第三章 他勵直流電動機起動

1、第二節(jié) 他勵直流電動機的起動 一、起動方式1.直接起動2.電阻分級起動 二、起動電阻的計算1.圖解法2.計算法 三、起動的過渡過程1.起動的機械過渡過程2.電樞電感對起動過程的影響3.5 直流電動機的起動A、對直流電動機起動過程的一般要求 起動轉(zhuǎn)矩應足夠大； 起動電流要?。?起動設備簡單、經(jīng)濟與可靠。B、他勵直流電動機的常用的起動方法 為了獲得足夠大的起動轉(zhuǎn)矩的同時降低起動電流，為了獲得足夠大的起動轉(zhuǎn)矩的同時降低起動電流，起動時一般應按照如下步驟進行：起動時一般應按照如下步驟進行：（1 1）首先在勵磁繞組中加入額定勵磁電流，以建立滿載）首先在勵磁繞組中加入額定勵磁電流，以建立滿載主磁場；主磁場

2、；（2 2）待主磁場建立之后再加入電樞電壓。）待主磁場建立之后再加入電樞電壓。a、電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動圖3.19a、b分別給出了他勵直流電動機采用兩級電阻起動時的電路圖和相應的機械特性。3.18 直流電動機人工起動器的電氣原理圖圖3.19 直流電機分兩級起動的機械特性b、降壓起動降壓起動 圖3.20給出了降壓起動過程中他勵直流電動機的機械特性。其起動過程與電樞回路串電阻起動過程類似。圖3.20 他勵直流電動機的降壓起動過程降壓起動的優(yōu)點是，起動電流小，起動過程平滑，能量消耗降壓起動的優(yōu)點是，起動電流小，起動過程平滑，能量消耗少，因而在直流電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛采用。少，因而在直

3、流電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛采用。一、起動方式 直流電動機接上電源后，轉(zhuǎn)速從零達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為起動過程。 對電動機起動的基本要求：（1）起動轉(zhuǎn)矩要大（2）起動電流有限制（3）起動設備要經(jīng)濟可靠他勵直流電動機直接起動將電動機的電樞投入額定電壓的電源上起動。n=0，Ea=0，aaaaRUREUI 起動時：轉(zhuǎn)速 ，相應的感應電勢 ，起動電流 較大。一般情況下， 。0n 0aeEC n NstaUIRNstII)2010(為此，起動時要求滿足：（1） ；（2） 。(2 2.5)stNII(1.11.2)stNTT優(yōu)點：操作簡單，無需外加設備。缺點：沖擊電流大（Ia 可能突增到額定電流的十多倍 ），

4、換向時易產(chǎn)生火花。適用于容量很小的電動機。改良方式 為了改變直接起動時電流很大的缺點，采用將起動電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，逐步將起動電阻切除的方式限制起動電流。 回想一下3張人為機械特性圖起動過程起動動作過程：a點，K1,K2閉合b點，打開K2，K1閉合d點，打開K11 圖解解析法圖解解析法1繪制固有機械特性繪制固有機械特性 2選取起動過程中的最大電選取起動過程中的最大電流流 I1與電阻切除時的切換電流與電阻切除時的切換電流 I2 （或（或T1 與與T2）3畫出分級起動特性圖畫出分級起動特性圖 aaRRRRR121TCCRnne2T002TeTnnnRC Cheechehehcnnnnn

5、heecannRR1hecaannRR24根據(jù)轉(zhuǎn)速比計算出各級電阻根據(jù)轉(zhuǎn)速比計算出各級電阻 1 圖解解析法圖解解析法 給同學們2分鐘，嘗試把特性圖畫出來。如何解決遇到的問題呢？ 解析法的計算方法就能很好的解決圖解法中，I1，I2難以準確確定的問題。 確定起動過程的人為特性曲線的本質(zhì)就是確定各級的電阻值，各級電阻值之間有何關(guān)系呢？2 解析法的計算方法 1. 根據(jù)電動機銘牌數(shù)據(jù)，估算電動機電樞回路電阻 2. 選取最大電流I1，計算最大起動電阻； 3.決定起動電阻級數(shù) 4.計算起動電流比 5.計算分段電阻在在b點點 22REUIb在在c點點 11REUIcaRRRRII11221兩級起動時兩級起動時

