第三章 他励直流电动机起动

1、第二节 他励直流电动机的起动 一、起动方式1.直接起动2.电阻分级起动 二、起动电阻的计算1.图解法2.计算法 三、起动的过渡过程1.起动的机械过渡过程2.电枢电感对起动过程的影响3.5 直流电动机的起动A、对直流电动机起动过程的一般要求 起动转矩应足够大； 起动电流要小； 起动设备简单、经济与可靠。B、他励直流电动机的常用的起动方法 为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下步骤进行：起动时一般应按照如下步骤进行：（1 1）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载）首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；主磁场

2、；（2 2）待主磁场建立之后再加入电枢电压。）待主磁场建立之后再加入电枢电压。a、电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动图3.19a、b分别给出了他励直流电动机采用两级电阻起动时的电路图和相应的机械特性。3.18 直流电动机人工起动器的电气原理图图3.19 直流电机分两级起动的机械特性b、降压起动降压起动 图3.20给出了降压起动过程中他励直流电动机的机械特性。其起动过程与电枢回路串电阻起动过程类似。图3.20 他励直流电动机的降压起动过程降压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量消耗降压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少，因而在直流电力拖动系统中得到广泛采用。少，因而在直

3、流电力拖动系统中得到广泛采用。一、起动方式 直流电动机接上电源后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。 对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大（2）起动电流有限制（3）起动设备要经济可靠他励直流电动机直接起动将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。n=0，Ea=0，aaaaRUREUI 起动时：转速 ，相应的感应电势 ，起动电流 较大。一般情况下， 。0n 0aeEC n NstaUIRNstII)2010(为此，起动时要求满足：（1） ；（2） 。(2 2.5)stNII(1.11.2)stNTT优点：操作简单，无需外加设备。缺点：冲击电流大（Ia 可能突增到额定电流的十多倍 ），

4、换向时易产生火花。适用于容量很小的电动机。改良方式 为了改变直接起动时电流很大的缺点，采用将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除的方式限制起动电流。 回想一下3张人为机械特性图起动过程起动动作过程：a点，K1,K2闭合b点，打开K2，K1闭合d点，打开K11 图解解析法图解解析法1绘制固有机械特性绘制固有机械特性 2选取起动过程中的最大电选取起动过程中的最大电流流 I1与电阻切除时的切换电流与电阻切除时的切换电流 I2 （或（或T1 与与T2）3画出分级起动特性图画出分级起动特性图 aaRRRRR121TCCRnne2T002TeTnnnRC Cheechehehcnnnnn

5、heecannRR1hecaannRR24根据转速比计算出各级电阻根据转速比计算出各级电阻 1 图解解析法图解解析法 给同学们2分钟，尝试把特性图画出来。如何解决遇到的问题呢？ 解析法的计算方法就能很好的解决图解法中，I1，I2难以准确确定的问题。 确定起动过程的人为特性曲线的本质就是确定各级的电阻值，各级电阻值之间有何关系呢？2 解析法的计算方法 1. 根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻 2. 选取最大电流I1，计算最大起动电阻； 3.决定起动电阻级数 4.计算起动电流比 5.计算分段电阻在在b点点 22REUIb在在c点点 11REUIcaRRRRII11221两级起动时两级起动时

6、 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 ammmmRRRRRRRRII1122112121/ II称为起动电流比称为起动电流比mammmammaaRRRRRRRRRRR11212121mamRRlglgamRRm 11111222111212211)() 1(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRmmmmmmmmmmaaa 例例9-29-2 一台他励直流电动机的铭牌数据为：型号一台他励直流电动机的铭牌数据为：型号Z-290 kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn377. 0aR试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。 解解已知起动

7、级数已知起动级数m=4 A152A7622N1 II选择选择895. 215244014IURRam664. 1377. 0895. 2444aRR各分段电阻如下各分段电阻如下 ：250. 0377. 0627. 011aRRR416. 0627. 0043. 1122RRR693. 0043. 1736. 1233RRR153. 1736. 1889. 2344RRR则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下： 627. 0377. 0664. 11aRR043. 1627. 0664. 112RR736. 1043. 1664. 123RR889. 2736. 1664. 134RR三、他

