第四章他励直流电动机的运行

4.2 他励电动机的调速
• Speed-regulation of separately excited motor 调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统 的转速以满足生产实际的需要。
调速方法 1.机械调速： 指通过改变变速机构传动比以改变转速的 方法，特点是：调速时必须停，多为有级调速， 同生活中如变速自行车原理基本相似。
直流电动机上述三种调速方法中，改变电 枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速， 而弱磁调速属于恒功率调速.
三种调速方法的比较
调速指标 调速方向 调速范围
电枢串接电阻 降电源电压 减弱磁通
从nN向下调 从nN向下调 从nN向上调
2~3(无静差要求) 4~8
1.2~2
调速平滑性 差
调速稳定性 差 负载能力 电能损耗 恒转矩 大
(5)求各级起动电阻
R1 Ra 1.804 0.163 0.294 R2 R1 Ra Ra 2 0.163 1.804 0.530
2
R3 R1 3 0.163 1.8043 0.957
则各级起动电阻为： Rc1 R1 Ra 0.294 0.163 0.131 Rc 2 R2 R1 0.53 0.294 0.236 Rc 3 R3 R2 0.957 0.53 0.427
4.2.2 恒转矩调速与恒功率调速 • 所谓恒转矩调速方式指的是：在某种调速方法 中，保持电枢电流 I a I N 不变，若该电动机电磁 转矩恒定不变，则称这种调速方式为恒转矩调 速方式。 • 所谓恒功率调速方式指的是：在某种调速方法 中，保持电枢电流I a I N 不变， 若该电动机电磁 功率恒定不变，则称这种调速方式为恒功率调 速方式。
F FN
电枢回路串联电阻越大，机械特性的斜 率越大，因此在负载转矩恒定时，增大电阻， 可以降低电动机的转速。 。
n n0
nN n1
n2
A’
A B C
Ra Ra+Rc1 Ra+Rc2 TL T
注意：电动机运 行于不同的转速， 电枢电流Ia大小 变化吗？ Ia与电动机转速n 无关。
Rc1<Rc2
0
缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。
缺点：转速只能由额定电压对应的速度向低 调。此外，应用这种方法时，电枢回路需 要一个专门的可调压电源，过去用直流发 电机-直流电动机系统实现，由于电力电子 技术的发展，目前一般均采用可控硅调压 设备—直流电动机系统来实现。
（三）弱磁调速
U UN , R 0
串电阻时的效率：
P2 P2 3367 R 54.6% P U N I N 220 30.5 1
降压时的效率：
P2 P2 3367 U 73.0% P U 1 I N 151.25 30.5 1
• (一)技术指标 • 1.调速范围是指电动机在额定负载转矩 T=TN时，其最高转速与最低转速之比。 nmax D nmin • 2.静差率 • 静差率也称转速变化率，指电动机由理 想空载到额定负载时转速的变化率 n no n no nO
2. 电气调速： 指通过改变电动机有关电气参数来改变 电动机转速的方法，特点是简化机械传动 与变速机构，调速时不需停车，在运行中 便可以调速，可实现无级调速，必要时还 可采用各种反馈环节提高机械特性硬度， 以便提高拖动系统静态与动态运行指标， 易于实现电气系统自动化控制。 3.电气——机械调速： 指上述两种方法都采用的混合调速法。 （主要介绍电气调速）
1.起动过程
KM1 KM2 KM3 RC1 RC2 RC3
UN
Ea
Ra
If
n
n0 nh nf nd nb’ nb d b’ c b R2 R3 I2 TL T2 T1 a T I1 R1
h g f e Ra
他励直流电动机三级电阻起动的机械特性
n
n0 nN
n3 n2 n1
h f d b a
TL IL T2 T1
n
I a1
ia ia
n02
n2 n01 n1 n0 nN
C
B A TL
n
I aN
A’
F2 F1 FN
n1
n t
nN
T t=0
优点：这种调速方法的特点是由于励磁回路的
电流很小，只有额定电流的（1～3）%，因此 励磁回路所串电阻消耗的功率小，连续调节 其阻值可实现无级调速。
缺点：
机械特性的斜率变大，特性变软； 转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限 制，升速范围不可能很大，不超过1.2nN；其限制 是转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而 电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换 向的限制。 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方 法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定 转速以下采用降压 调速。
Rm In Ra m' 2.4 In ' 取m 3
(4)计算起动电流比 。
由 m Rm ，将Rm、Ra 及m代入可得。 Ra
m
Rm 3 0.957 1.804 Ra 0.163
然后算出实际的切换电 I 2 , 流 230 I2 127A 1.2 I L 1.804 所以m 3满足要求 I1
Ra e Ra + RC1 R1
g c
Ra + RC1 + RC 2 R2
Ra + RC1 + RC 2 + RC3 R3
TC
I2
I1
I
例：某他励直流电机额 定数据如下： PN 21KW , U N 220 , I N 115A, V n N 980r / min。负载电流为I L 92A, 最大起动电流不超过 I N .试求分级起动 2 级数及各级起动电阻值 .
