第二章：直流電機(jī)電力拖動

第2章直流電機(jī)的電力拖動電氣控制設(shè)備要按一定規(guī)律控制電動機(jī)使電機(jī)按預(yù)定的要求運(yùn)行深入研究電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律、運(yùn)行特性建立電力拖動的運(yùn)動方程式第2章內(nèi)容(5)2-1電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式2-2生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2-3他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性2-4他勵直流電動機(jī)的起動2-5他勵直流電動機(jī)的制動2-6他勵直流電動機(jī)的調(diào)速

2-1電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式概念

1.單機(jī)單軸系統(tǒng)（單軸系統(tǒng)）最簡單的系統(tǒng)，單臺電動機(jī)直接與生產(chǎn)機(jī)械同軸聯(lián)接3.多機(jī)系統(tǒng)少數(shù)場合，還有兩臺或多臺電動機(jī)來帶動一個或多個工作機(jī)構(gòu)，稱之為多電動機(jī)拖動系統(tǒng)2.單機(jī)多軸系統(tǒng)（多軸系統(tǒng)）電動機(jī)必須通過傳動機(jī)構(gòu)（如齒輪減速箱、蝸輪蝸桿等）多根轉(zhuǎn)軸的傳動才能帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動。n較低，或直線運(yùn)動部件單軸系統(tǒng)的運(yùn)動方程式

2-1總負(fù)載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，考慮的量電動機(jī)上有兩個量電磁轉(zhuǎn)矩T

負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz

驅(qū)動性質(zhì)制動性質(zhì)若T≠Tz，n≠c，產(chǎn)生角加速度2-1---------------------------------(1)J：單軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，它用來衡量慣性作用的一個物理參數(shù)包括電動機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量及生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量2-1工程中，用飛輪矩GD2來表征轉(zhuǎn)動體的慣性作用，它與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系-------------(2)GD2----電動機(jī)與負(fù)載之和，在產(chǎn)品目錄中查得

