电机与拖动4他励直流电动机的运行

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1、第四章 他励直流电动机的运行 DC Motor Drives,本章教学基本要求,1. 掌握他励直流电动机机械特性、起动、制动及其过渡过程的基本特性； 2.了解电枢反应对过渡过程的影响； 3.掌握他励直流电动机调速性能指标和直流电动机调速方法,本章重点,重点： 1.直流电动机机械特性和起动、制动的过渡过程特性； 2.调速性能指标和调速方法。,目录,4.1 他励直流电动机的启动 4.2 他励直流电动机的调速 4.3 他励直流电动机的电动与制动运行 4.4 直流电力拖动系统的过渡过程,4.1 他励直流电动机的起动,3.2.1他励直流电动机的起动 起动：指电动机从静止状态转动起来。 起动过程：电动机从

2、静止运转到某一稳态转速 的过程叫起动过程。 1.系统对起动的要求 不同的生产机械对起动有不同的要求。例 如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生 产机械都要求快速起动。即要求起动时间 ts小 些，则起动转矩Ts大些。,目录,起动电流,Is为起动电流，也称为堵转电流 (在起动瞬间 n=0)。从式T=CtIa可知，当一定时，T与 Ia成正比， Is越大， Ts 也越大。但起动电流不能太大。 否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致 很大的线路压降，使电网电压不稳定。 Is不能太大，一般为1.52 IN ，因为 T大小是 受机械强度限制， T太大，突然加到传动机构上， 会损坏机械部件的薄弱部分，

3、例如传动齿轮的轮齿 等。,4.1.1 电枢回路串电阻起动,电压不变，在电枢回路中串接电阻， 可达到限制起动电流的目的，使,1）串入恒值电阻起动,在电枢回路串入固定的 起动电阻R，电机拖动恒转 矩负载，在额定磁场下，将 刀开关K合向电源使电机起 动。 缺点：起动时间ts 较长，稳 态转速ns低，长期串入电阻 不经济。,串固定电阻起动特性,2)分级起动(逐级切除起动电阻的起动),为了在起动过程中使电枢和转矩被限制 在允许的范围之内，采用分级起动。,4.1.2 降压起动,起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把 电源电压降低到 U=(1.52.0) INRa，随着转速n的上 升，电势Ea也逐渐增大，

4、Ia 相应减小，此时电压U 必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持 在 (1.52.0) IN范围内，直到电压升到额定电压UN ， 电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。 降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投 资大。,TS,TL,O,n,n0,T,图4.2 降电压启动,例题4-1 某他励直流电动机,PN=96W,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,Ra=0.078，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用串电阻启动，IS=2IN，计算所串电阻RS和TS；（2）若采用降压启动，条件同上，求电压降至多少并计算TS,(1)解,例题4-1 某他励直流

5、电动机,PN=96W,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,Ra=0.078，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用串电阻启动，IS=2IN，计算所串电阻RS和TS；（2）若采用降压启动，条件同上，求电压降至多少并计算TS,(2)解,4.2 他励直流电动机调速,调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统 的转速以满足生产实际的需要。 1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以 改变转速的方法，特点是：调速时必须停， 多为有级调速，同生活中如变速自行车原理 基本相似。,本章目录,2. 电气调速： 指通过改变电动机有关电气参数 调节转速的方法，特点是简化机械传动与变

6、速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调 速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反 馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统 静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动 化。 3.电气机械调速：指上述两种方法都采用 的混合调速法。（主要介绍电气调速）,4.2.1 他励直流电动机的调速方法,1.降压调速： 降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0 下降，导致转速下降。 2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特 性斜率变大，负载转速降变大，导致转速下降。 3. 弱磁调速 减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁 通减少(N),导致理想空载转速n0与特性斜率 均增加。在一定

7、负载条件下，转速将增大。,说明,注意：调速与转速自然变化的区别。 “转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（1）采用串电阻调速需串入的电阻值；,(1)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，

8、拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（1）采用串电阻调速需串入的电阻值；,(1)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（2）若采用降压调速需把电压降到多少；,(2)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（3）上述两种

