1、第四章 直 流 电 动 机 的运行,4-1 他励直流电动机的起动,电动机的起动指接通U N ，转速从n=0到n=nN 起动要求： 1） 大 2） 小 3）起动过程中消耗的能量少 4) 起动设备简单，便于控制。 满足 足够大的条件下，尽量减少,一、他励直流电动机的起动方法,U,直接起动 太大，须限制,限制 的方法有：降压起动；电枢回路串电阻起动。,(一)电枢回路串电阻起动,我们在电枢回路中串入电阻 ， 可减小起动电流， 当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，,此时 ，则可见，随着转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转
2、矩 ，加速电动机的起动过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。 1.起动过程,他励直流电动机三级电阻起动的机械特性,二、分级起动电阻的计算,起动电阻的级数m、最大起动电流及及切换电流是根据生产过程与起动要求来决定的一般（.）N切换电流必须大于稳态电流L,一般取 （.）N；或 （.）L m的选择：,起动时：使 ，接入全部起动电阻，且 起动电流为：,b点,c点,d点,e点,f点,g点,计算各级起动电阻值的步骤:,又因为,(5)求各级起动电阻,(二）他励直流电动机降低电枢电压起动： 从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，还可以通过减小电枢
3、电压来减小起动电流：这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。串励与复励直流电动机的起动方法基本上与并励直流电动机一样，采用串电阻的方法以减小起动电流。但特别值得注意的是串励电动机绝对不允许在空载下起动，否则电机的转速将达到危险的高速，电机会因此而损坏。(为什么?),例:某他励直流电动机额定数据如下:试求 (1)如果将该机直接起动,则起动电流为多少? (2)为使起动电流限制在2IN,应在电枢回路串入多大电阻? (3)如果采用降压起动,端电压应降为多少?,Speed-regulation of separately excited motor,4.2 他励电动机的调速,电力拖动系统的调速: 1)
4、机械调速; 2)电气调速,电动机稳定时T 由负载转矩决定，其不变时，改变U、电枢串电阻都可以调速,要求：1）计算转速,2）分析调速物理过程，计算调速瞬间物理量,3）计算功率,他励直流电动机有3种方法可以调速： （1）改变电枢电压； （2）改变励磁电流，即改变磁通； （3）电枢回路串入调节电阻。,(一）降低电枢电压调速：因为电机在正常工作时，电枢电压不能超过额定电压，所以，采用向下调速。很显然，在这里，只改变了 ，所以我们将得到一系列平行与固有特性的曲线。如图：,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
5、载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,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。,缺点：转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去用直流发电机-直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备直流电动机系统来实现。,（二）弱磁调速,优点：这种调速方法的特点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（13）%，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制。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。,缺点：,机械
6、特性的斜率变大，特性变软； 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，一般 D2；其限制是转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。,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，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。,(三）电枢回路串电阻调速：,电枢回路串联电阻越大，机械特性的斜率越大，因此在负载转矩恒定时，即为常数，增大电阻，可以降低电动机的转速。,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,缺点：,2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；,3）轻载时调速范围小，额定
7、负载时调速范围一般为D2；,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使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。,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,直流电动机上述三种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速，而弱磁调速属于恒功率调速,三种调速方法的比较,例:一台他励直流电动机，,电动机拖动额定负载运行，保持励磁电流不变， 要把转速降到1000r/min。求：,1)若采用电枢回路串电阻调速，应串入多大电阻?,2)若采用降压调速，电枢电压应降到多大？,3 )两种方法调速时电动机的效率各是多少？,解：
8、（1）,由,得：,（2）,串电阻时的效率：,降压时的效率：,（3）输出功率,二.调速性能指标,(一)技术指标 1.调速范围是指电动机在额定负载转矩T=TL时，其最高转速与最低转速之比。2.静差率 静差率也称转速变化率，指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率,越小，相对稳定性越好； 与机械特性硬度和n0有关。1)no一定时，机械特性越硬，额定转矩时转速降落越小，静差率 越小。 2）机械特性硬度一定是，理想空载转速越高， 越小。,.两者的关系 在同一种调速方法中，,因此：,1）调速范围必须是在一定的静差率限定下才有意义。否则它可以从0到最大值，这样没有意义 2）在一定的静差率限定下调速范围的扩
9、大，主要是提高机械特性的硬度，减小,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,4.调速时电动机的容许输出 容许输出是电动机在不同转速时轴上所能输出的功率和转矩。不同的调速方法，其容许输出是不同的。电机的实际输出是由负载决定的。所以，如何根据电机的负载特性来决定调速方法，使电动机能得到充分利用是个很重要的问题。,（二）经济指标 经济指标包括两个方面：一是设备的初投资费，二是设备的运行与维护费用，运行费用与设备的效率有关。 各种调速方法的经济指标极为不同。 在满足一定的技术指标下，确定调速方案时，应力求设备投资少，电能损耗小，而且维修方
