第四章 他励直流电动机的运行

1、第四章第四章 他励直流电动机的运行他励直流电动机的运行4.1 他励直流电动机的启动4.2 他励直流电动机的调速4.3 他励直流电动机的电动和制动运行回忆他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性机械特性方程式机械特性方程式 固有与人为机械特性固有与人为机械特性机械特性的绘制机械特性的绘制电力拖动稳定运行的条件电力拖动稳定运行的条件实例实例 机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T) ，其中：T是指电磁转矩； 机械特性是电动机机械性能的主要表现； 电动机工作在电动状态时T=TdT0；lT：电磁转矩；Td：电动机轴上的输出转矩；T0：电动机空载转矩。 在运动方程式T-Tz=

2、JdW/dt中l若T为电磁转矩，则Tz为负载转矩与空载转矩之和；l若定义Tz为负载转矩，则T为拖动转矩，相当于T=TdT0中的Td。机械特性方程式机械特性方程式 直流电动机的几个基本方程式aTICTnCEeaRIEUaaeaCRIUn 电磁转矩： 感应电动势： 电枢回路电动势平衡方程式： 电动机转速特性：eTCC55. 9 由此可得机械特性方程式： R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻Ra和电枢串励电阻RW；Ce：电动机电动势常数，Ce=pN/(60a)；CT：电动机转矩常数， CT=pN/(2pa)TCCRCUnTee2Tnn0或 理想空载转速eCUn 0 实际空载转速0200TCCRnnTe电

3、动机带负载后的转速降TTCCRnTe2%100%0NNNnnnn额定转速变化率 ：机械特性斜率，国产Z系列他励直流电动机的nN%一般为10%18%，大容量电动机为3%8%。2eTRC C 电枢反应对电动机机械特性的影响电枢反应对电动机机械特性的影响 当电枢电流较大时，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。电枢反应对机械特性的影响 减少电枢反应对电动机机械特性的影响减少电枢反应对电动机机械特性的影响 在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动势可以减少电枢反映的去磁作用； 实质上变为复励电动机； 由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因

4、此仍视为他励直流电动机。 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性与人为机械特性固有机械特性与人为机械特性 电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性TCCRRCUneae2NTNN固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性 改变电枢电压时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性TCCRCUneae2NTN固有机械特性电压不同时的人为机械特性UNU1U221N 减弱电动机励磁时的人为机械特性减弱电动机励磁时的人为机械特性TCCRCUneae2TN21N 减弱电动机励磁时的人为机械特性减弱电动机励磁时的人为机械特性aeaeICRCU

5、nN机械特性的绘制机械特性的绘制 由电动机机械特性方程式可知，计算或绘制机械特性，必须知道Ce与CT等参数，而这些参数电动机结构参数p、a、N等有关，但这些参数不易得到； 设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算或绘制机械特性； 对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便； 理想空载点NN0eCUnNNNNNNnRIUnECae其中 UN、IN和nN为已知，Ra可实测，或通过下式估算。2NNNN3221IPIURa 额定工作点NNTNICTNN55.9eTCC 人为

6、机械特性的绘制人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可；TCCRRCUneae2NTNN 电枢串电阻时的人为机械特性 改变电枢电压时的人为机械特性TCCRCUneae2NTN 减弱电动机励磁时的人为机械特性TCCRCUneae2TN例题例题 一台Z2型他励直流电动机的铭牌数据为：PN=22kW, UN=220V, IN=116A, nN=1500rpm。试绘制其机械特性。解：解：174. 011622000116220323222NNNNIPIURaV/rpm133.0NNNNnRIUCae理想空载点，T0rpm1650NN0eCU

7、nn额定工作点，mN3 .14755. 9NNNICTTe他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性电力拖动稳定运行的条件电力拖动稳定运行的条件 主要研究：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。 在电力拖动运动方程式中，当转矩T 与Tz 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态。 电力拖动稳定运行的条件电力拖动稳定运行的条件 稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。 稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这

