直流电动机的起动、调速和制动

直流电动机的起动、调速和制动起动(start)、制动(break)和调速(speedregulating)是电力拖动(drive)的三大问题，起动和调速又是评价(evaluate)电动机性能(performance)的两个重要方面(importantaspect)。讲义一、直流电动机的起动起动：直流电动机接上电源(powersupply)后，转速(velocity)由零逐渐增(gradually)加到稳定转速的过程（process）。对起动性能的要求(demands)：起动转矩（startingtorque）足够大，起动电流(startingcurrent)不可太大，起动时间要短，除此之外，要求起动设备(equipment)简单，经济可靠(reliability)。一、直接起动（全压起动）：下图为并励直流电动机起动时的接线图(connectiondiagram)。开始时，转速为零，aNstRUI可达额定电流(ratedcurrent)的20~30倍，结果使：绕组(winding)过热，换向(commutation)困难；影响其它电器设备的正常运行(normaloperation)；过大的电磁力冲击(impact)，可损坏机械。故只有极小容量(capacity)的直流电动机才允许直接起动(directstart)。直接起动的特点：不需起动设备、操作简便(simplicityofoperation)、起动转矩大，但起动电流太大。注意：起动前先合上励磁回路(excitationcircuit)开关，并将励磁电流调至最大值，确保磁场(magneticfield)先建立起来，再合上电枢回路开关。否则：1）轻载时，有剩余磁通(residualflux)，因为起动电流大，所以起动转矩可能大于负载转矩(loadtorque)，电动机起动，转速升高达飞车状态。故起动前应检查励磁绕组是否断线。二、电枢回路串电阻器起动为限制起动电流，起动时串全部电阻起动，随转速增加，saestRRnCUI降低，再逐步切除(cutdown)电阻。对容量小的直流电动机，常用人工手动方法(artificialmethod)来起动，如图所示。容量大一些的采用电器控制(appliancecontrol)。若合理的设计321,,rrr，可使电流ai从maxmin~ststII之间变动。特点：设备简单，投资(investment)少，但电动机容量较大时，起动变阻器(rheostat)变得十分笨重，能耗大。此法广泛应用于小型(small-sized)直流电动机，和改变电枢电阻调速方法一起使用。三、降压起动特点：起动过程平滑(smooth)，能耗(lossofenergy)小，但设备投资(investment)大，需调压电源(varying-voltagesource)，常与调压调速方法一起使用。调压电源有专用(specialized)直流发电机（F—D组）（改变发电机的励磁电流来控制发电机的端电压(endvoltage）和采用晶闸管(thyristor)整流电源，用触发信号(triggersignal)去控制输出电压(outputvolage)。直流电动机速度的调节为了满足不同的工艺要求，生产机械要运行在不同的速度。评价调速性能的指标有：调速范围、平滑性、稳定性、经济性（投资、能耗方面），还有带负载的能力。从直流电动机的转速公式：eTeaeTCCRCUn2可知调速方法有两种调压调速（1）电枢控制改变电枢回路电阻调速（2）磁场控制：调节励磁电流一、他励和并励电动机的速度调节（speedregulating）（一）电枢控制：1、电枢回路串接电阻：eTesaeTCCRRCUn2，串接sR后，机械特性斜率增大，转速降低。过程分析：串电阻后，ceaesaeaTTInTRRnCUI,,,,时，便稳定运行。电动机能自动调整到稳定状态，是区别于其它电力拖动的特点。调速性能：D不大，稳定性不好，有级调速，能耗大，效率低。但所需设备简单，应用在对调速性能要求不高的中小型电机上，在起动、运输、牵引装置中得到应用。