直流电动机的电力拖动

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1、第四章 直流电动机的电力拖动 本章主要介绍直流电动机的机械特性及其在电机起动、调速、制动过程中的具体应用。 包括直流电动机三种不同的机械特性表示方法，起动电阻计算，多种调速方法，直流电动 机的制动等内容。其中，机械特性是重点，其他具体问题都是在了解机械特性的基础上的 进一步学习的。本章共有 10 节课，内容和时间分配如下： 1. 掌握直流电动机的机械特性。 （2 节） 2. 掌握直流电动机的起动原理及方法,有关的计算。掌握起动电阻计算。 （2 节） 3. 掌握直流电动机的调速原理及方法。 （2 节） 4. 掌握直流电动机的制动原理及方法。(4 节) 第一节 他励电动机的机械特性 教学目的 掌握

2、他励电动机的机械特性 教学重点 他励电动机的机械特性 教学难点 他励电动机的机械特性方程直流电动机按励磁方式可分为四种，以并励电动机应用得比较广泛。转速需要保持恒 定或需要在广泛范围内进行调速的生产机械，常采用并励电动机，例如大型车床、磨床、 刨床和某些冶金机械等。 他励电动机和并励电动机只是联接方式不同，两者的特性是一样的。下面我们来讨论 它们的机械特性。 一、直流电动机的机械特性(一) 机械特性表征电动机运行状态的两个主要物理量是：电动机的电磁转矩 T 和电动机的转速 n。直流电动机的机械特性是指电动机的端电压等于额定值，励磁电路的电流和电枢 电路的电阻不变的条件下，电动机的转速 n 与电

3、磁转矩 T 之间的关系，即 n=f(T)。机械特性是电动机最重要的工作特性，它是讨论电动机稳定运行、启动、调速和 制动等运行的基础。机械特性可分为固有(自然) 机械特性和人为机械特性。固有特性，表示电动机在 额定参数运行条件下的机械特性；人为特性，表示改变电动机一种或几种参数，使之不等 于其额定值时的机械特性。(二) 机械特性硬度一般用特性硬度来评价电动机机械特性变化程度。所谓机械特性硬度定义为在机 械特性曲线的工作范围内某一点转矩对该点转速的微分, 即在曲线上该点的斜率。因此，按照机械特性硬度的概念，将电动机的机械特性分为以下三类：1绝对硬特性 转矩变化时，转速不变化。2硬特性 转矩变化时，

4、转速降落较小。3软特性 转矩变化时，转速降落大。这种评价分类，是因为多数电动机的机械特性是转速随转矩的增加而下降，但不 同的电动机下降程度不同。二、并励电动机的机械特性方程下图是并励电动机的接线图，其电压与电流的关系可用下列各式表示：U=Ea+IaRa If=U/Rf I=Ia+If 当电源电压和励磁电路总电阻保持不变时，则励磁电流 If 及由它产生的磁通 也保 持不变。TCTIa=KIa 由 EaCEn 可得：将 Ia=T/(CT)代入上式：上式是电动机的机械特性方程。 三、并励电动机的固有机械特性按固有机械特性所给定的条件，U=Ue=常数，励磁电流 If 调节至磁通 = e 并保持不变。由

5、于 Ra 很小，从并励电动机的机械特性方程式可知，n=f(T)将是一根倾斜 度很小的直线。如右图所示。在负载从空载到满载，转速降落，仅为额定转速的 5-10 ，因此并励电动机 的机械特性是硬特性。并励电动机在运行时，切不可断开励磁电路，使 If =0。这样，主磁极上仅有很小的 剩磁通，反电动势很小。在空载时，将导致转速急剧上升；在有一定负载时，电动机停转 并使电枢电流急剧增加，会引起严重事故。 四、并励电动极的人为机械特 C R I C E E a a E a U n n T U n n C C R C T E a E 0 2 nT o n o 固有机械特性只反映电动机在额定条件下运行的性能，

