第九章直流電機(jī)的運(yùn)行2

電機(jī)及拖動基礎(chǔ)第九章直流電動機(jī)的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院2上一節(jié)課的主要內(nèi)容：(1)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算——了解(2)工作機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)矩,力,飛輪慣量和質(zhì)量折算——重點(diǎn)(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性——重點(diǎn)電氣與自動化工程學(xué)院3

折算的原則：保持兩個(gè)系統(tǒng)傳送的功率及儲存的動能相同。

以電動機(jī)軸為折算對象，需要折算的參量為：

工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩Tz’，直線運(yùn)動需克服的阻力Fz折算為電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩Tz；系統(tǒng)中各軸（除電動機(jī)軸外）的轉(zhuǎn)動慣量J1、J2、J3，進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)量mz折算為電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量J。電氣與自動化工程學(xué)院4（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)：恒轉(zhuǎn)矩Tz總是反對運(yùn)動的方向；負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的定義：在運(yùn)動方程式中，阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）Tz與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系Tz=f(n)為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；風(fēng)機(jī)負(fù)載；恒功率負(fù)載（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩Tz具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。電氣與自動化工程學(xué)院5本節(jié)課的主要內(nèi)容：(1)他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性——重點(diǎn)

機(jī)械特性方程式、

機(jī)械特性的繪制；(2)電力拖動穩(wěn)定運(yùn)行的條件——理解

穩(wěn)定性的概念(3)他勵直流電動機(jī)的起動——重點(diǎn)

起動方法（電樞回路串電阻起動的物理過程）電氣與自動化工程學(xué)院6第九章直流電動機(jī)的電力拖動9-1他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性9-2他勵直流電動機(jī)的起動9-3他勵直流電動機(jī)的制動9-4他勵直流電動機(jī)的調(diào)速9-5晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)9-6他勵直流電動機(jī)過渡過程的能量損耗9-7串勵直流電動機(jī)的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院7

電動機(jī)的機(jī)械特性是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T

的關(guān)系n=f(T)。直流電動機(jī)的幾個(gè)基本方程式：電磁轉(zhuǎn)矩：感應(yīng)電動勢：他勵直流電動機(jī)電路原理圖電樞電路的電動勢平衡方程式：電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性：又∵電氣與自動化工程學(xué)院8直流電動機(jī)機(jī)械特性方程式：如果U、R、Ф為常數(shù)時(shí)，機(jī)械特性n=f(T)的曲線如圖所示。他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性可見，是一條向下傾斜的直線n0——電動機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速β——機(jī)械特性斜率如何改變n0的大??？調(diào)節(jié)U或Φ電氣與自動化工程學(xué)院9他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性注意：電動機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為比略小。電動機(jī)空載旋轉(zhuǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T不可能為零，而是等于T0，即電動機(jī)必須克服該空載損耗轉(zhuǎn)矩T0。電動機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為電氣與自動化工程學(xué)院10直流電動機(jī)機(jī)械特性方程式：表示電動機(jī)帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降，用△n表示

轉(zhuǎn)速降△n=βT

斜率β

β=|dn/dT|機(jī)械特性的硬度α

α=|dT/dn|=1/β可見斜率β越小，硬度α越大，即機(jī)械特性越硬。一般的，他勵電動機(jī)，當(dāng)電樞沒有外接電阻時(shí)，斜率β越小，硬度α越大，即機(jī)械特性都比較硬。設(shè)△nN%為額定轉(zhuǎn)速變化率電氣與自動化工程學(xué)院11電樞反應(yīng)對機(jī)械特性的影響當(dāng)電樞電流較大時(shí)，由于飽和的影響，產(chǎn)生去磁作用。磁通降低，轉(zhuǎn)速就要回升，機(jī)械特性在負(fù)載大時(shí)呈上翹現(xiàn)象。電樞反應(yīng)對機(jī)械特性的影響抵消電樞反應(yīng)的去磁作用的方法——在主磁極上串聯(lián)匝數(shù)很少的串勵繞組（穩(wěn)定繞組）。直流電動機(jī)機(jī)械特性方程式：電氣與自動化工程學(xué)院12二、固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性