8、时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。 电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。 稳定运行系统分析稳定运行系统分析 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，且不考虑电枢反应，当电枢电压发生变化时，工作点得变化如下图所示。TCCRCUnTee2A12+n-nTn0 不稳定运行系统分析不稳定运行系统分析 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，考虑电枢反应，且负载转矩特性与电动机机械特性相交在特性上翘段，当电机速度稍微变化时。B12+n-nTn0n0例4-1：设某他励直流电动机 ， 时, 。 如果U150V，计算： a. 起动电流；

9、 b. 电动机在1000r/min和1460r/min时的反电动势； c在1000r/min和1460r/min时的电枢电流。W1aRmin/500rn VE50a 解：a. 起动瞬间电枢是静止的，反电动势为0V，起动电流仅受 限制ARUa1501/150/Iab. 因励磁不变，反电动势与转速成正比， min/500rn VE50a由时可得Wbmin/ 1 . 050050Ce或rVnEamin/1000rn 时VnE10010001 . 0Ceamin/1460rn 时VnCEe14614601 . 0aaR c. 在1000r/min时， AREUIaa501/ )100150(/ )(a

10、在1460r/min时， AREUIaa41/ )146150(/ )(a例例4-2 他励DCM（4_7） 试计算其机械特性。min/ r1500n,A5 .15I ,V220U,kW8 . 2PNNNN解： 即要求 ， 所以需先求出Ce。 N0T,neN0CUn 又 ，还需先得到 ： NNaNenIRUCaR的估算：额定工况下电枢铜耗约为总损耗的5075%。 aRNNNa2aIU)1)(75. 05 . 0(RINNNNIUP本例取50%计算，得： W1.3I)U-0.5(1RNNNamin/ r /V 133. 0nIRUCNNaNemin/ r1650CUneN0mN8 .19IC55.

11、 9ICTNeNTN 求得的是额定电磁转矩。 求得的是额定轴上输出转矩。与上结果相差。NTNICT NNNnP9550T 例4-3 对例4-2，若电枢反应使 时， ; 时， 时， 求此时的机械特性。NTT N0.95NT9 . 0T N0.98NT1 . 1T N0.90解： aNaNaTNIIIKTT，对应不计电枢反应时95. 0IK95. 0IKKTITTaNNTaNNTTNaN时，考虑电枢反应min/ r 1572133. 095. 095. 06 .153 . 12200.95K95. 0IR-UKIR-UnNeaNaeaaNT9 . 0T 98. 0I9 . 0K98. 0IK9 .

12、 0KT9 . 0IaNNTaNNTTNamin/ r 1545133. 098. 098. 09 . 06 .153 . 12200.98K98. 0I9 . 0R-UKIR-UnNeaNaeaaNT1 . 1T 90. 0I 1 . 1K90. 0IK1 . 1KT1 . 1IaNNTaNNTTNamin/ r 1631133. 090. 090. 01 . 16 .153 . 12200.90K90. 0I 1 . 1R-UKIR-UnNeaNaeaa4.1 4.1 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动他励直流电动机的起动方法他励直流电动机的起动方法 起动时n0， 如直接加额定电压起

13、动，电流启动电流 。 启动转矩 必须限制起动电流 。aaaREUI 他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。 不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia为0aE NSNaUIIRSeNSNTKITaaeaaaIRnKIREU 将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。 切记：工业直流电动机不能加全电压直接起动。 通常限制启动电流的启动方法有：降压起动和电枢回路串电阻起动。 电枢回路串入电阻电枢回路串入电阻，启动电流为，启动电流为 负载转矩负载转矩TL已知已知 目标：目标：保证电磁转矩持续较大及电流持续较小； 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动：一般采用多级电阻分级起

14、动，起动过程中起动电阻逐步切除。 如图4.1所示4.1.1 电枢回路串电阻启动NSaUIRRUaEaRaIaK1K2K3R1R2图4.1电枢回路串电阻启动4.1.2 降电压启动 降低电源电压U，启动电流为SaUIR 负载转矩TL已知，根据启动条件要求，可以确定U的大小； 逐渐升高电压U，直至最后升高到额定电压aSRUI AA为稳定运行点为稳定运行点例4-4 以4-2为例的他励DCM参数为例：min/r/V133. 0Cmin,/r1500n,A6 .15I ,3 . 1R,V220UUeNNaNW不限流时 2201701.3saNIIAI电机带额定负载，要求将起动电流限制在2倍额定电流范围内