2、调节电枢电压调速（励磁电流由另外电源供电）调速过程：ceaeaeaTTInTRnCUIU,,,,,时稳定运行。调速性能：D大，调速平滑，稳定性好，能耗小，运行效率高，适合带恒转矩负载。但投资大，用变流机组时，投资较高，现在用晶闸管整流电源。应用在对调速性能要求较高的场合，如轧钢机龙门刨床，和降压起动一起使用。（二）磁场控制1、磁场控制的实现：2、磁场控制的过程：ceaeaeaTTInTRnCUI,时，稳定运行。根据eaaCRIUn，忽略aaRI的影响，则1n，但当负载转矩较大（电枢电流较大），或电枢串很大电阻时，磁通降低，转速也可能降低。3、调速性能：D不大，D受机械强度的限制、换向的限制、稳定性的限制；无级调速；因调速在励磁回路中进行，控制较方便，能耗小，调节设备体积小，经济性好。但转速过高，则励磁过弱，电枢电流过大，可使换向变坏。二、串励电动机的速度调节：（一）电枢控制1、电枢电路串电阻调速eTesaeTCCRRCUn22、改变电枢电压saesTseRRUTKCKCn1，FTUEne（二）磁场控制：在励磁绕组（或电枢）两端并联一电阻，以改变励磁电流进行调速。直流电动机的制动为了提高生产率，提高产品质量，要求电动机能迅速减速、准确停车或迅速反转，或控制电动机的转速增加，电动机需发出与转速方向相反的电磁转矩，以阻碍电动机的运行。电动：电磁转矩与转速方向相电动机运行状态同，电能转化为机械能。能耗制动：制动回馈制动电源反接倒拉反接一、能耗制动1、能耗制动的实现：将电枢从电源上断开，而接到一个制动电阻上，制动时保持励磁电流不变。2、能耗制动过程分析：saeaRRnCI0,eT0,n来不及变化，eT变为制动转矩，使转速迅速下降1）带反抗性负载（电车在平路上），n至0，停车；2）带位能性负载（下放重物），n至0时，eT=0，在重力转矩作用下，转速反向增加，aI0，eT0，n0以某一速度下放重物。3、能量关系制动时处于发电状态，电能大部分消耗在LR上，产生制动转矩的功率来自系统的动能。特点：线路简单，断电时，也能实现能耗制动，较经济，但制动效果随转速下降而下降，可采用多级能耗制动或加上机械制动。应用：要求平稳减速、没有反向而能准确停车的场合或以低速下放重物。并励直流电动机能耗制动时的接线图并励电动机反接制动时的接线图二、反接制动：（一）、电源反接制动1电源反接制动的实现：将电枢两端通过一限流电阻反接到电源上，如图所示。2电源反接过程分析：反接瞬间：LaaRREUI0，eT0，使转速迅速下降，n=0时，0LT1）带反抗性负载：eTLT，停车；eTLT时，反向电动运行。2）带位能性负载：当转速下降至0，反向起动，电磁转矩由负变为0（0nn），n再增加，电磁转矩又变为正的，且eT增大至等于负载转矩时便稳定运行。总结：1）为限制aI，必须串接一制动电阻。aLRIEURmaxmax2）制动效果强烈而迅速；3）转速为0时有反转的可能，如欲停车，需及时切断电源；4）不经济。（二）、倒拉反接——起动装置平稳等速下放重物1、倒拉反接的实现：在电枢回路串较大的电阻，且带位能性负载。2、倒拉反接过程：0,nnTRRnCUIeLaea时，eTcT，电动机被重物拉着反向转动，n0，ceaTTI,时，以某一速度下放重物。二、回馈制动：1、回馈制动的实现：受到与转速方向相同的电磁转矩的作用或在转速的调节过程中2、回馈制动过程分析：1）电车下坡：nn,0n时，电枢电流反向，电磁转矩也反向，表示电磁转矩变为制动转矩，有电能回馈给电网。2）下放重物：电动机首先运行在反向电动运行状态，U0，aI0，eT0，n0，当转速绝对值增大到大于空载转速时，电枢电流、0n电磁转矩改变方向，与转速方向相反，变为制动转矩，电枢电流与电压方向相反，有能量回馈给电网，成为回馈制动运行。LT3）在转速调节的过程中3、总结：1）不需改变接线；2）有能量反馈回电网，经济；3）n0n时，才能发生，不能使拖动装置停车。应用：位能负载高速下放的场合，或在转速下降的过程中。思考：拖动位能性负载的他励直流电动机有可能工作在反向电动状态吗？如有可能，请举一例。