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1、第2章 直流电机的电力拖动,2.1.1 电力拖动系统运动方程式 式中Te为电动机的电磁转矩；L为负载转矩；为转动部分的转动惯量; 为转动部分的机械角速度; 为转动部分的机械角加速度。转动惯量表示转动部分的惯性，转动惯量越大，其惯性越大，改变就越困难。转动惯量可用下式表示,2为转动部分的飞轮矩，在数值上等于和2的乘积，因2=，与成正比，为此工程上把2看成一个整体，用它表示旋转部分的惯性，单位为2;为重力加速度。 机械角速度与转速的关系式为 可得旋转运动方程式的实用形式,首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：,2.1.2、运动方程式中转矩正负号的分析,（1）电磁转矩 与转
2、速 的正方向相同时为正，相反时为负。,（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。,(3)惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。,2.2 生产机械的负载机械特性 2.2.1 恒转矩负载机械特性 1、反抗性恒转矩负载机械特性 2、位能性恒转矩负载机械特性,图2-1 反抗性恒转矩负载机械特性 图2-2 位能性恒转矩负载机械特性,2.2.2 泵类负载机械特性 2.2.3 恒功率负载机械特性,图2-3 泵类负载机械特性,图2-4 恒功率负载机械特性,2.3 他励直流电动机的机械特性 2.3.1 他励式直流电动机机械特性方程式,图2-5 他励直流电动机的机械特性,2.3.2 他励式直
3、流电动机的固有机械特性,图2-5 他励直流电动机的固有机械特性,2.3.3 他励式直流电动机的人为机械特性 1、电枢串接电阻时的人为机械特性,3、减弱磁通时的人为机械特性,图2-7 降压时的人为机械特性,图2-8 弱磁时的人为机械特性,）,保持 不变，只改变 励磁回路调节电阻的人为特性：,2.3.4 他励式直流电动机机械特性的绘制 1、固有机械特性的绘制 （1）求Ra 一般直流电动机的电枢铜损耗约占电动机总损耗的 到 , 为此可用下式估算Ra,（2）计算CeN 他励直流电动机额定运行时Ia=IN,根据Ea=Cen=UN-IaRa可得额定运行时的 将已知数据UN、IN、nN和上面估算得到的Ra代
4、入即得所求的CeN。 （3）求理想空载转速n0 （4）求额定电磁转矩,（5）绘制固有机械特性 在直角坐标纸上画出坐标，横坐标表示电磁转矩Te，纵坐标表示转速n，根据已知的nN和计算所得的n0、TN，在坐标纸上画出(0，n0)和(TN，nN)两点，过此两点作一直线，即为所求固有机械特性。 2、人为机械特性的绘制 绘制电枢回路串接附加电阻Rsa时的人为机械特性 只需将相应的参数值代入人为机械特性方程式，即可计算绘制各种人为机械特性,2.3.5 电力拖动系统稳定运行的条件,图2-9 静态稳定运行 图2-10 静态不稳定运行,对于不同的负载机械特性与他励直流电动机机械特性的配合，是否满足稳定运行的必要
5、条件和充分条件： 如果满足此条件，系统是稳定的，否则就是不稳定的。,2.4 他励直流电动机的起动 如果将额定电压直接加至电枢两端进行起动，称为直接起动，由于起动初始时刻，电动机因机械惯性还未及转起来，转速n=0，电枢电动势Ea=Cen=0，忽略电枢回路电感的作用时，可得起动电流的起始值 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。 2.4.1 电枢回路串电阻分级起动,图2-11 电枢串电阻三级起动电路图,图2-12 电枢串电阻三级起动机械特性图,串电阻分级启动接线如图2-11所示。,2.4.2 他励直流电动机起动电阻的计算,各级电枢电路总电阻的计算公式：,分段电阻
6、值,2.4.3 降压起动,当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。,起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。,降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,2.5 他励直流电动机的过渡过程 2.5.1 机械过渡过程方程式,图2-14 他励直流电动机串固定电阻全压起动原理图,式中 负载转矩对应的负载电流，亦即过渡过程结束以后稳定运行时的电流； 机电时间常数。 改写成微分方程的标准形式为,（1）电流方
