直流電機(jī)拖動(dòng)

5.直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)5.1直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性，T-n曲線）在不同的勵(lì)磁方式下，主磁通隨負(fù)載電流的變化不同，導(dǎo)致電機(jī)特性的差異。5.1.1電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下，下降的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行，上升的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。在交點(diǎn)處，轉(zhuǎn)速之上則T<Tz,轉(zhuǎn)速之下則T>Tz5.1.2固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性如何改變并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向：R：分別調(diào)換勵(lì)磁繞組或電樞繞組接頭。不能簡(jiǎn)單地改變電源極性，因而電磁轉(zhuǎn)矩方向與主磁通和電樞電流方向的有關(guān)。1.轉(zhuǎn)矩特性勵(lì)磁電流不變。當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用很小，近似認(rèn)為主磁通不變，則與電樞電流成線性關(guān)系。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電樞反應(yīng)去磁作用使主磁通有所減小，曲線向下彎曲。固有機(jī)械特性負(fù)載電流增加，電樞電阻壓降增大，如不計(jì)電樞反應(yīng)的去磁作用即主磁通不變，Ea減小一些，Ea=CeIa，則n隨Ea的下降而有所減小，形成向下的機(jī)械特性。如考慮電樞反應(yīng)的去磁作用將使每極磁通φ減少，并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。電阻電壓降的影響影響較大，轉(zhuǎn)速特性是略為下傾的?！蔡匦裕?）固有機(jī)械特性分析

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>n0時(shí)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)Ea>U,Ia反向，Ea與Ia同向，向電網(wǎng)送出電功率。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。n0Temn0Tem0n’0TemNnN（2）人為機(jī)械特性分析

根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩公式

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；電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性保持U＝UN及＝N不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的n＝f（T）關(guān)系。對(duì)于給定的Rc，為常數(shù)。Tem0nRa+Rc1Ra+Rc2人為Rc2>Rc1固有Ran0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。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：一般都為降低的電壓。Tem0n人為UN>U1>U2固有UNn0U1U2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，因此各條特性彼此平行。減弱磁通的人為機(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：額定時(shí)，接近飽和，一般都為減弱的磁通。Tem0nN>N’固有Nn0人為N’弱磁通的人為機(jī)械特性特點(diǎn)：（1）磁通減弱轉(zhuǎn)速升高，上調(diào)速（2）特性斜率變化（3）適合于恒功率負(fù)載5.2直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)要求：足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一定范圍的起動(dòng)電流起動(dòng)時(shí)間符合生產(chǎn)要求、起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。tIannIaIst直接起動(dòng)t=0時(shí)，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：損壞電樞繞組、導(dǎo)致?lián)Q向器環(huán)火。隨著速度增加，反電勢(shì)增加，電樞電流反而下降。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)要求：直流電動(dòng)機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，稱為起動(dòng)過(guò)程。對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的基本要求：（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；（2）起動(dòng)電流要??；（3）起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。5.2.1他勵(lì)直流電機(jī)直接起動(dòng)

