直流电动机的电力拖动-青岛科技大学-自动化与电子工程学

1、第四章 直流电动机的 电力拖动 Electric Drive Systems of DC Motor Drives 第一节他他励直流流电动机机的机械械特性第二节他他励直流流电动机机的起动动和反转转第三节他他励直流流电动机机的调速速第四节他他励直流流电动机机的制动动本章教学学基本要要求1.掌握分析析直流电电动机机机械特性性及各种种运行状状态的基基本理论论和基本本运算方方法；2.掌握他励励直流电电动机机机械特性性、起动动、制动动及其过过渡过程程的基本本特性；3.了解电枢枢反应对对过渡过过程的影影响；4.掌握他励励直流电电动机调调速性能能指标和和直流电电动机调调速方法法本次课程程教学重重点和难难点教

2、学重点点:机械特性性、直流流电动机机的起动动。教学难点点:电力系统统的稳定定运行。第一节他他励直流流电动机机的机械械特性一、机械械特性方方程式机械特性性：指电源电电压U、气隙磁磁通、电枢回路路电阻R均为常数数时，电动机产产生的电电磁转矩矩T与电力拖动系统统的转速速n之间的关关系，即即n=f(T)。机械特性性方程：硬度：斜率的倒数或或定义机机械特性性曲线工工作范围内某某一点转转矩对该该点转速速的导数数，即：越大（越小），特性越越硬，称称为硬特特性。即即T变化时，n的变化不不大。1.并(他)励电动机机：较大，称称为硬特性。2.串励电动动机：较小，称称为软特性。Tn00n差复励他励积复励串励各种直流

3、流电动机机机械特特性二、固有有机械特特性他励直流流电动机机的固有有机械特特性是指指：在电电源电压压U=UN，气隙磁磁通=N，电枢外外串电阻阻R=0时，n=(T)的机械特特性，其其数学表表达式为为：式中称为斜率率，n为负载时时的转速速降。固有机械械特性三、人为为机械特特性人为机械械特性：指改变变电机参参数，即即改变U或变R或变得到机械械特性。1.电枢回路路串接电电阻时的的人为机机械特性性条件：当当U=UN，=N，电枢回回路外串串电阻R时电枢回路路串电阻阻时的人人为机械械特性UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特

4、性性nn00T(I)TLT2(I2)T1(I2)RaR1AabcdeR22.改变电动动机供电电电源的的人为特特性条件：当当UUN，=N，电枢外串串电阻R=0时电源电压压可调的的他励直直流电动动机降降低电电枢电压压调速的的机械特特性UfNIfNRf调压电源源EanT3.改变磁通通时的人人为特性性条件：当当U=UN，F1F2四、电力力拖动系系统稳定定运行的的条件稳定运行行的概念念：当T=TL，n=f(T)与n=f(TL)有交点称称静态态平衡，这是稳稳定运行行的必要要条件T=TL是平衡稳稳定运行行的一个个必要条条件。在在电力拖动中，为使问问题简化均均忽略即即T00,T=T2=TL。静态平衡衡示意图图

5、nT0TLnTTLn0AnA问题问：有了了交点是是否平衡衡了即为为稳定运运行?答:(1)要看系统统出现干干扰后在在新的条条件下能否平衡衡。(2)干扰消失失后，能能否回到到原来的平衡衡点。如如果能满满足以上上两条件件，即为稳定定运行。例1.电网电压压波动nTn=f(TL)0 电力拖动系统稳定平衡状态n0AABC曲线1(UN)曲线1(U)TBTLTCn0UNU分析系统原工工作在平平衡点A，这时电电网电压压向下波动动，从UN降到U，在此瞬瞬间由于于机械惯性，转转速来不不及变化化，从A点过渡到到B点。负载转矩矩TL没变，则则UNIaTTTL从B点过渡到到C点，TL没变，TTL系统加速速。nEaIaT系

