《电机与拖动学习指导与实验教程》教学课件—03直流电动机的电力拖动

3)机械特性的绘制
1.固有特性的绘制
2.人为特性的绘制
已知 PN ,U N , I N , nN，求两点:理想空载点
(T 0, n n0) 额定运行点 (T TN , n nN ) 。
具体步骤：
（1）估算 Ra
:
Ra
(1 2
~
2 3
)
U
N
IN
I
2 N
PN
（2）计算 Ce N 和CT N :
Tst CT I st
I st
U Ea Ra
U Ra
2)降低电枢端电压起动
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用降低电源电 压或电枢回路串电阻起动。
（1）降低电源电压起动：
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电 流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的 上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使 起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需 要的加速度升速。
解：1.固有特性表达式
根据 ： PN ,U N , I N , nN
具体步骤：
（1）计算 Ra :
Ra
1 2
~
2 3
U
N
IN IN
2
PN
1 2
220
210 40103 2102
0.07
（2）计算 Ce N :
Ce N
UN
I N Ra nN
220
210 0.07 750
0.2737
Ia
减弱，n0 U N Ce 增大,堵转电流 Ik U N Ra 常值。
n
n02 n
2
n01 2
1
N 1 2
1 N 1 2
N
n0 N
Ik
Ia
不同时的 n f Ia 曲线
特点：1）弱磁，n0增大；
Tem Tk 2 Tk1 TkN
不同时的 n f Tem 曲线
2）弱磁， 增大
3.2.3电力拖动稳定运行的条件
即处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动， 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新 的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转 速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。
在A点，系统 Tem＝TL
n
他励直流电动机 的机械特性
n
n0 nz
GF Ra
nD
D
E R2
nB
B
C
R1
0 TL (IL ) T2 (I 2 )
A T1 (I1 ) Tem(Ia )
3.4 他励直流电动机的调速
大量生产机械（如各种机床、轧钢机、造纸机、纺 织机械等）的工作机构要求在不同的情况下以不同的速 度工作，要求我们用人为的方法改变其速度，这可用机 械方法、电气方法或机械电气配合的方法。
0
恒功率负 载特性
TL
3.2 他励直流电动机的机械特性
电动机转速n与电磁转矩Tem的关系 n f (Tem) 称为电动机的
机械特性。
3.2.1机械特性方程式
直流电动机基本式：
+
U
Ia Ea
R
电磁转矩 Tem CTΦIa
感应电动势 Ea Cen
M
电枢电路电动势平衡方程式 U Ea＋Ia R
+
<0，系统处于减速运行状态，
即处于动态。
3、运动方程中转矩的正负符号分析
U
Tem
（ TL）
GD2 375
dn dt
M
方向规定：先n
TL 则:转矩Tem正向取正，反向取负；
阻转矩TL正向取负，反向取正。
加速转矩 代数和决定。
GD 2 dn
的3大75小dt和正负号由Tem和TL的
现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性 这两种特性的配合问题。
在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩Tem与TL 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定 值，拖动系统处于稳态，或称静态 。（A和B点）
3.2.3电力拖动稳定运行的条件
思考:工作在A点或B点静态稳定吗?
两种特性有交点（A点和B点） 仅是稳定运行的必要条件。
a
T
C
C C 2 em
n
e
N
eT
N
n0
特点：1）n0 不变， 变大；
Ra
2） 越大，特性越软。
Ra R
Tem
（2）降低电压时的人为机械特性
保持R Ra , N 不变，只改变电压 U 时的人为特性：
U n
Ce N
Ra
CeCT
2 N
Tem
n0
特点：1)n0 随U 变化, 不变;
n01
2)U 不同,曲线是一组平行线。
3)机械特性的绘制
例3-1：他励直流电动机的铭牌数据为：PN =40kW， UN =220V，IN =210A，nN =750r/min。试求：
（1）电动机的固有机械特性； （2）电枢串入电阻RΩ=0.4Ω时的人为机械特性； （3）电源电压降至110V时的人为机械特性； （4）磁通减弱至0.8ΦN时的人为机械特性。
3.3 他励直流电动机的起动
3.3.2他励直流电动机的起动方法
电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定 运行状态的过程。起动时，应先通励磁电流，而后加电枢电压。
1）直接起动：起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为
Tst CT I st
I st
U Ea Ra
U Ra
如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍。
第3章 直流电动机的电力拖动
电力拖动是指：用电动机作为原动机来拖动 生产机械，从而完成一定的生产任务。这个 系统称电力拖动系统。其由四部分组成：
电源
控制设备
电动机
工作机构
3.1 电力拖动系统的动力学基础
❖ 3.1.1 电力拖动系统的运动方程式 ❖ 3.1.2 生产机械的负载转矩特性
3.1.1运动方程式
U
R
n N
a
T
C
C C 2 em
e
N
eT
N
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有
机械特性是硬特性。
2)人为机械特性
当改变 U 或 Ra 或 得到的机械特性称为人为机械特性。
（1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持U U N , N 不变,只在电枢回路中串入电阻R的人为特性
U
R R
n
N
（1）降低电源电压起动：
n
n0
A
U1 U2 U3 U N
n01
UN
n02
U3
n03
U2
U1
0
TL
T2
T1 Tem
降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，
起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
（2）电枢回路串电阻起动：
二级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性图为：
KM
+
U
Ra M
R1
