05直流电动机电力拖动

• 关于转矩计算：
TN

PN 9550
:
轴上输出转矩；Tem

KT
I
：电磁转矩
N
二者相差空载转矩 T0 。
• 充分利用电动机的负载能力：按负载性质
选择调速方式。
PT U增大
TN 调压 PN
0
调磁
减小
nN
n
• 调解电压和励磁的: T=f(n) 和 p=f(n) 特性曲线
4>调速的平滑性：
相邻两级转速之比:
+
-
U
n
T Ra Ia
M
-Ea +
If
＋
Uf
－
n,T反方向：制动
Ea反接：反接制动
n=Ea/Ke 与U反接相同
说明：电动机反接制动状态（转速反向）。
+ U
T
n
-EaM +
-
Ra Ia If
－
Uf
＋
励磁反向－Ea反向、T反向
n,T反方向：制动
Ea反方向：反接制动
3、他励直流电动机的电动机状态
1>条件：
弱磁调速的转速特性
弱磁调速的机械特性
•以上分析表明，调速时：
额定转速以下：串电阻或调压调速； 额定转速以上：弱磁调速。
7、 电动机的基本调速方式
• 1>转速调节的机电过程:
U+ e
i·Bl
Bl·v
F(T)
v(n)
U+ -
Ia=
U-Ea Ra+Rc
Ia KT
TL

n= G3D725∫L)dt+C
Pcu
P0
0 P1 Pem
P2
4>能耗制动接线图：
K1
Ia
+
+ K2 U
If
-
Rc -
制动前
Ra +T
Ea n
-
Rc
TL
Ia
+
Ra
If
+
T n
Ea
-
-
TL
能耗制动
5>机械特性：(假定正向仍按电动方向)
n Ra Rc T K e KT
6>机械特性示意：
n
Ra+Rc
Tb
0
反抗负载
制动到0停车
电动
-
T Un
+
TL
Ia
+
-
Ea
Ra＋Rc
反接制动
5>机械特性： 假定正方向按电动机惯例不变，各变量为
有符号数，则机械特性方程不变，仍为：
n U Ra Rc T Ke KeKT
6>机械特性示意：
n
T
Tb
0
TL
反抗性负载的反接制动
n=0时停车
7>机械特性示意：
n
T
0
TL
稳定运行点
位能性负载的反接制动
•说明：电动机回馈制动状态。
+
-
U
Ia
T
+EaM
n -
Ra If
＋
Uf
－
n,T反方向：制动
Ea>U (n>n ) 回馈制动 Ia反向－T反向 0
说明：电动机能耗制动状态。
R
T
n Ra Ia
+EaM -
If
＋
Uf
－
n,T反方向：制动
U＝0：能耗制动 Ia反向、T反向
说明：电动机反接制动状态（电源反接）。
n
Ea
忽略电磁惯性（L)时
Ke
• 转速和转矩的控制方法
2>描述直流电动机调速的基本方程：
Ea Ke n
U＝Ea (Ra Rc )Ia
T＝KT I a
T－TL＝
GD 2 375
T
Tb
0
TL
制动初转矩＝T b +TL
降压调速时的回馈制动 （最终稳定运行在电动状态）
7>机械特性示意：
n
0
电动 n0 nc
Tn
TL T
TL
回馈
G
下放位能负载时的回馈制动运行 （最终稳定运行在回馈制动状态）
5、他励直流电动机的能耗制动状态
能耗制动时： U 0 电枢回路串入电阻 。
1>电压方程：
2>功率平衡：
UI a

－I
2 a
Ra

Ea I a
－UI a

I
2 a
Ra－Ea
I
a
－P1 Pcu－Pem
Pem P2 P0
•电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功 率输入； •输入功率为负，代表功率回馈到电源。
3>功率流程：
Pcu
P0
P1 Pem
P2
4>机械特性(他励)
n U Ra Rc T
K ni ni 1
，
K＝1称为无级调速。
调压、调磁调速，为无级调速；
串附加电阻调速，为有级调速。
5>原始投资与运行费用的合理利用 〖略〗
4、电枢串电阻调速：
• 设 U U N , N ,串Rc时的机械特性:
n