------------------------------------(3)2-1把(2)、(3)代入(1)-------------------(4)電力拖動系統(tǒng)的基本方程式，表征了電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動的普遍規(guī)律，是研究電力拖動系統(tǒng)各種運(yùn)動狀態(tài)的理論基礎(chǔ)。方程注意：A.式中飛輪矩GD2是一個完整的符號，表征整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性的一個物理量，不能理解為G與D2的積。B.轉(zhuǎn)矩單位為Nm；轉(zhuǎn)速用r/min；飛輪矩GD2單位為Nm2。若產(chǎn)品目錄中查得的飛輪矩以kgm2為單位，則必須乘以9.82-1C.轉(zhuǎn)矩T和Tz具有方向性，正負(fù)號取法如下：電動狀態(tài)：規(guī)定某一電動狀態(tài)時n的方向為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)正方向轉(zhuǎn)矩T的實(shí)際方向與n相同時，T為正號；相反則為負(fù)號；轉(zhuǎn)矩Tz的實(shí)際方向與n相反時，Tz為正號；Tz相反則為負(fù)號。2-12-2生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性單軸或多軸系統(tǒng)，運(yùn)動方程式電動機(jī)的機(jī)械特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性若n發(fā)生變化，Tz的大小保持不變（Tz=c)，稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性D1反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載大小與速度無關(guān)，方向始終于轉(zhuǎn)向相反n為正，Tz為正，一象限n為負(fù)，Tz為負(fù)，三象限2位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載某些生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)中具有位能部件（如起重機(jī)重物），Tz具有固定的方向（與n無關(guān))電動機(jī)狀態(tài)，n向上為正，Tz始終為正（與n方向相反）實(shí)際情況下：同一重物G下放時折算到電動機(jī)軸上的Tz比提升時小理想情況下：相同2-2二、恒功率負(fù)載特性2-2三、通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性鼓風(fēng)機(jī)、水泵及油泵一般負(fù)載：兩種或幾種典型特性的組合2-2具有這種關(guān)系的負(fù)載特性，稱為通負(fù)機(jī)型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性還有其他類型的負(fù)載特性2-3他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性一、直流電動機(jī)機(jī)械特性的一般形式n=f(T)二、他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速固有機(jī)械特性的斜率下降不多的“硬”特性，負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速變化很小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合，決定電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和過渡過程。2-3分析與設(shè)計時，必須有電動機(jī)的機(jī)械特性可實(shí)測求得也可根據(jù)額定數(shù)據(jù)計算得到理想空載點(diǎn)（n=n0,T=0)額定工作點(diǎn)（n=nN,TN)由銘牌數(shù)據(jù)估算額定工作點(diǎn)時，不變損耗=可變損耗2-32-31.電樞回路串電阻時的人為機(jī)械特性固有的機(jī)械特性人為機(jī)械特性三、特點(diǎn)：理想n0跟固有機(jī)械特性相同2-32-32.改變端電壓時的人為機(jī)械特性2-3固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性特點(diǎn)：n0’比固有機(jī)械特性低，且電壓越低，n0’越低。2-3３.減弱電動機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性2-3特點(diǎn)：n0’比固有機(jī)械特性高，且磁通越低，n0’越高。固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性2-3他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件平衡狀態(tài)：穩(wěn)定平衡狀態(tài)：在平衡狀態(tài)時某種原因離開平衡狀態(tài)時新的條件擾動消失達(dá)到新的平衡狀態(tài)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)則原先的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)2-3他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件平衡狀態(tài)：2-3穩(wěn)定平衡狀態(tài)：在平衡狀態(tài)時某種原因離開平衡狀態(tài)時新的條件擾動消失達(dá)到新的平衡狀態(tài)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)則原先的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)2-3舉例1他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2-3結(jié)論圖示的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合，系統(tǒng)在原先的狀態(tài)A點(diǎn)運(yùn)行，是處于穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2-3舉例2結(jié)論圖示的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合，電力拖動系統(tǒng)是不能穩(wěn)定平衡運(yùn)行的。2-3結(jié)論圖示的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合，電力拖動系統(tǒng)是不能穩(wěn)定平衡運(yùn)行的。穩(wěn)定運(yùn)行條件原來平衡狀態(tài)A點(diǎn)外界擾動2-3擾動消失回到原工作特性若回到原來平衡點(diǎn)原來平衡點(diǎn)擾動消失后2-32-3結(jié)論2-3機(jī)械特性具有下降特性（他勵、并勵），帶T=c，P=c，通風(fēng)機(jī)等不同性質(zhì)的負(fù)載都穩(wěn)定運(yùn)行，其交點(diǎn)就是平衡運(yùn)行點(diǎn)。2-3ABC若由于電樞反應(yīng)去磁機(jī)械特性上翹運(yùn)行不穩(wěn)定主磁極加一個匝數(shù)很少的串勵繞組實(shí)際上為一臺積復(fù)勵電動機(jī)機(jī)械特性與不計電樞反應(yīng)的電機(jī)相同，銘牌上仍稱之為他（并）勵電動機(jī)大型機(jī)稱補(bǔ)償繞組抵消電樞反應(yīng)的去磁作用，使磁通恒定，下降特性，穩(wěn)定運(yùn)行，故常稱為穩(wěn)定繞組。2-4他勵直流電動機(jī)的起動一、方法（他勵直流電動機(jī)）剛起動時直接起動：小容量電機(jī)允許直接起動影響換向惡化，出現(xiàn)強(qiáng)烈火花甚至環(huán)火電樞受到電磁力而損壞繞組引起電網(wǎng)的電壓波動，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常工作

