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1、第二章 直流电机的电力拖动,电力拖动系统是由电动机拖动生产机械的系统。,生产机械称为电动机的负载。,电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源5部分组成。,研究各种运动状态的动、静态特性，解决起动、制动和调速三大问题。,2.1 电力拖动系统的运动方程式,电力拖动系统是由电动机拖动生产机械运转的一个动力学整体，所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不相同，但从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律。,单轴拖动系统是指电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。,n,T,TZ,一、单轴拖动系统的运动方程式,电磁转矩T为驱动转矩 使电枢转动。在电机稳速运行时，T和机械负载转矩及空
2、载损耗转矩相平衡，即,T2: 机械负载转矩,T0: 空载转矩,制动,生产机械的总负载转矩,与直线运动时相似，做旋转运动的拖动系统的运动平衡方程式为式中 电动机的拖动转矩（电磁转矩）（Nm） 生产机械的阻力矩（负载转矩）（Nm） 拖动系统的旋转角速度（rad/s） J拖动系统的转动惯量（kgm2）,GD2转动物体的飞轮矩（Nm2）,g重力加速度（m/s2）,它是电动机飞轮矩和生产机械飞轮矩之和，为一个整体的物理量，反映了转动体的惯性大小。,（1）首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为规定正方向。（2）转速的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。（3）电磁转矩T的方向：T与 n（+）相同时为正
3、。（4）负载转矩TZ的方向：与n（+）相反时为正。（5）GD2是表征整个旋转系统惯性的一个物理量，是一个完整的符号,不能理解为G、D2的乘积。（6）如果查出的飞轮矩以kg.m2为单位，则必须乘以9.80。,设外加电枢电压 U 一定，T=TZ (平衡)，此时，若TZ突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,TZ ,n,Ia ,T ,Ea,当T=TZ 时, d n/d t =0，电力拖动系统处于平衡状态,当 时，d n/d t 0，电力拖动系统处于加速状态。 当 时，d n/d t 0，电力拖动系统处于减速状态。,飞轮力矩GD2越大，系统惯性越大，转速变化就越小，系统稳定性好，
4、灵敏度低；惯性越小，转速变化越大，系统稳定性差，灵敏度高。,常见的传动装置如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、皮带轮,生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多为多轴拖动系统。工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出功率一定时，即P=T=常数，当 T ，由于T=CMIa ，则 Ia 和 ， Ia 导线粗； 铁磁材料多。 一般设计电动机速度高，通过提高 降低 T , 节省材料。,二、多轴拖动系统的运动方程式,多轴系统折算,分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算”。 折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变
5、。 折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。,利用运动方程式进行计算，只是式中的TZ是实际负载转矩 折算到电动机轴上的。式中的飞轮矩GD2是整个运动机构折算到电动机轴上的等效飞轮矩。,1.负载转矩的折算,1）电动机工作在电动状态,2）电动机工作在发电制动状态,功率传送方向不同则,(1)提升重物时，传动机构损耗的功率：,(2)下放重物时，传动机构损耗的功率：,(3)假设提升和下放重物时，传动机构损耗的功率相等：,重物下放时，机械输出的功率不足以克服传动机构的损耗功率。,2.2 生产机械的负载转矩特
6、性,生产机械的转速n与负载转矩TZ 之间的关系,分类 恒转矩负载特性（TZ为常数） 恒功率负载特性（P为常数） 通风机负载特性,一、恒转矩负载特性（TZ为常数）,1. 反抗性恒转矩负载（摩擦转矩） l 恒与运动方向相反，阻碍运动符号有时为正，有时为负 l 如：金属切削机床等（切削力）,2. 位能性恒转矩转矩 具有位能部件 作用方向恒定，与运动方向无关 符号总是正的l 如：卷扬机起吊重物等,二、 恒功率负载转矩特性,特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。根据 如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。适用于金属切削车床。,粗加工时，n 低，T 大； 精加工时，n 高， T小。,三、通风机负载特性,阻力
7、与转速平方成正比，即有：如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓风机负载转矩。,2-3 他励直流电动机的机械特性,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系,一、直流电动机机械特性的一般形式,二、他励直流电动机的固有机械特性,固有机械特性指的是当 电机的电磁转矩和转速间的关系,TN,nN,nN,并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性）。,nN%很小，大约为3%8%,额定转速调整率nN,大的机械特性为软特性,一台他励直流电动机，PN=40KW，UN220V，IN210A，nN750 r/min，试求：固有机械特性,人为机械特性是人为地改变
