李发海电机与拖动基础第四版第四章.ppt

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1、第四章 他励直流电动机的运行 4.1 他励直流电动机的启动 为了产生较大的启动转矩并限制过高的启动转速，应使每 极磁通为额定值，即励磁电流为额定值。且仅防励磁回路开。 他励直流电动机加额定电压直接启动，此时由于速 ， 反电势 ，则启动电流 ，启动转矩 将产生过大的电流，导火花过大甚至拉弧，损坏电刷和换器； 还会产生机械冲。除小电机外，一般不允许直接启动。 41.1 电枢回路串电阻启动 电枢回路串电阻 R ，启动电流为,串入电阻的大小依据负载转矩 而定。为了保持在启动过程中，电 磁转矩持续较大和电枢电流持续较 小，可逐段切断启动电阻进行动。 如图4.1所示。,图 4.11 电枢回路串电阻启动,4

2、.1.2 降电压启动 降低电压时，启动电流为 ，电 压的大小根据负载转矩和启动条件而 定。为了保持在启动过程中，电磁转 矩持续较大和电枢电流持续较小，可 逐渐升高电压，直至 ，如4.2。,图 4.2 降压启动,图中A点为稳定运行点。 4.2 他励直流电动机的调速 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 1.电枢串电阻调速 保持电源电压与磁通为额定值不变， 在电枢回路中串入不同电阻时，电动机,图4.3 电枢回路串电阻调速,运行于不同转速，如图4.3 所示。 串电阻调速，电机在不同速度下运行时，只要负载转矩变， 电枢电流也不变。因为 电枢串电阻调速的缺点是,损耗大，串电阻越大、速度越低、损耗越大。

3、2. 降低电源电压调速 保持磁通为额定值，电枢回路不串电阻，降低电枢电压的调 速如图4.4所示。图中的负载为恒转矩负载，降低电压时，电,机工作在不同转速上。同理，只要 负载转矩不变，电枢电流就不变。 由于降压调速的机械特性为一组硬 度较大的平行线，低速运行时稳定 性好，速度调节平滑，故广泛运用,图4.4 降低电源电压调速,在直流拖动系统中。 3.弱磁调速 保持电机电压不变，电枢回路不 串电阻，在负载转矩不太大的情况 下，降低直流电动机磁通，可使直 流电动机转速升高。恒转矩负载的,图4.5 弱磁调速,机械机械特性如图4.5所示。弱磁升速中，最高转速受换向器和 机械强度限制，一般不超过 1.2 。

4、 在直流电机拖动系统中，广泛用降电压向下调速及减弱磁通 向上调速的双向调速法，以获取较宽的调速范围。,4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速 在调速过程中，保持点枢电流和每极磁通为额定值（即电磁 转矩为额定值），称为恒转矩调速。 保持电枢电流为额定值，采用弱磁调速，此时虽然转矩小， 但转速变高，而功率保持不变，称恒功率调速。,4.2.3 调速的性能指标 1.调速范围与静差率 在额定负载下，电动机调速时的最高转速与最低转速之比， 称为调速范围，用 D 表示。即 (4-3) 静差率 又称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负,载时的转速变化率，用 表示，即 （4-4） 由式（4-4）可知，静差率与以

5、下两个因素有关。 （1）与转速降落有关。 由图 4.7 可知，固有机械特性的转速降落 较小，而人为 机械特性的转速降落 较大，即人为机械特性比固有机械特性 的静差率大。若串最大电阻时机械特性的静差率满足要求， 则 其他特性上的静差率都能满足要求。则在串最大电阻的机械特 性上 时的转速，就是串电阻调速的最低转速 ，而 就是最高转速 。 （2）与理想空载转速有关。 机械特性硬度一定时，理想空载转速越高，静差率越小。,在图 4.8 的降压调速机械特性中，当 时，两条特性的 转速降落相同，但两条特性的静差率却不同，显然低电压特性 的静差率大。故在降压调速中，只要电压最低的机械特性的静 差率满足要求，其

