第3章直流電動機電力拖動

3.1直流電動機的起動第3章直流電動機的電力拖動直流電動機接上電源之后，電動機轉速從零到達穩(wěn)定轉速的過程稱為起動過程。

本節(jié)只介紹電動機起動的要求和起動的方法，并不研究其具體的過渡過程。1.

起動原則

應在起動電流不超過允許值的情況下，獲得盡可能大的起動轉矩。12.

起動的基本要求起動轉矩盡可能大，使TS≥(1.1~1.2)TL；起動電流要小，使IS≤(2.0~2.5)IN；起動設備要簡單、可靠、經(jīng)濟。3.起動方式直接起動；電樞回路串電阻起動；降壓起動。23.1.1直接起動起動時電樞電流IS=UN/Ra很大，造成換向困難，出現(xiàn)強烈火花；從起動轉矩TS=CTΦIS方面來看，過大的起動電流會使起動轉矩太大，造成機械沖擊，易使設備受損。1.存在問題2.注意對于一般的直流電動機決不允許直接起動；對于微型直流電動機，可直接起動，該起動方式無須附加任何起動設備，操作最為簡單。33.1.2電樞回路串電阻起動圖3.1電樞回路串電阻起動原理圖RaUN1C2C3CR1R3R2+_Ia

電樞回路串電阻起動的電路原理圖如下圖所示：1.原理圖4Ra+R1+R2+R3Ra+R1+R2Ra+R1Ra圖3.2電樞回路串電阻起動機械特性曲線nn0A0TTSTLT2BCDEFG2.機械特性曲線5適用于不頻繁起動的小型電動機。4.優(yōu)點設備簡單，操作方便。5.缺點6.應用范圍T2：切換轉矩T2=(1.1~1.2)TLTS：最大轉矩TS=(2~2.5)TN3.說明起動過程中能量消耗大。6例題3-1

他勵直流電動機的額定功率PN=160kW，額定電壓UN=440V，額定電流IN=399A，額定轉速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.054Ω，電動機拖動恒轉矩負載。若采用電樞回路串電阻起動，起動電流限制在1.8IN以內(nèi)，求應串入的電阻值和起動轉矩。解：應串入的電阻值起動轉矩73.1.3降低電樞電壓起動圖3.3降電壓起動機械特性曲線nn0ATTL0TST21.機械特性曲線82.優(yōu)點起動過程平滑；能量消耗少。3.缺點設備投資高，需配有專用可調壓電源設備。適用于頻繁起動的大、中型電動機。4.應用范圍93.2直流電動機的調速要求：轉速調節(jié)范圍寬；調節(jié)平穩(wěn)；運行可靠；方法簡單、經(jīng)濟。3.2.1電樞回路串電阻調速1.機械特性曲線10R2>R1圖3.4電樞回路串電阻調速時的機械特性nn0nn1A1A2An2RaRa+R1Ra+R2TTL0113.優(yōu)點設備簡單、調節(jié)方便。4.缺點調速效率較低；機械特性變軟，轉速穩(wěn)定性差。2.調速方向在基速（運行在固有機械特性上的轉速）與零轉速之間調節(jié)。5.適用負載類型恒轉矩負載。調速平滑性差，一般為有級調速；123.2.2改變電樞電源電壓調速U3<U2<U1<UN圖3.5改變電樞電源電壓調速時的機械特性nn0nn1A1A2An2UNTTL0A3n3U1U2U3n01n02n031.機械特性曲線133.優(yōu)點調速平滑性好，可實現(xiàn)無級調速；調速效率高；轉速穩(wěn)定性好。4.缺點所需的可調壓電源設備投資較高。在基速與零轉速之間調節(jié)。5.適用負載類型恒轉矩負載。2.調速方向14例題3-2

一臺他勵直流電動機的額定功率PN=125kW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=630A，額定轉速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.01484Ω，電動機帶動額定負載運行。若要求轉速調到420r/min，求：