15、若采用电阻限流，求应串接的附加电阻； 若此电阻起动完成后不切除，求稳定后的转速。 若采用降压限流，求起动时的电枢电压； 若此起动电压保持不变，求稳定后的转速 解： 2201.35.82 15.6caSURRIWn稳定时， NaNLIITTT，min/r 821133. 05.8)15.6(1.3-220C)RR(IUnecaN1.3 2 15.640.6SaSUR IV min/r 153133. 01.315.6-40.6CRIUneaN为使n能到达额定转速，应使 Rc随n升高逐步切除，直到 或U随n升高逐步增大，直到NUU 0CR 4.2 4.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速直

16、流电动机的转速公式：直流电动机的转速公式： eaaCRRIUn)( 直流电动机的调速方法：直流电动机的调速方法：（1）电枢串电阻调速；）电枢串电阻调速；（2）降低电源电压调速；）降低电源电压调速；（3）弱磁调速。）弱磁调速。改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速机械调速。人为改变电动机的参数（如电压、励磁电流或电枢回路电阻），人为改变电动机的参数（如电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一负载得到不同转速，称为使同一负载得到不同转速，称为电气调速电气调速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要电动机驱动生产机械，对电动机的

17、转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。4.2.1 他励直流电动机的调速方法他励直流电动机的调速方法1.电枢串电阻调速电枢串电阻调速电磁转矩：电磁转矩：aNtICT 电动机拖动恒转矩负载运行在不同的电动机拖动恒转矩负载运行在不同的转速上，电枢电流的大小变化吗？转速上，电枢电流的大小变化吗？稳定运行时有：稳定运行时有：LTT 电枢电流：电枢电流：NtaCTI NtLCT TL=常数时，常数时，Ia=常数常数保持保持U=UN，= =N不变不变例4-5：例4-2中，他励DCM在额定工况运行时，在电枢回路串入 ，求串入

18、时电动机的转矩、n稳定后的转速。W7 . 2RC解：因串入电阻瞬间，转速不能突变，反电势仍是额定值：V5 .1991500133. 0nCENea故此时有： A125. 57 . 23 . 15 .199220RREUICaaamN5 . 6125. 5133. 055. 9ICTaT19.8LNTTN m（电机加速。 例：以例4-2为例在额定状态时将磁通降低10， 分析弱磁后的机械特性，转速特性和调速过程。稳定后转矩不变 A3 .179 . 06 .159 . 0IIIKIK9 . 0IKTTNaNNTaNTaTNmin/ r1650133. 09 . 03 .173 . 1220K9 .

19、0IRUKIRUnNeaaNeaa4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 弱磁调速弱磁调速弱磁调速时，机械特性方程式是TCCRCUnTeae24 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 弱磁调速弱磁调速弱磁调速的调速过程aEaI)(TIaTaEnRnCCUCTTeT2)(2nnTTz1nn 不突变注意：)()(21点点bTaT但)()(21点点bIaIaa4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 弱磁调速弱磁调速 弱磁调速时，对普通电动机调速范围最多弱磁调速时，对普通电动机调速范围最多D=2，对，对特殊设计的额定转速较低的电动机，特殊设计的额定转速较低的电动机，D

20、=34。由于。由于电动机电动机nmax不可能太高，主要受电动机机械强度及不可能太高，主要受电动机机械强度及换向的限制。另外，电机体积及耗材增多，不经济。换向的限制。另外，电机体积及耗材增多，不经济。 弱磁调速的优点是：在功率较小的励磁电路中进行弱磁调速的优点是：在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。配合应用，以扩大调整范围。4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 弱磁调速弱磁调速弱磁调速时过

