电机及拖动基础北方工业大学五

电机与拖动基础

Page2第三章直流电机的电力拖动Page3本章教学基本要求1.掌握他励直流电动机的机械特性，能绘制固有机械特性曲线和人为机械特性曲线；2.掌握他励直流电动机的串电阻启动方法，并能设计与计算启动电阻；3.掌握他励直流电动机的电动与制动；4.掌握他励直流电动机的电枢串电阻调速、调电压调速等方法；5.熟悉调速方法与负载性质的匹配问题。Page4重点

他励直流电动机拖动系统的启动、制动、调速运行基本规律。

Page53.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式

(3-1)

Page63.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式

式中为T=0时的转速，称为理想空载转速；

2F+=TeaCCRRb

是机械特性的斜率。

Page73.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的转速n随转矩T的增大而降低。即负载时转速低于理想空载转速n0，负载时转速下降的数值称为转速降，用△n表示为

Page83.1他励直流电动机的机械特性

显然，△n与β成正比，当β越大，n就越大。通常称β值大的机械特性为软特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响大，那么系统抗干扰能力弱；β值小的机械特性为硬特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响小，那么系统抗干扰能力强。对于一个恒速运行的系统，我们总希望值β越小越好。Page9固有机械特性

当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，即,,这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。其表达式为(3-2)，

，

，

Page10固有机械特性图3-1他励直流电动固有机械特性他励直流电动机固有机械特性是一条下斜直线，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力体现，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。