7、程式Ia=f(t) 微分方程的解为 式中 K为由初始条件决定的常数，以起动为例，t=0，Ia=Ist，代入上式，可得 得过渡过程的电流方程式 式中 IL电流的稳态分量，又称强制分量； 电流的暂态分量，又称自由分量。,（2）转矩方程式T=f（t） 电流曲线如右图所示 将电流方程两边同乘 以CTN，即得转矩 方程式。电流方程与 转矩方程曲线形状同。,图2-15 启动过程中电枢电流变化曲线,（3）转速方程式n=f(t) 式中 起动完毕时的稳态转速； 起始转速。 起动时nst=0，代入上式则 得起动时的转速方程式,机电时间常数,2.5.3 过渡过程持续时间的计算 过渡过程的持续时间,2.5.4 缩短过
8、渡过程持续时间的方法,图2-17 理想的起动电流变化曲线,2.6 他励式直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、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。,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。,他励直流电动机的转速为,2.6.1 调速指标 （1） 调速范围D （2）静差率S,（3）调速范围D与静差率S的关系,图2-17 静差率与机械特性硬度的关系 1固有机械特
9、性；2电枢串电阻特性；3降压时的特性,静差率与机械特性硬度有关。机械特性越硬，静差率越小，相对稳定性越好。但机械特性的硬度相同时，静差率S并不相等，而是n0较低的其S较大。,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,（4）调速平滑性,2.6.2 电枢回路串电阻调速,图2-18 电枢回路串电阻调速 (a)原理接线图;(b)机械特性图,电枢回路串电阻调速,2.6.3 降低电源电压调速,图2-13 降低电源电压调速(U2U1UN),降低电源电压
10、调速,2.6.4 弱磁调速,图2-19 弱磁调速 (a) 弱磁调速原理图 (b) 弱磁调速机械特性,减弱磁通调速,2.7 直流电动机的制动 2.7.1 能耗制动 1、实现能耗制动的方法,能耗制动时电路如图2-20（a）所示。,(a) 能耗制动原理接线图 (b) 能耗制动机械特性 图2-20 能耗制动原理接线图和机械特性,能耗制动时的机械特性为：,能耗制动过程：,2、能耗制动时的机械特性,3、能耗制动电阻的计算,4、能耗制动的特点与适用场合 设备简单，操作方便，运行可靠；制动平稳，便于准确停车；低速时制动Ia效果较差。适用于一般生产机械和要求准确停车的场合制动停车。,能耗制动停车时间的计算公式为
11、,计算时式中IB，nC均代以绝对值。,图2-21 能耗制动的过渡过程 (a)机械特性； (b)转速变化曲线n=f(t)； (c)电流变化曲线Ia=f(t),2.7.2 反接制动 反接制动有电源反接(一般用于反抗性负载)和倒拉反接(用于位能性负载)两种方式。 1、电源反接制动 把正向运行的他励电机的电源电压突然反接，图2-22（a）为电枢电压反接的反接制动原理图。接触器KMl的常开触点闭合时，电动机运行于电动状态；当反接制动时，接触器KMl断开，KM2常开触点闭合，电枢电压反接，同时在电枢回路串入反接制动电阻，以限制过大的制动电流。,（a）原理图 （b）机械特性电动机反接制动时的机械特性 图2-
12、22 他励直流电动机的反接制动,（3）特点与适用场合 电源反接制动时，从电源吸收的电能和系统的动能全部消耗在电枢回路中，能量损耗大。 设备简单，操作方便，制动转矩平均值较大，制动强烈，但能量损耗大，适用于要求快速停车的拖动系统，对于要求快速并立即反转的系统更为理想。,2、倒拉反接制动 电机拖动位能负载，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第四象限，这种方式被称为倒拉反接制动。如图2-23所示。,（a）原理图 （b）机械特性 图2-23 他励直流电动机倒拉反转运行,图2-24 正向回馈制动过程 (a)调压调速过程 (b)调磁调速过程,只要降速前的稳态转速大于降速后的理想空载转速，而且电源允许电枢电流反向，电机就要经过正向回馈制动过程。,2、反向回馈制动运行 他励直流电动机拖动位能性负载如图2-25所示。,图2-25 反向回馈制动运行,