6、统沿CA特性加速速到A点，n=nN时，T=TL，达到原原来平衡衡点A。说明：当UUN，负载不不变时，他励直直流电动动机能达达到新的平衡衡(A点)，在干扰扰消失后后，能回回到原来来的平衡衡点(A点)，所以能能稳定运运行。nT0TLADnn=f(T)n=f(TL)DTLDT 探讨稳定运行条件的示意图平衡稳定定运行充充要条件件：1.电动机机机械特性性与负载载特性必必须相交交，在交交点处T=TL处，实现现了转矩矩平衡。2.在交点处处有第二节他他励励直流电电动机的的起动和和反转一、他励励直流电电动机的的起动起动：指电动机机从静止止状态转转动起来来。起动过程程：电动机从从静止运运转到某某一稳态态转速的的过

7、程叫起起动过程程。1.系统对起起动的要要求不同的生生产机械械对起动动有不同同的要求求。例如如，无轨轨电车要求求起动慢慢些平稳稳些，但但一般生生产机械械都要求求快速起动。即要求求起动时时间tst小些，则则起动转转矩Tst大些。Ist为起动电电流，也也称为堵堵转电流流(在起动瞬间n=0)。从式T=CTIa可知，当当一定时，T与Ia成正比，Ist越大，Tst也越大。但起动动电流不不能太大。否否则会引引起换向向恶化，产生严严重的火火花。还会导致致很大的的线路压压降，使使电网电电压不稳稳定。Ist不能太大大，一般般为1.52IN，因为T大小是受机机械强度度限制，T太大，突突然加到到传动机机构上，会会损坏

8、机机械部件件的薄弱弱部分，例如传传动齿轮的轮齿齿等。2.降压起动动起动瞬间间把加在在电枢两两端电源源电压降降低，可可把电源电压压降低到到U=(1.52.0)INRa，随着转转速n的上升，电电势Ea也逐渐增增大，Ia相应减小小，此时时电压U必须不断断升高(手动调节节或自动动调节)，而且使使Ia保持在(1.52.0)IN范围内，直到电电压升到到额定电电压UN，电动机机进入稳稳定运行行状态，起动过过程结束束。降压起动动需要一一套可以以调节的的直流电电源，初初投资大。3.电枢回路路串电阻阻起动电压不变变，在电电枢回路路中串接接电阻，可达到限限制起动动电流的的目的，使1）串入恒恒值电阻阻起动在电枢回回路

9、串入入固定的的起动电阻阻R，电机拖拖动恒转转矩负载，在额定定磁场下下，将刀开关K合向电源源使电机机起动。缺点：起起动时间间tst较长，稳态转速速ns低，长期期串入电电阻不经济。电枢回路路串入固固定电阻阻起动接接线图UfNIfNRfEanTRWRa电枢回路路串入固固定电阻阻特性曲曲线2)分级级起动(逐级切切除起动动电阻的的起动)为了在起起动过程程中使电电枢和转转矩被限限制在允许的的范围之之内，采采用分级级起动。电枢回路路串电阻阻起动UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特性性nn00T(I)TLT2(I2)T1(

10、I2)RaR1AabcdeR2逐级切除除起动电电阻的起起动分析析起动瞬间间，电枢枢回路总总电阻为为设为电动机机的过载载倍数，=1.52.0求切换转转矩的原原则：既要使电电动机能能够带动动负载起起动，又要要保证在在切换时时的加速速度转矩矩(T2和TL之差)不过小。过大，加速转转矩大，可满足足快速起起动的要求，但是起起动级数数增多，过小，延缓起起动过程程。综合考虑虑，选I2=（1.11.2）IL，则切换换转矩T2=（1.11.2）TL。电阻分分三次切切除称三三级起动，起动动级数m=3，一般选选m=34，级数多多，起动动快，但同同时也使使设备增增多，线线路复杂杂。运行行不可靠靠性增大。3）起动电电阻