属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、
油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力 基本上和转速的平方成正比。
n
1
通风机负载特性
2
TL Kn2
0
T0
TL
3、恒功率负载特性
恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即TL
与 n 成反比，特性曲线为一条双
曲线。
n
TL
K n
如切削机床、轧钢机等。
M
Tem
TL
n
实用形式的运动方程式为：
GD2 dn Tem TL 375 dt
电动机的工作状态可由运动方程式表示出来：
1）当Tem＝TL，
dn dt
＝0，系统处于静止或恒转速
运行状态，即处于稳态。
2）即当处Tem于>动TL态，。ddnt >0，系统处于加速运行状态，
3）当Tem<TL，
dn dt
起动时由于转速 n 0 ，电枢电动势Ea 0，而且电枢电阻Ra 很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电 压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；
同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电 动机不允许直接起动。
3.3 他励直流电动机的起动
3.3.2他励直流电动机的起动方法
稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运 行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变 化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变 化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来 交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该 系统是稳定的，否则是不稳定的。
恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL 与转速n 无关 的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。
1)反抗性恒转矩负载
2)位能性恒转矩负载
如金属的压延、机床的平移机构等。
如重物的提升与下放等。
n
位能性恒转
n
矩负载特性
TL
TL
反抗性恒转 矩负载特性
2、通风机负载特性
负载的转矩TL 基本上与转速 的平方成正比。 负载n 特性为一条抛物线。为反抗性负载。
可见：他励直流电动机的机械特性是软特性。
电枢反应对机械特性的影响：
n
n0
电枢反应产生去磁作用，使磁通 降低，转速回升，机械特性在负
载大时呈上翘现象。
改善方法：
在主磁极上加一匝数很小的
0
Tem 串励绕组，抵消电枢反应的
去磁作用。
3.2.2固有机械特性和人为机械特性
1)固有机械特性
当 U U N , N , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：
（3C）e计N算理U N想n空NI N载Ra点：CTTemN0, n90 .55CCUeeNN N
在固有机械特性
方程 n n T
0
em
的基础上，根据人为
特性所对应的参数R
或U 或 变化，重新
计算n0 和 ，然后得
到人为机械特性方程
式。
（4）计算额定工作点：TN CT N I N , n nN
n
nA nA
A
nA
n
n0
nB nB nB
Tem
Tem
0
TL
0
TL
a）稳定运行
b）不稳定运行
3.3 直流电动机的起动
3.3.1电力拖动系统对起动的要求：
①起动电流Ist较小； ②起动转矩Tst足够大； ③起动时间tst较短； ④起动过程平滑，即加速度均匀； ⑤起动过程的能量损耗较小； ⑥起动设备简单、经济和可靠。
n
U1 U N
UN U1
Tem
（3）减弱励磁磁通时的人为机械特性
保持 R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻 RQ 的人为特性：
n UN Ce
Ra CeCT 2
Tem
n02 n
n01 2
1
n0 N
N 1 2
Tem Tk 2 Tk1 TkN
n U N Ra Ce Ce
n
U Ce
R CeCT 2
Tem
n0
Tem
转速降：
n
R CeCT 2
Tem
Tem
n
可见，当转矩一定时，转
n0
速降Δn与机械特性的斜率β成
nnN'0
正比。
β越大，机械特性越陡，
Δn 越大；β越小，机械特性越 平，Δn越小。
通常称小的β机械特性为 硬特性，而大的β为软特性。
0 T0
TN
Tem
他励直流电动机的机械特性
R2
-
KM1 KM2
+
n
Uf
n0 nz
nD
-
，
nB
R R R R
1
1
2
a
0
R R R
2
1
a
GF D B
Ra E
R2
C
R1
TL (IL ) T2 (I 2 )
A T1 (I1 ) Tem(Ia )
以他励直流电动机两级起动为例分析起动：
一般起动电流I1取为（1.5～2）IN，切换电流I2取为 （1.1～1.2）IN或（1.2～1.5）IL； 起动转矩T1取为（1.5～2）TN， 切换转矩T2取为（1.1～1.2）TN或（1.2～1.5）TL。
扰动使转速有微小增量，转速由nA nA 上升到nA，Tem TL ，扰动消失，系 nA
A
统减速，回到 A 点运行。稳定
nA
扰动使转速由 nA下降到nA ，Tem TL ，
负载特性
扰动消失，系统加速，回到 A点运行。 0
TL
Tem
稳定
稳定运行的判据：“ 在交点所对应的转速之上 Tem T L 而在这一转速之下 Tem T L
1. 对于直线运动，方程式为
dv F Fz m dt
F－拖动力；
Fz－阻力；m
dv dt
－惯性力
3.1.1运动方程式
2. 对于旋转运动，方程式为
Tem－TL=
J
dΩ dt
Tem－拖动转矩；TL－阻转矩；
J dΩ －惯性转矩
dt
转动惯量
J＝m 2 GD2
4g GD2 － 飞轮力矩
＝ 2n
60
U
If
Rf
Rsf
他励直流电动机电路原理图
机械特性方程式为：
UI R U
R
n
a
T
C
C C C 2 em
e
e
eT
n
U Ce
R CeCT 2
Tem
n0
Tem
n0 称为理想空载转速, 实际空载转速
n0
U Ce
R CeCT 2
T0
称为机械特性斜率。
n
n0
nnN'0
0
T0
TN
Tem
他励直流电动机的机械特性
Tem
TL
GD2 375
dn dt
例题：请列出下图运动方程式。
Tem
（ TL）
GD2 375
dn dt
可见：电磁转矩Tem起制动作用而负载转矩TL起 加速作用。
3.1.2 生产机械的负载转矩特性
阻转矩（负载转矩）TL 与转速 n 的关系 n f (TL ) 称为生产机械的负载转矩特性。
1、恒转矩负载特性
（3）计算理想空载点：
n0
UN Ce N
220 0.2737
804
（4）斜率计算：
Ra CeCT N 2
Ra 9.55(Ce N )2
0.07 9.55 0.2737 2
0.0978
（5）电动机的固有机械特性为：
n n0 Tem 804 0.0978 Tem
3.2.3电力拖动稳定运行的条件