第三章 直流电动机的起动、调速和制动

李小鹏副教授天津工程师范学院直流电动机的起动、调速和制动3.1直流电动机的起动3.4直流电动机的各种运行状态3.5电力拖动系统的过渡过程3.2直流电动机的调速主要内容共5节第三章直流电动机的起动、调速和制动3.3直流电动机的制动3.1直流电动机的起动3.1直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起动过程。系统对起动的要求(1)起动转矩Tst足够大，Tst（1.1～1.2)TL(2)Ist不能太大，一般为（1.5～2)IN(3)起动设备要简单、可靠、经济3.1直流电动机的起动3.1.1直接起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。aNststTstRUIICT起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。0n起动时由于转速，电枢电动势，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。小型电机电压低、电阻大，可以直接起动。0aEaR3.1直流电动机的起动3.1.2电枢回路串电阻起动一、起动过程三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S3.1直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR3.1.2电枢回路串电阻起动3.1直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；aR1T1I（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；m（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：maNRIU1取整数m（5）计算转矩:12TT，校验：LTT)3.1~1.1(2如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤：3.1.2电枢回路串电阻起动3.1直流电动机的起动3.3.3降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。3.2直流电动机的调速3.2直流电动机的调速电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为esaaCRRIUn)(电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。3.2直流电动机的调速3.2直流电动机的调速1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法，特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。调速方法2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。3.电气——机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）3.2直流电动机的调速3.2直流电动机的调速电气调速1.降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。2.电枢回路串电阻调速电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率β变大，负载转速降变大，导致转速下降。3.弱磁调速减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(ΦΦN),导致理想空载转速n0与特性斜率β均增加。在一定负载条件下，转速将增大。3.2直流电动机的调速调速：是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。调速与转速自然变化的区别“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。3.2直流电动机的调速3.2.1电枢串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→BesaaCRRIUn)(3.2直流电动机的调速3.2.1电枢串电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。3.2直流电动机的调速3.2.1电枢串电阻调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；3.2直流电动机的调速3.2.2改变电枢电源电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nA’B1n调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。esaaCRRIUn)(3.2直流电动机的调速3.2.2改变电枢电源电压调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5〜12。4）电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。3.2直流电动机的调速3.2.3弱磁调速01n1A’1nBNTemnTL0nANn调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点esaaCRRIUn)(3.2直流电动机的调速3.2.3弱磁调速减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0naNInNn1n1aIaiai结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。3.2直流电动机的调速3.2.3弱磁调速优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2；为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；3.2直流电动机的调速3.2.4调速的性能指标１、调速范围D定义：NTTnnDminmax指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制，nmin受低转速时相对稳定性的限制。不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20~120，龙门刨床：D=10~40,机床进给机构：D=5~200；轨钢机：D=3~120;造纸机：D=3~20等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。3.2直流电动机的调速3.2.4调速的性能指标(a)改变电压的最低转速nn00TTNTNUN(b)改变电阻的最低电压nn00TTNTNnminnmin调速中的最低转速电动机最高转速受电动机的换向及机械强度限制；电动机最低转速受相对稳定性要求限制。3.2直流电动机的调速3.2.4调速的性能指标２、静差率δ(或称相对稳定性)δ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。%100%100%000nnnnnNN指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。)1(maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnDD与δ%相互制约：δ越小,D越小,相对稳定性越好；在保证一定的δ指标的前提下,要扩大D,须减少Δn,即提高机械特性的硬度。3.2直流电动机的调速3.2.4调速的性能指标２、静差率δ(或称相对稳定性)电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率δ%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机床δ≤1%～５%;精度高的造纸机δ≤0.1%静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，β1=β2，但静差率不同。3.2直流电动机的调速3.2.4调速的性能指标同样硬度的特性，转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要求。nn010TTLn02不同机械特性对应的静差率nN1nN2112233nN33.2直流电动机的调速３、平滑性用平滑系数表示调速的平滑性，定义即相邻两级转速之比。在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。k接近1，平滑性好。通常第i级表示较高的转速，第i-1级表示较低的转速，因此系数k1，显然，调速的级数越多，k越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。1iinnk4.经济性在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。3.2直流电动机的调速5.恒转矩调速方式和恒功率调速方式电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。恒转矩调速调速过程中保持Ia=IN，Ф=ФN=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=TΩ，T=常数Ω↓→P↓,即电动机转速越低，输出功率越小,PΩ。3.2直流电动机的调速恒功率调速调速中，保持Ia=IN，若Ф↓→n↑，P=常数。在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如改变电动机主磁通Ф的调速方法就属于恒功率调速方法。T=f（n）和P=f（n）曲线表示在保证电动机得到充分利用的条件下(即Ia=IN)，允许输出的转矩和功率，并不代表电动机实际输出的转矩和功率，电动机实际输出的转矩和功率要由它所拖动的负载转矩和负载功率特性来决定。实际上，电动