6、 推廣到推廣到m級起動的一般情況級起動的一般情況 ammmmRRRRRRRRII1122112121/ II稱為起動電流比稱為起動電流比mammmammaaRRRRRRRRRRR11212121mamRRlglgamRRm 11111222111212211)() 1(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRmmmmmmmmmmaaa 例例9-29-2 一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：型號一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：型號Z-290 kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn377. 0aR試用解析法計算四級起動時的起動電阻值。試用解析法計算四級起動時的起動電阻值。 解解已知起動

7、級數(shù)已知起動級數(shù)m=4 A152A7622N1 II選擇選擇895. 215244014IURRam664. 1377. 0895. 2444aRR各分段電阻如下各分段電阻如下 ：250. 0377. 0627. 011aRRR416. 0627. 0043. 1122RRR693. 0043. 1736. 1233RRR153. 1736. 1889. 2344RRR則各級起動總電阻如下：則各級起動總電阻如下： 627. 0377. 0664. 11aRR043. 1627. 0664. 112RR736. 1043. 1664. 123RR889. 2736. 1664. 134RR三、他

8、勵直流電動機起動的過渡過程三、他勵直流電動機起動的過渡過程1.起動的機械過渡過程2.電樞電感對起動過程的影響三、他勵直流電動機起動的過渡過程三、他勵直流電動機起動的過渡過程 在電力拖動系統(tǒng)中，一些電氣參數(shù)（如電壓、電阻等）與負載在電力拖動系統(tǒng)中，一些電氣參數(shù)（如電壓、電阻等）與負載轉(zhuǎn)矩的突然變化，會引起過渡過程，但由于慣性，這些變化卻不能轉(zhuǎn)矩的突然變化，會引起過渡過程，但由于慣性，這些變化卻不能導致電動機的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩及磁通等參量的突變，而必須是個導致電動機的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩及磁通等參量的突變，而必須是個連續(xù)變化的過程連續(xù)變化的過程 。電力拖動系統(tǒng)中一般存在以下三種慣性：電力拖動系統(tǒng)中一般

9、存在以下三種慣性：1機械慣性機械慣性 反映在系統(tǒng)的飛輪慣量上，它使轉(zhuǎn)速不能突變。反映在系統(tǒng)的飛輪慣量上，它使轉(zhuǎn)速不能突變。 2電磁慣性電磁慣性 反映在電樞回路電感及勵磁回路電感上，它們分反映在電樞回路電感及勵磁回路電感上，它們分別使電樞電流和勵磁電流不能突變，從而使磁通不能突變。別使電樞電流和勵磁電流不能突變，從而使磁通不能突變。 3熱慣性熱慣性 它使電動機的溫度不能突變。它使電動機的溫度不能突變。 電力拖動的過渡過程一般分為兩種：電力拖動的過渡過程一般分為兩種：1）機械過渡過程）機械過渡過程 它只考慮它只考慮機械慣性機械慣性，忽略影響較小的電磁慣，忽略影響較小的電磁慣性。性。2）電氣一機械過

10、渡過程）電氣一機械過渡過程 它同時考慮它同時考慮機械機械與與電磁電磁兩種慣性。兩種慣性。電力拖動系統(tǒng)存在下列兩個時間常數(shù)：（1）電磁時間常數(shù)： ；（2）機電時間常數(shù)：在對電力拖動系統(tǒng)進行分析時，可根據(jù)實際系統(tǒng)按下列兩種情況進行分析： RLTaa22375MeTGD RTC C一、 起動時的機械過渡過程 他勵直流電動機串固定電阻全壓起動1電樞串固定電阻起動的過渡過程電樞串固定電阻起動的過渡過程 RInCRIEUaeaa2emTd375 dlaGDnTTCItRRRaeaCRIUn22d375dlaaTeTTIGD RICC CtddaBMIITt/BLTITC負載轉(zhuǎn)矩對應的負載電流，即電動機起動

11、完畢負載轉(zhuǎn)矩對應的負載電流，即電動機起動完畢后，保持后，保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運行穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運行時的電樞電流時的電樞電流 22375MeTGD RTC C電力拖動系統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)機電時間常數(shù)，是表征機，是表征機械慣性的一個非常重要的物理量械慣性的一個非常重要的物理量 ddaaBtMtMIIItTT其解為其解為/eMt TaBIIK為電流的為電流的起始值起始值 AIABKII其中其中或或/A()eMt TaBBIIII/BA(1 e)eMMt Tt TaIII從上式說明，電樞電流隨著時間成指數(shù)變化?；蚧?A()eMt TaBBIIII/BA(1 e)eMMt Tt TaIII起動過程中電樞電

