第8章直流電動機的電力拖動1第8章直流電動機的電力拖動

8.2他勵直流電動機的起動和反轉8.3他勵直流電動機的調速8.4他勵直流電動機的制動8.5他勵直流電機的四象限運行8.1他勵直流電動機的機械特性下一章上一章返回主頁28.1他勵直流電動機的機械特性n=UaCE

－RaCECT

2Te

當Ua、Ra、If

=常數時：

n=f(T)——機械特性=n0－

Te=n0－△n理想空載轉速

=

dndTeRaCECT

2=

=1

——機械特性的硬度3一、固有特性OTenn0Nn=f(Te)UaN,

IfN,RanNTNMnMTM

N

點：額定狀態。M點：臨界狀態。二、人為特性1.增加電樞電路電阻時的人為特性n=－TeUNCE

NRa＋RrCECT

N2OTenn0Ra'Ra"

＜(Ra＋Rr)

→

→

即機械特性變軟。42.降低電樞電壓時的人為特性n=UaCE

N－RaCECT

N2Te

n0"n0'Ua↓→n0↓但β、

不變→機械特性的硬度不變。OTenUa'Ua"

＜3.減小勵磁電流時的人為特性n=UNCE

－RaCECT

2Te

OTenn0"n0'If"If'＜If

→

→n0

→

、

→機械特性變軟。5【例8－1】一臺他勵直流電動機，PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.125。如保持負載轉矩為額定值不變，試求以下情況下的電樞電流和電動機的穩定轉速：(1)電樞回路串入Rc=0.75的電阻；(2)電樞電壓降為U=100V，(3)弱磁=0.85N時。解：(1)電樞回路串入R穩定后，Ia保持為額定值不變

穩定轉速為6電動機的穩定轉速為(3)當

=0.85

N時，因TL保持為額定值不變，Te也保持額定值不變，由Te＝CT

Ia得電機的穩定轉速為(2)如TL保持為額定值不變,那么Ia保持為額定值不變，78.2他勵直流電動機的起動和反轉

起動性能

①起動電流Ist

②起動轉矩Tst。直接起動起動瞬間：n=0，E=0，

Ist=UaRa對于他勵電動機=(10~20)IN——換向決不允許!Te=

Tst=CT

Ist=(10~20)TN8OTe

(Ia)n一、電樞串聯電阻起動T1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a21.起動過程(1)串聯(Rst1+Rst2)起動：

R2=Ra＋Rst1＋Rst2

起動轉矩(電流)：T1(I1)=(1.5~2.0)TN(IaN)(2)切除Rst2：R1=Ra＋Rst1切換轉矩(電流)：T2(I2)

=(1.1~1.2)TL(IL)b2b1TMbaMIf＋Ua－Ia＋Uf－Rst1Rst29OTe

(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1TMba(3)切除Rst1：R0=Ra起動

a1

點a2點加速瞬間n不變

b1點cc1c2p切除Rst1b2點加速切除Rst2

c1點c2點加速p

點。加速瞬間n不變MIf＋Ua－Ia＋Uf－Rst1Rst210(2)起切電流〔轉矩〕比：(3)求出電樞電路電阻Ra假設忽略T0，那么P2=Pe=EIa，在額定運行時2.起動級數未定時的起動電阻的計算(1)確定起動電流I1和切換電流I2

I1(T1)=(1.5~2.0)IaN(TN)I2(T2)

=(1.1~1.2)IL(TL)

=I1I2

Rａ=UaN－EIaN=UaN－

IaNPNIaN11(4)求出起動時的電樞總電阻Rm(5)確定起動級數mm

=RmRa

lgβ

lgRm

=UaN

I112nb2=nc1即：Eb2=Ec1UaN－R1I2=UaN－R0I1

R1I2=R0I1R1=βR0同理，由na2=nb1可得

R2=βR1對于m級起動，有Rm=βmR0(6)重新計算

，校驗I2是否在規定的范圍內=β2R0

=RmRamOTe(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1bacc1c2p13(7)確定各段總電阻值和各段電阻值各段總電阻值：R1=βR0=βRaR2=βR1=β2RaR3=βR2=β3Ra…Rm=βRm－1=βmRa各段電阻值：Rst1=R1－RaRst2=R2－R1Rst3=

