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1、,电机与拖动基础Basis of Electric Machines and Drives,西南科技大学信息工程学院 冯月晖,Email: ,第4章 他励直流电机运行,他励直流电动机的起动,电枢回路串电阻起动,降压起动,电枢回路串电阻调速,他励直流电动机的制动,他励直流电动机的调速,第四章 他励直流电动机的运行,降低电源电压调速,减弱磁通调速,调速指标,能耗制动,电压反接制动,回馈制动,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。,起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为,为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电
2、枢回路串电阻或降低电枢电压起动。,起动时由于转速 ，电枢电动势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,一、起动过程,4.1.1 电枢回路串电阻起动,三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,二、分组起动电阻的计算,4.1.1 电枢回路串电阻起动,设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3
3、，则有：,b点,c点,d点,e点,f点,g点,比较以上各式得：,在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,二、分组起动电阻的计算,4.1.1 电枢回路串电阻起动,（6）计算各级起动电阻。,（1）估算或查出电枢电阻 ；,（2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流,（3）选取起动级数 ；,计算各级起动电阻的步骤,第四章 他励直流电动机的运行,4.1 他励直流电动机的起动,4.1.2 降压起动,当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。,起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着
4、电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。,降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后
5、，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,一、电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻Rs1后,工作点由AAB,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,一、电枢回路串电阻调速,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,一、电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操
6、作方便。,2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；,3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,二、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,第四章 他励直
7、流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,二、降低电源电压调速,优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,三、减弱磁通调速,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,三、减弱磁通调速,减弱磁通调速
8、前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论： 磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.1调速方法,三、减弱磁通调速,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在
9、额定转速以下采用降压 调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.2调速指标：,一、调速范围:,二、静差率（相对稳定性）：,%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。,D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.2调速指标：,三、调速的平滑性,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，
10、级数有限，称为有级调速。,四、调速的经济性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,例题：,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.3 调速方式与负载类型的配合,容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。,充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。,当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。,以电机在不同转
11、速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.3 调速方式与负载类型的配合,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。,电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：,第四章 他励直流电动机的运行,4.2 他励直流电动机的调速,4.2.3 调速方式与负载类型的配合,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。,减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即
12、电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：,为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。,4.3.1 能耗制动,在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。,制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。,需要制动时,将开关S投
13、向制动电阻 上即可.,由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转,电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.1 能耗制动,能耗制动时的机械特性为：,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,若电动机带位能性负载,稳定工作点,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.1 能耗制动,但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是,能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动
14、电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。,改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。,例题：,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.2 反接制动,电压反接制动时接线如图所示。,一、电压反接制动,开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：,反向的电枢
15、电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电压反接制动。,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.2 电压反接制动,一、电压反接制动,机械特性为：,曲线如图中 所示。,工作点变化为： 。,制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正.,可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.2 电压反接制动,二、倒拉反转反接制动,倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。,电枢回路串入较大电阻 后特性曲线,正向电动状态提升重物(A点),负载作用下电机反向
16、旋转(下放重物),电机以稳定的转速下放重物D点,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.2 电压反接制动,二、倒拉反转反接制动,倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有,倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。,倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。,例题：,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.3 回馈制动,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况,此时 ， 反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。,稳定运行有两种情况:,当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限,电压反接制动带位能性负载进入第四象限,第四章 他励直流电动机的运行,4.3 他励直流电动机的制动,4.3.3 回馈制动,发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况,回馈制动时由于有功功率
