电机与拖动基础第四章讲义

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1、第4章 直流电机的起动、调速和制动,4.1 直流电动机的起动 4.2 直流电动机的调速 4.3 直流电动机的制动 4.4 直流电动机的各种运行状态 4.5 电力拖动系统的过渡过程 小结,4-1,4.1 直流电动机的起动,4-2,4.1.1 直接起动 4.1.2 电枢回路串电阻起动 4.1.3 降电压起动,电动机接上电源后，转速从零到达稳定转速的过程称为起动过程,起动的原则： 1）起动转矩足够大； 2）起动电流小； 3）起动设备简单，可靠，经济。,4.1.1 直接起动,4-3,不采取任何限流措施，直接加额定电压的起动称直接起动 优点：起动转矩很大，不需另加起动设备，操作简便 缺点：起动电流很大，

2、一般可达额定的1020倍 n=0, Ea=Cen=0 Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra 结论：1)换向情况恶化，产生严重的火花,损坏换向器 2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构 3）因此在起动时，除低压、小容量外，DCM一般不容许直接起动。必须设法限制电枢电流。 4）DCM起动和运行中须保证励磁始终正常。,simulation,4.1.2 电枢回路串电阻起动,4-4,最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩：Tst=CTIst 为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。 有了一定的转速n后，电势Ea不再为

3、0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst也会逐步减小。 为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。 起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。,4.1.2 电枢回路串电阻起动,4-5,分级起动时 可将每一级的 I1（或 T1）与 I2 (或 T2) 取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击,simulation,动画来自http:/202.120.159.3/kejian/caisong/,4.1.2 降电压

4、起动,4-6,对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流, 适用于电动机的直流电源是可调的,simulation,4.2 直流电动机的调速,4-7,4.2.1电枢串电阻调速 4.2.2 改变电枢电源电压调速 4.2.3 弱磁调速 4.2.4 调速的性能指标,拖动一定的负载运行，其转速由工作点决定。如果调节某些参数，则可以改变转速。 n=U/(Ce)-(Ra+Rp)/(CeCT2)T=n0-T 实质上都是改变了电动机的机械特性，使之与负载机械特性的交点改变，达到调速的目的。,4.2.1电枢串电阻调速,4-8,调节电阻Rp增大时，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的

5、交点也会改变，达到调速目的。,优点：设备简单、操作简单。,缺点：只能降速，低转速时变化率较大，电枢电流较大，不易连续调速，有损耗。,simulation,4.2.2 改变电枢电源电压调速,4-9,因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制 所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高 30 %， 实际上改变 Ua 应用在降压的方向，即从额定转速向下调速。 降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。,4.2.2 改变电枢电源电压调速,4-10,电枢由晶闸管整流供电的直流调速,晶闸管装置调节发电机励磁的发电机-电动机机组调速,优点：调速后，转速稳定性不变、

6、无级、平滑、损耗小。,缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）,4.2.3 弱磁调速,4-11,减少励磁电流时，磁通减少，电动机机械特性n0点和斜率增大。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。,因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和， 所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速， 一般可以使转速从额定值向上调节。,4.2.3 弱磁调速,4-12,优点：对功率较小的励磁电路进行调节;控制方便; 能量损耗小;调速的平滑性较高。 常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围,缺点：只能上调。,simulation,4.2.4 调速的性能指标,4-13,1 调

7、速范围D,电动机在额定负载下，最大转速 nmax 与最小转速 nmin 之比，对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算,4.2.4 调速的性能指标,4-14,1 调速范围D,不同生产机械要求的调速范围,4.2.4 调速的性能指标,4-15,2 静差率,相对稳定性的程度用静差率 来表示，是电动机在同一条机械特性上额定负载时转速降落n与该机械特性的理想空载转速n0之比。表明负载变化引起转速变化的大小程度。 静差率与调速范围是互相联系的两项指标， 系统可能达到的最低速 nmin 决定于低速特性的静差率。,不同转速下的静差率,静差率与机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有

8、区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,4.2.4 调速的性能指标,4-16,例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,静差率与机械特性硬度的区别,4.2.4 调速的性能指标,4-17,4.2.