6、对应某一转矩下，电动 机只能运行在某一转速。而在生产上往往有一些要求，例如在一定的转矩下，根据不同的 情况，要求有不同的转速。这就必须人为地改变电动机的某些参数，来改变电动机的机械 特性，以满足生产上的要求。这时的机械特性称为人为机械特性。 在下一节讨论并励电动机的调速时，所涉及的机械特性都是它的人为特性。 第二节他励电动机的起动 教学目的 掌握他励电动机的起动 掌握起动电阻的计算 教学重点 起动电阻的计算 教学难点 起动电阻的计算 一、概述 他励直流电动机的起动方法 他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流） ，而后加电枢电压。刚 起动时，转速 n = 0 ，Ea = 0 ，因

7、为电动机的电枢绕组电阻 Ra 很小， 所以直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍。 1.直接加额定电压起动后果 (1)换向情况恶化，产生严重的火花 (2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构 因此在起动时，必须设法限制电枢电流。 2.限制起动电流的措施 (1)降压起动 适用于电动机的直流电源是可调的。 (2)电枢电路中串联电阻 当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起 动电流，在起动过程中并将起动电阻逐步切除。 分级起动时，可将每一级的 I1（或 T1）与 I2 ( 或 T2) 取得大小一致，以使电动机 有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机

8、械的有 害冲击。 3.他励电动机分二级起动时的电路图二.他励直流电动机起动电阻的计算 根据起动级数的情况，采取不同的方法 1. 计算起动电阻的步骤 1)选择起动电流和切换电流 为保证与起动转矩 T 对应的起动电流 I1 不会超过允许的最大的电枢电流 Imax，选择 起动电流 I1： I1=(1.5-2.0)IaN 对应的起动转矩 T1: T1= (1.5-2.0)TL 或 TN(无负载转矩) 切换转矩（为保证加速转矩）: T2= (1.1-1.2)TL 或 TN(无负载转矩) 对应的切换电流： I2=(1.5-2.0)IL 或 IN 2)计算起动/ 切换电流比 bb=I1/I2 3)计算电动机

9、电枢电路电阻 RaRa 可以实测或者根据铭牌的额定值估算。 忽略空载转矩，则 Ra=(UaN-PN/IaN)/IaN 4)计算起动时电枢电路总电阻 Rm m 级起动时的电枢总电阻为 Rm=UaN/I1 5) 求出起动级数m=lg(Rm/Ra)/lgb 6) 重新计算 b ，校验 I2 是否在规定的范围内。 如果 m 取相近的整数，则需要重新计算 b，计算公式为 根据重新求得的 b，重新求出 I2，并校验 I2 是否在规定的范围内。如果 不在规定的范围内，则需要加大起动级数，重新计算 b 和 I2，直到满足 要求为止。 7) 求出各级总电阻R0=Ra R1=bR0=bRa R2=bR1=b2R0

10、=b2Ra R3=bR2=b2R1=b3Ra Rm= bmRa 8)计算起动时电枢电路各级起动电阻 Rst1=R1-R0=R1-Ra Rst2=R2-R1 Rst3=R3-R2 Rst4=R4-R3 Rstm=Rm-Rm-1 起动级数已经确定时，计算起动电阻的步骤： 1)选择起动电流 为保证与起动转矩 T 对应的起动电流 I1 不会超过允许的最大的电枢电流 Imax，选择 起动电流 I1： I1=(1.5-2.0)IaN 对应的起动转矩 T1: T1= (1.5-2.0)TL 或 TN(无负载转矩) 2)计算电动机电枢电路电阻 RaRa 可以实测或者根据铭牌的额定值估算。 忽略空载转矩，则 R

11、a=(UaN-PN/IaN)/IaN 3)计算起动时电枢电路总电阻 Rm m 级起动时的电枢总电阻为 Rm=UaN/I1 4)计算起动/ 切换电流比 b 5) 按照 b=I1/I2,求出 I2 ，并校验 I2 是否在规定的范围内。 如果不在规定的范围内，则需要加大起动级数，重新计算 b 和 I2， 直到满足要求为止。 6) 求出各级总电阻 R0=Ra R1=bR0=bRa R2=bR1=b2R0=b2Ra R3=bR2=b2R1=b3Ra Rm= bmRa 7)计算起动时电枢电路各级起动电阻 Rst1=R1-R0=R1-Ra Rst2=R2-R1 Rst3=R3-R2Rst4=R4-R3 Rs