將電動(dòng)機(jī)的電樞投入額定電壓的電源上起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，無(wú)需另加設(shè)備。缺點(diǎn)：沖擊電流大，引起換向困難，產(chǎn)生火花；電源會(huì)發(fā)生瞬時(shí)跌落。適用于容量很小的電動(dòng)機(jī)。將起動(dòng)電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，逐步將起動(dòng)電阻切除。5.2.2電樞回路串變阻器起動(dòng)R1R2R3Tn0R1+R2+R3R1+R2R1電樞回路串變阻器起動(dòng)起動(dòng)電流將起動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)，選擇合適的Rst，其步驟:（1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)，估算電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻Ra；（2）選取最大起動(dòng)電流I1，計(jì)算最大起動(dòng)電阻；（3）決定起動(dòng)電阻級(jí)數(shù)；（4）計(jì)算起動(dòng)電流比。5.2.3降壓起動(dòng)一般只適用于大容量頻繁起動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)，須用專門的調(diào)壓電源。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流小，起動(dòng)消耗能量少，升速比較平穩(wěn)。在起動(dòng)過(guò)程中，可逐步提升電源電壓，使按需要的加速度上升。在實(shí)用中，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組即采用降壓起動(dòng)法，其中，發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)均采用他勵(lì)，以保證起動(dòng)時(shí)有足夠的勵(lì)磁電流。“整流器-電動(dòng)機(jī)”組也采用此方法。開(kāi)始時(shí)，降低端電壓，使Ia＝(1.5~2.0)IN,T=(1.5～2.0）TN。隨著轉(zhuǎn)速的上升，逐步提高電樞電壓，并使電樞電流限制在一定范圍內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流小，起動(dòng)過(guò)程平滑、能量損耗少。缺點(diǎn)：需要一套專用的直流發(fā)電機(jī)或整流電源，投資費(fèi)用大。5.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速基本要求：調(diào)速幅度寬廣、調(diào)速連續(xù)平滑、損耗小、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等。電樞回路中的串聯(lián)電阻①調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以改變每極磁通Φ；②調(diào)節(jié)外施電源電壓U；③電樞回路中引入可調(diào)電阻量Ra。調(diào)速性能：速比：最高與最低速度之比；平滑性或跳級(jí)調(diào)速；經(jīng)濟(jì)性：損耗、效率調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠、操作方便等。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比改變工作機(jī)構(gòu)的速度，稱為機(jī)械調(diào)速。人為改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)（如端電壓、勵(lì)磁電流或電樞回路電阻），使同一機(jī)械負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速，稱為電氣調(diào)速。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣、過(guò)程平滑、調(diào)節(jié)的方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法：（1）改變勵(lì)磁電流從而改變磁通；（2）改變施加在電樞兩端的電壓；（3）改變串入電樞回路的調(diào)節(jié)電阻。5.3.1改變勵(lì)磁調(diào)速改變勵(lì)磁電流調(diào)速，實(shí)際上是減少勵(lì)磁電流的調(diào)速，所以又稱弱磁調(diào)速。

弱磁調(diào)速：保持U＝UN，Rj＝0，僅減小電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If使主磁通減小，達(dá)到調(diào)速目的。TemnIf1PIf2QIf1>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If1If2PQIf1>If2Temn機(jī)組加速nEaIaTemTem＝TZ新的平衡，新的Ia和n弱磁調(diào)速特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。缺點(diǎn)：?jiǎn)畏较蛘{(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。5.3.2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。TemnU1U1>U2>U3U2U3PQ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)：5.3.3改變電樞回路電阻調(diào)速

保持U＝UN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。R2R1PQR1>R2>R3TemnR3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)。該調(diào)速的特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。（2）低速時(shí)，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。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。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I＝IN弱磁調(diào)速時(shí)，在整個(gè)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n＝nmin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(méi)充分利用，造成浪費(fèi)。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式弱磁控制恒功率負(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(méi)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。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒功率控制5.4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)斷開(kāi)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5.4.1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(kāi)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，U＝0，電樞回路總電阻R＝Ra＋RT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)。IfUNRTEaIan能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性能耗制動(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：Tn固有串電阻反抗性負(fù)載停車位能性負(fù)載穩(wěn)速下放即在轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生阻力矩能耗制動(dòng)nTMABCGH制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由B點(diǎn)開(kāi)始沿直線BC下降至零制動(dòng)過(guò)程中，電樞電流為電磁轉(zhuǎn)矩 為制動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性為

結(jié)論：制動(dòng)時(shí)，機(jī)械特性為過(guò)原點(diǎn)的直線制動(dòng)過(guò)程：開(kāi)始時(shí)，由穩(wěn)定運(yùn)行的工作點(diǎn)A，突然跳到B；此后，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而沿BC下降，直至零，轉(zhuǎn)速為零。特點(diǎn)：制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)變化很小，可加上機(jī)械制動(dòng)閘，加快停轉(zhuǎn)。制動(dòng)電阻RZ俞小，機(jī)械特性愈平，制動(dòng)愈快；如帶位能負(fù)載，當(dāng)電機(jī)停止后，將在反方向加速（第四象限，n<0,T>0）5.4.2反接制動(dòng)的方法和原理反接制動(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）(1)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。nTem0nABCDAnD電壓平衡式：機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)能量關(guān)系：U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(Ra＋RT)上。(2)電樞反接的反接制動(dòng)保持If不變，將開(kāi)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，U＝－UN。R=Ra+RT.IfUNRTEaIanTemnAABCDE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：能量關(guān)系：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：（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。5.5直流電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于某一數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)E大于電機(jī)電源電壓，即E>U，電樞電流將反向，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而起制動(dòng)作用，可限制轉(zhuǎn)速的持續(xù)上升。適用于由串勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的升速場(chǎng)合，如電車下坡。為保證勵(lì)磁，需將