直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动 FF 3.1 3.1 直流电动机的起动直流电动机的起动 FF 3.4 3.4 直流电动机的各种运行状态直流电动机的各种运行状态 FF 3.5 3.5 电力拖动系统的过渡过程电力拖动系统的过渡过程 FF 3.2 3.2 直流电动机的调速直流电动机的调速 主要内容主要内容 共5节 第三章 直流电动机的起动、调速和制动 FF 3.3 3.3 直流电动机的制动直流电动机的制动 3.1 直流电动机的起动 3.1 直流电动机的起动 起动：指电动机从静止状态转动起来。 起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起 动过程。 系统对起动的要求 (1)起动转矩Tst足够大， Tst（1.11.2)TL (2) Ist不能太大，一般为（1.52)IN (3) 起动设备要简单、可靠、经济 3.1 直流电动机的起动 3.1.1 直接起动 电动机的起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。 起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 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。 起动时由于转速 ，电枢电动势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大 值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶 化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。小型电机 电压低、电阻大，可以直接起动。 3.1 直流电动机的起动 3.1.2 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为 3.1 直流电动机的起动 二、分组起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有： b点 c点 d点 e点 f点 g点 比较以上各式得： 在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推 导可得各级串联电阻为: 3.1.2 电枢回路串电阻起动 3.1 直流电动机的起动 二、分组起动电阻的计算 （6）计算各级起动电阻。 （1）估算或查出电枢电阻 ； （2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ； （3）选取起动级数 ； （4）计算起动电流比： 取整数 （5）计算转矩: ，校验： 如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。 计算各级起动电阻的步骤： 3.1.2 电枢回路串电阻起动 3.1 直流电动机的起动 3.3.3 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。 3.2 直流电动机的调速 3.2 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。 3.2 直流电动机的调速 3.2 直流电动机的调速 1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，特点是：调速时必须停，多为有级 调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。 调速方法 2. 电气调速： 指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机 构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提 高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。 3.电气机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速） 3.2 直流电动机的调速 3.2 直流电动机的调速 电气调速 1.降压调速： 降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转 速下降。 2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率变大 ，负载转速降变大，导致转速下降。 3. 弱磁调速 减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少 (1 ，显然，调速的级数越多， k 越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1 时，称为无级调 速，即在调速范围内，转速可得到任意值。 4. 经济性 在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。 3.2 直流电动机的调速 5. 恒转矩调速方式和恒功率调速方式 电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流 在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许 的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能 保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式 与负载类型相配合的问题。 恒转矩调速 调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转 矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输 出功率P=T，T=常数 P ,即电动机转速越低，输出功率越小,P 。 3.2 直流电动机的调速 恒功率调速 调速中，保持Ia=IN，若n，P =常数。在保持电枢电流接近或等于额定值条件 下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如改变电动机主磁 通 的调速方法就属于恒功率调速方法。 T=f（n）和 P=f（n） 曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输出的 转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖 动的负载转矩和负载功率特性来决定。 实际上，电动机在调速时实际输出的功率和转矩是多大，则要看电动机拖动是什么类型的负载 。如果配合适当，电机实际输出即为允许输出，电动机容量能充分利用，否则电机容量造成浪费。 3.2 直流电动机的调速 调速方式与负载类型配合问题 调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下，可较充分地利用，不 致造成浪费(浪费是指电机的转 矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏。(指转矩及功率选的较小) 最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转 矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。 这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负 载一致时，电机容量能充分利用。 3.3 直流电动机的制动 1.电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转矩，Ia 与Ea 方向 相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、 三象限。 2.制动状态 特点：转速n与转矩T方向相反， Ia 与Ea 方向相同，电机工 作在发电状态。 电动状态与制动状态 制动： 指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。 制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物 。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车. 3.3 直流电动机的制动 实现 制动 方法 机械制动 机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大， 多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机 将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回 馈电网。 电气制动方法 能耗制动，反接制动，再生制动 3.3 直流电动机的制动 直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下： (1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。 (2) 降速过程中 在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制 动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。 (3) 提升机构下放重物 (4) 反转 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。 3.3 直流电动机的制动 3.3.1 能耗制动 1.能耗制动的原理 接触器KM2闭合(电机原 运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R将 电枢短接。 a.电动状态 接触器KM1闭合，转矩 T与转速n相同方向，电枢电流与反 电势方向相反，电机运行在A点。 b.能耗制动 3.3 直流电动机的制动 3.3.1 能耗制动 U=0, 由于电机惯 性， n0，Ea0 ， 在反电动势Ea作用下产 生电枢电流Ia反向，电 动机的转矩也反向。这 时IB=-Ea/(R+Ra)。 IB 与原来的IA 方向相反， TB反向，与n相反, 转 速下降，当n=0 ，停车。 3.3 直流电动机的制动 特性方程及制动电阻 特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 Rad。 Rad越大，特性越斜， Rad越小，特性越平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的 冲击电流，取IB=(22.5) IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB ，有： 当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。 3.3 直流电动机的制动 能耗制动特点： (i) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成直流发 电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的 位能转变成电能( EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上 I2(Ra+Rad). (ii) 制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也下降， 故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad ，以增大制动转矩T ，此即多级能耗制动 (iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 ,可实现 准确停车。 3.3 直流电动机的制动 3.3.反接制动 将正在运行的电机电 枢串入制动电阻 Rc，且 电枢两端电压极性改变。 要实现反接制动电路有两 种，一种手动适合小容量 电动机，另一种是自动线 路适合大容量的电动机采 用。 方程式为： 3.3 直流电动机的制动 特性BC段为电压反接 制动机械特性曲线， 由于制动状态到 n=0 告终，所以只有实线 部分为反接制动特性。 3.3 直流电动机的制动 制动电阻Rc的计算： 制动电阻的比较： 当制动初始转速nLnN，可用近似公式 计算，即： 反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。 3.3 直流电动机的制动 反接制动时的能量关系 说明从电源吸收电能： 说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电 状态，将机械能转化为电能。 上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路 的电阻上。 3.3 直流电动机的制动 3.3.3 倒拉反转制动运行 又称转速反向 的反接制动或倒拉 反接制动 (1) 方法 电枢回路串入 大电阻 3.3 直流电动机的制动 从C点至D点为电动 减速状态，从D点至B点 为发电状态。 电阻计算 3.3 直流电动机的制动 说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能 上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能 量关系同电压及制动时一样。 两种反接制动的异同点 共同点：能量关系相同。 不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩 大，制动效果好，转速反向反接制动特性位于第四象 限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。 3.3 直流电动机的制动 转速反向的反接制动，可应用于位能负载，一 般可在nn0 则 EaU ， Ia与Ea同方向，T 与 n 方向相反，电机工 作在发电状态，回馈 能量给电源，经济。 3.3 直流电动机的制动 在回馈过程中，电动机