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1、第二章 直流电动机的电力拖动,第二章 直流电动机的电力拖动,凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般构成如图所示。,本章首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍电动机和生产机械的转矩特性，最后主要研究他励电动机应用的四大问题起动、反转、制动、调速,第一节 电力拖动系统的运动方程式,电力拖动系统中所用的电机种类很多，生产机械的性质也各不相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。,一、单轴电力拖动系统
2、的运动方程式,单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。,熟悉的直线运动方程,旋转运动的电力拖动系统运动方程,二、电力拖动系统运动状态分析,一个电力拖动系统处于静态（静止不动或匀速）还是动态（加速或减速），都可以从运动方程式来判定，当电力拖动系统的正向运动状态时分析如下： 1).当L时，dn/dt=0，则n0 或n常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。 2).当L时，dn/dt 0 ，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。 3).当TTL 时，dn/dt 0 ，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过程。,例2-1 分析下图中电力拖动系统的运动状态。,解：
3、设a图为正向运动，T帮助正向运动为正， TL 反对正向运动为正，且TTL，所以运动方程式中： T - TL 0，dn/dt0，系统处于正向减速状态。 设b图为反向运动， T帮助反向运动为负， TL 帮助反向运动为正， 且数值上T=TL，所以运动方程式中： -T- TL0，dn/dt0，系统处于反向加速状态。,第二节 生产机械的负载转矩特性,不同生产机械的负载转矩TL随转速n变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即n=f(TL)。各种生产机械的特性大致可分为以下三种类型,恒转矩负载特性,恒功率负载特性,通风机型负载特性,恒转矩负载特性,TL=常数，与转速n无关,反抗性恒转矩负载特性,位能性恒转矩负
4、载特性,负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，如轧钢机、机床的平移机构、电力机车等。,当下放重物时负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。,起重设备提升重物时，负载转矩TL为阻力矩，与电动机旋转方向相反,位能性负载转矩由重力作用产生，其大小和方向始终不变,恒功率负载特性,通风机型负载特性,PL=常数,TL=9.55P/n,TL=Kn2,例：车床切削粗加工时,切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小(TL小)，用高速档,电扇、水泵、油泵等,注意：以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。,第三节 他励
5、直流电动机的机械特性,直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。,他励直流电动机的机械特性,理想 空载 转速,机械特性的斜率,转速降,斜率越小，特性越平，称为硬特性。反之称为软特性,机械特性曲线,实际空载转速,一般表达式,他励电动机的接线图,一、他励直流电动机的机械特性,1、他励电动机的固有机械特性,U=UN、=N， Rpa=0的机械特性称固有机械特性,Rpa=0, Ra很小， =N数值最大，机械特性斜率最小，他励直流电动机的固有机
6、械特性是硬特性。,一、他励直流电动机的机械特性,2、人为机械特性,如果人为地改变固有机械特性中的气隙磁通、电源电压和电枢回路电阻Rpa中的任意一个参数，这样的机械特性称为人为机械特性。,（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性,斜率 增加,n0 不变,2、人为机械特性,(2)改变电源电压的人为机械特性,(3)改变磁通的人为机械特性,U降低， 不变，n0减小,(2)改变电源电压的人为机械特性,减小， 增大，n0增大,二、电力拖动稳定运行的条件,电力拖动系统的稳定运行，是指在某种外界因素(如电网电压波动或负载的微小变化)的扰动下，系统离开原来的平衡状态，达到新的平衡状态；或当外界因素消失后，仍能恢复到
7、原来的平衡状态。 前面分析了生产机械的负载转矩特性nf(TL)和电动机的机械特性n=f(T)，把两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。 电动机在电力拖动系统中运行时，会使系统出现稳定运行和不稳定运行两种情况。,电力拖动系统稳定运行的必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点： 即 T=TL 电力系统要稳定运行的充分条件：两条特性配合恰当，即在交点处满足：dT/dndTL/dn,二、电力拖动稳定运行的条件,电力拖动系统稳定运行的分析,结论：下斜的机械特性与恒转矩负载配合, 系统能够稳定运行; 上翘的机械特性与恒转矩负载配合, 系统不能稳定运行。,恒转矩负载特性在A点的斜率：
8、dn/dTL=,则dTL/dn=0,下斜的机械特性在A点其dn/dT0,则dT/dn0，在A点满足dT/dndTL/dn,上翘的机械特性在A点其dn/dT0,则dT/dn0，在A点不满足dT/dndTL/dn,稳定运行,不稳定运行,系统电压波动机特,系统电压波动机特,1、全压起动,第四节 他励电动机的起动和反转,起动：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。,一、他励直流电动机的起动方法,额定电压加于电动机的电枢两端，由于起动瞬间n=0， Ea=0， 由U=EaIaRa故起动电流和转矩分别为 ：,他励电动机的全压起动,先合Q 1,再合Q2,例2-2 一台他励直流电动机，,计算：,