R3－R2…Rstm=Rm－Rm－1143.起動級數已定時的起動電阻的計算(1)選擇起動電流I1。(2)測出或由銘牌數據估算出Ra。(3)計算Rm。(4)計算β。(5)計算切換電流I2，并校驗之。(6)確定各段總電阻值和各段電阻值。15【例8－2】某直流電動機額定數據為PN＝20kW，UN＝220V，IN＝76A，nN＝1500r/min，電樞電阻Ra＝0.2Ω，假設采用四級起動，計算各級起動電阻。解：(1)初選I1＝2IN，I2＝1.2IN

(2)計算最大起動電阻第四級起動電阻為(3)計算起切電流比，校驗I216由于I2>1.2IN，I2滿足要求。(4)計算各級電阻電阻17【例8－3】

例8-2的他勵直流電動機采用電樞串電阻分級起動，試確定起動級數并計算各級起動電阻。解：(1)初選I1、I2和

I1=1.5IN，I2=1.1IN

(2)計算最大起動電阻(3)計算起動級數18取整m=8，重新確定起切電流比為(4)校驗I2

可見I2>1.1IN，符合起動要求。(5)計算各段起動電阻1920二、降低電樞電壓起動需要可調直流電源。TenTs1TLOTs2an021三、他勵直流電動機的反轉n=－UNCE

N

－Ra＋RcCECT

NTe

2228.3他勵直流電動機的調速一、改變電樞電阻調速OTenRaRa＋RrTLbcn0aaOTenRaRa＋Rrn0TLTLbcOTenRaRa＋Rrn0bcaMIf＋Ua－Ia＋Uf－Rf231.調速方向

在nN以下調節。(Ra+Rr)

→n

，(Ra+Rr)

→n

。2.調速的穩定性

(Ra+Rr)

→β

→α

→δ

→穩定性變差。3.調速范圍

受穩定性影響，D較小。4.調速的平滑性

取決于Ra

的調節方式，一般為有級調速。5.調速的經濟性

P1=Ua

Ia

=E

Ia＋R

Ia2電樞電路總電阻24PCu=R

Ia2=Ua

Ia－E

Ia

=Ua

Ia

(1－E/

Ua)

=Ua

Ia

(1－n/

n0)

=P1－

PP1=nn0〔低速效率低〕6.調速時的允許負載Te=CTΦNIaN——恒轉矩調速。結論：(1)調速的經濟性很差。(2)調速方法簡單，控制設備不復雜。(3)一般用于串勵或復勵直流電動機拖動的電車、煉鋼車間的澆鑄吊車等生產機械。25【例8－4】

一臺他勵電動機，PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra＝0.125Ω，現拖動恒轉矩負載在額定工作點穩定運行，要使電動機轉速降為1000r/min，需在電樞電路中串聯多大的調速電阻？由于拖動恒轉矩負載，調速前后電樞電流不變，那么解：

261.調速方向在UN〔或nN〕以下調節。Ua→n，Ua→n。2.調速的平滑性連續調節Ua，可實現無級調速。3.調速的穩定性Ua→、不變，但→穩定性變差。4.調速范圍D不大〔D≤8〕。二、降低電樞電壓調速＞OTenUa1Ua2TLbcn01n02a275.調速的經濟性

