他勵直流電機(jī)的啟動原理與運行

1、 他勵直流電機(jī)的運行直流電動機(jī)的起動電動機(jī)接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速從0上升到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。 他勵直流電動機(jī)起動時，必須先保證有磁場（即先通勵磁電流），而后加電樞電壓。合閘瞬間的起動電流很大應(yīng)盡可能的縮短啟動時間，減少能量損耗以及減少生產(chǎn)中的損耗起動電流大的原因：、起動開始時：n=0,Ea=Cen=0,、電樞電流：Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra一般很小這樣大的起動電流會引起后果：、電機(jī)換向困難，產(chǎn)生嚴(yán)重的火花 、過大轉(zhuǎn)矩將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)和電機(jī)電樞 、供電線路產(chǎn)生很大的壓降。變頻器整流回路的啟動電阻結(jié)論：因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗破饎与娏?，除容量極小的電機(jī)外，絕不允許直

2、接起動起動方法：電樞串電阻啟動起動過程中有能量損耗，現(xiàn)在很少用，在實驗室中用降壓啟動適用于電動機(jī)的直流電源是可調(diào)的，投資較大，但啟動過程中沒有能量損耗。直流啟動器電樞串電阻起動：最初起動電流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起動轉(zhuǎn)矩：Tst=Ist 啟動電阻：Rst（UNi IN）Ra為了在限定的電流Ist下獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩Tst,應(yīng)該使磁通盡可能大些，因此起動時串聯(lián)在勵磁回路的電阻應(yīng)全部切除。 有了一定的轉(zhuǎn)速n后，電勢Ea不再為0，電流Ist會逐步減小，轉(zhuǎn)矩Tst也會逐步減小。 為了在起動過程中始終保持足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，一般將起動器設(shè)計為多級，隨著轉(zhuǎn)速n的增大，串在電樞回路的起動電阻Rs

3、t逐級切除，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后全部切除。 起動電阻Rst一般設(shè)計為短時運行方式，不容許長時間通過較大的電流。降壓起動：對于他勵直流電動機(jī)，可以采用專門設(shè)備降低電樞回路的電壓以減小起動電流。 起動時電壓Umin,起動電流Ist： Ist= Umin/Ra< iIN啟動過程中U隨Ea上升逐漸上升，直到U=UN串勵電動機(jī)絕對不允許空載起動。 串電阻起動設(shè)備簡單，投資小，但起動電阻上要消耗能量；電樞降壓起動設(shè)備投資較大，但起動過程節(jié)能。直流電動機(jī)的調(diào)速為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，工作機(jī)械的運行速不可能是單一的。按照工作機(jī)械的要求認(rèn)為地調(diào)節(jié)拖動電動機(jī)的運行速度。例如：車床切削工件時，精加工用高速，粗加工用低

4、速。改變傳動機(jī)構(gòu)的變比機(jī)械調(diào)速改變電動機(jī)參數(shù)電氣調(diào)速：直流和交流直流調(diào)速系統(tǒng)中大多數(shù)為他勵直流電動機(jī)一、他勵直流電動機(jī)人為機(jī)械特性電動機(jī)轉(zhuǎn)速特性和機(jī)械特性的一般表達(dá)式： 理想空載轉(zhuǎn)速： 斜率：+UaRa+R+EanTLTIa固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性U=UN，=N，R=0人為機(jī)械特性U或不等于額定值，或者R不等于零。他勵直流電動機(jī)的三條人為機(jī)械特性：R0,電樞回路串電阻時的機(jī)械特性UUN，改變電樞電壓時的機(jī)械特性N，改變氣隙磁通時的機(jī)械特性研究人為機(jī)械特性重點：理想空載轉(zhuǎn)速和斜率的變化電樞回路串電阻的機(jī)械特性：理想空載轉(zhuǎn)速：斜率：對應(yīng)于不同的R可以得到一簇斜率不同射線。 均在固有機(jī)

