電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)(直流部分)

電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)

朱志峰2/4/2023電氣信息學(xué)院第一章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

本章要求：1.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成及運(yùn)動(dòng)方程式（理解）2.生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算方法（了解）3.生產(chǎn)機(jī)械特性曲線（理解）4.電力拖動(dòng)穩(wěn)定的條件（理解）第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)一.直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機(jī)座和端蓋：起支撐和固定作用。定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導(dǎo)線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換轉(zhuǎn)軸軸承二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過(guò)。

直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

在磁場(chǎng)作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。二.電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成電機(jī)：直流，交流（同步，異步）工作機(jī)構(gòu)：生產(chǎn)設(shè)備控制機(jī)構(gòu)：各種控制器（PLC,單片機(jī)等）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：減速機(jī)第二節(jié)電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式二.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式1.方程式電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式描述了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于作用在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。參數(shù):(注意參考方向）2.分析

動(dòng)態(tài)：T>TL=>dn/dt>0，系統(tǒng)加速（動(dòng)態(tài)）T<TL=>dn/dt<0，系統(tǒng)減速（動(dòng)態(tài)）穩(wěn)態(tài)：T=TL=>dn/dt=0，恒速或靜止（靜態(tài)）

T:電磁轉(zhuǎn)矩m：質(zhì)量TL:負(fù)載轉(zhuǎn)矩G：重量J:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ρ：半徑n:轉(zhuǎn)速（角速度?）D：直徑d?/dt=?角加速度GD2=4gJ：飛輪矩第三節(jié)工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算一.單軸系統(tǒng)與多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)：電機(jī)直接帶動(dòng)負(fù)載多軸系統(tǒng)：電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)負(fù)載關(guān)系：多軸系統(tǒng)可以等效成單軸系統(tǒng)（能量守恒原理）兩級(jí)傳動(dòng)速比：j1=n/n1，j2=n1/n2

兩級(jí)傳動(dòng)效率：η1，η2轉(zhuǎn)矩折算：飛輪矩折算：：電機(jī)側(cè)折算負(fù)載轉(zhuǎn)矩：工作機(jī)構(gòu)負(fù)載轉(zhuǎn)矩以三軸拖動(dòng)系統(tǒng)為例：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1中間級(jí)轉(zhuǎn)速，n2為負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)速二旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

1.轉(zhuǎn)矩折算（能量守恒）a)不考慮傳動(dòng)損耗b)考慮傳動(dòng)損耗其中：2.飛輪矩折算（能量守恒）動(dòng)能：兩邊乘以得：近似計(jì)算：第四節(jié)生產(chǎn)機(jī)械的典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩的特性一.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性（TL大小恒定)1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載定義：TL的實(shí)際方向與轉(zhuǎn)速的實(shí)際方向相反參考方向規(guī)定:TL的正方向與n的正方向相反=>TL>0,n>0orTL<0,n<0TLn2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（TL大小方向恒定）起重機(jī)提升：TL的實(shí)際方向與轉(zhuǎn)速的實(shí)際方向相反且參考方向相反=>TL>0,n>0下降：TL的實(shí)際方向與轉(zhuǎn)速的實(shí)際方向相同且參考方向相反=>TL>0,n<0TLn二.恒功率負(fù)載（某些機(jī)床）常數(shù)TLn三.通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性TLnTL0理想的通風(fēng)機(jī)特性實(shí)際通風(fēng)機(jī)特性第五節(jié)電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件一.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性：U電樞電壓，勵(lì)磁電流If和電樞電阻Rs為恒定的條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線n=f(T)。電樞回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁轉(zhuǎn)矩

