第三章直流电动机电力拖动课件

第三章直流电动机的电力拖动

本章的重点是他励直流电动机的机械特性及对各种运转状态的分析、计算。3.1他励直流电动机的机械特性

*他励直流电动机电路原理图

*他励直流电动机的参数关系

*机械特性图

*电枢反应对机械特性的影响

电动机的机械特性是指:电动机的转速

n

与转矩T

的关系n=f(T)T是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩

T2

差一个空载转矩T0电动状态时：一.他励直流电动机机械特性方程式1.他励直流电动机电路原理图

2.他励直流电动机的参数关系电磁转矩：感应电动势：电枢电路电动势平衡方程式

：转速特性：并考虑到：

可获得他励直流电动机机械特性方程式：由特性方程可知，转速n

随转矩T

增大而降低；这说明空载电动机加了负载后n会有一些降落；电动机的理想空载转速n0

。其中：3.机械特性图△nN

%

为额定转速变化率•机械特性的斜率：

β

=R/(Ce

CTΦ2)

•由于电枢电阻较小,一般他励电动机的机械特性都较硬4.电枢反应对机械特性的影响

当电枢电流较大时，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解决方法:

为避免上翘，往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，抵消电枢反应的去磁作用。这个串励绕组常称为稳定绕组二.固有机械特性和人为机械特性U=UN，

Φ

=

ΦN，

电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性:

改变电动机参数即获得人为机械特性；三个变量中任何一个或几个值非额定时，得到的机械特性即为人为机械特性。(一)电枢串联电阻时的人为机械特性

U=UN,

Φ

=ΦN，R=Ra+RΩ时，电枢串联电阻RΩ时人为机械特性的方程式为：

1.特点：人为机械特性由交纵坐标轴于一点，但具有不同斜率的射线族组成。2.机械特性图电枢串联电阻时的人为机械特性(二)改变电压时的人为机械特性

电枢不串联电阻(RΩ=0),Φ

=ΦN

，改变电压时的人为机械特性方程式为：1.特点：人为机械特性是一组平行线，它们低于固有机械特性，但与固有机械特性相平行。

2.机械特性图改变电压时的人为机械特性(三)减弱电动机磁通时的人为机械特性改变磁通实际上是减弱励磁。此时U=UN，RΩ=0

，减弱磁通时人为机械特性方程式：而n=f(Ia

)

特性方程式为：短路(堵转)电流IK=UN/Ra=

常值，所以短路(堵转)转矩TK

将随

Φ

之减弱而降低。减弱磁通时的工作特性减弱磁通时的人为机械特性NNTK注意事项:

一般情况下，

TN

比堵转转矩

TK

小得多，故减弱磁通使电动机转速升高；但负载特别重或磁通Φ

特别小时，如再减弱磁通

Φ

,转速会发生反而下降的现象。三.机械特性的绘制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。从电动机铭牌获得的数据一般是PN

、UN、IN

和nN(一)获得机械特性方程表达式估算电枢绕组电阻

Ra：求取CeΦN：求取CTΦN：得固有机械特性方程式n=f(T)任意给出两点如T=0（空载点）和

T=TN，通过这两点得连线即为固有机械特性。(二)人为机械特性的绘制

各种人为机械特性的计算较为简单，

把相应的参数值代入对应的人为机械特性方程式即可。四.电力拖动系统稳定运行的条件

我们的任务是什么？分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题。1.稳态时电动机电流由负载大小决定（分析下图！）。结论：稳态下电动机发出转矩的大小是由负载转矩的数值所决定的！他励直流电动机的机械特性2.电力拖动的稳态运行问题(1)稳态运行的必要条件电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有交点；(2)稳态运行的充分条件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，使原来转矩T

与

TZ

的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，当干扰消除后，拖动系统有能力使转速恢复，回到干扰作用出现前原来交点处。3.充分条件的表述及分析电动机电磁转矩为

T，负载转矩为

TZ，工作于平衡点

P

。有：Tp

-TZ=0，dnp/dt=0设有扰动使系统偏离平衡点P

，分析！机械特性稳定的配合问题4.结论稳定的充分条件是在两特性曲线交点处：

或者说：

在交点所对应的转速之上应保证T<TZ

而在这一转速下则要求T>TZ。3.2他励直流电动机的起动

*直接加额定电压起动后果

*限制起动电流的措施

*他励电动机分级起动一.他励直流电动机的起动方法他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。电枢电流Ia

为：

刚起动时，转速n=0，Ea=0；

因为电动机的电枢绕组电阻

Ra

很小，

所以直接加额定电压起动，Ia

可能突增到额定电流的十多倍！1.直接加额定电压起动后果换向情况恶化，产生严重的火花；过大转矩将损坏拖动系统的传动机构；！！因此在起动时，必须设法限制电枢电流。2.限制起动电流的措施降压起动：