6、他各条特性都能满足要求。这条电压最低机 械特性在 时的转速为最低转速 ，而 为最高 转速 。,图4.7 电枢串电阻调速的静差率与调速范围,图 4.8 降电源电压的静差 率与调速范围,调速范围与静差率是两互相制约的指标，实际生产中，需要 根据静差率与调速范围两项指标来选择调速方法。 2. 调速的平滑性 有级调速的平滑性用平滑系数 表示，其定义为，相邻两级 转速中，高一级转速与低一级转速之比，即 ， 越 小，平滑性越好。当 时，成为无级调速。 3. 调速的经济性 调速的经济性主要指调速设备的初投资、调速的电能损耗和 运行时的维修费用等。 以上所述他励直流电动机的三种调速方法的性能比较，请见 课本表

7、4.1 。,4.3 他励直流电动机的电动与制动运行 电动机在负载特性与机械特性的交点上的恒速运行，称为 稳态运行；在工作点之外的机械特性上的运行时，称为过度过 程；他励直流电动机的固有特性、人为特性和各类生产机械的,负载转矩特性都分布在直角坐标的四 个象限内。 4.3.1 电动运行 1.正向电动运行 电动机的电磁转矩 T0 ，转n0这 种运行状态称为正向电动运行。由于,图4.9 他励直流电动机电动运行 1-固有特性 2-降压人为特性 3-电源为( ) 的人为机械特性,T 与 n 同方向，T 为拖动性负载。在第一象限，如图4.9 所示的 A 点和 B 点。表4.2 为直流电动机稳态运行的功率关系

8、。 表4.2 他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系,输入 电枢回路 电磁功率 电动机 输出 电功率 总损耗 （电机） 空载损耗 机械功率,+ + + + +,2. 反向电动运行 拖动反抗性负载，反向时工作点在第三象限如图4.9 的C点。 这时电磁转矩 T0，转速 n0，两者同方向，T乃为拖动性载。,这种运行状态称为反向电动运行，其功率关系与正向电动运行完 全相同。 4.3.2 能耗制动 能耗制动过程 图4.10 (a)中，当刀闸K接在电源上时，为反抗性负载正向电 动运行状态，如图4.10 (b)中第一象限的A点。当刀闸突然与电源 断开并接入电阻R时，其机械特性由图(b)中的曲线1变为曲线2。

9、 切换后的瞬间，因转速不能突变，磁通仍为额定值，固反电势 不变，而此时 U=0 ，因此点枢电流和转矩分别为： 因 ,则系统减速， 下降，电流与转矩的绝对值减小，电动,机运行点沿曲线2从B O ，这时 即 在原点上。,图4.10 能耗制动过程 1- 固有机械特性 2- 电压为零的人为机械特性,上述制动过程中，转矩始终与转速反向而起制动作用，这种靠消耗动能来制动的方法称为能耗制动。他励直流电动机能耗制动过程的功率关系如表4.3 所示。,能耗制动开始瞬间，其电枢电流和电磁转矩的大小和电枢回 路的总电阻有关，电阻小，电流大，制动转矩大，停车快；但 电流过大将导致换向困难。工程上依据最大允许电流，计算出

10、 能耗制动时电枢回路所串的最小电阻。即 。,图4.11 为他励直流电动机各种运行状态下的功率流程图。其中 图（a）是电动运行状态，图（b）为能耗制动过程。,2. 能耗制动运行 对拖动位能性负载，突然采用能耗制动时，电机的运行点从 AB O，完成制动过程。到O点后如不采取措施停车，则电,机开始反转，沿曲线2从 O 到 C，C 为一个新的稳定工作点。这 时电磁转矩 T 0，转速 n 0，T为制动转矩，这种稳定运行状 态称为能耗制动运行。此时 成为拖动性转矩。,能耗制动稳定运行的速 度与电枢回路串入的的制 动电阻有关，电阻越大， 速度越高如图4.12 (b) 。 能耗制动运行时的功率 关系与制动过程