與電機(jī)參數(shù)有關(guān)實(shí)際空載轉(zhuǎn)速:理想空載轉(zhuǎn)速:令U=UN,Φ=ΦN,RS=0得固有機(jī)械特性曲線：(1)理想空載轉(zhuǎn)速：T=0,n=n0=UN/CeΦN(2)額定轉(zhuǎn)速：T=TN,n=nN=n0-△nN1.固有機(jī)械特性曲線不改變電機(jī)回路的參數(shù)(3)固有特性：n=n0-?t,?=Ra/(CeCtΦN2)?大=>△nN上升=>曲線陡=>特性軟，反之特性硬由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機(jī)械特性是硬特性。(4)空載時(shí)，n’0=n0-?T0(5)轉(zhuǎn)速特性：Φ不變=>Ia與T正比（線性關(guān)系）得機(jī)械特性(1)電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性，既串Rs?改變，n0不變特點(diǎn)：1）不變，變大；2）越大，特性越軟。2.人為機(jī)械特性曲線改變電機(jī)回路的參數(shù):U,If,Rs(2)改變U，?不變，no與U成正比特點(diǎn)：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。保持不變，只改變電樞電壓時(shí)的人為特性：Φ下降->n0上升Φ下降=>?上升特性上移，變軟(3)改變勵(lì)磁電流If特點(diǎn)：1）弱磁，

增大；2）弱磁，增大保持不變，只改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：機(jī)械特性求取一、固有特性的求取

已知，求兩點(diǎn):1）理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行。具體步驟：(1)估算(2)計(jì)算(3)計(jì)算理想空載點(diǎn)：(4)計(jì)算額定工作點(diǎn)：二、人為特性的求取

在固有機(jī)械特性方程:的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對(duì)應(yīng)的參數(shù)Rs或U或Φ變化，重新計(jì)算n0和β,然后得到人為機(jī)械特性方程式。二.電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件穩(wěn)定運(yùn)行：電力拖動(dòng)系統(tǒng)在系統(tǒng)的某種干擾作用下，離開(kāi)了平衡位置，在新的條件下達(dá)到新的平衡，并在擾動(dòng)消失后，還能回到原來(lái)的位置。分析負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的情況結(jié)論：對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)的機(jī)械特性曲線斜率向下則穩(wěn)定，反之不穩(wěn)定。推廣1：在T與TL的交點(diǎn)處（平衡點(diǎn)），轉(zhuǎn)速之上T<TL,同時(shí)在交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速之下T>TL，則穩(wěn)定。推廣2：在T=TL處，dT/dn<dTL/dn第二章直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)：降壓起動(dòng)，電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng)調(diào)速：電樞回路串電阻，降壓，弱磁制動(dòng)：能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)，回饋制動(dòng)第一節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一·起動(dòng)要求分析定義：電動(dòng)機(jī)通電后開(kāi)始旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速不斷增加，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程。要求：起動(dòng)時(shí)間短->加速度大->電磁轉(zhuǎn)矩大->電樞電流大->換向困難，火花大，產(chǎn)生機(jī)械撞擊。加額定電壓后，起動(dòng)瞬間的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流分別為：

起動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動(dòng)勢(shì)為零，而且電樞電阻很小，所以起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將達(dá)很大值。起動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)電流要達(dá)到平衡。

過(guò)大的起動(dòng)電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動(dòng)機(jī)的換向惡化；同時(shí)過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩會(huì)損壞電樞繞組和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。一般直流電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。方法1：電樞回路串電阻Ia=(U-E)/(Ra+R)=U/(Ra+R)，改變R使得Ia<（1.8～2.5）In方法2：降壓起動(dòng)，U由低到高，使得Ia<（1.8～2.5）InIa=(U-E)/Ra=U/Ra

為了限制起動(dòng)電流，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動(dòng)。二·串電阻分級(jí)起動(dòng)1.實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過(guò)程電氣線路2.起動(dòng)過(guò)程I1:電機(jī)最大允許電流I2:切換電流,I2大則起動(dòng)級(jí)數(shù)多I1>I2>IL，I2=(1.1~2.2)ILa->b->c->d->e->f->g->h->iUN-CeΦnb=I2(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)b點(diǎn)UN-CeΦnc=I1(Ra+Rst1+Rst2)c點(diǎn)nb=nc3.起動(dòng)電阻計(jì)算(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)/(Ra+Rst1+Rst2)=I1/I2=λ(1)同理對(duì)d,e點(diǎn)和f,g點(diǎn),得方程(2):(Ra+Rst1+Rst2)/(Ra+Rst1)=(Ra+Rst1)/(Ra)=I1/I2=λ由（1）（2）得Ra+Rst1+Rst2+Rst3=Raλ3(3)由a點(diǎn)得方程UN-CeΦna=I1(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)其中，na=0即，UN/I1=(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)(4)由（3）和（4）得Ra+Rst1=Raλ=>Rst1=(λ-1)RaRa+Rst1+Rst2=Raλ2=>Rst2=λRst1Ra+Rst1+Rst2+Rst3=Raλ3=>Rst3=λRst2一般情況：Rst1=(λ-1)Ra，Rst2=λRst1,…,Rstm=λRst(m-1)

