1、第第3章章第第3章章 直流電動機的運行與電力拖動直流電動機的運行與電力拖動直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性3.1直流電動機的起動直流電動機的起動3.2直流電動機的調速直流電動機的調速3.3下 頁直流電動機的制動直流電動機的制動3.4第第3章章本章重點本章重點n他勵直流電動機的固有機械特性和人為機械他勵直流電動機的固有機械特性和人為機械特性特點特性特點 。n他勵直流電動機的起動方法、原理。他勵直流電動機的起動方法、原理。 n他勵直流電動機的調速原理、方法和調速性他勵直流電動機的調速原理、方法和調速性能指標的含義能指標的含義 n他勵直流電動機各種制動的原理、方法、特他勵直流電動機各種制動的

2、原理、方法、特點、機械特性、制動電流和制動電阻的計算點、機械特性、制動電流和制動電阻的計算下 頁第第3章章n直流電動機的運行情況：起動、調速、制動直流電動機的運行情況：起動、調速、制動 分析直流電動機的運行情況的基礎分析直流電動機的運行情況的基礎 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性n電力拖動：電動機作為原動機，生產機械是電力拖動：電動機作為原動機，生產機械是負載，電動機帶動生產機械運轉的拖動方式稱負載，電動機帶動生產機械運轉的拖動方式稱電力拖動。電力拖動。 分析直流電動機的電力拖動的基礎分析直流電動機的電力拖動的基礎 直流電動機的機械特性、系統旋轉運動直流電動機的機械特性、系統旋轉運動

3、的三種狀態、負載的機械特性的三種狀態、負載的機械特性概述概述下 頁上 頁返 回第第3章章MTnLTU下 頁上 頁返 回單軸電力拖動系統單軸電力拖動系統 1.1.電力拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式回顧回顧dtdnGDTTL3752電動機的旋轉方向為轉速電動機的旋轉方向為轉速n的正方向，的正方向，規定：規定：1）電磁轉矩）電磁轉矩T與轉速與轉速n的正方向相同時為的正方向相同時為正；正； 2）負載轉矩）負載轉矩TL與轉速與轉速n的正方向相同時為的正方向相同時為負；負；TLT 3 3）慣性轉矩）慣性轉矩 的大小和正負號由的大小和正負號由 和和 的代數和決定。的代數和決定。dtdnGD23

4、75略空載轉矩略空載轉矩第第3章章2.系統旋轉運動的三種狀態系統旋轉運動的三種狀態1)1)當當 或或 時時, ,系統處于系統處于靜止靜止或或恒轉速恒轉速運行狀態，運行狀態，即處于穩態。即處于穩態。LTT 0dtdn2)2)當當 或或 時時, ,系統處于系統處于加速加速運行狀態，即處于運行狀態，即處于動態。動態。LTT 0dtdn3)3)當當 或或 時時, ,系統處于系統處于減速減速運行狀態，即處于運行狀態，即處于動態。動態。LTT 0dtdn下 頁上 頁返 回第第3章章3.負載的機械特性負載的機械特性恒轉矩負載特性恒轉矩負載特性n 恒轉矩負載是指負載轉矩恒轉矩負載是指負載轉矩TL為常數，為常數

5、，其大小其大小與轉速與轉速n無關。無關。n恒轉矩負載分：反抗性負載特性和位恒轉矩負載分：反抗性負載特性和位能性負載特性。能性負載特性。1）反抗性負載轉矩反抗性負載轉矩TL的方向總是與轉速的方向總是與轉速n的方向相反，特性位于一、三象限；的方向相反，特性位于一、三象限；2）位能性負載轉矩）位能性負載轉矩TL的方向與轉速的方向與轉速n的的方向無關，特性位于一、四象限。方向無關，特性位于一、四象限。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性負載轉矩特性負載的機械特性是指生產機械的負載轉矩與轉負載的機械特性是指生產機械的負載轉矩與轉速之間的關系即：速之間的關系即：n=f(TL)下 頁上 頁返 回nTn=f(

6、TL)0TL位能性負載轉矩特性第第3章章恒功率負載轉矩特性恒功率負載轉矩特性n當轉速當轉速n變化時，負載功率基本不變，變化時，負載功率基本不變，TL的大小基本上與轉速的大小基本上與轉速n成反比成反比nnPT155. 9 2L下 頁上 頁返 回通風機、泵類負載轉矩特性通風機、泵類負載轉矩特性nTL的大小基本上與轉速平方成正比的大小基本上與轉速平方成正比2L2 nTknTL或理想的通理想的通風機特性風機特性實際通風實際通風機特性機特性第第3章章4.電力拖動系統穩定運行的條件電力拖動系統穩定運行的條件1)必要條件：電動機機械特性與負載特性必須相交，在交必要條件：電動機機械特性與負載特性必須相交，在交

