直流電機電力拖動

什么是電力拖動系統(tǒng),電力拖動系統(tǒng)的原動機是什么？電力拖動系統(tǒng)的組成電力拖動系統(tǒng)的運動方程及運動狀態(tài)運動方程中轉(zhuǎn)矩的正、負規(guī)定

電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式一、運動方程式2.1.1

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。2.1.1機械角速度rad/s飛輪矩機械轉(zhuǎn)動慣量2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式一、運動方程式運動方程的實用形式：系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動的三種狀態(tài)1)當或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當或時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當或時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。常把或稱為動負載轉(zhuǎn)矩,把稱為靜負載轉(zhuǎn)矩.2.1.1375具有加速度量綱

規(guī)定電動機處在電動狀態(tài)運行時的旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速的正方向，即二、運動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負號的規(guī)定（1）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相同取正（2）負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的正方向相反取負(3)慣性轉(zhuǎn)矩的大小由和的代數(shù)和決定。2.1.1轉(zhuǎn)矩與電動狀態(tài)運行時的旋轉(zhuǎn)方向一致為正，相反為負。在電力拖動系統(tǒng)中，2.1.2負載的轉(zhuǎn)矩特性一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性

由摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的機械屬于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。例如：皮帶運輸機、軋鋼機等

恒轉(zhuǎn)矩負載特性是指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負載兩種。1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載2.1.2即負載轉(zhuǎn)矩方向總與轉(zhuǎn)速方向相反的，具有阻轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。即與n的關(guān)系2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負載負載轉(zhuǎn)矩的大小和方向均恒定不變。

3.恒轉(zhuǎn)矩負載舉例

（1）傳送帶、攪拌機、擠壓機等摩擦類負載；（2）起重機、提升機等重力負載，提升和下降重物時，負載轉(zhuǎn)矩的方向不變；例如：起重機反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載傳送帶起重機空氣壓縮機球磨機往復式注塞泵二、恒功率負載特性

恒功率負載特點是：負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLn

例如：

（1）軋鋼機軋制鋼板時，小工件需高速度低轉(zhuǎn)矩，大工件需要低速度高轉(zhuǎn)矩。（2）車床的切削：粗加工時需要較大的進刀量和較低的轉(zhuǎn)速；精加工時需要較小的進刀量和較高的轉(zhuǎn)速。

三、泵與風機類負載特性

負載的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比。負載特性為一條拋物線。TLn理想的通風機特性實際通風機特性TL02.1.2例如：水泵、油泵、通風機、螺旋槳等（圖片見下屏）。實際的負載特性可能很復雜，是幾種特性的結(jié)合：例如：通風機：軸承上還存在摩擦轉(zhuǎn)矩。水泵油泵螺旋槳通風機直流電動機的機械特性是在什么條件下的特性？試著從電動機的電壓平衡方程式推導出電動機的機械特性機械特性斜率？轉(zhuǎn)速降？如何評述機械特性的軟、硬特性？什么是固有機械特性？人為機械特性？幾種人為機械特性參數(shù)變化后對它的影響如何？2.2.1機械特性的表達式

電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉(zhuǎn)速。實際空載轉(zhuǎn)速2.2.12.2他勵直流電動機的機械特性△n轉(zhuǎn)速降2.2.2固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：二、人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。

由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。2.2.21、電樞串電阻時的人為特性

保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。2.2.22、降低電樞電壓時的人為特性

保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。2.2.23、減弱勵磁磁通時的人為特性

保持不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大2.2.2擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，由下降到。2.2.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件

處于某一轉(zhuǎn)速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)，或者當擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在點，系統(tǒng)平衡擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由上升到，。擾動消失,系統(tǒng)減速，回到點運行。擾動消失,系統(tǒng)加速，回到點運行。2.2.4在點，系統(tǒng)平衡擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由上升到，,系統(tǒng)加速

。即使擾動消失,也不能回到點運行。擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，由下降到,系統(tǒng)減速。即使擾動消失,也不能回到點運行。2.2.4這樣的情況，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2.2.4

大多數(shù)負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而增大或保持恒定，因此只要電動機具有下降的機械特性，就能滿足穩(wěn)定運行的條件，就是說系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：(1)必要條件:電動機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點,即存在(2)充分條件:在交點的轉(zhuǎn)速以上存在,在交點的轉(zhuǎn)速以下存在1.起動的定義、起動轉(zhuǎn)矩和起動電流2.對起動的基本要求3.電機起動時電流過大會有什么危害？4.為了限制起動電流，他勵直流電動機采用哪些方法起動5.電樞回路串電阻起動、降壓起動2.3.0起動概述

