第九章直流電機的運行2

電機及拖動基礎(chǔ)第九章直流電動機的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院2上一節(jié)課的主要內(nèi)容：(1)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的計算——了解(2)工作機構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩,力,飛輪慣量和質(zhì)量折算——重點(3)負載轉(zhuǎn)矩特性——重點電氣與自動化工程學(xué)院3

折算的原則：保持兩個系統(tǒng)傳送的功率及儲存的動能相同。

以電動機軸為折算對象，需要折算的參量為：

工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩Tz’，直線運動需克服的阻力Fz折算為電動機軸上的阻轉(zhuǎn)矩Tz；系統(tǒng)中各軸（除電動機軸外）的轉(zhuǎn)動慣量J1、J2、J3，進行直線運動的質(zhì)量mz折算為電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J。電氣與自動化工程學(xué)院4（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性特點：恒轉(zhuǎn)矩Tz總是反對運動的方向；負載轉(zhuǎn)矩特性的定義：在運動方程式中，阻轉(zhuǎn)矩（或稱負載轉(zhuǎn)矩）Tz與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系Tz=f(n)為生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性。恒轉(zhuǎn)矩負載；風(fēng)機負載；恒功率負載（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性特點：轉(zhuǎn)矩Tz具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。電氣與自動化工程學(xué)院5本節(jié)課的主要內(nèi)容：(1)他勵直流電動機的機械特性——重點

機械特性方程式、

機械特性的繪制；(2)電力拖動穩(wěn)定運行的條件——理解

穩(wěn)定性的概念(3)他勵直流電動機的起動——重點

起動方法（電樞回路串電阻起動的物理過程）電氣與自動化工程學(xué)院6第九章直流電動機的電力拖動9-1他勵直流電動機的機械特性9-2他勵直流電動機的起動9-3他勵直流電動機的制動9-4他勵直流電動機的調(diào)速9-5晶閘管-直流電動機系統(tǒng)9-6他勵直流電動機過渡過程的能量損耗9-7串勵直流電動機的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院7

電動機的機械特性是指電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T

的關(guān)系n=f(T)。直流電動機的幾個基本方程式：電磁轉(zhuǎn)矩：感應(yīng)電動勢：他勵直流電動機電路原理圖電樞電路的電動勢平衡方程式：電動機的轉(zhuǎn)速特性：又∵電氣與自動化工程學(xué)院8直流電動機機械特性方程式：如果U、R、Ф為常數(shù)時，機械特性n=f(T)的曲線如圖所示。他勵直流電動機的機械特性可見，是一條向下傾斜的直線n0——電動機理想空載轉(zhuǎn)速β——機械特性斜率如何改變n0的大?。空{(diào)節(jié)U或Φ電氣與自動化工程學(xué)院9他勵直流電動機的機械特性注意：電動機的實際空載轉(zhuǎn)速為比略小。電動機空載旋轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩T不可能為零，而是等于T0，即電動機必須克服該空載損耗轉(zhuǎn)矩T0。電動機的實際空載轉(zhuǎn)速為電氣與自動化工程學(xué)院10直流電動機機械特性方程式：表示電動機帶負載后的轉(zhuǎn)速降，用△n表示

轉(zhuǎn)速降△n=βT

斜率β

β=|dn/dT|機械特性的硬度α

α=|dT/dn|=1/β可見斜率β越小，硬度α越大，即機械特性越硬。一般的，他勵電動機，當電樞沒有外接電阻時，斜率β越小，硬度α越大，即機械特性都比較硬。設(shè)△nN%為額定轉(zhuǎn)速變化率電氣與自動化工程學(xué)院11電樞反應(yīng)對機械特性的影響當電樞電流較大時，由于飽和的影響，產(chǎn)生去磁作用。磁通降低，轉(zhuǎn)速就要回升，機械特性在負載大時呈上翹現(xiàn)象。電樞反應(yīng)對機械特性的影響抵消電樞反應(yīng)的去磁作用的方法——在主磁極上串聯(lián)匝數(shù)很少的串勵繞組（穩(wěn)定繞組）。直流電動機機械特性方程式：電氣與自動化工程學(xué)院12二、固有機械特性與人為機械特性

