直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分

直流電機(jī)電力拖動(dòng)直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第1頁(yè)3.6直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速A、與調(diào)速相關(guān)性能指標(biāo)a、調(diào)速范圍D：定義：調(diào)速范圍定義為拖動(dòng)系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速（或速度）與最低轉(zhuǎn)速（或速度）之比，即：（3-46）b、靜差率：定義：對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜差率即轉(zhuǎn)速改變率，它是指理想空載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速改變量與空載轉(zhuǎn)速百分比，即：（3-47）直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第2頁(yè)D與是相互關(guān)聯(lián)，它們之間關(guān)系可用圖3.21加以說(shuō)明之。

圖3.21中曲線1、2分別給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特征、電樞回路串電阻人工機(jī)械特征以及恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特征。圖3.21他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征與靜差率之間關(guān)系對(duì)于實(shí)際電力拖動(dòng)系統(tǒng)，若按低速時(shí)選擇，則高速時(shí)自然滿足要求。于是有：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第3頁(yè)

又依據(jù)式（3-47）知：，將其代入上式得靜差率與調(diào)速范圍

之間關(guān)系為：（3-48）上式表明，若低速時(shí)滿足要求，低速時(shí)越大則調(diào)速范圍越?。籧、調(diào)速平滑性：

采取有級(jí)和無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)描述調(diào)速平滑性，其性能指標(biāo)為平滑系數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速比，即：（3-49）上式中，越靠近于1，則平滑性越好。若采取無(wú)級(jí)調(diào)速，即速度連續(xù)可調(diào)，則。d：原始投資與運(yùn)行成本

調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包含設(shè)備原始性一次投資和設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用主要是指調(diào)速過(guò)程中損耗，通慣用效率來(lái)衡量，即：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第4頁(yè)（3-50）B、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)慣用調(diào)速方法依據(jù)可知，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能夠采取以下兩種方法調(diào)速：1.降低電樞電壓降速a、電樞回路串電阻降壓降速

圖3.22給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻時(shí)人工機(jī)械特征和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特征。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第5頁(yè)圖3.22電樞回路串電阻情況下人工機(jī)械特征和負(fù)載特征結(jié)論：伴隨電樞回路電阻增加，理想空載轉(zhuǎn)速不變，機(jī)械特征硬度變軟，造成轉(zhuǎn)速下降。所以，電樞回路串電阻只能在額定轉(zhuǎn)速（又稱為基速）以下調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析以下：直流電動(dòng)機(jī)輸入電功率為：（3-51）忽略機(jī)械耗和鐵耗，并依據(jù)上式得電動(dòng)機(jī)總損耗為：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第6頁(yè)（3-52）于是，電機(jī)效率為：（3-53）

可見，伴隨轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率降低。b、降低電源電壓降壓降速

圖3.23給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電源電壓時(shí)人工機(jī)械特征以及恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特征。圖3.23降低電源電壓情況下人工機(jī)械特征和負(fù)載特征直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第7頁(yè)結(jié)論：

伴隨外加電源電壓降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。調(diào)壓調(diào)速時(shí)特點(diǎn)是：其機(jī)械特征硬度保持不變，從而確保了這種調(diào)速方法含有更寬調(diào)速范圍。2.弱磁升速圖3.25給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速時(shí)人工機(jī)械特征。傳統(tǒng)可調(diào)壓電源可采取如圖3.24所表示發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)組方案。圖3.24直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)機(jī)組可調(diào)直流電源

當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛是靜止變流器方案，如相控變流器和斬控變流器，相關(guān)內(nèi)容已在《電力電子技術(shù)》中介紹過(guò)。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第8頁(yè)圖3.25勵(lì)磁改變情況下直流電動(dòng)機(jī)人工機(jī)械特征和負(fù)載特征

結(jié)論：

伴隨勵(lì)磁電流減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高。為了確保電機(jī)磁路不至于過(guò)飽和，通常，弱磁調(diào)速普通在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上進(jìn)行。弱磁調(diào)速時(shí)過(guò)渡過(guò)程可用圖3.26加以描述。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第9頁(yè)圖3.26他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速過(guò)渡過(guò)程

為了取得較高調(diào)速范圍，通常將額定轉(zhuǎn)速以上弱磁升速與額定轉(zhuǎn)速以下降壓調(diào)速配合使用。C、調(diào)速方式與負(fù)載類型配合調(diào)速系統(tǒng)須滿足以下兩個(gè)準(zhǔn)則：（1）在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)不至于過(guò)熱，為此，求：；（2）電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力要盡可能得到充分利用。鑒于此，不一樣類型負(fù)載必須選擇適當(dāng)調(diào)速方式。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第10頁(yè)1.調(diào)速方式下面分別就不一樣調(diào)速方式以及各種調(diào)速方式所適合負(fù)載類型加以討論。電力拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速方式主要分為兩大類：（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：在保持不變前提下，保持不變；（2）恒功率調(diào)速方式：在保持不變前提下，保持不變。（a)對(duì)于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式：因?yàn)檎{(diào)速過(guò)程中，，保持不變，故電磁轉(zhuǎn)矩為：電機(jī)軸上輸出功率為：結(jié)論：