由方程式（2）得：求解步驟：(1)已知級(jí)數(shù)m求得：Rst1=(λ-1)Ra，Rst2=λRst1,…,Rstm=λRst(m-1)(2)已知I2，得取整后，由m重新按（1）求解，再驗(yàn)證I2=I1/λ>IL負(fù)載電流三降壓起動(dòng)

當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)，可采用降壓方法起動(dòng)。

起動(dòng)時(shí)，以較低的電源電壓起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。

降壓起動(dòng)需專(zhuān)用電源，設(shè)備投資較大，但它起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過(guò)程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。第二節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速定義：通過(guò)人為改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速一·他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法機(jī)械特性曲線分析：改變：電阻Ra+Rs，電壓U，磁通Φ=>調(diào)節(jié)n1·電樞回路串電阻原理由電機(jī)數(shù)學(xué)方程分析（以速降為例）穩(wěn)態(tài)分析：T不變->Ia不變R上升，U不變,Ia不變->則E下降->n下降

未串電阻時(shí)的工作點(diǎn)串電阻后,工作點(diǎn)由A→A’→B0由機(jī)械特性曲線分析動(dòng)態(tài)分析：電機(jī)狀態(tài)：A->A’->B穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。2）低速時(shí)特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性差3）輕載時(shí)調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍D一般≦24）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前、后因增通不變而使電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。缺點(diǎn)：1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；調(diào)速性能損耗大，電阻發(fā)熱功率損耗空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍小低速時(shí)，特性變軟，穩(wěn)定性差為有級(jí)調(diào)速實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單改進(jìn)方法：電樞并電阻，特性硬，穩(wěn)定性好2.降壓調(diào)速原理：由電機(jī)數(shù)學(xué)方程分析穩(wěn)態(tài)分析：

T不變->Ia不變U下降，R不變,Ia不變->則E下降->n下降動(dòng)態(tài)分析：電機(jī)狀態(tài)：A->A’->B穩(wěn)定TTLAA’B調(diào)速壓前工作點(diǎn)A降壓瞬間工作點(diǎn)穩(wěn)定后工作點(diǎn)

降壓調(diào)速過(guò)程與電樞串電阻調(diào)速過(guò)程相似，調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時(shí)間變化的曲線也相似。由機(jī)械特性曲線分析實(shí)現(xiàn)方法發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能比較優(yōu)越，總投資大，容量大2.可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速性能高，容量大，應(yīng)用普遍3.弱磁調(diào)速原理由電機(jī)數(shù)學(xué)方程分析穩(wěn)態(tài)分析：動(dòng)態(tài)分析：電機(jī)狀態(tài)：A->A’->B調(diào)節(jié)磁場(chǎng)前工作點(diǎn)弱磁瞬間工作點(diǎn)A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點(diǎn)AB減弱磁通后，理想空載轉(zhuǎn)速上升,曲線的斜率值增大。由機(jī)械特性曲線分析優(yōu)點(diǎn)：

由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動(dòng)機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動(dòng)機(jī)的效率基本不變，因此經(jīng)濟(jì)性是比較好。2）轉(zhuǎn)速的升高受到電動(dòng)機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，升速范圍不可能很大，一般調(diào)速范圍D≤2；

為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來(lái)，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓調(diào)速。思考：當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電源突然掉電，則會(huì)發(fā)生什么情況?缺點(diǎn)：1）機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；二.調(diào)速指標(biāo)1.靜差率（對(duì)某一個(gè)機(jī)械特性曲線而言）定義：

n0:該特性理想空載轉(zhuǎn)速n1:該特性額定負(fù)載轉(zhuǎn)速靜差率與機(jī)械特性曲線硬度的差別：對(duì)一組平行的機(jī)械特性曲線，硬度相同，但靜差率不同。(理想空載轉(zhuǎn)速小，靜差率大）2.調(diào)速范圍D（對(duì)一簇機(jī)械特性曲線而言）定義：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，可能的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比

