直流電動機機械特性2

1、 第二章 直流電動機的電力拖動 本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程、負載轉矩特性、直流電動機的機械特性、起動、調速、制動等方法和物理過程。2.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式： 電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉軸上的各種轉矩。一、運動方程式MemTnLTU 根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：dtdJTTLem其中 為系統(tǒng)的慣性轉矩。dtdJ運動方程的實用形式：dtdnGDTTLem3752系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài)1)當 或 時,系統(tǒng)處于靜止靜止或恒轉速恒轉速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。LemTT0dtdn2)當 或 時,系統(tǒng)處于加

2、速加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。LemTT0dtdn3)當 或 時,系統(tǒng)處于減速減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。LemTT0dtdn 首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規(guī)定：二、運動方程式中轉矩正、負號的規(guī)定（1）電磁轉矩 與轉速 的正方向相同時為正，相反時為負。emTn（2）負載轉矩 與轉速 的正方向相同時為負，相反時為正。LTnemTLT（3）慣性轉矩 的大小和正負號由 和 的代數(shù)和決定。dtdnGD37522. 2 負載的轉矩特性一、恒轉矩負載特性負載的轉矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。 恒轉矩負載特性是指生產機械的負載轉矩 與轉速 無關的特性。分反抗性恒轉矩負載

3、和位能性恒轉矩負載兩種。nLT1.反抗性恒轉矩負載T TL Ln2.位能性恒轉矩負載T TL Ln二、恒功率負載特性 恒功率負載特點是：負載轉矩與轉速的乘積為一常數(shù)，即 與 成反比，特性曲線為一條雙曲線。nLTT TL Ln三、泵與風機類負載特性 負載的轉矩 基本上與轉速 的平方成正比。負載特性為一條拋物線。LTnT TL Ln12TL02.3 他勵直流電動機的機械特性方程方程TUnTLRa+RcEaIaRIEUaa(回路總電阻回路總電阻)nCEeaaTICTTCCRRCUnTeCae2Tnn0(理想空載轉速理想空載轉速)(特性斜率特性斜率)大時大時 特性曲線越特性曲線越陡陡 機械特性機械特性

4、軟軟小時小時 特性曲線越特性曲線越平平 機械特性機械特性硬硬 機械特性的軟硬度機械特性的軟硬度圖圖3 32 2他勵直流電動機的機械特性曲線他勵直流電動機的機械特性曲線0nACB0TLTATnn0理想空載點（ 0， ）0neaCUnEU0實際空載點（ ， ）0n0T02TTT02T當時，0TT 000Tnn故有：（ ）00nn人為通過外界經電機軸上轉入與人為通過外界經電機軸上轉入與 同方向的拖動轉距同方向的拖動轉距 ，克服，克服 。n0TT0n0nACB0TLTATnn0額定工作點（ ， ）NTNn堵轉點（ ， 0 ） 堵轉轉矩： 堵轉電流： 僅由外加電壓和電樞回路總電阻決定。KTKTKIKTK

5、ICTCaKRRUI（空載堵轉電流很大，（空載堵轉電流很大， ）0nACB0TLTANKII2010KI0aaMIEPTnn02.3 他勵直流電動機的機械特性2.3.1 機械特性的表達式 直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：機的轉速與電磁轉矩之間的關系：)(emTfnememTeeTnTCCRCUn02由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：0 n

6、0nNnnemTNT0T0n稱為稱為理想空載轉速理想空載轉速。實際空載轉速實際空載轉速020TCCRCUnTee2.3.2 固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性當當 時的機械特性稱為固有機械特性時的機械特性稱為固有機械特性：aNNRRUU,emNTeaNeNTCCRCUn2 由于電樞電阻很小，特性曲由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。是硬特性。 當當T=TN時，時，n=nN，此點為電此點為電動機額定工作點，轉速差動機額定工作點，轉速差nn=n=n0 0- -nN，為額定轉速差，為額定轉速差。 當當n=0時，即電動機起動時，電時，即電動