(1)采用電樞串電阻調速時，電樞回路需串入多大電阻？該轉速下電動機的效率？(2)采用改變電樞電源電壓調速時，電樞電源電壓應調到多少伏？電動機的效率？解：(1)電樞回路串入電阻值及效率的計算15或：16(2)電樞電源電壓及效率的計算或173.2.3弱磁調速Φ2<Φ1<ΦN圖3.6弱磁調速時的機械特性nn0nn1A1A2An2TTL0Φ1Φ2n01n02ΦN1.機械特性曲線183.優(yōu)點設備簡單、調節(jié)方便；調速效率較高；4.缺點勵磁過弱時，機械特性的斜率大，轉速穩(wěn)定性差；拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大。2.調速方向在基速與電動機所允許的最高轉速（一般約為1.2nN）之間進行調節(jié)。5.適用負載類型恒功率負載。調速平滑性好；轉速穩(wěn)定性較好。19例題3-3

一臺他勵直流電動機的額定功率PN=90kW，額定電壓UN=440V，額定電流IN=224A，額定轉速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0938Ω，電動機拖動負載轉矩TL=0.75TN運行。若要求轉速升高到1800r/min，求：

(1)采用弱磁調速時，磁通應減少到額定磁通量的多少倍？該轉速下電樞電流為多少？(2)若所拖動負載轉矩不變，當電樞電流最大不超過額定電流時弱磁升速的最高轉速為多少？解：(1)弱磁升速時磁通及電樞電流的計算20因為所以即(舍)21(2)最高轉速的計算223.2.4調速的性能指標1.調速范圍（1）定義

指電動機在額定負載下調速時，其最高轉速nmax與最低轉速nmin之比，用D表示。（2）表達式（3）說明電動機最高轉速受電動機的換向及機械強度限制，最低轉速受轉速相對穩(wěn)定性（即靜差率）要求的限制。232.靜差率（轉速變化率）（1）定義

指電動機在一條機械特性上額定負載時的轉速降落ΔnN與該機械特性的理想空載轉速n0之比，用δ表示。（2）表達式式中，nN為額定負載轉矩TL=TN時的轉速。240TNTn0nNn132圖3.7不同機械特性的靜差率25（3）說明對于改變電樞電源電壓的調速方式而言，D與δ的關系為希望電力拖動系統(tǒng)調速范圍D越大越好，δ越小越好，但D與δ的取值經(jīng)常會出現(xiàn)矛盾，例如：證明：設上頁圖3.7中曲線3為對應最低電樞電源電壓的機械特性曲線，則其靜差率為而26又3.調速的平滑性（1）定義

指相鄰兩級轉速的接近程度，用平滑系數(shù)表示。（2）表達式（3）說明

平滑系數(shù)

越接近1，說明調速的平滑性越好。274.恒轉矩調速方式和恒功率調速方式（1）定義①恒轉矩調速方式指在某種調速方法中，在保持電樞電流Ia=IN

不變的前提下，若該電動機電磁轉矩也恒定不變，則稱這種調速方式為恒轉矩調速方式。顯然，電樞串電阻調速和改變電樞電源電壓調速屬于恒轉矩調速方式。

恒轉矩調速方式的磁通Φ在調速過程中保持不變。②恒功率調速方式指在某種調速方法中，在保持電樞電流Ia=IN

不變的前提下，若該電動機電磁功率也恒定不變，則稱這種調速方式為恒功率調速方式。28顯然，弱磁調速屬于恒功率調速方式。恒功率調速方式的電磁轉矩T和磁通Φ在調速過程中會發(fā)生變化。P,Tn0PTTP29③注意恒轉矩調速、恒功率調速和恒轉矩負載、恒功率負載是完全不同的概念。前者表征電動機本身所具有的輸出電磁轉矩和電磁功率的能力，實際輸出多少轉矩和功率則取決于它所拖動的負載；后者則是負載本身所具有的轉矩和功率特性，它要求電動機輸出相應的轉矩和功率與之相配合。（2）調速方式和負載類型的匹配①恒轉矩調速方式與恒轉矩負載的配合是合適的，也稱相匹配。②恒功率調速方式與恒功率負載是相匹配的。③電動機采用恒轉矩調速方式拖動恒功率負載，只能按低速運行情況選配合適的電動機，高速時電動機容量會有所浪費。30Tn0圖3.8恒轉矩調速與恒功率負載的配合圖中，Tr為電動機允許輸出的轉矩。31④電動機采用恒功率調速方式拖動恒轉矩負載，只能按高速運行情況選配合適的電動機，低速時電動機容量則有所浪費。圖3.9恒功率調速與恒轉矩負載的配合Tn032⑤對于泵類負載，無論采用恒轉矩調速方式還是采用恒功率調速方式，都不能做到調速方式與負載性質相匹配。5.調速的經(jīng)濟性

