1、第二章 直流电机的电机拖动直流电机的电机拖动1. 电力拖动的动力学基础； 2. 他励电动机的机械特性； 3. 他励直流电动机的起动； 4. 他励直流电动机的制动； 5. 他励直流电动机的调速；电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产 机械， 称为电力拖动。 电源 控制设备 电动机 传动机构 工作机构电力拖动系统的构成基础运动方程： M ? M Zd ? GD 2 dn =J? = ? dt 375 dt= 2 ? ? n / 60G D 2 GD 2 J = m? 2 = ( ) = g 2 4gg： 重力加速度， 9.8 米/秒 2；GD2：系统的飞轮矩（牛米
2、2） ； n： 转速（转/分） ；M、MZ：转矩（牛米） 注意：GD2 是一个完整的符号;M、MZ 具有方向性， 与转 速方向一致为正。多轴系统的运动方程系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴， 称 为多轴系统。对多轴系统的分析，通过把多轴系统折算为等效的 单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行 简化。 折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储 存的动能不变。 负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等负载转矩特性反抗性恒转矩负载n MZ 负载转矩的大小 0 与速度无关，但 其方向始终与转 向相反位能性恒转矩负载n转矩具有固定的 MZ 方向，不随转速 0 方向的改变而改 变恒功率负载n MZ 负载的
3、功率为常 0 数，不随转速的 变化而改变通风机型负载n负载的转矩与 Z 0 转速的平方成 正比M稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析 拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点 是系统的平衡点。 平衡点稳定点？ 稳定点：在受到外界扰动 后， 仍能还原的点。dM em dM Z 稳定点的条件： n0 时为发电机状态，此时 EaU, Ia 反向， Ea 与 Ia 同向， 向电网送出电功率。 7.堵住点。 电枢电流： 电磁转矩：n = 0 , Ea = Ce N n = 0Ia = U N = Ik Ra此时为短路电流；M em = C M N I k = M emk 为电机堵
4、转转矩。人为机械特性分析根据转速、转矩公式n= U R ? M em 2 Ce CeCM 人为地改变电动机参数 U、R 或 得到的机械特性，称为 人为机械特性。 有三种人为机械特性： （1）电枢回路串电阻的人为机械特性； （2）改变端电压时的人为机械特性； （3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；电枢回路串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 Rc，所得的 nf（Mem）关系。n= UN R + Rc ? a M em = n0 ? M em 2 Ce N CeCM Nn n0 Ra Ra+Rc1 Ra+Rc2 Rc2Rc1 0 人为 固有对于给定的 Rc， ，
5、 为常数。Mem电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速 n0与固有机械特性的 n0 相同；Ra + Rc N ，特性变软， （2）斜率 = 2 Ce C M N在同一个转矩下，转速下降更多。改变端电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电 阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。 表达式：n n0 UN U1 U2 UNU1U2 0 人为 固有U Ra n= ? M em 2 Ce N CeC M N = n0 ? N M em一般都为降低的电压。Mem改变端电压时的人为机械特性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
6、理想空载转速 低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。（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。减弱电机主磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻 (Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。 表达式：n n0 N N 固有 N N 0 人为UN Ra n= ? M em 2 Ce CeCM = n ? M em 0 N额定时，接近饱和，一般都 为减弱的磁通。Mem减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通人为特性的特点： （1）由于 If2 Mem If2从两个稳定点 P、Q 对应转速说 明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速的过程速度不变 I
7、f 减小瞬 间Ia = U ?E Ran 减小Ea = Ce nM em = C M I an Ea IaQ PIf2If1 If1If2 Mem MemM em M Z机组加速MemMZ新的平衡，新的 Ia 和 n弱磁调速调速前后的量： （1）假定负载转矩不变，M em = C M 1 I a1 = C M 2 I a 2I a1 2 = I a 2 1(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和 IaRa 的变化 If2 n1 2 E = Ce 1 n 1 = Ce 2 n 2 , = n2 1 I f1 （3） 恒转矩负载，P = U ? Ia 1 P2 n， 基本不变弱磁调速特点优点：设备简单
8、，调节方便，能耗小。 优点 缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电 缺点 流变大， 换向变坏，出现不稳定。改变端电压调速保持电动机的 N 不变且无外接电枢电阻， 仅降 低施加于电动机电枢两端电压 U 达到调速的目的， 称为降压调速。 调节过程: (留为作业）n P Q U1 U2 U3 U1U2U3 Mem电压越低， 转速越低， 调速 方向从基值往下调。调压调速的特点：（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。 （2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化 引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。 （3）可平滑调节端电压
9、， 使转速平滑调节，实现无 级调速。 （4）调节过程能量损耗小。改变电枢回路电阻调速保持 UUN 且 N 不变，电枢回路中串入调 速电阻 Rc，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大， 转 速越低。 电机运行于固有机械特性上的转 速称为基速。 电枢回路串电阻调 速的方法， 只能从基速往下调。nQ R1 R2 R3 R1R2R3 MemP串电枢电阻调速该调速的特点： （1）设备简单、操作方便。 （2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。 （3）由于电阻的不连续调节， 因此速度调节不 平滑， 属有级调速。 （4）
10、电枢电流在 Rc 上消耗的能量大， 调速时 效率低。 效率与转速成正比。调速性能指标（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最 高转速与最低转速之比。用 D 表示。 （2）静差率（相对稳定性：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。 静差率越 小， 转速的相对稳定性越好。 （3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速 3 由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比。 （4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时 轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不 同。（5） 经济性电动机调速时的容许输出在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输