9、1）全压起动时的起动电流。 2）在额定磁通下起动的起动转矩。,解 1）求起动电流：,起动电流是额定电流的14.3倍,2）求起动转矩：,略空载转矩T0,当不考虑电枢反应去磁的影响，磁通不变,则Tst Ist，,所以,后果,引起电网电压下降，影响电网上其他用户,使电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机,过大的冲击转矩，机械轴过度冲击，损坏传动机构,从上例可以看出，由于电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的（1020）倍。起动转矩也相当大。,所以，直流电动机一般不允许全压起动。起动设备简单、操作方便的全压起动只适用于容量很小的直流电动机。,（1）要有足够大的起动转
10、矩(TstTL)。 （2）起动电流要限制在一定的范围内。 （3）起动设备简单、可靠，操作方便，起动时间短。,对直流电动机的起动的要求：,电枢回路串电阻起动,减压起动,注意：起动时应保证电动机的磁通为最大值，以在限制起动电流的情况下使转矩较大。,对于容量较大的电机，为限制起动电流，可用,2、减压起动,减压起动即起动前将电源电压降低，以减小起动电流Ist。为获得足够的起动转矩（TstTL），起动时电流通常限制在(1.52)IN 内，则起动电压应为： Ust=IstRa=(1.52)INRa 当n，Ea Ia, Tst 须U 保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。至U=UN，起动结束。,3、电枢回路
11、串电阻起动,电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻Rst，达到限制起动电流的目的。,例2-3 上例中的电动机若限制起动电流不超过100，求 1)采用减压起动，起动电压是多少？ 2)采用电枢回路串电阻起动，则开始时应串入多大电阻？,解：1) 起动电压 UstIstRa1000.286V28.6V 2) 起动电阻 RstUNIst-Ra220/100-0.2861.914,可见串入一个不到2的电阻，就可将电流从769.2A降至100A，限流效果十分明显。,电枢串电阻起动后，n，Ea Ia Tst 加速减慢，为了缩短起动时间，保持电动机在起动过程中的加速不变，理
12、论上应将起动电阻平滑地切除，但实际中把起动电阻分成24段逐级切除（称分级起动），最后使电动机转速达到运行值。下面以4 级起动为例进行分析。,采用4级起动时电动机的电路接线图 及其机械特性,串入全 部电阻,逐级切 除电阻,稳定运行点,二、他励直流电动机的反转,要使电动机反转，必须改变电磁转矩T的方向。,只要将磁通和Ia任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种：,由：,1、改变励磁电流方向 ：保持电枢两端电压极性不变，将 励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向。,2、改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流a
13、即改变方向。,实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机的反转。,第五节 他励直流电动机的制动,电动机的两种运行状态：,电动状态 ：T与n方向相同，机特、象限,制动状态 ：T与n方向相反，机特、象限,制动方法：,能耗制动,反接制动,回馈制动,制动目的：快速停车（反向）或限速。,一、能耗制动,制动原理：电动机靠生产机械惯性力的拖动切割磁场而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电动机停止转动为止。,能耗制动U=0,运行时KM1常开闭合，与电源连接；,制动时连接电阻Rbk,制动时，T与n方向相反,制动时KM1 常闭接通,原运行于a点 制动时，对于 反抗性负载将
14、经b点到达O点 停下来。,能耗制动时的机械特性,U=0,机特过原点,斜率取决于限流电阻Rbk,一般限流：IbK(22.5)IN,对位能性负载 将达到C点。,二、反接制动,1.电枢反接制动,制动原理：Ibk产生很大的反向电磁转矩T，从而产生很强的制动作用，n 快速下降。,U=-UN, R=Ra+Rbk,机械特性过-n0,机械特性：,制动过程,当制动的目的为停车时，在电机n0时，须立即断开电源。,为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻Rbk,一般：Ibk(22.5)IN,故,制动电阻的计算：,电枢反接制动过程中，电动机一方面向电源吸取电功率P1UI，另一方面将系统的动能转换
15、成电磁功率PemEaIa，这些电功率全部消耗在电枢电路的电阻(RaRbk)上。其能量损耗很大。,电机的能耗：,二、反接制动,2.倒拉反接制动,只适用于位能性恒转矩负载，下放重物,U=UN，电枢串大电阻Rbk,机械特性过+n0，与负载特性的交点落在第象限,从提升重物至下放重物过程：abcd ， Rbk越大，下放转速也越大。,三、再生制动,当电动机的n n0时，Ea U，Ia方向与电动运行状态相反，T的方向与电动运行状态时相反，为制动性质，P10，电机向电源回馈电能，此时电机的运行状态称为再生制动。,当位能性负载进行电枢反接制动，当n=0时，如不切除电源，电机便在电磁转矩和位能负载转矩的作用下，迅速反向加速，至 n n0时，电机进入反向再生制动状态，此时因n为负，T为正，机械特性位于第IV象限，最终稳定下放重物运行于d点,反向再生制动对位能性负载下放时起限速作用。所串电阻Rbk越大，下放速度越高，安全性越差。所以常切除电阻，称在固有机特上，下放重物。,四、制动问题计算,以上定性分析他励直流电动机的各种制动原理，从机械特性的角度分析对应的制动过程。 制动问题的计算则用电动势平衡方程式，代入不同制动条件来进行求解，较为方便。 一般先求出 ， 然后分别针对快速停车和稳定下放重物两类问题，进行计算。,（1）快速停车 已知瞬时制动电流（ ）
