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1、第3章 第3章 直流电动机的运行与电力拖动 直流电动机的机械特性3.1 直流电动机的起动3.2 直流电动机的调速3.3 下 页 直流电动机的制动3.4 第3章 本章重点 n他励直流电动机的固有机械特性和人为机械 特性特点 。 n他励直流电动机的起动方法、原理。 n他励直流电动机的调速原理、方法和调速性 能指标的含义 n他励直流电动机各种制动的原理、方法、特 点、机械特性、制动电流和制动电阻的计算 下 页 第3章 n直流电动机的运行情况：起动、调速、制动 分析直流电动机的运行情况的基础 直流电动机的机械特性 n电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是 负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称 电力
2、拖动。 分析直流电动机的电力拖动的基础 直流电动机的机械特性、系统旋转运动 的三种状态、负载的机械特性 概述 下 页上 页返 回 第3章下 页上 页返 回 单轴电力拖动系统 1.电力拖动系统的运动方程式 回顾 电动机的旋转方向为转速n的正方向， 规定： 1）电磁转矩T与转速n的正方向相同时为 正； 2）负载转矩TL与转速n的正方向相同时为 负； 3）惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。 略空载转矩 第3章 2.系统旋转运动的三种状态 1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态， 即处于稳态。 2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即处于 动态。 3)当 或 时,系统处于减速运行状态
3、，即处于 动态。 下 页上 页返 回 第3章 3.负载的机械特性 恒转矩负载特性 n 恒转矩负载是指负载转矩TL为常数， 其大小与转速n无关。 n恒转矩负载分：反抗性负载特性和位 能性负载特性。 1）反抗性负载转矩TL的方向总是与转速 n的方向相反，特性位于一、三象限； 2）位能性负载转矩TL的方向与转速n的 方向无关，特性位于一、四象限。 负载的机械特性是指生产机械的负载转矩与转 速之间的关系即：n=f(TL) 下 页上 页返 回 第3章 恒功率负载转矩特性 n当转速n变化时，负载功率基本不变，TL 的大小基本上与转速n成反比 下 页上 页返 回 通风机、泵类负载转矩特性 nTL的大小基本上
4、与转速平方成正比 理想的通 风机特性 实际通风 机特性 第3章 4.电力拖动系统稳定运行的条件 1)必要条件：电动机机械特性与负载特性必须相交，在交 点T=TL 处实现转矩平衡。 2)充分条件：在交点处有 在交点所对应的转速之上（ ），应保证TTL （使电动机加速）。 下 页上 页返 回 第3章 本次课程内容 直流电机的固有机械特性和人为机械特性、电 枢反应对机械特性的影响、固有机械特性和人为机 械特性的求取；他励直流电动机的起动方法、起动 电阻计算。 下 页上 页返 回 第3章 3.1 直流电动机的机械特性 3.1.1机械特性的一般表达式 n基础： n机械特性：指电源电压U、气隙磁通、电枢回
5、路电阻Ra均 为常数时，电动机的电磁转矩T与电力拖动系统的转速n之间 的关系，即n=f(T)。（ T与n 都是机械量） n=n0n=T是电动机在某一定负载和电枢 电路电阻时理想空载转速与实际转速之差 下 页上 页返 回 第3章 n当U、R为常数时，机械特性曲线为一条向下倾斜的直线 。 电枢反应对机械特性的影响，可能使特性在T较大时上翘 。 机械特性的斜率 :越大，特性越陡，称为软特性； 越小，特性越平，称为硬特性； 表明机械特性曲线的下垂程度。 注意电动机空载运行时，存在空载损耗，电动机要输入一定的电枢 电流产生电磁转矩与由摩擦等原因的空载转矩平衡，电磁转矩 T不为零等于空载转矩T0，此时电动
6、机转速为实际空载转速。 n 下 页上 页返 回 第3章 n硬度：斜率的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点 转矩对该点转速的导数，即： 越大（ 越小），特性越硬，称为硬特性，即T 变化时，n 的变化不大。 n n额定转速变化率：额定转速降对 额定转速的比值用百分数表示， 即： 下 页上 页返 回 第3章 n电枢反应对机械特性影响 当电枢电流较大时，电枢反应的去磁作用较大，使 ， 则n0，即n特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不 利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为 稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应 的去磁作用。 加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积
7、复励电动机， 但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反 应时的他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。 这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响,认为 为常数。 下 页上 页返 回 第3章 各种直流电动机的机械特性 1.他 (并)励电动机：较大，称为硬特性 2.串励电动机:较小，称为软特性。 下 页上 页返 回 第3章 3.1.2固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电 源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外串电阻 R=0时的机械特性，其数学表达式为： 下 页上 页返 回 第3章 n起动时n=0，感应电动势Ea=0，电枢电流称为起动电流 n斜率 ，由于Ra
8、 很小，转矩T 增大时， n下降很少，他励电动 机的固有机械特性是一条比较平 的下降曲线。 n理想空载时，T=0，Ia=0， UN=Ea，n=n0 固有机械特性特点 ： n额定转速降nN%较小。 电磁转矩称为起动转矩 下 页上 页返 回 第3章 3.1.3 人为机械特性 人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变R或变得到 的机械特性。 固有特性的条件：电源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外 串电阻R=0 1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性 条件：当U=UN， =N，电枢回路外串电阻R时 下 页上 页返 回 第3章 TL 是一簇通过理想空载点 并具有不同斜率的射线 n特点 （1）理想空载转速