所以得到靜差率下降=>調(diào)速范圍下降（nmax,ΔnN一定）ΔnN下降=>D上升（nmax,靜差率一定）=>采用無(wú)靜差的閉環(huán)控制3.調(diào)速平滑性

定義：相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速的接近程度。在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù)。平滑系數(shù)：Φ=ni/(ni-1),Φ越接近1，平滑性越好，當(dāng)Φ=1時(shí)，稱為無(wú)級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，級(jí)數(shù)有限，稱為有級(jí)調(diào)速。4.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性投資費(fèi)用、運(yùn)行效率及維修費(fèi)用5.調(diào)速時(shí)允許輸出調(diào)速過(guò)程所能輸出的功率與轉(zhuǎn)矩三.調(diào)速方式與負(fù)載類(lèi)型的配合1.穩(wěn)定運(yùn)行條件分析1）T=TL2）Ia<Ian,即要保證最大程度使用電機(jī)，就要使Ia=Ian，也可使調(diào)速過(guò)程快。串電阻，降壓調(diào)速：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速因?yàn)镮a=Ian不變，則T=CtΦIa不變?nèi)醮耪{(diào)速:恒功率調(diào)速同樣，EIa=(Un-IaRa)Ia不變，既速度與轉(zhuǎn)矩的乘積nT不變2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速電機(jī)穩(wěn)定時(shí)，必然在機(jī)械特性曲線和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)處，而調(diào)速時(shí)機(jī)械特性曲線（人為機(jī)械特性曲線）是移動(dòng)變化的，既交點(diǎn)只能在負(fù)載特性曲線上，而恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線為豎直直線AB要使得調(diào)速時(shí)電機(jī)充分利用，必須滿足Ia=Ian，即T=TN為常數(shù)，同樣為豎直直線A’B’。當(dāng)T=TN的直線A’B’與負(fù)載線AB重合時(shí)，既調(diào)速時(shí)t同時(shí)滿足上面兩個(gè)條件，電機(jī)充分利用，其狀態(tài)位于AB直線。結(jié)論：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)電機(jī)能充分利用3.恒功率負(fù)載，恒功率調(diào)速電機(jī)穩(wěn)定時(shí)，必然在機(jī)械特性曲線和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)處，而調(diào)速時(shí)機(jī)械特性曲線是移動(dòng)變化的，既交點(diǎn)只能在負(fù)載特性曲線上，而恒功率負(fù)載特性曲線為雙曲線CD要使得調(diào)速時(shí)電機(jī)充分利用必須滿足Ia=Ian，即E為常數(shù)，同樣為雙曲線C’D’。當(dāng)曲線Ia=Ian的雙曲線C’D’與負(fù)載曲線CD重合，既調(diào)速時(shí)電機(jī)能被充分利用。結(jié)論：電機(jī)調(diào)速時(shí)能滿足Ia=Ian，因此電機(jī)調(diào)速時(shí)能充分利用。4.恒功率負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速電機(jī)穩(wěn)定時(shí)，必然在機(jī)械特性曲線和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)處，而調(diào)速時(shí)機(jī)械特性曲線是移動(dòng)變化的，既交點(diǎn)只能在負(fù)載特性曲線上，而恒功率負(fù)載特性曲線為雙曲線CD要使得調(diào)速時(shí)電機(jī)充分利用必須滿足Ia=Ian，而恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速曲線Ia=Ian為直線AB直線AB不可能與雙曲線CD重合。結(jié)論：因此電機(jī)調(diào)速時(shí)不能充分利用。5.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒功率調(diào)速電機(jī)穩(wěn)定時(shí)，必然在機(jī)械特性曲線和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)處，而調(diào)速時(shí)機(jī)械特性曲線是移動(dòng)變化的，既交點(diǎn)只能在負(fù)載特性曲線上，而恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線為直線AB。要使得調(diào)速時(shí)電機(jī)充分利用必須滿足Ia=Ian，既調(diào)速時(shí)電機(jī)的狀態(tài)位于雙曲線CD。直線AB不可能與雙曲線CD重合結(jié)論：電機(jī)調(diào)速時(shí)不能滿足Ia=Ian，因此電機(jī)調(diào)速時(shí)不能充分利用。第三節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)運(yùn)行一.概述制動(dòng)定義：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的實(shí)際方向相反1.轉(zhuǎn)速n,轉(zhuǎn)矩T,電壓U的參考方向的定義：電動(dòng)機(jī)加正向并作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，各量的實(shí)際方向?yàn)閰⒖挤较?與參考方向相同為正,反之為負(fù)。所以制動(dòng)時(shí)，電機(jī)在2，4象限運(yùn)行電動(dòng)時(shí)，電機(jī)在1，3象限運(yùn)行2.制動(dòng)運(yùn)行的種類(lèi)能耗制動(dòng)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)電壓反向反接制動(dòng)二.能耗制動(dòng)1.原理：

