電機(jī)與拖動(dòng)課件

緒論緒論

一、概述 二、電力拖動(dòng)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 三、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求電機(jī)與拖動(dòng)緒論

一、概述物質(zhì)、能量和信息是人類賴以生存的三大基本要素。電能作為一種能量形式，由于其易于傳輸、變換、分配和控制，已成為使用最為廣泛的現(xiàn)代能源，也是人們生產(chǎn)和生活中使用動(dòng)力的主要來源。在電能的生產(chǎn)、傳輸、變換、分配、控制和管理中，電機(jī)是主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。例如：在電能的生產(chǎn)過程中，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；在電能的傳輸過程中，變壓器是主要的傳輸設(shè)備；在電能的使用中，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電機(jī)的分類按運(yùn)動(dòng)方式分類按功能分類電機(jī)電機(jī)緒論

電力拖動(dòng)就是使用各種電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。由于電動(dòng)機(jī)具有性能優(yōu)良、高效可靠、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)代化生產(chǎn)中，大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動(dòng)。例如：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸中，機(jī)床、軋鋼機(jī)、起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、紡織機(jī)、印染機(jī)、印刷機(jī)、電動(dòng)工具和電動(dòng)車輛等都采用電力拖動(dòng)；在人們的日常生活中，各種家用電器大都使用微特電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。在自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人等高新技術(shù)中，大量使用控制電機(jī)作為檢測、放大和執(zhí)行元件。

拖動(dòng)就是由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)方式，稱為電力拖動(dòng)。如圖所示，電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成，通常又把傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載。緒論

因此，可以說電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到我們現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活的方方面面。如果沒有發(fā)電機(jī)也就沒有大量的電能產(chǎn)生，如果沒有電動(dòng)機(jī)也就沒有用電力驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)裝置和設(shè)備。緒論

二、電力拖動(dòng)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢公元前3000年，中國有了水車，后來又出現(xiàn)了風(fēng)車，這些都是最簡單的拖動(dòng)系統(tǒng)。十七世紀(jì)末，人類開始利用蒸汽為動(dòng)力。1782年，瓦特發(fā)明了第一臺連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)，開創(chuàng)了機(jī)器時(shí)代。

1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1888年，Tesla發(fā)明感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，從此開始了電氣時(shí)代。

1956年，晶閘管在Bell實(shí)驗(yàn)室誕生，“電子”進(jìn)入到強(qiáng)電領(lǐng)域，電力電子器件成為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，開始了電子時(shí)代。

60年代，電力電子器件全面進(jìn)入電力拖動(dòng)領(lǐng)域，其重要意義在于：電力電子學(xué)把機(jī)器時(shí)代、電氣時(shí)代和電子時(shí)代開創(chuàng)的技術(shù)有機(jī)地融合在一起。其后，自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也不斷應(yīng)用于電機(jī)控制，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了根本性改變。緒論

目前，電力拖動(dòng)的現(xiàn)狀可以概括為兩點(diǎn)：

1）電力拖動(dòng)現(xiàn)已取代了其他拖動(dòng)形式，成為主要的拖動(dòng)形式。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)與其他原動(dòng)機(jī)相比有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：電能的獲得和轉(zhuǎn)換比較經(jīng)濟(jì)；傳輸和分配比較便利；操作和控制容易，特別是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與遠(yuǎn)程控制。因此，目前絕大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動(dòng)。而且，目前電力拖動(dòng)的方式也幾乎全部是單機(jī)或多機(jī)拖動(dòng)。

2）當(dāng)代科學(xué)和技術(shù)的新成果廣泛地應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)之中，比如：電力電子學(xué)的發(fā)展，使半導(dǎo)體變流裝置廣泛地用作電力拖動(dòng)的電源；微電子學(xué)的發(fā)展，使電子控制器件和微處理機(jī)成為電力拖動(dòng)的主要控制手段；自動(dòng)控制理論廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，大大提高了系統(tǒng)的性能等。緒論

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)與拖動(dòng)的發(fā)展趨勢為：

1）用交流電力拖動(dòng)取代直流電力拖動(dòng)；

2）從節(jié)能的角度改造電力拖動(dòng)系統(tǒng)，比如：用交流調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)電動(dòng)水泵可以節(jié)能；

3）繼續(xù)采用新技術(shù)不斷提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能和完善系統(tǒng)功能；

4）通過系統(tǒng)集成和技術(shù)融合，組成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。緒論

三、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求本課程是自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其任務(wù)是使學(xué)生掌握電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能參數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式、動(dòng)靜態(tài)性能分析以及電機(jī)的選擇和實(shí)驗(yàn)方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)“電力電子技術(shù)”、“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”、“PLC控制系統(tǒng)”等課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識。學(xué)習(xí)本課程必須具備“電路原理”或“電工基礎(chǔ)”課程的基本知識。本課程主要研究和分析電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本理論問題，為突出實(shí)用性也涉及一些簡單的電機(jī)控制線路，具有原“電機(jī)學(xué)”和“電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”的主要內(nèi)容。緒論

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到如下要求：

1）掌握一般交直流電機(jī)和變壓器的基本理論，包括電磁關(guān)系和能量關(guān)系等，并能運(yùn)用等效電路和相量圖等方法推演電機(jī)的基本電路方程與進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；

2）掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)特性及其分析方法，包括電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與各種運(yùn)行狀態(tài)，比如：起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速等特性；

3）熟悉電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其分析方法，了解系統(tǒng)參數(shù)對過渡過程的影響；

4）熟悉電機(jī)的銘牌參數(shù)，掌握選擇電機(jī)的方法；

5）掌握電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本實(shí)驗(yàn)方法和技能；

6）了解電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。

直流電機(jī)2.1.1直流發(fā)電機(jī)通過換向器和電刷將交流變成直流2.1直流電機(jī)的工作原理導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢2.1.2直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電動(dòng)勢和電流為交流增加導(dǎo)體減小感應(yīng)電動(dòng)勢脈動(dòng)。當(dāng)每極下導(dǎo)體數(shù)大于8時(shí)，脈動(dòng)可小于1%。2.1.3、直流電機(jī)的可逆性：

一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，只是外界條件不同而已。如果用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可以從電刷端引出直流電動(dòng)勢而作為直流電源對負(fù)載供電；如果在電刷端外加直流電壓，則電動(dòng)機(jī)就可以帶動(dòng)軸上的機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。這種同一臺電機(jī)能作電動(dòng)機(jī)或作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為可逆原理。2.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件、額定值N極和S極只能成對出現(xiàn)且沿圓周均勻交替分布；極對數(shù)：N極或S極的個(gè)數(shù)，通常用p表示；極數(shù)：主磁極的個(gè)數(shù)，等于2p。p=2即4極電機(jī)NSNS1、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)在主要結(jié)構(gòu)上基本相同，常用的中小型直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示。直流電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子，電刷裝置、端蓋、軸承、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等部件組成。

2.定子定子由機(jī)座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它的主要作用是產(chǎn)生主磁場和作電機(jī)的機(jī)械支架。

3.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，如圖所示。它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。主磁極勵(lì)磁繞組主磁極鋼板沖片（1-1.5mm厚）主磁極由鋼板沖片疊壓而成勵(lì)磁繞組套在主磁極極身上電樞鐵心電樞繞組電樞鐵心沖片(0.35-0.5mm厚)（硅鋼片）涂絕緣漆沖片疊壓而成均勻開槽換向器電刷換向器2.2.2直流電機(jī)的額定值

額定功率 PN 單位W或kW額定電壓 UN 單位V額定電流 IN 單位A額定勵(lì)磁電壓 UfN 單位V額定勵(lì)磁電流 IfN 單位A額定轉(zhuǎn)速 nN 單位r/min額定效率 ηN

