第九章直流电机的运行2

电机及拖动基础第九章直流电动机的电力拖动电气与自动化工程学院2上一节课的主要内容：(1)旋转体转动惯量的计算——了解(2)工作机构上的转矩,力,飞轮惯量和质量折算——重点(3)负载转矩特性——重点电气与自动化工程学院3

折算的原则：保持两个系统传送的功率及储存的动能相同。

以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：

工作机构转矩Tz’，直线运动需克服的阻力Fz折算为电动机轴上的阻转矩Tz；系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量J1、J2、J3，进行直线运动的质量mz折算为电动机轴上的转动惯量J。电气与自动化工程学院4（1）反抗性恒转矩负载特性特点：恒转矩Tz总是反对运动的方向；负载转矩特性的定义：在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz与转速n的关系Tz=f(n)为生产机械的负载转矩特性。恒转矩负载；风机负载；恒功率负载（2）位能性恒转矩负载特性特点：转矩Tz具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。电气与自动化工程学院5本节课的主要内容：(1)他励直流电动机的机械特性——重点

机械特性方程式、

机械特性的绘制；(2)电力拖动稳定运行的条件——理解

稳定性的概念(3)他励直流电动机的起动——重点

起动方法（电枢回路串电阻起动的物理过程）电气与自动化工程学院6第九章直流电动机的电力拖动9-1他励直流电动机的机械特性9-2他励直流电动机的起动9-3他励直流电动机的制动9-4他励直流电动机的调速9-5晶闸管-直流电动机系统9-6他励直流电动机过渡过程的能量损耗9-7串励直流电动机的电力拖动电气与自动化工程学院7

电动机的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)。直流电动机的几个基本方程式：电磁转矩：感应电动势：他励直流电动机电路原理图电枢电路的电动势平衡方程式：电动机的转速特性：又∵电气与自动化工程学院8直流电动机机械特性方程式：如果U、R、Ф为常数时，机械特性n=f(T)的曲线如图所示。他励直流电动机的机械特性可见，是一条向下倾斜的直线n0——电动机理想空载转速β——机械特性斜率如何改变n0的大小？调节U或Φ电气与自动化工程学院9他励直流电动机的机械特性注意：电动机的实际空载转速为比略小。电动机空载旋转时，电磁转矩T不可能为零，而是等于T0，即电动机必须克服该空载损耗转矩T0。电动机的实际空载转速为电气与自动化工程学院10直流电动机机械特性方程式：表示电动机带负载后的转速降，用△n表示

转速降△n=βT

斜率β

β=|dn/dT|机械特性的硬度α

α=|dT/dn|=1/β可见斜率β越小，硬度α越大，即机械特性越硬。一般的，他励电动机，当电枢没有外接电阻时，斜率β越小，硬度α越大，即机械特性都比较硬。设△nN%为额定转速变化率电气与自动化工程学院11电枢反应对机械特性的影响当电枢电流较大时，由于饱和的影响，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抵消电枢反应的去磁作用的方法——在主磁极上串联匝数很少的串励绕组（稳定绕组）。直流电动机机械特性方程式：电气与自动化工程学院12二、固有机械特性与人为机械特性

固有机械特性——当他励电动机电压及磁通均为额定值时，且电枢没有串联电阻时的机械特性。

人为机械特性——通过改变电动机参数的方法获得，可分为三种。由于Ra较小，他励直流电动机的固有机械特性较硬。他励直流电动机固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性电枢串电阻时人为机械特性曲线电气与自动化工程学院131.电枢串联电阻时的人为机械特性n0不变β增加硬度α减小在一定的负载转矩下，转速降△n随串联电阻的增大而增加。RΩ2>RΩ1电气与自动化工程学院142.改变电压时的人为机械特性电枢不串入电阻RΩ，Φ=ΦN，机械特性方程式为电压U降低时，n0减小，β不变，硬度α不变。电压不同时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性曲线由于电枢中没有串联电阻，因此其特性较串联电阻时硬。电气与自动化工程学院153.减弱电动机磁通时的人为机械特性他励直流电动机电路原理图他励直流电动机在额定磁通下运行时，磁路接近饱和。因此，改变磁通就是减弱磁通。改变励磁回路的电阻rQ，来改变磁通。ΦN>Φ1>Φ2Ф不同时的n=f(T)曲线电气与自动化工程学院16Ф减小时，n0、β都增大，α减小。Ф不同时的n=f(Ia)曲线Ф减小时，n0增大，但堵转（短路）电流不变。电气与自动化工程学院17三、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CeΦ与CTΦ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。在设计时，往往根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。