Page11人为机械械特性图3-2电枢串电电阻人为为机械特特性他励直流流电动机机的参数数如电压压、励磁磁电流、、电枢回回路电阻阻大小等等改变后后，其机机械特性性称为人人为机械械特性。。主要人人为机械械特性有有三种。。1.电枢枢回路串串电阻的的人为机机械特性性(3-3)电枢加额定定电压UN，每极磁通为为额定值FN，电枢回路串串入电阻R后，机械特特性表达式式为Page12人为机械特特性图3-3改变电枢电电压人为机机械特性2．改变电电枢电压的的人为机械械特性(3-4)保持每极磁磁通为额定定值不变，，电枢回路路不串电阻阻，只改变变电枢电压压时，机械械特性表达达式为Page13人为机械特特性图3-4减少每极磁磁通人为机机械特性3.减少气隙磁磁通量的人人为机械特特性电枢电压为为额定值不不变，电枢枢回路不串串电阻时，，仅改变每每极磁通的的人为机械械特性表达达式为(3-5)Page14人为机械特特性图3-5电枢反应有有去磁效应应时的机械械特性电枢反应表表现为去磁磁效应，使使机械特性性出现上翘翘现象，如如图3-5所示。Page15根据电机的的铭牌数据据绘制机械械特性1.固有机机械特性的的绘制(1)估算算EaN或实测Ra；(2)计算算CeFN；(3)求n0；(4)计算算TN。在坐标纸上上标出(0,n0)，(TN,nN)两点，过此此两点联成成直线，即即为该直流流电动机的的固有机械械特性。Page16根据电机的的铭牌数据据绘制机械械特性2.人为机机械特性的的绘制各种人为机机械特性的的计算较为为简单，只只要把相应的参数数代入相应应的人为机机械特性方方程式即可可。Page173.2他励励直流电动动机的启动动系统启动的的要求他励直流电电动机启动动时，为了了产生较大大的启动转转矩及不使启启动后的转转速过高，，应该满磁磁通启动，，即励磁电流为额额定值，每每极磁通为为额定值。。因此启动动时励磁回路不能能串电阻。。而且绝对对不允许励励磁回路出出现断路。Page18启动方法图3-6电枢回路串串电阻启动动1．电抠回回路串电阻阻启动电抠回路串串电阻R，启动电流为为Page19电抠回路串串电阻启动动1)分级级启动电阻阻的计算点点点点点点设对应转速速n1、n2和n3时，电动势势分别为Ea1、Ea2和Ea3、则有：Page20电抠回路串串电阻启动动2)计算算各级启动动电阻的步步骤（1）估算算或测出电电枢回路电电阻Ra；（2）根据据过载倍数数选取最大大转矩T1对应的最大大电流I1；（3）选取取启动级数数m；（4）计算算启动电流流比：,m取整数；（5）计算算转矩：T2=T1/β校验T2≥（1.1~1.2）TL；如果不满满足，应另另选T1或值m并重新计算算，直到满满足该条件件为止；（6）计算算各级启动动各级电阻阻和分段电电阻。Page21降电压启动动图3-7降压启动降低电源电电压到U，启动电流为负载为巳知知，根据启启动条件的的要求，可可以确定电电压的大小小。有时为为了保持启启动过程中中电磁转矩矩一直较大大及电枢流流一直较小小，可以逐逐渐升高电电压U，直至最后升升到UN。Page223.3他励励直流电动动机的电动动与制动(1)电动动机稳态工工作点是指指满足稳定定运行条件件的那些电电动机机机械特性性与负载转转矩特性的的交点，电电动机在工工作点恒速速运行。(2)电动动机运行在在工作点之之外的机械械特性上时时，电磁转转矩与负载载转矩不相相等系统处处于加速或或减速的过过渡过程。。(3)他励励直流电动动机的固有有机械特性性与各种人人为机械特特性，分布布在机械特特性的四个个象限内。。(4)生产产机械的负负载转矩特特性，有反反抗性恒转转矩、位能能性恒转矩矩、泵类等等典型负载载转矩持性性，也有由由几种典型型负载同时时存在的各各种负载转转矩特性，，他们分布布在四个象象限之内。。Page23他励直流电电动机的电电动图3-8他励直流电电动机电动动运行1.正向向电动运行行他励直流电电动机工作作点在第Ⅰ象限时，如如图3-8所示的A点和B点，电动机机电磁转矩矩T﹥0，转速n﹥0，这种运行状状态称为正正向电动运运行。Page24他励直流电电动机的电电动图3-8他励直流电电动机电动动运行2.反向向电动运行行若拖动反抗抗性负载，，正转时电电动机工作作点在第Ⅰ象限，反转转时，电动动机工作点点则在第Ⅲ象限，如图图3-8所示的C点，这时电电动机电源源电压为负负值。