額定轉(zhuǎn)矩 TN 單位N·m發(fā)電機(jī)：PN＝UNIN (輸出電功率)電動(dòng)機(jī)：PN＝UNINηN

(輸出機(jī)械功率)2.2.3直流電機(jī)的主要系列

1.直流電動(dòng)機(jī)的型號

國產(chǎn)直流電動(dòng)機(jī)的種類很多，根據(jù)不同用途可分成如下系列：(1)ZT系列用于恒功率且調(diào)速范圍廣的拖動(dòng)系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)(2)ZZJ系列冶金起重直流電動(dòng)機(jī)(3)ZQ系列電力機(jī)車的直流牽引電動(dòng)機(jī)(4)ZA系列用于礦井和有易爆氣體場合的防爆安全性直流電動(dòng)機(jī)(5)ZKJ系列冶金、礦山挖掘機(jī)用的直流電動(dòng)機(jī)(6)Z2系列一般用途的中小型直流電機(jī)2、直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的型號含義如下所示：2.3直流電機(jī)電樞繞組環(huán)形電樞繞組只有一半的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)體利用率低。eeeeeeeeeeeeee電樞繞組的演變鼓形電樞繞組2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2eNS電樞繞組展開圖AB+_換向器由彼此絕緣的換向片構(gòu)成；換向片與電樞繞組保持相對靜止，電刷與主磁極保持靜止；電刷放在主磁極中心線下的換向片上。(1)產(chǎn)生盡可能大的電動(dòng)勢，并有良好的波形。(2)能通過足夠大的電流，以產(chǎn)生并承受所需要的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。(3)結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠。(4)便于維護(hù)和檢修。(5)對直流電機(jī)，應(yīng)保證換向良好。電樞繞組的特點(diǎn)電樞繞組是電機(jī)中電流通道的主體，也是電磁力的載體，是實(shí)施機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。設(shè)計(jì)制造電樞繞組的基本要求是：(1)疊繞組，又分單疊和復(fù)疊繞組。(2)波繞組，又分單波和復(fù)波繞組。(3)蛙繞組，即疊繞和波繞混合的繞組。根據(jù)繞組連接方式的不同，直流電機(jī)電樞繞組分為三種類型：元件構(gòu)成直流電機(jī)電樞繞組的基本單元為元件；一臺電機(jī)的元件數(shù)一般等于電機(jī)的槽數(shù)。第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yK單疊繞組元件

右行左行單波繞組元件

右行節(jié)距4極電機(jī)，Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組單疊繞組4極電機(jī)，Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組并聯(lián)支路對數(shù)a=2單疊繞組是把一個(gè)主極下的元件串聯(lián)成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)4極電機(jī)，Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組單波繞組4極電機(jī)，Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組并聯(lián)支路對數(shù)a=1單波繞組是把所有處于相同極性下的元件都串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于2直流電機(jī)電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組；直流電機(jī)電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。在直流電機(jī)中，通常用a

表示并聯(lián)支路對數(shù)單疊繞組 a=p

即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機(jī)極對數(shù)單波繞組 a=1 即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1電刷放置的一般原則是確?？蛰d時(shí)通過正、負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢最大，或者說，被電刷短路的元件中的電動(dòng)勢為零。對于端接對稱的元件，電刷也就放置在主極軸線下的換向片上。2.4直流電機(jī)的磁場

直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類磁場是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。主極磁場由永久磁鐵或勵(lì)磁繞組通入直流電流產(chǎn)生。直流電機(jī)空載磁場勵(lì)磁繞組通直流電產(chǎn)生的磁場；空載時(shí)電機(jī)中的磁場分布是對稱的;主磁通；漏磁通。磁化曲線直流電機(jī)電樞磁場電樞繞組中的電流產(chǎn)生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機(jī)電樞磁場方向總是對準(zhǔn)交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)。電刷偏離直軸電樞磁動(dòng)勢交軸電樞磁動(dòng)勢交軸電樞反應(yīng)使磁場的零點(diǎn)偏移；不飽和時(shí)，每極磁通量不變；飽和時(shí)，每極磁通量會(huì)減少。直軸電樞反應(yīng)2.5直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動(dòng)勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動(dòng)勢的代數(shù)和。電磁轉(zhuǎn)矩Tem：所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。Φ為每極磁通量，空載時(shí)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，負(fù)載時(shí)由勵(lì)磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。CE為電動(dòng)勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.6直流電動(dòng)機(jī)的基本方程和工作特性直流電機(jī)的運(yùn)行情況可以用基本方程來研究。直流電機(jī)可為發(fā)電機(jī)運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)直流電機(jī)由外動(dòng)力拖動(dòng)，在電樞轉(zhuǎn)軸上輸入機(jī)械能，電樞感應(yīng)出電動(dòng)勢，并經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換輸出直流電能向負(fù)載供電，感應(yīng)電動(dòng)勢大于電樞端電壓，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)直流電機(jī)電樞輸入直流電源電壓，此電壓經(jīng)電刷轉(zhuǎn)換流入電樞繞組，電樞受電磁轉(zhuǎn)矩作用，在轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能，同時(shí)電樞也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，但數(shù)值小于電樞電壓，則電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。本節(jié)給出直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程和工作特性。在列寫直流電動(dòng)機(jī)的基本方程之前，先規(guī)定相關(guān)物理量的參考正方向，若各物理量的瞬時(shí)實(shí)際方向與參考正方向一致，其值為正，反之為負(fù)。1.電壓方程

(1)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈采用單獨(dú)電源供電

直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路電源電壓Ua，電樞繞組的電阻Rw

，正、負(fù)電刷的接觸電壓降為2ΔUb

，由基爾霍夫電壓定律可列出電樞回路方程式中Ra——包括電樞繞組和電刷壓降的等效電阻；

Ea

——直流電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(2)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如圖所示，電動(dòng)機(jī)采用并勵(lì)方式時(shí)，勵(lì)磁繞組與電樞回路并聯(lián)，共用一個(gè)電源，電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)相同，并有

(3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如圖3-12c所示，電動(dòng)機(jī)采用串勵(lì)方式時(shí)，勵(lì)磁繞組與電樞回路串聯(lián)，再與電源連接，此時(shí)

2.轉(zhuǎn)矩方程直流電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓后，工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te

，其方向如圖3-16所示，為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩T0和電動(dòng)機(jī)的軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

相反。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)有Te與T0、TL相平衡。這樣，按圖中正方向的約定，可寫出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程

3.功率方程勵(lì)磁回路輸入的電功率電樞回路輸入的電功率式中ΔpCua=RaIa2——電樞回路的銅耗；

Pem

=EaIa——電機(jī)的電磁功率，且有由上式可得電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的另一種計(jì)算公式

由此可見，電樞的電磁功率用于克服電樞軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)矩平衡方程兩邊乘以轉(zhuǎn)速

，可得式中PL——電機(jī)的機(jī)械負(fù)載功率；

Δp0——電機(jī)的空載損耗，包括機(jī)械摩擦損耗Δpmec

和

鐵心損耗ΔpFe

。上式說明，電磁功率轉(zhuǎn)換成空載損耗和機(jī)械能輸出。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的功率關(guān)系如圖所示。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電功率式中，P2——電動(dòng)機(jī)的輸出功率，并有P2=PL；

Δpadd——電動(dòng)機(jī)的附加損耗，是未被包括在銅耗、鐵耗

和機(jī)械損耗之內(nèi)的其他損耗；

ΣΔp——電動(dòng)機(jī)的總損耗，并有由此，電動(dòng)機(jī)的效率為

如果忽略電樞反應(yīng)，當(dāng)Ia增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降，形成轉(zhuǎn)速降

n，如圖中曲線1所示。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，磁通下降可能引起轉(zhuǎn)速的上升，與Ia

增大引起的轉(zhuǎn)速降相抵消，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)際運(yùn)行中為保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，一般使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電流Ia

