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1、1,第三章 直流电动机的电力拖动,内容提要,本章的重点是他励直流电动机的机械特性及各种运转状态。,本章第一节至第四节分析他励直流电动机各种运转状态的物理概念、使用条件和四象限的固有机械特性及人为机械特性，介绍其起动、制动和调速的方法。,本章第五节介绍晶闸管-直流电动机系统的机械特性和调速性能。,本章第六节分析串励直流电动机机械特性与运转状态的特点，并简单介绍复励直流电动机的机械特性。,2,3,4,二、固有机械特性与人为机械特性,当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。,（一）电枢串联电阻时的人为机械特性,5,6,7,解,理想空载点,额定点,8,四、电力
2、拖动稳定运行的条件,现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。,在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T 与Tz 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态,两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。,9,对恒转矩负载，要得到稳
3、定运行，电动机需要具有向下倾斜的机械特性。如果电动机的机械特性向上翘，便不能稳定运行。,10,思考题,3-1、什么是他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性？他励直流电动机主要有哪几种人为机械特性？,3-2、他励直流电动机的负载为恒转矩负载，如果额定运行时减少磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？,3-3、电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是什么？,计算题,3-4、P45页2-3,3-5、P45页2-4,11,第二节 他励直流电动机的起动,直流电动机接上电源之后，电动机转速从零到达稳定转速的过程称为起动过程。,直流电动机的起动原则是：应在起动电流不超过允许值的情况下，获得尽可能大的起动转矩。,
4、直流电动机的起动方式有三种：,直接起动,电枢回路串电阻起动,降电压起动,12,他励直流电动机起动时，必须保证有磁场(即先通励磁电流)，而后加电枢电压，忽略电枢电感时，电枢电流为,如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍。这样，电动机的换向情况恶化，产生严重的火花，而且与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。为此，在起动时，必须设法限制电枢电流。,为了限制起动电流，往往采用减压起动的方法。起动时，电压U比较低，电流Ia不大，随着转速的不断提高，电动势Ea也逐渐增加，但同时电压U也在人为地不断升高，U与Ea的差值使电流仍可保持在允许的数值范围以内。,在手工调节电压U时，U不能升得
5、太快，否则电流还会发生比较大的冲击。为了保证限制电枢电流，手工调节必须小心地进行。,13,当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流，在起动过程中将起动电阻逐步切除。,14,15,思考题,3-6、除微型直流电动机外，为什么一般的直流电动机不能直接起动？,3-7、直流电动机通常的起动方法有哪几种？,3-8、他励直流电动机起动前励磁绕组断线没有被发现，起动时，在下面两种情况下会有什么后果:(1)空载起动；(2)负载起动。,3-9、他励直流电动机正常运行时的电流取决于什么？起动时的电流又取决于什么？,16,计算题,3-10、P69页3-1,3-11、他励直流电动机的数据为：PN=10kW
6、，UN=220V，IN=53.4A,nN=1500r/min,Ra=0.4。求: （1）额定运行时的电磁转矩、输出转矩及空载转矩; （2）理想空载转速和实际转速； （3）半载时的转速; （4）n=1600r/min时的电枢电流。,17,第三节 他励直流电动机的制动,1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2） 制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,制动的目的是使电力拖动系统停车，有时也为了使拖动系统的转速降低，对于位能负载的工作机构，用制动可获得稳定的下降速度。,欲使电力拖动系统停车，最简单
7、的方法是断开电枢电源，系统就会慢下来，最终停车，这叫做自由停车法。自由停车一般较慢，特别是空载停车，更需要较长的时间。如果希望使制动过程加快，可以使用电磁制动器，即所谓“抱闸”；也可以使用电气制动方法，常用的有能耗制动、反接制动及回馈制动等，使电动机产生一个负的转矩，使系统较快地停下来。,18,一、能耗制动,能耗制动过程中，电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变成电能，再消耗在电枢回路电阻上，能耗制动由此而得名。,19,20,能耗制动机械特性方程式,如果按最大制动电流不超 过来选择,则,当 时,21,二、反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于
8、反作用负载）。,（一）转速反向的反接制动,22,上式表明， 与 两者之和消耗在电枢电路的电阻 上。,（二）电枢反接的反接制动,断开 和 ， 接通 和,最大电流也不超过,23,（三）电枢反接时的过渡过程,1反作用负载,2位能负载,24,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 后，大部分回馈给电网（ ），小部分变为电枢回路的铜耗 。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,为了获得位能负载下较低的稳定下放速度，一般在回馈制动时，将电枢内串联的电阻切除。,25,（二）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然
