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1、 3 6直流电动机 直流电动机的励磁方式可以是他励 并励 串励和复励 以并励为例推导直流电动机的基本方程式 一 基本方程式 2 电势平衡式 重要的转速公式 励磁回路 1 电流方程 基本方程式 3 转矩平衡式 推论 2 实际空载时 Ia 0 4 功率平衡式 功率平衡式 功率平衡式 效率 功率流程 二 直流电动机的工作特性 工作特性 是指在U UN If IfN时 转速n 电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系 即 或 机械特性 是指在U UN If IfN时研究n与T之间的关系 即 n f T 一 并励 他励 电动机 时 根据转速公式 可得 n0 理想空载转速 转速下降不多 考虑电枢反应 有
2、可能升高 1 转速特性 考虑去磁 曲线有所下降 2 转矩特性 思考题 为可变损耗 3 效率特性 与Ia之间存在二次关系 效率曲线存在一个最大值 电动机效率特性 结论 当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时 此时效率最高 推论 1 额定运行时总损耗 2 可从额定数据来估算电枢回路总电阻 机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律 机械特性是稍下降的直线 计及饱和 成为水平或上翘 4 机械特性 硬特性 从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化 用转速变化率来表征 1 固有机械特性 当U UN N 电枢回路无外接电阻时 转速与转矩之间的关系 称为固有机械特性 分析 1 电磁转矩越大 转速越
3、低 机械特性是一条下斜直线 固有机械特性分析 2 当转矩等于零点 为理想空载转速 此时Ia 0 Ea UN 是一种理想工作状态 4为机械特性斜率 增大 也增大 通常称 小的机械特性为硬特性 大的机械特性为软特性 3 为电动机的实际空载转速 比n0略低 对应于空载转矩 固有机械特性分析 5 额定转速变化率 表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度 6 n n0时为发电机状态 此时Ea U Ia反向 Ea与Ia同向 向电网送出电功率 7 堵转点 电枢电流 为短路电流 电磁转矩 为电机堵转转矩 2 人为机械特性分析 有三种人为机械特性 1 电枢回路串电阻的人为机械特性 2 改变端电压时的人为机械特性
4、 3 减弱电动机主磁通时的人为机械特性 电枢回路串电阻的人为机械特性 保持U UN及 N不变而在电枢回路中串入电阻Rc 所得的n f T 关系 对于给定的Rc 为常数 电枢回路串电阻的人为机械特性 电枢串电阻人为特性的特点 1 理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同 2 斜率 特性变软 在同一个转矩下 转速下降更多 改变端电压时的人为机械特性 保持每极磁通为额定值不变 电枢回路不串电阻 Rc 0 只改变电枢电压时的机械特性 表达式 一般都为降低的电压 改变端电压时的人为机械特性 改变端电压人为特性的特点 1 理想空载转速比固有特性的理想空载转速低 端电压下降越多 其理想空载转速越低 2 端电
5、压不同 但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等 因此各条特性彼此平行 减弱电机主磁通的人为机械特性 保持端电压为额定值不变 电枢回路不串电阻 Rc 0 只改变励磁电流的机械特性 表达式 额定时 接近饱和 一般都为减弱的磁通 N N 减弱电机主磁通的人为机械特性 减弱电机主磁通人为特性的特点 1 由于 N 理想空载转速比固有特性的理想空载转速高 2 人为机械特性的斜率比固有机械特性大 即人为特性比固有特性软 人为特性的几点补充 1 考虑电枢反应时 会使机械特性上翘 影响稳定性 通过补偿绕组改善 2 机械特性的确定 特殊点 n0 0 nN TN 3 通过电机的数据铭牌估算机械特性 三 电力拖动系统的
6、动力学基础 基础 负载转矩的大小与速度无关 但其方向始终与转向相反 负载转矩特性 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载 恒功率负载 通风机型负载 转矩具有固定的方向 不随转速方向的改变而改变 负载的功率为常数 不随转速的变化而改变 负载的转矩与转速的平方成正比 稳定运行条件 电机的机械特性需要与负载特性同时存在 分析拖动系统运行时 在同一坐标图上 两特性的交点是系统的平衡点 平衡点 稳定点 稳定点 在受到外界扰动后 仍能还原的点 稳定点的条件 恒转矩负载 下降的机械特性电动机能稳定运行 在交点处 转速之上则TTz 当励磁回路断路时 气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁 电枢回路中的感应电势也将随着减
7、小 由于惯性 电机速度不能突变 电枢电流将急剧增加 使电动机严重过载 电磁转矩的变化 1 当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁通的减小程度时 电磁转矩减小 因而使电动机减速 2 当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减小程度时 电磁转矩将增大 使电动机加速 直至转速上升到危险的高值 达到电压平衡 思考题 并励电动机突然励磁失磁 二 串励电动机 1 转速特性 根据转矩公式 2 转矩特性 3 机械特性 转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化 该特性称为软特性 三 复励电动机的工作特性 以并励为主的积复励 当负载转矩突然增加时 电枢电流增大 电枢反应去磁作用增强 串励磁势增加 使主磁通增大 使电磁转矩很快的
8、增大以克服突然增大的负载转矩 使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值 当电枢反应去磁作用很强时 仍能使电机有下降的机械特性 保持其稳定运行 3 7直流电动机的起动 调速和制动 2 起动电流要小 3 起动设备要简单 经济 可靠 一 他励直流电机直接起动 将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动 优点 操作简单 无需另加设备 缺点 冲击电流大 10 20IN 引起换向困难 产生火花 电源会发生瞬时跌落 适用于容量很小的电动机 将起动电阻串入电枢回路 待转速上升后 逐步将起动电阻切除 二 电枢回路串变阻器起动 电枢回路串变阻器起动 三 降压起动 开始时 降低端电压 使Ia 1 5 2 0 IN Ts