8、励直流电动机起动的过渡过程三、他励直流电动机起动的过渡过程1.起动的机械过渡过程2.电枢电感对起动过程的影响三、他励直流电动机起动的过渡过程三、他励直流电动机起动的过渡过程 在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程连续变化的过程 。电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：电力拖动系统中一般

9、存在以下三种惯性：1机械惯性机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。 2电磁惯性电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。 3热惯性热惯性 它使电动机的温度不能突变。它使电动机的温度不能突变。 电力拖动的过渡过程一般分为两种：电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程）机械过渡过程 它只考虑它只考虑机械惯性机械惯性，忽略影响较小的电磁惯，忽略影响较小的电磁惯性。性。2）电气一机械过

10、渡过程）电气一机械过渡过程 它同时考虑它同时考虑机械机械与与电磁电磁两种惯性。两种惯性。电力拖动系统存在下列两个时间常数：（1）电磁时间常数： ；（2）机电时间常数：在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析： RLTaa22375MeTGD RTC C一、 起动时的机械过渡过程 他励直流电动机串固定电阻全压起动1电枢串固定电阻起动的过渡过程电枢串固定电阻起动的过渡过程 RInCRIEUaeaa2emTd375 dlaGDnTTCItRRRaeaCRIUn22d375dlaaTeTTIGD RICC CtddaBMIITt/BLTITC负载转矩对应的负载电流，即电动机起动

11、完毕负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持后，保持稳定转速运行稳定转速运行时的电枢电流时的电枢电流 22375MeTGD RTC C电力拖动系统的电力拖动系统的机电时间常数机电时间常数，是表征机，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量械惯性的一个非常重要的物理量 ddaaBtMtMIIItTT其解为其解为/eMt TaBIIK为电流的为电流的起始值起始值 AIABKII其中其中或或/A()eMt TaBBIIII/BA(1 e)eMMt Tt TaIII从上式说明，电枢电流随着时间成指数变化。或或/A()eMt TaBBIIII/BA(1 e)eMMt Tt TaIII起动过程中电枢电

12、流的变化曲线/BABeMt TeeeUI RUI RUI RnCCC/BAB()eMt Tnnnn/BA(1e)eMMt Tt Tnnn或或 过渡过程开始时转速的起始值过渡过程开始时转速的起始值An当起动转速为零时当起动转速为零时Bn机械特性上负载转矩机械特性上负载转矩 （或负载电流（或负载电流 ）对应的转速，）对应的转速，即过渡过程结束时电动机的稳定转速。即过渡过程结束时电动机的稳定转速。 LTLI/B(1 e)Mt Tnn起动过程中转速的上升曲线求出过渡过程中某一段的时间求出过渡过程中某一段的时间 ABCBlnxMIItTIIABCBlnxMnntTnnABCBlnxMTTtTTT或或或或

13、2电枢串多级电阻起动的过渡过程电枢串多级电阻起动的过渡过程 他励电动机二级起动的电路及特性他励电动机二级起动的电路及特性 第一级起动时第一级起动时 212RRRRa2T2121375)(CCRRRGDTeatM)e1 (1/1tMTtznn11/1/e)e1 (tMtMTtTtzaIII转速变化曲线机械特性曲线电流变化曲线 例例9-39-3 一台他励直流电动机铭牌数据为：一台他励直流电动机铭牌数据为： kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn已知四段起动电阻为：已知四段起动电阻为： 212. 01R405. 02R695. 03R158. 14R377. 0aR电枢电阻电枢电阻