11、的计计算方法法解析法计计算起动动电阻忽略电枢枢绕组的的电感，电枢电电流在切切换电阻瞬间间突变，而在切切换电阻阻瞬间，由于机机械惯性的的作用，转速n不变，Ea不变。计算公式式如有m级，则通通用公式式为：式中Rm为最大起起动电阻阻：各段电阻阻值：讨论m为起动级级数，一一般取m=34,m大，起动平滑滑，但设设备多。I1为起动电电流；I2为切换电电流，IL为负载电电流。由m求时由求m时m取整数，然后代代入式中中，修正正，之后再再求各级级起动电电阻二、他励励直流电电动机反反转两种方法法：1.改变电枢枢绕组端端接线；2.改变励磁磁绕组端端接线。第三节他他励直直流电动动机的调调速调速：是指通过过人为手手段改

12、变变电力拖拖动系统统的转速以满足足生产实实际的需需要。一、调速方法法1.机械调速速：指通过改改变变速速机构传传动比以以改变转速的方方法。特点是：调速时时必须停停，多为为有级调调速，同同生活中如变变速自行行车原理理基本相相似。2.电气调速速：指通过改改变电动动机有关关电气参参数电动机转转速的方方法，特特点是简简化机械械传动与与变速机构，调速时时不需停停车，在在运行中中便可以以调速，可实实现无级级调速，必要时时还可采采用各种种反馈环节提提高机械械特性硬硬度，以以便提高高拖动系系统静态与动动态运行行指标，易于实实现电气气控制自自动化。3.电气机械调速速：指上述两两种方法法都采用用的混合调调速法。（主

13、要要介绍电电气调速速）二、电气气调速方方法1.降压压调速：降低电枢枢外加电电压的数数值，使使理想空空载转速速n0下降，导导致转速速下降。2.电枢枢回路串串电阻调调速电枢回路路串入不不同数值值的附加加电阻，使机械械特性斜率变大，负负载转速速降变大大，导致致转速下下降。3.弱弱磁调速速减少他励励直流电电动机的的励磁电电流If，使每极极磁通减少(1，显然，调速速的级数数越多，k越接近于于1，调速的的平滑性越好。当k=1时，称为为无级调调速，即即在调速速范围内，转速速可得到到任意值值。4.调速时允允许输出出的转矩矩和功率率电动机在在额定转转速下容容许输出出的功率率主要取取决于电机机的发热热，而发发热又

14、主主要取决决于电枢枢电流在调速过过程中，只要在在不同转转速下电电流不超超过额定值IN，电机长长时间运运行，其其发热不不会超过过允许的限度，因此，额定电电流是电电机长期期工作的的利用限度。电电机在调调速过程程中，如如在不同同转速下下都能保持电流流Ia=IN，则电机机利用充充分，运运行安全全。从合理使用用电动机机的角度度考虑，提出了了调速方方式与负载类型型相配合合的问题题。恒转矩调调速调速过程程中保持持Ia=IN，=N=常数，则则T=常数，电电动机允允许输出出转矩不不变的调调速方法法称恒转矩调调速。在在实际调调速时改改变电动动机供电电电压和改变电电枢回路路串入的的电阻均均属恒转转矩调速速。电动机输

15、输出功率率P=T，T=常数 P,即电动机机转速越越低，输输出功率率越小,P。nnmaxnminnNTNPNT（P）0他励直流流电动机机调速时时的允许许输出转转矩和功功率 12恒功率调调速调速中，保持Ia=IN，若n，P=常数。在保持电电枢电流流接近或或等于额额定值条条件下，调速速过程中中电动机机允许输输出功率率不变的的调速方法法称为恒恒功率调调速。如如 改变变电动机机主磁通的调速方方法就属属于恒功功率调速速方法。说明在图中，T=f（n）和P=f（n） 曲线线表示在在保证电电动机得到到充分利利用的条条件下(即Ia=IN)，允许输输出的转转矩和功率，并并不代表表电动机机实际输输出的转转矩和功功率，