8、电动机电路参数或电枢电压而得到的机械特性，一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个。他励电动机有下列三种人为机械特性。,三、他励直流电动机的人为机械特性,1、电枢回路串电阻时的人为机械特性,2、改变电枢端电压时的人为机械特性,3、减弱电动机主 磁通时的人为机械特性,1、电枢回路串电阻时的人为机械特性 保持 ，在电枢回路串电阻 ，所得到的人为机械特性的方程式为 与固有特性相比， 不变，但 增大。 越大， 也越大，特性变“软”，如图曲线1, 2所示。 这类人为机械特性是一组通过 但具有不同斜率的直线。,（2）改变电枢端电压时的人为机械特性 此时 ， ，特性方程式为电动机的额定电压是工作电压的上限，因
9、此改变电压时只能在低于额定电压的范围内变化。与固有特性相比较， 特性曲线的斜率不变， 理想空载转速 随电压减小成正比减小，故改变电压时的人为特性是一组低于固有机械特性而与之平行的直线。,3减弱电动机主磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路内串接电阻 或降低励磁电压 来减弱磁通，此时 ， 特性方程式为 由于磁通 的减少，使得理想空载转速 和斜率 都增大。,T ,n不突变,四、 电力拖动系统稳定运行的条件,匀速运行电力拖动系统,短时的扰动,负载的突然变化,电网电压波动,新的平衡,1. 电力拖动系统的平衡状态,当T=TZ 时, d n/d t =0，电力拖动系统处于平衡状态,A,电力拖动系统处于平衡状
10、态,2. 电力拖动系统的稳定平衡状态,B,C,D,U ,n ,n ,T ,T Tz,T =Tz 原来平衡,稳定平衡状态,3.电力拖动系统稳定运行的条件,（1）必要条件：两条特性曲线有交点（2）充分条件：在交点上满足,恒转矩负载,机械特性曲线应是往下倾斜,大多数：,nTZ（或者保持恒值）,只要电动机具有下降的机械特性,一般：,电动机如果具有上升的机械特性,不稳定,不论对直流电动机还是交流电动机都是适用的，因而具有普遍意义,运行是稳定的,n=f(Tz),n=f(T),a,n=f(Tz),2-4 他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动方法,起动：电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这
11、就是电动机的起动过程注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0起动条件：1、起动电流不要太大，2、起动转矩要足够大，,起动瞬间,不超过IN的1.5-2.0倍,使If=IfN,称为满励磁起动,Ia远大于额定电流,直接启动,直接启动：电枢上加 。启动时，先合Q1建立磁场，然后合Q2全压启动。因惯性， ，电枢绕组感应电动势 ，由电动势平衡方程式 启动电流 启动转矩,问题：1、启动电流很大，造成换向困难；可能引起过流保护装置的误动作；引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电。2、启动转矩很大，造成机械冲击，使设备受损。除小容量外，一般直流电动机不容许直接启动。,Ia为额定电流的10-20倍，换向恶
12、化。,1.降压起动,启动时在电枢两端加低电压，以减小启动电流 ，随n升高，再逐渐提高电压，使启动电磁转矩维持在一定数值。,最大起动电压Ust为,优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。,当电动机开始转动时，n0，则随着转速的升高，反电动势不断增大，电流继续减小，同时起动转矩也在减小，为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起动过程，采用将起动电压逐渐提高，最后电动机进入稳态运行，此时，电枢回路两端电压达到额定值。,2.电枢回路串电阻起动,在电枢回路中串入电阻 ，可减小起动电流，当TstTZ，电动机开始转动，此时 ，则 随着n，Ea ，Ia，T ，所以为了在整个起动过程中保持一定的起
13、动转矩 ，加速电动机的起动过程，采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。,启动时串入大电阻，启动后，再逐渐切除电阻，既限制了启动电流又保证足够的启动转矩。,电枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（大电流）。,分组起动电阻的计算,设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，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前提下，经推导可得各级串联电阻为:,（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：,例 一台他励直流电动机的额定功率PN55kW，额定电压UN220V，额定电流IN287A，额定转速 nN1500 rmin，电枢回路总电阻Ra0.0302，电动机拖动额定恒转矩负载。若采用电枢回路串电阻起动，要求将起动电流限制在1.8IN以内、求应串入的电阻值和起动转矩。解 应串入的电阻值起动转矩,(1)若电动机原本静止 0 ，电机将不能启动，则反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。,T = CM Ia,