需要專用直流電源。6.調速時的允許負載

Te=CTΦNIaN

——恒轉矩調速。＞OTenUa1Ua2TLbcn01n02a28【例8－5】

例8－4的電動機，拖動恒轉矩負載運行于額定狀態，要使電機轉速降為1000r/min，電樞電壓應降到多少伏？

解：由于拖動恒轉矩負載，且

不變，根據Te=CE

Ia可知，調速前后電樞電流不變，故n

=1000r/min時，電樞電壓為

U1=CE

nN＋RaIa

=(0.137×1000＋0.125×115)V

=151V29三、減弱磁通調速TLn不能躍變E=CE

n＞OTenΦ2Φ1

bcan01n02If

→Φ

E

→Ia

→Te

→n

→E下降至某一最小值后上升→Ia和Te上升至某一最大值后下降→Te=TL，n=nc。1.調速方向在nN以上〔IfN以下〕調節。2.調速的平滑性連續調節Uf〔或Rf〕可實現無級調速。303.調速的穩定性Φ→n，n04.調速范圍受機械強度〔nmax〕的限制，D不大。普通M：D=2，特殊設計的M：D=4。5.調速的經濟性調節Rf比較經濟；調節Uf那么需要專用可調直流電源。6.調速時的允許負載Φ→Te，n，→

不變，穩定性好。P根本不變，為恒功率調速。31應用不經常逆轉的重型機床。如：國產C660、C670等機床，重型龍門刨床的主傳動在高速區的調速。調壓調速與弱磁調速配合，可擴大D

，實現雙向調速。32【例8－6】例8－4的電機，拖動恒轉矩負載運行于額定狀態，當磁通降為

=0.8

N時，電動機轉速為多少？電動機能否長期運行于弱磁狀態？

解：由于TL恒定，那么因此由于電動機在弱磁狀態下的電樞電流是額定值的1.25倍，故不能長期使用。此時電動機的轉速為338.4他勵直流電動機的制動目的：快速停車、勻速下放重物等。制動方法：機械制動和電氣制動。一、能耗制動電動狀態制動狀態能耗制動時：動能轉換成電能，被電阻消耗掉。nTE＋Ua－Ia＋Uf－M＋Uf－RbIaTnEM34制動前：特性1。制動開始后：Ua

=0，n0=0n=－Ra＋Rb

CECTΦ2Te

bOTen1n0TLaTL1.能耗制動過程

a點→b點，→Ia

反向(Ia＜0)制動開始→n=0，E=0na=nb，Ea=Eb→Te

反向(T＜0)，→Te

和TL的共同作用→Ia=0，Te=0，→n↓→O點，自動停車。

2制動過程(特性2)35Tb

Tb'制動效果Rb

2(Rb大)bOTe

n1TLa2'(Rb小)b'→Ia

→|Tb

|

↑→制動快，停車迅速。Ia

=EbRa＋Rb≤

Iamax切換點〔b點〕

Rb

的選擇Ra＋Rb

≥EbIamax＋Uf－RbIaTnEM362.能耗制動運行——下放重物bOTen1n0TLa2ca點→b點→O點→Te

=0，TL≠0→n

反向起動(n＜0)→E反向(E＜0)→Ia再次反向(Ia＞0)→Te

再次反向(Te＞0)，→

n

→Te

反向起動制動過程能耗制動運行→E

→Ia

→Te=TL(c點)。37nLnL'2bOTe

n1TLac制動效果2'(Rb小)b'TT'Rb

→特性2斜率

→下放速度|

nL

|

。Rb的選擇〔各量取絕對值〕Ra＋Rb

=EcIac=CEΦ

nL

T

/

CTΦ校驗Ra＋Rb

≥EbIamax=CE

CTΦ2nL

Tc'(Rb大)=CE

CTΦ2

nL

TL－T0穩定運行c點的E和Ia〔對切換點b點電流的限制〕38【例8－7】一臺他勵直流電動機額定數據為UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.125。最大允許電流Iamax<2IN，負載轉矩TL=0.9TN。試求：(1)當拖動對抗性負載時，采用能耗制動實現停機，電樞電路中應串入多大的制動電阻？(2)如拖動位能性負載，采用能耗制動下放重物，要求電動機以n＝300r/min恒速下放重物，電樞回路應串入的多大制動電阻？解：由額定數據求得由于TL=0.9TN，Te=CTIa，那么Ia=0.9IN＝0.9×115A＝103.5A(1)拖動對抗性負載時39制動電阻為所需制動電阻為

(2)拖動位能性負載

由于為恒轉矩負載TL=0.9TN，故電樞電流為穩定運行點的電動勢為40二、反接制動1.電壓反向反接制動——迅速停機電動狀態制動狀態電樞反接時：動能、電源電能均被Rb