固有機械特性——當他勵電動機電壓及磁通均為額定值時，且電樞沒有串聯(lián)電阻時的機械特性。

人為機械特性——通過改變電動機參數(shù)的方法獲得，可分為三種。由于Ra較小，他勵直流電動機的固有機械特性較硬。他勵直流電動機固有機械特性電樞串聯(lián)電阻時的人為機械特性電樞串電阻時人為機械特性曲線電氣與自動化工程學(xué)院131.電樞串聯(lián)電阻時的人為機械特性n0不變β增加硬度α減小在一定的負載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速降△n隨串聯(lián)電阻的增大而增加。RΩ2>RΩ1電氣與自動化工程學(xué)院142.改變電壓時的人為機械特性電樞不串入電阻RΩ，Φ=ΦN，機械特性方程式為電壓U降低時，n0減小，β不變，硬度α不變。電壓不同時的人為機械特性改變電壓時的人為機械特性曲線由于電樞中沒有串聯(lián)電阻，因此其特性較串聯(lián)電阻時硬。電氣與自動化工程學(xué)院153.減弱電動機磁通時的人為機械特性他勵直流電動機電路原理圖他勵直流電動機在額定磁通下運行時，磁路接近飽和。因此，改變磁通就是減弱磁通。改變勵磁回路的電阻rQ，來改變磁通。ΦN>Φ1>Φ2Ф不同時的n=f(T)曲線電氣與自動化工程學(xué)院16Ф減小時，n0、β都增大，α減小。Ф不同時的n=f(Ia)曲線Ф減小時，n0增大，但堵轉(zhuǎn)（短路）電流不變。電氣與自動化工程學(xué)院17三、機械特性的繪制由電動機機械特性方程式可知，計算或繪制機械特性，必須知道CeΦ與CTΦ等參數(shù)，而這些參數(shù)電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)p、a、N等有關(guān)，但這些參數(shù)不易得到。在設(shè)計時，往往根據(jù)電動機銘牌數(shù)據(jù)、產(chǎn)品目錄或?qū)崪y數(shù)據(jù)來計算機械特性。

PN、UN、IN和nN1.固有機械特性的繪制固有機械特性是一條直線，只要求出線上兩個點的數(shù)據(jù)，就可繪出這條直線。一般選擇理想空載(T=0，n0)及額定運行（TN，nN）兩點較為方便。電氣與自動化工程學(xué)院18已知銘牌數(shù)據(jù)，求固有機械特性步驟：2）求3）求5）理想運行點：1）求電樞電阻：進行實測或估算4）理想空載點：NeNCUnf=0既已求出兩點，通過兩點的連線即為固有機械特性。電氣與自動化工程學(xué)院192.人為機械特性的繪制人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)值代入相應(yīng)的機械特性方程式即可。電樞串電阻時的人為機械特性改變電樞電壓時的人為機械特性減弱電動機勵磁時的人為機械特性電氣與自動化工程學(xué)院20四、電力拖動穩(wěn)定運行的條件他勵直流電動機的機械特性負載特性

討論：生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性與電動機的機械特性這兩種特性的配合問題。在電力拖動運動方程式中已指出，當轉(zhuǎn)矩T與Tz方向相反，大小相等而相互平衡時，轉(zhuǎn)速為某一穩(wěn)定值，拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，或稱靜態(tài)。電氣與自動化工程學(xué)院21他勵直流電動機的機械特性負載特性1負載特性2