U
K e

Ra Rc
KeKT 2
T
•特点:
1> 在不同的Rc下，n0 不变； 2> 斜率绝对值随Rc增大而增大; 3> Rc 0 固有特性，Rc 0 人为特性; 4>所有人为特性均在固有特性之下 ;
Ke Ke KT 2
机械特性
U Ea－I a (Ra Rc )
电压方程
Ea Ke * *n
T KT * * Ia
n

U
K e

Ra Rc
K e
Ia
转速特性
5>机械特性示意：
n 回馈 n0
电动
T
0
6>机械特性示意：
n
nn0021
n1 n2
n> n0 回馈 n,T反号制动
围，则 ：<1> nmax 受限；
< 2 > n 必须设法减小 n 。
3>电动机负载能力的充分应用： 负载能力：调速运行中在额定电流状态下， 电动机轴上输出转矩与输出功 率大小和变化规律。
• 调压调速： T KT I a KT N I N 常数
P＝ T n TN n CKn 9550 9550
电流方向不变，转向反向，电磁转矩为制动性质；
2>功率平衡：
UIa＋Ea Ia＝(Ra Rc )Ia2
P1 Pem Pcu
3>功率流程： 轴上机械功率通过电机转换为电磁功率
后，连同电网输入功率全部消耗于电阻上。
4>反接制动接线图（电源反接）：
+U -
T n TL
Ia + Ea - Ra
Ra
I am i I N
i 为直流电动机电流短时允许过载倍数。
2>降低电枢电压；
起动过程中保持 Ia Iam 不变，产生允许 的最大加速度，缩短起动时间：
·Rc随n升高逐步切除，直到Rc＝0
·或U随n升高逐步增大，直到
U UN
4、起动电阻的计算：
1>图解解析法：
1）画出固有机械特性；
•与转速成正比，称为恒转矩调速。
改变磁通调速： n U Ra Ia U N Ra I N C 1
K e
K e

T

KT
Ia

KT C
IN n

C1
1 n
P＝ T n 9550

TN n 9550
C1
1 n
n

9550
C1
1 nN
9550
nN

PN
常数
• 称为恒功率调速。
8>机械特性示意：
n 反接制动
-TL
Tb
0
反向电动
反抗负载
制动到0不断电
T TL
位能负载 回馈制动 稳定运行点
三、直流电机的调速及控制
1、直流电动机调速的相关内容
• 调速及调速的基本方法 • 调速指标 • 电枢串电阻调速 • 变电机端电压调速 • 弱磁调速
2、调速及调速的基本方法：
调速：根据工作机械的要求人为改变电动 机的运行速度 ；
调速的方法： 1>电枢电路串附加电阻调速； 2>改变电枢电压调速； 3>改变励磁调速 ；
3、调速指标：
1>调速范围:
• 定义：额定负载下电机允许达到的最高转速 nmax
与保证不超过工作机械的最大允许静差
率条件下的最低转速nmin 之比。
• 调速范围：
D nmax nmin
2>静差率：
S
n0 nN n0
Ea U
2>功率平衡关系：
功率平衡：
UI a


