降。电压反接制
25、动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，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。,4.3.5 回馈制动(再生发电制动),1.特点：nn0 则 EaU，Ia与Ea同方向，T 与 n 方向相反，电机工作在发电状态，回馈能量给电源，经济。,2.变电压过程中的回馈制动,说明,在回馈过程中，电动机向电源回送电能为了节省能量，在电动机具有可调电源拖动反抗性负载时，使整个停车过程都处于回馈制动状态，直到转速等于零。这个制动停车过程都处于回馈制动状态。直到转速等于零这个制动停车方法最节省能量，制动时间也短，过原点的最后一级特性，是电枢回路
26、电阻Ra的能耗制动状态。,3.位能负载下放重物时回馈制动,4.回馈制动时的功率流程图,5.应用,回馈制动多用于电力机车高速下坡或起重类机械高速下放重物的场合。在调速的过程中也会出现回馈制动。注意：回馈制动只有在|n|n0|时才会出现，故不能用于停车制动中。,他励直流电动机的四个象限上的运行,电动状态：特性在第一，三象限，其中第一象限是正向电动状态，第三象限是反向电动状态。制动状态：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压反接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态时进行电压反接的电压反接制动。,四象限运行分析,例题4-7 已知例题4-2中
27、的某他励直流电动机的Iamax2IN,若运行于正向电动状态时，TL=0.9TN。（1）负载为反抗性恒转矩时，采用能耗制动过程停车时，电枢回路应串入的制动电阻最小值为多少？,(1)解,例题4-7（2）负载为位能性恒转矩时，例如起重机,传动机构的转矩损耗T=0.1TN，要求电机运行在n=-200r/min匀速下放重物，采用能耗制动运行，电枢回路应串入的电阻值为多少？该电阻上的功率损耗为多少？,(2)解,例题4-7（3）负载为反抗性恒转矩时，采用反接制动过程停车时，电枢回路应串入的制动电阻最小值为多少？,(3)解,例题4-7（4）负载为位能性恒转矩时，例如起重机,传动机构的转矩损耗T=0.1TN，要
28、求电机运行在n=-1000r/min匀速下放重物，采用倒拉反转运行，电枢回路应串入的电阻值为多少？该电阻上的功率损耗为多少？,(4)解,例题4-7（5）负载为位能性恒转矩时，例如起重机,传动机构的转矩损耗T=0.1TN，采用反向回馈制动运行，电枢回路不串电阻时，电动机转速为多少？,(5)解,返回,4.4 电力拖动系统过渡过程,一 过渡过程的概述1.稳态(静态)：指电动机转矩T和负载转矩TL相等。系统静止不动或以恒速运动的状态。2.动态：指 T与TL不相等，加速或减速状态。即非平衡状态dn/dt0，动态也称过渡过程。转速由n=0升至某一转速或从某一转速升至另一转速的变化过程均称为过渡过程。,目录
29、,3.产生过渡过程的原因,外因：例：TL变化，或电机参数变化，引起T变化。内因：系统存在GD2，即机械惯性以及电磁惯性，即存在L(电感)。GD2 的存在，使n不能突变。L的存在，使电流不能突变。若只考虑GD2影响，称机械过渡过程；只考虑L的影响，称电磁过渡过程；两者都考虑称机电过渡过程。,4.过渡过程,重点：机械过渡过程，因为较多的情况下，机械惯量的影响远大于电磁惯量影响，为简化分析，略去电磁惯量影响。研究过渡过程的实际意义在于：找出减小过渡过程持续时间，提高生产率；探讨减少过渡过程损耗功率的途径，提高电机利用率和力能指标；改善系统动态或稳定运行品质，使设备能安全可靠运行。,4.4.1 过渡过
30、程数学分析,分析他励直流电动机的过渡过程，忽略电磁过渡过程，只考虑机械过渡过程，并假定如下条件1）电源电压在过渡过程中恒定不变；2）励磁磁通恒定不变；3）负载转矩为常数不变。,1.转速的变化规律,将机械特性方程和电力拖动系统运动方程联立，消除中间变量电磁转矩T，可得微分方程如下：,分离变量法解微分方程,整理后得：,积分得：,由初始条件得：,稳态值,初始值,时间常数,2.过渡过程中转矩变化规律,代入转速变化规律方程，得,3.过渡过程中电枢电流变化规律,代入转矩变化规律方程，得,4.过渡过程时间的计算,当t时，n=nB。实际上，当t=(34)Tm，nnB，工程上认为系统进入稳态，所以只要已知机电时
31、间常数Tm，就可求出整个过渡过程所需的时间。但实际生产中，往往还需要求过渡过程进行到某一阶段所需的时间，例如求A、B之间任意一点x，转速nx为已知，则过渡过程时间tx计算如下：,计算过渡过程时间tX公式,同理有：,4.4.2 起动过渡过程,起动过渡过程表达式：,4.4.3 能耗制动过渡过程,虚稳态点的概念,1 拖动反抗性恒转矩负载,2 拖动位能性恒转矩负载,BO（C）：,OD：,1.拖动反抗性恒转矩负载,4.4.4 反接制动过渡过程,BE（C）：,ED：,2.拖动位能性恒转矩负载,BE（C）：,ED：,例题4-8 已知某他励直流电动机，PN=5.6kW，UN=220V，IN=31A，nN=10
32、00r/min，Ra=0.4。如果GD2=9.8Nm2，TL=49Nm，在电动运行时进行制动停车，制动的起始电流为2IN。试就反抗性恒转矩负载与位能性恒转矩负载两种情况，求：（1）能耗制动停车时间；,(1)解,（2）反接制动停车时间；,(2)解,（3）如果当转速制动到0时，不采取其它停车措施，转速到达稳定值时整个过渡过程时间。,(3)解,反抗性恒转矩负载,能耗制动时,位能性恒转矩负载,反抗性恒转矩负载,反接耗制动时,位能性恒转矩负载,例题4-9 已知某他励直流电动机，PN=15kW，UN=220V，IN=80A，nN=1000r/min，Ra=0.2，如果GD2D=20Nm2，反抗性TL=0.8TN，运行在固有机械特性上，求：（1）停车时采用反接制动，制动转矩为2TN，求电枢串入的电阻值,(1)解,（2）当反接制动到0.3nN时，为了使电动机不致反转，换成能耗制动，制动转矩仍为2TN，求电枢需串入的电阻值,(2)解,（3）取GD2=1.25GDD2，求制动停车所用的时间,(3)解,
