1、4.1 他励直流电动机的起动 4.2 他励直流电动机调速 4.3 他励直流电动机的电动与制动运行,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。,一、起动基本情况,起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。,起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为,为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。,起动时由于转速 ，电枢电动
2、势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。,起动过程,一、电枢回路串电阻起动,三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为,二、 降压起动,当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。,起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。,降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起
3、动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,4.2 他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。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。,电气调速方法： 1.调压调速； 2.电枢串电阻调速； 3.调磁调速。,他励直流电动机的转速为,三种调速方法实质上都是改变了电动机的机械特性，使之与负载机械特性的交点（工作点）改变，达到调速的目
4、的。,一、调速方法,（一）电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻R1后,工作点由AAB,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。,调节电阻R增大时，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的交点也会改变，达到调速目的。,基速电机运行于固有机械特性上的转速,调速方向指调速的结果，与基速比较而言。从基速向下调。,电磁转矩： T=CT N Ia 稳定运行：T=TL 电枢电流：Ia =IN=TL/CT N 与电动机转速n无关。,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,2）低速时特性曲线斜率大, 所以转速的相对稳定性差；,3）轻载时调速范围小,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速
5、前、后因增通不变而使T和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,（二）、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，,4）电能损耗较小。,缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,（三）、减弱磁通调速,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工
6、作点AA,弱磁稳定后的工作点,（三）、改变励磁电流调速（调节励磁电阻弱磁调速）,调速方向从基速向上调。,若TL=常数时 Ia=IN,弱磁稳定后的工作点,（三）、减弱磁通调速,结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。 弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱
7、磁调速，在额定转速以下采用降压调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,最充分使用电动机就是让它工作在Ia=IN情况下。 电枢电流Ia的大小取决于所拖动的负载。,恒转矩调速方式在某种调速方法中，保持电枢 电流Ia=IN不变，若该电动机电磁转矩恒定不变， 则称这种调速方式为恒转矩调速方式。,当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对应的电磁转矩为额定值，则称为恒转矩调速,电枢串电阻调速和降压调速,磁通保持不变，在不同转速下保持电流不变,二、恒转矩调速和恒功率调速,减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，若该电动机电磁功率PM
8、恒定不变，即电机得到充分利用,称为恒功率调速,恒转矩调速方式与恒转矩负载相配合匹配,恒功率调速方式与恒功率负载相配合匹配,例题,1、 他励直流电动机，额定功率PN=22kW，额定电压UN=220V,额定电流IN=115A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.1欧，忽略空载转矩，电动机带额定负载运行时，要求把转速降到1000r/min，计算：（1）采用电枢串联电阻调速，需串入多大电阻？（2）采用降低电源电压调速，需把电源电压降道多少？（3）两种情况下，电动机的输入功率和输出功率是多少？,解：（1）由Ea=UN-INRa ，Ea=CeNnN,空载转速,额定转速降,电枢串电阻后
9、的转速降,因为,而,所以,（2）因为,2、上题中，采用弱磁升速。 （1）要求负载转矩TL=0.6TN时,转速升到n=2000r/min， 此时的磁通应降到额定值的多少？ （2）励磁绕组额定电压Uf=220V,Rf=110欧,求串入励 磁回路的电阻应为多少？ （3）若电枢电流不超过IN，在（1）下磁通不变，求 电动机能输出的最大转矩是多少？,4.3 他励直流电动机的电动与制动运行,一、电动运行二、能耗制动三、反接制动四、回馈制动,4.3 他励直流电动机的电动与制动运行,制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转
10、，这就是电动机的制动问题。 实现制动有两种方法：机械制动和电磁制动。 电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。 直流电机的电磁制动类型：能耗制动、反接制动、回馈制动,由前所述，电动机的机械特性和工作点会分布在四个象限内，本节将具体分析他励直流电动机在各个象限内不同的运行状态。,4.3 他励直流电动机的电动与制动运行,4.3.1 他励直流电动机的电动运行,电动,一、 他励直流电动机的正向电动运行,二、 他励直流电动机的反向电动运行,座标图中有、 个象限。其中，第、象限分别为正向、反向电动工作状态，属于电动机运行，电磁转矩 T 与转速 n 同
11、方向。,而第、象限的电磁转矩与转速反方向，故均属制动工作状态。,4.3.2 他励直流电动机的制动,实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。机械制动就是给一个人为地机械阻力；例如，自行车下坡时使用手动抱闸；,电磁制动是使电机本身在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩，,其特点是：制动转矩大，操作控制方便，直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动 和回馈制动。,机械制动，结构简单；电磁制动，操作控制方便，制动转矩大。,当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。,一、 能耗制动,在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。,需