7、機起動時，電磁轉矩磁轉矩Tem=Ts，稱為起動轉矩，稱為起動轉矩。1 1、電樞串電阻時的人為機械特性、電樞串電阻時的人為機械特性 保持保持 不變不變,只在電樞回路中串入電阻只在電樞回路中串入電阻 的人為特性的人為特性NNUU,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR 0nnaRemT特點：特點：1 1） 不變，不變， 變大；變大； 2 2） 越大，特性越軟越大，特性越軟。0n二、人為機械特性當改變當改變 或或 或或 得到的機械特性稱為人為機械特性。得到的機械特性稱為人為機械特性。UaR 故電樞串電阻的人為機械特故電樞串電阻的人為機械特性是通過理想空載點的一簇放射性是通過理想空載點的一

8、簇放射性直線。性直線。2 2、降低電樞電壓時的人為機械特性、降低電樞電壓時的人為機械特性 保持保持 不變，只改變電樞電壓不變，只改變電樞電壓 時的人為特性：時的人為特性：NaRR,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU 101n0nnNUemT特點：特點：1)1) 隨隨 變化變化, , 不變不變; ; 2) 2) 不同不同, ,曲線是一組平行線曲線是一組平行線。0nUU 因此降低電樞電壓時的人為機械特性曲線因此降低電樞電壓時的人為機械特性曲線是一組平行于固有機械特性的直線是一組平行于固有機械特性的直線。3、減弱勵磁磁通時的人為特性減弱勵磁磁通時的人為特性 保持保持 不變，只改變勵磁回路調

9、節(jié)電阻不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻 的人為特性：的人為特性：NaUURR,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特點：特點：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n 注：他勵直流電動機起動和運行注：他勵直流電動機起動和運行過程中，絕不允許勵磁回路斷開過程中，絕不允許勵磁回路斷開。2.3.3 機械特性求取一、固有特性的求取一、固有特性的求取 ), 0(0nnTem),(NNemnnTT已知已知 ，求兩點求兩點:1:1）理想空載）理想空載點點 和額定運行和額定運行 。NNNNnIUP,具體步驟：具體步驟：（1）估算

10、）估算:aR2)3221(NNNNaIPIUR（2 2）計算）計算:NTNeCC和NeNTCC55.9（3）計算理想空載點：）計算理想空載點：NeNemCUnT0, 0（4 4）計算額定工作點）計算額定工作點：NNNTNnnICT,NNNNenRIUCa 估算估算 ，計算，計算 ; 計算計算 , ; 求求 ， ; 計算計算NNNenTnC0RNUNnnn000nUUnNNUNnnn00nTnaRRNn2.4 他勵直流電動機的起動 電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。定運行狀態(tài)的過程。aNststTstRUII

11、CT起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為 為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。阻或降低電樞電壓起動。0n 起動時由于轉速起動時由于轉速 ，電樞電動勢，電樞電動勢 ，而且電樞電阻，而且電樞電阻 很小，所以起動電流將達很大值。很小，所以起動電流將達很大值。 過大的起動電流將引起電網電過大的起動電流將引起電網電壓下降、影響電網上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；壓下降、影響電網上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動

12、同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。機不允許直接起動。 0aEaR一、起動過程2.4.1 電樞回路串電阻起動三級電阻起動時電動機的電路原理圖三級電阻起動時電動機的電路原理圖和機械特性為和機械特性為3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S二、分組起動電阻的計算 設對應轉速設對應轉速n n1 1、n n2 2、n n3 3時電勢分別為時電勢分別為E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，則有：，則有：b b點點12

13、3aNEUIRc c點點112aNEUIRd d點點222aNEUIRe e點點211aNEUIRf f點點321aNEUIRg g點點31aNaEUIR比較以上各式得比較以上各式得：2111223IIRRRRRRa 在已知起動電流比在已知起動電流比和電樞電和電樞電阻阻R Ra a前提下，經推導可得各級串聯(lián)前提下，經推導可得各級串聯(lián)電阻為電阻為: :11223121)1()1()1()1( stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR二、分組起動電阻的計算（6 6）計算各級起動電阻。）計算各級起動電阻。（1 1）估算或查出電樞電阻）估算或查出電樞電阻 ；aR1T1I（2 2

