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1、第3章直流电动机的电力拖动,3.1 电力拖动系统的运动方程 3.2 他励直流电动机的机械特性 3.3 他励直流电动机的启动 3.4 他励直流电动机的制动 3.5 他励直流电动机的调速,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,3.1.1运动方程式 电力拖动系统的运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。 (1)运动方程表达式 电动机直接与生产机械的工作机构相接。下面分析电动机直接与生产机械的工作机构相接时，拖动系统的各种转矩及运动方程式。在图3.1中，电动机的电磁转矩Tem通常与转速n同方向，是驱动性质的转 矩。生产机械的工作机构转矩，即负载转矩TL通常是制
2、动性质的。 如果忽略电动机的空载转矩T0，根据牛顿第二定律可知，拖动系统旋转时的运动方程式为,下一页,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,式中，J为运动系统的转动惯量，单位为kgm2 ；为系统旋转的角速度，单位为rad/s， 为系统的惯性转矩，单位为Nm。 在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度来表示系统的转动速度，用飞轮惯量或 称飞轮矩GD2代替转动惯量J来表示系统的机械惯性。由此可得运动方程的实用形式 式中，GD2为旋转体的飞轮矩，单位为Nm2。飞轮矩GD2是反映物体旋转惯性的一个整 体物理量。电动机和生产机械的G；可从产品样本和有关设计资料中查到。 (2)系统旋转运动的三种状态 当T
3、em=TL时， ，系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。,上一页,下一页,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,当TemT1时， ，系统处于加速运行状态，即处于瞬态过程。 当TemTL时， ，系统处于减速运行状态，也是处于瞬态过程。 (3)运动方程式中转矩正、负号的规定 选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速：的正方向，然后按照下列规则确定转矩 的正、负号： 电磁转矩Tem与转速n的正方向相同时为正，相反时为负； 负载转矩TL与转速n的正方向相反时为正，相同时为负。 3.1.2负载转矩特性 电力拖动系统的运动方程式是集电动机的电磁转矩Tem、生产机械的负载转矩TL及系统 的转速：之间的关
4、系于一体，定量地描述了拖动系统的运动规律。但是，要对运动方程式求 解，首先必须知道,上一页,下一页,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,电动机的机械特性:n=f(Tem)及负载的机械特性:n=f(TL)。负载的机械特 性也称为负载转矩特性，简称负载特性。下面先介绍生产机械的负载特性。虽然生产机械的 类型很多，但是生产机械的负载转矩特性基本上可以分为三大类： (1)恒转矩负载特性 所谓恒转矩负载特性，是指生产机械的负载转矩的大小与转速：无关的特性。恒转矩负 载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 反抗性恒转矩负载 负载转矩的大小恒定不变，而负载转矩的方向总是与转速的方向相反，即负载转
5、矩的性质 总是起反抗运动作用的阻转矩。显然，,上一页,下一页,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,反抗性恒转矩负载特性在第一和第三象限内，如图3.2 所示。如皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生转矩的机械都属于 反抗性恒转矩负载。 位能性恒转矩负载 负载转矩的大小恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。位能性恒转矩负载特性位于第 一和第四象限内，如图3.3所示。如起重机，无论是提升重物还是下放重物，由物体重力所产 生的负载转矩的方向是不变的。 (2)恒功率负载特性 恒功率负载的特点是负载转矩与转速的乘积为一常数，即负载功率PL=TL=常数，即负 载转矩TL与转速n成反比。恒
6、功率负载特性是,上一页,下一页,返回,3.1 电力拖动系统的运动方程,一条双曲线，如图3.4所示。 某些生产工艺过程，要求具有恒功率负载特性。例如车床的切削，粗加工时需要较大的吃 刀量和较低的转速，精加工时需要较小的吃刀量和较高的转速;又如轧钢机轧制钢板时，小工 件需要高速度低转矩，大工件需要低速度高转矩，这些工艺要求都是恒功率负载特性。 (3)泵与风机类负载特性 水泵、油泵、通风机和螺旋桨等机械的负载转矩基本上与转速的平方成正比。这类机械的 负载特性是一条拋物线，如图3.5所示。,上一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,3.2.1机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指在电动机的电
7、枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒定值的条 件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速和转 矩都是机械量，所以把它称为机械特性。电动机的机械特性对分析电力拖动系统的运行是非 常重要的。 图3.6是他励直流电动机的电路原理图，按图中标明的各个量的正方向，可以列出电枢回 路的电压平衡方程式，即 式中，R=Ra+Rs，为电枢回路总电阻。将电枢电动势Ea=Cen和电磁转矩Tem=CTIa 代入式(3.3)中，可得他励直流电动机的机械特性方程式为,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,式中，n0为电磁转矩Tem=0时的转速，称为理想空载转速;为机械特性的斜
8、率;n为转速降。 由于电磁转矩Tem与电枢电流Ia成正比，故机械特性也可以用下式表示，即 由式(3.4)可知，当为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以为斜率向下倾斜的直线，如图3.7所示。 必须指出，电动机的实际空载转速n0比理想空载转速n0略低。这是因为电动机由于摩 擦等原因存在一定的空载转矩，在空载运行时，电磁转矩不可能为零，它必须克服空载转矩，即 Tem=T0。转速降,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,n是理想空载转速与实际转速之差，转矩一定时，它与机械特性的斜率成 正比。越大，特性越陡，n越大;越小，特性越平，n越小。通常称大的机械特性为软特 性，而小的特性为