12、流的變化曲線/BABeMt TeeeUI RUI RUI RnCCC/BAB()eMt Tnnnn/BA(1e)eMMt Tt Tnnn或或 過渡過程開始時轉(zhuǎn)速的起始值過渡過程開始時轉(zhuǎn)速的起始值A(chǔ)n當起動轉(zhuǎn)速為零時當起動轉(zhuǎn)速為零時Bn機械特性上負載轉(zhuǎn)矩機械特性上負載轉(zhuǎn)矩 （或負載電流（或負載電流 ）對應的轉(zhuǎn)速，）對應的轉(zhuǎn)速，即過渡過程結(jié)束時電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。即過渡過程結(jié)束時電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 LTLI/B(1 e)Mt Tnn起動過程中轉(zhuǎn)速的上升曲線求出過渡過程中某一段的時間求出過渡過程中某一段的時間 ABCBlnxMIItTIIABCBlnxMnntTnnABCBlnxMTTtTTT或或或或

13、2電樞串多級電阻起動的過渡過程電樞串多級電阻起動的過渡過程 他勵電動機二級起動的電路及特性他勵電動機二級起動的電路及特性 第一級起動時第一級起動時 212RRRRa2T2121375)(CCRRRGDTeatM)e1 (1/1tMTtznn11/1/e)e1 (tMtMTtTtzaIII轉(zhuǎn)速變化曲線機械特性曲線電流變化曲線 例例9-39-3 一臺他勵直流電動機銘牌數(shù)據(jù)為：一臺他勵直流電動機銘牌數(shù)據(jù)為： kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn已知四段起動電阻為：已知四段起動電阻為： 212. 01R405. 02R695. 03R158. 14R377. 0aR電樞電阻電樞電阻

14、系統(tǒng)飛輪慣量系統(tǒng)飛輪慣量22mN05.49GD求分級起動總的起動時間。求分級起動總的起動時間。解：解： NNNnRIUCae411. 01000377. 07644093. 3411. 055. 955. 9eTCC615. 193. 3411. 02TeCCs231. 0s615. 1375)158. 1695. 0405. 0212. 0377. 0(05.491tMTs137. 0s615. 1375)695. 0405. 0212. 0377. 0(05.492tMTs081. 0s615. 1375)405. 0212. 0377. 0(05.493tMTs048. 0s615. 1

15、375)212. 0377. 0(05.494tMTs031. 0s615. 1375377. 005.49tMTA152A7622N1IIIst設設A2 .91A762 . 12 . 1N2IIIxA76N IIz61. 15ln762 .9176152lnln21zzIIII)(4321tMtMtMtMstTTTTttMzzTIIII4ln21 =(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s 理想的起動電流變化規(guī)律3加快起動過程的途徑加快起動過程的途徑 1）減小系統(tǒng)的飛輪慣量，以減小機電時間）減小系統(tǒng)的飛輪慣量，以減小機電時間常數(shù)，從而降

16、低系統(tǒng)的慣性常數(shù)，從而降低系統(tǒng)的慣性 2）在設計電力拖動系統(tǒng)時，盡可能設法改）在設計電力拖動系統(tǒng)時，盡可能設法改善起動過程中電樞電流的波形善起動過程中電樞電流的波形 （二）電樞電路電感對起動過程的影響（二）電樞電路電感對起動過程的影響 電磁時間常數(shù)為電磁時間常數(shù)為 aataRLT式中，式中，La 為電樞電路的總電感為電樞電路的總電感 當電動機帶負載起動時，則過渡過程分兩階段：當電動機帶負載起動時，則過渡過程分兩階段：第一階段，電樞電流從零增加到第一階段，電樞電流從零增加到Iz 之前，電動機轉(zhuǎn)速為零。之前，電動機轉(zhuǎn)速為零。tILRIUaaaadd)e1 (/taTtscaIIascRUI/式中式

