他励直流电机的启动原理与运行

1、他励直流电机的运行直流电动机的起动电动机接到规定电源后， 转速从 0 上升到稳态转速的过程称为起动过 程。他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场(即先通励磁电流) ，而 后加电枢电压。合闸瞬间的起动电流很大应尽可能的缩短启动时间， 减少能量损耗以 及减少生产中的损耗起动电流大的原因 ：、起动开始时： n=0,Ea=Cen=0,、电枢电流： Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra 一般很小 这样大的起动电流会引起后果：、电机换向困难，产生严重的火花 、过大转矩将损坏拖动系统的传动机构和电机电枢 、供电线路产生很大的压降。变频器整流回路的启动电阻 结论：因此必须采取适当的措施限制起动电流，除容量

2、极小的电机外， 绝 不允许直接起动起动方法：电枢串电阻启动起动过程中有能量损耗， 现在很少用， 在实验室中用 降压启动适用于电动机的直流电源是可调的， 投资较大， 但启动过程 中没有能量损耗。直流启动器电枢串电阻起动 ：最初起动电流： Ist=U/(Ra+Rst)最初起动转矩： Tst= Ist启动电阻： Rst(UNi IN ) Ra为了在限定的电流 Ist 下获得较大的起动转矩 Tst, 应该使磁通 尽可能 大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。有了一定的转速 n后，电势 Ea不再为 0，电流Ist 会逐步减小，转矩 Tst 也会逐步减小。为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩

3、，一般将起动器设计为多 级，随着转速 n的增大，串在电枢回路的起动电阻 Rst 逐级切除，进入稳 态后全部切除。起动电阻 Rst 一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。降压起动 ： 对于他励直流电动机， 可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动 电流。起动时电压 Umin, 起动电流 Ist ：Ist= Umin/Ra iIN 启动过程中 U 随 Ea 上升逐渐上升，直到 U=UN 串励电动机绝对不允许空载起动。 串电阻起动设备简单，投资小，但起动电阻上要消耗能量； 电枢降压起动设备投资较大，但起动过程节能。直流电动机的调速 为提高产品质量和生产效率， 工作机械的运行速不可能

4、是单一的。 按 照工作机械的要求认为地调节拖动电动机的运行速度。例如：车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速。 改变传动机构的变比机械调速 改变电动机参数电气调速：直流和交流 直流调速系统中大多数为他励直流电动机一、他励直流电动机人为机械特性 电动机转速特性和机械特性的一般表达式：UnKeRaKR T 2T KT2UnKeRa R IKe I a理想空载转速：n0Ke斜率：RaRKeKT2+Ea固有机械特性和人为机械特性固有机械特性 U=UN，= N，R=0人为机械特性 U或 不等于额定值，或者 R 不等于零。 他励直流电动机的三条人为机械特性：R0, 电枢回路串电阻时的机械特性 UUN，

5、改变电枢电压时的机械特性 N，改变气隙磁通时的机械特性 研究人为机械特性重点：理想空载转速和斜率的变化 电枢回路串电阻的机械特性：U NRa Rn02理想空载转速：Ke 斜率：KeK T对应于不同的 R可以得到一簇斜率不同射线。 均在固有机械特性之下因为： =N=Cont，T= Ia ，即 T正比于 Ia ，故人为机械特性的 图形在另一适当的横轴比例尺下可以代表其相应的转速特性 改变电枢电压的机械特性n URan02理想空载转速：K e斜率：KeKT斜率不变，理想空载转速 n0 不同的一簇平行线。 电动机绝缘条件的限制，电枢电压不能高于额定电压， UB1,所在的特性曲线不同 TTL平衡被破坏

6、,电动机减速 ,相点沿(RC1)曲线 B1A2下降过程中随 n的下降 T逐渐增大 ,dn/dt 减小,向新的平衡状态移动 A2,T 增大到了 TL，系统恢复平衡状态， n=n2电机机电过程分析Ea某环节上出现外部因素的干扰， 平衡被破坏，经系统内部调节过程，达到 新的平衡。如 Rc突然增大 .n 不变 Ea 不变 Ia TIaT电枢串电阻调速特点：电流的变化：负载 TL不变，平衡状态要求 T 不变，Ia 不变平衡 时电枢电流由负载决定（起动时 Ist 由电压和电阻决定） 优点：设备简单、操作简单。 缺点：只能降速， 低转速时变化率较大， 电枢电流较大时， 不易连续调速， 有损耗。调压调速：降低