2 a
(Rc
Ra ) Ea Ia
P1 Pcu Pem
Ea Ia Tem T0 TL P0 P2
3>功率流程：
Pcu
P0
P1
Pem
P2
4、他励直流电动机的回馈制动状态
回馈制动时： Ea U 因而 n n0 1>电压方程： U Ea Ia Ra
2、直流电动机制动的分类：
1>回馈制动 ； 实现：回馈制动的条件： Ea U ，因
而： n n0 。
2>能耗制动 ； 实现：U＝0，电枢回路串入电阻。
3>反接制动 ； 实现：电枢电压或电动势极性突然改变 （励磁反向）
•说明：电动机状态。
+
-
U
T
n Ra Ia
+EaM -
If
＋
Uf
－
n,T同方向：电动
2、他励磁（并励磁）方式起动的有关问题：
• 起动前应加有励磁；
• 起动开始时应限流
• ∵t=0时 n=0、Ea=0
• • •
∴无限流时，起动电流：
起动转矩：
+
-
U
Ist Ia
T KT Ia ∴有：
U Ra
•
+ Ea -
Ia
M
电流冲击
•
Ra+Rc If
机械冲击。
＋ Uf
－
•以某直流电动机参数为例：
Ra
T TL 位能负载 T
能耗制动 稳定运行点
n,TL G
6、他励直流电动机的反接制动
反接制动时：电枢电压或电动势极性突然改变 。 （必须采取限制电枢电流的措施）
1>电压方程为：
电枢电压反接时： U Ea (Ra Rc )I a
电流反向，转向不变，电磁转矩为制动性质；
转子转向相反时： U Ea (Ra Rc )I a
R m -1
3）据此计算各分级电阻；
二、直流电动机的制动
1、直流电动机制动运行的相关问题： • 制动运行的基本特征：
产生与n相反的电磁转矩 电机的作用为：将运动系统贮存的机械能转 化为电能，实现能量的迅速转移；
• 结论:制动运行状态本质上为发电机运行状态。 • 与发电机运行的差异：
1>输入能量有限; 2>机电能量转换不是目的，而是一种能量 转移的手段 。
5>在有效负载范围内，人为机械特性在固
有特性之上;
6>对恒转矩负载，弱磁后，速度升高同时
电流相应也增大。
• 结论：
调速只能在固有特性之上进行。
•图示说明：
n
n02 2 1 N
n 01 n0N
1
2
N
n
n02 2 1 N
n 01 n0N
1
2
N
0
Ist I 0 TL
Tst2Tst1 Tst T
U U N 220V , Ra 1.35, I N 15.6 A
•不限流时 :
I st

Ia
220 1.35
170A I N
•将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。 切记：工业直流电动机不能加全电压直接起
动。
3、限流措施： 1>电枢回路串接附加起动电阻：
Rc

U I am
3> Uc U N
:固有特性，Uc U N U
:人为特性;
（电压值受绝限制， Uc U N ）
4>所有人为特性均在固有特性之下 ;
•结论：
调速只能在固有特性之下进行。
•图示说明：
n
n0
n1 n2
n3 n4
U3<U2<U1<UN
0
TL
U=UN U=U1 U=U2 U=U3
T
6、改变励磁调速：
nN n0
•图示如下：
n 0N
n 01
nN
nmin
T TN
•允许最大静差率：
S
max

n0
nmin n0
T TN
• 调速范围和最大允许静差率的关系：
D nmax nmax Smax nmin (1 Smax )nN
•结论：对同一调速系统静差率要求不同，则
所能达到的调速范围也不同 。 Smax D 即，当静差率一定时，若要求扩大调速范
第五章 直流电动机的电力拖动
一、直流电机的起动 二、直流电机的制动 三、直流电机的调速及控制 四、直流电机四象限运行 五、电力拖动系统的过渡过程
一、直流电动机的起动
1、起动相关的问题： • 起动：通电后，转速从零达到稳态转速的过程 • 起动要求：
起动转距大 起动电流小 起动设备简单可靠、经济
• 起动方法： 直接起动： 电枢回路串电阻起动 降压起动
设： U UN，Rc 0 ； 当： N 时，机械特性为：
n

U
K e

Ra Rc
KeKT 2
T
• 特点：
1>
n0
UN
K e
随磁通下降而增大;
2>斜率绝对值随磁通下降而增大;
3>转速特性所有堵转电流
I st
UN Ra
交与一点;
4>机械特性：磁通下降，Tst KTIst 下降;
0 Ea I a (Ra Rc )
2>功率平衡：
0

－I
2 a
(Rc

Ra
)

Ea
Ia
0

I
2 a
(Rc

Ra
)－Ea I a
0 Pcu－Pem
Pem P2 P0
•电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功 率输入； •输入功率为零，代表无功率回馈到电源， •机械能量全部消耗在电阻中 。 3>功率流程： P1 0
•结论：
调速只能在固有特性之下进行。
•图示说明：
n
n0
n1 n2
n3
n4
Rc3>Rc2>Rc1
0
TL
Rc=0 Rc1