14、）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉矩）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉矩 對應的最大電流對應的最大電流 ；m（3 3）選取起動級數(shù)）選取起動級數(shù) ；（4 4）計算起動電流比：）計算起動電流比：maNRIU1 取整數(shù)取整數(shù)m（5 5）計算轉矩）計算轉矩:12TT，校驗：LTT) 3 . 11 . 1 (2如果不滿足，應另選如果不滿足，應另選 或或 值并重新計算，直到滿足該條件為止。值并重新計算，直到滿足該條件為止。1Tm計算各級起動電阻的步驟計算各級起動電阻的步驟：2.4.2 降壓起動 當直流電源電壓可調時，可采用降壓方法起動。當直流電源電壓可調時，可采用降壓方法起動。 起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流

15、隨電源電起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增壓的降低而正比減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。 降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。 2.5 他勵直流電動機的制動2.5.1 概述概述1、制動的目的：、制動的目的

16、： 1）使電動機減速或停車。使電動機減速或停車。2）限制電動機轉速的升高。（如電車下坡）限制電動機轉速的升高。（如電車下坡）2、制動的方式：、制動的方式： 1）機械（抱閘）制動：利用電磁或電磁液壓）機械（抱閘）制動：利用電磁或電磁液壓驅動裝置，使閘瓦抱緊或松開制動盤（驅動裝置，使閘瓦抱緊或松開制動盤（得電得電松閘、失電抱閘松閘、失電抱閘 ）2）電磁制動：當電磁制動：當 電磁轉矩電磁轉矩Tem 與與 n的方向相同時，電磁的方向相同時，電磁轉矩為驅動轉矩，電機運行于電動狀態(tài)，當轉矩為驅動轉矩，電機運行于電動狀態(tài)，當 Tem 與與 n方方向相反時，電磁轉矩為制動轉矩，電機運行于電磁制動狀向相反時，電

17、磁轉矩為制動轉矩，電機運行于電磁制動狀態(tài)（態(tài)（本質本質）。）。a) 能耗制動能耗制動b)反接制動反接制動c) 回饋（再生）制動回饋（再生）制動 注：機械制動具有快速、準確的優(yōu)點，但是對于注：機械制動具有快速、準確的優(yōu)點，但是對于高速、慣性大的設備，機械沖擊比較大；電磁制動則具高速、慣性大的設備，機械沖擊比較大；電磁制動則具有制動相對平穩(wěn)、制動轉矩容易控制的特點。有制動相對平穩(wěn)、制動轉矩容易控制的特點。 很多情況下采用機械制動結合電磁制動的方法來很多情況下采用機械制動結合電磁制動的方法來進行制動，即先通過電磁制動將電機轉速降到一個比進行制動，即先通過電磁制動將電機轉速降到一個比較低的速度（接近零

18、速），然后再機械抱閘制動，這較低的速度（接近零速），然后再機械抱閘制動，這樣既避免了機械沖擊又有比較好的制動效果樣既避免了機械沖擊又有比較好的制動效果。2.5.2 能耗制動 在電動狀態(tài)（開關在電動狀態(tài)（開關S打到電源上），電打到電源上），電樞電流、電樞電動勢、轉速及驅動性質的樞電流、電樞電動勢、轉速及驅動性質的電磁轉矩如圖實線箭頭所示。電磁轉矩如圖實線箭頭所示。 制動時將開關制動時將開關S打到制動電阻打到制動電阻RB上，由上，由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉，電動于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉，電動勢勢 Ea 方向不變。由方向不變。由 Ea 產生的電樞電流產生的電樞電流I IaBaB的方向