9、4 调速的性能指标,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,4-18,表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统， nN 值一定，由式可见，如果对静差率要求越严，即要求值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。,4.2.4 调速的性能指标,结论： 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,4-19,例题4-1 某直流调速系统电动机额定转速为1430r/min，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率s30

10、%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,4.2.4 调速的性能指标,4-20,解 要求s 30%时，调速范围为 若要求s 20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是,4.2.4 调速的性能指标,4-21,4.2.4 调速的性能指标,4-22,3 调速的平滑性,调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数 j ，即相邻两级转速的转速之比来衡量,j 越小，调速越平滑 j = 1 时称为无级调速，此时转速连续可调。,4.2.4 调速的性能指标,4-23,4 调速时的容许输出,调速运行中，在额定电流状态下，

11、电动机轴上输出转矩与输出功率。,1）恒转矩调速方式,2）恒功率调速方式,4.2.4 调速的性能指标,4-24,4 调速时的容许输出,3）恒转矩调速的配合,恒转矩负载时，按,电动机在D范围内任何n下都可带额定负载。,恒功率负载时,仍须按D的,D范围内任何n下实际需要输出功率,若选择调压调速，电动机须按 选择。,选择电动机，造成浪费，,4.2.4 调速的性能指标,4-25,4 调速时的容许输出,4）恒功率调速的配合,电动机在D范围内任何n下都可带额定负载。,恒转矩负载时，按,恒功率负载时,电动机工作在nmin时，电动机的功率比负载大D倍。,4.2.4 调速的性能指标,4-26,5 调速的经济性,1

12、) 设备投资 2) 运行费用 运行费用决定于调速过程的损耗，用效率h来说明,4.2.4 调速的性能指标,4-27,调速性能比较,4.3 直流电动机的制动,4-28,3.3.1 能耗制动 3.3.2 反接制动 3.3.3 倒拉反转制动运行 3.3.4 回馈制动,制动运转状态 转矩 T 与转速 n 的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能使电动机生产一个负的转矩(即制动转矩)，以增加减速度， 1）使系统较快地停下。 2）使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度,4.3.1 能耗制动,4-29,1. 能耗制动的原理,电路特点 U = 0，制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能

13、变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动,实现：U0，电枢回路串入电阻,4.3.1 能耗制动,4-30,simulation,制动电阻 Rz 愈小，则机械特性愈平，T1 绝对值愈大，制动愈快,2. 能耗制动的机械特性,对于位能性负载，将实现反转，即能耗制动运行。,4.3.1 能耗制动,4-31,3. 能耗制动电阻的计算,制动电阻 Rc 愈小，则机械特性愈平，T1 绝对值愈大，制动愈快，但Ia将超过电动机最大允许电流。,制动电阻 Rc 通常可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出。,4.3.2 反接制动,4-32,1. 反接制动的原理,实现：电枢电压或电动势极性突然改变（励磁反向）

14、 电枢电压和电动势顺极性串联；反接时必须采取限制电枢电流的措施。,功率平衡： 轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻,4.3.2 反接制动,4-33,2. 反接制动的机械特性,simulation,反接制动适合要求频繁正、反转的系统。,4.3.2 反接制动,4-34,3. 反接制动电阻的计算,制动电阻 Rc 也可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出。,结论： 电压反接制动时，需串入大电阻Rc以限制电流 ， Rc2UN/Iamax n接近0时，应断电，否则电动机可能反转,4.3.3倒拉反转制动运行,4-35,1. 倒拉反转制动原理,他励电动机拖动位能性恒转矩负

15、载运行。 电枢支路突然传入较大的电阻，则工作点ABCD，D点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。,在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。电动机的电磁转矩起制动作用，限制了重物的下放速度。,轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻,4.3.3倒拉反转制动运行,4-36,2. 倒拉反转制动的机械特性,动画来自http:/202.120.159.3/kejian/caisong/,根据下放速度的要求，求出制动电阻 Rc的数值。或者也可以根据制动电阻 Rc的数值，求出

16、下放速度。,simulation,4.3.4 回馈制动,4-37,1. 回馈制动的原理,4.3.4 回馈制动,4-38,2.回馈制动的机械特性,simulation,4.3.4 回馈制动,4-39,3.正向回馈制动,他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第II象限，如图中的BC段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。在这一过程中，由于电源电压下降，使得EaU,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。,在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，超过U以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。,4.3.4 回馈制动,4-40,4.反向回馈制动,他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。 反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在E点，电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于反向回馈制动。 反向回馈