《电机与拖动》第2章直流电动机的电力拖动

模块1直流电机及其拖动第2章直流电动机的电力拖动3本章要点他励直流电动机的机械特性和生产机械的负载特性。他励直流电动机的启动、反转、制动、调速。串励及复励直流电动机的电力拖动。42.1直流电动机的启动、调速、反转观察2.2电力拖动系统的特性2.3他励直流电动机的启动和反转2.4他励直流电动机的制动2.5他励直流电动机的调速2.6串励及复励直流电动机的电力拖动本章主要内容52.1直流电动机的启动、调速、反转观察任务1直流电动机的起动任务2调节他励电动机的转速任务3改变电动机的转向6任务1直流电动机的起动1、接线图按图2-1接线，检查电动机和测功机之间是否用联轴器联结好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程、极性是否正确。图2-1他励直流电动机的启动、调速、反转电路图7任务1直流电动机的起动2、调节电阻将电动机电枢调节电阻R1调至最大，励磁调节电阻Rf调至最小。3、观察他励直流电动机的旋转方向、测量启动电流先接通励磁电源U2，再接通可调直流稳压电源U1，此时，电动机开始旋转。将电动机的旋转方向、电枢电流值和励磁电流值记录在表2-1中。表2-1他励直流电动机旋转方向的观察和启动电流的测量电动机旋转方向电枢电流/励磁电流/aIAfIA8任务1直流电动机的起动4、记录电枢电流值和励磁电流值保持电源电压U1不变，逐渐减小电阻R1的值直至最小，将电枢电流值和励磁电流值记录在表2-2中。表2-2他励直流电动机不同电阻值时电流的测量电阻值3/4R12/4R11/4R10电流类型电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A电枢电流Ia/A励磁电流If/A测量值aIfI9任务2调节他励电动机的转速1、测量改变串入电动机电枢回路的调节电阻时的转速Rf调至最小，改变串入电动机电枢回路的调节电阻R1，测量相应的转速n，填入表2-3中，并绘制R1-n曲线。表2-3改变串入电动机电枢回路的调节电阻时的转速测量保持电源电压为额定电压UN，分别改变串入电动机电枢回路的调节电阻R1和励磁回路的调节电阻Rf，观察转速变化情况。R1/ΩR1m3/4R1m1/2R1m1/4R1m0n/r/min10任务2调节他励电动机的转速2、测量改变励磁回路的调节电阻时的转速R1调至最小，改变励磁回路的调节电阻Rf，测量相应的转速n，填入表2-4中，并绘制Rf-n曲线。表2-4改变励磁回路的调节电阻时的转速测量Rf/ΩRfm3/4Rfm1/2Rfm1/4Rfm0n/r/min11将电枢回路调节电阻R1调至最大值，调节转矩到零，断开U1，再断开U2，使他励电动机停机，然后将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述方法起动电动机，观察电动机的转向及转速表的读数。将电动机的旋转方向、电枢电流值和励磁电流值记录在表2-5中。任务3改变电动机的转向表2-5他励直流电动机接线对调后的旋转方向观察和启动电流的测量电动机旋转方向电枢电流Ia/A励磁电流If/A122.2电力拖动系统的特性电动机拖动单轴旋转系统的旋转运动方程式为一、电力拖动系统的运动方程1、运动方程式dtdJTTL在实际工程计算中一般不用转动惯量而用飞轮矩，不用角速度而用旋转速度。因此，转动惯量表示为gGDmJ422角速度化为旋转速度的形式：60/2n132.2电力拖动系统的特性由上式可知：（1）当时，转速变化率，电力拖动系统处于稳定运行状态，电动机静止或作恒转速运动。（2）当时，转速变化率，电力拖动系统加速运行。（3）当时，转速变化率，电力拖动系统减速运行。由以上几式可知，工程计算中运动方程的形式为dtdnGDTTL37521、运动方程式LTT0/dtdn0/dtdn0/dtdnLTTLTT142.2电力拖动系统的特性2、运动方程式中转矩正、负号确定的规则在运动方程式中，转矩正、负号的确定与转速n的正、负号相关，确定规则如下：（1）取转速n大于零的方向为正方向，当电磁转矩T的方向与转速n的正方向相同时，T取正号，反之取负号。（2）负载转矩TL的方向与转速n的正方向相反时，TL取正号，反之取负号。