調速的經(jīng)濟性主要是考慮調速設備的初始投資；調速時電能的損耗；運行時的維護費用等。33表3.1直流電動機三種調速方法的調速性能比較靜差率δ調速范圍D(δ一定時)調速平滑性適合負載類型設備投資電能損耗調速方向基速以下大小差恒轉矩負載少大基速以下基速以上小較小較大小好好恒轉矩負載恒功率負載多較少小小調速方法電樞串電阻改變電樞電源電壓弱磁34例題3-4

一臺他勵直流電動機的額定功率PN=75kW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=385A，額定轉速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.01824Ω。求電動機在以下各種不同靜差率要求、不同調速方式時的調速范圍：（1）靜差率δ≤25%、電樞串電阻調速時的調速范圍；（2）靜差率δ≤25%、改變電樞電源電壓調速時的調速范圍；（3）靜差率δ≤40%、電樞串電阻調速時的調速范圍。解：(1)求靜差率δ≤25%、電樞串電阻調速時的調速范圍35(2)求δ≤25%、改變電樞電源電壓調速時的調速范圍36(3)求δ≤40%、電樞串電阻調速時的調速范圍例題3-5

一臺他勵直流電動機的額定功率PN=90kW，額定電壓UN=440V，額定電流IN

=224A，額定轉速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra

=0.0938Ω。電動機拖動一恒轉矩負載TL

=0.55TN運行，要求把轉速升高到2200r/min，現(xiàn)采用弱磁調速的方法。求：(1)勵磁磁通應減少到額定磁通的多少比值？(2)弱磁調速前后電樞電流的變化情況。(3)在2200r/min運行時電樞電流是否已超過額定電流IN，若未超過，請計算在此高轉速下電動機允許拖動多大負載長期運行；若超過，請計算電動機拖動這一負載長期運行的最高轉速。37(1)求勵磁磁通應減少到額定磁通的多少比值解：因為所以即38所以應把勵磁磁通減少到0.689ΦN。(舍去)弱磁調速前弱磁調速后(2)求弱磁調速前后電樞電流的變化情況39接下來求在此轉速下電動機允許拖動多大負載長期運行。弱磁調速后電樞電流沒有超過額定電流，故電動機拖動這一負載在該轉速下可以長期運行。由上式可以看出：弱磁調速后電樞電流有所增加。(3)由于403.3直流電動機的制動1.制動方式所謂電氣制動，是指電動機的電磁轉矩T與轉速n的方向相反，T起反抗運動的作用。機械制動電氣制動2.

需要制動的情況（1）使系統(tǒng)迅速停車（制動過程）；（2）限制位能性負載的下降速度（制動運行）。413.電氣制動方法（1）能耗制動（2）反接制動（3）倒拉反轉制動（4）回饋制動423.3.1能耗制動1.能耗制動的原理圖3.10能耗制動的原理圖+-UKM1KM2RHEa+-Ia（a）制動前UfIfΦ+-UKM1KM2RHEa+-Ia（b）制動后UfIfΦ432.能耗制動時的機械特性機械特性方程為：式中，為能耗制動時機械特性曲線的斜率?！郥與n的實際方向相反，起制動作用。44圖3.11能耗制動時的機械特性曲線Bnn0A120CTLRaRa+RHT-TL-Tmax-nC454.能耗制動電阻RH的計算（1）Tmax未知時3.能量轉換P1=0PM=EaIa<0電源不輸入電功率機械功率轉換成電功率消耗在電樞回路電阻(Ra+RH)上。46（2）Tmax已知時5.應用場合（1）確保反抗性負載的準確停車（能耗制動過程）；（2）確保位能性負載的勻速下放（能耗制動運行）。473.3.2反接制動1.反接制動的原理圖3.12他勵直流電動機反接制動的原理圖+-UKM1KM2RFEa+-（a）制動前IaUfIfΦ+-UKM1KM2RFEa+-（b）制動后IaUfIfΦ482.反接制動時的機械特性機械特性方程式為：式中，為反接制動時機械特性曲線的斜率?！郥與n的實際方向相反，起制動作用。49nn0ABCD0T1RaRa+RFTL-TL2-Tmax-n0-nD圖3.13反接制動時的機械特性曲線504.制動電阻RF的計算3.能量轉換P1=UNIa>0PM=EaIa<0電源輸入電功率機械功率轉換成電功率消耗在電樞回路電阻(Ra+RF)上。5.應用場合經(jīng)常正反轉的電力拖動系統(tǒng)，一般先用反接制動迅速停車，然后再反向起動并進入反向穩(wěn)定運行狀態(tài)。51例題3-6