電樞回路串電阻與減低電源電壓降壓調(diào)速均屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，其軸上允許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第11頁(yè)（b)對(duì)于弱磁調(diào)速方式：因?yàn)檎{(diào)速過(guò)程中，保持不變，于是有：將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩表示式得：于是有：結(jié)論：

弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第12頁(yè)結(jié)論：基速以下，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而基速以上，則采取恒功率調(diào)速方式。

圖3.27a、b分別給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速過(guò)程中機(jī)械特征與負(fù)載能力曲線。圖3.27他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中所允許轉(zhuǎn)矩和功率直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第13頁(yè)2.調(diào)速方式選擇

考慮到生產(chǎn)機(jī)械可大致分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載兩種類型，為了確保電機(jī)在不過(guò)熱前提下負(fù)載能力得到充分發(fā)揮，調(diào)速方式應(yīng)依據(jù)以下準(zhǔn)則選擇：（1）對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)選擇含有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；（2）對(duì)于恒功率負(fù)載應(yīng)選擇含有恒功率調(diào)速方式；不然，會(huì)造成無(wú)須要轉(zhuǎn)矩和功率浪費(fèi)。

現(xiàn)說(shuō)明以下：

圖3.28分別給出了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采取恒功率調(diào)速方式以及恒功率負(fù)載采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特征和電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征。圖3.28調(diào)速方式與負(fù)載類型不匹配說(shuō)明直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第14頁(yè)a、假若恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載選擇恒功率調(diào)速方式（見圖3.28a）。

為了滿足整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩要求，必須滿足：。依據(jù)圖3.28a，顯然，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)按照高速數(shù)值選擇，即：（3-54）低速時(shí)，有：（3-55）浪費(fèi)轉(zhuǎn)矩為：（3-56）浪費(fèi)功率為：結(jié)論：

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不宜采取恒功率調(diào)速方式。

直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第15頁(yè)b、假若恒功率負(fù)載選擇恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式（見圖3.28b）。

為了滿足整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩要求，必須，依據(jù)圖3.28a，顯然，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)按照低速數(shù)值選擇，即：。高速時(shí)，有：（3-57）浪費(fèi)功率為：浪費(fèi)轉(zhuǎn)矩為：（3-58）結(jié)論：恒功率負(fù)載不宜采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第16頁(yè)3.7他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)定義：廣義制動(dòng)是電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。A、能耗制動(dòng)定義:

能耗制動(dòng)是指將機(jī)械軸上動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來(lái)電能經(jīng)過(guò)電樞回路外串電阻發(fā)燒消耗掉一個(gè)制動(dòng)方式。

圖3.29a、b分別給出了制動(dòng)前后電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)和能耗制動(dòng)時(shí)接線圖以及各物理量實(shí)際方向。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第17頁(yè)圖3.29他勵(lì)直流電機(jī)能耗制動(dòng)前后接線圖

由圖3.29可見，制動(dòng)前后，直流電機(jī)電樞電流方向改變，所以，改變方向，由驅(qū)動(dòng)性變?yōu)橹苿?dòng)性電磁轉(zhuǎn)矩，即從而電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。1.能耗制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征與制動(dòng)電阻計(jì)算能耗制動(dòng)時(shí)，他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征可表示為：(3-61)式（3-61）可用圖3.30所表示曲線表示之。（1）對(duì)于反抗性負(fù)載：

很顯然，能耗制動(dòng)時(shí)他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)且位于第II象限直線。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第18頁(yè)（2）對(duì)于位能性負(fù)載：(見圖3.31)

能耗制動(dòng)時(shí)，他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征將由第II象限經(jīng)過(guò)原點(diǎn)進(jìn)入第IV象限。圖3.30能耗制動(dòng)時(shí)直流電機(jī)機(jī)械特征與過(guò)渡過(guò)程曲線

能耗制動(dòng)時(shí)制動(dòng)電阻決定了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小，為預(yù)防制動(dòng)電流過(guò)大，普通按照以下規(guī)則選擇制動(dòng)電阻，即：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第19頁(yè)由此求出制動(dòng)電阻為：（3-62）圖3.31直流電機(jī)帶位能性負(fù)載時(shí)能耗制動(dòng)情況2.能耗制動(dòng)時(shí)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程分析（1）對(duì)于反抗性負(fù)載：能耗制動(dòng)時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)基本關(guān)系式可由下式給出：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第20頁(yè)（3-63）將式（3-63）第1式代入第2式，并整理得：（3-64）式中，機(jī)電時(shí)間常數(shù)。（2）對(duì)于位能性負(fù)載：當(dāng)時(shí)，，故有：將上式代入（3-64）得：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第21頁(yè)（3-65）解上式得：（3-66）同理，（3-67）依據(jù)上述關(guān)系式，便可繪出以及如圖3.30所表示。B、反接制動(dòng)定義：反接制動(dòng)是指外加電樞電壓反向或電樞電勢(shì)在外部條件作用下反向一個(gè)制動(dòng)方式。a、電樞反接反接制動(dòng)