在第第Ⅲ象限运行时时，电磁转转矩T<0，转速n<0,T与n仍同方向，，T仍为拖动性性转矩，其其功率关系系与正向电电动运行完完全相同，，这种运行行状态称为为反向电动动运行。他励直流电电动机的电电动他励直流电电动机的制制动制动：指通过某种种方法产生生一个与拖拖动系统转转向相反的的阻转矩以阻阻止系统运运动的过程程。制动作用：它可以维持持受位能转转矩作用的的拖动系统统恒速运动动，如起重类类机械等速速下放重物物。列车等等速下坡等等。也可以用于使使拖动系统统减速或停停车.他励直流电电动机的制制动实现制动方方法有：机械制动，，即刹车，，它是用磨磨擦力产生生阻转矩实现制动的的。其特点点是损耗大大，多用于于停车制动动，如起重类机机械的抱闸闸；电气制制动，是使使电动机变变直流发电机将将系统的机机械能或位位能负载的的位能转变变为电能，消耗耗在电枢电电路的总电电阻或回馈馈电网。他励直流电电动机的制制动电气制动方方法分：能耗制动，，反接制动动，再生制制动。直流流电机正常工作时，，出现制动动状态情况况分析如下下：(1)要求停车切断电枢电电源，自由由停车，或或小容量电电机切断电源，机械械抱闸，帮帮助停车。。(2)降速过程中中：在降压调速速幅度比较较大时，降降速过程中中要经过制动状态。。他励直流电电动机的制制动(3)提升机构下下放重物提升机构下下放重物时时，电动机机要处于制制动状态。。(4)反转电动机从正正转变为反反转，首先先要制动停停车，然后后才能反向起起动，从上上面分析可可见，制动动不能简单单地理解为停车，，停车只是是制动过程程中的一种种形式而以以。Page30他励直流电电动机的制制动图3-9能耗制动过过程1.能耗制制动1)能耗耗制动过程程(dynamicbrakingprocess)他励直流电电动机的制制动特性方程及及制动电阻阻:特性是一条条过原点的的直线，在在第二象限限，特性斜斜率取决于能能耗制动电电阻Rc。他励直流电电动机的制制动Rc越大，特性性越斜，Rc越小，特性性越平，但但Rc不能太小，，否则在制制动瞬间会会产生过大大的冲击电电流，取IB=(2~2.5)IN，IB为制动动瞬间间的电电枢电电流，，设制制动瞬间电电势为为EB，有：：当制动动时转转速大大于或或等于于nN时，认认为EB与U近似相相等。。Page33功率流流程图图(a)电动运运行(b)能耗制制动(c)倒拉反反转和和反接接制动动(d)回馈制制动图3-10他励直直流电电动机机各种种运行行状态态下功功率流流程图图Page34能耗制制动运运行图3-11能耗制制动运运行他励直直流电电动机机如果果拖动动位能能性负负载，，本来来运行行在正正向电电动状状态，，突然然采用用能耗耗制动动。能耗制制动运运行能耗制制动能耗制制动特特点:(i)制动时时U=0，n0=0，直流流电动动机脱脱离电电网变变成直直流发发电机机单独独运行行，把把系统统存储储的动动能，，或位位能性性负载载的位位能转转变成成电能能(EaIa)消耗在在电枢枢电路路的总总电阻阻上I2(Ra+Rc).(ii)制动时时，n与T成正比比,所以转转速n下降时时，T也下降降，故故低速速时制制动效效果差差，为为加强强制动动效果果，可可减少少Rc，以增增大制制动转转矩T，此即即多级级能耗耗制动动(iii)实现能能耗制制动的的线路路简单单可靠靠，当当n=0时T=0,可实现现准确确停车车。能耗制制动应用能耗制制动多多用于于一般般生产产机械械的制制动停停车，，对于于起重机械，能耗制制动可使位能性负负载的恒低速下放放，确保生产安全，对对反抗性负载能确确保停车。反接制动过程1.电压反接的反接制制动(1)方法：将正在运行的电机机电枢串入制动电电阻Rc，且电枢两端电压极性改改变。要实现反接接制动电路有两种，一种手动适合合小容量电动机，，另一种是自动线线路适合大容量的电电动机采用。Page39反接制动过程图3-12他励直流电动机反反接制动过程反接制动停车是把把正向运行的他励励直流电动机的电电源电压突然反接接，同时在电抠回回路串入限流的反反接制动电阻R来实现的。Page40反接制动接着反向向启动图3-13反接制动接着反向向启动的机械特性性他励直流电动机拖拖动反抗性恒转矩矩负载进行反接制制动的机械持性如如图3-13所示。