9、调速情况下，电动机的输入功率和输出功率（输入功率不计励磁回路的功率）,(3)解,例题4-2 某他励直流电动机,PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,Ra=0.1，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。要求把转速降到1000r/min，计算：（3）上述两种调速情况下，电动机的输入功率和输出功率（输入功率不计励磁回路的功率）,(3)解,例题4-3 例题4-2的他励直流电动机, 仍忽略空载转矩，采用弱磁升速。（1）若要求负载转矩TL=0.6TN时，转速升到n=2000r/min，此时磁通应降到额定值的多少倍？,(1)解,(2)若已知电动机的磁化特性数据如下表

10、,(2)解,Uf=220V,Rf=110，问：在题（1）情况下，求励磁回路所串的电阻值。,(3)若不使电枢电流超过额定电流IN,在按(1)要求减弱磁通的情况下,该电动机所能输出的最大转矩为多少?,(3)解,4.2.2 恒转矩调速与恒功率调速,电动机在额定转速下容许输出的功率主要取 决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流。 在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额 定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许 的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用 限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能 保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从 合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与

11、负载类型相配合的问题。,1.恒转矩调速,调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则 T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方 法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机 供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒 转矩调速。电动机输出功率P=T，T=常数 P ,即电动机转速越低，输出功率越小, P 。,允许输出转矩和功率,2. 恒功率调速,调速中，保持Ia=IN，若n，P =常数。 在保持电枢电流接近或等于额定值 条件下，调速过程中电动机允许输出功 率不变的调速方法称为恒功率调速。如 改变电动机主磁通 的调速方法就属于 恒功率调速方法。,说明,在图中， T=f（n）和 P=f（n） 曲线表示在保 证电动

12、机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输 出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩 和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖 动的负载转矩和负载功率特性来决定。 实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转 矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载。 如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动 机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。,3.调速方式与负载类型配合问题,调速方式与负载类型配合恰当，所选电 动机的体积较经济。在不同转速下，可较充 分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转 矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。 (指转矩及功率选的较小),匹配,最好的配合方式为：恒功率

13、负载，采用 恒功率的调速方法(弱磁调速)；恒转矩负 载，采用恒转矩的调速方法(变电压或变串 入电阻调速)。 这样匹配，使电机在整个调速范围内容 量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速 转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。,调速方式与负载类型配合恰当,(1)恒功率负载与恒转矩调速方法配合,(2) 恒转矩负载与恒功率调速方法配合,例题4-4 某他励直流电动机,PN=17kW， UN=220V，IN=90A，nN=1500r/min，Uf=110V。该电机在额定电压额定磁通时，拖动某负载运行的速度为n=1550r/min，当负载要求向下调速，nmin=600r/min，现采用降压调速方法

14、，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。 （1）负载为恒转矩负载 （2）负载为恒功率负载,(1)解,(2)解,在低速时已过流,说明降低电源电压调速方法不适合恒功率负载,例题4-5 上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。 （1）负载为恒转矩负载 （2）负载为恒功率负载,(1)解,例题4-5 上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。 （1）负载为恒转矩负载 （2）负载为恒功率负载,例题4-5 上例中的电动

15、机拖动负载，要求把转速升高到nmax=1850r/min，现采用弱磁升速方法，计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围。 （1）负载为恒转矩负载 （2）负载为恒功率负载,(2)解,结论：弱磁升速时，若带恒转矩负载，转速升高后电枢电流增大；若带恒功率负载，电枢电流不变。因此弱磁升速，适合于拖动恒功率负载,4.2.3 调速的基本指标,1.静差率(或称相对稳定性) 指同一条机械特性上额定负载时转速降落 n与理想空载转速n0之比。定义为：,静差率,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同

16、的。如：普通机床30%; 起重类机械 50%; ；精密机床 1%;精度高的造纸机0.1% 静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，1=2 ，但静差率不同。,静差率比较,同样硬度的特性， 转速越低，静差率 越大，越难满足生 产机械对静差率的 要求。,2.调速范围D,定义： 指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高 转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动 机转动部分机械强度与换向条件的限制， nmin受低 转速时相对稳定性的限制。,调速范围,不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如： 车床：D= 20 120 ，龙门刨床：D=10 40, 机床进给机构：D=5 200；轧钢机：D=3 120 ; 造纸机： D=3 20 等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。,调速范围,例题4-6 某他励直流电