電氣線路圖，特性曲線2.能耗制動(dòng)停車(chē)

正向電動(dòng)時(shí)，電源去掉并串電樞回路電阻

當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時(shí),電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài);當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時(shí),電機(jī)運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)。

電動(dòng)制動(dòng)電動(dòng)狀態(tài)，如圖所示。將開(kāi)關(guān)S投向制動(dòng)電阻上即實(shí)現(xiàn)制動(dòng).

由于慣性，電樞保持原來(lái)方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)勢(shì)方向不變。由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的方向相反,對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩與方向相反,為制動(dòng)性質(zhì),電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。

制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械的慣性力的拖動(dòng)而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械特性方程：制動(dòng)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)變化：Ia=(U-E)/(RS+Ra)變負(fù)->T變負(fù)->n↓->E↓->Ia↓->T↓->T=0方向變化圖示：圖2-17電動(dòng)狀態(tài):T>0,Ia>0,E>0,TL>0,n>0制動(dòng)狀態(tài):T<0,Ia<0,E>0,TL>0,n>0機(jī)械特性曲線：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)變化過(guò)程：A->B->C電阻值大小：Rs=-E/Ia-Ra,E為制動(dòng)瞬間電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)Ia允許最大值。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性為：電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)制動(dòng)過(guò)程工作段電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載,即下放重物，穩(wěn)定工作點(diǎn)電動(dòng)狀態(tài)（電路未改變之前,A點(diǎn)）：EIa>0,表示電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能制動(dòng)狀態(tài)：（B點(diǎn)）EIa<0,表示電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能UIa=0,表示電網(wǎng)斷開(kāi)，無(wú)能量傳遞。能量轉(zhuǎn)化分析：E=-Ia(Ra+Rs)->EIa=-Ia2(Ra+Rs)電動(dòng)機(jī)由于摩擦力和電磁轉(zhuǎn)矩而停止，因此，電動(dòng)機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦力消耗的熱能和電樞電阻消耗的熱能。3.能耗制動(dòng)用于恒速下放重物機(jī)械特性方程：同前制動(dòng)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)變化：Ia=(U-E)/(RS+Ra)變負(fù)->T變負(fù)->n↓->E↓->Ia↓->T↓->T=0->T變正->n變負(fù)，大小增加->T=TL（穩(wěn)定）方向變化圖示：制動(dòng)狀態(tài):T<0,Ia<0,E>0,TL>0,n>0(第二象限）T>0,Ia>0,E<0,TL>0,n<0(第四象限）機(jī)械特性曲線：能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性為：電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)制動(dòng)過(guò)程工作段電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載,即下放重物，穩(wěn)定工作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)變化過(guò)程：A->B->C->D電阻值大?。和澳芰糠治觯▽?duì)第二象限和第四象限都有）EIa<0,表示機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后，再被電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，最后以熱能形式消耗在電樞回路的電阻上。UIa=0,表示電網(wǎng)斷開(kāi)，無(wú)能量傳遞。三.電壓反向反接制動(dòng)電壓反接制動(dòng)時(shí)接線如圖所示。電動(dòng)制動(dòng)

開(kāi)關(guān)S投向“電動(dòng)”側(cè)時(shí)，電樞接正極電壓，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)投向“制動(dòng)”側(cè)，電樞回路串入制動(dòng)電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：