9、硬特性。 3.2.2固有机械特性和人为机械特性 在实际应用中，式(3.4)中的电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通都是可以根据实际 需要进行调节的，每调节一个参数可以对应得到一条机械特性，所以可以得到多条机械特性。 其中，电动机自身所固有的，反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额 定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性，这条机械特性称为电动机的固有机械特性。把调 节U、R、等参数后得到的机械,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,特性称为人为机械特性。 (1)固有机械特性 当U=UN，=N，R=Ra时的机械特性称为固有机械特性，其方程式为 因为电枢电阻Ra很
10、小，固有机械特性的斜率很小，通常额定转速降nN只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，如图3.8中Ra对应直线所示。 (2)人为机械特性 电枢串电阻时的人为特性 保持U=UN，=N不变，只在电枢回路中串入电阻Rs时的人为特性为,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,与固有特性相比，电枢串电阻人为特性的理想空载转速n0不变，但斜率随串联电阻Rs 的增大而增大，所以特性变软。改变Rs的大小，可以得到一族通过理想空载点n0并具有不同 斜率的人为特性，如图3.8中Ra+RS1和Ra+Rs2对应直线所示。 降低电枢电压时的人为特性 保持=N，R=R
11、a不变，只改变电枢电压U时的人为特性为 由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围 内变化。与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率不变，但理想空载转速n0随电压的 降低而正比减小。,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一 组直线，如图3.9所示。 减弱励磁磁通时的人为特性由于电动机额定运行时，磁路已经开始饱和，即使再增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许再大幅度地增加，因此，只能在额定 值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。 保
12、持R=Ra、U=UN不变，只减弱磁通时的人为特性为 对应的转速特性为,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,在电枢串电阻和降低电压的人为特性中，因为=N不变，Tem正比于Ia，所以它们的机 械特性n=f(Tem)曲线也代表了转速特性n=f(Ia)曲线。但是在讨论减弱磁通的人为特性时， 因为磁通是个变量，所以n=f(Tem)与n=f(Ia)两条曲线是不同的，如图3.10所示。 3.2.3电力拖动系统稳定运行的条件 设有一电力拖动系统，原来处于某一转速下运行，由于受到外界某种扰动，如负载的突然 变化或电网电压的波动等，导致系统的转速发生变化而离开了原来的平衡状态，如果系统能在 新
13、的条件下达到新的平衡状态，或者当外界扰动消失后能自动恢复到原来的转速下继续运行， 则称该系统是稳定的;如果外界扰动消失后，系统的转速或是无限制地上升，或是一直下降至 零，则称该系统是不稳定的。,上一页,下一页,返回,3.2 他励直流电动机的机械特性,一个电力拖动系统能否稳定运行，是由电动机机械特性和负载转矩特性的配合情况决定的，电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是： (1)必要条件 电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即存在Tem=TL。 (2)充分条件 在交点Tem=TL处，满足 。或者说，在交点的转速以上存在TemTL。 由于大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持恒定，因此只要
14、电动机具有下降的 机械特性，就能满足稳定运行的条件，如图3.11所示。 上述电力拖动系统的稳定运行条件，无论对直流电动机还是交流电动机都是适用的，具有 普遍的意义。,上一页,返回,3.3 他励直流电动机的启动,电动机的启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。电动机 启动瞬间(n=0)的电磁转矩称为启动转矩，此时所对应的电流称为启动电流，分别用Tst、Ist表示。启动转矩为 如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间n=0，电枢电动势Ea=0，故启动电流为 因为电枢电阻Ra很小，所以直接启动时启动电流很大，通常可达额定电流的1020倍。 过大的启动电流会使电网电压
15、下降过多，影响本电网上其他用户的正常用电;使电动机的换向 恶化，甚至烧坏电动机;同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除容量很小 的电动机以外，一般不允许直接启动。对直流电动机的启动，一般有,下一页,返回,3.3 他励直流电动机的启动,如下要求： 要有足够大的启动转矩，一般启动转矩Tst(1.11.2)TN； 启动电流要限制在一定的范围内，一般要求Ist(1.52)IN； 启动设备要间单、可罪。 为了限制启动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻启动或降低电枢电压的启 动方式。无论采用哪种启动方式，启动时都应保证磁通达到最大值。因为在同样的电流 下，大则Tst大;在同样的转矩下
16、大则Ist小。 3.3.1电枢回路串电阻启动 启动前应使励磁回路的调节电阻Rsf=0，这样励磁电流If和磁通最大，电枢回路串启 动电阻Rst，在额定电压下的启动电流为,上一页,下一页,返回,3.3 他励直流电动机的启动,启动电阻Rst的值应保证Ist不大于允许值，对于普通直流电动机，一般要求Ist(1.52)IN。 在Tst的作用下，电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的逐渐升高，电枢电动势(反电动势)Ea逐渐增大，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也随之减小，转速上升的加速度逐渐变缓。为 了缩短启动时间，随着电动机转速的提高，应逐级切除启动电阻，最后使电动机的转速达到额 定值。 一般串入的启动电阻为25级，在启动过程中逐级切除。启动电阻的级数越多，启动过 程就越平稳。但级数越多，所需的设备投资越大，设备维护的工作量越大。图3.12是采用三级电阻启动时电动机的电路原理图及其机械特性。,上一页,下一页,返回,3.3 他励直流电动机的启动,启动开