9、降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生 的情况，亦即出现了回馈制动状态。,回馈制动过程中，有功功率回馈电网。因此与能耗制动及反接制动相比，从电能消耗来看，回馈制动是较为经济的。,26,例3-2一台他励直流电动机的数据如下：,（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放， ，求电动机反向下放转速。,（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， 时，转速 ，求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。,（3）电动机带动反作用负载，从 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。,27,解 （1）,电动
10、机反向下放转速,（2）电枢电路总电阻,电枢串接电阻,电网输入功率,电枢电路电阻上消耗的功率,28,轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）,（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,电枢电路串接电阻,29,思考题,3-12、如何判断他励直流电动机是处于电动运行状态，还是处于制动运行状态？,3-13、请说明他励直流电动机处于电动运行状态、能耗制动过程、反接制动过程、倒拉反转运行及回馈制动运行的功率关系。,3-14、实现倒拉反转制动和回馈制动的条件是什么？,30,计算题,3-15、P70页3-7,3-16、P70页3-8,3-17、一台他励直流电动机，PN=4kW
11、,UN=220V, IN=22.3A，nN=1000r/min，Ra=0.91，运行于额定状态，为使电动机停车，采用电压反接制动，串入电枢回路的电阻为9，求：（1）制动开始瞬间电动机的电磁转矩；（2）n=0时电动机的电磁转矩；（3）如果负载为反抗性负载，在制动到n=0时不切断电源，电机能否反转？为什么？,3-18、他励直流电动机的PN=2.5kW,UN=220V,IN=12.5A，nN=1500r/min,Ra=0.8，求:（1）当电动机以1200r/min的转速运行时，采用能耗制动停车，若限制最大制动电流为2IN，则电枢回路中应串入多大的制动电阻;（2）若负载为位能性恒转矩负载,负载转矩为T
12、L=0.9TN,采用能耗制动使负载以120r/min转速稳速下降，电枢回路应串入多大电阻。,31,第四节 他励直流电动机的调速,采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。,一、调速指标,调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标,（一）调速的技术指标,32,2静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,调速范围D与低速静差率%间的关系,允许的转速降,33,3平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好
13、。,4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。,34,35,二、降低电枢端电压调速,调速范围不大(低速时机械特性较软，不能满足一般生产机械对静差率的要求)，调速的平滑性不高，而且是有级调速。,这种调速方法是很不经济的。优点是方法比较简单，控制设备不复杂，一般用于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上。,有时为了提高机械特性的硬度，在串接电阻的同时，再在电枢两端并联电阻。,36,（二）降低电源电压,降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为,37,三、弱磁调速,弱磁调速时，机械特性方程式是 ：
14、,38,弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。,39,四、调速时的功率与转矩,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。,对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为：,降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。,式中,弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；,40,41,思考题,3-19、试比较各种调速方法的优缺点。,3-20、调速范围和静差率是如何定义的？它们之间关
15、系如何？,3-21、什么是恒转矩调速方式？什么是恒功率调速方式？,3-22、电动机的调速指标的主要内容是什么？,3-23、静差率与哪些因素有关？为什么低速时的静差率较大？,3-24、他励直流电动机拖动恒转矩负载运行，分别采用电枢回路串电阻、调压、调磁的方法进行调速，试分析调速前后电枢电流的变化情况。,3-25、为什么直流电动机电枢串电阻调速和降压调速适合拖动恒转矩负载？,42,计算题,3-26、教材P69页3-2,3-27、教材P69页3-3,3-28、教材P69页3-4,3-29、教材P69页3-5,3-30、教材P69页3-6,3-31、一台他励直流电动机，PN=29kW ,UN=440V
16、,IN=76A，nN=1000r/min，Ra=0.38，采用调压及弱磁调速，要求最低理想空载转速为250r/min，最高理想空载转速为1500r/min，求在额定转矩时的最低转速和最高转速，并比较这两条机械特性的静差率。,43,3-32、一台他励直流电动机，PN=4kW ,UN=110V, IN=44.8A，nN=1500r/min，Ra=0.23，电机带额定负载运行，若使转速下降为800r/min，那么：（1）采用电枢串电阻方法时，应串入多大电阻？此时电机的输入功率、输出功率及效率各为多少（不计空载损耗）？（2）采用降压方法时，则电压应为多少？此时的输入、输出功率和效率各为多少（不计空载损耗）？,3-33、他励直流电动机的数据为：PN=30kW ，UN=220V，IN=158.5A，nN=1000r/min，Ra=0.1，TL=0.8TN，求:（1）电动机的转速