19、與電動狀態(tài)時的方向與電動狀態(tài)時 I Ia a 的方向相反的方向相反,對應的對應的電磁轉矩電磁轉矩 TemB與與 Tem方向相反方向相反,為制動性質為制動性質,電機處于能耗制動狀態(tài)。電機處于能耗制動狀態(tài)。 U電動MaEaInemTfIS制動BRaBIemBT P1=UI Ia a=0 P2=T2=Tem n0情況，情況，此時此時Ea U， Ia 反向，反向， Tem 反向，由驅動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，反向，由驅動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)電機處于發(fā)電狀態(tài)回饋制動狀態(tài)（回饋制動狀態(tài)（ P1=U Ia 0 、 P2=Tem 0 ）。）。穩(wěn)定運行有兩穩(wěn)定運行有兩種情況種情況: :1 1

20、）正向回饋）正向回饋2 2）反向回饋）反向回饋Bn0nA0LTemTLT 0n當電車下當電車下坡時，運坡時，運行轉速可行轉速可能超過理能超過理想空載轉想空載轉速速, ,進入第進入第二象限二象限電壓反電壓反接制動接制動帶位能帶位能性負載性負載進入第進入第四象限四象限 發(fā)生在調速過程中的回饋制動過程有以下兩種情況發(fā)生在調速過程中的回饋制動過程有以下兩種情況1、降壓調速時產生的回饋制動、降壓調速時產生的回饋制動Bn02nA0LTemT1U01nCnAn2UC12UU 制動過程制動過程為為 段段。02Bn2、增磁調速時產生的回饋制動增磁調速時產生的回饋制動Bn02nA0LTemT101nCnAn2C1

21、2制動過程制動過程為為 段。段。02Bn 回饋制動時由于有功功率回饋到電網，因此與能耗和反接回饋制動時由于有功功率回饋到電網，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。制動相比，回饋制動是比較經濟的。2.6.1、調速指標：影響調速范圍的因素影響調速范圍的因素:1）最高轉速受電動機機械強度和換向等方面的制；）最高轉速受電動機機械強度和換向等方面的制；2）最小轉速受相對穩(wěn)定性限制。）最小轉速受相對穩(wěn)定性限制。 2.6 他勵直流電動機的調速他勵直流電動機的調速minmaxnnD 1、調速范圍、調速范圍: %越小，相對穩(wěn)定性越好；越小，相對穩(wěn)定性越好；%與機械特性硬度和與機械特性硬度和n n0

22、0有關有關。 2nN2nmin1nTnN1n0nNTN2、調速的穩(wěn)定性（相對穩(wěn)定性）、調速的穩(wěn)定性（相對穩(wěn)定性）：指負載變化時，轉速變化的程度，指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩(wěn)定性好。轉速變化小，穩(wěn)定性好。n0nN33%100%100%000nnnnnNN1）靜差率：）靜差率： 看出低速機械特性的靜看出低速機械特性的靜差率大，穩(wěn)定性差。差率大，穩(wěn)定性差。 一般以系統(tǒng)的最低轉速一般以系統(tǒng)的最低轉速時的靜差率為準。時的靜差率為準。 2）D與與%的關系：的關系：)1 (maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnD D與與%相互制約相互制約:越小越小,D越小越小,相

23、對穩(wěn)定性越好相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的在保證一定的指標的前提下指標的前提下,要擴大要擴大D,須減少須減少n,即提高機械特性的硬度。即提高機械特性的硬度。 3 3、調速的平滑性、調速的平滑性1iinn 越接近越接近1 1，平滑性越好，當，平滑性越好，當 時，稱為無級調速，即轉時，稱為無級調速，即轉速可以連續(xù)調節(jié)。調速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調速。速可以連續(xù)調節(jié)。調速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調速。14、調速的經濟性、調速的經濟性 在一定的調速范圍內，調速的級數(shù)越多，調速越平在一定的調速范圍內，調速的級數(shù)越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數(shù)滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數(shù) ： 主

24、要指調速設備的投資、運行效率及維修費用以及調主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用以及調速過程中的電能損耗等速過程中的電能損耗等。 2.6.2、機械調速：、機械調速：改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速；改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速；改變電動機參數(shù)進行調速的方法稱為電氣調速。改變電動機參數(shù)進行調速的方法稱為電氣調速。2.6.3、電氣調速、電氣調速。 改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調速前后，電動機工使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調速前后，電動機工作在不同的機械特性上，如果機械