1.定義：電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。

起動時由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。2.3一、起動的定義、起動轉(zhuǎn)矩和起動電流3.起動電流：起動瞬間的電樞電流2.起動轉(zhuǎn)矩：起動瞬間的電磁轉(zhuǎn)矩起動電流一般是額定電流的10─20倍

為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。過大的起動電流將:

（1）引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電；二、對起動的基本要求三、起動方法（2）使電動機的換向惡化；（3）過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構(gòu)。一般直流電動機不允許直接起動。除個別特別小型的電機外（4）起動設備簡單、可靠。一、起動過程2.3.1電樞回路串電阻起動2.3.1以三級電阻起動時電動機為例：(1)起動時，勵磁回路電阻放在最小位置，最大，最大，最大；（2）電樞回路電阻放最大位置，限制起動電流，起動完畢后，將起動電阻切除。P55圖2.3.12.3.2降壓起動

當直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。

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

降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。2.3.21.直流發(fā)電機——直流電動機

2.晶閘管整流電源——直流電動機他勵直流電動機的制動能耗制動反接制動回饋制動反轉(zhuǎn)2.4.0制動概述電動制動1.電動運行狀態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速同方向，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。2.4.1一、根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向關(guān)系，將電機分為兩種運行狀態(tài)2.制動運行狀態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反方向，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。二、制動舉例起重機下放重物時，為獲得穩(wěn)定的下放速度，電動機須運行在制動運行狀態(tài)。三、制動分類

1.能耗制動；2.反接制動；3.回饋制動。2.4.1能耗制動電動制動電動狀態(tài)，如圖所示：將開關(guān)S投向制動電阻上即實現(xiàn)制動.

由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動勢方向不變。由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反,對應的電磁轉(zhuǎn)矩與方向相反,為制動性質(zhì),電機處于制動狀態(tài)。

制動運行時，電機靠生產(chǎn)機械的慣性力的拖動而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動。2.4.1一、制動的定義及方法二、能耗制動時的機械特性電動機狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段電動機拖動反抗性負載，電機停轉(zhuǎn)。若電動機帶位能性負載,穩(wěn)定工作點2.4.1三、能耗制動過程分析

能耗制動操作簡單,但隨著轉(zhuǎn)速下降,電動勢減小,制動電流和制動轉(zhuǎn)矩也隨著減小,制動效果變差。若為了盡快使電機停轉(zhuǎn),可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉(zhuǎn)矩。

（1）

改變制動電阻的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉(zhuǎn)矩及下放負載的穩(wěn)定速度。其中為制動瞬間的電樞電動勢。2.4.1（4）選擇制動電阻的原則討論：（2）越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉(zhuǎn)矩越大,而下放負載的速度越小。（3）制動電阻越小，制動轉(zhuǎn)矩大，制動時間短，工作效率高，但過小，使制動電流越大。如制動前額定運行，則。電動制動2.4.2反接制動1.定義：電壓與電動勢順向串聯(lián)。電壓反接制動時接線如右下圖所示：一、電壓反接制動電動制動

開關(guān)S投向“電動”側(cè)時，電樞接正極性的電源電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關(guān)投向“制動”側(cè)，電樞回路串入制動電阻后，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)生很強的制動作用——電壓反接制動。2.4.22.制動電阻的計算二、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動倒拉反轉(zhuǎn)反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負載電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動狀態(tài)提升重物(A點)負載作用下電機反向旋轉(zhuǎn)(下放重物)電機以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物D點在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻,即可實現(xiàn)制動.工作點由A-B-C-D,CD段為制動段2.4.2

倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的能量關(guān)系和電壓反接制動時相同。思考題位能性以外的負載能否實現(xiàn)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動?＜02.4.22.4.3回饋制動

回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。

電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運行有兩種情況:當電車下坡時，運行轉(zhuǎn)速可能超過理想空載轉(zhuǎn)速,進入第二象限電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限2.4.3

發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況:1、降壓調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動制動過程為線段2、增磁調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動制動過程為線段

回饋制動時由于有功率回饋到電網(wǎng)，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經(jīng)濟的。2.4.32.4.4直流電動機的反轉(zhuǎn)一、改變勵磁電流方向（很少采用）勵磁繞組電感較大，切換勵磁繞組時將產(chǎn)生較大自感電動勢，擊穿絕緣，故很少采用。二、改變電樞電流方向直流電機的轉(zhuǎn)向是由電樞電流方向和主磁場方向確定。轉(zhuǎn)向可以按下列方式實現(xiàn)：如果同時改變電樞電流方向、主磁通方向，電機不會轉(zhuǎn)向。電磁轉(zhuǎn)矩：2.4教學重點：1能耗制動機械特性及制動過程2反接制動機械特性及制動過程3回饋制動特點教學難點：電壓反接制動機械特性及制動四象限特點作業(yè)：P68：2.12小結(jié)4直流電動機的反轉(zhuǎn)方法2.5他勵直流電動機的調(diào)速2.5教學內(nèi)容：2.5.1評價調(diào)速的指標2.5.2調(diào)速方法2.5.3調(diào)速方式與負載類型的配合教學目的與要求：1掌握評價調(diào)速的性能指標2熟練掌握直流電機的三種調(diào)速方法3了解調(diào)速方法與負載類型的配合調(diào)速概述：

