第二章 直流電機(jī)的電機(jī)拖動(dòng)

1、1. 電力拖動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)；2. 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；3. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)；4. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)；5. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速；直流電機(jī)的電機(jī)拖動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，按人們所給定的規(guī)律來(lái)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械， 稱為電力拖動(dòng)。電 源控制設(shè)備電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ) 運(yùn)動(dòng)方程：dtdnGDdtdJMMZ375260/2ngGDDgGmJ4)2(222g： 重力加速度， 9.8米/秒2；GD2：系統(tǒng)的飛輪矩（牛米2）；n： 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；M、MZ：轉(zhuǎn)矩（牛米）注意：GD2是一個(gè)完整的符號(hào);M、MZ具有方向性， 與轉(zhuǎn)速方向一致為正。多軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程系

2、統(tǒng)中具有兩根或兩根以上不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸， 稱為多軸系統(tǒng)。對(duì)多軸系統(tǒng)的分析，通過(guò)把多軸系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)，進(jìn)行簡(jiǎn)化。按單軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。折算原則：保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能不變。 負(fù)載轉(zhuǎn)矩、飛輪矩、阻力、質(zhì)量等負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無(wú)關(guān)，但其方向始終與轉(zhuǎn)向相反MZn0負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載通風(fēng)機(jī)型負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變nMZ0負(fù)載的功率為常數(shù)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而改變負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比MZn0MZn0Mn穩(wěn)定運(yùn)行條件電機(jī)的機(jī)械特性需要與負(fù)載特性同時(shí)存在。 分析拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在同一坐標(biāo)圖上，兩特性的交點(diǎn)是系統(tǒng)

3、的平衡點(diǎn)。平衡點(diǎn)穩(wěn)定點(diǎn)？穩(wěn)定點(diǎn)：在受到外界擾動(dòng)后， 仍能還原的點(diǎn)。穩(wěn)定點(diǎn)的條件：dndMdndMZem他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式：電磁轉(zhuǎn)矩：aMemICM感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：nCEEa電樞回路電勢(shì)平衡式：aaaRIEU電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性：EaCRIUn機(jī)械特性一般表達(dá)式：emMeeMCCRCUn2n0Mem他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性當(dāng)UUN， N，電樞回路無(wú)外接電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系,稱為固有機(jī)械特性。emNMeaNeNMCCRCUn2n0Mem0n0MemNnN分析：1. 電磁轉(zhuǎn)矩越大， 轉(zhuǎn)速越低， 機(jī)械特性是一條下斜直線；固有機(jī)械特性分析2. 當(dāng)轉(zhuǎn)矩等于零點(diǎn)， 為理想空載轉(zhuǎn)

4、速。此時(shí)Ia0， EaUN， 是一種理想工作狀態(tài)。NeNCUnn03. n0為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速， 比n0略低。對(duì)應(yīng)于空載轉(zhuǎn)矩。emNMeaMCCRnn2004 為機(jī)械特性斜率。增大， 也增大。 通常稱小的機(jī)械特性為硬特性，大的機(jī)械特性為軟特性。2NMeaCCRnn0Memn0Mem0n0MemNnN固有機(jī)械特性分析5. 額定轉(zhuǎn)速變化率 ，表示電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速比n0降落的程度。%n%100%100%0NNNNnnnnnn6. nn0時(shí)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí) EaU, Ia反向， Ea與Ia同向， 向電網(wǎng)送出電功率。7.堵住點(diǎn)。 此時(shí)電樞電流： 為短路電流；電磁轉(zhuǎn)矩： 為電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。0, 0

5、nCeEanNkaNaIRUIemkkNMemMICMn0Memn0Mem0n0MemNnN人為機(jī)械特性分析根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩公式emMeeMCCRCUn2人為地改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)U、R或得到的機(jī)械特性，稱為人為機(jī)械特性。有三種人為機(jī)械特性：（1）電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性；（2）改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性；（3）減弱電動(dòng)機(jī)主磁通時(shí)的人為機(jī)械特性；Mem0n電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性保持UUN 及 N 不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的nf（Mem）關(guān)系。ememNMecaNeNMnMCCRRCUn02對(duì)于給定的Rc，為常數(shù)。Ra+Rc1Ra+Rc2人為Rc2Rc1固有Ran0電樞回路串電阻的

6、人為機(jī)械特性電樞串電阻人為特性的特點(diǎn)： （1）理想空載轉(zhuǎn)速n0與固有機(jī)械特性的n0相同；（2）斜率 ，特性變軟，在同一個(gè)轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速下降更多。NNMecaCCRR2Mem0n改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性。表達(dá)式：emNemNMeaNeMnMCCRCUn02一般都為降低的電壓。人為UNU1U2固有UNn0U1U2改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變端電壓人為特性的特點(diǎn)： （1）理想空載轉(zhuǎn)速比固有特性的理想空載轉(zhuǎn)速低。端電壓下降越多，其理想空載轉(zhuǎn)速越低。（2）端電壓不同，但人為特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各條特性彼此