25、特性不變，因負載變化作在不同的機械特性上，如果機械特性不變，因負載變化而引起轉速的變化，則不能稱為調速。而引起轉速的變化，則不能稱為調速。電氣調速方法：調壓調速；電樞串電阻調速；調磁調速電氣調速方法：調壓調速；電樞串電阻調速；調磁調速。調速方法：調速方法：TCCRCUnTeaeN22.6.4、調速方法1 1、電樞回路串電阻調速、電樞回路串電阻調速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串電阻時未串電阻時的工作點的工作點串電阻串電阻R Rs1s1后后, ,工作點由工作點由AABAABBCRa+Rs1+Rs21）原理：原理：在電樞中串入電阻，在電樞中串入電阻，n 不變，即電機的特性曲線不

26、變，即電機的特性曲線變陡，使變陡，使 n 、在相同力矩下，在相同力矩下，n 。2 2）電樞電流和轉速在調速過程中的變化曲線）電樞電流和轉速在調速過程中的變化曲線調速過程電流變化曲線調速過程電流變化曲線調速前、后電流不變調速前、后電流不變調速過程轉調速過程轉速變化曲線速變化曲線tt=0n1nNIaNianian結論：結論：帶恒轉矩帶恒轉矩負載時負載時,串電阻越串電阻越大大,轉速越低。轉速越低。3）特點）特點： （1）串電阻后，轉速只能降低。）串電阻后，轉速只能降低。（3 3）串入電阻后機械特性變軟，串入電阻后機械特性變軟，靜差率變大靜差率變大, ,所以轉速的所以轉速的 相對穩(wěn)定性差；相對穩(wěn)定性差

27、； （4 4）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍為）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍為D=1-3D=1-3受到限制。受到限制。 ）（5 5）電阻上的功率損耗較大電阻上的功率損耗較大，效率低，不經濟。，效率低，不經濟。（6 6）調速方法簡單，設備投資少。）調速方法簡單，設備投資少。 （2 2）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差； 4）適應場合：這種調速方法適用于調速性能要求不高的中小適應場合：這種調速方法適用于調速性能要求不高的中小型電機。型電機。2 2、降低電源電壓調速、降低電源電壓調速Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1n調速壓前

28、工作點A降壓瞬間降壓瞬間工作點工作點穩(wěn)定后工作點穩(wěn)定后工作點 降壓調速降壓調速過程與電樞串過程與電樞串電阻調速過程電阻調速過程相似，調速過相似，調速過程中轉速和電程中轉速和電樞電流（或轉樞電流（或轉矩）隨時間變矩）隨時間變化的曲線也相化的曲線也相似似。1）原理原理:由機械特性方程知：調電樞電壓由機械特性方程知：調電樞電壓U，n0變化，變化，斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。 （2）電源電壓能平滑調節(jié)，調速平滑性好，可實現(xiàn)無級調速。）電源電壓能平滑調節(jié)，調速平滑性好，可實現(xiàn)無級調速。 （3）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，靜差率）調速前后的機械特

29、性的斜率不變，硬度較高，靜差率 小，調速小，調速穩(wěn)定性好。穩(wěn)定性好。 （4 4）無論輕載還是滿載，調速范圍相同，可達）無論輕載還是滿載，調速范圍相同，可達 D=2.5D=2.51212， 較廣。較廣。 （5 5）降壓調速是通過減小輸入功率來降低轉速的，低速時，）降壓調速是通過減小輸入功率來降低轉速的，低速時， 電能損耗較小，電能損耗較小，故故調速經濟性好。調速經濟性好。 （6）調壓電源設備較復雜。）調壓電源設備較復雜。 2 2）特點：）特點： （1）工作時電樞電壓一定，電壓調節(jié)時，不允許超過）工作時電樞電壓一定，電壓調節(jié)時，不允許超過UN，而而n U，所以調速只能向下調。，所以調速只能向下調。3）適用場合）適用場合：這種調速方法適用于對調速性能要求較高的這種調速方法適用于對調速性能要求較高的設備，如造紙機、軋鋼機等。設備，如造紙機、