反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動(dòng)作用——電壓反接制動(dòng)。機(jī)械特性方程：機(jī)械特性曲線：制動(dòng)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)變化：Ia=(-U-E)/(RS+Ra)變負(fù)->T變負(fù)->n↓->E↓->Ia↓->T↓->T=0方向變化圖示：電動(dòng)狀態(tài)(電壓未反向前）:T>0,Ia>0,E>0,TL>0,n>0,U>0制動(dòng)狀態(tài):T<0,Ia<0,E>0,TL>0,n>0,-U<0運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)變化過(guò)程：A->B->C電阻值大?。悍椒ㄍ夏芰哭D(zhuǎn)化分析：EIa<0,表示電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能-UIa>0,表示電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)傳遞能量。E=-U-Ia(Ra+Rs)->Ia2(Ra+Rs)=︱EIa︱+︱UIa︱電阻耗能電動(dòng)機(jī)能量電源能量以上說(shuō)明制動(dòng)過(guò)程中，電網(wǎng)向電樞回路輸送能量，同時(shí)電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能并輸送至電樞回路，它們都消耗在電阻的熱能上了。四.轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)（倒拉反轉(zhuǎn)）

倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)較大的電阻,轉(zhuǎn)速反向電壓正向,即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng).機(jī)械特性方程：機(jī)械特性曲線：制動(dòng)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)變化：Ia=(U-E)/(RS+Ra)變小->T減小,T<TL->n↓->E↓->Ia↑->T↑->T=TL電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動(dòng)狀態(tài)提升重物(A點(diǎn))負(fù)載作用下電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)(下放重物)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物D點(diǎn)工作點(diǎn)由A-B-C-D,CD段為制動(dòng)段方向變化圖示：電動(dòng)狀態(tài):（增加電阻改變電路后，n下降）T>0(T<TL),Ia>0,E>0,TL>0,n>0,U>0制動(dòng)狀態(tài):（第四象限，n增加）T>0,Ia>0,E<0,TL>0,n<0,U>0運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)變化過(guò)程：A->B->C->D能量轉(zhuǎn)化分析：（D點(diǎn)）EIa<0,表示電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能UIa>0,表示電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)傳遞能量。E=U-Ia(Ra+Rs)->Ia2(Ra+Rs)=︱EIa︱+UIa電阻耗能電動(dòng)機(jī)能量電源能量以上說(shuō)明制動(dòng)過(guò)程中，電網(wǎng)向電樞回路輸送電能，同時(shí)電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能并輸送至電樞回路，它們都消耗在電樞電阻的熱能上了。（與電壓反向反接制動(dòng)比較）五.回饋制動(dòng)定義：n>n0,E和U同號(hào)，E>U,Ia<0,T<O電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。兩種實(shí)現(xiàn)方法:(1)增加轉(zhuǎn)速(2)減小U.機(jī)械特性方程：不變機(jī)械特性曲線：當(dāng)電車(chē)下坡時(shí)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速可能超過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速,進(jìn)入第二象限電壓反向反接制動(dòng)帶位能性負(fù)載進(jìn)入第四象限制動(dòng)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)變化：(1)遇下坡，TL變負(fù)->n↑->E↑->Ia↓->T↓->T=0，n=n0,E=U0->n>n0，Ia變負(fù)，T也變負(fù)，T<TL->n↑->T=TL以上黑色過(guò)程為電動(dòng)，紅色過(guò)程為回饋制動(dòng)(2)U變小,n0變小->n>n0,Ia變負(fù),T變負(fù)->n↓->E↓->Ia↓->T↓->T=0,Ia=0,n=n0,E=U0->T變正,Ia變正->T↑->T=TL以上黑色過(guò)程為電動(dòng)，紅色過(guò)程為回饋制動(dòng)方向變化圖示：T<0,Ia<0,E>0,TL<0,n>0,U>0,E>U