T過大，轉(zhuǎn)矩沖擊可能損壞拖動系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)2-4起動要求限制起動電流，一般要求起動初瞬的Ia，不超過IN的1.5~2.0倍。必須起動時的電磁轉(zhuǎn)矩T>Tz而且足夠大，使系統(tǒng)獲得較大的a而順利起動。2-4優(yōu)點(diǎn)：起動平穩(wěn)，能量損耗小缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜1.降壓起動方法F-DKZ-D2-42.電樞回路串電阻起動分級起動abcdefgh全部切除第三級起動第二級起動第一級起動2-4設(shè)計電阻保證切換時每一級的Imax為I1(T1),而切換電流均為I2(T2),使電機(jī)有較大而且較均勻的a，又不會因起動電流過大而造成危害。分段數(shù)m，I1及切換電流I2是根據(jù)生產(chǎn)過程與起動要求來選定的。2-42-5他勵直流電動機(jī)的制動最簡單的辦法：斷開電樞電源，在總負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速漸停至停機(jī)，稱為“自由停車”缺點(diǎn)：

時間長（尤其是空載時）某些場合要求：快速停車（或降速)，或位能性負(fù)載以穩(wěn)定的速度下放，這就要求在電機(jī)的軸上加一個與轉(zhuǎn)向相反的制動轉(zhuǎn)矩D1.最簡單的辦法：用機(jī)械動作剎車，依靠摩擦力2.抱閘制動，采用電磁制動器3.最好的辦法：電氣制動，依靠電動機(jī)本身產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩2-5制動狀態(tài)的運(yùn)行特點(diǎn)軸上的機(jī)械能電能（消耗在電機(jī)內(nèi)部或反饋電網(wǎng)）12T與n方向相反D制動狀態(tài)時電磁參數(shù)之間的關(guān)系快速停車（降速):2-5D位能性負(fù)載穩(wěn)速下放:D2-5D具體實(shí)現(xiàn)的方法：能耗制動反接制動回饋制動討論前提：各制動方式的物理過程與運(yùn)行特性，仍采用原電動機(jī)狀態(tài)的正方向規(guī)定基本方程式與機(jī)械特性表達(dá)式，各物理量的大小及正負(fù)，根據(jù)實(shí)際情況而定例：位能性負(fù)載勻速下放2-5一、能耗制動1.原理及方法勵磁不變，把電動機(jī)的電樞脫離電網(wǎng)，而經(jīng)過一個電阻Rz閉合運(yùn)行：制動瞬間，n不變，Ia<0，T<0，系統(tǒng)在Tz與T共同制動下減速，直至停車制動過程中，實(shí)際上成為一臺他勵直流發(fā)電機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，消耗在電樞回路上，所以稱為能耗制動參數(shù)：2-52.機(jī)械特性把能耗制動的參數(shù)特點(diǎn)，代入電動狀態(tài)時的機(jī)械特性表達(dá)式即得到能耗制動時機(jī)械特性停車過程位能性負(fù)載穩(wěn)速下放（1）能耗制動停車過程原先工作于A點(diǎn)制動n=nA，工作點(diǎn)變?yōu)锽T<0，轉(zhuǎn)速從nA~0的過程方向不變，Tz的方向不變在T與Tz的共同作用下，系統(tǒng)很快減速沿Bo段下移至n=0影響能耗制動機(jī)械特性的斜率BA2-5若Rz=0直接起動電流停車過程位能性負(fù)載穩(wěn)速下放BA2-5若Rz大若Rz小Rz的選擇：取I1=2IN代入能耗特性表達(dá)式Rz的作用：將制動瞬間的電流限制在允許范圍內(nèi)分段切除制動電阻停車過程位能性負(fù)載穩(wěn)速下放BA能耗制動的特點(diǎn)：n=0,T=0反抗性負(fù)載：系統(tǒng)可靠停車，不會重新起動位能性負(fù)載穩(wěn)速下放F重物下降（2）位能性負(fù)載穩(wěn)速下放n<0，反向第四象限2-5位能性負(fù)載穩(wěn)速下放ABDEnz電機(jī)重物T＞0，與電動狀態(tài)一致限制重物下放n上升T增大F點(diǎn)，T=Tz,系統(tǒng)達(dá)到新的平衡nz穩(wěn)速下放F位能性負(fù)載穩(wěn)速下放ABDEnz穩(wěn)定時的電樞電流，不計傳動機(jī)構(gòu)的損耗2-5二、反接制動反接制動特點(diǎn)：1）電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)向與其理想空載轉(zhuǎn)速相反。2）機(jī)械能變?yōu)殡娔埽悍椒ǎ弘妱訖C(jī)的外加電樞電壓與感應(yīng)電動勢的方向在外界的作用下由相反變?yōu)橄嗤诜唇又苿又?，把改變電樞電壓的方向所產(chǎn)生的反接制動稱為電壓反向的反接制動；而把改變電樞電動勢的方向所產(chǎn)生的反接制動稱為電動勢反向的反接制動。

