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1、 第二章教案 第12页 周次第3周 章节名称2-1电力拖动系统的运动方程式2-2 2-3他励直流电机机械特性2-4起动特性授课方式理论课（）；实验课（ ）；实习（ ）教学时数4学时教学目的及要求要求掌握：u 电力拖动系统转动方程式,。u 熟练掌握电动机的机械特性。教学内容提要时间分配1 电力拖动系统转动方程式,2 负载特性。3 电动机的机械特性。4 电动机的启动过程。第一节课：1，2 3第二节课：3，4教学重点与难点1电力拖动系统转动方程式。2电动机的自然和人为机械特性。讨论练习和作业1电力拖动方程式的符号。2机械特性方程式。3直流电机为什么不能直接启动？4 实验如何完成？教学手段多媒体与其它
2、方式结合参考资料1电机与拖动基础 刘启新 中国电力出版社 2电机与拖动基础 宋银宾 机械出版社 3电机与电力拖动 顾绳谷 合肥工业出版社 4电机原理及拖动 彭鸿才 机械工业出版社 第一节 单轴电机拖动系统的运动方程式 图2-1 单轴电机拖动系统所谓单轴电机拖动系统，就是指只包含一根轴的系统，如图所示。当电动机的转矩作用于这一系统时，根据动力学定律可知，电动机的转矩除了克服运动系统的静阻转矩外，还使整个系统沿着电动机转矩的作用方向，产生角加速度。而角加速度的大小与旋转体的转动惯量J成反比。这种关系可用方程式表示如下： (21) 式中 电动机的拖动转矩(牛米)； 负载静阻转矩(牛米)； J 单轴旋
3、转系统的转动惯量(牛米秒2)； 单轴旋转系统的角速度(1秒)； 时间(秒)； 惯性转矩(牛米)。 式(21)为单轴拖动系统以转矩表示的运动方程式。它与直线运动系统的运动方程式()相似。从实质上讲，式(21)就是旋转运动系统的牛顿第二定律。 式(21)是电机拖动系统运动方程的一般形式，由于此式所用单位在计算和使用中不太方便，因此，在电机拖动的工程应用和实验计算中，往往不用转动惯量，而用飞轮惯量GD2来表征旋转物体的惯性作用。旋转物体的角速度也用电动机轴上的转速n表征。因为： (22) (23) 式中 重力加速度，=9.80米秒2； 整个系统旋转部分的质量(公斤秒2米)； G 整个系统旋转部分的重
4、量(牛)； 系统转动部分质量对其旋转轴的回转半径(米)； 系统转动部分质量对其旋转轴的回转直径(米)。 将式(2-2)和式(23)代入式(2-1)，可得运动方程式的实用形式： (24) 式(2-4)是今后常用的运动方程式，它表征了电机拖动系统机械运动的普遍规律，是研究电机拖动系统各种运转状态的基础，也是生产实践中设计计算的依据。 当=0时，常数(或=0)，系统稳定运转或静止； 当时，常数，系统加速运转； 当时，常数，系统减速运转。 在理解和使用上述运动方程式(24)时，还必须注意以下几个问题： (1)GD2是表示整个旋转系统惯性的物理量，是一个符号，切不可以把它割裂开而理解为系统的G与D2的乘
5、积。通常将GD2称为飞轮惯量或飞轮转矩。 (2)电动机电枢(即转子)及其它机械部件的飞轮转矩GD2的数值可从相应的产品目录或有关手册中查得，其单位目前都用牛米2的单位。 (3)式(24)中的数值375具有加速度的量纲。 (4)为了使运动方程式具有普遍性，能够描述各种各样运动形式和运行状态的系统，式中转矩与应带有正、负号。一般是首先规定某一旋转方向(如顺时针方向)为正方向。对于电动机的转矩，若转矩方向与所规定的正方向相同，则带正号，反之则带负号。而负载转矩的正负号与上述规定正好相反。即负载转矩的方向与所规定的正方向相同时，则带负号，相反时则带正号。因此运动方程式的一般形式为： (25)第二节 典
6、型的负载转矩特性几种典型的生产机械负载转矩特性。 一、恒转矩负载特性 所谓恒转矩负载特性，是指负载转矩与其转速n无关的特性，即当转速变化时，负载转矩保持常数。 在恒转矩负载中，又分为反抗性恒转矩负载特性和位能性恒转矩负载特性两种。反抗性恒转矩负载的转矩作用方向随转动方向的改变而改变。摩擦性负载转矩就具有这样的性质，负载转矩的方向总是和运动方向相反。属于这一类的生产机械有提升机的走行机构，皮带运输机，轧钢机以及某些金属切削机床的平移机构等。其特性曲线应画在平面坐标系的第一与第三象限内。如图所示。位能性恒转矩负载的转矩作用方向不随转动方向的改变而改变。属于这一类的生产机械有起重机的提升机构，高炉料