的增加而下降。轉(zhuǎn)速降一般為額定轉(zhuǎn)速的3~8%，呈基本恒速狀態(tài)。4.工作特性

(1)轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)Ua=UN，If=IfN

時(shí)，n=f（I

a）的關(guān)系曲線。由感應(yīng)電動(dòng)勢公式和電壓方程可得(2)轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)Ua=UN

，If=IfN時(shí)，Te=f（Ia）的關(guān)系曲線。由轉(zhuǎn)矩特性公式Te=CT

Ia

可知，在磁通為額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。若考慮電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩隨電樞電流的增加而略微下垂，如圖中曲線2所示。

(3)效率特性是指Ua=UN

，If=IfN

時(shí)，

=f（Ia）的關(guān)系曲線。由式可見，電動(dòng)機(jī)的損耗中僅電樞回路的銅耗與電流Ia成平方正比關(guān)系，其他部分與電樞電流無關(guān)。電動(dòng)機(jī)的效率隨Ia

增大而上升，當(dāng)Ia

大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖中曲線3所示。一般直流電動(dòng)機(jī)的效率在0.75~0.94之間。

直流電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)一定要保證勵(lì)磁回路連接可靠，絕不能斷開。一旦勵(lì)磁電流If=0，則電機(jī)主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若此時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成“飛車”；若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為重載，則電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，但電樞電流將飛速增大，超過電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。因此，在閉合電動(dòng)機(jī)電樞電路前應(yīng)先閉合勵(lì)磁電路，保證電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。2.7直流發(fā)電機(jī)的基本方程和工作特性直流發(fā)電機(jī)各物理量的參考正方向選定如圖a所示。

1.電壓方程他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)由外動(dòng)力拖動(dòng)按圖a所示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢Ea，并且Ea>Ua，使電樞電流Ia反向，此時(shí)電樞回路的電壓方程為其中，。他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈采用單獨(dú)電源供電，其回路方程見式，即

如果發(fā)電機(jī)采用并勵(lì)方式，勵(lì)磁繞組與電樞回路并聯(lián)，由圖所示的電流方向，電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)相同，但電流變?yōu)槭?，?/p>

2.轉(zhuǎn)矩方程直流發(fā)電機(jī)的電樞在外動(dòng)力轉(zhuǎn)矩Tm的拖動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，與反方向的空載轉(zhuǎn)矩T0和電磁轉(zhuǎn)矩Te

平衡。這樣，按圖中正方向的約定，可寫出發(fā)電機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡方程

3.功率方程對于直流發(fā)電機(jī)，輸入的機(jī)械功率為因電磁功率

上式說明，他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)將輸入的原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電能輸出和內(nèi)部的熱能損耗。其功率關(guān)系如圖所示，可見機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的變換過程。

由此可得，直流發(fā)電機(jī)的效率為式中ΣΔp——直流發(fā)電機(jī)的總損耗，對于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)對于并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，則在上式中還應(yīng)加上勵(lì)磁損耗ΔpCuf。

4.工作特性

(1)空載特性是指當(dāng)發(fā)電機(jī)不帶負(fù)載Ia=0，U=Ea時(shí)，E0=Ea=f（If）的關(guān)系曲線。這里分兩種情況討論：

1)對于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)由感應(yīng)電動(dòng)勢公式，且n恒定不變，因此，由圖給出的Φ0=f（If）磁化曲線可得到的Ea=f（If）的關(guān)系，即他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性與其空載磁化曲線是相似的。如圖所示。

2)對于并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流要靠發(fā)電機(jī)自身提供的電壓產(chǎn)生，而發(fā)電機(jī)電壓的產(chǎn)生則需要有勵(lì)磁電流才行。由此可見，并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)在起始階段需要有一個(gè)自我勵(lì)磁并建立電壓的過程，這稱之為自勵(lì)過程。圖給出了并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓建立的過程：當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于主磁極存在剩磁，電樞繞組切割剩磁磁通會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的感應(yīng)電動(dòng)勢Eod，由Eod在勵(lì)磁回路中產(chǎn)生勵(lì)磁電流If1；如果極性正確，將在磁路中產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感應(yīng)電動(dòng)勢增大為E1，E1又使勵(lì)磁電流增大為If2；如此循環(huán)，使得感應(yīng)電動(dòng)勢和勵(lì)磁電流不斷增加，最終建立起發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢。例如，在圖中的A點(diǎn)（E0A，IfA）穩(wěn)定工作。

必須指出，自勵(lì)發(fā)電方式能否建立空載電壓是有三個(gè)條件的：一是電機(jī)必須有剩磁，如果沒有須事先進(jìn)行充磁；二是勵(lì)磁繞組的極性必須正確，也就是勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)時(shí)接線要正確；三是勵(lì)磁回路的電阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If

不能太陡（如斜線1），否則如果伏安特性的斜率太陡，與發(fā)電機(jī)空載特性交點(diǎn)很低或無交點(diǎn)（見斜線2），就無法建立空載電壓?？傊詣?lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行首先要在空載階段建立電壓，然后才能帶負(fù)載運(yùn)行。(2)外特性是指當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變，改變外部負(fù)載時(shí)，其輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，即U=f（Ia）。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性如圖中曲線1所示，隨著電流的增大，其輸出電壓下降。這是因?yàn)椋孩?/p>

隨著發(fā)電機(jī)的負(fù)載增加，其電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)增強(qiáng)，使每極磁通量減小，導(dǎo)致電樞電動(dòng)勢下降。②電樞回路電阻上的電壓將隨著電流上升而增大，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降。實(shí)際上，他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流從零變化到額定值時(shí)，其輸出電壓下降不大，接近于一個(gè)恒壓源。對于并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，因還要向勵(lì)磁回路供電，其外特性要更軟一些。(3)調(diào)節(jié)特性當(dāng)外接負(fù)載變化時(shí)，為了保持發(fā)電機(jī)的輸出電壓U不變，可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If。例如：對于負(fù)載電流增大引起的電壓下降，可通過增加勵(lì)磁電流，加大磁通量，從而使電樞電動(dòng)勢增大，以抵消負(fù)載電流在電樞回路的電壓降，達(dá)到維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的目的。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性If=f（Ia）如圖中曲線2所示。(4)效率特性他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其損耗中僅電樞回路的銅耗與電流Ia的平方成正比，稱為可變損耗；其他部分損耗與電樞電流無關(guān)，稱為不變損耗。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，Ia也較小，此時(shí)發(fā)電機(jī)的損耗是以不變損耗為主，但因輸出功率小而效率低；隨著負(fù)載增加，P2增大而效率上升，當(dāng)可變損耗與不變損耗相等時(shí)效率達(dá)到最大值；此后，若繼續(xù)增加負(fù)載，可變損耗將隨著Ia增大而成為損耗的主要部分，效率又逐漸下降。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的效率特性曲線如圖b所示。2.8直流電機(jī)的換向一、換向的物理過程：如圖所示，

這樣就完成了整個(gè)換向過程，在整個(gè)過程中，我們理想化電機(jī)不會(huì)發(fā)生火花，但實(shí)際上這是不可能的，因此，換向元件中不可能沒有感應(yīng)電動(dòng)勢。二、換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢1）電抗電動(dòng)勢：換向元件中，在電流變化時(shí)，必然出現(xiàn)由自感與互感作用所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢稱為電抗電動(dòng)勢。