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)變化過(guò)程：A->C能量轉(zhuǎn)化分析：EIa<0,表示電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能UIa<0,表示電網(wǎng)為負(fù)載，從電動(dòng)機(jī)回路吸入能量。E=U-IaRa->Ia2Ra+︱UIa︱=︱EIa︱電阻耗能電源輸能電動(dòng)機(jī)能量以上說(shuō)明回饋制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，再將大部分電能通過(guò)電樞回路返回至電網(wǎng)。第四節(jié)直流拖動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行：Ｔ＝ＴＬ過(guò)渡過(guò)程：Ｔ≠ＴＬ過(guò)渡過(guò)程定義：是系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡所經(jīng)歷的過(guò)程．變化：n－＞Ｅ－＞Ｉa－＞Ｔ目的：控制過(guò)渡過(guò)程，減小損耗，提高效率，準(zhǔn)確停車(chē)方法：解析法，圖解法，計(jì)算機(jī)仿真或數(shù)值計(jì)算分析一．忽略電樞電感時(shí)的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生原因:能量不能突變電磁慣性：電感電流不能突變機(jī)械慣性：轉(zhuǎn)速不能突變１.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載過(guò)渡過(guò)程一般規(guī)律（電樞串電阻）運(yùn)動(dòng)方程：≠0機(jī)械特性：得到：令得：其解為：將邊界條件t=0,n=nB帶入得：同樣可得：一般表達(dá)式：三要素法BG:起始值，ED：終止值（穩(wěn)態(tài)值）Tm:時(shí)間常數(shù)初始值：過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始前的穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值：過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始后，電機(jī)滿足機(jī)械特性與負(fù)載特性的交點(diǎn)．機(jī)電時(shí)間常數(shù)：運(yùn)動(dòng)方程和機(jī)械特性中有關(guān)參數(shù)的確定．推廣：對(duì)電壓引起的過(guò)渡過(guò)程，解法相同．對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變引起的過(guò)渡過(guò)程，解法也相同．由過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到轉(zhuǎn)速nME（或ＴME，ＩME）達(dá)到某一中間值所經(jīng)歷的時(shí)間tME。２.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電樞回路串固定電阻啟動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程．分析：轉(zhuǎn)速初始值n＝0，所以過(guò)渡過(guò)程可視為U從0到某一定值變化而引起的過(guò)渡過(guò)程.設(shè)起動(dòng)瞬間t=0。起始值：nBG=0,IaBG=U/(Ra+Rs),TBG=CTφIaBG,終止值：TED=TL,IaED=TED/CTφ,nED=[U-(Ra+Rs)IED]/(Ceφ)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：滿足t=4Tm，時(shí)認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。3.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻分級(jí)起動(dòng)時(shí)間計(jì)算(以3級(jí)為例)t在0-t1時(shí)間段：電樞電阻為Ra+Rst1+Rst2+Rst3IaBG=I1,IaED=IL,Iame=I2,則t1=Tm1ln(I1-IL)/(I2-IL)t在t1-t2時(shí)間段：電樞電阻為Ra+Rst2+Rst3IaBG=I1,IaED=IL,Iame=I2,則t2=Tm2ln(I1-IL)/(I2-IL)t在t2-t3時(shí)間段：電樞電阻為Ra+Rst3IaBG=I1,IaED=IL,Iame=I2,則t3=Tm3ln(I1-IL)/(I2-IL)t在t3-t4時(shí)間段：電樞電阻為RaIaBG=I1,IaED=IL,Iame=IL,則t4=Tm3ln(I1-IL)/(IL-IL)->無(wú)窮大這里取t4=4Tm4,得到總時(shí)間：t=t1+t2+t3+t4=(Tm1+Tm2+Tm3)ln(I1-IL)/(I2-IL)-4Tm4.電壓反向的反接制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程分析1)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載nBG=nB,nED=nC,TBG=TB,TED=TL,速度降為0的時(shí)間為tb,Tp為n=0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩

2)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載三過(guò)渡過(guò)程中能量損耗1.空載過(guò)渡過(guò)程能量損耗(銅耗,不考慮電樞電感)ΔW為電樞回路銅耗，ΔE為電源輸入總能量1)空載起動(dòng)能量損耗?BG=0,?x=?0,分別帶入上面兩式得：2)空載能耗制動(dòng)停車(chē)的能量損耗由U=0得?0=0,?X=03)電壓反向反接制動(dòng)空載停車(chē)U<0,?0<0,?BG=-?0,?X=0能量損耗由電源(J?0