电机与拖动4他励直流电动机的运行综述

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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：

2、电动机从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 1.52 I I N N ，因为 T大小是 受机械强度限制， T太大，突然加

3、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。 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=(1.5

4、2.0) 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)，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。 TSTL 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=0.07 8，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

5、动，条件同上，求 电压降至多少并计算TS (1)解 例题4-1 某他励直流电动机 ,PN=96W,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,Ra=0.07 8，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.

6、 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 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

7、励直流电动机的励磁电流If，使每极磁 通减少(1 ，显 然，调速的级数越多， 越接近于1，调速的平滑 性越好。当=1 时，称为无级调速，即在调速范围 内，转速可得到任意值。 4.经济性 在考虑技术指标的同时，还应考虑 设备投资、电能消耗、运行费用等。 表4.1 他励直流电动电动 机三种调调速方法的性能比较较 调调速方法电电枢串电电 阻 降电电源电压电压减弱磁通 调调速方向向下调调向下调调向上调调 50%时时的调调速 范围围 210121.22，34 （与无关） 一定调调速范围围内 转转速的稳稳定性 差好较较好 负载负载 能力恒转转矩恒转转矩恒功率 调调速平滑性有级调级调 速无级调级调 速无级调

8、级调 速 设备设备 初投资资少多较较多 电电能损损耗多较较少少 返回目录 4.3 他励直流电动机制动 电动状态与制动状态 1.电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转 矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电能，输出机械 能，机械特性在直角坐标的第一、 三象限。 2.制动状态 特点：转速n与转矩T方向相反， Ia 与Ea 方向 相同，电机工作在发电状态。 目录 直流电机拖动系统示意图 表4.2 他励直流电电机稳态稳态 运行时时的功率关系 输输入电电枢回路电电磁功率电动电动 机输输出 电电功率总损总损 耗（电电机 ） 空载损载损 耗机械功率 P1pCuaPMp0P2 UIa= Ia2（Ra+

9、R ） +EaIa T=T0+ T2 + 制动的概念 n制动： 指通过某种方法产生一个与拖动系统转 向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。 n制动作用： 它可以维持受位能转矩作用的拖动系统 恒 速运动，如起重类机械等速下放重物。列车 等 速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停 车. 实现制动方法 n实现制动方法有： 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产 生 阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用 于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制 动，是使电动机变直流发电机将系统的机械 能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电 枢电路的总电阻或回馈电网。 电气制动的分类 电气制动方法分： 能耗制动，反接制动，再生

10、制动。 直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析 如 下： (1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断 电 源，机械抱闸，帮助停车。 (2) 降速过程中： 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过 制 动状态。 制动的分类 (3) 提升机构下放重物 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态 。 (4) 反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然 后 才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理 解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。 3.4.2能耗制动 1.能耗制动实现及机械特 性 (1)实现方法： a.电动状态 接触器KM1闭合， KM2断开,转矩T与转速 n相同方

11、向，电枢电流 与反电势方向相反。 b.能耗制动 接触器KM2闭合,KM1 断开(电机原运行在A点 )，电枢脱离电源经电 阻R将电枢短接。 （2）能耗制动分析 U=0, 由于电机惯性， n0，Ea0 ， 在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向， 电 动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。 IB 与原来的IA 方向相反，TB反向，与n相反, 转 速下降，当n=0 ，停车。 （3）能耗制动特性 （4）特性方程及制动电阻 n特性是一条过原点的直线，在第二象限， 特性斜率取决于能耗制动电阻 R。 分析 R越大，特性越斜， R越小，特性越 平，但R不能太小，否则在制动瞬间会产生 过大的冲击电

12、流，取IB=(22.5) IN，IB为制动 瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB ， 有： 2.能耗制动运行 3.能耗制动特点 (i) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成 直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能 性负载的位能转变成电能( EaIa)消耗在电枢电路的 总电阻上I2(Ra+R). (ii) 制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下 降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减 少R，以增大制动转矩T ，此即多级能耗制动 (iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可 实现准确停车。 4.应用 能耗制动多用于一般生产机械的 制 动停

13、车，对于起重机械，能耗制动可使 位能性负载的恒低速下放，确保生产安 全，对反抗性负载能确保停车。 5.功率流程图 表4.3 他励直流电电机能耗制动过动过 程中的功率关系 输输入电电枢回路电电磁功率电动电动 机输输出 电电功率总损总损 耗（电电机 ） 空载损载损 耗机械功率 P1pCuaPMp0P2 UIa= Ia2（Ra+R ） +EaIa T=T0+ T2 0+-+- 4.3.3 反接制动 1.电压反接的反接制动 (1)方法： 将正在运行的电机电枢串入制动电阻 R ，且电枢两端电压极性改变。要实现反接 制动电路有两种，一种手动适合小容量电 动机，另一种是自动线路适合大容量的电 动机采用。 反

14、接制动实现 （2）方程式 方程式 为： (3) 机械特性曲线 特性BC段为电 压反接制动机械特 性曲线，由于制动 状态到 n=0 告终， 所以只有实线部分 为反接制动特性。 (4) 制动电阻R的计算 制动电阻的比较 反接制动过程比能耗制动过程电枢串 入的电阻最小值几乎大一倍 表4.4 他励直流电电机反接制动过动过 程中的功率关系 输输入电电枢回路电电磁功率电动电动 机输输出 电电功率总损总损 耗（电电机 ） 空载损载损 耗机械功率 P1pCuaPMp0P2 UIa= Ia2（Ra+R ） +EaIa T=T0+ T2 +-+- 4.3.4. 倒拉反接制动 又称转速反向的 反接制动或电 动势反接

15、制动 (1) 方法 电枢回路串入大 电阻 （2）特性 从C点至 D点为电动减 速状态，从D 点至B点为发 电状态。 D （3）电阻计算 反接制动时的能量关系 ( 1 ) 电压反接制动时 说明从电源吸收电 能 说明电动 机 从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能 转 化为电能。 上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电 阻上。 ( 2 )电动势反接制动时 说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能 上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能 量关系同电压及制动时一样。 反接制动功率流程图 两种反接制动的异同点 共同点：能量关系相同。 不同点：电压反接制动特性位于第二象限， 制动转矩大，制动效果好，倒拉反转反接制 动特性位于第四象限，机械能来自负载的位 能，不能用于停车。 5.应用 应用： 转速反向的反接制动，可应用于位能负载， 一 般可在nn0 则 EaU ，Ia与Ea同方向，T 与 n 方向相反，电机工作在发电状态，回馈