7、點點T=TL 處實現轉矩平衡。處實現轉矩平衡。2)充分條件：在交點處有充分條件：在交點處有0dndTdndTL在交點所對應的轉速之上（在交點所對應的轉速之上（ ），應保證），應保證TTL （使電動機加速）。（使電動機加速）。 下 頁上 頁返 回第第3章章本次課程內容本次課程內容 直流電機的固有機械特性和人為機械特性、電直流電機的固有機械特性和人為機械特性、電樞反應對機械特性的影響、固有機械特性和人為機樞反應對機械特性的影響、固有機械特性和人為機械特性的求取械特性的求取；他勵直流電動機的起動方法、起動他勵直流電動機的起動方法、起動電阻計算。電阻計算。 下 頁上 頁返 回第第3章章3.1 直流電動

8、機的機械特性直流電動機的機械特性3.1.1機械特性的一般表達式n基礎：TTCCRRnCUnCCRRnnTCUTCCRRCUnTeeTeeTee2a02a02a轉速降，理想空載轉速斜率n機械特性：指電源電壓U、氣隙磁通、電樞回路電阻Ra均為常數時，電動機的電磁轉矩T與電力拖動系統的轉速n之間的關系，即n=f(T)。（ T與n 都是機械量）aaaaa)(ICTnCERRIEUTen=n0n=T是電動機在某一定負載和電樞電路電阻時理想空載轉速與實際轉速之差理想空載轉速與實際轉速之差下 頁上 頁返 回第第3章章n當U、R為常數時，機械特性曲線為一條向下傾斜的直線。 電樞反應對機械特性的影響，可能使特性

9、在T較大時上翹。 機械特性的斜率機械特性的斜率 : :越大，特性越陡，稱為軟特性； 越小，特性越平，稱為硬特性；表明機械特性曲線的下垂程度。 注意注意電動機空載運行時，存在空載損耗，電動機要輸入一定的電樞電動機空載運行時，存在空載損耗，電動機要輸入一定的電樞電流產生電磁轉矩與由摩擦等原因的空載轉矩平衡，電磁轉矩電流產生電磁轉矩與由摩擦等原因的空載轉矩平衡，電磁轉矩T不為零等于空載轉矩不為零等于空載轉矩T0，此時電動機轉速為，此時電動機轉速為實際空載轉速。實際空載轉速。000Tnnn下 頁上 頁返 回第第3章章n硬度：斜率的倒數或定義機械特性曲線工作范圍內某一點轉矩對該點轉速的導數，即：TnnT

10、，dd越大（ 越小），特性越硬，稱為硬特性，即硬特性，即T變化時，變化時，n 的變化不大。的變化不大。nn額定轉速變化率：額定轉速降對額定轉速的比值用百分數表示，即：%100%100%NN0NNNnnnnnn下 頁上 頁返 回第第3章章n電樞反應對機械特性影響 當電樞電流較大時，電樞反應的去磁作用較大，使 ，則n0，即n特性上翹。特性上翹，對電動機穩定運行不利，解決的辦法是在主磁極上加裝匝數很少的串勵繞組，稱為穩定繞組。穩定繞組產生與主磁極相同的磁通，抵消電樞反應的去磁作用。 加裝了穩定繞組后，電動機實質上已變為積復勵電動機，但由于串入勵磁環繞組匝數很少，其機械特性又與沒有電樞反應時的他勵直流

11、電動機相同，因此仍可視為他勵直流電動機。這樣，在討論問題時，就可完全忽略電樞反應的影響,認為 為常數。下 頁上 頁返 回第第3章章各種直流電動機的機械特性各種直流電動機的機械特性1.他 (并)勵電動機：較大，稱為硬特性2.串勵電動機:較小，稱為軟特性。Tn00n差復勵差復勵他勵他勵積復勵積復勵串勵串勵各種直流電動機機械特性各種直流電動機機械特性下 頁上 頁返 回第第3章章3.1.2固有機械特性 他勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通=N，電樞外串電阻R=0時的機械特性，其數學表達式為：nnTnTCCRCUnTee002NaNN下 頁上 頁返 回第第3章章n起動時n=0，

