第二章 直流电动机的电力拖动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.1 电力拖动系统的运动方程式： 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。一、运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：其中 为系统的惯性转矩。运动方程的实用形式：系统旋转运动的三种状态1)当 或 时,系统处于静止静止或恒转速恒转速运行状态，即处于稳态。2)当 或 时,系统处于加速加速运行状态，即处于动态。3)当 或 时,系统处于减速减速运行状态，即处于动态。 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：二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩 与转速 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 负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载T TL Ln2.位能性恒转矩负载T TL Ln二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。T TL Ln三、泵与风机类负载特性 负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。T TL Ln12TL02.3 他励直流电动机的机械特性2.3.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速2.3.2 固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当 时的机械特性称为固有机械特性： 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。 当T=TN时，n=nN，此点为电动机额定工作点，转速差n=nn=n0 0- -nN，为额定转速差。 当n=0时，即电动机起动时，电磁转矩Tem=Ts，称为起动转矩。1、电枢串电阻时的人为机械特性 保持 不变,只在电枢回路中串入电阻 的人为特性特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。二、人为机械特性当改变 或 或 得到的机械特性称为人为机械特性。 故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。2、降低电枢电压时的人为机械特性 保持 不变，只改变电枢电压 时的人为特性：特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。 因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。3、减弱励磁磁通时的人为特性 保持 不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大 注：他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。2.3.3 机械特性求取一、固有特性的求取 已知 ，求两点:1）理想空载点 和额定运行 。具体步骤：（1）估算（2）计算（3）计算理想空载点：（4）计算额定工作点：二、人为特性的求取 在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，重新计算 和 ，然后得到人为机械特性方程式。2.4 他励直流电动机的起动 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。 一、起动过程2.4.1 电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为二、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: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：2.4.2 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 他励直流电动机的制动2.5.1 概述1、制动的目的： 1）使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）2、制动的方式： 1）机械（抱闸）制动）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸 ）2）电磁制动：）电磁制动：当 电磁转矩Tem 与 n的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当 Tem 与 n方向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状态（本质）。a)能耗制动b)反接制动c)回馈（再生）制动 注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。 很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。2.5.2 能耗制动 在电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。 制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 Ea 方向不变。由 Ea 产生的电枢电流I IaBaB的方向与电动状态时 I Ia a 的方向相反,对应的电磁转矩 TemB与 Tem方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。电动制动 P1=UI Ia a=0 P2=T2=Tem n0情况，此时Ea U， Ia 反向， Tem 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态（ P1=U Ia 0 、 P2=Tem 0 ）。稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限 发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动制动过程为 段。2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为 段。 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。、调速指标：影响调速范围的因素:1）最高转速受电动机机械强度和换向等方面的制；2）最小转速受相对稳定性限制。 2.6 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速1、调速范围: %越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。 2nN2nmin1nTnN1n0nNTN2、调速的稳定性（相对稳定性）、调速的稳定性（相对稳定性）：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。n0nN331）静差率：）静差率： 看出低速机械特性的静差率大，稳定性差。 一般以系统的最低转速时的静差率为准。 2）D与与%的关系：的关系： D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。 3 3、调速的平滑性、调速的平滑性 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。4、调速的经济性、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 ： 主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用以及调速过程中的电能损耗等。 、机械调速：、机械调速：改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速；改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。、电气调速、电气调速。 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。电气调速方法：调压调速；电枢串电阻调速；调磁调速。调速方法：、调速方法1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由AABBCRa+Rs1+Rs21）原理：在电枢中串入电阻，n0 0不变，即电机的特性曲线变陡，使 n 、在相同力矩下，n。2 2）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。3）特点）特点： （1）串电阻后，转速只能降低。（3）串入电阻后机械特性变软，静差率变大,所以转速的 相对稳定性差； （4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围为D=1-3受到限制。 ）（5）电阻上的功率损耗较大，效率低，不经济。（6）调速方法简单，设备投资少。 （2）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差； 4）适应场合：适应场合：这种调速方法适用于调速性能要求不高的中小型电机。2 2、降低电源电压调速、降低电源电压调速TemTLAAB调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。1）原理:由机械特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。 （2）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。 （3）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，静差率 小，调速稳定性好。 （4）无论轻载还是满载，调速范围相同，可达 D=2.512， 较广。 （5）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时， 电能损耗较小，故调速经济性好。 （6）调压电源设备较复杂。 2）特点： （1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而n U，所以调速只能向下调。3）适用场合）适用场合：这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。 3 3、减弱磁通调速、减弱磁通调速AB调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点1）原理：）原理：TemTLA）减弱磁通调速）减弱磁通调速在调速过程中的变化曲线在调速过程中的变化曲线减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n注意：注意：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。）特点：）特点：优点优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，能量损耗小; 控制方便，设备简单; 调速平滑性好, 可以无级调速 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。缺点：缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；受换向条件和机械强度的限制，转速调高的幅度不大。一般 D2）适应场合：）适应场合：弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节 。五、 调速方式与负载类型的配合容许输出容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。1、恒转矩调速 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为： 电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。 减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为： 为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，应采用恒功率调速方式。2、恒功率调速