17、中第二階段，過了第二階段，過了tz 后，電動機開始加速，機械慣性與電磁慣性同時后，電動機開始加速，機械慣性與電磁慣性同時存在存在 aaaaaEtILRIUddtnGDTTzdd3752tnCGDIITzadd3752或或ztatMtatMtanTTnTTtnTtn11dd1dd22該方程的解為該方程的解為zttnccn21ee21式中式中tMtatataTTTT4121211tMtatataTTTT4121212考慮電樞電感時，無振蕩情況下的變化曲線)ee(212211ttaccIzTICGD3752其中其中c1及及c2積分常數(shù)，由初始條件決定積分常數(shù)，由初始條件決定 tatMTT41）當）當

18、 時，時，1和和2為負實為負實數(shù)數(shù)ztztznnnn21ee211212ztttMtazscaITTIII)ee (41212）當）當 時，時，1和和2為負共為負共軛復數(shù)軛復數(shù)tatMTT4考慮電樞電感時，有振蕩情況下的變化曲線j2j11421tMtataTTTtaT21式中式中zttatMzntTTnn)sin(e4114tg1tMtaTT式中式中zttMtazscaItTTIIIsine14)(23.6 直流電動機的調(diào)速A A、與調(diào)速有關(guān)的性能指標、與調(diào)速有關(guān)的性能指標a、調(diào)速范圍調(diào)速范圍D：定義：定義： 調(diào)速范圍定義為拖動系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速（或速度）與最低調(diào)速范圍定義為拖動系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速（或

19、速度）與最低轉(zhuǎn)速（或速度）之比，即：轉(zhuǎn)速（或速度）之比，即：maxmaxminminnvDnv（3-46）b、靜差率、靜差率 ：定義：定義： 對調(diào)速系統(tǒng)的靜差率即轉(zhuǎn)速變化率，它是指理想空載對調(diào)速系統(tǒng)的靜差率即轉(zhuǎn)速變化率，它是指理想空載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速變化量與空載轉(zhuǎn)速的百分比，即：轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速變化量與空載轉(zhuǎn)速的百分比，即：000100%100%NNnnnnn（3-47）D與是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間的關(guān)系可用圖3.21加以說明之。 圖3.21中的曲線1、2分別給出了他勵直流電動機的固有機械特性、電樞回路串電阻的人工機械特性以及恒轉(zhuǎn)矩負載特性。圖3.21 他勵直流電動機的機械特性與靜差率之

20、間的關(guān)系對于實際的電力拖動系統(tǒng)，若按低速時選擇，則高速時的自然滿足要求。于是有：maxmaxmin0NnnDnnn 又根據(jù)式（3-47）知： ，將其代入上式得靜差率 與調(diào)速范圍 之間的關(guān)系為：0NnnNoImagemax(1)NnDn（3-48）上式表明，若低速時 的滿足要求，低速時的 越大則調(diào)速范圍 越小；nDDc、調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性： 采用有級和無級調(diào)速來描述調(diào)速的平滑性，其性能指標為平滑采用有級和無級調(diào)速來描述調(diào)速的平滑性，其性能指標為平滑系數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級的轉(zhuǎn)速比，即：系數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級的轉(zhuǎn)速比，即：1iinKn（3-49）上式中， 越接近于1，則平滑性越好。

21、若采用無級調(diào)速，即速度連續(xù)可調(diào)，則 。 K1K d：原始投資與運行成本：原始投資與運行成本 調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟指標包括設備的原始性一次投資和設備的運行費用。運行費用主要是指調(diào)速過程中的損耗，通常用效率來衡量，即：2212100%100%PPPPp（3-50）B B、他勵直流電動機常用的調(diào)速方法、他勵直流電動機常用的調(diào)速方法根據(jù) 可知，他勵直流電動機可以采用下列兩種方法調(diào)速： 1aaeeRUnICC1. 1. 降低電樞電壓降速降低電樞電壓降速a a、電樞回路串電阻降壓降速、電樞回路串電阻降壓降速 圖3.22給出了他勵直流電動機電樞回路串電阻時的人工機械特性和恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性。圖3.22 電樞回路

22、串電阻情況下的人工機械特性和負載特性結(jié)論： 隨著電樞回路電阻的增加，理想空載轉(zhuǎn)速不變，機械特性的硬隨著電樞回路電阻的增加，理想空載轉(zhuǎn)速不變，機械特性的硬度變軟，導致轉(zhuǎn)速下降。因此，電樞回路串電阻只能在額定轉(zhuǎn)速度變軟，導致轉(zhuǎn)速下降。因此，電樞回路串電阻只能在額定轉(zhuǎn)速（又稱為基速）以下調(diào)速。（又稱為基速）以下調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速的經(jīng)濟性指標分析如下：直流電動機的輸入電功率為：11()aaaaPU IERII（3-51）忽略機械耗和鐵耗，并根據(jù)上式得電動機的總損耗為：21111010(1)(1)(1)aeaaaaaaeEC npI RU IE IU IU IUC nnPn （3-52）于是，電機