7、窜卷扬机构、矿井提升机构等，其特性曲线是一条由第一象限到第四象限的直线，如图所示。 图23 反抗性恒转矩负载特性 图24 位能性恒转矩负载特性 二、恒功率负载特性 在机械加工工业中，有许多机床(如车床)在粗加工时，切削量比较大，因而切削阻力比较大，采用低速运行。而在精加工时，切削量比较小，因而切削阻力比较小，大都采用高速运行。这就使得在不同转速下，负载转矩的数值基本上与转速成反比，即 则负载的功率为： 在这种情况下，负载功率基本保持不变，负载转矩与n的关系曲线，如图所示。三、负载转矩是转速的函数，即的负载特性凡是按离心力原理而工作的机械，如离心式鼓风机，水泵等，其负载转矩随着转速的增加而增大。
8、有些生产机械的负载转矩与转速n成二次方关系，如图中的曲线1所示。另外，实验室中用作模拟负载的他励直流发电机的转矩也是转速的函数，而且呈线性关系。因为当励磁电流和电枢电阻恒定不变时(忽略空载损耗)，电磁转矩与转速成正比，如图曲线2所示。图2-5 恒功率负载特性 图2-6 的特性第三节 直流他励电动机的机械特性一、直流他励电动机的机械特性方程为了导出直流他励电动机的机械特性方程，可将实际运行的直流电动机用一等效电路来表示，如图所示。根据电路可以列出电枢回路的电压平衡方程式： (2-6)式中 电源电压；电动机的反电势；电枢电流；电枢回路地电阻。从第一章已知： 即 将此二式代入式（2-6）可得：即 (
9、2-7)或 (2-8)式（2-8）表明了电动机的转速n与它产生的转矩之间的关系，即，因而称为他励电动机的机械特性方程式（今后都用T表示）。图2-7直流他励电动机的原理电路 图2-8 他励直流电动机的机械特性 假定外加电压U和电枢回路的电阻的植不变，磁通也是一个常数，电势常数和转矩常数对于一台既定的电机来说，都是常数，因而可将式（2-8）表示为： (2-9)式（2-9）中的，它是对应于 的电动机转速。当和恒定时，它是一个常数。从式（2-9）中可以看出，电动机的转速n在时才能等于，也就是说只有当电机没有输出转矩时，n才等于。这时电机仍在旋转，而又不输出转矩，那必须是轴上不仅没有负载，而且空载转矩也
10、不存在，这是一种理想的情况。把对应与这种情况下的转速称为理想空载转速。式（2-9）中的 称为电动机的转速降。它是当电机有输出转矩T时所引起的转速。速度降的本质是电动机有载运行时，电枢回路电阻上的损耗，以速度这一参量表示出来的结果。因此，电动机的输出越大（即负载越大），电枢电流也就越大，速度降也就越大，电机的实际运行速度越低。二、直流他励电动机的机械特性曲线 可知，在、及为恒植的情况下，n和T之间是平面坐标系中的一条直线，如图）所示。它是和纵坐标交与点的一条稍向下倾斜的直线，输出转矩增加时（机轴上负载增大时），速度的变化并不大，称这种机械特性为硬机械特性，简称为硬特性。从特性曲线还可以看出，当负
11、载不变时，越大，特性的倾斜度越大。而式中表示机械特性的斜率。越大，越大，机械特性愈软。通常称小的机械特性为硬特性，大的特性为软特性。三、直流他励电动机的自然机械特性从直流电动机的机械特性方程式（29）：当电枢回路不串任何电阻时，所得到的电动机的机械特性就是电动机的自然机械特性。电动机的自然机械特性是一条稍下倾的直线，机械特性为硬特性。四、直流他励电动机的人工机械特性从直流他励电动机的机械特性方程式（29） ： 从机械特性方程式还可以看出，当人为地改变电压，改变串接与电枢回路中的电阻，改变励磁电流的大小使磁通发生变化时，可以得到一系列的人工特性。1 电枢回路串接电阻的人工机械特性：如果将电动机的
12、外加电压保持为额定值，而在电枢回路串入附加电阻。改变电枢回路附加电阻时的人工机械特性是通过理想空载点的一束直线，如图示。2 改变电动机供电电压时的人工机械特性： 电枢回路串接电阻时的人工机械特性改变外加电压时的机械特性曲线是从自然特性曲线往下移，而且是平行与自然特性的一簇直线，如图所示。改变供电电压时电动机的人工机械特性3减弱电动机主磁通时的人工特性：一般他励电动机在额定磁通下运行时，电机磁路已经接近饱和。因此，改变磁通实际上只能是减弱磁通。减弱磁通时的人工机械特性可见，改变主磁通时，不仅理想空载转速有所变化，而且转速降也有较大的变化。从机械特性方程式可以看出，减弱磁通时，理想空载转速升高。这
13、是因为减小，外加电压又保持不变，而反电势仍要和外加电压相平衡，因而必须提高理想空载转速，这就是减弱磁通时理想空载转速升高的原因。从机械特性方程式还可以看出，减弱磁通会使转速降按平方比例低增大，即特性曲线的斜率增大。这是因为在同一输出转矩T 下，由于磁通的下降必须增大电枢电流 才能保持T相同，从而引起电枢电阻上的压降增大，所以减小的越多，速度降就越大。（在讲习题之前，重新回顾一下自然机械特性、工机械特性及其相互关系。）例2-1 有一台他励直流电动机，其铭牌数据如下：千瓦，伏，=。求：（1） 自然机械特性（2） =0.4欧的人工机械特性（3） 伏的人工机械特性（4） 时的人工机械特性（其中为电动机的额定磁通）解： 由于他励直流电动机的机械特性是一条直线，所以只要根据机械特性方程式求