經(jīng)過推導(dǎo)，可得電抗電動(dòng)勢為：可見電機(jī)的負(fù)載越重,轉(zhuǎn)速越高，則越大。根據(jù)楞次定律，漏感的作用總是阻礙電流變化的，因?yàn)殡娏魇窃跍p少，所以其方向必與+方向相同。2）電樞反應(yīng)電動(dòng)勢：雖然換向元件位于幾何中性線處，主磁場的磁密等于零，但是電樞磁場的磁密不等于零。因此換向元件必然切割電樞磁場，而在其中產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，稱為電樞反應(yīng)電動(dòng)勢。為：因?yàn)?,所以,即當(dāng)負(fù)載越重，轉(zhuǎn)速越高時(shí)，越大。據(jù)右手定則可以判定，無論是發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，的方向總是與換向前元件中電流方向相同，即與方向相同，也是阻礙換向的。3）電刷下產(chǎn)生火花的電磁原因：在換向元件中存在著兩個(gè)方向相同的電動(dòng)勢+，因此在換向元件中，會(huì)產(chǎn)生附加的換向電流，

由所建立的電磁能量要釋放出來。當(dāng)這部分能量足夠大時(shí)，它將以火花的形式從后刷邊放出，使維持連續(xù)，這就是電刷下產(chǎn)生火花的電磁原因。此外還有機(jī)械及電化學(xué)方面的原因?；鸹ㄊ闺娝⒓皳Q向器表面損壞，嚴(yán)重時(shí)將使電機(jī)不能正常運(yùn)行。三、改善換向的方法：從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，減少換向元件的電抗電動(dòng)勢和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢，就可以有效地改善換向。目前最有效的辦法是裝換向極。對換向極的要求是：（1）換向極應(yīng)裝在幾何中性線處；（2）換向極的極性應(yīng)使所產(chǎn)生的方向與電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢的方向相反。（3）由于是隨負(fù)載的大小及轉(zhuǎn)速而變化的，為使換向電動(dòng)勢在任何負(fù)載下都能抵消，要求。根據(jù)，需要，所以換向極繞組必須與電樞繞組串聯(lián)，而且換向極磁路應(yīng)不飽和。一般，容量為1kW以上的直流電機(jī)都裝有換向極。1、一臺四極直流發(fā)電機(jī)采用單疊繞組，若取下一支或相鄰的兩支電刷，其電流和功率

，而電刷電壓

。答：減小，不變。2、一臺并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，如果電源電壓和勵(lì)磁電流不變，當(dāng)加上一恒定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載后，發(fā)現(xiàn)電樞電流超過額定值，有人試在電樞回路中接一電阻來限制電流，此方法

。串入電阻后，電動(dòng)機(jī)的輸入功率將

，電樞電流

，轉(zhuǎn)速n將

，電動(dòng)機(jī)的效率η將

。答：不行，不變，不變，下降，下降。3、一臺并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，做額定運(yùn)行時(shí)，如果將電源電壓降20℅，則穩(wěn)定后電機(jī)的電流為

倍的額定電流（假設(shè)磁路不飽和）。答：1.25倍。4、一臺p對磁極的直流發(fā)電機(jī)采用單迭繞組，其電樞電阻為,電樞電流為,可知此單迭繞組有

條并聯(lián)支路，其每條支路電阻為

；若為單波繞組其每條支路電阻為

，電樞電阻為

。答：5、直流發(fā)電機(jī)，電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)一角度，直軸電樞反應(yīng)是

；若為電動(dòng)機(jī)，則直軸電樞反應(yīng)是

。答：去磁的，增磁的。6、一臺串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，若電刷順轉(zhuǎn)向偏離幾何中性線一個(gè)角度，設(shè)電機(jī)的電樞電流保持不變，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

。A：降低，B：保持不變，C：升高。答：C7、一臺直流發(fā)電機(jī)，由額定運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)速下降為原來的30℅，而勵(lì)磁電流及電樞電流不變，則

。A：Ea下降30℅，B：T下降30℅，C：Ea和T都下降30℅，D：端電壓下降30℅。答：A8、把直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高２０℅，他勵(lì)方式運(yùn)行空載電壓為，并勵(lì)方式空載電壓為,則

。Ａ：=，Ｂ：<，Ｃ：>。答：B9、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)磁通增加10℅，當(dāng)負(fù)載力矩不變時(shí)（T2不變），不計(jì)飽和與電樞反應(yīng)的影響，電機(jī)穩(wěn)定后，下列量變化為：Te

,n

,Ia

,P2

。A：增加B：減小C：基本不變答：C，B，B，B10、一臺他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，額定電壓220V，6極，額定支路電流為100A，當(dāng)電樞為單疊繞組時(shí)，其額定功率

；當(dāng)電樞繞組為單波繞組時(shí)，其額定功率為

。A：22kWB：88kWC：132kWD：44kW答：C，D11、負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，在直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路串入電阻，穩(wěn)定后，電樞電流將

，轉(zhuǎn)速將

。A,上升，下降B,不變，上升C,上升，上升答：A1、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在固有特性上弱磁調(diào)速，只要負(fù)載不變，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高。（）答：對2、直流電機(jī)的電樞繞組至少有兩條并聯(lián)支路。（）答：對3、電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小相等，則直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。（）答：錯(cuò)4、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電源電壓調(diào)速與減小磁通調(diào)速都可以做到無級調(diào)速。（）答：對5、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)短路電流很大。（）答：錯(cuò)6、直流發(fā)電機(jī)中的電刷間感應(yīng)電勢和導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢均為直流電勢。（）答：錯(cuò)7、在直流電機(jī)中換向器-電刷的作用是什么？答在直流電機(jī)中，電樞電路是旋轉(zhuǎn)的，經(jīng)換向器-電刷作用轉(zhuǎn)換成靜止電路，即構(gòu)成每條支路的元件在不停地變換，但每個(gè)支路內(nèi)的元件數(shù)及其所在位置不變，因而支路電動(dòng)勢為直流，支路電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢在空間的位置不動(dòng)。1、直流電樞繞組元件內(nèi)的電動(dòng)勢和電流是直流還是交流？若是交流，那么為什么計(jì)算穩(wěn)態(tài)電動(dòng)勢時(shí)不考慮元件的電感？答直流電樞繞組元件內(nèi)的電動(dòng)勢和電流是交流的。直流電機(jī)電樞繞組是旋轉(zhuǎn)的，經(jīng)換向器-電刷的作用，變換成為靜止電路，兩電刷間的電路在空間位置是不變的，因而電刷電動(dòng)勢是直流的，所通過的電流也是直流的，電感不起作用。2、電樞反應(yīng)的性質(zhì)由什么決定？交軸電樞反應(yīng)對每極磁通量有什么影響？直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)由什么決定？答電樞反應(yīng)的性質(zhì)由電刷位置決定，電刷在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)是交軸性質(zhì)的，它主要改變氣隙磁場的分布形狀，磁路不飽和時(shí)每極磁通量不變，磁路飽和時(shí)則還一定的去磁作用，使每極磁通量減小。電刷偏離幾何中性線時(shí)將產(chǎn)生兩種電樞反應(yīng)：交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。當(dāng)電刷在發(fā)電機(jī)中順著電樞旋轉(zhuǎn)方向偏離、在電動(dòng)機(jī)中逆轉(zhuǎn)向偏離時(shí)，直軸電樞反應(yīng)是去磁的，反之則是助磁的。3、在什么條件下電樞磁動(dòng)勢與磁場相互作用才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩？若電樞磁動(dòng)勢有交、直軸兩個(gè)分量，那么是哪個(gè)分量產(chǎn)生，哪個(gè)分量不產(chǎn)生？還是兩個(gè)都產(chǎn)生？答產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢的電流沿電樞表面對稱分布在幾何中性線兩側(cè)，受到異極性磁場的作用，合成電磁力為零，即不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生交軸電樞磁動(dòng)勢的電流對稱分布在主極軸線兩側(cè)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩是同一方向的?？梢?，只有交軸電樞磁動(dòng)勢才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。4、在勵(lì)磁電流不變的情況下，發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢與空載時(shí)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢大小相同嗎？為什么？答負(fù)載時(shí)電動(dòng)勢比空載時(shí)小，由于負(fù)載時(shí)有電樞反應(yīng)去磁作用，使每極磁通減小。5、一臺并勵(lì)發(fā)電機(jī)，在額定轉(zhuǎn)速下，將磁場調(diào)節(jié)電阻放在某位置時(shí)，電機(jī)能自勵(lì)。后來原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低了磁場調(diào)節(jié)電阻不變，電機(jī)不能自勵(lì)，為什么？答對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速有不同的空載曲線，因而臨界電阻也不同。電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，臨界電阻減小，當(dāng)臨界電阻小于勵(lì)磁回路電阻時(shí)，電機(jī)便不能自勵(lì)。