PN、UN、IN和nN1.固有机械特性的绘制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(T=0，n0)及额定运行（TN，nN）两点较为方便。电气与自动化工程学院18已知铭牌数据，求固有机械特性步骤：2）求3）求5）理想运行点：1）求电枢电阻：进行实测或估算4）理想空载点：NeNCUnf=0既已求出两点，通过两点的连线即为固有机械特性。电气与自动化工程学院192.人为机械特性的绘制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机械特性方程式即可。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减弱电动机励磁时的人为机械特性电气与自动化工程学院20四、电力拖动稳定运行的条件他励直流电动机的机械特性负载特性

讨论：生产机械的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已指出，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。电气与自动化工程学院21他励直流电动机的机械特性负载特性1负载特性2

如负载增大，负载转矩由Tz1增大到Tz2，原先T=Tz1的平衡被打破，dn/dt<0，拖动系统进入减速过程。

n↓，感应电动势Ea↓，电枢电流Ia↑，T↑，直到T=Tz2，减速过程结束，系统以较低的转速nB稳定运行。若负载转矩由Tz2减小到Tz1电气与自动化工程学院22两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。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。电气与自动化工程学院23稳定运行点不稳定运行点

在交点对应的转速之上应保证T<Tz，而在这一转速之下则要求T>Tz。电气与自动化工程学院24第九章直流电动机的电力拖动9-1他励直流电动机的机械特性9-2他励直流电动机的起动9-3他励直流电动机的制动9-4他励直流电动机的调速9-5晶闸管-直流电动机系统9-6他励直流电动机过渡过程的能量损耗9-7串励直流电动机的电力拖动电气与自动化工程学院25一、他励直流电动机的起动方法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

刚起动时，转速n=0，Ea=0，U=UN，则Ia很大，这会对电机造成严重的破坏，所以起动时应将起动电流限制在一定的允许范围之内，一般为（1.5～2）IN。

直流电动机常用的起动方法有三种：直接起动、降压起动和电枢回路串电阻起动。电气与自动化工程学院261）直接起动他励直流电动机直接起动，就是将电动机直接投入（接入）到额定电压的电网上起动。

直流电机直接起动时的电路图电气与自动化工程学院27直流电动机直接起动的电磁过程直接起动的优点是：直接起动不需要起动设备，操作简单，起动转矩大。直接起动的缺点是：起动电流大。1）过大的起动电流将引起电网电压的下降；2）绕组发热严重；3）很大的起动转矩将产生严重的机械震荡。为了限制起动电流，可以采用降低电源电压和电枢回路串联电阻的起动方法。电气与自动化工程学院282）降压起动降压起动是指起动前将施加在电动机电枢两端的电压降低，以限制起动电流，起动电流通常限制在（1.5～2）IN内。

降压起动的优点是：在起动过程中能量损耗小，起动平稳，便于实现自动化。但是，降压起动需要一套可调节电压的直流电源，增加了设备投资。电气与自动化工程学院293）电枢回路串电阻起动

起动电阻只在电机起动时起限制起动电流的作用，在起动后必须切除，否则会降低机械特性硬度和电机转速。为保证起动平稳应采用逐级切除的方法。

下面以二级起动为例，说明电枢串电阻分级起动的过程。左图表示他励直流电动机分两级起动时的电路图。

起动时，触点K1、K2断开，电枢及电阻RΩ1、RΩ2串联接入电枢电路。电气与自动化工程学院30他励直流电动机分两级起动时的物理过程对应于电流I1Ra+RΩ1+RΩ2RaRa+RΩ1a点起动后，T1>TZ,n↑，由图看出，T↓，由开始的a点向b点移动，b点处转矩