反接制动反接制动方程式为：特性BC段为电压反接制动动机械特性曲线。。反接制动制动电阻Rc的计算反接制动2.倒拉反转运行Page45倒拉反转运行图3-14倒拉反转运行他励直流电动机如如果拖动位能性负负载运行，电枢回回路串入电阻时，，转速n下降，但是如果电电阻值大到一定程程度后，见图3-14所示，就会使转速速n<0，工作点在第Ⅳ象限，电磁转矩T>0，与n方向相反，是一种种制动运行状态，，称为倒拉反转运运行或限速反转运运行。反接制动电阻计算反接制动(1)电压反接制动时说明从电源吸收电电能说明电动机从负载吸收机械能能使电机处于发电电状态，将机械能能转化为电能。上述两部分能量加加在一起消耗在电电枢回路的电阻上。反接制动(2)电动势反接制动时时说明从电源吸收电电能说明从负载吸收机机械能上述两部分能量全全部消耗在电枢回回路的电阻上，其其能量关系同电压及制制动时一样。Page49回馈制动运行图3-15降压调速时的回馈馈制动过程（1）正向回馈制制动运行图3-15所示为他励直流电电动机电源电压降降低，转速从高向向低调节的过程。。Page50回馈制动运行图3-16正向回馈制动运行行如图3-16所示。负载机械特特性为曲线1和曲线2。这样走平路时电电动机则运行在正正向电动运行状态态，工作点为固有有机械待性与曲线线1的交点A；走下坡路时电动机机则运行在正向回回馈运行状态，工工作点为固有机械械特性与曲线2的的交点B。Page51反向回馈制动运行行图3-17反向回馈制动运行如果他励直流电动动机拖动位能性负负载，当电源电压压反按时，工作点点在第Ⅳ象限，见图3-17(a)所示的B点，这时电磁转矩矩T>0，转速n<0，T与n反方向，称为反向向回馈制动运行。。Page523.4他励直流电电动机的调速图3-18电枢回路串电阻调调速他励直流电动机的的调速方法1．电枢串电阻调调速Page53降低电源电压调速速图3-19降压电源电压调速速保持他励直流电动动机磁通为额定值值不变，电枢回路路不串电阻，降低低电枢的电源电压压可调节转速，使使电动机拖动负载载运行于不同的转转速上，如图3-19所示。Page54弱磁调速图3-20弱磁调速保持他励直流电动动机电源电压不变变，电枢回路也不不串电阻，在电动动机拖动的负载转转矩不过分大时，，降低他励直流电电动机的磁通，可可以使电动机转速速升高。Page55调速的性能指标图3-21电枢串电阻调速时时静差率与调速范范围1．调速范围2．静差率3．调速的平滑性性4．调速的经济性性调速的性能指标1.静差率δ(或称相对对稳定性性)指同一条条机械特特性上额额定负载载时转速速降落Δn与理想空载载转速n0之比。定定义为：：调速的性性能指标标分析:电动机的的机械特特性愈硬硬，则静静差率愈愈小，相相对稳定性愈高高。生产机械械调速时时，为保保持一定定的稳定定程度，，要求静差率δ%小于某一一允许值值，不同同的生产产机械，，其允许的静差差率是不不同的。。如：普普通机床床δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机机床δ≤1%～５%;精度高的的造纸机δ≤0.1%调速的性性能指标标静差率和和机械特特性的硬硬度有关关系，但但又有不不同之处，两条条平行的的机械特特性，硬硬度一样样，β1=β2，但静差率不同同。图3-22降低电源源电压调调速时静静差率与与调速范范围调速的性性能指标标2.调速范围围D定义：指额定负负载时，，电力拖拖动系统统可能运运行的最最高转速nmax与最低转转速nmin之比。其其中nmax受直流电电动机转动部部分机械械强度与与换向条条件的限限制，nmin受低转速时相相对稳定定性的限限制。调速的性性能指标标分析:不同的生生产机械械对调速速范围要要求也不不相同。。例：车床：D=20~120，龙门刨刨床：D=10~40,机床进给给机构：D=5~200；轨钢机机：D=3~120;造纸机：：D=3~20等。对于于一些经经常轻载载运行的的生产机机械，例如精密密机床等等，可用用实际负负载时的的最高转转速和最最低转速之比比计算调调速范围围D。调速的性性能指标标调速范围围比较调速的性性能指标标3.平滑性用平滑系系数表示示调速的的平滑性性，定义义即相邻两两级转速速之比。。