直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.1.1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程拖動(dòng)就是由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)方式，稱為電力拖動(dòng)。如圖2-1所示，電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成，通常又把傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載。3.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1.運(yùn)動(dòng)方程式電力拖動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過化簡，都可轉(zhuǎn)為如圖a所示的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)直接相連的單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，各物理量的方向標(biāo)示如圖b。根據(jù)牛頓力學(xué)定律，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

在工程計(jì)算中，通常用轉(zhuǎn)速n單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）代替角速度

；用飛輪慣量或稱飛輪力矩GD2代替轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。由于n與

的關(guān)系為

J與GD2

的關(guān)系為式中g(shù)——重力加速度，可取g=9.81m/s2。電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)用形式為式中375=4g×60／2π，是具有加速度量綱的系數(shù)。

2.運(yùn)動(dòng)方程中方向的約定式中的Te、TL

和n都是有方向的，它們的實(shí)際方向可以根據(jù)圖b給出的參考正方向，用正、負(fù)號來表示。這里規(guī)定n及Te的參考方向?yàn)閷τ^察者而言逆時(shí)針為正，反之為負(fù)；TL的參考方向?yàn)轫槙r(shí)針為正，反之為負(fù)。這樣規(guī)定參考正方向恰好符中負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL前有一個(gè)負(fù)號的表達(dá)關(guān)系。3.運(yùn)動(dòng)方程的物理意義式表明電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化dn/dt（即加速度）由電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的關(guān)系決定。

1）當(dāng)Te=TL時(shí)，dn/dt=0，表示電動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)；

2）若Te

＞TL

時(shí)，dn/dt

＞0，系統(tǒng)處于加速狀態(tài)；

3）若Te＜TL

時(shí)，dn/dt

＜0，系統(tǒng)處于減速狀態(tài)。也就是一旦dn/dt

≠

TL，則轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，我們把這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)或過渡狀態(tài)。3.1.2

多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程前面我們討論了單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)問題，但是，實(shí)際的電力拖動(dòng)系統(tǒng)往往是復(fù)雜的，有的生產(chǎn)機(jī)械需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)速匹配，因此增加了很多齒輪和傳動(dòng)軸；有的生產(chǎn)機(jī)械需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，比如：刨床、起貨機(jī)等。對這樣一些復(fù)雜的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，如何來研究其力學(xué)問題呢？一般來說，有兩種解決辦法：

1）對拖動(dòng)系統(tǒng)的每根軸分別列出其運(yùn)動(dòng)方程，用連列方程組來消除中間變量。這種解法會(huì)因方程較多，計(jì)算量大而比較繁雜。

2）用折算的方法把復(fù)雜的多軸拖動(dòng)系統(tǒng)等效為一個(gè)簡單的單軸拖動(dòng)系統(tǒng)，然后通過對等效系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)方程，以實(shí)現(xiàn)問題求解。這種方法相對而言較為簡單。

一、系統(tǒng)等效的原則和方法在電力拖動(dòng)系統(tǒng)的分析中，對于一個(gè)復(fù)雜的多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，比較簡單而且實(shí)用的方法是用折算的方法把它等效成一個(gè)簡單的單軸拖動(dòng)系統(tǒng)來處理，并使兩者的動(dòng)力學(xué)性能保持不變。一個(gè)典型的等效過程如圖所示，其基本思想是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)折算把實(shí)際的多軸系統(tǒng)表示成等效的單軸系統(tǒng)。

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中折算一般是把負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者是力和質(zhì)量折算到電動(dòng)機(jī)軸上，而中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳送比在折算中就相當(dāng)于變壓器的匝數(shù)比。系統(tǒng)等效的的原則是：保持兩個(gè)系統(tǒng)傳遞的功率及儲存的動(dòng)能相同。二、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等效為單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方法

1．靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的折算先考慮一個(gè)簡單的兩軸系統(tǒng)。如圖所示，假如要把工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩T’L折算到電動(dòng)機(jī)軸上，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的等效原則是：系統(tǒng)的傳送功率不變。

如果不考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗，工作機(jī)構(gòu)折算前的機(jī)械功率為T’L

L，折算后電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械功率為TL

，根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有折算前后工作機(jī)構(gòu)的傳遞功率相等，即式中

L——生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)速；

——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由式可得式中jL——電動(dòng)機(jī)軸與工作機(jī)械軸間的轉(zhuǎn)速比

jL

=

/

L=n/nL

如果要考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗，可以在折算公式中引入傳動(dòng)效率

c

。由于功率傳送是有方向的，因此引入效率

c

時(shí)必須注意：要因功率傳送方向的不同而不同?，F(xiàn)分兩種情況討論：

1）電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，功率由電動(dòng)機(jī)各工作機(jī)構(gòu)傳送，傳動(dòng)損耗由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)，即電動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率比生產(chǎn)機(jī)械消耗的功率大。根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有

2）電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)由工作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，功率傳送方向由工作機(jī)構(gòu)和向電動(dòng)機(jī)傳送。因而傳動(dòng)損耗由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)，根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有

對于系統(tǒng)有多級齒輪或皮帶輪變速的情況，設(shè)已知各級速比為j1，j2，…，jn，則總的速比為各級速比之積，即

在多級傳動(dòng)時(shí)，如果已知各級的傳遞效率為：

c1，

c2，…，

cn，則總效率

c

應(yīng)為各級效率之積，即

2．轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩的折算將圖中兩軸系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL，折算到電動(dòng)機(jī)軸的等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，其等效原則是：折算前后系統(tǒng)的動(dòng)能不變，即有

從式可知，折算到單軸拖動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J等于折算前拖動(dòng)系統(tǒng)每一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量除以該軸對電動(dòng)機(jī)軸傳動(dòng)比jL

的平方之和。當(dāng)傳動(dòng)比jL

較大時(shí)，該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上后，其數(shù)值占整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比重就很小。

根據(jù)式表示的GD2=4gJ的關(guān)系，可以相應(yīng)地得到折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效飛輪轉(zhuǎn)矩

同理，由前面式子的結(jié)果可以推廣到多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。設(shè)多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)有n根中間傳動(dòng)軸，則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣J和飛輪矩GD2為

在一般情況下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)運(yùn)慣量，在折算后占整個(gè)系統(tǒng)的比重不大，所以實(shí)際工作中往往用下面的近似公式式中，

為放大系數(shù)，一般取

=1.1~1.25。

三、直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等效為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有些生產(chǎn)機(jī)械它不僅有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，還兼有直線運(yùn)動(dòng)部件，分析時(shí)要將這樣的拖動(dòng)系統(tǒng)等效為簡單的單軸拖動(dòng)系統(tǒng)，如圖所示。做這樣的等效需要分別對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種物理量進(jìn)行折算，前面我們已討論過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算，這里僅討論直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算。

1．靜態(tài)力FL（或稱負(fù)載重力）的折算把直線運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)力FL折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效靜轉(zhuǎn)矩TL的原則仍是保持折算前后的靜態(tài)功率不變。如果考慮功率的傳遞方向，同樣分兩種情況討論：

1）電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，使重物提升。由圖，折算前直線運(yùn)動(dòng)部件的靜態(tài)功率PL為折算后等效拖動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)功率P’L