（3）惯性转矩（）的大小及正负号由电磁转矩T和负载转矩TL的代数和确定。)/)(375/(2dtdnGD152.2电力拖动系统的特性二、他励直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性是电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：。)(Tfn1、机械特性方程式他励直流电动机的接线图如图2-2所示。由图可知，他励直流电动机的机械特性方程式为nnTnTCCRCUnTee002图2-2他励直流电动机接线图162.2电力拖动系统的特性由于Ce、CT是由电动机结构决定的常数，当U、R、Ф的数值不变时，转速n与电磁转矩T为线性关系。他励直流电动机的机械特性如图2-3所示。图2-3他励直流电动机的机械特性1、机械特性方程式172.2电力拖动系统的特性2、机械特性的分类他励直流电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性。（1）固有机械特性当电动机中的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻时的机械特性称为固有机械特性，也称自然特性。由以上条件得到固有机械特性方程式TCCRCUnNTeaNeN2由于电枢电阻Ra较小，ФN数值大，所以特性曲线斜率β小，固有机械特性曲线为硬特性。182.2电力拖动系统的特性（2）人为机械特性人为机械特性：人为地改变电源电压、磁通和电枢回路串电阻等一个或几个参数的特性。1）电枢串电阻时的人为机械特性保持电源电压和磁通为额定值，当他励直流电动机的电枢回路中串入电阻Rpa时，电枢回路总电阻，此时的人为机械特性方程式为TCCRRCUnNTepaaNeN2从上式可知，理想空载转速n0不变，机械特性的斜率β随着串电阻的增大而增大，机械特性的硬度减小，特性曲线变软，如图2-4所示。由图可知，电枢回路串入不同电阻时，电动机的转速发生变化，因此可通过电枢回路串电阻进行调速。图2-4他励直流电动机电枢电路串电阻的人为机械特性paaRRR192.2电力拖动系统的特性2）改变电源电压时的人为机械特性当磁通为额定值，电枢回路不串联电阻时，改变电枢外加电压的人为机械特性方程式为TCCRCUnNTeaNe2由上式可知，降低电枢电压后，理想空载转速n0与电压U成正比下降，特性曲线的斜率β保持不变。因此在降低电枢电压的情况下，人为特性是一组平行线，如图2-5所示。图2-5他励直流电动机降低电枢电压时的人为机械特性202.2电力拖动系统的特性3）减弱磁通时的人为机械特性当电枢电压为额定值，电枢回路不串接电阻时，改变磁通的人为机械特性方程式为TCCRCUnTeaeN2由上式可知，理想空载转速n0与磁通成反比，磁通Ф减弱，n0增大；斜率β与磁通Ф成反比，磁通减弱会使斜率增大。弱磁人为机械特性曲线如图2-6所示。图2-6他励直流电动机的弱磁人为机械特性212.2电力拖动系统的特性三、生产机械的负载特性生产机械的负载特性也称为负载转矩特性，简称负载特性，是电动机的转速与负载转矩之间的关系：，即负载的机械特性。大致可分为三类：恒转矩负载特性、恒功率负载特性、泵与风机类负载特性。)(LTfn1、恒转矩负载特性恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL与转速n无关的特性，即TL=常数。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载特性又可以分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两类。222.2电力拖动系统的特性（1）反抗性恒转矩负载该类负载转矩的大小恒定不变，方向总是与转速的方向相反，即其性质总是起反抗运动的阻转矩性质，特性曲线为一、三象限内的直线，如图2-7所示。图2-7反抗性恒转矩负载特性曲线图2-8位能性恒转矩负载特性（2）位能性恒转矩负载该类负载转矩不仅大小恒定不变，方向也恒定不变，特性曲线为一、四象限内的直线，如图2-8所示。232.2电力拖动系统的特性图2-9恒功率负载特性曲线恒功率负载是指负载转矩与转速的乘积为一常数，即负载转矩与转速成反比，特性曲线为一条双曲线，如图2-9所示。