固有機(jī)械特性——當(dāng)他勵電動機(jī)電壓及磁通均為額定值時(shí)，且電樞沒有串聯(lián)電阻時(shí)的機(jī)械特性。

人為機(jī)械特性——通過改變電動機(jī)參數(shù)的方法獲得，可分為三種。由于Ra較小，他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性較硬。他勵直流電動機(jī)固有機(jī)械特性電樞串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性電樞串電阻時(shí)人為機(jī)械特性曲線電氣與自動化工程學(xué)院131.電樞串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性n0不變β增加硬度α減小在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速降△n隨串聯(lián)電阻的增大而增加。RΩ2>RΩ1電氣與自動化工程學(xué)院142.改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性電樞不串入電阻RΩ，Φ=ΦN，機(jī)械特性方程式為電壓U降低時(shí)，n0減小，β不變，硬度α不變。電壓不同時(shí)的人為機(jī)械特性改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性曲線由于電樞中沒有串聯(lián)電阻，因此其特性較串聯(lián)電阻時(shí)硬。電氣與自動化工程學(xué)院153.減弱電動機(jī)磁通時(shí)的人為機(jī)械特性他勵直流電動機(jī)電路原理圖他勵直流電動機(jī)在額定磁通下運(yùn)行時(shí)，磁路接近飽和。因此，改變磁通就是減弱磁通。改變勵磁回路的電阻rQ，來改變磁通。ΦN>Φ1>Φ2Ф不同時(shí)的n=f(T)曲線電氣與自動化工程學(xué)院16Ф減小時(shí)，n0、β都增大，α減小。Ф不同時(shí)的n=f(Ia)曲線Ф減小時(shí)，n0增大，但堵轉(zhuǎn)（短路）電流不變。電氣與自動化工程學(xué)院17三、機(jī)械特性的繪制由電動機(jī)機(jī)械特性方程式可知，計(jì)算或繪制機(jī)械特性，必須知道CeΦ與CTΦ等參數(shù)，而這些參數(shù)電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)p、a、N等有關(guān)，但這些參數(shù)不易得到。在設(shè)計(jì)時(shí)，往往根據(jù)電動機(jī)銘牌數(shù)據(jù)、產(chǎn)品目錄或?qū)崪y數(shù)據(jù)來計(jì)算機(jī)械特性。

PN、UN、IN和nN1.固有機(jī)械特性的繪制固有機(jī)械特性是一條直線，只要求出線上兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就可繪出這條直線。一般選擇理想空載(T=0，n0)及額定運(yùn)行（TN，nN）兩點(diǎn)較為方便。電氣與自動化工程學(xué)院18已知銘牌數(shù)據(jù)，求固有機(jī)械特性步驟：2）求3）求5）理想運(yùn)行點(diǎn)：1）求電樞電阻：進(jìn)行實(shí)測或估算4）理想空載點(diǎn)：NeNCUnf=0既已求出兩點(diǎn)，通過兩點(diǎn)的連線即為固有機(jī)械特性。電氣與自動化工程學(xué)院192.人為機(jī)械特性的繪制人為機(jī)械特性的計(jì)算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)值代入相應(yīng)的機(jī)械特性方程式即可。電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性減弱電動機(jī)勵磁時(shí)的人為機(jī)械特性電氣與自動化工程學(xué)院20四、電力拖動穩(wěn)定運(yùn)行的條件他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性負(fù)載特性

討論：生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性與電動機(jī)的機(jī)械特性這兩種特性的配合問題。在電力拖動運(yùn)動方程式中已指出，當(dāng)轉(zhuǎn)矩T與Tz方向相反，大小相等而相互平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速為某一穩(wěn)定值，拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，或稱靜態(tài)。電氣與自動化工程學(xué)院21他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性負(fù)載特性1負(fù)載特性2