12、感應電動勢Ea=0，電樞電流稱為起動電流起動電流n斜率 ，由于Ra 很小，轉矩T 增大時， n下降很少，他勵電動機的固有機械特性是一條比較平的下降曲線。n理想空載時，T=0，Ia=0， UN=Ea，n=n0固有機械特性特點：n額定轉速降nN%較小。電磁轉矩稱為起動轉矩起動轉矩aNstaRUIIstNstICTTT下 頁上 頁返 回第第3章章3.1.3 人為機械特性人為機械特性：人為機械特性：指改變電機參數，即改變U或變R或變得到的機械特性。TCCRRCUnTee2NaNNnnTnTCCRCUnTee002NaNN固有特性的條件：電源電壓U=UN，氣隙磁通=N，電樞外串電阻R=01.電樞回路串接

13、電阻時的人為機械特性電樞回路串接電阻時的人為機械特性條件：當U=UN， =N，電樞回路外串電阻R時下 頁上 頁返 回第第3章章TL是一簇通過理想空載點并具有不同斜率的射線n特點（1）理想空載轉速n0不變。（2）機械特性的斜率 隨 的增大而增大，特性硬度減小、變軟。（3）負載轉矩一定時，串接電阻越大，轉速越低，轉速降越大。n應用研究他勵直流電動機串電阻分級起動；起重機和電車常用的調速方法。下 頁上 頁返 回第第3章章2.改變電動機供電電源的人為特性改變電動機供電電源的人為特性條件：當UU1U2U3第第3章章3.改變磁通時的人為特性改變磁通時的人為特性條件：當U=UN， 1 2弱磁他勵直流電動機弱

14、磁他勵直流電動機一族直線，但既不平行，又非放射形一族直線，但既不平行，又非放射形 下 頁上 頁返 回第第3章章n特點n應用（1）n0與 成反比，磁通減弱會使n0 升高。（2） 與磁通的平方成反比，磁通減弱會使斜率加大，特性硬度降低，特性上移。（3）負載轉矩一定時，減弱磁通使轉速升高，轉速降增大。可用于需要平滑調速的場合。 下 頁上 頁返 回第第3章章3.1.4 機械特性的繪制機械特性的繪制 步驟：步驟：2NNNNa)3221(IPIUR1.固有機械特性的求取固有機械特性的求取（1）估算）估算Ra （2）計算）計算（4）計算額定工作點）計算額定工作點(TN，nN)下 頁上 頁返 回NaNNNNN

15、nRIUnECeNN55. 9CCeT（3）計算理想空載點）計算理想空載點(0，n0)NN0CUne根據額定數據PN、UN、IN、nNNNNICTT第第3章章2.人為機械特性的的求取人為機械特性的的求取 在固有機械特性方程在固有機械特性方程 的基礎的基礎上，根據人為特性所對應的參數上，根據人為特性所對應的參數 或或 或或 變變化，重新計算化，重新計算 和和 ，然后得到人為機械特性，然后得到人為機械特性方程式方程式。Tnn0aRU0n下 頁上 頁返 回第第3章章例例1：一臺他勵直流電動機的銘牌數據為PN=5.5kW，UN=110V，IN=62A，nN=1000r/min求（1）固有機械特性方程式

16、；（2）實際空載轉速n0 解（1）求固有機械特性方程式TnTCCRCUnTee02NaNN先估算Ra，取系數為1/2時：)(172. 062105 . 56211021)3221(232NNNNaIPIUR099. 01000172. 062110NaNNNNNnRIUnECe945. 0099. 055. 955. 9NNCCeT84. 1945. 0099. 0172. 0min/1111099. 0110NNaNN0CCRrCUnTee固有特性方程為固有特性方程為TTnn84. 111110下 頁上 頁返 回第第3章章實際空載轉速（2）求實際空載轉速0002NaNN0TnTCCRCUnT

17、ee02TTT0N2NTTT額定電磁轉矩mN6 .5862945. 0NNNICTT額定負載轉矩mN5 .521000105 . 555. 955. 932NNNnPT空載轉矩mN1.65.526.58N2N0TTTmin/11001 . 684. 11111000rTnn下 頁上 頁返 回第第3章章例例2：他勵直流電動機的銘牌數據為PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，試分別求取下列機械特性方程式。（1）固有機械特性；（2）電樞串入電阻R=0.7時的人為特性；（3）電源電壓降壓至110V時的人為特性；（4）磁通減弱至 時的人為特性；（5）當負載轉矩為額定轉