16、电电动机实实际输出的的转矩和和功率要要由它所所拖动的的负载转转矩和负负载功率率特性来决决定。实际上，电动机机在调速速时实际际输出的的功率和和转矩是是多大，则要要看电动动机拖动动是什么么类型的的负载。如果配配合适当，电机机实际输输出即为为允许输输出，电电动机容容量能充充分利用，否则则电机容容量造成成浪费。调速方式式与负载载类型配配合问题题调速方式式与负载载类型配配合恰当当，所选选电动机的体体积较经经济。在在不同转转速下，可较充充分地利用用，不致致造成浪浪费(浪费是指指电机的的转矩和功率率选的过过大)，或长时时间运行行而烧坏坏(指转矩及功功率选的的较小)。最好的配配合方式式为：恒恒功率负负载，采采

17、用恒功率的的调速方方法。(弱磁调速速)；恒转矩矩负载，采用用恒转矩矩的调速速方法。(变电压或或变串入电阻调调速)。这样匹配配，使电电机在整整个调速速范围内内容量能充分分利用，且Ia=IN不变，电电动机的的调速转矩与负负载一致致时，电电机容量量能充分分利用。调速方式式与负载载类型配配合恰当当nnmaxnNT0电动机调调速转矩矩与负载载一致n=f(Tal)n=f(TL)(1)恒功率负负载与恒恒转矩调调速方法法配合nnminT0恒功率负负载与恒恒转矩调调速配合合n=f(TL)n=f(Tal)(2)恒转矩负负载与恒恒功率调调速方法法配合nnminT0恒功率调调速与恒恒转矩负负载的配配合n=f(TL)n

18、=f(Tal)TL5.经济性在考虑技技术指标标的同时时，还应应考虑设设备投资资、电能消耗耗、运行行费用等等。第四节他他励直直流电动动机的制制动电动状态态与制动动状态电动状态态特点：转速n与转矩T方向相同同，T为拖动转转矩，Ia与Ea方向相反反，输入入电能，输出机机械能，机械械特性在在直角坐坐标的第第一、三三象限限。制动状态态特点：转速n与转矩T方向相反反，Ia与Ea方向相同，电电机工作作在发电电状态。直流电机机拖动系系统示意意图一、制动动的概念念制动：指通过某某种方法法产生一一个与拖拖动系统统转向相反的的阻转矩矩以阻止止系统运运动的过过程。制动作用用：它可以维维持受位位能转矩矩作用的的拖动系系

19、统恒速运动，如起重重类机械械等速下下放重物物。列车车等速下坡等等。也可可以用于于使拖动动系统减减速或停停车.实现制动动方法有有：机械制动动，即刹刹车，它它是用磨磨擦力产产生阻转转矩实现制制动的。其特点点是损耗耗大，多多用于停停车制动，如起起重类机机械的抱抱闸；电气制动动，是使使电动机机变直流流发电机机将系统统的机械能能或位能能负载的的位能转转变为电电能，消消耗在电枢电路路的总电电阻或回回馈电网网。电气制动动方法分分：能耗制动动，反接接制动，再生制制动。直流电机机正常工工作时，出现制制动状态态情况分分析如下：(1)要求停车车切断电枢枢电源，自由停停车，或或小容量量电机切切断电源，机机械抱闸闸，帮

20、助助停车。(2)降速过程程中：在降压调调速幅度度比较大大时，降降速过程程中要经经过制动状态态。(3)提升机构构下放重重物提升机构构下放重重物时，电动机机要处于于制动状状态。(4)反转电动机从从正转变变为反转转，首先先要制动动停车，然后才能反向向起动，从上面面分析可可见，制制动不能能简单地地理解为停停车，停停车只是是制动过过程中的的一种形形式而已。二、能耗耗制动1.能耗制动动实现及及机械特特性(1)实现方法法：a.电动状态态接触器KM1闭合，转转矩T与转速n相同方向向，电枢电流与与反电势势方向相相反，电机机运行在在A点。b.能耗制动动接触器KM2闭合(电机原运行在A点)，电枢脱脱离电源经电阻阻R