适用于电动机的直流电源是可调节的；电枢电路中串联电阻起动：

当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流，并在起动过程中将起动电阻逐步切除。3.电枢回路串电阻起动起动过程三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性分级起动时：可将每一级的I1（或T1）与I2(或T2)取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。分级起动电阻的计算

设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得：

在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:计算各级起动电阻的步骤：（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：

取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。二.他励直流电动机的反转由T=CTIa知，改变的方向，或改变Ia的方向，都能改变T的方向，实现电动机的反转。他励直流电动机的反转的方法有：磁场反向；电枢反向。他励直流电动机励磁绕组匝数多，电感较大，反向磁通建立过程缓慢，仅用于不要求频繁正、反转的场合。电枢反向时的机械特性方程为：oTn0-n0n当各参数含符号时，电动机反转的机械特性方程为：三.他励直流电动机起动的过渡过程(选讲）1)电力拖动过渡过程：指电力拖动系统由一个稳态工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。例如起动、制动、反转、调速、负载突变等过程。

2)负载图过渡过程中，n、T、Ia

及P均为时间的函数；其变化规律称为电力拖动运行的负载图；负载图是正确选择与校验电动机功率的依据。3)研究过渡过程的意义可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机的利用率；研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全进行。4)电力拖动系统中存在的惯性电力拖动系统中一般存在以下三种惯性:(1)机械惯性：体现在飞轮矩GD2上，它使转速n不能突变；(2)电磁惯性：体现在电枢回路电感La及励磁回路电感

Lf上，使电枢电流和励磁电流不能突变；(3)热惯性：使温度不能突变。5)我们将要研究的电力拖动过渡过程(1)机械过渡过程（考虑机械惯性）(2)电气—机械过渡过程（考虑机械惯性和电磁惯性）(一)起动的机械过渡过程1.电枢串固定电阻起动的过渡过程

(1)直流电动机起动原理图他励直流电动机起动原理图(2)直流电动机的几个基本公式

IZ

—负载转矩对应的负载电流,保持稳定转速运行时的电枢电流。(3)电力拖动系统的机电时间常数TtM

称为电力拖动系统的机电时间常数(4)反映过渡过程中电枢电流的微分方程如何解上述微分方程？—可使用三要素法(5)解一阶微分方程的三要素法

初始值：Xi；稳态值：Xf；时间常数：T一阶微分方程的解：(6)电枢电流、转速过渡过程解起动时电枢电流过渡过程起动时转速上升过渡过程(7)结论时间t转速nTtM63.2%nZ2TtM86.4%nZ3TtM95.0%nZ4TtM98.2%nZ无穷大nZ请看下表：(7)结论可以看出：理论上，只有当时间n趋于无穷时，转速才能达到稳态值；实际上，由于当t=（3~4）TtM

时，系统转速已达到稳定运行转速nz

的95%~

98%；所以，一般可认为经过3~

4个时间常数，转速便达到稳定值，过渡过程结束。2.电枢串多级电阻起动的过渡过程

1)电枢串多级电阻起动的电路2)起动的过程串二级起动的过程

3)结论(1)不同加速级的机电时间常数是不同的电枢电路的电阻愈大，则TtM

愈大；(2)不同加速级的起始转速与稳定转速都是不同的；(3)各级的起始电流均限定为I1，各级的稳定电流Iz

由恒转矩负载决定，其值不变。(4)总的起动时间tst：3.加快起动过程的途径措施一:设法减小系统的飞轮矩

GD2，以减小机电时间常数；措施二:尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形。起动过程中理想的电枢电流波形3.3他励直流电动机的调速

1.可以采用的调速方法：机械方法；电气方法；机械电气配合方法。2.电气调速方法：由转速调节特性来看:欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电压Ua（包括改变U和改变R)，或改变励磁磁通

Φ

实现。(1)调压限制：提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高30%；实际上改变Ua

应用在降压的方向，即从额定转速向下调速。(2)调磁限制：一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和。

所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速；一般可以使转速从额定值向上调节。一.调速指标

1.调速的技术指标(1)调速范围：一般假定：

nmax

与nmin

代表电动机在额定负载下可能达到的最高与最低转速。不同生产机械要求的调速范围对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算。生产机械类型调速范围车床20~120龙门刨床10~40机床的进给机构5~200轧钢机3~120造纸机3~20(2)静差率(相对稳定性)相对稳定性的程度用静差率

δ%

来表示：表明负载变化引起转速变化的大小程度。静差率与调速范围的关系：静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统可能达到最低速nmin

决定于低速特性的静差率。

调速范围

D

与低速静差