如負載增大，負載轉(zhuǎn)矩由Tz1增大到Tz2，原先T=Tz1的平衡被打破，dn/dt<0，拖動系統(tǒng)進入減速過程。

n↓，感應(yīng)電動勢Ea↓，電樞電流Ia↑，T↑，直到T=Tz2，減速過程結(jié)束，系統(tǒng)以較低的轉(zhuǎn)速nB穩(wěn)定運行。若負載轉(zhuǎn)矩由Tz2減小到Tz1電氣與自動化工程學(xué)院22兩種特性有交點僅是穩(wěn)定運行的必要條件。穩(wěn)定運行的充分條件是：如果電力拖動系統(tǒng)原在交點處穩(wěn)定運行，由于出現(xiàn)某種干擾作用（如電網(wǎng)電壓波動、負載轉(zhuǎn)矩的微小變化等），使原來兩種特性的平衡變成不平衡，電動機轉(zhuǎn)速便稍有變化，這時，當干擾消除后，拖動系統(tǒng)必須有能力使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來交點處的數(shù)值。電力拖動系統(tǒng)如能滿足這樣的特性配合條件，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的。電氣與自動化工程學(xué)院23穩(wěn)定運行點不穩(wěn)定運行點

在交點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上應(yīng)保證T<Tz，而在這一轉(zhuǎn)速之下則要求T>Tz。電氣與自動化工程學(xué)院24第九章直流電動機的電力拖動9-1他勵直流電動機的機械特性9-2他勵直流電動機的起動9-3他勵直流電動機的制動9-4他勵直流電動機的調(diào)速9-5晶閘管-直流電動機系統(tǒng)9-6他勵直流電動機過渡過程的能量損耗9-7串勵直流電動機的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院25一、他勵直流電動機的起動方法他勵直流電動機起動時，必須保證先有磁場（即先通勵磁電流），而后加電樞電壓。不考慮電樞電感對電樞電流的影響，電樞電流Ia為

剛起動時，轉(zhuǎn)速n=0，Ea=0，U=UN，則Ia很大，這會對電機造成嚴重的破壞，所以起動時應(yīng)將起動電流限制在一定的允許范圍之內(nèi)，一般為（1.5～2）IN。

直流電動機常用的起動方法有三種：直接起動、降壓起動和電樞回路串電阻起動。電氣與自動化工程學(xué)院261）直接起動他勵直流電動機直接起動，就是將電動機直接投入（接入）到額定電壓的電網(wǎng)上起動。

直流電機直接起動時的電路圖電氣與自動化工程學(xué)院27直流電動機直接起動的電磁過程直接起動的優(yōu)點是：直接起動不需要起動設(shè)備，操作簡單，起動轉(zhuǎn)矩大。直接起動的缺點是：起動電流大。1）過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓的下降；2）繞組發(fā)熱嚴重；3）很大的起動轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生嚴重的機械震蕩。為了限制起動電流，可以采用降低電源電壓和電樞回路串聯(lián)電阻的起動方法。電氣與自動化工程學(xué)院282）降壓起動降壓起動是指起動前將施加在電動機電樞兩端的電壓降低，以限制起動電流，起動電流通常限制在（1.5～2）IN內(nèi)。

降壓起動的優(yōu)點是：在起動過程中能量損耗小，起動平穩(wěn)，便于實現(xiàn)自動化。但是，降壓起動需要一套可調(diào)節(jié)電壓的直流電源，增加了設(shè)備投資。電氣與自動化工程學(xué)院293）電樞回路串電阻起動

起動電阻只在電機起動時起限制起動電流的作用，在起動后必須切除，否則會降低機械特性硬度和電機轉(zhuǎn)速。為保證起動平穩(wěn)應(yīng)采用逐級切除的方法。

下面以二級起動為例，說明電樞串電阻分級起動的過程。左圖表示他勵直流電動機分兩級起動時的電路圖。

起動時，觸點K1、K2斷開，電樞及電阻RΩ1、RΩ2串聯(lián)接入電樞電路。電氣與自動化工程學(xué)院30他勵直流電動機分兩級起動時的物理過程對應(yīng)于電流I1Ra+RΩ1+RΩ2RaRa+RΩ1a點起動后，T1>TZ,n↑，由圖看出，T↓，由開始的a點向b點移動，b點處轉(zhuǎn)矩