14、系统飞轮惯量系统飞轮惯量22mN05.49GD求分级起动总的起动时间。求分级起动总的起动时间。解：解： NNNnRIUCae411. 01000377. 07644093. 3411. 055. 955. 9eTCC615. 193. 3411. 02TeCCs231. 0s615. 1375)158. 1695. 0405. 0212. 0377. 0(05.491tMTs137. 0s615. 1375)695. 0405. 0212. 0377. 0(05.492tMTs081. 0s615. 1375)405. 0212. 0377. 0(05.493tMTs048. 0s615. 1

15、375)212. 0377. 0(05.494tMTs031. 0s615. 1375377. 005.49tMTA152A7622N1IIIst设设A2 .91A762 . 12 . 1N2IIIxA76N IIz61. 15ln762 .9176152lnln21zzIIII)(4321tMtMtMtMstTTTTttMzzTIIII4ln21 =(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s 理想的起动电流变化规律3加快起动过程的途径加快起动过程的途径 1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降

16、低系统的惯性常数，从而降低系统的惯性 2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形善起动过程中电枢电流的波形 （二）电枢电路电感对起动过程的影响（二）电枢电路电感对起动过程的影响 电磁时间常数为电磁时间常数为 aataRLT式中，式中，La 为电枢电路的总电感为电枢电路的总电感 当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：第一阶段，电枢电流从零增加到第一阶段，电枢电流从零增加到Iz 之前，电动机转速为零。之前，电动机转速为零。tILRIUaaaadd)e1 (/taTtscaIIascRUI/式中式

17、中第二阶段，过了第二阶段，过了tz 后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在存在 aaaaaEtILRIUddtnGDTTzdd3752tnCGDIITzadd3752或或ztatMtatMtanTTnTTtnTtn11dd1dd22该方程的解为该方程的解为zttnccn21ee21式中式中tMtatataTTTT4121211tMtatataTTTT4121212考虑电枢电感时，无振荡情况下的变化曲线)ee(212211ttaccIzTICGD3752其中其中c1及及c2积分常数，由初始条件决定积分常数，由初始条件决定 tatMTT41）当）当

18、 时，时，1和和2为负实为负实数数ztztznnnn21ee211212ztttMtazscaITTIII)ee (41212）当）当 时，时，1和和2为负共为负共轭复数轭复数tatMTT4考虑电枢电感时，有振荡情况下的变化曲线j2j11421tMtataTTTtaT21式中式中zttatMzntTTnn)sin(e4114tg1tMtaTT式中式中zttMtazscaItTTIIIsine14)(23.6 直流电动机的调速A A、与调速有关的性能指标、与调速有关的性能指标a、调速范围调速范围D：定义：定义： 调速范围定义为拖动系统的最高转速（或速度）与最低调速范围定义为拖动系统的最高转速（或

19、速度）与最低转速（或速度）之比，即：转速（或速度）之比，即：maxmaxminminnvDnv（3-46）b、静差率、静差率 ：定义：定义： 对调速系统的静差率即转速变化率，它是指理想空载对调速系统的静差率即转速变化率，它是指理想空载转速与额定转速的转速变化量与空载转速的百分比，即：转速与额定转速的转速变化量与空载转速的百分比，即：000100%100%NNnnnnn（3-47）D与是相互关联的，它们之间的关系可用图3.21加以说明之。 图3.21中的曲线1、2分别给出了他励直流电动机的固有机械特性、电枢回路串电阻的人工机械特性以及恒转矩负载特性。图3.21 他励直流电动机的机械特性与静差率之

20、间的关系对于实际的电力拖动系统，若按低速时选择，则高速时的自然满足要求。于是有：maxmaxmin0NnnDnnn 又根据式（3-47）知： ，将其代入上式得静差率 与调速范围 之间的关系为：0NnnNoImagemax(1)NnDn（3-48）上式表明，若低速时 的满足要求，低速时的 越大则调速范围 越小；nDDc、调速的平滑性调速的平滑性： 采用有级和无级调速来描述调速的平滑性，其性能指标为平滑采用有级和无级调速来描述调速的平滑性，其性能指标为平滑系数。平滑系数定义为相邻两级的转速比，即：系数。平滑系数定义为相邻两级的转速比，即：1iinKn（3-49）上式中， 越接近于1，则平滑性越好。