為現(xiàn)功率是由電動(dòng)機(jī)傳向負(fù)載，按功率平衡原則P’L=PL/

c

，即代入關(guān)系式

=2

n/60，經(jīng)整理，得到如下折算公式2）電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)工作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使重物下放。根據(jù)功率平衡關(guān)系，有由此得式中——物體下放時(shí)的傳動(dòng)效率?？梢宰C明，在提升與下放時(shí)傳動(dòng)損耗相等的條件下，下放傳動(dòng)效率與提升傳動(dòng)效率之間有下列關(guān)系

2．直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的折算由圖所示，將直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量mL折算到電動(dòng)機(jī)軸上，用等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J來表示。折算的原則是兩者儲存的動(dòng)能相等，即這樣由于

=2

n/60，mL=GL/g，3.2生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)方程式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系TL=f（n）即為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與多種因素有關(guān)。以車床主軸為例，當(dāng)車床切削工件時(shí)，主軸轉(zhuǎn)矩和切削速度、切削量大小、工件直徑、工件材料及刀具類型等都有密切關(guān)系。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可歸納為下列三種類型。

一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性所謂恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，就是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

與轉(zhuǎn)速n無關(guān)的特性，即當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持常值。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性又可分為反抗性負(fù)載特性和位能性負(fù)載特性兩種：

1．反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的特點(diǎn)是，恒值轉(zhuǎn)矩TL總是反對運(yùn)動(dòng)的方向。根據(jù)前述正負(fù)符號的規(guī)定，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，n為正，轉(zhuǎn)矩TL為反向，應(yīng)取正號，即為+TL；而反轉(zhuǎn)時(shí)，n為負(fù)．轉(zhuǎn)矩TL為正向，應(yīng)變?yōu)?TL，如圖所示。顯然，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性應(yīng)畫在第一與第三象限內(nèi)，屬于這類特性的負(fù)載有金屬的壓延、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等。2．位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩則與反抗性的特性不同，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩TL具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。不論重物提升（n為正）或下放（n為負(fù)），負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終為反方向，即TL始終為正，特性畫在第一與第四象限內(nèi)，表示恒值特性的直線是連續(xù)的。由圖可見，提升時(shí)，轉(zhuǎn)矩TL反對提升；下放時(shí)，TL卻幫助下放，這是位能性負(fù)載的特點(diǎn)。

二、通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即

通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性如圖所示，圖中只在第一象限畫了轉(zhuǎn)速正向時(shí)的特性，鑒于通風(fēng)機(jī)負(fù)載是反抗性的，當(dāng)轉(zhuǎn)速反向（n為負(fù)）時(shí)，TL是負(fù)值，第三象限中應(yīng)有與第一象限特性對稱的曲線。

三、恒功率負(fù)載特性有些生產(chǎn)機(jī)械，比如車床，在粗加工時(shí)，切削量大，切削阻力大，此時(shí)開低速；在精加工時(shí)，切削量小，切削阻力小，往往開高速。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即

由于負(fù)載功率PL=TL

，

=2

n/60，即PL=TL2

n/60=TL

n/9.55，再代入式，可得PL=k/9.55為常數(shù)，表示在不同轉(zhuǎn)速下，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的功率保持不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與n的持性曲線呈現(xiàn)恒功率的性質(zhì)，如圖所示。

四、實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。例如，實(shí)際通風(fēng)機(jī)除了主要是通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性外，由于其軸承上還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，因而實(shí)際通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性應(yīng)為

其特性曲線如圖所示。而實(shí)際的起貨機(jī)的負(fù)載特性如圖所示，除了位能負(fù)載特性外，還應(yīng)考慮起貨機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的摩擦轉(zhuǎn)矩。3.3電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析——穩(wěn)定運(yùn)行的條件通過前兩節(jié)的分析，可知電力拖動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)與負(fù)載兩部分組成的，通常把電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為機(jī)械特性，不同的電動(dòng)機(jī)具有不同性質(zhì)的機(jī)械特性，可以用數(shù)學(xué)形式表示成n=f(Te)，也可以用圖解方法畫成機(jī)械特性曲線。各種電動(dòng)機(jī)具體的機(jī)械特性將在后面各章中闡述，本節(jié)將先從電動(dòng)機(jī)一般機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性的相互關(guān)系著手分析電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行問題。為了便于理解，現(xiàn)分兩步來分析和求解問題：

①給出問題的直觀解，即首先建立電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的直觀概念；

②從電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，給出這一問題的解析解。

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的概念所謂電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是指系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下，離開原來的平衡狀態(tài)，但仍然能夠在新的運(yùn)行條件達(dá)到平衡狀態(tài)，或者在擾動(dòng)消失之后，能夠回到原有的平衡狀態(tài)。

是否在所有的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性交點(diǎn)上運(yùn)行的情況都能夠穩(wěn)定運(yùn)行呢？請看下面的例子。

比較這兩個(gè)例子，我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行與電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載特性曲線的形狀有關(guān)。由上述分析，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如果電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性呈下垂曲線，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，則不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析可知，對于非恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如果電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度小于負(fù)載特性的硬度，該系統(tǒng)就能穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件從以上分析可以看出，電力拖動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)上，并不一定都能夠穩(wěn)定運(yùn)行，也就是說，Te=TL僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)必要條件，而不是充分條件。因此需要進(jìn)一步分析電動(dòng)機(jī)與負(fù)載特性的關(guān)系，尋求電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。根據(jù)電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程系統(tǒng)在平衡點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)應(yīng)有

如前所述，這種平衡狀態(tài)僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件，是否穩(wěn)定還需進(jìn)一步分析和判斷。我們?nèi)杂们笆鰣D解法的思想方法，當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)在平衡點(diǎn)工作時(shí)，給系統(tǒng)加一個(gè)擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速有一個(gè)改變量

n，如果當(dāng)擾動(dòng)消失后系統(tǒng)又回到原平衡點(diǎn)工作，即有

n→0，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的?，F(xiàn)假定拖動(dòng)系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下離開了平衡狀態(tài)A點(diǎn)，此時(shí)式變成由平衡點(diǎn)條件式和式，上式變?yōu)?/p>

根據(jù)微分原理，式可近似表示為令為電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載特性曲線在平衡點(diǎn)的硬度，式又可寫成再令常數(shù)，對上式兩邊取積分，經(jīng)整理可得考慮初始條件t=0時(shí)，從可知：

1）若αe-αL<0，當(dāng)t→∞時(shí)，Δn

→0；

2）若αe-αL>0，當(dāng)t→∞時(shí)，Δn→∞。上述分析物理意義在于：在第1）種條件下，當(dāng)擾動(dòng)消失后，轉(zhuǎn)速增量

n將隨時(shí)間而減小，系統(tǒng)能夠逐漸恢復(fù)到原平衡點(diǎn)，因而系統(tǒng)是穩(wěn)定的；在第2）種條件下，當(dāng)擾動(dòng)消失后，轉(zhuǎn)速增量

n將隨時(shí)間而增大，系統(tǒng)不能回到原平衡點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

綜上所述：電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件為對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，由于，其穩(wěn)定運(yùn)行的條件為

可以看出，由解析方法推導(dǎo)的結(jié)果與我們直觀分析時(shí)得到的結(jié)果是一致的，也就是直觀分析時(shí)找到的規(guī)律是具有普遍意義的。由此，可以得到結(jié)論：對于一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件是3.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析——過渡過程分析在上一節(jié)電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)將分析和討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。所謂動(dòng)態(tài)過程是指系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)向另一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)過渡的中間過程，這個(gè)過程被稱為過渡過程，系統(tǒng)在過渡過程的變化規(guī)律和性能被稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。研究這些問題，對經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械如何縮短過渡過程時(shí)間，減少過渡過程中能量損耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等，都有實(shí)際意義。