11、 出的功率和转矩称为， 调速时的允许输出功率和转矩。 (1)调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。 = NM em = C M Ia P= M em ? M emN = 1000 9550保持 I 不变 M = C I = M = K i M N N NPi =M in MN = n = Ki n 9550 9550在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。 允许输出功率与转速成正比。弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流 IIN =U N ? I N Ra K = 2 Cen nTi = CM I N = CM K2 K IN = 3 n n Tn K
12、n Pi = i = 3 ? = K4 9550 n 9550弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为常 数， 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比。负载类型与调速方式的配合MN = ML nN = nmax恒转矩调速方式PN =M N nN = PL max 9550恒转矩负载nN = nmin M Lnmax 9550 P P M N = 9550 N = 9550? L max nN nmin PN = PL max = = M Lnmax = DML nmin弱磁控制恒转矩调速方式：使电机在任何转速下都满载运行， 能得到充 分利用。 恒功率调速方法，在 nnmin 时，
13、电动机的转矩及功率比负载需 要的转矩和负载大得多， 电动机没充分利用，造成浪费。恒功率负载与调速方式的配合M N = M L = M L max恒转矩调速方式nN = nmax PN = M N nN M L max nmax = 9550 9550恒功率负载= DPLnN = nmin恒功率控制PN = PL M N = 9550 = TL max PN P = 9550 ? L max nN nmin恒转矩调速方式：高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流， 电动机没有被充分利用。 恒功率调速方法，在整个调速范围内，做到额定转矩输出， 电 机安全且充分利用。通风机负载与调速
14、方式的配合n nmax nmin ML UN U MN 恒转矩控制 M 恒功率控制 n nmax nmin ML N M两种调速方式，在整个调速范围内，除 nnmax 外所有的转速点， 输出转矩多小于允许输出，速度越低， 电机越不能充分利用。相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些。直流电动机的制动直流电动机的两种运转状态： （1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电 能， 并转变为机械能带动负载。 （2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变 为电能。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，
15、要求制动运行。直流电动机的制动断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 电气制动 自由停车 机械制动能耗制动的方法和原理保持励磁电流 If 的大小及方向不变， 将开关接至 RT， 电枢从电网脱离经制动电阻 RT 闭合。 参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻 RRaRT 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。Ia nUNRT EaIf能耗制动时的机械特性能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗 制动时的机械特性：Ra + RT n=? M em 2 Ce C M N制动过程：n 固有M 串电阻反抗性负载停车 位能
16、性负载稳速下放能耗制动的特点制动初瞬的最大电流： 制动电阻：Ce N n A IB = ? Ra + RTRT UN ? Ra 2I N能耗制动的特点： （1）操作简单，停车准确 （2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网； （3）低速时制动转矩小，停转慢；（4）动能大部分都消耗在制动电阻上。反接制动转速反向（用于位能负载） 反接制动 （电动势反向） 电枢反接（用于反抗性负载） （电压反向）转速反向的反接制动If 及端电压 UN 不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻 RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。 不同的RT，可得到不同的稳定转速。 电压平衡式：I a ? ( Ra +
17、 RT ) = U + (? E ) = U + En nA B C 0 nD D Mem A机械特性：n = n0 ? Ra + RT R + RT M L = n0 ? a IL 2 Ce C M N Ce N转速反向的反接制动能量关系：2 I a ? ( Ra + RT ) = U ? I a + Ea ? I aU 及 Ia 的方向与电动状态相同，UIa 表示由电网输入的功率； Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa 表示输入的机械功率在 电枢内变成电磁功率； UIa 与 EaIa 两者之和消耗在电枢电路的电阻RaRT 上。电枢反接的反接制动保持 If 不变， 将开关向下合闸， 使电
18、枢经制动电阻 RT 而反接于电网上。 参数特点： N， UUN。 R=Ra+RT.UN 串 RT B I nanAA电动下固有RT EaC D Mem E 不串 RTIfnE电枢反接的反接制动电压平衡式：U N = Ea + I a ? ( Ra + RT ) Ia = ? U N ? Ea U + Ce N n =? N Ra + RT Ra + RT（Ia 反向）机械特性：UN Ra + RT n=? ? M em 2 Ce N CeCM N Ra + RT = ? n0 ? IL Ce N2 能量关系： ? U N I a ? Ea I a= I a ? ( Ra + RT )从电网吸收
19、的电能和轴上输入的机械能都消耗在电 枢回路的电阻上。电枢反接的反接制动特点： （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）转速至零时， 需切断电源。回馈制动（1）电压反向的反接制动 （2）反向电动状态 （3）回馈制动串 RT B n0 nA C D nE n0 E Mem A 电动下固有当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压， 电机进 入发电状态， 电磁转矩起制动作用， 限制转速上升， 位 能转换为电能， 回馈到电网。 (分反向和正向回馈制动）反向回馈制动反向回馈时， 电机实际转速方向与电压反向 后的理想空载转速方向一致，n n0 , Ea= C eNn
20、 U= C eNn0UN Ra + RT 回馈制动的下放速度： n = ? ? IL Ce N Ce NIa 与 Ea 方向一致。 电机呈发电机状态。能量关系： ?电磁功率 PemEaIa0，电机从轴上输入 机械功率转变为电功率; ?输入功率 P1UIa0；回馈给电网的功率; ?电枢回路能量损耗为 Ia2(Ra+RT); 系统储存的位能转换成电能送回电网。正向回馈制动（1）电车下坡 点 A 点 B B C （2）过渡回馈制动过程（降压运行） 点 A 点 C 点 D -ML ML Mem n n0 n0A D回馈制动回馈制动过程中，有功功率 U Ia 回馈电网。 从电能消耗看， 回馈制动是最经济的一 种制动方式。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状 态的重要特点。