10、便。,三、电动机调速时的容许输出,（一）电动机的容许输出 电机在nmax与nmin之间调速运行时，如果始终保持Ia=IN，则电机既能充分利用，又能安全运行。这时电机输出的功率与转矩，是该转速范围所允许的限制值，称之为调速时容许输出功率与转矩。,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,（二）恒转矩调速方式和恒功率调速方式,所谓恒转矩调速方式指的是：在某种调速方法中，保持电枢电流 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。 所谓恒功率调速方式指的是：在某种调速方法中，保持电枢电流 若该电动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方式为
11、恒功率调速方式。,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。,（三）调速方式与负载转矩之间的匹配,以 为界，分两个区域：为恒转矩调速区；为恒功率调速区,和 均为常数, 和 均与转速 成正比，只要选择电动机的 与 相等，在任何转速下均有：,电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。,这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下调，所以额定转速为系统的最高转速。,P,T,和 均为常数， 和 均与 成反比，只要选择 与 相等，在任何转速下均有：,电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。,这是一种理想的配合，转速
12、是从额定转速向上调，所以额定转速为系统的最低转速。,恒转矩调速配恒功率负载,P,T,上式证明：,这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功 率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）。,显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。,恒转矩负载配恒功率调速,n,上式证明：,在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）。,显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。,风机型负载与两种调速方式的配合,由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使,只有在最高转速时，电动机才被充分利用。恒转矩调速方式所造成的电动机容量浪费
13、比恒功率调速方式小一些。,他励直流电动机的调速,根据以上五种情况分析可得：,1）电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载 。,2）弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载 。,3）对于泵与风机类负载，三种调速方式都不十分合适，但采用电枢串电阻和降压调速比弱磁调速合适一些。,直 流 电 力 拖 动 习 题 课,1、他励直流电动机：PN=1325KW， UN=750V, IN=1930A, nN=200rpm,Ra=0.0161,U=2V.带额定负载转矩运行时： 1）电枢串电阻Rc=0.0743 ，串电阻瞬间和最后稳定时I和n=？ 2）降低10%，最后稳定时I和n=？,解:
14、额定运行时：,1、串电阻调速瞬间B点：n=200不变,调速前后稳定时T不变， Ia也不变,C点电压方程:,调速前A点:,调速后C点:,Brake of separately excited motor, 4-3 他励直流电动机的制动,制动状态,电动状态,制动状态,电磁制动的概念：让电动机产生一个与旋转方向相反的电磁力矩来实现制动。,电动机制动的目的：停车；限速,电动机制动的方法有：机械制动；电磁制动,电磁制动分类：能耗制动；反接制动；回馈制动,一、能耗制动： (一)能耗制动的方法和原理能耗制动过程：如图,在制动时，将闸刀合向下方，,很明显，此时，电网的电能 不再供向电动机，而是在电阻上以 电阻
15、压降的形式进行消耗，这样 一来使的电机的转速迅速下降。 这时电机实际处于发电机运行状态， 将转动部分的动能转换成电能消耗 在电阻和电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动。,(二)能耗制动的机械特性 机械特性分析： ，这时电动机的机械特性 方程式为,1.能耗制动停车过程,结果分析：这种方法所串入的电阻越小，能耗制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大，而电流太大，会造成换向上的困难，因此能耗制动过程中电枢电流有个上限，即电动机允许的最大电流。由可以计算出能耗制动过程电枢回路中串入制动电阻的最小值：,是一条过原点的直线，在由运行点到停转的制动过程中，转速并非稳定在某一数值，而是一直在变化中，因此称为能
16、耗制动过程。这种制动方法在转速较高时制动作用较大，随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。,Ra+RT,2.能耗制动运行：他励直流电动机拖动位能性负载运行， 在达到上述零点时（电磁转矩为零），由于负载转矩不为零，结果，在负载转矩的作用下，电机开始反转，如图随着转速的升高，均诼渐增大，最后和负载转矩相等时稳定运行，这种过程叫做能耗制动运行。,二.反接制动 (一)转速反向的反接制动,他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，将引起转速下降，串的电阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程度，将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第
17、4 象限，如图所示，这时电动机接线未变，转速反向。是一种制动运行状态，称为倒拉反转制动运行。,倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重物的场合。 在这种运行方式中，电动机的电磁转矩起了制动作用，限制了重物下降的速度。改变电阻的大小，即改变了机械特性的交点，使重物以不同的稳定速度下降。,(二)、电压反接制动： 反接制动过程分析：如图所示，电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。 机械特性分析；反接前：,反接后 ：所以：因此反接后电流的数值将非常大，为了限制电枢电流，所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流
18、电阻。,电压反接制动时， ， 电枢回路的电阻： ，电动机的机械特性方程式为：,其对应的曲线为 过 点，斜率为的直线，如图,反接制动反向起动过程： 如果C点电动机的转矩大于负载转矩，当转速到达零时，应迅速将电源开关从电网上拉开，否则电动机将反向起动，最后稳定在D点运行，如图所示。电压反接制动在整个制动过程中均具有较大的制动转矩，因此制动速度快，在可逆拖动系统，常常采用这种方法。,反向电动状态,三、回馈制动： (一)正向回馈制动：他励直流电动机拖动负载运行，电机将系统具有的动能反馈回电网，且电机仍为正向转动，称之为正向回馈制动。如图,降压调速时产生的回馈制动,增磁调速时产生的回馈制动,B C,1.