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的假設(shè)條件為便于分析，設(shè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)滿足以下假定條件：

1）忽略電磁過渡過程，只考慮機(jī)械過渡過程；

2）電源電壓在過渡過程中恒定不變；

3）磁通保持恒定；

4）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)不變。如果已知電動(dòng)的機(jī)機(jī)械特性、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、起始點(diǎn)、穩(wěn)態(tài)點(diǎn)以及系統(tǒng)的飛輪矩，可根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，建立關(guān)于轉(zhuǎn)速n的微分方程式，以求解轉(zhuǎn)速方程n=f（t）。

考慮到大部分電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性都具有或可近似為一線性區(qū)段，如圖所示。為不失一般性，現(xiàn)假設(shè)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可表示成

二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)方程將電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式代入式，可得

令為過渡過程的穩(wěn)態(tài)值，為過渡過程時(shí)間常數(shù)（通常又稱TM為電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)）。這樣上式可寫成式在數(shù)學(xué)上是一個(gè)非奇次一階微分方程，可用分離變量發(fā)求解，得到的通解為

式中，K為常數(shù)，由初始條件決定。設(shè)初始條件為t=0，n=nis

，代入上式可得K=nis-nss

，由此得到電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為

式表明，轉(zhuǎn)速方程n=f（t）中包含有兩個(gè)分量，一個(gè)是強(qiáng)制分量nss

，也就是過渡過程結(jié)束時(shí)的穩(wěn)態(tài)值；另一個(gè)是自由分量(nis?nss)e-t/TM

，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。因此，在過渡過程中，轉(zhuǎn)速n是從起始值nis開始，按指數(shù)曲線規(guī)律逐漸變化至過渡過程終止的穩(wěn)態(tài)值nss

，其過渡過程曲線如圖所示。

從圖中可以看出，n=f（t）曲線與一般的一階過渡過程曲線一樣，主要應(yīng)掌握三個(gè)要素：起始值、穩(wěn)態(tài)值與時(shí)間常數(shù)，這三個(gè)要素確定了，過渡過程也就確定了。

三、電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)方程同理，將式給出的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系代入式中，可得到如下描述系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)過程的微分方程再按前述步驟求解該微分方程，便可得到電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)方程Te=f（t），即

四、電力拖動(dòng)系統(tǒng)熱過程的動(dòng)態(tài)方程在第一章中，我們已定性分析了電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程，如圖所示，電機(jī)的熱過程也是一個(gè)典型的一階過渡過程。這里，為建立電機(jī)熱過程的動(dòng)態(tài)方程，特作如下假設(shè)：

1）電動(dòng)機(jī)長期運(yùn)行，負(fù)載不變，總損耗不變；

2）電機(jī)各個(gè)部分的溫度均勻，周圍環(huán)境溫度保持不變。

設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)，電機(jī)產(chǎn)生的熱量為Q，則在

t

時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了熱量為Q

t。若在單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)散發(fā)出的熱量為A

，A為散熱系數(shù)，表示溫升1℃時(shí)每秒鐘的散熱量；

為溫升，則在

t

時(shí)間內(nèi)散發(fā)的熱量為A

t。與此同時(shí)，電機(jī)本身也要吸收一部分熱量，設(shè)電機(jī)的熱容量為C，

t時(shí)間內(nèi)的溫升為

，則電機(jī)吸收的熱量為C

。根據(jù)熱量平衡原理，在

t時(shí)間內(nèi)，電機(jī)的發(fā)熱應(yīng)等于其吸收和散發(fā)的熱量，即將上式寫成微分方程形式，有整理后寫成微分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式令TQ=C/A為電機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)；

ss=Q/A為穩(wěn)態(tài)溫升，上式變?yōu)橥戏椒ń獯宋⒎址匠?，可得電?dòng)機(jī)的熱過程動(dòng)態(tài)方程式中，

is

為初始溫升。由式所描述的電機(jī)發(fā)熱和冷卻過程的動(dòng)態(tài)曲線可見圖。從上面對過渡過程中n=f（t）、Te=f（t）和

=f（t）的分析可看出，他們都是按照指數(shù)規(guī)律從起始值變到穩(wěn)態(tài)值?？梢园凑辗治鲆话阋浑A微分方程過渡過程三要素的方法，找出三個(gè)要素：起始值、穩(wěn)態(tài)值與時(shí)間常數(shù)，便可確定各量的數(shù)學(xué)表達(dá)式并畫出變化曲線。

五、過渡過程時(shí)間的計(jì)算從起始值到穩(wěn)態(tài)值，理論上需要時(shí)間為無窮大，即t=t0→

。但實(shí)際上當(dāng)t=(3～4)TM

時(shí)各量便達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值的95%以上，一般就可認(rèn)為過渡過程結(jié)束了。這樣，無論對于電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速還是轉(zhuǎn)矩而言，其從初始值到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間僅與系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)TM有關(guān)，即有

在工程實(shí)際中，往往是需要知道過渡過程進(jìn)行到某一階段所需的時(shí)間。對于電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程，可以利用式來計(jì)算過渡過程的時(shí)間。如果已知系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)TM、轉(zhuǎn)速的初始值ni、穩(wěn)態(tài)值nss

以及到達(dá)值nx，有下式可計(jì)算出到達(dá)時(shí)間tn為

同理，對于電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩過渡過程時(shí)間tT

，可通過下式進(jìn)行計(jì)算式中，各變量的下標(biāo)的含義與上面轉(zhuǎn)速變量相同。通過本節(jié)的討論，為電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析奠定了理論基礎(chǔ)。后續(xù)章節(jié)將結(jié)合系統(tǒng)具體的動(dòng)態(tài)過程，比如：電機(jī)起動(dòng)過程、制動(dòng)過程等進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。3.5.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是直流拖動(dòng)理論的基礎(chǔ)，下面以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行討論。

一、機(jī)械特性的一般形式他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的電路圖如圖4-1所示，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線便是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，即n=f（Te

）。為了推導(dǎo)機(jī)械特性公式的一般形式，在電樞回路中串入外接電阻R。由轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速特性推導(dǎo)可得機(jī)械特性的一般表達(dá)式為3.5.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

二、固有機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)在電樞電壓、勵(lì)磁電壓均為額定值，電樞外串電阻為零時(shí)所得的機(jī)械特性稱為固有的機(jī)械特性。特性曲線如圖所示，曲線滿足如下公式：

固有機(jī)械特性的主要特點(diǎn)為：

1)Te=0時(shí)，n=n0是理想空載轉(zhuǎn)速，這時(shí)Ia=0，UN

=Ea

。

2)機(jī)械特性呈下傾的直線，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增大而減小。因?yàn)橄聝A的斜率

較小，轉(zhuǎn)速變化較小，所以又稱為硬特性。

3)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)n=0，感應(yīng)電動(dòng)勢Ea=0，這時(shí)電樞電流為起動(dòng)電流Ia=Ist=UN/Ra；電磁轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Te=Tst=CTΦIst

；又因?yàn)殡姌须娮鑂a

很小，在額定電壓的作用下，起動(dòng)電流將非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動(dòng)機(jī)所允許的最大電流，會(huì)燒壞換向器，因此直流電機(jī)一般不允許全電壓直接起動(dòng)。

4)若轉(zhuǎn)矩Te>Tst

，n<0，特性曲線在第四象限；若Te<0，n>0，則特性曲線在第二象限，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

三、人為機(jī)械特性由公式可知，當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)電樞電壓Ua、勵(lì)磁電流I

f

、電樞外接電阻R，可改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，這種人為改變參數(shù)引起的機(jī)械特性又稱人為機(jī)械特性。