18、矩時，要求電動機以低于額定轉速的速度運轉，試問有幾種可能的方案？如何求出相應的參數。N32解（1）求固有機械特性方程式04. 1)(55. 9min/16542NNNaNN0CRCCRrCUneaTee固有特性方程為固有特性方程為TTnn04. 116450)(175. 0aR133. 0NCe下 頁上 頁返 回第第3章章（2）電樞串入電阻R=0.7時的人為特性；n0=1645r/min不變，增大為 18. 5133. 055. 97 . 0175. 0)(55. 922NaCRRe人為特性方程為人為特性方程為TTnn18. 516450（3）電源電壓降壓至110V時的人為特性04. 1不變，

19、n0變為 min/827165421N01rCUne人為特性方程為人為特性方程為TTnn04. 182701（4）磁通減弱至 時的人為特性；N32n0和均發生變化 min/248132NN02rCUne33. 2)32(55. 92NaCRe人為特性方程為人為特性方程為TTnn33. 2248102下 頁上 頁返 回TTnn04. 116450第第3章章(5)思考?下 頁上 頁返 回當負載轉矩為當負載轉矩為額定轉矩時，額定轉矩時，要求電動機以要求電動機以低于額定轉速低于額定轉速的速度運轉，的速度運轉，試問有幾種可試問有幾種可能的方案？能的方案？第第3章章3.2 直流電動機的起動直流電動機的起動

20、起動：指電動機從靜止狀態轉動起來。 起動過程：電動機接通電源后，電動機接通電源后，從靜止狀態加速到某一穩態轉速的過程叫起動過程。起動轉矩Tst：電動機起動瞬間：電動機起動瞬間(n=0)的電磁轉矩。的電磁轉矩。起動電流Ist：起動瞬間：起動瞬間(n=0)的電樞電流。的電樞電流。n概念概念n系統對起動的要求 不同的生產機械對起動有不同的要求。例如，無軌電車要求起動慢些平穩些，但一般生產機械都要求快速起動快速起動。一般要想使電動機起動過程合理，應考慮要求起動電流要求起動電流 Ist小，起動轉矩小，起動轉矩Tst大，大，起動時間tst短；起動過程平滑使加速均勻，起動過程的能量損耗小，起動設備簡單方便可

21、靠。 下 頁上 頁返 回第第3章章n起動時主要物理量起動時主要物理量(n=0)dtdnGDTTICTRUREUInCETe37502Lstststaaasta起動時：必須使起動轉矩TstTL，dn/dt0；先通勵磁電流，而后加電樞電壓；起動時應保證電動機的磁通達到最大值 ；在同樣的起動電流下，大則Tst大；而在同樣的起動轉矩下，大則Ist就可以小一些。 下 頁上 頁返 回第第3章章一般不能加額定電壓直接起動；如果起動時直接將額定電壓加至電樞兩端，稱為直接起動起動時直接將額定電壓加至電樞兩端，稱為直接起動，一般電動機電樞繞組電阻Ra很小，Ist可能達到額定電流的十多倍。雖然當一定時，Tst與 I

22、a成正比， Ist越大， Tst 也越大，可縮短起動時間，但Ist過大會引起換向惡化，產生嚴重的火花；還會導致很大的線路壓降，使電網電壓不穩定。而且Tst大小是受機械強度限制， Tst太大，突然加到傳動機構上，會損壞機械部件的薄弱部分，例如傳動齒輪的輪齒等。一般起動時應設法限制起動電流不超過額定電流的一般起動時應設法限制起動電流不超過額定電流的1.52倍。倍。n限制Ist的方法：降低電樞電壓起動，電樞回路串電阻起動。下 頁上 頁返 回第第3章章3.2.1 直接起動直接起動n起動過程：勵磁繞組接入額定電流并保持不變，電樞繞組接通電源，使TstTL，電動機加速；隨nEaIaT，直到T=TL，起動結

23、束，電動機以轉速nA穩定運行。dtdnGDTTICTREUInCETe3752Laaaaa下 頁上 頁返 回第第3章章UfNIfNRf調壓電源調壓電源EanT電源電壓可調的他勵直流電動機電源電壓可調的他勵直流電動機3.2.2 降電壓起動降電壓起動n 降壓起動需要一套可以調節的直流電源，初投資大。UNU1U2U3復習復習改變電樞電壓時的人為特性改變電樞電壓時的人為特性下 頁上 頁返 回第第3章章n起動過程：起動瞬間起動瞬間把加在電樞兩端電源電壓降低，可把電源電壓降低到U4=(1.52.0) INRa，隨著轉速n的上升，電勢的上升，電勢Ea也逐漸也逐漸增大增大，Ia 相應減小相應減小，此時電壓電壓