12、要制动时,将开关S投向制动电阻 上即可。,由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。,能耗制动时的机械特性为：,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,闸刀合向电源时，电动机处于正向电动机运行状态。 制动时将闸刀合向制动电阻。转子由于惯性继续旋转，感应电势Ea方向不变，电流方向改变了，电磁转矩T=CtIa方向也随之改变成为制动转矩，使转速迅速下降。,能耗制动时的机械特性为：,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动
13、机拖动反抗性负载，电机停转。,电机处于发电状态，转子动能转化为电能消耗在制动电阻上。所以称为能耗制动。 制动电阻越小，制动开始时产生的制动转矩就越大。 高速时能耗制动作用较大，低速时应配合机械制动装置使系统停掉。,但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,若电动机带位能性负载,稳定工作点,电机：他励；负载：位能性恒转矩负载 采用能耗制动时，工作点从ABO,BO是能耗制动过程，到了O点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达C后才稳定运行。在C点，电磁转矩为正
14、，与转速方向相反是制动转矩。在C点的运行方式称为能耗制动运行。,能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。,二、 反接制动,电压反接制动时接线如图所示。,（一）电压反接制动,开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，,转子由于惯性继续旋转，感应电势Ea方向不变，电流方向改变了，电磁转矩T=CtIa方向也随之改变成为制动转矩，使转速迅速下降。电枢回路内产生反向电流：,制动过
15、程：ABC,机械特性为：,制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正。,反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电压反接制动。,所串电阻最小值为, 表明电机从电源吸收电功率, 表明电机从轴上吸收机械功率;, 表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。,注意：,电动机拖到反抗性负载时，若停车应及时切断电源，否则当 时会反向启动,制动电阻最小值：,制动过程：ABC,T 0，n0,他励直流电动机反接制动过程中的功率关系,注意事项：,（1）反接制动转矩大制动作用较强； （2）制动转矩大是由于电枢电流大，故制动过程中会使电机发热，故不适合频繁制动的场合。,（二）倒拉反转反接制动,倒拉反
16、转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。,电枢回路串入较大电阻 后特性曲线,正向电动状态提升重物(A点),负载作用下电机反向旋转(下放重物),电机以稳定的转速下放重物C点,倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有,倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。,倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。,发生在动态过程中的回馈制动过程的情况,降压调速时产生的回馈制动,三、 回馈制动,1、正向回馈制动运行,由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,当
17、电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限,从能量方向看，电机处于发电状态,他励直流电动机拖动小车时,电压反接制动带位能性负载进入第四象限,电压反接制动带位能性负载进入第四象限；,2、反向回馈制动运行,n,反向回馈制动常用于高速 下放重物时限制电机转速。,反接电源电压并给电枢支路串入限 流电阻。工作点将会稳定在第IV象限。,在C点，电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于反向回馈制动。,他励直流电动机四象相运行的机械特性,正向电动运行,正向回馈制动,反向电动运行,能耗制动过程,能耗制动运行,倒拉反转运行,反向回馈制动运行,反接制动过程,例题,一台他励直流电动机的数据
18、如下：PN=29kW, UN=440V, IN=76.2A, Ra=0.393W， nN=1050rpm 电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，Ia=60A，求电动机反向下放转速； 电动机带动位能负载，作反接制动下放，Ia=-60A，转速n=-600rpm，串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率； 电动机带动反作用负载，从500rpm进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,他励直流电动机的制动,他励直流电动机的制动,例题,解：,1）,电动机反向下放转速,2）电枢电路总电阻,3.他励直流电动机的制
19、动 3.1 能耗制动 3.2 反接制动 3.3 回馈制动 4.他励直流电动机的调速 4.1 调速指标 4.2 降低电枢端电压调速 4.3 弱磁调速 4.4 调速时的功率与转矩,一台他励直流电动机的数据如下：PN=29kW, UN=440V, IN=76.2A, Ra=0.393W， nN=1050rpm 电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，Ia=60A，求电动机反向下放转速； 电动机带动位能负载，作反接制动下放，Ia=-60A，转速n=-600rpm，串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率； 电动机带动反作用负载，从500rpm进行
20、能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,3、他励直流电动机的制动,例题,解：,电枢回路串接电阻,电枢电路电阻上消耗的功率,电网输入功率,轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）,3.他励直流电动机的制动 3.1 能耗制动 3.2 反接制动 3.3 回馈制动 4.他励直流电动机的调速 4.1 调速指标 4.2 降低电枢端电压调速 4.3 弱磁调速 4.4 调速时的功率与转矩,一台他励直流电动机的数据如下：PN=29kW, UN=440V, IN=76.2A, Ra=0.393W， nN=1050rpm 电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，Ia=6
21、0A，求电动机反向下放转速； 电动机带动位能负载，作反接制动下放，Ia=-60A，转速n=-600rpm，串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率； 电动机带动反作用负载，从500rpm进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,他励直流电动机的制动,例题,解：,3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为,电枢电路总电阻,电枢回路串接电阻,3.他励直流电动机的制动 3.1 能耗制动 3.2 反接制动 3.3 回馈制动 4.他励直流电动机的调速 4.1 调速指标 4.2 降低电枢端电压调速 4.3 弱磁调速 4.4 调速时的功率与转矩,一台他励直流电动机的数据如下：PN=29kW, UN=440V, IN=76.2A, Ra=0.393W， nN=1050rpm 电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，Ia=60A，求电动机反向下放转速； 电动机带动位能负载，作反接制动下放，Ia=-60A，转速n=-600rpm，串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率； 电动机带动反作用负载，从500rpm进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,