21、若采用无级调速，即速度连续可调，则 。 K1K d：原始投资与运行成本：原始投资与运行成本 调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：2212100%100%PPPPp（3-50）B B、他励直流电动机常用的调速方法、他励直流电动机常用的调速方法根据 可知，他励直流电动机可以采用下列两种方法调速： 1aaeeRUnICC1. 1. 降低电枢电压降速降低电枢电压降速a a、电枢回路串电阻降压降速、电枢回路串电阻降压降速 图3.22给出了他励直流电动机电枢回路串电阻时的人工机械特性和恒转矩负载的转矩特性。图3.22 电枢回路

22、串电阻情况下的人工机械特性和负载特性结论： 随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速（又称为基速）以下调速。（又称为基速）以下调速。电枢回路串电阻调速的经济性指标分析如下：直流电动机的输入电功率为：11()aaaaPU IERII（3-51）忽略机械耗和铁耗，并根据上式得电动机的总损耗为：21111010(1)(1)(1)aeaaaaaaeEC npI RU IE IU IU IUC nnPn （3-52）于是，电机

23、的效率为：11001 (1)PpnnPnn （3-53） 可见，随着转速的下降，电动机的运行效率降低。b b、降低电源电压降压降速、降低电源电压降压降速 图3.23给出了他励直流电动机降低电源电压时的人工机械特性以及恒转矩负载的转矩特性。图3.23 降低电源电压情况下的人工机械特性和负载特性 结论： 随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调压调速时的特随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调压调速时的特点是：其机械特性的硬度保持不变点是：其机械特性的硬度保持不变，从而确保了这种调速方法具有更宽的调速范围。2. 2. 弱磁升速弱磁升速图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时的人工机械特性

24、。传统的可调压电源可采用如图3.24所示的发电机-电动机旋转机组方案。图3.24 直流发电机-电动机机组的可调直流电源 目前应用较为广泛的是静止变流器方案，如相控变流器和斩控变流器，有关内容已在电力电子技术中介绍过。图3.25 励磁改变情况下的直流电动机人工机械特性和负载特性 结论： 随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定转速）以上进路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定转速）以上进行。行。弱磁调速时的过渡过程可用图3.26加以描述。图3.26 他励直流电动机弱磁升速的过

25、渡过程 为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调速配合使用。C C、调速方式与负载类型的配合、调速方式与负载类型的配合调速系统须满足下列两个准则：调速系统须满足下列两个准则： （1 1）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求：）在整个调速范围内电机不至于过热，为此，求： ； （2 2）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。aNII鉴于此，不同类型的负载必须选择合适的调速方式。鉴于此，不同类型的负载必须选择合适的调速方式。1. 调速方式下面分别就不同调速方式以及各种调速方式所适合的负载类型加以讨论。电力拖动系统的调速方式

26、主要分为两大类：（1 1）恒转矩调速方式恒转矩调速方式：在保持 不变的前提下， 保持不变；（2 2）恒功率调速方式恒功率调速方式：在保持 不变的前提下， 保持不变。emTaNIIaNIIemP（a) 对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：由于调速过程中， ， 保持不变，故电磁转矩为：N aNIIemTNNNTCIT常数电机轴上的输出功率为：2()10001000609550emememTTT nnPn结论： 电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩调速方电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩调速方式，其轴上容许的输出功率与转速成正比。式，其轴上容许的输出功率与转速成正比。（b) 对于弱磁调速方式：对于弱磁调速方式：由于调速过程中，保持 不变，于是有：aNII1NaNeUR IKC nn 将上式代入电磁转矩表达式得：1emTNTNKTCIC KInn于是有：95509550emT nKP常数结论： 弱磁调速属于恒功率调速方式，其容许的输出转矩与转速成反比。弱磁调速属于恒功率调速方式，其容许的输出转矩与转速成反比。结论： 基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以上，则采用恒功率