直流电机的电力拖动(3)

石家庄铁路职业技术学院信息工程系
单元2 直流电动机的电力拖动
2.3 他励直流电动机的起动
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。 起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 Tst CT ΦI st UN I st Ra 起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很 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。
Ra UN n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
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。 二、人为机械特性 当改变U或 Ra 或Φ 得到的机械特性称为人为机械特性。
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1、电枢串电阻时的人为特性
保持 U U N ,Φ ΦN 不变,只在电枢回路中串入电阻 RS 的人为 特性
e
c
Ra Rst 1 R1
n1
TL IL
Ra Rst 1 Rst 2 R2
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3 R3
T1 I1
1
a
T2 I2
Tem I
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二、分组起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：
Ra U n Tem 2 C e ΦN C e CT ΦN
n0
n
UN
n01
特点：1)n0随 U 变化, β 不变; 2)U不同,曲线是一组平行线。
U1 U N
U1
Tem
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3、减弱励磁磁通时的人为特性
保持R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻RSf 的人为特性：
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。 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。
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b
g Ra
e
c
Ra Rst 1 R1
n1
TL IL
Ra Rst 1 Rst 2 R2
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3 R3
T1 I1
1
a
T2 I2
Tem I
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设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有： b点 R3 I 2 U N Ea 1 在已知起动电流比β和电枢电 阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为:
单元2 直流电动机的电力拖动
本单元主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、 直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。 2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性 2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 2.4 他励直流电动机的制动 2.5 他励直流电动机的调速
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2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
2.1.1 电力拖动系统的运动方程式 一、运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的 运动状态，系统的运动状态取决于作用在原 动机转轴上的各种转矩。 根据如图给出的系统（忽略空载转矩）， 可写出拖动系统的运动方程式：
B
Tem
即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 0 TL 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是： (1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点, 即存在 Tem TL dTem dTL (2)充分条件:在交点处,满足: 。 dn dn 或者说,在交点的转速以上存在Tem TL ,在交点的转速以下存 在 Tem TL
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2.2 他励直流电动机的机械特性
2.2.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、 电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动 n 机的转速与电磁转矩之间的关系： f(Tem ) 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式： U R n n Tem 2 n0 C e Φ C e CT Φ n '0 n0 βTem n
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二、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。
三、泵与风机类负载特性
负载的转矩TL 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。
n
n
理想的通 风机特性
实际通风 机特性
TL
TL0
TL
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首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩Tem 与转速 n 的正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩 TL 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
GD 2 dn (3)惯性转矩 的大小和正负号由Tem 和 TL 的代数和决定。 375 dt
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Rst 1 (β 1 ) Ra Rst 2 (β 1 ) βRa βRst 1 Rst 3 (β 1 ) β 2 Ra βRst 2 Rstm (β 1 ) β m 1 Ra βRstm 1
c点 R2 I1 U N Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea 2 e点 R1 I1 U N Ea 2 f点 R1 I 2 U N Ea 3 g点 Ra I1 U N Ea 3
N
n0 称为理想空载转速。
U R 实际空载转速 n0 T0 2 C e Φ C e CT Φ
Tem
T0
TN
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2.2.2 固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性 当 U U N ,Φ ΦN , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：
n
b点 R3 I 2 U N Ea 1
c点 R2 I1 U N Ea1
d点 R2 I 2 U N Ea 2 e点 R1 I1 U N Ea 2 f点 R1 I 2 U N Ea 3 g点 Ra I1 U N Ea 3
nN
Tem I
n3
n0
h
f 3 d 2
为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。
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2.3.1 电枢回路串电阻起动 一、起动过程 以三级电阻起动时电动机为例
n

S
U
S1 S 2
M

S3
nN
Tem I
n3
n0
h
f 3 d 2
b
g Ra
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
m
UN I 1 Ra
m 取整数
T1 T （5）计算转矩:T2 ，校验： 2 ( 1.1 ~ 1.3 )TL β
m 如果不满足，应另选T1 或 值并重新计算，直到满足该条件为止.
（6）计算各级起动电阻。
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2.3.2
降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
Ra UN n Tem 2 C eΦ C e CT Φ
n02 n
n01
Φ2
Φ1பைடு நூலகம்
Φ2 Φ1 ΦN
n0
n 特点：1）弱磁， 0增大；
β 2）弱磁， 增大
ΦN
Tem
Tk 2 Tk 1 Tk
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2.2.3
机械特性求取
二、人为特性的求取 一、固有特性的求取 已知 PN ,U N, I N , nN ，求两点:1）理想空载 ) 点 (Tem 0 , n n0 )和额定运行(Tem TN , n nN 。 在固有机械特性 具体步骤： 方程 n n0 βTem 1 2 U N I N PN 的基础上，根据人为 (1)估算 Ra : Ra ( ~ ) 2 2 3 IN 特性所对应的参数RS U N I N RN 或 或Φ 变化，重新 U (2)计算 C eΦN 和 CT ΦN : C e Φ N nN 计算n0 和 β ，然后得 CT ΦN 9.55CeΦN 到人为机械特性方程 UN 式。 T (3)计算理想空载点： em 0 , n0 C e ΦN

U
M
Tem

Tem TL J
dΩ dt
n
TL
dΩ 其中 J 为系统的惯性转矩。 dt
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运动方程的实用形式：
GD 2 dn Tem TL 375 dt 系统旋转运动的三种状态 dn 1)当 Tem TL 或 0 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处 dt 于稳态。
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2.4 他励直流电动机的制动
当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状 态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。 2.4.1 能耗制动 U 电动状态，如图所示。 电动 将开关S投向制动电阻RB上即实现制动. 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋 转，电动势E a 方向不变。由Ea 产生的电枢 I a 电流 I aB 的方向与电动状态时的 I a 方向相 TemB 反,对应的电磁转矩 Tem 与 方向相反,为 制动性质,电机处于制动状态。 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的 拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电 能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。
n
nA nA nA
A
Tem
0
扰动消失,系统加速，回到 A 点运行。
TL
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在B点，系统平衡 Tem TL
n 扰动使转速有微小增量，转速由nB n B 上升到n ，em TL,系统加速 。 B T 即使扰动消失,也不能回到 B 点运行。 B n 扰动使转速有微小下降，由 nB下降 n B ,Tem TL ,系统减速。 到 nB
dn 2)当 Tem TL 或 0 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。 dt Tem TL 或 dn 0 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 3)当 dt
GD 2 飞轮矩,可以直接查找
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二、运动方程式中转矩正、负号的规定
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2.1.2
负载的转矩特性
负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 一、恒转矩负载特性 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
n
TL
n
TL
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比较以上各式得：
R3 R2 R1 I 1 β R2 R1 Ra I 2
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计算各级起动电阻的步骤：
（1）估算或查出电枢电阻 Ra ；
（2）根据过载倍数选取最大转矩 T1 对应的最大电流 I 1 ；
（3）选取起动级数 m；
β （4）计算起动电流比：
Ra RS UN n Tem 2 C eΦN C e CT Φ N
n
n0
β 特点：1）n0 不变， 变大；
Ra
Ra RS Tem
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2） β 越大，特性越软。
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2、降低电枢电压时的人为特性 保持 R Ra ,Φ ΦN不变，只改变电枢电压时的人为特性：
T (4)计算额定工作点： N CT ΦN I N , n nN
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2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件 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，系统平衡 Tem TL 扰动使转速有微小增量，转速由n A T 上升到nA ，em TL。 扰动消失,系统减速，回到 A 点运行。 扰动使转速有微小下降，由 n A下降 到 n ,Tem TL 。 A