9、n0不变。 （2）机械特性的斜率 随 的增大而增大，特性硬度减小、 变软。 （3）负载转矩一定时，串接电阻越大，转速越低，转速降越大 。 n应用 研究他励直流电动机串电阻分级起动；起重机和 电车常用的调速方法。 下 页上 页返 回 第3章 2.改变电动机供电电源的人为特性 条件：当UU1U2U3 第3章 3.改变磁通时的人为特性 条件：当U=UN， 0； 先通励磁电流，而后加电枢电压； 起动时应保证电动机的磁通达到最大值 ； 在同样的起动电流下，大则Tst大；而在同样 的起动转矩下，大则Ist就可以小一些。 下 页上 页返 回 第3章 一般不能加额定电压直接起动； 如果起动时直接将额定电压加至
10、电枢两端，称为直接起动， 一般电动机电枢绕组电阻Ra很小，Ist可能达到额定电流的十 多倍。虽然当一定时，Tst与 Ia成正比， Ist越大， Tst 也越大 ，可缩短起动时间，但Ist过大会引起换向恶化，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。而且 Tst大小是受机械强度限制， Tst太大，突然加到传动机构上， 会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。 一般起动时应设法限制起动电流不超过额定电流的1.52倍。 n限制Ist的方法：降低电枢电压起动，电枢回路串电阻起动。 下 页上 页返 回 第3章 3.2.1 直接起动 n起动过程：励磁绕组接入 额定电流并保持不变，
11、电 枢绕组接通电源， 使TstTL，电动机加速；随 nEaIaT，直到 T=TL，起动结束，电动机 以转速nA稳定运行。 下 页上 页返 回 第3章 3.2.2 降电压起动 n 降压起动需要一套可以 调节的直流电源，初投资大 。 UNU1U2U3 复习 改变电枢电压时的人为特性 下 页上 页返 回 第3章 n起动过程：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 U4=(1.52.0) INRa，随着转 速n的上升，电势Ea也逐渐 增大，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)，使 Ia保持在 (1.52.0) IN范围 内，保证加速转矩(T2-TL)恒
12、定，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。 n发展：过去可调的直流电源 采用直流的发电机-电动机组， 现在多用晶闸管整流电源代替 。 n优点：起动平稳，起动过程中 能量损耗小。 0 TLT2Tst T n n0 n01 n02 n03 n04 UN U1 U2 U3 U4 固有特性 UNU1U2U3U4 降压起动的机械特性 下 页上 页返 回 第3章 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 3.2.3 电枢回路串入电阻起动 复习 电枢回路串电阻时的人为特性 TL 下 页上 页返 回 第3章 1）串入恒值电阻起动 n在电枢回路串入固定的起
13、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 。 n缺点：起动时间tst 较长，稳 态转速nA低，长期串入电阻 不经济。 下 页上 页返 回 第3章 n为了在起动过程中使电枢电流 和转矩被限制在允许的范围之 内，采用分级起动。 n起动过程 r1+ r2=R2 2)分级起动(逐级切除起动电阻的起动 ) 下 页上 页返 回 第3章 逐级切除起动电阻的起动分析 n起动瞬间，电枢回路总电阻为 n要求 r1+ r2=R2 下 页上 页返 回 第3章 切换电流或切换转矩(I2或T2，电阻切除时的电流或转矩) n求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要 保证在切换
14、时的加速度转矩( T2和TL之差 )不过小。过大， 加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多； 过小，dn/dt小，延缓起动过程。 r1+ r2=R2 下 页上 页返 回 第3章 n综合考虑 选I2= （1.21.5 ）IL，则切换转矩 T2= （1.21.5 ）TL 。 电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选 m=34，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复 杂。运行不可靠性增大。 r1+ r2=R2 下 页上 页返 回 n表示起动电流(起动转矩) 之比 = I1/I2=T1/T2 第3章 3）起动电阻的计算方法 解析法计算起动电阻 忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换
15、电阻瞬间突变，而 在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变 。 r1+ r2=R2 nb=ncEb=Ec b点 ： c点 ： 下 页上 页返 回 第3章 计算公式 如有m级，则通用公式为： 各段电阻值： 式中Rm为最大起动电阻： m为起动级数，一般取 m=34, m大，起动平滑 ，但设备多。 I1为起动电流；I2为切换电 流，IL为负载电流。 下 页上 页返 回 第3章 n由m求时 n由 求m 时 m取整数，然后代入式中，修正 ，之后再求各级起动电阻 。 n计算步骤 下 页上 页返 回 第3章下 页上 页返 回 例：他励直流电动机，PN =22W，UN220V，IN120A，
16、nN800r/min，TL0.8TN，用三级起动。试求起动电阻值 第3章 下 页 上 页返 回 第3章 课后复习要点 1.机械特性方程式 2.固有机械特性和人为特性特点，机械特性的求取； 3. 他励直流电动机的起动方法、起动电阻的算法； 4.预习直流电动机的调速方法和原理。 5.思考：3.2、3.7、3.8、3.9、3.12 6.作业：P83 3.13 上 页返 回 第3章 思考题 下 页 1.什么是他励直流电动机的固有机械特性？ 2.直流电动机的起动方法有哪些？ 3.直流电动机的人为机械特性都比固有机械特性软吗？ 4.直流电动机串多级电阻起动，在起动过程中，每切除一级 起动电阻，电枢电流都会突变吗？(不考虑过渡过程) 他励直流电动机的固有机械特性是指在（U=UN、=N、 电枢不串电阻）的条件下，（电磁转矩T）和（电机转速n ）的关系。 降压起动、电枢