21、渡过程弱磁调速时过渡过程4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 例题例题 一台他励直流电动机的数据如下：一台他励直流电动机的数据如下：PN=29kW, UN=220V, IN=41.4A, Ra=0.4W W， nN=1500rpm1) 如果在电枢回路串入电阻，如果在电枢回路串入电阻，RW W=1.65W W，求电动机串，求电动机串接电阻后的转速；接电阻后的转速；2) 如果电动机供电电源电压下降为如果电动机供电电源电压下降为110V，求电枢电路，求电枢电路中无串接电阻时的转速；中无串接电阻时的转速；3) 若减弱励磁时磁通减小若减弱励磁时磁通减小10%，求电枢电路中无串接，求电枢电路

22、中无串接电阻时的转速。电阻时的转速。4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 例题例题解：解：136. 010004 . 04 .41220NNNnRIUCaerpm994)(eNNWCRRIUna（1）（2）rpm687136. 04 . 04 .41110eNNCRIUna（3）aTNNTICICTAIINNa46/rpm16479 . 0136. 04 . 046220eNNCRIUna一台他励直流电动机的数据如下：一台他励直流电动机的数据如下：PN=29kW, UN=220V, IN=41.4A, Ra=0.4W W， nN=1500rpm1)如 果 在 电 枢 回 路 串

23、入 电 阻 ，如 果 在 电 枢 回 路 串 入 电 阻 ，RW W=1.65W W，求电动机串接电阻，求电动机串接电阻后的转速；后的转速；2)如果电动机供电电源电压下降为如果电动机供电电源电压下降为110V，求电枢电路中无串接电阻，求电枢电路中无串接电阻时的转速；时的转速；3)若减弱励磁时磁通减小若减弱励磁时磁通减小10%，求，求电枢电路中无串接电阻时的转速。电枢电路中无串接电阻时的转速。4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 调速时的功率与转矩调速时的功率与转矩 电动机在额定转速下容许输出功率主要取决于电动机电动机在额定转速下容许输出功率主要取决于电动机的发热，发热又取决于电枢

24、电流；的发热，发热又取决于电枢电流； 在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度；，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度； 自冷式电动机在低速运行时，运行在额定负载下，电自冷式电动机在低速运行时，运行在额定负载下，电动机温升可能超出电动机的额定温升，电动机在降压动机温升可能超出电动机的额定温升，电动机在降压调速时可采用他冷方式。调速时可采用他冷方式。4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 调速时的功率与转矩调速时的功率与转矩降压调速时降压调速时从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩

25、调速从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。方式。而容许输出功率则正比于转速而容许输出功率则正比于转速常数NaTTICTnCnTPN19500/对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为aTICT9550)602(10001000TnnTTP4 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 调速时的功率与转矩调速时的功率与转矩弱磁调速时弱磁调速时 弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式。率调速方式。nCInCCICTNTNT32常数95009500950033CnnCTnPnCnCRIUeaN

26、N24 4、他励直流电动机的调速、他励直流电动机的调速 调速时的功率与转矩调速时的功率与转矩调速时容许输出功率与转矩曲线调速时容许输出功率与转矩曲线图中固有机械特性图中固有机械特性1以上为弱磁调速，以下以上为弱磁调速，以下为串电阻或降压调速。为串电阻或降压调速。Bye!特点：特点： 基速向上调速；基速向上调速； 可实现无级调速；可实现无级调速； 损耗小，电动机效率高。损耗小，电动机效率高。通常与降低电源电压调速配合使用，可以得到较宽的调速通常与降低电源电压调速配合使用，可以得到较宽的调速范围，能较好地满足生产机械的要求。范围，能较好地满足生产机械的要求。额定转速以下：串电阻或调压调速；额定转速

27、以下：串电阻或调压调速；额定转速以上：弱磁调速。额定转速以上：弱磁调速。弱磁时，因励磁电路电磁时间常数影响，励磁电流不能突变，弱磁时，因励磁电路电磁时间常数影响，励磁电流不能突变，I、T的最大值均不可能达到；理想空载转速也是逐渐变化的。的最大值均不可能达到；理想空载转速也是逐渐变化的。2、相点运动轨迹为曲线。因、相点运动轨迹为曲线。因dT小，弱磁升速过渡过程较长。小，弱磁升速过渡过程较长。4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速和恒功率调速当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如果保持当直流电动机调速运行时，不管转速是多少，如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对应的电磁转矩其电枢电