21、将电枢短短接。能耗制动动原理接接线图（2）能耗制制动分析析U=0,由于电机机惯性，n0，Ea0，在反电动动势Ea作用下产产生电枢枢电流Ia反向，电电动机的转转矩也反反向。这这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的的IA方向相反反，TB反向，与与n相反,转速下降，当n=0，停车。（3）能耗制制动特性性T(I)TB(IB)BAn0TL(IL)C0-TLnRaRa+Rad位能性负载转矩反抗性负载转矩 他励直流电动机能耗制动机械特性（4）特性方方程及制制动电阻阻特性是一一条过原原点的直直线，在在第二象象限，特特性斜率取取决于能能耗制动动电阻Rad。分析Rad越大，特特性越斜斜，Rad越小，特特性越

22、平平，但Rad不能太小小，否则则在制动动瞬间会会产生过过大的冲冲击电流，取取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬瞬间的电电枢电流，设制制动瞬间间电势为为EB，有：当制动时时转速大大于或等等于nN时，认为为EB与U近似相等。2.能耗制动动运行3.能耗制动动特点(i)制动时U=0，n0=0，直流电电动机脱脱离电网网变成直直流发电电机单独独运行，把系统统存储的的动能，或位能能性负载载的位能能转变成成电能(EaIa)消耗在电电枢电路路的总电电阻上I2(Ra+Rad)。(ii)制动时，n与T成正比,所以转速速n下降时，T也下降，故低速速时制动动效果差差，为加加强制动动效果，可减少少Rad，以增大大制动转

23、转矩T，此即多多级能耗耗制动。(iii)实现能耗耗制动的的线路简简单可靠靠，当n=0时T=0,可实现准准确停车车。4.应用能耗制动动多用于于一般生生产机械械的制动停车，对于起起重机械械，能耗耗制动可可使位能性负负载的恒恒低速下下放，确确保生产产安全，对反反抗性负负载能确确保停车车。5.功率流程程图三、反接接制动1.电压反接接的反接接制动(1)方法：将正在运运行的电电机电枢枢串入制制动电阻阻Rc，且电枢两端电电压极性性改变。要实现现反接制制动电路路有两种，一种种手动适适合小容容量电动动机，另另一种是是自动线线路适合大大容量的的电动机机采用。他励直流流电动机机反接制制动接线线图（2）电压反反接制动

24、动机械特特性方程程式(3)机械特性性曲线特性BC段为电电压反接制制动机械械特性曲线，由由于制动动状态到n=0告告终，所所以只有实线部部分为反反接制动特性。电压反接接制动机机械特性性E-n0nATTBBAn0TLC0-TLnRa位能性负负载转矩矩反抗性负负载转矩矩D(4)制动电阻阻Rc的计算制动电阻阻的比较较当制动初初始转速速nLnN，可用近近似公式式计算，即即： 反接制动动电阻比比能耗制制动电阻阻几乎大大一倍。2.电动势反反接制动动又称转速速反向的反接制制动或倒倒拉反接制动动(1)方法电枢回路路串入大电阻（2）特性从C点至D点为电动动减速状状态，从从D点至B点为发电电状态。nAT-nBAn0TLC0nRa电动势反反接制动动机械特特性BD（3）电阻计计算3.反接制动动时的能能量关系系( 1)电电压反接接制动时时说明从电电源吸收收电能说明电动动机从负负载吸收机机械能使使电机处处于发电电状态，将机械械能转化化为电能。上述两部部分能量量加在一一起消耗耗在电枢枢回路的的电阻上。( 2)电动势反反接制动动时说明从电电源吸收收电能说明从负负载吸收收机械能上述两两部分能能量全部部消耗在在电枢回回路的电电阻上，其能量关关系