2、恒功率负载特性3、泵与风机类负载特性泵与风机类负载的特点是：负载的转矩与转速的平方成正比，负载特性为一条抛物线，如图2-10曲线1所示。图2-10泵与风机类负载特性242.2电力拖动系统的特性四、电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是dndTdndTTTLL电力拖动系统的稳定运行，就是系统因外界因素的干扰离开平衡状态，在外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。252.3他励直流电动机的启动和反转一、他励直流电动机的启动电路直流电动机的启动，是指直流电动机接通电源后，转子由转速为n=0升到稳定转速nL的全过程。电动机在启动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速都随时间变化，是一个过渡过程。直流电动机启动时，必须满足以下要求：（1）启动电流不能过大，否则会大大缩短电动机的使用寿命；（2）启动全过程中电动机的启动转矩要足够大，至少，电动机才能正常启动；（3）启动设备操作简单，运行可靠。二、他励直流电动机启动方法他励直流电动机的启动方法有全压启动、减压启动、电枢回路串电阻启动。LstTT262.3他励直流电动机的启动和反转1、全压启动全压启动又称为直接启动，就是在直流电动机的电枢上直接接上额定电压后启动，其电路如图2-12所示。启动转矩为：图2-12他励直流电动机的全压启动电路图stTstICT全压启动由于电枢电阻Ra很小，所以启动电流IST太大，一般可达到额定电流的（10～20）倍，容易引起电刷、换向器产生剧烈火花，从而缩短电动机的使用寿命。过大的电流还会使电网电压急剧下降,同时，过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此全电压启动只限于额定功率几百瓦以下的小容量直流电动机。为了限制启动电流，他励直流电动机通常使用减压启动。272.3他励直流电动机的启动和反转2、减压启动减压启动是为减小启动电流，在启动前降低电动机电枢两端的电源电压。电动机启动后，随着转速n的上升，电动势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，启动转矩也减小。要保证获得足够的启动转矩(即TstTL)，所以启动时通常把电流限制在（1.5～2）IN范围内，那么启动电压为aNaststRIRIU)2~5.1(随后电压要不断升高，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，直到升至额定电压UN后，电动机进入稳定运行状态。启动过程的机械特性如图2-13所示。图2-13减压启动的机械特性图282.3他励直流电动机的启动和反转3、电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动是在启动时，电源电压的值保持不变，通过在电枢回路中串入启动电阻来限制启动电流，并随着转速的上升逐级将启动电阻短接切除的启动方式。他励直流电动机串二级电阻启动电路图及其机械特性如图2-14a、b所示，其中R1、R2为各级串入的启动电阻。为了保证启动过程中既有足够大的启动转矩又要限制电流不能过大，启动过程中通常取21)0.2~5.1(ststTTLstTT)3.1~1.1(2292.3他励直流电动机的启动和反转图2-14他励直流电动机串二级电阻启动a）串二级电阻启动电路b）串二级电阻启动机械特性302.3他励直流电动机的启动和反转【例2-1】一台他励直流电动机，，，，，计算：（1）采用全压启动时的启动电流。（2）采用减压启动时的启动电压。（要求电流不超过100A）。（3）采用电枢回路串电阻启动，则启动开始时应串入多大的电阻？（要求电流不超过100A）。解：（1）（2）（3）WPN10000VUN220min/1500rnNAIN8.53286.0aR286.0220aNstRUIA2.769A)286.0100(aststRIUV6.28V)286.0100220(astNstRIUR914.1312.3他励直流电动机的启动和反转三、他