24、U必須不斷升高必須不斷升高(手動手動調節或自動調節調節或自動調節)，使，使Ia保持在保持在 (1.52.0) IN范圍范圍內內，保證加速轉矩(T2-TL)恒定，直到電壓升到額定電壓UN ，電動機進入穩定運行狀態，起動過程結束。n發展：過去可調的直流電源采用直流的發電機-電動機組，現在多用晶閘管整流電源代替。n優點：起動平穩，起動過程中能量損耗小。0TLT2TstTnn0n01n02n03n04UNU1U2U3U4固有特性UNU1U2U3U4降壓起動的機械特性降壓起動的機械特性aaaaREUInCEe下 頁上 頁返 回第第3章章 電壓不變，在電樞回路中串接電阻，可達到限制起動電流的目的，使NaN

25、st0 . 25 . 1IRRUI3.2.3 電樞回路串入電阻起動電樞回路串入電阻起動復習復習電樞回路串電阻時的人為特性電樞回路串電阻時的人為特性TL下 頁上 頁返 回第第3章章1）串入恒值電阻起動）串入恒值電阻起動n在電樞回路串入固定的起動電阻R，電機拖動恒轉矩負載，在額定磁場下，將刀開關K合向電源使電機起動。UfNIfNRfEanT電樞串入固定電阻起動的接線圖電樞串入固定電阻起動的接線圖R RanT0 0TLn0電樞串入固定電阻特性曲線電樞串入固定電阻特性曲線nAAn缺點：起動時間tst 較長，穩態轉速nA低，長期串入電阻不經濟。下 頁上 頁返 回第第3章章11aRrR3321aRrrrR

26、LLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3nn為了在起動過程中使電樞電流和轉矩被限制在允許的范圍之內，采用分級起動。n起動過程122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R22)分級起動分級起動(逐級切除起動電阻的起動逐級切除起動電阻的起動)下 頁上 頁返 回第第3章章逐級切除起動電阻的起動分析n起動瞬間，電樞回路總電阻為321a3rrrRRst3N10IRUIn ，N110 .25 .1 , 0 .25 .1TTIINn要求11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2下 頁上 頁返

27、 回第第3章章切換電流或切換轉矩(I2或T2，電阻切除時的電流或轉矩)n求切換轉矩的原則：既要使電動機能夠帶動負載起動，又要既要使電動機能夠帶動負載起動，又要保證在切換時的加速度轉矩保證在切換時的加速度轉矩( T2和和TL之差之差 )不過小。不過小。過大，過大，加速轉矩大，可滿足快速起動的要求，但是起動級數增多；加速轉矩大，可滿足快速起動的要求，但是起動級數增多；過小，過小，dn/dt小，延緩起動過程。小，延緩起動過程。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2dtdnGDTT3752L下 頁上

28、頁返 回第第3章章n綜合考慮選選I2= （1.21.5 ）IL，則，則切換轉矩切換轉矩 T2= （1.21.5 ）TL 。電阻分三次切除稱三級起動，起動級數電阻分三次切除稱三級起動，起動級數m=3，一般選，一般選m=34，級數多，起動快，但同時也使設備增多，線路復級數多，起動快，但同時也使設備增多，線路復雜。運行不可靠性增大。雜。運行不可靠性增大。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2下 頁上 頁返 回n表示起動電流(起動轉矩) 之比 = I1/I2=T1/T2第第3章章3）起動電阻的計算方法

29、）起動電阻的計算方法解析法計算起動電阻 忽略電樞繞組的電感，電樞電流在切換電阻瞬間突變，而在切換電阻瞬間，由于機械慣性的作用，轉速n不變，Ea不變。11aRrR3321aRrrrRLLIT2IT21IT1IT0nabn1aRNngh3n122aststRRRR1ncd2r1+ r2=R2nb=ncEb=Ecb點：32REUIbc點：221REUREUIbc2321RRIIa1122321RRRRRRII下 頁上 頁返 回第第3章章計算公式如有如有m級，則通用公式為：級，則通用公式為：2NNNNa)3221(IPIURmmmmRRRRaa ,1IURNm111122111122aa11)1(rRRrrRRrrRRrRRRrmmmmmmmm各段電阻值：各段電阻值：式中式中Rm為最大起動電阻：為最大起動電阻：a323a212a1,RRRRRRRRm為起動級數，一般取為起動級數，一般取 m=34, m大，起動平滑，大，起動平滑，但設備多。但設備多。LNIIIITTII5 . 12 . 1,0 . 25 . 1, 212121I1為起動電流；為起動電流；I2為切換電為切換電流，流，IL為負載電流。為負載電流。下 頁