11、中的功率 关系相同。,图 4.12 能耗制动运行 1-固有机械特性 2-电压为零的人为机械特性,4.3.3 反接制动过程 将正向运行的他励直流电动机电源电压突然反接，且在电 枢回路串入限流电阻，就实现了反接制动停车。其机械特性如 图4.13 (a) 所示。反接制动时，工作点从 A B C , 到C点时,图 4.13 他励直流电动机反接制动过程 1- 固有机械特性 2 - U=-Un ，电枢串电阻的人为机械特性 3 U=0，电枢串电阻的人为机械特性,转速为零，应迅速切除电源。反接制动过程在第二象限，其功 率关系如表4.4所示。其功率流程如图4.11 (c)所示。,为了使起始制动电流 所串电阻的最

12、小值为：,同一台电机，反接制动比能耗制动电枢回路所串的电阻要大一 倍。见图4.13 (b)中的曲线 2 与曲线 3 。,拖动反抗性恒转矩负载进行 反接制动时，如机械特性如图 4.14所示，若在 C 点不切除电 源，则系统会反向启动，运行在 D 点。这适用于频繁正、反转 的拖动系统。,图 4.14 反接制动且反向启动机械特性,4.3.4 倒拉反转运行 他励直流电动机拖动位能性负载运行，若电枢串入电阻，转速 会下降，当串入电阻足够大时，使转速小于零，工作点在第四 象限，如图4.15 所示。此时 T 0 , n 0 ，为制动运行状态。,这种状态称为倒拉反转运行或限速 反转运行。其功率关系与反接制动的

13、 功率关系一样，其功率流程见图4.11 (c) 。是位能性负载倒拉着电动机运 行。,图4.15 倒拉反转运行 1-固有特性 2-串电阻人为特性,4.3.5 回馈制动运行 1.正向回馈制动运行 他励直流电动机降压调速时，电机运行点从ABCD ， 最后稳定在 D点如图4.16 。在 BC这一段，转速 N0 ，而转,矩T0，是一种正向回馈制动状态。B C 段的运行时的功率关 系如表4.5 所示。其功率流程图如图4.11(d)所示。,这里，输入的机械功率由系统从高 速到低速释放出的动能提供；而电 功率直接反馈给直流电源。这种状 态称为正向回馈制动过程。注意， 这不是一稳定点，而为一过程。,图 4.16

14、 降压调速回馈制动过程,图 4.17为直流电动机拖动小车行驶的情况。在平地前进时，负 载为摩擦性转矩 ，工作在正向电动运行的 A 点。在下坡路上 前进时，负载转矩为摩擦转矩与位能拖动转矩之和 。且为负,值，即电磁转矩为制动转矩，与负载 转矩平衡，使小车恒速正向行驶。工 作第二象限正向回馈制动的 B 点。其 机械功率是由小车位能的减少来提供 的。回馈制动状态又称发电机状态， 其功率关系与发电机一致。,图 4.17 正向回馈制动运行,2. 反向回馈制动 他励直流发电机拖动位能性负载工作在如图 4.18 (a)所示的 A 点，当电源反接后，工作点移至第四象限的 B点。此时电磁转,矩 T0，转速 n0

15、，且其绝 对值大于 ，这种运行状态 称反向回馈制动运行。其功 率关系与正向回馈制动运行 完全一样。 若他励直流电动机拖动位 能性负载进行反接制动，当 n = 0，若不切电源，或抱闸,图 4.18 反向回馈制动运行,制动，则转速反转，将过度到反接制动机械特性与负载机械特 性的交点，如图4.18 (b) 所示的 C点。这也是反向回馈制动运行 状态。,小结 将四的象限的机械特性画在一起如 图 4.19所示。第一、三象限为电动 运行状态，第二、四象限为制动运 行状态。在电力拖动系统的实际运 用中，一般都要在两种以上状态下 运行。因此要求掌喔电机的各种运 行状态及相互间的过度过程。,图 4.19 他励直流电动机各种运行状态,4.4 直流电力拖动系统的过渡过程 4.41 他励直流电动机过渡过程的数学分析 分析过渡过程时，忽略电磁过度过程，只考虑机械过度程， 且假设： （1）电源电压在过渡过程中恒定不变； （2）磁通 恒定不变； （3）负载转矩为常数不变。,下面以图 4.20为例，从起 始点A到稳定点 B的过渡过 程。,图 4.20 机械特性上AB