在一定的的调速范范围内，，调速的的级数越越多，认认为调速越平滑滑，相邻邻两级转转速的接接近程度度叫调速速的平滑滑性。k接近1，平滑性性好。通通常第i级表示较较高的转转速，第i-1级表示较较低的转转速，因因此系数数k>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。调速的性性能指标标4.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、、运行费费用等。。匹配问题题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的发发热，而而发热又又主要取取决于电电枢电流流在调速速过程中，只只要在不不同转速速下电流流不超过过额定值值IN，电机长时间运运行，其其发热不不会超过过允许的的限度，，因此，，额定电流是是电机长长期工作作的利用用限度。。电机在在调速过过程中，如在在不同转转速下都都能保持持电流Ia=IN，则电机机利用充分，，运行安安全。从从合理使使用电动动机的角角度考虑虑，提出了调调速方式式与负载载类型相相配合的的问题。。匹配问题题1.恒转矩调调速调速过程程中保持持Ia=IN，Ф=ФN=常数，则则T=常数电动机允允许输出出转矩不不变的调调速方法法称恒转转矩调速速。在实际调调速时改改变电动动机供电电电压和和改变电电枢回路串入的的电阻均均属恒转转矩调速速。电动动机输出出功率P=TΩT=常数Ω↓→→P↓,即电动机机转速越越低，输输出功率率越小,PΩ。匹配问题题允许输出出转矩和和功率匹配问题题2.恒功率调调速调速中，，保持Ia=IN，若Ф↓→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，，调速过程中电电动机允允许输出出功率不不变的调调速方法法称为恒恒功率调速。。如改变变电动机机主磁通通Ф的调速方方法就属属于恒功率调速速方法。。匹配问题题说明：在图中，，T=f（n）和P=f（n）曲线线表示在在保证电动机得到到充分利用用的条件下下(即Ia=IN)，允许输出出的转矩和功率率，并不代代表电动机机实际输出出的转矩和和功率，电动机实实际输出的的转矩和功功率要由它它所拖动的的负载转矩和负载载功率特性性来决定。。匹配问题实际上，电电动机在调调速时实际际输出的功功率和转矩矩是多大，则则要看电动动机拖动是是什么类型型的负载。。如果配合适适当，电机机实际输出出即为允许许输出，电动机容量量能充分利利用，否则则电机容量量造成浪费费。匹配问题3.调速方式与与负载类型型配合问题题调速方式与与负载类型型配合恰当当，所选电电动机的体体积较经济。。在不同转转速下，可可较充分地地利用，不不致造成浪费(浪费是指电电机的转矩矩和功率选选的过大)，或长时间运行而而烧坏。(指转矩及功功率选的较较小)匹配问题匹配：最好的配合合方式为：：恒功率负负载，采用用恒功率的的调速方法。。(弱磁调速)；恒转矩负负载，采用用恒转矩的的调速方法。。(变电压或变变串入电阻阻调速)。这样匹配，，使电机在在整个调速速范围内容容量能充分分利用，且Ia=IN不变，电动动机的调速速转矩与负负载一致时，电机容容量能充分分利用。匹配问题调速方式与与负载类型型配合恰当当匹配问题(1)恒功率负载载与恒转矩矩调速方法法配合匹配问题(2)恒转矩负载载与恒功率率调速方法法配合他励直流电动机机的四个象限上上的运行电动状态：特性在第一，三三象限，其中第第一象限是正向向电动状态，第三象象限是反向电动动状态。制动状态：特性在第二，四四象限，其中第第二象限是正向向能耗，正向回馈制制动，电压反接接制动。第四象象限是反向能耗，反向回回馈制动，转速速反向反接制动动，处在反向电动状态时时进行电压反接接的电压反接制制动。四象限运行分析析电力拖动系统过过渡过程过渡过程的概述述1.稳态(静态)：指电动机转矩矩T和负载转矩TL相等。系统静止不动或或以恒速运动的的状态。2.动态：指T与TL不相等，加速或或减速状态。即即非平衡状态dn/dt≠0，动态也称过渡渡过程。转速由n=0升至某一转速或从从某一转速升至至另一转速的变化过过程均称为过渡过程。产生过渡过程的的原因外因：例：TL变化，或电机参参数变化，引起起T变化。内因：系统存在GD2，即机械惯性以以及电磁惯性