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=Ce n=0,、电枢电流 ：Ia=(U-Ea)/Ra=U/RaRa 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 ：.专业专注.最初起动电流 ：Ist=U/(Ra+Rst)最初起动转矩 ：Tst= Ist启动电阻 ： Rst（ UN i 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

3、始终保持足够大的起动转矩 ，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 。.专业专注.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

4、品质量和生产效率，工作机械的运行速不可能是单一的。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：nURaR2 TnURaR I aKe Ke K TK eK eURa Rn0K e K T2理想空载转速 ：Ke斜率 ：+UaTTnLRa+R Ia+ Ea .专业专注.固有机械特性和人为机械特性固有机械特性 U=U N， =N，R=0人为机械特性 U 或 不等于额定值

5、，或者 R 不等于零 。他励直流电动机的三条人为机械特性：R 电0,枢回路串电阻时的机械特性U UN，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 Rn0K eK T 2理想空载转速 ：Ke 斜率：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URan0Ke KT 2理想空载转速 ：K e斜率 ：.专业专注.斜率不变 ，理想空载转速 n0

6、 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，U<U N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磁通的机械特性 ：此时：Cont ，T= Ia ，即 T 不在成正比于 Ia，故人为机械特性和转速特性必须分别考虑 。.专业专注.由于磁路饱和和励磁绕组发热条件的限制， 只能在 N范围内调节n0U NK e 随 的减少而上升I sU NRa 为常数与 无关TsKT I s 随 减小而减小机械特性曲线的形状决定了电动机的应用范围机械特性方程式及其函数图形是对拖动系统稳定状态下电动

7、机转矩与转速关系的数学描述如果不考虑电枢绕组电感的影响 (电枢电流认为可以突变 ),机械特性方程式及其函数图形也是对拖动系统在升 、降速的动态下电动机转矩与转速关系的描述 。.专业专注.ndnn动态过程的每一瞬间描述 dt设 TLGD 2dndn0则 TTc375dtdtnURa RTKe2Ke KT 静态描述URaR c dnKe Ke KT2dt 动态描述则系统的动态过程可由此坐标平面中的一条特定的轨迹唯一描述在适当的比例尺下 ， T n 坐标平面可以转换为T n 平面 。如果 TL0，则通过坐标变换将 n 轴平移到 T=TL 处， T n 坐标平面仍可视为n n 平面 。几个概念 ：相平

8、面、相点、相轨迹nURaR2 TKeKe KT 机械特性方程由来 ？U=Ea+IaRaEa=Ke nT= KT Ia结论：静态下的机械特性方程式同时也是对系统升降速动态过程中T 与 n之间变化关系的数学描述二、他励直流电动机的调速方法nURaR I aKeK enURaR2 TK eKe KT电枢回路串电阻调速 ：依据：调节电枢回路电阻 Rc 的大小时 ，电动机机械特性的斜率改变 ，与负载机械特性的交点也会改变 ，达到调速目的 。.专业专注.调速过程分析 ：设系统稳定工作在 A1 点,电枢回路突然增加电阻 Rc 电动机的转速不能突变 , A1 >B1,所在的特性曲线不同 T<TL

9、平衡被破坏 ,电动机减速 ,相点沿 (RC1)曲线 B1-A2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TLU +U-EaU-EaIaT-TL375Ia= Ra+R cT=K cIaT -nGD 2T TL dt cEa-+E=K e n机械特性方程运动方程式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IaTnEaIaT电枢串电阻调速特点 ：n.专业专注.电流的变化 ：负载 TL 不变，平衡状态要求 T 不变，Ia

10、 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

11、 点和斜率增大 。负载不变时 ，交点也下移 ，速度也随之改变 。.专业专注.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 。D nmax nmin静差率 : (转速变化率 )用以表征相对稳定性n0 nNnsT TNn0n0.专业专注.nN=nmaxnN1nN32nminTL=TN显然 n 愈小， s 愈小，表征

12、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 ；n 0 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DnmaxSmaxnN (1Smax )nminn N (1 Smax )Smax.专业专注.（二）电动机负载能力的合理利

13、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 TK TI aPTT2 nT n(100060)95501000串电阻和降电压调速T允许K TIN TN常数T允许 nP允许Cn9550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是变化的 , 但转速n U N - I N Ra keT允许KTI NT允许 nP允许95501U N - I N Ra11KT INkenCn1 ( KT I NN U N

14、- I N Ra ) PN9550ken1常数Cn9550常数CKT I N U N - I N RakePN95509550从低速到高速进行调速时 ，允许输出的功率是常数 ，允许输出转矩的反比于转速 恒功率调速方式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。.专业专注.TPTNPNnnN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

15、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 ：4.3 直流电动机的电动与制动运行.专业专注.在生产过程中 ，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 ：

16、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.专业专注.Ia=0-Ea/ （ Ra+R），与电动机运行时符号相反 ，由于 不变 ，所以 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

17、 ：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 U0,NRaR2 TnK eK TN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 ，转速并非稳定在某一数值 ，而是一直在变化中 ，因此称为能耗制动过程 。.专业专注.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）结果分析 ：这种方法所串入的电阻越小 ，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

18、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 ，.专业专注.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 ：I aU NEaRa反接前：反接后：UU NI 'aU NEa所以：Ra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

19、限流电阻 。RminU NEaRaI a max电压反接制动时 ， UU NN，电枢回路的电阻为 ： RaR ，电nU NRaR2 T动机的机械特性方程式为 ：CeNCeCTNRaR其对应的曲线为过 -n 0 点，斜率为CeCT2N的直线 ，如图.专业专注.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=-U NIa<0T<

20、;0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，.专业专注.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