12、tm=Rm-Rm-1 第三节他励电动机的调速 教学目的 掌握他励电动机的调速 掌握三种调速方法的比较 教学重点 三种调速方法 教学难点 三种调速方法的比较 一、概述 调速 调速就是在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地改变电动机的转速。 生产机械的速度调节可以用机械方法取得，但机械变速机构复杂。现代电力拖动中多 采用电气调速方法，即对拖动生产机械的电动机进行速度调节，其优点是可以简化机械结 构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，能实现自动控制等。电动机的速 度调节是人为的有意的，而电动机由于转矩变化沿着某一机械特性的速度变化是电动机自 动调节的，两者是有区别的。(二) 电动机调

13、速性能的评价指标1调速范围 电动机调速时所能得到的最高转速与最低转速之比。例如 10：1 。2调速的平滑性 可由电动机在其调速范围内能得到的转速的数目(级数)来说明。 所能得到的转速数目越多，则相邻两个转速的差值越小，则调速的平滑性越好。如转速只 能得到若干个跳跃的调节，称为有级调速；如在一定范围内可得到任意转速，称为无级调 速。3调速的经济性 它包括调速设备的投资，电能的损耗，运转的费用等。4调速的稳定性 它由负载变化时转速的变化程度来衡量。电动机机械特性越 硬，稳定性越高。5调速方向 指所采用的调速方法是使转速比额定转速(基本转速)高的称为向上调速；若是低的，称为向下调速。 6调速时允许的

14、负载 调速时，不同的生产机械需要的功率和转矩是不同的。有的 要求电动机在各种转速下都能输出同样的机械功率，例如金属切削机床，要求在精加工小 进刀量时工件转速要高，粗加工大进刀量时转速要低。由于机械功率是由转矩与转速的乘 积决定的，因此要求电动机具有恒功率调速。另一类生产机械，例如起重机；要求电动机 在各种转速上都能输出同样的转矩，即为恒转矩调速。(三) 直流电动机的调速方法 由直流电动机的机械特性方程可知，改变 Ra、U 中的任意一个参数都可以使转 速 n 发生变化。所以直流电动机的调速方法有三种。以下我们讨论并励(他励)电动机的调 速方法。 二、改变电枢电路电阻的调速电路图如下图所示。 保持

15、电源电压 U 和励磁电流 If 为额定值，在电枢电路中串联一个调速变阻器 Rc，改 变 Rc 来改变电枢电路的电阻值以改变电枢电流 Ia 进行调速。显然，保持 U、 不变， n0 亦不变，调节 Rc 的大小即可改变转速 n 。 三、改变励磁磁通的调速电路图如下图所示。 保持电源电压 U 为额定值，在励磁电路中串联一个调速变阻器 Rc，改变励磁电流 If U Rc M U Rc M以改变磁通 进行调速，故又称调磁调速。由机械特性方程可见，磁通 减小时，n0 升高，n 与 2 成反比增加，所以磁 通 减小，机械特性升高、变软。在一定负载下， 减小则 n 升高。由于电动机在额定 运行时，磁路已趋饱和

16、，所以通常只是减小磁通 ne。 四、改变电源电压的调速 采用这种调速方法时，电动机应采取他励方式，保持励磁不变，只改变电枢电路的电 源电压，故称调压调速。由机械特性方程可以看出，当电枢电路端电压 U 改变时，理想空 载转速 n0 随 U 成正比变化，而转速降落 n 和特性曲线的斜率不变，因此电动机在不同 电压下的人为机械特性曲线是平行下移于固有机械特性曲线的直线。 五、三种调速方法的比较下图画出了三种调速方法的机械特性曲线。 第四节他励电动机的制动 教学目的 掌握并励（他励）电动机的制动方法 教学重点 三种制动方法 教学难点 三种制动方法的比较 一、概述 他励电动机的制动就是在一定的负载下，根据生产工