（1）電壓反向的反接制動（用于快速停機(jī))電動

制動

電動狀態(tài)：開關(guān)K閉合接上電壓U

電壓反向的反接制動狀態(tài)：保持If不變，將開關(guān)向下合閘，使電樞經(jīng)制動電阻而反接于電網(wǎng)上

參數(shù)特點(diǎn)2-5制動瞬間將參數(shù)特點(diǎn)代入電動勢平衡方程式固有機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速2-5三個象限對應(yīng)三種狀態(tài)（1）反接制動停機(jī)狀態(tài)電動狀態(tài)，a點(diǎn)（na)反接后共同作用沿bc段下移直至c點(diǎn)停機(jī)反接制動停機(jī)狀態(tài)2-5因此，bc段符合反接制動的特點(diǎn)bc段的n＞0，理想空載轉(zhuǎn)速<0U<0,Ia<0,P1>0,輸入電能Ea>0,Ia<0,PM<0，輸入機(jī)械能反接制動停機(jī)狀態(tài)制動瞬間電流將I1限制于允許的范圍內(nèi)，若取I1=-2IN2-5制動瞬間電流制動效果比較好（與能耗制動相比），可用于快速停機(jī)反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)2-5反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)（2）反向電動狀態(tài)A.對反抗性負(fù)載而言，若停機(jī)后，不切斷電源，而且有2)系統(tǒng)反向起動2-5反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)反向起動過程中，亦可仿照正向電動的方法，逐級切除電樞回路中的電阻Rz，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在反向固有特性A’點(diǎn)上。因此對于要求快速停機(jī)而且隨后即反向起動的場合，采用電樞反接的反接制動是較合適的。B.對位能性負(fù)載而言而且由于Tz方向不變，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行于第三象限2-5反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)（3）回饋制動狀態(tài)2-5因此，電機(jī)將軸上的機(jī)械能（即系統(tǒng)所儲的位能）轉(zhuǎn)移成電能而返回電源，處于再生發(fā)電機(jī)狀態(tài)，稱之為回饋制動（2）電動勢反向的反接制動（用于位能性負(fù)載穩(wěn)速下放)他勵電動機(jī)帶位能性負(fù)載的拖動系統(tǒng)，設(shè)該機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上的A點(diǎn)，若需穩(wěn)速下放，可采用下述辦法：2-52-5下放時的電樞電流不計傳動機(jī)構(gòu)的損耗,等于提升時a點(diǎn)的電樞電流若Rz選擇得當(dāng)，可使n約等于0(很低的速度）具有反接制動的特點(diǎn)：db段的n<0，理想空載轉(zhuǎn)速>0，兩者相反U>0,Ia>0,P1>0,輸入電能Ea<0,Ia>0,PM<0，輸入機(jī)械能2-5這種制動，電樞不反接，但Ea反向了，所以稱為電動勢反向的反接制動（3）總結(jié)電壓反向：第二象限bc段電動勢反向：第四象限db段可以使系統(tǒng)快速停機(jī)或使位能性負(fù)載以極低速下放，但制動過程消耗能量最大，是要付出代價的。三、回饋制動(再生發(fā)電制動）反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)（1）電壓反向的回饋制動位能性負(fù)載，如將電樞反接，系統(tǒng)在回饋制動狀態(tài)下將重物下放，如f點(diǎn)回饋制動的運(yùn)行特點(diǎn)2-5反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)A.n與n0的方向一致，且2-5反接制動停機(jī)狀態(tài)反向電動狀態(tài)B.能量關(guān)系表示從軸上輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電樞回路的電功率將電能輸回電網(wǎng)系統(tǒng)將儲的動能或位能轉(zhuǎn)換成電能而送回電網(wǎng)再生發(fā)電制動狀態(tài)回饋制動狀態(tài)越大，下放速度越高2-5（2）電壓不反向的回饋制動電車下坡