7、电枢电压时， 电动机机械特性平行下移。负载不变时， 交点也下移，速度也随之改变过程： 电流的变化：负载 TL不变，平衡状态要求 T 不变，Ia 不变平衡 时电枢电流由负载决定（起动时 Ist 由电压和电阻决定优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。 缺点：只 能下调，且专门设备，成本大。 （可控硅调压调速系统 ）改变励磁电流调速 减少励磁电流时，磁通 减少，电动机机械特性 n0 点和斜率增大。 负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。A1、A2、A3、A4处负载转矩 TZ 相同，电机输出转矩相同，但注意这些点的电流不同。三、合理选择调速方式的基本依据 调速范围能否满足要求 电动机的负

8、载能力是否得到合理利用 调速的平滑性 原始投资和运行费用的合理支配（一）调速范围 定义：额定负载转矩下电动机允许达到的最高转速与不超过工作机械允许 的最大静差率所能达到的最低转速之比。nmax nmin静差率 : （转速变化率 ）用以表征相对稳定性显然n愈小，s 愈小，表征相对稳定性越好1、2 曲线比较：机械特性越硬，则 s 越小；1、3 曲线比较：机械特性硬度相同， 但 s 并不一定相同； n0越大，s 越小，即高速特性的相对稳定性优于低速特性。生产机械调速时， 为保证一定的稳定性， 通常要求静差率 s 小于某一允许 值如果低速特性的静差率 s 满足要求，则高转速特性一定也满足要求S和 D是

9、互相联系的两项指标， nmin取决于低速特性的静差率 s，因此 D也 受低速特性的静差率 s 的限制调速范围 D 和静差率 s 的关系n max? Smaxn N (1 Smax )nminSnN (1 Smax)Smax 二)电动机负载能力的合理利用电动机的负载能力： 即电动机的允许输出，指在调速过程中， 保持电 枢电流 Ia=IN 时电动机轴上输出转矩和输出功率的大小， 即调速运行中电 动机的长期最大输出转矩和输出功率。他励直流电动机 T K T IaP (T T 2 n) T n1000 1000 60 9550 串电阻和降电压调速 T 允许 K T I N TN 常数T允许 n9550

10、Cn从高速到低速进行调速时，允许输出的转矩是常数，允许输出的功率正比于转速恒转矩调速方式 弱磁调速允许输出的功率是常数，允许输出转矩的是变化的 , 但转速keT允许K TI NUN - INRa 1KT I NC1ke nnT允许 n1 U N- I N RaP允许(KT I NN NN a ) PN95509550 T N Nke Nn C 1 常数9550 nK I U N - I N Ra常数CKT IN kePN95509550从低速到高速进行调速时， 反比于转速恒功率调速方式n UN - I N Ra 1由于工作机械的负载 特性亦具有恒转矩和横功率两种类型，为保证电动 机 的负载能力

11、得到充分利用，必须按照负载性质来选择调速方式及电动 电机。TnnN 具体做法：具有恒转矩型的工作机械选用恒转矩性质的调速方式， 且电动机的额 定转矩 TN 应等于或略大于恒值负载转矩具有恒功率型的工作机械选用恒功率性质的调速方式， 且电动机的额 定功率应等于或略大于恒值负载功率三）调速的平滑性定义：相邻两级转速之比 :k=n i/n i -1K=1 表示速度连续可调高性能调速要求之一改变电枢电压和弱磁调速可以实现无级调速 串电阻调速不能实现无级调速原始投资和运行费用：原始投资：设备费用运行费用：运行中电能的消耗和维护费用电枢串电阻调速：降电压与弱磁调速：直流电动机的电动与制动运行在生产过程中，

