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1、课 程 介 绍,课程性质：本课程是电气类专业的技术基础课，是一门既有基础性又有专业性的课程。 课程任务：掌握电机基本结构和工作原理，以及 拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。,第二章 直流电动机的电力拖动,主要内容 本章主要分析直流电机拖动系统的运动方程、机械特性、启动、调速及制动的原理及方法。,第二章 直流电动机的电力拖动,第一节 电力拖动系统的动力学基础 电力拖动系统是指由各种电动机作为原动机，拖动各种生产机械，完成一定生产任务的系统。,直流电动机的电力拖动,一、单轴电力拖动系统的运动方程式 最简单
2、的电力拖动系统是电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连，称为单轴电力拖动系统,T：电磁转矩 TL：负载转矩,直流电动机的电力拖动,T：电磁转矩； TL：负载转矩,N.m,J：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2, ：电动机角速度,rad/s,在工程计算中,常用n代替表示系统速度, 用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性。,单轴电气传动的动力学方程式为：,直流电动机的电力拖动,m：系统转动部分的质量，Kg, ：系统转动部分的转动半径，m,D ：系统转动部分的转动直径，m,g ：重力加速度=9.8m/s2,G：系统转动部分的重量，N,直流电动机的电力拖动,（T-TL）为动转矩 （T-TL）=0 系统
3、处于恒转速运行的稳态 （T-TL）0 系统处于加速运行过程 （T-TL）0 系统处于减速运行过程,直流电动机的电力拖动,在电力拖动系统中，由于生产机械负载类型的不同，电动机的运行状态也发生变化。即电动机的电磁转矩并不都是驱动性质的转矩，生产机械的负载转矩也并不都是阻转矩，它们的大小和方向都可能随系统运行状态的不同而发生变化。 规定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速n的正方向。电动机的电磁转矩T与转速n的正方向相同时为正，相反时为负；负载转矩TL与转速n的正方向相反时为正，相同时为负； 的正负由T和TL的代数和决定。,直流电动机的电力拖动,实际的拖动系统，电动机和工作机构之间由若干级传动齿轮或
4、其他传动机件联接。这样通过一套传动机构，才能使电动机的转速n变换成工作机构所需要的转速nL，这种系统我们称为多轴系统。,（a）实际的多轴系统；（b）等效的单轴系统,直流电动机的电力拖动,多轴系统由于电机的转速和生产机械的转速不同，需通过折算来分析。同样平移机械和升降机械也需折算来解决。 电气传动系统转速是在一定范围内变化的，要解决整个生产过程中的速度问题，必须要了解负载的机械特性，同时要考虑电动机的机械特性与负载的机械特性的稳定性关系。,直流电动机的电力拖动,二、生产机械的负载特性,负载的机械特性就是生产机械的负载特性。它表示同一转轴上转速与负载转矩之间的函数关系，即n=f (TL)。,直流电
5、动机的电力拖动,（一）恒转矩负载特性,它的机械特性的特点是：负载转矩TL的大小与转速n无关，即当转速变化时，负载转矩保持常数。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。,直流电动机的电力拖动,（1）反抗性恒转矩负载,这类负载的特点是：负载转矩的大小恒定不变，而负载转矩的方向总是与转速的方向相反，即负载转矩始终是阻碍运动的。,直流电动机的电力拖动,桥式起重机的行走机构的行走车轮，在轨道上的摩擦力总是和运动方向相反的。b图为对应的机械特性曲线，显然，反抗性恒转矩负载特性位于第一和第三象限内。,直流电动机的电力拖动,（2）位能性恒转矩负载,这类负载的特
6、点是：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且负载转矩的方向也不变。属于这一类的负载有起重机的提升机构,直流电动机的电力拖动,负载转矩是由重力作用产生的，无论起重机是提升重物还是下放重物，重力作用方向始终不变。图b为对应的机械特性曲线，显然位能性恒转矩负载特性位于第一与第四象限内。,直流电动机的电力拖动,（二）恒功率负载特性,恒功率负载的特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数 ,成反比。,JL与n成反比 ，机械特性是一条双曲线,直流电动机的电力拖动,（三）转矩随转速而变的其它负载特性,负载转矩与转速的平方成正比，即TLkn，其中k是比例常数。负载特性是一条抛物线 。,实际的负载转矩特性往往是几种典型特性
7、的综合。如实际的鼓风机除了主要是通风机负载特性外，轴上还有一定的摩擦转矩。,直流电动机的电力拖动,第二节 他励直流电动机的机械特性,直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压，励磁电流、电枢回路电阻为恒定值的条件下，即电动机处于稳定运行时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系：n=f(T)。,一、机械特性方程,直流电动机的电力拖动,以他励电动机为例，电动机的电压方程,将电枢电动势和电磁转矩的公式代入,称为理想空载转速(T0=0),实际空载转速,为机械特性的斜率,直流电动机的电力拖动,二、固有机械特性和人为机械特性,（一）固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通
8、=N，电枢外串电阻Rs=0时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为： 式中 称为斜率，nN为额定负载时的转速降。,直流电动机的电力拖动,一般计算理想空载点（T=0，n=n0）和额定运行点（T=TN，n=nN）的数据来绘制。,直流电动机的电力拖动,他励直流电动机固有机械特性是一条过理想空载点（n=n0，T=0）斜率很小的特性曲线。当空载转矩为T0时，实际空载转速为n0（由于存在空载损耗）。,直流电动机的电力拖动,转速降n=n0n=T是电动机在某一定负载和电枢电路电阻时理想空载转速与实际转速之差。在转矩一定时，与机械特性的斜率成正比；在机械特性的斜率一定时（电动机磁通和电枢电路电阻一定时），负载越