5、械特性之下因為：=N=Cont，T=Ia，即T正比于Ia，故人為機(jī)械特性的圖形在另一適當(dāng)?shù)臋M軸比例尺下可以代表其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速特性改變電樞電壓的機(jī)械特性 理想空載轉(zhuǎn)速： 斜率：斜率不變，理想空載轉(zhuǎn)速n0不同的一簇平行線。電動機(jī)絕緣條件的限制，電樞電壓不能高于額定電壓，U<UN因為：=N=Cont，T=Ia，即T正比于Ia，故人為機(jī)械特性的圖形在另一適當(dāng)?shù)臋M軸比例尺下可以代表其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速特性改變磁通的機(jī)械特性：此時：Cont，T=Ia，即T不在成正比于Ia，故人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速特性必須分別考慮。 由于磁路飽和和勵磁繞組發(fā)熱條件的限制，只能在N范圍內(nèi)調(diào)節(jié)隨的減少而上升為常數(shù)與無關(guān)隨減小而減小機(jī)械

6、特性曲線的形狀決定了電動機(jī)的應(yīng)用范圍機(jī)械特性方程式及其函數(shù)圖形是對拖動系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系的數(shù)學(xué)描述如果不考慮電樞繞組電感的影響(電樞電流認(rèn)為可以突變),機(jī)械特性方程式及其函數(shù)圖形也是對拖動系統(tǒng)在升、降速的動態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系的描述。動態(tài)過程的每一瞬間描述靜態(tài)描述動態(tài)描述則系統(tǒng)的動態(tài)過程可由此坐標(biāo)平面中的一條特定的軌跡唯一描述在適當(dāng)?shù)谋壤呦?，Tn坐標(biāo)平面可以轉(zhuǎn)換為 Tn平面。如果TL0，則通過坐標(biāo)變換將n軸平移到T=TL處， Tn坐標(biāo)平面仍可視為 n平面。幾個概念：相平面、相點、相軌跡機(jī)械特性方程由來？U=Ea+IaRa Ea=Ken T= KTIa結(jié)論：靜態(tài)下的機(jī)械特性

7、方程式同時也是對系統(tǒng)升降速動態(tài)過程中T與n之間變化關(guān)系的數(shù)學(xué)描述二、他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法電樞回路串電阻調(diào)速：依據(jù)：調(diào)節(jié)電樞回路電阻Rc的大小時，電動機(jī)機(jī)械特性的斜率改變，與負(fù)載機(jī)械特性的交點也會改變，達(dá)到調(diào)速目的。調(diào)速過程分析：設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作在A1點,電樞回路突然增加電阻Rc電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變, A1>B1,所在的特性曲線不同T<TL平衡被破壞,電動機(jī)減速,相點沿(RC1)曲線B1-A2下降過程中隨n的下降T逐漸增大,dn/dt減小,向新的平衡狀態(tài)移動A2,T增大到了TL，系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)，n=n2電機(jī)機(jī)電過程分析U-EaRa+RcIa=T=KcIaE=KenU+Ea-U-E

8、aIaTLT-TL+-Tnjmkl機(jī)械特性方程 運動方程式某環(huán)節(jié)上出現(xiàn)外部因素的干擾，平衡被破壞，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)過程，達(dá)到新的平衡。如Rc突然增大.n 不變"Ea不變"Iai " T i "n i " Ea i " Ia #" T #電樞串電阻調(diào)速特點：電流的變化：負(fù)載TL不變，平衡狀態(tài)要求T不變，Ia不變平衡時電樞電流由負(fù)載決定 （起動時Ist由電壓和電阻決定）優(yōu)點：設(shè)備簡單、操作簡單。 缺點：只能降速，低轉(zhuǎn)速時變化率較大，電樞電流較大時，不易連續(xù)調(diào)速，有損耗。調(diào)壓調(diào)速：降低電樞電壓時，電動機(jī)機(jī)械特性平行下移。負(fù)載不變時，

9、交點也下移，速度也隨之改變。 過程：電流的變化：負(fù)載TL不變，平衡狀態(tài)要求T不變，Ia不變平衡時電樞電流由負(fù)載決定（起動時Ist由電壓和電阻決定優(yōu)點：調(diào)速后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不變、無級、平滑、損耗小。 缺點：只能下調(diào)，且專門設(shè)備，成本大。（可控硅調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)）改變勵磁電流調(diào)速 減少勵磁電流時，磁通減少，電動機(jī)機(jī)械特性n0點和斜率增大。負(fù)載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。A1、A2、A3、A4處負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ相同，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，但注意這些點的電流不同。三、合理選擇調(diào)速方式的基本依據(jù)調(diào)速范圍能否滿足要求電動機(jī)的負(fù)載能力是否得到合理利用調(diào)速的平滑性原始投資和運行費用的合理支配（一）調(diào)速范圍定義：額定