28、流和每极磁通都为额定值，即对应的电磁转矩为额定值，则称为为额定值，则称为恒转矩调速恒转矩调速。直流电动机调速时，若采用弱磁升速，如果保持其电枢直流电动机调速时，若采用弱磁升速，如果保持其电枢电流为额定值，其电磁功率保持不变，则称为电流为额定值，其电磁功率保持不变，则称为恒功率调恒功率调速速。恒转矩调速恒转矩调速常数NNTaTIKIKT 95509550NTTPnnCn（C为常数）,NaNII 恒功率调速恒功率调速1CKIRUKIRUneNaNeaanCnICKIKTNTaT11 常数NNNNPnnCnnCnTnTP95501955019550955011调压调磁U增大减小0nTTNnNPPN调

29、速中负载能力变化规律充分利用电动机的负载能力：按负载性质选择调速按负载性质选择调速方式方式。4.2.3 调速的性能指标调速的性能指标（1）调速范围调速范围：电机允许达到的最高转速：电机允许达到的最高转速 与保证不与保证不超过最大允许静差率条件下的最低转速超过最大允许静差率条件下的最低转速 之比：之比：（2）静差率静差率（相对稳定性）：指电动机由理想空载加到额定（相对稳定性）：指电动机由理想空载加到额定负载所出现的转速降与理想空载转速之比。负载所出现的转速降与理想空载转速之比。 静差率越小，静差率越小， 转转速的相对稳定性越好。速的相对稳定性越好。1.调速范围与静差率调速范围与静差率maxmin

30、NT TnDn000nnnnnNN maxnminn允许最大静差率最大静差率： 0minminmax0minNT Tnnn调速范围和最大允许静差率的关系（调压调速）调速范围和最大允许静差率的关系（调压调速）：0minminmaxmax0min0minmin0minmin0minmax,(1)nnnnnnnn0maxmaxmaxmaxminmax0minmax(1)(1)NnnNnnnDnnn2.调速的平滑性调速的平滑性 111maxmax00max0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD 1maxDnnN平滑系数：相邻两级转速或线速度之比。平滑系数：相邻两级转速或线速度之比。

31、1 iinn 例4-7：对例4-2，DCM用调压调速，D30时最大静差率为多少？解： 0minNmin0minmin0maxnnnnnS因调压调速时他励DCM的机械特性为平行直线，故有 min/ nnnnNmax0Nminmin0Nmin/ r200150301500nDnnnnNNNNminmin075. 0200150nnS0minNmax若要求最大静差率不大于若要求最大静差率不大于0.5,则系统能达到的则系统能达到的D为多少？为多少？ 解： maxmaxmaxminmax1500 0.510(1)(1 0.5) 150NnnSDnSn结论：对同一调速系统静差率要

32、求不同，则所能达到结论：对同一调速系统静差率要求不同，则所能达到的调速范围也不同的调速范围也不同: : 当要求高的静差率指标时，则当要求高的静差率指标时，则 DSmax当静差率一定时，若要求扩大调速范围，则当静差率一定时，若要求扩大调速范围，则maxnn（受限）（受限） 必须设法减小。必须设法减小。 硬特性硬特性, ,选调压调速选调压调速 3.调速的经济性调速的经济性设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等调速方法电枢串电阻降电源电压减弱磁通调速方向调速方向向下调向下调向下调向下调向上调向上调50%时调速范围时调速范围210121.22 34与与无关无关一定调速范围内转速一定调速范围内转速的稳定性的稳定性差差好好较好较好负载能力负载能力恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩恒功率恒功率调速平滑性调速平滑性有级调速有级调速无级调速无级调速无级调速无级调速设备初投资设备初投资少少多多较多较多电能损耗电能损耗多多较少较少少少他励直流电动机三种调速方法的性能比较他励直流电动机三种调速方法的性能