電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速可以采用機械調(diào)速、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構(gòu)速比進行調(diào)速的方法稱為機械調(diào)速；通過改變電動機參數(shù)進行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。電氣調(diào)速方法:1.調(diào)壓調(diào)速;2.電樞串電阻調(diào)速;3.調(diào)磁調(diào)速。

改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動機工作在不同的機械特性上。他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速為2.5調(diào)壓調(diào)速電樞串電阻調(diào)速調(diào)磁調(diào)速2.5.1評價調(diào)速的指標一、調(diào)速范圍二、靜差率（相對穩(wěn)定性）2.5.1定義：指額定負載下電動機可能運行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用D表示。1.定義：轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性是指負載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度。用靜差率表示。（1）機械特性越硬，其靜差率δ%越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好；δ%大小不僅與機械特性的硬度有關(guān)，還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如：結(jié)論：（2）兩條硬度相同的機械特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，其靜差率δ%就越大?？梢姡?與

大小有關(guān)。

D與δ%相互制約：（1）對靜差率這一指標要求過高，即δ越小,則D就越小;

（2）反之，要求D越大，則δ也越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。2.靜差率與調(diào)速范圍的關(guān)系

式中：為最低轉(zhuǎn)速機械特性上的轉(zhuǎn)速降；δ為最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，即系統(tǒng)最大靜差率。

不同的生產(chǎn)機械，對靜差率的要求不同：

普通車床：

高精度的造紙機：

在保證一定靜差率指標的前提下，要擴大調(diào)速范圍，就必須減小轉(zhuǎn)速降落，即必須提高機械特性的硬度。三、調(diào)速的平滑性

在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù)

越接近1，平滑性越好，當時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。四、調(diào)速的經(jīng)濟性主要指調(diào)速設備的投資、運行效率及維修費用等。2.5.12.5.2調(diào)速方法一、電樞回路串電阻調(diào)速未串電阻時的工作點串電阻后,工作點由A→A’→B02.5.22.特點最高，轉(zhuǎn)速只能向低調(diào)。多用于對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機械上，如起重機、電車等。

不變，到達B點，，達到新的平衡（1）優(yōu)點：電樞串電阻調(diào)速設備簡單，操作方便。2）低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差；3）輕載時調(diào)速范圍小，額定負載時調(diào)速范圍一般為D≦2；4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟。對恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速前、后因磁通不變而使電磁轉(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。（2）缺點：1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；2.5.24.優(yōu)缺點1.物理過程A點：不突變到達B點（達到新的平衡）。2.特點二、降低電源電壓調(diào)速受絕緣的限制，轉(zhuǎn)速只能向低調(diào)。2.5.2（1）優(yōu)點：3.優(yōu)缺點1）調(diào)速平滑，可以實現(xiàn)無級調(diào)速；

2）調(diào)速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩(wěn)定性好。3）無論輕載還是負載，調(diào)速范圍相同，一般可達D=2.5?12。

4）電能損耗較小。4.應用

應用在對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機械上，如機床、軋鋼機、造紙機等。TemTLAA’B調(diào)速壓前工作點A降壓瞬間工作點穩(wěn)定后工作點

降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程相似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時間變化的曲線也相似。2.5.2三、減弱磁通調(diào)速1.物理過程調(diào)節(jié)磁場前工作點弱磁瞬間工作點A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點AB減弱磁通后，理想空載轉(zhuǎn)速上升,曲線的斜率值增大。弱磁調(diào)速前、后的電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化情況減弱磁通調(diào)速前、后轉(zhuǎn)速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線結(jié)論：磁場越弱，轉(zhuǎn)速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。2.5.22.特點優(yōu)點：

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

為了擴大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來，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。缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟；2.5.22.5.3調(diào)速方式與負載類型的配合容許輸出：指電動機在某一轉(zhuǎn)速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩和功率。充分利用：指在一定的轉(zhuǎn)速下電動機的實際輸出轉(zhuǎn)矩和功率達到它的容許值，即電樞電流達到額定值。

當電動機調(diào)速時，在不同的轉(zhuǎn)速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機能否在不同轉(zhuǎn)速下都得到充分利用，這個問題與調(diào)速方式