10、負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動機(jī)允許達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與不超過工作機(jī)械允許的最大靜差率所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比。TL=TNnNnN123nN=nmaxnmin顯然n愈小，s愈小，表征相對穩(wěn)定性越好1、2曲線比較：機(jī)械特性越硬，則s越小；1、3曲線比較：機(jī)械特性硬度相同，但s并不一定相同；n0越大，s越小，即高速特性的相對穩(wěn)定性優(yōu)于低速特性。生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速時，為保證一定的穩(wěn)定性，通常要求靜差率s小于某一允許值如果低速特性的靜差率s滿足要求，則高轉(zhuǎn)速特性一定也滿足要求S和D是互相聯(lián)系的兩項指標(biāo)，nmin取決于低速特性的靜差率s，因此D也受低速特性的靜差率s的限制調(diào)速范圍D和靜差率s的關(guān)系（二）電動機(jī)負(fù)載能力的合理利用電動

11、機(jī)的負(fù)載能力：即電動機(jī)的允許輸出，指在調(diào)速過程中，保持電樞電流Ia=IN時電動機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率的大小，即調(diào)速運行中電動機(jī)的長期最大輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。他勵直流電動機(jī)串電阻和降電壓調(diào)速從高速到低速進(jìn)行調(diào)速時，允許輸出的轉(zhuǎn)矩是常數(shù)，允許輸出的功率正比于轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式弱磁調(diào)速從低速到高速進(jìn)行調(diào)速時，允許輸出的功率是常數(shù)，允許輸出轉(zhuǎn)矩的反比于轉(zhuǎn)速恒功率調(diào)速方式由于工作機(jī)械的負(fù)載 特性亦具有恒轉(zhuǎn)矩和橫功率兩種類型，為保證電動機(jī) 的負(fù)載能力得到充分利用，必須按照負(fù)載性質(zhì)來選擇調(diào)速方式及電動電機(jī)。nTPTNPNnN具體做法：具有恒轉(zhuǎn)矩型的工作機(jī)械選用恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速方式，且電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN應(yīng)

12、等于或略大于恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有恒功率型的工作機(jī)械選用恒功率性質(zhì)的調(diào)速方式，且電動機(jī)的額定功率應(yīng)等于或略大于恒值負(fù)載功率（三）調(diào)速的平滑性定義：相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比:k=ni/ni-1K=1 表示速度連續(xù)可調(diào)高性能調(diào)速要求之一改變電樞電壓和弱磁調(diào)速可以實現(xiàn)無級調(diào)速串電阻調(diào)速不能實現(xiàn)無級調(diào)速原始投資和運行費用：原始投資：設(shè)備費用運行費用：運行中電能的消耗和維護(hù)費用電樞串電阻調(diào)速：降電壓與弱磁調(diào)速：4.3直流電動機(jī)的電動與制動運行在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動機(jī)盡快停轉(zhuǎn)，或者限制勢能性負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這就是電動機(jī)的制動問題。實現(xiàn)制動既可以采用機(jī)械的方法，也可以采用電氣的方法。我們重點來

13、看一下電氣制動方法：能耗制動反接制動回饋制動一、電動機(jī)的四象限運行電動機(jī)狀態(tài)：n與T方向相同，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械特性位于、象限制動狀態(tài)：n與T方向相反，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，（回饋電網(wǎng)或熱能損耗）機(jī)械特性位于、象限二、能耗制動能耗制動過程：將閘刀合向下方，制動開始開始時由于慣性，n不變Ea不變，由于電樞電壓等于0，電樞電流Ia=0-Ea/（Ra+R），與電動機(jī)運行時符號相反，由于不變，所以T亦反向，則T與n相反制動狀態(tài)制動過程中，對電機(jī)靠相同動能發(fā)電，將轉(zhuǎn)動部分的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻和電樞回路的電阻上，所以稱為能耗制動。能耗制動的特點：電樞端電壓（外加電壓）為0電勢平衡方程：Ea=Ia（