23、的效率為：11001 (1)PpnnPnn （3-53） 可見，隨著轉(zhuǎn)速的下降，電動機的運行效率降低。b b、降低電源電壓降壓降速、降低電源電壓降壓降速 圖3.23給出了他勵直流電動機降低電源電壓時的人工機械特性以及恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性。圖3.23 降低電源電壓情況下的人工機械特性和負載特性 結(jié)論： 隨著外加電源電壓的降低，電動機的轉(zhuǎn)速下降。調(diào)壓調(diào)速時的特隨著外加電源電壓的降低，電動機的轉(zhuǎn)速下降。調(diào)壓調(diào)速時的特點是：其機械特性的硬度保持不變點是：其機械特性的硬度保持不變，從而確保了這種調(diào)速方法具有更寬的調(diào)速范圍。2. 2. 弱磁升速弱磁升速圖3.25給出了他勵直流電動機弱磁調(diào)速時的人工機械特性

24、。傳統(tǒng)的可調(diào)壓電源可采用如圖3.24所示的發(fā)電機-電動機旋轉(zhuǎn)機組方案。圖3.24 直流發(fā)電機-電動機機組的可調(diào)直流電源 目前應用較為廣泛的是靜止變流器方案，如相控變流器和斬控變流器，有關(guān)內(nèi)容已在電力電子技術(shù)中介紹過。圖3.25 勵磁改變情況下的直流電動機人工機械特性和負載特性 結(jié)論： 隨著勵磁電流的減小，電動機的轉(zhuǎn)速升高。為了確保電機的磁隨著勵磁電流的減小，電動機的轉(zhuǎn)速升高。為了確保電機的磁路不至于過飽和，通常，弱磁調(diào)速一般在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上進路不至于過飽和，通常，弱磁調(diào)速一般在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上進行。行。弱磁調(diào)速時的過渡過程可用圖3.26加以描述。圖3.26 他勵直流電動機弱磁升速的過

25、渡過程 為了獲得較高的調(diào)速范圍，通常將額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁升速與額定轉(zhuǎn)速以下的降壓調(diào)速配合使用。C C、調(diào)速方式與負載類型的配合、調(diào)速方式與負載類型的配合調(diào)速系統(tǒng)須滿足下列兩個準則：調(diào)速系統(tǒng)須滿足下列兩個準則： （1 1）在整個調(diào)速范圍內(nèi)電機不至于過熱，為此，求：）在整個調(diào)速范圍內(nèi)電機不至于過熱，為此，求： ； （2 2）電動機的負載能力要盡可能得到充分利用。）電動機的負載能力要盡可能得到充分利用。aNII鑒于此，不同類型的負載必須選擇合適的調(diào)速方式。鑒于此，不同類型的負載必須選擇合適的調(diào)速方式。1. 調(diào)速方式下面分別就不同調(diào)速方式以及各種調(diào)速方式所適合的負載類型加以討論。電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速方式

26、主要分為兩大類：（1 1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：在保持 不變的前提下， 保持不變；（2 2）恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式：在保持 不變的前提下， 保持不變。emTaNIIaNIIemP（a) 對于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式：對于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式：由于調(diào)速過程中， ， 保持不變，故電磁轉(zhuǎn)矩為：N aNIIemTNNNTCIT常數(shù)電機軸上的輸出功率為：2()10001000609550emememTTT nnPn結(jié)論： 電樞回路串電阻與減低電源電壓的降壓調(diào)速均屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方電樞回路串電阻與減低電源電壓的降壓調(diào)速均屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，其軸上容許的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。式，其軸上容許的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。（b) 對于弱磁調(diào)速方式：對于弱磁調(diào)速方式：由于調(diào)速過程中，保持 不變，于是有：aNII1NaNeUR IKC nn 將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩表達式得：1emTNTNKTCIC KInn于是有：95509550emT nKP常數(shù)結(jié)論： 弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其容許的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其容許的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。結(jié)論： 基速以下，他勵直流電動機采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而基速以基速以下，他勵直流電動機采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而基速以上，則采用恒功率