一臺他勵直流電動機的額定功率PN=110kW，額定電壓UN=440V，額定電流IN=276A，額定轉速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0807Ω。電動機拖動反抗性負載轉矩運行于正向電動狀態(tài)時，TL=0.85TN。求(1)采用能耗制動停車，并且要求制動開始時最大電磁轉矩為1.9TN，電樞回路應串多大電阻？(2)采用反接制動停車，要求制動開始時最大電磁轉矩不變，電樞回路應串多大電阻？(3)采用反接制動若轉速接近于零時不及時切斷電源，問電動機最后的運行結果如何？(1)采用能耗制動停車時電樞回路應串入的電阻解：52正向電動運行時能耗制動時電樞回路應串入的電阻53(2)采用反接制動停車時電樞回路應串入的電阻(3)電動機最后的運行結果轉速為零時54由于|T|>|TL|，電動機反向起動，直到穩(wěn)定運行在反向電動狀態(tài)。反向電動穩(wěn)定運行時最后電動機穩(wěn)定運行在反向電動狀態(tài)，其轉速為197r/min。553.3.3倒拉反轉制動1.倒拉反轉制動的原理圖3.14他勵直流電動機倒拉反轉制動的原理圖+-UKM1RDEa+-CIaUfIfФ562.倒拉反轉制動時的機械特性

機械特性方程為：式中，為倒拉反轉制動時機械特性曲線的斜率。RD較大n<0又

Ia>0Ea<0∴T與n的實際方向相反，起制動作用。較大當時57圖3.15倒拉反轉制動時的機械特性曲線nn0TL-nD0TABCDRa+RDRa由于電動機是靠位能性負載倒拉著反轉的，所以這種制動運行狀態(tài)稱為倒拉反轉制動運行狀態(tài)。584.制動電阻RD的計算3.能量轉換P1=UN

Ia>0PM=EaIa<0電源輸入電功率機械功率轉換成電功率消耗在電樞回路電阻(Ra+RD)上。5.應用場合重物的低速下放。593.3.4回饋制動1.電車下坡時的回饋制動（1）工作原理Ea++--TTL1UNIaTL2Ea>UNn圖3.16電車下坡示意圖Ia<0∴T與n的實際方向相反，起制動作用。nEa當Ea>UN時60（2）機械特性曲線圖3.17電車下坡發(fā)生回饋制動時的機械特性曲線TL1-(TL2-TL1)TAB0nAnBn061PM=EaIa<0P1=UN

Ia<0（3）能量轉換（4）應用場合

電車的勻速下坡行駛。機械功率轉換成電功率電機向電源回饋電功率2.電樞電壓反接情況下下放重物時的回饋制動（1）機械特性曲線62正向電動反接制動反向電動反向回饋制動nn0ABC0T1RaRa+RFTL2-Tmax-nD圖3.18電樞電壓反接情況下下放重物時的機械特性曲線D-n063（2）工作原理Ia>0∴T與n的實際方向相反，起制動作用。|-n||Ea|當|Ea|>|–UN|時（4）應用場合

重物的高速下放。PM=EaIa<0P1=UN

Ia<0（3）能量轉換機械功率轉換成電功率電機向電源回饋電功率643.降低電樞電壓調速過程中的回饋制動圖3.19降低電樞電壓過程中發(fā)生回饋制動時的機械特性曲線nn010TABCU1<UNUNU1n012DTL（1）機械特性曲線65（2）工作原理Ia<0∴T與n的實際方向相反，起制動作用。n>n01即Ea>U1（4）應用場合加快減速過程。PM=EaIa<0P1=U1Ia<0（3）能量轉換機械功率轉換成電功率