电机与拖动(二)

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1、电机与拖动电气维修技师 (二)（ 电机与拖动 ）电子教案授课内容摘 要第一章直流电动机(二)第二章直流电动机的电力拖动(一)课时 安排6授课日期08年7 月12 日班 级08电工任课教师席艳瑶编写日期08年6 月20 日检查签 字教学目的 要 求掌握直流电动 机的三个基本方程式、工作特性 掌握直流电动 机的机械特性、起动重点与 难 点直流电动 机的三个方程式的机械特性教学回顾掌握的较好教学过程详见 教案第三节 直流电机的感应电动势和电磁转矩一感应电动势电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感 应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。如图 1.23所示，所以导体中感应电动势的大小是

2、变化的。为分析 推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气 隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内 切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为 图1.23气隙合成磁场磁密的分布因而，一根导体感应电动势的平均值设电枢绕组总的导体数为N，支路数为a，则每一条 并联支路总的串联导体数为N/2，因而电枢绕组的感应 电动势为： 式中 对已经制造好的电机 ，是一个常数，故称直流电机的电动势常数.例：1-3 书19页二、电磁转矩电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支 路电流ia，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。 电磁力f的方向按左手定则确定，如图1.23所

3、示。一根导 体所受电磁力的大小为：如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密 用平均值Bav表示，则每根导体所受电磁力的平均值为： 一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为：总电磁转矩为：式中 对已制成的电机是一个常数 ，称为直流电机的转矩常数。电枢电动势 和电磁转矩 是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势 常数Ca和转矩常数Ct之间具有确定的关系：或者 第四节 直流电机的工作特性一基本方程电动机的基本方程式包括电压平衡方程式、转矩平衡方 程式和功率平衡方程式,反映了电动机内部的电磁过程和电 能转换关系.以他励机为例进行分析如图2-24所示。 电压方程忽略电刷压降，则 图1

4、24 直流电动机物理量的正方向与等效电路(a)物理量的参考正方向；(b)等效电路 转矩方程1.）发电机 2）电动 机 功率方程发电机：机械能电能电动机：电能机械能电机效率：1）机械损耗：磨擦产生的损耗。2）铁心损耗：涡流损耗和磁滞损耗。3）铜损耗：绕组的损耗。4）附加损耗：图2-25 直流电动机的功率流程图例1-5 1-6 书23页二 工作特性 转速特性：在额定电压、额定励磁电流时，转速与电 流之间的关系。定义：当时由方程式可得忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化 。如图2-26所示的曲线 1所示。2、转矩特性：在额定电压、额定励磁电流时，电磁转矩与电枢电流的关系。考虑电枢反应

5、的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。 如图所示。3、效率特性:在额定电压、额定励磁 电流时，效率与电流之间的关系。第二章 直流电动机的电力拖动第一节 电力拖动系统的运动方程拖动系统的运动方程式是指电动机稳定运行时，应用动 学平衡条件建立系统的运动方程式。一拖动系统运动方程直线运动中力的平衡方程式为:F-FL=mdv/dt转矩平衡方程式为:T-TL=Jd/dtJ为转动惯量: J=m2=GD2/4gT-TL=GD2/375*dn/dt =2n/60系统运行状态:TTL 时系统加速TTL 时系统减速T=TL时静止或匀速二运动方程式中各转矩正负号确定的规则。 1、当电磁转矩方向与转速方向相同时电磁转

6、矩为正，反 之为负。 2、当负载转矩的方向与转速相反时负载转矩取正，反之 取负。 3、惯性转矩的方向取决于电磁转矩和负载转矩的代数和 。(a)反抗性 (b)位能性图2.1 恒转矩负载特性2). 位能性恒转矩负载这种负载的特点是不论生产机械运动的方向变化与 否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提 升或下放重物时，由于重力所产生的负载转矩的大小和 方向均不改变。其负载转矩特性在第一和第四象限，如 图2.2所示。 第二节生产机械的负载转矩特性生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不 同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性 来表征，即生产机械的转速n与负载转矩TL之间的关

7、系 各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。1 恒转矩负载 所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL的大小不 随转速n而改变的负载。按负载转矩TL与转速n之间的关系 又分为 反抗性负载 位能性负载 1）. 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩TL的大小不变，但方 向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。 当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，其 特性在第一和第三象限，如图2.1所示。属于这类特性转矩如 摩擦转矩等。 2、恒功率负载恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸 收的功率为恒定值，即即负载转矩TL与转速n成反比。例 如，一些机床切削加工，

8、车床粗加工时，切削量大(TL大) ，阻力大，转速低；精加工时，切削量小(TL小)，转速高 。恒功率负载特性曲线如图2.2所示。 3、通风机类负载通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的平方 成正比，即常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。负载 特性曲线如图2.3所示。 图2.2 恒功率负载特性曲线图2.3 通风机负载特性曲线第三节 直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩(电磁转矩) T之间的关系，即 曲线。*机械特性中的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一个空载转矩T0。只是由于在一般情况下，空载转矩T0与电磁转矩或负载转矩TL相比较小，在一