電機(jī)的機(jī)械特性仍為固有機(jī)械特性1，n方向不變，車重沿斜坡的分力將產(chǎn)生一個與n方向一致的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，稱為位能性拖動轉(zhuǎn)矩摩擦性轉(zhuǎn)矩位能性拖動轉(zhuǎn)矩總負(fù)載轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)在T與Tz’共同作用下，車速越來越高，工作點(diǎn)沿An0B2-5過渡性回饋制動狀態(tài)（降低端電壓時的降速過程）原工作點(diǎn)A，電動狀態(tài)，固有機(jī)械特性1機(jī)械特性2回饋制動停機(jī)，逐步切除電壓，直至停機(jī)。F-D系統(tǒng)采用回饋制動停機(jī)，最經(jīng)濟(jì)2-5例2-52-6他勵直流電動機(jī)的調(diào)速調(diào)速方法機(jī)械調(diào)速：電動機(jī)n不變，改變傳動機(jī)構(gòu)的速比電機(jī)調(diào)速：人為改變電動機(jī)的參數(shù)，使同一個機(jī)械負(fù)載得到不同的轉(zhuǎn)速。直流電動機(jī)不僅有良好的起動、制動性能，而且具有非常好的調(diào)速性能，因而在電力拖動系統(tǒng)中得以應(yīng)用。一、直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性1.速度調(diào)節(jié)和速度變化調(diào)速（又稱速度調(diào)節(jié)）與速度變化是兩個完全不同的概念電動機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，若電動機(jī)工作在特性1上的A點(diǎn)，則以nA轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行；若人為地增加電樞回路的電阻，則電動機(jī)工作在特性曲線2，速度將降至特性2上的B點(diǎn)，以nB轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行這種轉(zhuǎn)速的變化是人為改變（或調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。速度變化是指由于電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減?。┒痣妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升）。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由T1增加到T2時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由nA降低到nB，它是沿某一條機(jī)械特性發(fā)生的轉(zhuǎn)速變化?？傊俣茸兓窃谀硹l機(jī)械特性上，由于負(fù)載改變而引起的；速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。2-6二、他勵電動機(jī)的調(diào)速方法1.電樞回路串電阻調(diào)速同一T，串入電阻R越大，則穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越低，從而達(dá)到調(diào)速的目的，而且是低于nN的方向調(diào)節(jié)2-6優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便特點(diǎn)：(1)在空載或輕載時，調(diào)速效果不明顯(2)在低速時（即R很大時，機(jī)械特性很軟，當(dāng)負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速波動很大(3)由于R的截面大，只能分段調(diào)節(jié)，有級調(diào)速,，速度調(diào)節(jié)不平滑(4)Ia在R上消耗的能量大，調(diào)速時效率低。2-62.降低端電壓調(diào)速一族相互平行的直線2-6同一負(fù)載Tz，U低，n也低，低于nN方向調(diào)節(jié)特點(diǎn)：(1)空載或滿載，都有明顯的調(diào)速效果(2)硬度不變，低速時由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動不大，所以靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣。(3)無級調(diào)速(4)調(diào)節(jié)過程中能量