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1、17.1 直流电动机的启动及改变转向,17.2 他励直流电动机的工作特性,17.3 他励直流电动机的机械特性,本章主要介绍直流电机及其电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。,17.4 串励直流电动机的机械特性,17.5 复励直流电动机的机械特性,17.6 负载的机械特性,17.7 电动机稳定运行的条件,17.8 他励直流电机调速的方法,17.9 直流电动机的制动,17.10 直流电机的换向,1 直流电动机的启动及改变转向,启动过程的含义,要求： 1、启动转矩足够大； Tst 的指标 2、启动电流不要太大。Ist 的指标 3、启动设备简单、
2、经济、可靠,直接启动电流：Ist=U/Ra,1020倍IN,问题：电源电流有限制、电机换向困难,一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.52）IN,1.0 全压直接启动,加全压启动，启动电流,达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。优点：操作简单，不需启动设备。缺点：冲击电流太大 1、对电网电压影响 2、对电机本身影响 只适用于小型电动机启动,1.1 电枢回路串电阻启动,为限制启动电流，在启动时将启动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将启动电阻切除。,只要 选择适当，能将启动电流限制在允许范围内，随n的上升可切除一段电阻。,串入变阻器时的启动电流为：,采用分段切除电阻，可使电机在启动过程中获较
3、大加速，且加速较均匀，缓和有害冲击。,切除可手动完成，也可自动完成。优点：启动设备简单，操作方便。缺点：电能损耗大，设备笨重,1.2 降低电枢电压启动,开始启动时将低电压，则,，并使,采用降压启动时，需专用调压电源，直流发电机，或可控硅整流电源。用发电机，调节励磁达到调压；用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。优点：启动电流小，能量损耗小，缺点：设备投资大。,限制在一定范围内。,1.3 改变直流电动机转向的方法,影响转矩符号的因素： 1、磁通 2、电枢电流,2 他励直流电动机的工作特性,工作特性：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的情况下，负载P2变化时，电机的转速n、转矩T、效率分别
4、随输出功率P2变化的关系曲线。,2.1 转速特性,n=f(P2),U = Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa) / (Ce),影响转速n的因素有：1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋于下降；2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通下降，使转速趋于上升。,一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。,2.2 转矩特性,T = f (P2),T=T2+T0=P2/(2n/60) + T0,他励直流电动机在负载变化时
5、，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。,如果不考虑转速的变化，则T=f (P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f (P2)为一条略微上翘的曲线。,2.3 效率特性, = f (P2),参见一般直流电机效率曲线 ，不变损耗与可变损耗相等时有最大值。,他励电动机工作特性,3 他励直流电动机的机械特性,机械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN时，改变负载的过程中，转速n随电磁转矩T变化的函数关系。,4.3.1 机械特性方程,n=f(T),U=Ea+Ia(Ra+ Rp),按电动机惯例，列写回路电压方程：,Rp: 电枢回路串入的电阻,用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。,n=U-(Ra
6、+Rp)Ia/(Ce) （来自于电压平衡方程）,Ia=T/(CT),n=U/(Ce)-(Ra+Rp)/(CeCT2)T = n0L-kT,其中，n0=U/(Ce)为理想空载转速，而k=(Ra+Rp)/(CeCT2)为机械特性的斜率 。,一般写法：,称为理想空载转速。,实际空载转速,3.2 固有机械特性方程,改变三个量U、Rp 中任意一个，可以改变机械特性曲线形状。,U=UN, =N, Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为 :,3.3 人为机械特性,改变三个量U、Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。,1、电枢回路串电阻时的人为机械特性,对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线
7、。,特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。,2、改变电枢电压的人为机械特性,特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,3、减少气隙磁通的人为机械特性,特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,4 串励直流电动机的机械特性,串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流 I = Ia，故T=CTIa=CT K Ia2, 解出Ia并带入上式可得：,出发点：,电压不变时，n与sqrt(T)反比，当负载转矩增大时，转速n下降很快。(软特性) 上述结论是在负载较小、电流较小电机不饱和的情况下得出的。 当负载转矩很小时，T也很小，n会
8、达到危险的高值，所以串励电动机不允许空载启动和运行。,串励机械特点：,同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的启动转矩，常用于启动较为困难的场合。 串励电动机转矩增大时转速在减少，功率增加缓慢，故该电机过载能力较强。,5 复励直流电动机的机械特性,复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。 如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机。 复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以空载转速不会太高。,6 负载的机械特性,负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。,一、恒转矩负载特性,恒转矩负载特性是指生产机械的
9、负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。,1.反抗性恒转矩负载,2.位能性恒转矩负载,二、恒功率负载特性,恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。,三、泵与风机类负载特性,负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。,四、拖动系统的运动方程式,根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：,其中 为系统的惯性转矩。,系统旋转运动的三种状态,1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。,2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。,3)当 或 时,系统处于减速运行
10、状态，即处于动态。,7 电动机稳定运行的条件,处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。,在 点，系统平衡,扰动使转速有微小增量，转速由 上升到 ， ，扰动消失，系统减速，回到 点运行。,扰动使转速由 下降到 ， ，扰动消失，系统加速，回到 点运行。,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：,1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在,2.充分条件: 在交点 处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在 ,在
11、交点的转速以下存在 。,8 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，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。,8.1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
12、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。,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，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。,8.2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,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
13、载时,串电阻越大,转速越低。,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,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；,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。,二、降低电源电压调速,优点：1）
14、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。,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,减弱磁通调速前、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。,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
15、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；,8.4 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。,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：,