1.改變電樞電壓電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流為額定值，使每極磁通為

N并保持不變，電樞回路不外接電阻，改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ua

，可得到一條與固有機(jī)械特性平行的人為機(jī)械特性。不斷改變Ua，可得到一組平行曲線，特性曲線的硬度均相同，僅理想空載轉(zhuǎn)速大小不同，如圖所示。2.減小每極氣隙磁通當(dāng)降低勵(lì)磁電壓或在勵(lì)磁回路串接電阻Rc

，使勵(lì)磁電流If

減小，由于磁通與勵(lì)磁電流在額定磁通以下時(shí)基本成正比，所以主極磁通減小了。根據(jù)機(jī)械特性公式可知：

當(dāng)磁通減小后，理想空載轉(zhuǎn)速n0升高，而斜率

增大，使特性曲線傾斜度增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較原來有所提高，整個(gè)特性曲線均在固有機(jī)械特性之上，如圖所示。

3.電樞回路串接電阻當(dāng)保持電樞回路電壓Ua，勵(lì)磁電流If不變，改變電樞回路的串接電阻R，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0

不變，但機(jī)械特性的斜率

增大，特性曲線傾斜度增加，且串入電阻越大，曲線越傾斜，其人為機(jī)械特性如下圖所示。3.5.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)所謂起動(dòng)就是指電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到某一穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先加額定勵(lì)磁電流建立磁場，然后再加電樞電壓。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)忽略電樞電感時(shí)，電樞電流Ia為

在起動(dòng)瞬間，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=0，反電動(dòng)勢Ea=0，電樞回路只有電樞繞組電阻Ra，此時(shí)電樞電流為起動(dòng)電流Ist，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst，并有

由于電樞繞組電阻Ra很小，因此起動(dòng)電流Ist>>IN（約為10～20倍的IN），這么大的起動(dòng)電流使電機(jī)換向困難，在換向片表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，甚至形成環(huán)火；另外，由于大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大，將損壞拖動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這都是不允許的。因此一般直流電機(jī)都不允許直接起動(dòng)。這樣，就需要增加起動(dòng)設(shè)備和采取措施來控制電機(jī)的起動(dòng)過程。

一般直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載順利起動(dòng)的條件是：

1)起動(dòng)電流限制在一定范圍內(nèi)，即Ist

≤

IN，

為電機(jī)的過載倍數(shù)；

2)足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tst

≥（1.1～1.2）TN

；

3)起動(dòng)設(shè)備簡單、可靠。如何限制起動(dòng)時(shí)的電樞電流呢？由Ist=UN/Ra可知，限制起動(dòng)電流的措施有兩個(gè)：一是增加電樞回路電阻，二是降低電源電壓，即直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有電樞串電阻和降壓兩種。

一、電樞回路串電阻起動(dòng)在額定電源電壓下，電樞回路串入分級起動(dòng)電阻Rst，在起動(dòng)過程中將起動(dòng)電阻逐步切除。圖a為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)三級起動(dòng)時(shí)的電氣原理圖。推廣到m級起動(dòng)的一般情況，則有：式中為對應(yīng)電阻最大一級的電樞回路電阻。β為起動(dòng)電流比。從而可得m級起動(dòng)時(shí)各級電樞回路總電阻為：

二、減壓起動(dòng)當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)，可以采用減壓方法起動(dòng)。在起動(dòng)瞬間，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=0，反電動(dòng)勢Ea=0，降低電源電壓U

，將起動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)。

三、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過渡過程在第二章的第四節(jié)中，已對電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械過渡過程作了理論分析，并得出了轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)方程、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)方程及過渡過程時(shí)間計(jì)算式和式。

下面對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)的機(jī)械過渡過程作進(jìn)一步分析。圖a為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串固定電阻起動(dòng)的機(jī)械特性曲線，其中S為起動(dòng)過程開始的點(diǎn)（即起始點(diǎn)），對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Te=Tst，轉(zhuǎn)速為n=0；A點(diǎn)為起動(dòng)過程結(jié)束的點(diǎn)（即穩(wěn)態(tài)點(diǎn)），對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Te=TL，轉(zhuǎn)速為n=nA。將S點(diǎn)與A點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)代入式及式，便可得到起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

當(dāng)采用電樞串多級電阻起動(dòng)時(shí)，其過渡過程如何呢？圖給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)二級起動(dòng)的起動(dòng)過程。3.6他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速為了提高生產(chǎn)率和滿足生產(chǎn)工藝的要求，生產(chǎn)機(jī)械往往需要在不同速度下運(yùn)行。例如，車床切削工件時(shí)，精加工用高速，粗加工用低速；軋鋼機(jī)在軋制不同鋼種和不同規(guī)格的鋼材時(shí)，須用不同的軋制速度。這些事例說明，生產(chǎn)機(jī)械的工作速度需要根據(jù)工藝要求而可以調(diào)節(jié)。故所謂調(diào)速，就是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工藝要求人為地改變速度。但必須注意：這和由于負(fù)載變化，引起的速度變化是截然不同的概念。調(diào)速可用機(jī)械調(diào)速（改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法）、電氣調(diào)速（改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的方法）或二者配合起來調(diào)速。本節(jié)只討論他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和幾種常用的電氣調(diào)速方法。

為生產(chǎn)機(jī)械選擇調(diào)速方法，必須在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行比較。那么評價(jià)調(diào)速方法的主要指標(biāo)是什么呢？

一、調(diào)速指標(biāo)

1.調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，通常用D來表示，即

調(diào)速范圍反映了生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求，不同的生產(chǎn)機(jī)械對電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍有不同的要求，例如車床D=20~120，龍門刨床D=10~40，軋鋼機(jī)D=3~120，造紙機(jī)D=3~20等。對于一些經(jīng)常輕載運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比來計(jì)算調(diào)速范圍D。

2.靜差率靜差率是指在同一條機(jī)械特性上，從理想空載到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比。用百分比表示為

靜差率δ反映了拖動(dòng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。不同的生產(chǎn)機(jī)械，其允許的靜差率是不同的，例如普通車床δ≤30%，而精度高的造紙機(jī)則要求δ≤0.1%。靜差率δ值與機(jī)械特性的硬度及理想空載轉(zhuǎn)速n0有關(guān)。當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速n0一定時(shí)，機(jī)械特性越硬，額定速降ΔnN

越小，則靜差率越小。而且，調(diào)速范圍D與靜差率δ兩項(xiàng)性能指標(biāo)是互相制約的。在同一種調(diào)速方法中，δ值較大即靜差率要求較低時(shí)，可得到較寬的調(diào)速范圍。ρ越接近于1，則系統(tǒng)調(diào)速的平滑性越好。當(dāng)ρ=1時(shí)，稱無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)，采用調(diào)壓調(diào)速的方法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無級調(diào)速。

4.經(jīng)濟(jì)性主要考慮調(diào)速設(shè)備的初投資、調(diào)速時(shí)電能的損耗及運(yùn)行時(shí)的維修費(fèi)用等。

3.平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，則認(rèn)為調(diào)速越平滑。平滑性用平滑系數(shù)來衡量，它是相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比

二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法前面曾介紹過他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有三種人為的機(jī)械特性，因而他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，下面分別介紹。

1.串電阻調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)，保持電樞電壓額定，勵(lì)磁電流（磁通）額定，在電樞回路串入不同的電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)可運(yùn)行于不同的速度。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速的電氣原理圖如圖a示。電樞串電阻調(diào)速的機(jī)械特性方程式為

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速的機(jī)械特性如圖b所示，是一組過理想空載點(diǎn)n0的直線，串入的電阻越大，其斜率

越大。

電樞回路串電阻調(diào)速的特點(diǎn)是：

1）實(shí)現(xiàn)簡單，操作方便；

2）低速時(shí)機(jī)械特性變軟，靜差率增大，相對穩(wěn)定性變差；

3）只能在基速以下調(diào)速，因而調(diào)速范圍較小