消耗掉。作用？限制IamaxnTeE＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－RbIaTenE－Ua＋TLM412－n0OTe

n1n0TL制動前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

Te制動開始后：特性2制動過程－TLn=－Te

－UaCEΦRa＋RbCECTΦ2

bacda點→b點，→Ia

反向(Ia＜0)→Te

和TL的共同作用→n=0，Te

≠

0，na=nb，Ea=Eb，

→Te

反向(Te＜0)，→n↓立刻斷電，未斷電，反向起動制動開始；↓→c點停機。→d點，反向電動運行。立刻斷電42制動瞬間b點的ERa＋Rb≥Ua＋EbIamax制動效果2'(Rb小)b'Te

Te'

Rb

→特性2斜率

→制動轉矩

→制動快。Rb的選擇〔各量取絕對值〕2(Rb大)n0－n0bOTe

n1TLa＋Uf－RbIaE－Ua＋M432.倒拉反接制動——下放重物電動狀態制動狀態電樞接入Rb瞬間→Ia

→Te

→Te＜TL→n

E

→Ia

Te

,Te＜TLn

=0，Te＜TL→反向起動→

n＜0

→|

n|

→|

E

|

→Ia

→Te

→Te

=TL。nTeE＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－＋Ua－TLRbIaTenEM44OTen1n0TLa2c制動運行狀態制動前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

Te制動開始后：特性2n=UaCEΦ－Ra＋RbCECTΦ2

Tebd※

Ia和Te

始終沒有改變方向。452dn0bOTen1TLa制動效果Rb

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(Rb大)d'nLnL'(Rb小)Ua＋Ed

IadRa＋Rb

=

Rb

的選擇(各量取絕對值)

=Ua＋CEΦnL

T

/

CTΦ=(Ua＋CEΦ

nL)

CTΦ

TL－T0穩定運行d點的E和Ia＋Uf－＋Ua－RbIaEM46【例8－8】例8－7的電機最大允許電流為Iamax<2IN，負載轉矩TL=0.9TN。(1)當拖動對抗性負載時，采用電壓反接制動，電路中最小應串入多大的制動電阻？(2)當拖動位能性負載時，采用電動勢反向反接制動恒速下放重物，要求n＝－1000r/min，試求電樞回路應串入的制動電阻值。解：(1)

由額定數據求得(1)求電壓反向反接制動時的制動電阻47制動電阻為(2)求電動勢反向反接制動時的制動電阻48平地或上坡行駛時工作在a點。下坡行駛時TL反向→TL2→n＞n0→E＞Ua→Ia＜0→Te＜0→b點〔TL2=Te〕。

n

＞

n0

→電動機處于發電狀態，→動能轉換為電能回饋電網。三、回饋制動

特點：

→E＞UaOTen1n01.正向回饋制動——電車下坡TL12TL23→n

→n

ab49電動狀態nTe

ME＋Ua－Ia＋Uf－TL下坡n

→E

→Ia(Te)

→n=n0,

E=Ua,

Te=0制動狀態n

→E

(＞Ua)→Ia(Te)＜0→|Te|

＋Uf－＋Ua－TLIaTenEMn＋Uf－＋Ua－TLETeIaM＋Uf－＋Ua－TLnEIaTeM50TL在降低電樞電壓調速過程中＞TLOTenUa1n01Ua2n02acbd回饋制動過程在增加勵磁電流調速過程中＞OTe

nIf1n01If2n02acbd工作點跳到何處？回饋制動過程512.反向回饋制動——下放重物

電動狀態制動過程反向起動

n

→n0

n

→

E＞Ua→Ia(Te)反向制動狀態作用？限制IamaxnTeE＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－RbIaTe

nE－Ua＋TLM＋Uf－Rb－Ua＋TLIaTe

nEM＋Uf－Rb－Ua＋TLnETeMIa52OTe

n1n0TL2－n0acbdea點改變Ua極性n不能躍變c點b點反接制動d點反向起動e點，Te

=TL。Te＜TL回饋制動電壓反向