nB n0 nB 1600 1000 600r / min
由 nN 得：
Ra nB Ra + R p
nB 600 Rp 1 Ra 1 0.45 n 100 N 2.25
（2）降低电源电压后的理想空载转速
电枢回路串电阻调速
• 优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方 便。
缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的 平滑性差； 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大， 所以转速的相对稳定性差；
3）损耗大，效率低，不经济。所串调速 电阻通过很大的电枢电流Ia，会产生很大的损 耗，转速越低，损耗越大。 4）轻载时调速范围小。
第四章 他励直 流 电 动 机 的运行
§4-1 他励直流电动机的启动 Starting of separately excited motor
一、他励直流电动机的起动方法
• • • • • • • 电动机的起动指接通UN ，转速从n=0到n=nN 起动要求： 1） Ts 大 2） I 小 s 3）起动过程中消耗的能量少 4) 起动设备简单，便于控制。 满足 T 足够大的条件下， I s 尽量减少
(二）降低电源电压调 速： 因为电机在正常工作 时，电枢电压不能 超过额定电压，所 以，采用向下调速。 很显然，在这里， 只改变了 n0，所以 我们将得到一系列 与固有特性平行的 曲线。如图：
F FN , R 0
• 优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无 级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬 度较高，负载变化时稳定性好。 3）电能损耗较小。
(二）降低电枢电压起动：
从最原始的公式，我们可以看出，除了增 大电阻外，还可以通过减小电枢电压来 减小起动电流：
Is
U Ra
这种方法在起动过程中不会有大量的能量 消耗。
n
n0
UN
T
TL
Ts
负载转矩已知，根据启动条件的要求， 可以确定电压U的大小。为了保持启动 过程中电磁转矩一直较大及电枢电流 一直较小，可以逐步升高电压U，直至 最后升到UN。 实际上电枢电压可以连续升高，启 动更快、更稳。
Ea
直接起动
I s 太大，须限制
电机拖动负载起动的一般条件是： 1 I s 2～2.5）I N ; 2)TS (1.1 ~ 1.2)TN ） （
U Is Ra + RC
限制 I s 的方法有： • 降压起动； • 电枢回路串电阻起动。
• (一)电枢回路串电阻起动
UN Is Ra + RC
（）根据电动机的铭牌数 1 据估算Ra
（2）选取最大起动电流 1。 I I 1 2 I N 2 115 230A UN 最大起动电阻 m R 0.957 I1
（3）因为起动级数未知， 则应先决定起动级数。 先初选切换电流 2 ' 1.2 I L 1.2 92 110A I I1 230 ' 2.09 I ' 2 110
好
好 恒转矩 较小
好
较好 恒功率 小
设备投资励直流电动机， N 5.5kW ,U N 220 P V
r I N 30.5 A, Ra 0.45, nN 1500 / min
电动机拖动额定负载运行，保持励磁电流不变， 要把转速降到1000r/min。求： 1)若采用电枢回路串电阻调速，应串入多大电阻? 2)若采用降压调速，电枢电压应降到多大？ 3 )两种方法调速时电动机的效率各是多少？
电动机稳定时T 由负载转矩决定，其不变时， 改变U、、电枢串电阻都可以调速
Ra + R U n T 2 Ce F Ce CT F
他励直流电动机有3种方法可以调速： （1）电枢串电阻调速； （2）降低电源电压调速； （3）弱磁调速。
(一）电枢串电阻调速：
保持电源电压U=UN，磁通 在电枢回路串入不同的电阻调速。