14、 Ra+R）功率平衡EaIa=IaIa（ Ra+R）制動過程中相同動能轉(zhuǎn)化為電能，消耗在Ra+R上制動電阻R用以限制制動瞬間的電樞電流能耗制動的機(jī)械特性電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為：由于是一條過原點的直線，如圖在由運行點到停轉(zhuǎn)的制動過程中，轉(zhuǎn)速并非穩(wěn)定在某一數(shù)值，而是一直在變化中，因此稱為能耗制動過程。能耗制動的應(yīng)用縮短降速時間下方重物（獲得一個穩(wěn)定的下方速度） 結(jié)果分析：這種方法所串入的電阻越小，耗制動開始瞬間的制動轉(zhuǎn)矩和電樞電流就越大，而電流太大，會造成換向上的困難，因此能耗制動過程中電樞電流有個上限，即電動機(jī)允許的最大電流。由可以計算出能耗制動過程電樞回路中串入制動電阻的最小值：這種制動方法

15、在轉(zhuǎn)速較高時制動作用較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，制動作用也隨之減小，在低速時可配合使用機(jī)械制動裝置，使系統(tǒng)迅速停轉(zhuǎn)。（三）反接制動反接制動過程分析：如圖所示，電壓反接制動是將正在正向運行的他勵直流電動機(jī)電樞回路的電壓突然反接，電樞電流也將反向，主磁通不變，則電磁轉(zhuǎn)矩反向，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。機(jī)械特性分析：反接前：反接后：所以：因此反接后電流的數(shù)值將非常大，為了限制電樞電流，所以反接時必須在電樞回路串入一個足夠大的限流電阻。 電壓反接制動時， ，電樞回路的電阻為：，電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為： 其對應(yīng)的曲線為過-n0點，斜率為的直線，如圖反接制動反向起動過程：如果C點電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)零時，應(yīng)

16、迅速將電源開關(guān)從電網(wǎng)上拉開，否則電動機(jī)將反向起動，最后穩(wěn)定在D點運行，如圖所示。電壓反接制動在整個制動過程中均具有較大的制動轉(zhuǎn)矩，因此制動速度快，在可逆拖動系統(tǒng)，常常采用這種方法。電源反接的反接制動特點Ua=-UNIa<0T<0 制動電阻的選取原則：太大：制動轉(zhuǎn)矩小太??；制動電流大電勢平衡功率平衡電機(jī)由軸上吸收機(jī)械能（動能），并轉(zhuǎn)換為電功率，從電源吸收電功率，全部付出在電樞中的銅耗中。倒拉反轉(zhuǎn)制動他勵直流電動機(jī)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，電樞回路串入電阻，將引起轉(zhuǎn)速下降，串的電阻越大，轉(zhuǎn)速下降越多。如果電阻大到一定程度，將使電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載的機(jī)械特性的交點出現(xiàn)在第 象限，如圖所

17、示，這時電動機(jī)接線未變，轉(zhuǎn)速反向。而是一種制動運行狀態(tài)，稱為倒拉反轉(zhuǎn)制動運行。倒拉反轉(zhuǎn)制動運行常用于起重設(shè)備低速下放重物的場合。在這種運行方式中，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩起了制動作用，限制了重物下降的速度。改變的大小，即可改變機(jī)械特性的交點，使重物以不同的穩(wěn)定速度下降。反接制動特點Ua=UNN<0Ia>0T>0電勢平衡功率平衡電機(jī)由軸上吸收機(jī)械能（動能），并轉(zhuǎn)換為電功率，從電源吸收電功率，全部付出在電樞中的銅耗中。(四）回饋制動：他勵直流電動機(jī)運行中如果出現(xiàn)實際的轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0，電機(jī)即進(jìn)入回饋制動狀態(tài)(發(fā)電機(jī)狀態(tài)）電力拖動系統(tǒng)中，回饋制動的產(chǎn)生（1） 突然降低電樞電壓n0n01ABTCTLTBDA點運行，突然將電壓BC段電流方向轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)速方向CD段（2） 突然增加磁通nn0n01ABCTLTBDA點運行，突然增加磁通BC段電流方向轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)速方向CD段磁通的突變以上兩種情況回饋制動的特點n>n0，Ea>Ua,電流方