9、大，转速降越大。,通常称大的机械特性为“软”特性，而小的特性为“硬”特性。,直流电动机的电力拖动,（二）人为机械特性 每台电动机只有一条固有机械特性，当改变电气参数（U=UN，=N，R=Ra），所得到的机械特性，称为人为机械特性。,（1）电枢串电阻时的人为特性 保持U=UN，=N，在电枢回路中串入电阻Rs。,直流电动机的电力拖动,式中 称为人为特性的斜率，当改变外串电阻RS的大小，可得到一簇人为特性曲线，如图所示。,直流电动机的电力拖动,特性的特点是： 理想空载点n0与固有机械特性的相同； 斜率随外串电阻RS的增大而增大，使特性变软。电枢回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。,直流电
10、动机的电力拖动,（2）降低电枢电压时的人为特性 保持=N，R=Ra ，降低电枢电压。,直流电动机的电力拖动,特性的特点是： 斜率不变，对应不同电压的人为特性互相平行。 理想空载转速与电枢电压U成正比。,直流电动机的电力拖动,（3）减弱励磁磁通时的人为特性 一般电动机在额定磁通下运行时，电机磁路已接近饱和。因此只能是减弱磁通。通过增大励磁回路中串联电阻，减小励磁电流，从而减小磁通,保持U=UN，R=Ra ，减弱磁通时的人为特性,直流电动机的电力拖动,特性的特点是： 磁通减弱会使n0升高，n0与成反比。 磁通减弱会使斜率加大，成2反比。 人为机械特性是一族直线，但既不平行， 又非放射形。磁通减弱时
11、，特性上移，而且变软。,直流电动机的电力拖动,三、电力拖动系统稳定运行条件 （一）电力拖动系统稳定运行的概念 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。,直流电动机的电力拖动,系统稳定运行的必要条件：n不变，T=TL ，但不充分。,T,n,0,TL,n0,A,直流电动机的电力拖动,拖动系统稳定运行的必要和充分条件是： 1电动机的机械特性与生产机械的负载特性有交点，即存在 ； 2在交点所对应的转速之上（ ），应保证（ 使电
12、动机减速）；而在这一转速之下（ ），则要求（ 使电动机加速）。,直流电动机的电力拖动,稳定的系统,不稳定的系统,直流电动机的电力拖动,第三节 直流电动机的启动,电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。,启动瞬间（n=0)，启动转矩和启动电流分别为：,直流电动机的电力拖动,由于电枢电阻Ra很小，所以直接起动电流将达到额定电流的1020倍。这样大的电流会使电动机换向困难，甚至产生环火烧坏电机。另外过大的起动电流会引起电网电压下降，影响电网上其他用户的正常用电。因此，必须把起动电流限制在一定的范围内（除极小容量电动机外，不允许直接起动）。 只有电动机的启动转矩大于负载转
13、矩，系统才能获得一定的加速度而很快起动起来。因此要求电动机起动时应有足够大的起动转矩，起动转矩越大，起动时间就越短。,直流电动机的电力拖动,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起动或降低电枢电压起动。不论是哪一种起动方法，起动时都应保证电动机的磁通达到最大值。这是因为在同样的起动电流下，大则Tst大；而在同样的起动转矩下， 大则启动电流就可以小一些。,直流电动机的电力拖动,一、电枢电路串电阻启动 电枢电路串电阻启动需要在启动过程中，将启动电阻分段切除。 电动机起动前，应使励磁电路的调节电阻为零，励磁电流达到最大值，以保证磁通最大。 电枢利用接触器KM接入电网，启动电阻利用接触
14、器的触点来切除。,启动过程：,三级电阻启动时电动机的电路原理图和机械特性为：,直流电动机的电力拖动,二、降压方法,降低直流电动机的电枢电压，同样可以减小启动电流。当直流电源电压可调时，就应选择降压起动。启动时，以较低的电源电压启动电动机，启动电流便随电压的降低而成正比减小。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，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，从而保证电动机按需要的加速度升速。 电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种启动方法需要专用电源，投资较大大但启动电流小，启动转矩容易控制，启动平稳启动能耗小，是一种较好的启动方法。,直流电动机的电力拖动,第四节 他
15、励直流电动机的调速,为了改变拖动系统的运行速度，一般可采用两种方法：一种是不改变电动机的速度，通过改变电动机与生产机械之间传动装置的速比来达到调速的目的，工程上称为机械调速。另一种方法是用改变电动机的参数来达到改变电动机运行速度，工程上称为电气调速。除了单独应用上述两种调速方法外，生产中有时也将机械调速和电气调速配合起来以满足调速要求。,直流电动机的电力拖动,这里所讲的调速是指在任一负载下（负载保持不变），用人为的办法，改变电动机的参数，以得到不同的人为机械特性，使负载的工作点发生变化，转速随之变化。至于电机拖动系统由负载变化而引起的速度变化，不属调速内容。,与人为机械特性对应，他励直流电动机
16、的调速方法有三种： （1）改变串入电枢回路电阻；（2）改变电枢供电电压；（3）改变磁通。,直流电动机的电力拖动,一、评价调速方法的主要指标,（一）调速范围 调速范围是指电动机在额定负载下（电枢电流保持额定值不变），可能达到的最高转速与最低转速之比,电动机的最高转速受到电动机的机械强度、换向条件、电压等级方面的限制，而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。,直流电动机的电力拖动,（二）调速的稳定性 调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，使电动机转速随之变化的程度。工程上常用静差率来衡量。所谓静差率是指电动机在某一机械特性上运行时，在额定负载下的转速降n和对应的机械特性的理想空载转速n0之比,静差率越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也小。,直流电动机的电力拖动,静差率与以下两个因素有关： 1）当 n0一定时，机械特性越硬，n越小，静差率越小。 2）机械特性硬度一定时，n