9、般工程计算中可以略去T0，而粗略地认为电磁转矩T与轴上的输出转矩T2相等。 一、固有机械性1、机械特性的表达式直流他励电动机的基本接线 图如图2.4所示。由图可知电枢回 路的电压平衡方程式为 图2.4直流他励电动机接线又已知直流电动机的电枢电势及 电磁转矩分别为：电动机的速度特性方程为：由于：可得机械持性主程为：*电动机的实际空载转速n0比n0略低，如图2.5所示。 这是因为电动机空载转起后，因为有空载转矩T0存在，所以 电磁转矩T不可能为零，必须等于T0，即电动机必须克服空 载损耗转矩T0。此时电动机实际空载转速n0为 ：图2.5 直流他励电动机的机械特性为直线的斜率。一般直流他励电动机，当

10、没有电枢外接电阻时，机 械特性都比较硬。2 、固有机械特性当直流他励电动机端电压 ，磁通 ，电枢回路附加电阻 时的机械特性称为固有机械特性。此时的机械特性方程式为： 固有机械特性的特性曲线如图2.6中曲线1所示，其特点是 (1) 对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条； (2) 由于 ，特性曲线的斜率较小，n较小，特性 较平坦，属于硬特性。（1）、固有特性的计算:根据名牌的PN nN1)根据经验公式求得电枢电阻a）由电枢回路电压平衡方程式求eN：3) 由eN求N：NeN）将a、eN、N代入固有特性曲线固可得固的 特性方程（2）、固有特性的绘制1）理想空载点（T=0，n=n0）;2) 额

11、定工作点（T=TN，n=nN);通过这两点就可画出机械特性曲线。例题2-1书32页二、人为机械特性要根据需要将机械特性方程中 三个参数中， 保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，从而得到不同的 机械特性，使机械特性满足不同的工作要求。这样获得的机械 特性，称为人为机械特性。直流他励电动机的人为机械特性有 以下3种。 1. 电枢串接电阻时的人为机械特性电枢回路串接电阻 ，总电阻 。电 源电压 ，磁通 ，此时的人为机械特性方程式为：其机械特性如图2.6所示。与固有机 械特性相比，电枢串接电阻时的人为机 械特性具有如下一些特点：(1) 理想控制转速与固有特性时相 同，且不随串接电阻 的变化而变化

12、；(2) 随着串接电阻 的加大，特 性的斜率加大，转速降落n加大，特 性变软，稳定性变差。(3) 机械特性由与纵坐标轴于一点 (n= )但具有不同斜率的射线族所组 成。(4) 串入的附加电阻 越大，电 枢电流流过 所产生的损耗就越大。图2.6 直流他励电动机的固 有机械特性及电枢串接电阻 时的人为机械特性 1固有机械特性 2、3 电枢串联电阻为及时的人为 机械特性 2. 改变电源电压时的人为机械特性 电枢回路附加电阻 ，磁通即 。改变电源电压，一般是由额定电压向下改 变。此时的人为机械的性方程式为：其机械特性如图2.7所示。 与固有机械特性 相比，当电源电压降低时，其机械特性的特 点为：(1)

13、 特性斜率不变，转速降落n不 变，但理想空载转速 降低；(2) 机械特性由一组平行线所组成 ；(3) 由于 ，因此其特性较 串联电阻时硬。(4) 当T常数时，降低电压，可使 电动机转速n降低。 图2.7 直流他励电动 机改变电 源电压时的人为机械 特性 1 时 2 、3 及 时 3. 改变电动机主磁通时的人为机械 特性在励磁回路内串联电阻 ，并改 变其大小，即能改变励磁电流，从而使 磁通改变(见图2.8)。此时的人为机械特 性方程式为： 图2-8 为不同数值时 的人为机械特性曲线其特点为：(1) 理想空载转速 与磁通成反比，即当下降 时， 上升；(2) 磁通下降，特性斜率上升，且与 成反比 ，

14、曲线变软；(3) 一般下降，n上升，但由于受机械强度的限制， 磁通不能下降太多。在图2.8中， 分别为 时的短路(堵 转) 转矩，由于 ，即 将随 之减弱而降低。 2-2 书35页三、电力拖动系统稳定运行的条件1、必要条件根据运动方程式可以知道，在电动 机的机械特性与生产机械负载转矩特性 的交点处，转矩M与ML大小相等，方向 相反，相互平衡，此时的转速为某一稳 定值，此交点称为运行工作点。在工作 点处，系统处于稳态。*两个特性有交点是稳定运行的必要 条件。如图29所示，图中A点为他励直流 电动机拖动恒转矩负载的一个稳定运行 点。如负载转矩由MLl增加到ML2，则电 动机转矩也相应增加，系统工作点从A点 移到B点，又稳定运行于B点。2-9 拖动系统稳定运行（1） （2）2-10 拖动系统稳定运行（1）稳定 （2）不稳定2充分条件设拖动系统原来在某交点处稳定运行，由于受到外界的某 种干扰作用，如电网电压的波动或负载的突然变化等，使电 动机的转速发生变化，离开了原来的工作点。当干扰消除后 拖动系统应有能力使转速恢复到原来交点处的数值，如能满 足此条件，则系统是稳定的。现以图210所示的特性为例 进行分析 。*当系统在运行中受到某种