如負(fù)載增大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由Tz1增大到Tz2，原先T=Tz1的平衡被打破，dn/dt<0，拖動系統(tǒng)進(jìn)入減速過程。

n↓，感應(yīng)電動勢Ea↓，電樞電流Ia↑，T↑，直到T=Tz2，減速過程結(jié)束，系統(tǒng)以較低的轉(zhuǎn)速nB穩(wěn)定運(yùn)行。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩由Tz2減小到Tz1電氣與自動化工程學(xué)院22兩種特性有交點(diǎn)僅是穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件是：如果電力拖動系統(tǒng)原在交點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行，由于出現(xiàn)某種干擾作用（如電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的微小變化等），使原來兩種特性的平衡變成不平衡，電動機(jī)轉(zhuǎn)速便稍有變化，這時(shí)，當(dāng)干擾消除后，拖動系統(tǒng)必須有能力使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來交點(diǎn)處的數(shù)值。電力拖動系統(tǒng)如能滿足這樣的特性配合條件，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的。電氣與自動化工程學(xué)院23穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)

在交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上應(yīng)保證T<Tz，而在這一轉(zhuǎn)速之下則要求T>Tz。電氣與自動化工程學(xué)院24第九章直流電動機(jī)的電力拖動9-1他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性9-2他勵直流電動機(jī)的起動9-3他勵直流電動機(jī)的制動9-4他勵直流電動機(jī)的調(diào)速9-5晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)9-6他勵直流電動機(jī)過渡過程的能量損耗9-7串勵直流電動機(jī)的電力拖動電氣與自動化工程學(xué)院25一、他勵直流電動機(jī)的起動方法他勵直流電動機(jī)起動時(shí)，必須保證先有磁場（即先通勵磁電流），而后加電樞電壓。不考慮電樞電感對電樞電流的影響，電樞電流Ia為

剛起動時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，Ea=0，U=UN，則Ia很大，這會對電機(jī)造成嚴(yán)重的破壞，所以起動時(shí)應(yīng)將起動電流限制在一定的允許范圍之內(nèi)，一般為（1.5～2）IN。

直流電動機(jī)常用的起動方法有三種：直接起動、降壓起動和電樞回路串電阻起動。電氣與自動化工程學(xué)院261）直接起動他勵直流電動機(jī)直接起動，就是將電動機(jī)直接投入（接入）到額定電壓的電網(wǎng)上起動。

直流電機(jī)直接起動時(shí)的電路圖電氣與自動化工程學(xué)院27直流電動機(jī)直接起動的電磁過程直接起動的優(yōu)點(diǎn)是：直接起動不需要起動設(shè)備，操作簡單，起動轉(zhuǎn)矩大。直接起動的缺點(diǎn)是：起動電流大。1）過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓的下降；2）繞組發(fā)熱嚴(yán)重；3）很大的起動轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械震蕩。為了限制起動電流，可以采用降低電源電壓和電樞回路串聯(lián)電阻的起動方法。電氣與自動化工程學(xué)院282）降壓起動降壓起動是指起動前將施加在電動機(jī)電樞兩端的電壓降低，以限制起動電流，起動電流通常限制在（1.5～2）IN內(nèi)。

降壓起動的優(yōu)點(diǎn)是：在起動過程中能量損耗小，起動平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)自動化。但是，降壓起動需要一套可調(diào)節(jié)電壓的直流電源，增加了設(shè)備投資。電氣與自動化工程學(xué)院293）電樞回路串電阻起動

起動電阻只在電機(jī)起動時(shí)起限制起動電流的作用，在起動后必須切除，否則會降低機(jī)械特性硬度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。為保證起動平穩(wěn)應(yīng)采用逐級切除的方法。

下面以二級起動為例，說明電樞串電阻分級起動的過程。左圖表示他勵直流電動機(jī)分兩級起動時(shí)的電路圖。

起動時(shí)，觸點(diǎn)K1、K2斷開，電樞及電阻RΩ1、RΩ2串聯(lián)接入電樞電路。電氣與自動化工程學(xué)院30他勵直流電動機(jī)分兩級起動時(shí)的物理過程對應(yīng)于電流I1Ra+RΩ1+RΩ2RaRa+RΩ1a點(diǎn)起動后，T1>TZ,n↑，由圖看出，T↓，由開始的a點(diǎn)向b點(diǎn)移動，b點(diǎn)處轉(zhuǎn)矩