19、电车下坡 2.过渡回馈制动状态,(二）反向回馈制动：他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，采用电压反接制动，电机将系统具有的动能反馈回电网，电机为反向转动，称之为反向回馈制动。如图,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,(3)反接制动(4)回馈制动,下列各种情况下,采用电动机惯例的一台他励直流电动机运行在什么状态:,例
20、:一台他励直流电动机， 允许最大电流 ，电动机拖动负载 电动运行，求： 若采用能耗制动停车，电枢回路应串入多大电阻？ 若采用反接制动停车，电枢回路应串入多大电阻？,，,，,，,。,解：（1）电动运行时，,采用能耗制动停车，电枢回路应串入电阻,采用反接制动停车，电枢回路应串入电阻,4.4 电力拖动系统过渡过程,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。,电力拖动的过渡
21、过程：从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。,3.产生过渡过程的原因,外因：系统受到外部干扰，例如起动、制动、反转、调速及负载突变等,电机参数变化，引起T变化。 内因：系统本身的惯性,惯性主要有两种，机械惯性(GD2)和电磁惯性(电感L).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 机电过滤过程。,实际上两种惯性同时存在，但由于电磁惯性的影响远小于机械惯性的影响，为分析方便起见，忽略电磁惯性的影响，只考虑机械惯性，这种过渡过程称为机械过渡过程。 研究过渡过程的内容过渡过程前后两个稳定状
22、态电动机的电枢电流、电磁转矩T和转速一般是不相同的，过渡过程就是要研究、和在这过程中随时间变化的规律。这些变化规律曲线称为负载图。,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 过渡过程数学分析,系统的动态特性可用下列微分方程组描述：,1.过渡过程中转速变化规律,设电动机原稳定工作在图 所示的A点上，现负载突然由TF0减小到TL，电动机工作点
23、从A点过渡到B点，下面讨论过渡过程中转速的变化规律。,数学分析,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：,整理后得：上式中为 机电时间常数将式两边积分，代入初始条件，整理得：,分析,它有两部分组成：一部分是稳态分量， 另一部分是暂态分量，转速n的过渡过程是一 条按指数规律变化的曲线，起始值为nA，稳 态值是nL，n=(t)曲线如图所示。,2.过渡过程中电磁转矩变化规律,0,3.过渡过程中电枢电流变化规律,0,4.过渡过程时间的计算,当t时，n=nL。实际上，当t=(34)TM， nnL，工程上认为系统进入稳态，所以只要已 知机电时间常数TM，就可求出
24、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为：,4.4.2 起动过渡过程,起动过渡过程表达式：,1.串固定电阻的起动过渡过程特性,4.4.3能耗制动过渡过程,1.反抗性负载,能耗制动过渡过程解析式,2、拖动位能性恒转矩负载,能耗制动过渡过程解析式,D,4.4.4电压反接制动时的过渡过程,拖动位能性恒转矩负载,例:一台他励直流电动机，,，,，,，,。,本章小结,电动机的起动方法有：直接起动、降压 起动、电枢串电阻起动。起动时应有足够大 的起动转矩，同时要限制起动电流，一般限 制在2IN
25、左右。由于起动瞬间，反电势未建 立，使额定电压全部降在电枢电阻上，电枢 电流约为额定电流的1020倍，易损坏电 机，故除小容量电动机外，一般不允许直接 起动。,本章小结,电动机的机械特性在、象限内为电 动状态，在、象限内为制动状态，制动 可用于迅速停车或位能性恒转矩负载匀速下 放。他励直流电动机电气制动有：能耗制 动、电压反接和转速反向的反接制动、回馈 制动。,本章小结,通过改变电动机的电气参数可改变转速 的方法称为电气调速。他励直流电动机电气 调速方法有：降低电枢电压的调速、电枢串 电阻的调速和减小主磁通的调速，其中降低 电枢电压和电枢串电阻的调速属于恒转矩调 速，减小磁通的调速属于恒功率调速。为合 理使用电动机，调速方式应与负载类型匹 配，恒转矩调速与恒转矩负载、恒功率调速 与恒功率负载是相互匹配的。,本章小结,由某个稳定状态变化到另一稳定状态的 过渡 过程可用动态特性n=(t)、T=(t)和 Ia=(t)描述。,