7、平行。Mem0n減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變勵(lì)磁電流的機(jī)械特性。表達(dá)式：emNemMeaeNMnMCCRCUn 02額定時(shí)，接近飽和，一般都為減弱的磁通。N N固有Nn0人為N減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性減弱電機(jī)主磁通人為特性的特點(diǎn)： （1）由于If2從兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)P、Q對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速說(shuō)明減小勵(lì)磁可以使轉(zhuǎn)速升高。弱磁調(diào)速的過(guò)程If減小瞬間速度不變減小nCEea If1If2PQIf1If2MemnaaREUIaMemICM ZemMM機(jī)組加速nEaIaMemMemMZ新的平衡，新的Ia和n弱磁調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， 221

8、1aMaMemICICM1221aaII (2)假定磁路不飽和，不計(jì)電樞反應(yīng)和IaRa的變化1212212211 ,ffIInnnCenCeE（3） 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， ， 基本不變nPIUPa21弱磁調(diào)速特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 單方向調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過(guò)高，勵(lì)磁過(guò)弱， 電樞電流變大， 換向變壞， 出現(xiàn)不穩(wěn)定。改變端電壓調(diào)速 保持電動(dòng)機(jī)的 N不變且無(wú)外接電樞電阻， 僅降低施加于電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓U達(dá)到調(diào)速的目的， 稱為降壓調(diào)速。MemnU1U1U2U3U2U3PQ電壓越低， 轉(zhuǎn)速越低， 調(diào)速方向從基值往下調(diào)。調(diào)節(jié)過(guò)程: (留為作業(yè)）（1）降壓的人為特性是一簇與固有特性平

9、行的直線， 無(wú)論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調(diào)速效果。（2）由于人為特性硬度不變，低速時(shí)由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大。靜態(tài)穩(wěn)定性好， 調(diào)速范圍大。（3）可平滑調(diào)節(jié)端電壓， 使轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。（4）調(diào)節(jié)過(guò)程能量損耗小。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：改變電樞回路電阻調(diào)速 保持UUN且 N不變，電樞回路中串入調(diào)速電阻Rc，使同一個(gè)負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速的方法， 稱為電樞串電阻調(diào)速。串入電樞回路的電阻越大， 轉(zhuǎn)速越低。R2R1PQR1R2R3MemnR3電機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速稱為基速。 電樞回路串電阻調(diào)速的方法， 只能從基速往下調(diào)。串電樞電阻調(diào)速該調(diào)速的特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。（2）低速時(shí)

10、， 機(jī)械特性很軟， 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)， 轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差 調(diào)速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)， 因此速度調(diào)節(jié)不平滑， 屬有級(jí)調(diào)速。 （4）電樞電流在Rc上消耗的能量大， 調(diào)速時(shí)效率低。 效率與轉(zhuǎn)速成正比。 調(diào)速性能指標(biāo)（1）調(diào)速范圍：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下調(diào)速時(shí)， 最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。用D表示。（2）靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性：也稱轉(zhuǎn)速變化率。指電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化率。 靜差率越小， 轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性越好。（3）調(diào)速的平滑性：無(wú)級(jí)調(diào)速平滑性最好， 有級(jí)調(diào)速由相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速中， 高一級(jí)轉(zhuǎn)速與低一級(jí)轉(zhuǎn)速之比。 （4）調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的容許輸出：電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸上輸出的功率和

11、轉(zhuǎn)矩。不同的調(diào)速方法允許的輸出不同。（5） 經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的容許輸出在某轉(zhuǎn)速下， 電機(jī)即能充分利用， 又能安全運(yùn)行時(shí)輸出的功率和轉(zhuǎn)矩稱為， 調(diào)速時(shí)的允許輸出功率和轉(zhuǎn)矩。 (1)調(diào)壓調(diào)速的允許輸出降壓調(diào)速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。95501000emNemMemNMMPIaCM在整個(gè)調(diào)速范圍允許輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。允許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。 nKnMnMPKMICMiNiiNNNMi95509550保持I不變?nèi)醮耪{(diào)速時(shí)的允許輸出弱磁調(diào)速時(shí)，保持電流IINnKnCRIUeaNN2433295509550KnnKnTPnKInKCICTiiNMNMi弱磁調(diào)速時(shí)， 在整個(gè)

12、調(diào)速范圍內(nèi)的允許輸出功率為常數(shù)， 是恒功率調(diào)速方式。 其允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。 負(fù)載類型與調(diào)速方式的配合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：使電機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下都滿載運(yùn)行， 能得到充分利用。恒功率調(diào)速方法，在nnmin時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及功率比負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩和負(fù)載大得多， 電動(dòng)機(jī)沒充分利用，造成浪費(fèi)。maxmax9550LNNNNLNPnMPnnMMLLLNNNLLNNDMnnMnPnPMnMPPnnminmaxminmaxmaxmaxmin955095509550恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式弱磁控制maxminmaxmin95509550LLNNNLNNTnPnPMPPnn恒功率負(fù)載與調(diào)速方式的配合恒功率負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩

13、調(diào)速方式：高速時(shí)電動(dòng)機(jī)需要輸出的轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩， 電流小于額定電流， 電動(dòng)機(jī)沒有被充分利用。恒功率調(diào)速方法，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，做到額定轉(zhuǎn)矩輸出， 電機(jī)安全且充分利用。LLNNNNLLNDPnMnMPnnMMM95509550maxmaxmaxmax恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒功率控制通風(fēng)機(jī)負(fù)載與調(diào)速方式的配合MnUNUnmaxnminMNMLnMnmaxnminNML恒轉(zhuǎn)矩控制恒功率控制兩種調(diào)速方式，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，除nnmax外所有的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩多小于允許輸出，速度越低， 電機(jī)越不能充分利用。 相比通風(fēng)機(jī)負(fù)載采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式比弱磁調(diào)速造成浪費(fèi)小一些。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：（

14、1）電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相同 ，此時(shí)電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能， 并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載。（2）制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?電動(dòng)機(jī)很快停車，或者由高速運(yùn)行很快進(jìn)入低速， 要求制動(dòng)運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)斷開電源抱閘能耗制動(dòng)反接制動(dòng)回饋制動(dòng)機(jī)械制動(dòng)電氣制動(dòng)自由停車能耗制動(dòng)的方法和原理保持勵(lì)磁電流If的大小及方向不變， 將開關(guān)接至RT， 電樞從電網(wǎng)脫離經(jīng)制動(dòng)電阻RT閉合。參數(shù)特點(diǎn)： N， U0， 電樞回路總電阻RRaRT實(shí)際上是一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能， 全部消耗于電樞回路的電阻上， 所以稱為能耗制動(dòng)。IfU

15、NRTEaIanMn固有能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性emNMeTaMCCRRn2能耗制動(dòng)的參數(shù)代入機(jī)械特性的一般表達(dá)式，得到能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性：制動(dòng)過(guò)程：串電阻反抗性負(fù)載停車位能性負(fù)載穩(wěn)速下放能耗制動(dòng)的特點(diǎn)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)單，停車準(zhǔn)確（2）能耗制動(dòng)產(chǎn)生的沖擊電流不會(huì)影響電網(wǎng)；（3）低速時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，停轉(zhuǎn)慢；（4）動(dòng)能大部分都消耗在制動(dòng)電阻上。制動(dòng)初瞬的最大電流：TaANBRRnCeI制動(dòng)電阻：aNNTRIUR2反接制動(dòng)反接制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）電樞反接（用于反抗性負(fù)載）（電動(dòng)勢(shì)反向）（電壓反向）轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)If及端電壓UN不變， 僅在電樞回路串入足夠大的制動(dòng)電阻RT，使該人為

16、特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。nMem0nABCDAnD電壓平衡式：EUEURRITaa)()(機(jī)械特性：LNeTaLNMeTaICRRnMCCRRnn020轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)能量關(guān)系：aaaTaaIEIURRI)(2U及Ia的方向與電動(dòng)狀態(tài)相同，UIa表示由電網(wǎng)輸入的功率；Ea 的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， EaIa表示輸入的機(jī)械功率在電樞內(nèi)變成電磁功率；UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻RaRT上。電樞反接的反接制動(dòng)保持If不變， 將開關(guān)向下合閘， 使電樞經(jīng)制動(dòng)電阻RT而反接于電網(wǎng)上。參數(shù)特點(diǎn)： N， UUN。 R=Ra+RT.IfUNRTE

17、aIanMemnAABCDE電動(dòng)下固有不串RT串RTnE電樞反接的反接制動(dòng)機(jī)械特性：LNeTaemNMeTaNeNICRRnMCCRRCUn02能量關(guān)系：)(2TaaaaaNRRIIEIU從電網(wǎng)吸收的電能和軸上輸入的機(jī)械能都消耗在電樞回路的電阻上。 電壓平衡式：TaNeNTaaNaTaaaNRRnCURREUIRRIEU)(（Ia反向）電樞反接的反接制動(dòng)特點(diǎn)：（1）可以很快使機(jī)組停機(jī)。（2） 需要加入足夠的電阻， 限制電樞電流；（3）轉(zhuǎn)速至零時(shí)， 需切斷電源。Memn0電動(dòng)下固有AnA回饋制動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某一數(shù)值時(shí)，電樞電動(dòng)勢(shì)大于端電壓， 電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)， 電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用， 限制轉(zhuǎn)速上升， 位能轉(zhuǎn)換為電能， 回饋到電網(wǎng)。 (分反向和正向回饋制動(dòng)）（1）電壓反向的反接制動(dòng)（2）反向電動(dòng)狀態(tài)（3）回饋制動(dòng)EnEBCD串RTn0反向回饋制動(dòng)反向回饋時(shí)， 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速方向與電壓反向后的理想空載轉(zhuǎn)速方向一致，00 ,nCUnCEnnNeNe