9、t 1 5 2 0 TN 随着转速的上升 逐步提高电枢电压 并使电枢电流限制在一定范围内 优点 起动电流小 起动过程平滑 能量损耗少 缺点 需要一套专用的直流发电机或整流电源 投资费用大 二 直流电动机的调速 机械调速 改变传动机构的传动比改变工作机构的速度 电气调速 人为改变电动机的参数 如端电压 励磁电流或电枢回路电阻 使同一机械负载得到不同转速 电动机驱动生产机械 对电动机的转速不仅要能调节 而且要求调节的范围宽广 过程平滑 调节的方法简单 经济 直流电动机调速 直流电动机的转速公式 一 改变励磁调速 If1 If2 从两个稳定点P Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高 弱磁调速的过程
10、If减小瞬间 弱磁调速 2 假定磁路不饱和 不计电枢反应和IaRa的变化 3 恒转矩负载 基本不变 弱磁调速特点 优点 设备简单 调节方便 能耗小 缺点 单方向调节 转速调得过高 励磁过弱 电枢电流变大 换向变坏 出现不稳定 二 改变端电压调速 保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻 仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的 称为降压调速 U1 U2 U3 电压越低 转速越低 调速方向从基值往下调 1 降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线 无论是满载 轻载还是空载都有明显的调速效果 2 由于人为特性硬度不变 低速时由于负载变化引起的转速波动不大 静态稳定性好 调速范围大 3 可平滑调节
11、端电压 使转速平滑调节 实现无级调速 4 调节过程能量损耗小 调压调速的特点 三 改变电枢回路电阻调速 保持U UN且 N不变 电枢回路中串入调速电阻Rc 使同一个负载得到不同转速的方法 称为电枢串电阻调速 串电枢电阻调速 2 低速时 机械特性很软 当负载变化时 转速波动很大 静态稳定性差调速范围不大 3 由于电阻的不连续调节 因此速度调节不平滑 属有级调速 4 电枢电流在Rc上消耗的能量大 调速时效率低 效率与转速成正比 调速性能指标 1 调速范围 电动机在额定负载转矩下调速时 最高转速与最低转速之比 用D表示 2 静差率 相对稳定性 也称转速变化率 指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化
12、率 静差率越小 转速的相对稳定性越好 3 调速的平滑性 无级调速平滑性最好 有级调速由相邻两级转速中 高一级转速与低一级转速之比 4 调速时电动机的容许输出 电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩 不同的调速方法允许的输出不同 5 经济性 电动机调速时的容许输出 在某转速下 电机即能充分利用 又能安全运行时输出的功率和转矩称为 调速时的允许输出功率和转矩 1 调压调速的允许输出 在整个调速范围允许输出转矩为常数 恒转矩调速方式 允许输出功率与转速成正比 弱磁调速时的允许输出 弱磁调速时 保持电流I IN 弱磁调速时 在整个调速范围内的允许输出功率为常数 是恒功率调速方式 其允许输出转矩与转速成
13、反比 负载与调速方式的配合 两种调速方式 在整个调速范围内 除n nmax外所有的转速点 输出转矩多小于允许输出 速度越低 电机越不能充分利用 相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些 三 直流电动机的制动 直流电动机的两种运转状态 1 电动运转状态 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同 此时电网向电动机输入电能 并转变为机械能带动负载 2 制动运转状态 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反 此时电动机吸收机械能转变为电能 电动机很快停车 或者由高速运行很快进入低速 要求制动运行 直流电动机的制动 断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 一 能耗制动的方法和原理 保持励磁电流
14、If的大小及方向不变 将开关接至RT 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合 能耗制动时的机械特性 能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式 得到能耗制动时的机械特性 制动过程 能耗制动的特点 二 反接制动 转速反向的反接制动 If及端电压UN不变 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT 使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限 不同的RT 可得到不同的稳定转速 T 转速反向的反接制动 能量关系 U及Ia的方向与电动状态相同 UIa表示由电网输入的功率 Ea的方向与电动状态时相反 EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率 UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻Ra RT上 T 电枢反接的
15、反接制动 保持If不变 将开关向下合闸 使电枢经制动电阻RT而反接于电网上 参数特点 N U UN R Ra RT T 电枢反接的反接制动 机械特性 能量关系 从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上 T 电枢反接的反接制动 特点 1 可以很快使机组停机 2 需要加入足够的电阻 限制电枢电流 3 反抗性负载 转速至零时 需切断电源 三 回馈制动 当转速高于某一数值时 电枢电动势大于端电压 电机进入发电状态 电磁转矩起制动作用 限制转速上升 位能转换为电能 回馈到电网 分反向和正向回馈制动 1 电压反向的反接制动 2 反向电动状态 3 回馈制动 T 反向回馈制动 回馈制动的下放速度 系统储存的位能转换成电能送回电网 T 正向回馈制动 1 电车下坡 2 过渡回馈制动过程 降压运行 T 回馈制动 回馈制动过程中 有功功率UIa回馈电网 从电能消耗看 回馈制动是最经济的一种制动方式 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点 思考题 设有一并励电机接在电网上 试比较当该机作为发电机运行时和作为电动机运行时的旋转方向 发电机Ea U Ia与Ea同向 电动机Ea U Ia与Ea反向 作业 p344习题17 4 17 5 17 10