對(duì)于反抗性類負(fù)載，把外加電源反接，同時(shí)在電樞回路中串入限流反接制動(dòng)電阻，便可實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)。圖3.32給出了反接制動(dòng)時(shí)電氣接線圖以及各物理量實(shí)際方向。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第22頁(yè)圖3.32他勵(lì)直流電機(jī)反接制動(dòng)時(shí)接線圖1.反接制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征與制動(dòng)電阻計(jì)算反接制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)機(jī)械特征可表示為：（3-72）

上式可用圖3.33所表示曲線表示之。很顯然，反接制動(dòng)時(shí)電機(jī)機(jī)械特征是一條位于第II象限直線。

反接制動(dòng)時(shí)制動(dòng)電阻決定了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小。為預(yù)防制動(dòng)電流過(guò)大，普通按照以下規(guī)則選擇制動(dòng)電阻，即：直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第23頁(yè)式中，為反接制動(dòng)起始電流。對(duì)應(yīng)制動(dòng)電阻為：（3-73）圖3.33反接制動(dòng)時(shí)直流電機(jī)機(jī)械特征直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第24頁(yè)2.反接制動(dòng)時(shí)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程分析（1）對(duì)于反抗性負(fù)載：

依據(jù)圖3.33可知，若希望系統(tǒng)在反接制動(dòng)過(guò)程中最終停車，則電機(jī)機(jī)械特征對(duì)應(yīng)于BC段。對(duì)應(yīng)于BC段過(guò)渡過(guò)程曲線可采取三要素法并利用虛穩(wěn)定點(diǎn)概念取得，其表示式以下：（3-75）（3-76）

若反接制動(dòng)在C點(diǎn)不停車，則電機(jī)將反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)工作點(diǎn)將沿CD移動(dòng)并最終穩(wěn)定運(yùn)行在D點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于CD段過(guò)渡過(guò)程曲線可采取一樣方法求得，其表示式以下：（3-79）直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第25頁(yè)（2）對(duì)于位能性負(fù)載：

若僅考慮反接制動(dòng)停車，則BC段過(guò)渡過(guò)程與反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況完全相同（見圖3.33）。

若反接制動(dòng)在C點(diǎn)不停車，則因?yàn)檎麄€(gè)制動(dòng)過(guò)程包含停車（BC段）、反向電動(dòng)機(jī)運(yùn)行（CF段）以及回饋制動(dòng)階段（FE段），跨越機(jī)械特征第II、III、IV象限，如圖3.33所表示。采取三要素法便可取得對(duì)應(yīng)過(guò)渡過(guò)程曲線表示式為：（3-81）（3-82）b、轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)圖3.34是他勵(lì)直流電機(jī)帶位能性負(fù)載反接制動(dòng)時(shí)電路圖。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第26頁(yè)圖3.34直流電機(jī)帶位能性負(fù)載反接制動(dòng)時(shí)電路圖當(dāng)采取轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征可表示為：（3-85）式（3-85）可用圖3.35所表示曲線表示之。圖3.35位能性負(fù)載反接制動(dòng)機(jī)械特征直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第27頁(yè)C、回饋制動(dòng)

定義：

回饋制動(dòng)是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速超出理想空載轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)。在這種運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，故回饋制動(dòng)又稱為再生制動(dòng)。

回饋制動(dòng)時(shí)電機(jī)接線同電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)完全相同，其機(jī)械特征表示式也完全相同。所不一樣是：電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速超出理想空載轉(zhuǎn)速，造成外加電壓低于感應(yīng)反電勢(shì)，即：。于是有：（3-87）（1）當(dāng)電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)：他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征為：（3-88）直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第28頁(yè)（2）當(dāng)電機(jī)反向運(yùn)行時(shí)：他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征為：（3-90）依據(jù)式（3-88）和（3-90）繪出回饋制動(dòng)時(shí)直流電機(jī)機(jī)械特征如圖3.36所表示。圖3.36直流電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)機(jī)械特征

由圖3.36能夠看出，正、反轉(zhuǎn)回饋制動(dòng)時(shí)機(jī)械特征分別位于第II、IV象限，它們分別是正、反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)械特征（分別位于第I、III象限）延伸。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第29頁(yè)回饋制動(dòng)通常發(fā)生在以下三種情況下：1.重物下放過(guò)程中圖3.37重物下放時(shí)直流電機(jī)回饋制動(dòng)接線圖(位能性負(fù)載)2.降壓過(guò)程中圖3.38電壓降低過(guò)程中回饋制動(dòng)特征直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第30頁(yè)3.增磁減速過(guò)程中圖3.39弱磁升速過(guò)程中回饋制動(dòng)特征3.8直流拖動(dòng)系統(tǒng)四象限運(yùn)行分析定義:

對(duì)于能夠提供正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行并能分別實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)方向上快速制動(dòng)拖動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)電機(jī)機(jī)械特征分別位于四個(gè)象限，故又稱為含有四象限運(yùn)行電力拖動(dòng)系統(tǒng)。直流電機(jī)的電力拖動(dòng)第部分第31頁(yè)圖3.42給出了含有四象限運(yùn)行功效他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特征及其各種運(yùn)行狀態(tài)。圖3.4