12、 经常需要采取一些措施使电动机尽快停转， 或者限制 势能性负载在某一转速下稳定运转， 这就是电动机的制动问题。 实现制动 既可以采用机械的方法，也可以采用电气的方法。我们重点来看一下电气制动方法：能耗制动反接制动回馈制动一、电动机的四象限运行电动机状态： n与 T方向相同，电能转化为机械能，机械特性位于、 象限制动状态： n与 T方向相反，机械能转化为电能， （回馈电网或热能损耗） 机械特性位于、象限二、能耗制动 能耗制动过程：将闸刀合向下方，制动开始开始时由于惯性， n 不变 Ea 不变，由于电枢电压等于 0，电枢电流 Ia=0-Ea/ （Ra+R），与电动机运行时符号相反，由于不变，所以

13、T 亦反 向，则 T与 n 相反制动状态 制动过程中，对电机靠相同动能发电，将转动部分的动能转换成电能， 消 耗在电阻和电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。能耗制动的特点： 电枢端电压（外加电压）为 0 电势平衡方程： Ea=Ia （ Ra+R） 功率平衡 EaIa=IaIa （ Ra+R） 制动过程中相同动能转化为电能，消耗在 Ra+R 上 制动电阻 R 用以限制制动瞬间的电枢电流能耗制动的机械特性 电动机的机械特性方程式为：由于 U 0, N nRa R Tn 2 TK eKT 2N 是一条过原点的直线，如图在由运行点到停转的制动过程中, 直在变化中，因此称为能耗制动过程。转速并非稳定在某

14、一数值，而是能耗制动的应用缩短降速时间下方重物（获得一个稳定的下方速度）耗制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大，而电流太大，会造成换向上的困难，因此能耗制动过程中 电枢电流有个上限，即电动机允许的最大电流。由可以计算出能耗制动过 程电枢回路中串入制动电阻的最小值：这种制动方法在转速较高时制动作用较大，随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。（三）反接制动 反接制动过程分析：如图所示，电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压 突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动 转矩。机械特性分析：U N EaI a ma

15、xRa电压反接制动时， U U Nn机的机械特性方程式为：NUNCe，电枢回路的电阻为：Ra R T2TN C eCT NRa R ，电动I U N Ea反接前：I aRa反接后：IU U N U N Ea所以：aRa因此反接后电流的数值将非常大， 为了限制电枢电流， 所以反接时必 须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。Ra R其对应的曲线为过 -n 0点，斜率为 CeCT N 的直线，如图反接制动反向起动过程：如果 C 点电动机的转矩大于负载转矩， 当转速到达零时， 应迅速将电源开 关从电网上拉开，否则电动机将反向起动，最后稳定在 D点运行，如图所示。电压反接制动在整个制动过程中均具有较大的

16、制动转矩， 因此制动速 度快，在可逆拖动系统，常常采用这种方法。电源反接的反接制动特点Ua=-UNIa0T0 制动电阻的选取原则： 太大：制动转矩小 太小；制动电流大 电势平衡 功率平衡 电机由轴上吸收机械能（动能） ，并转换为电功率，从电源吸收电功率， 全部付出在电枢中的铜耗中。倒拉反转制动他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，将 引起转速下降，串的电阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程度， 将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第 象限，如图所 示，这时电动机接线未变，转速反向。而是一种制动运行状态，称为倒拉 反转制动运行。倒拉反转制动运行常用于起重设备低

17、速下放重物的场合。 在这种运行方式中，电动机的电磁转矩起了制动作用，限制了重物下降的速度。改变 的大小，即可改变机械特性的交点，使重物以不同的稳定速度下降。反接制动特点Ua=UNN0T0电势平衡功率平衡电机由轴上吸收机械能（动能） ，并转换为电功率，从电源吸收电功率，（ 四）回馈制动：他励直流电动机运行中如果出现实际的转速 n 高于理想空载转速 n0， 电机即进入回馈制动状态 （ 发电机状态）电力拖动系统中，回馈制动的产生（ 1） 突然降低电枢电压n0BTB A点运行，突然将电压 BC段 电流方向 转矩方向 转速方向 CD段TLT2) 突然增加磁通A点运行，突然增加磁通BC段电流方向转矩方向转速方向CD段磁通的突变以上两种情况回馈制动的特点 nn0，EaUa,电流方向改变 电