电机及其拖动基础 第九章

ia I z ( I st I z )e
同理：

t tM
t tM
n nz (nst nz )e
三要素法： 初始值、稳态值 和时间常数
过渡过程时间t=（3～4）tM
四、降压起动
当他励直流电动机的电枢回路由专用可调电源供电时，可用 降低电压的方法来限制最大起动电流。起动电流将随着电枢 电压降低而成正比减小。
注意：实际上只能降压，而不能升压，以免损坏电动机。 .
3. 减弱磁通Φ的人为机械特性 条件：① U=UN ② R=Ra（Rc=0） ③ Φ 减小
方程式为
UN Ra n T 2 Ce CeCm
1 2 N
特点：① 理想空载转速点上移； ② 斜率增大；
③ 特性曲线即不是平行线，也不是放射性直线。
IN=52.6A，nN=1500r/min，Ra=0.284Ω，设TL=0.8TN， 起动级数m=3，电动机的过载倍数为2，求各分段起动
电阻值。
解： ⑴选取最大起动电流IS1=（1.5～2.2）IN IS1=2IN=2×52.6=105.2A ⑵求出R1
R1 UN 220 2.09A I S1 105.2
也只要抓住两个点就可以了。
Ra Rc U 根据 n T ，找到两个点，绘制出 2 Ce CeCm
曲线即可。
四、 电力拖动系统稳定运行条件
电力拖动系统的运动状态是由电动机的电磁转矩T和 负载转矩TL共同决定的。
dn 0，电力拖动系统处于稳定状态。 当T=TL时， dt
(一)、稳定运行的概念
2. 起动电阻的计算
起动电阻的计算的主要任务有： ① 选择最大起动电流IS1和切换电流IS2； ② 确定适当的起动级数 m； ③ 计算各分段电阻的阻值和功率。 要以起动级数少（一般为3～4级，不超过6级为好）， 起动过程快为总原则。
一般选取IS1 =（1.5 ～ 2.2）IN； IS2 =（1.1 ～ 1.2）IN 或 IS2 =（1.1 ～ 1.3）IL ； 当IS1确定后，即可求出第一级起动时电枢回路总电阻R1，即
§2
直流电动机的起动
起动就是使原来静止的电动机通电旋转起来,并达到 所要求的转速的整个过程。 直流电动机的起动要求：
有足够大的起动转矩
起动电流限制在允许范围内 起动时间短，符合生产技术要求
起动设备简单、经济、可靠 起动方法： 首先要加励磁，并使磁通达到最大，然后给电枢加 适当的电压，电动机就可以起动了。
r1 R1 R2 q 3 Ra q 2 Ra q qq 1Ra qr2
一般地，若起动级数为m级，则有
R1 q Ra
m
m
于是
q
R1
Ra
起动电阻值的计算步骤：
⑴ 若不知道电枢回路电阻，可根据电动机的铭牌数据
估算出电动机的电枢回路电阻Ra；
⑵ 选取最大起动电流IS1，并由此计算出最大起动电阻R1； ⑶ 若起动级数不知道，可初选切换电流IS2，从而初得
由此得各级 起动电枢回路电阻为 R3 qRa
R2 qR3 q 2 Ra R1 qR2 q 3 Ra
各分段 起动电阻值为
r3 R3 Ra qRa Ra q 1Ra
r2 R2 R3 q 2 Ra qRa qq 1Ra qr3
Ra Rc 令k ，称为机械特性的斜率 。 2 CeCm
k值小，机械特性较平，称为硬特性； k值大，机械特性较斜，称为软特性。 转速降
n n0 kT n0 n
理想空载转速
U n0 Ce
R T 2 0 CeCT
他励直流电动 机的机械特性
电动机实际空载转速
n0 n0
第九章
直流电动机的电力拖动
直流电动机的机械特性
直流电动机的起动 直流电动机的制动 直流电动机的调速 电力拖动系统的过渡过程
电力拖动就是利用电动机把电能转换成机械能，使 各种类型的生产机械按人们所给定的规律运动。 研究电动机带上负载后的各种运转状态——
起动、制动、调速、反转 及其它们的过渡过程。
电动机带负载后的转速降
R Δn T T 2 CeCT
n0 nN nN % 100% nN
当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 产生去磁作用。磁通降低，转速就要回 升，机械特性在负载大时呈上翘现象。
电枢反应对机 械特性的影响
4
一、固有（自然）机械特性
当
U UN
时，机械特性为 R Ra 即Rc 0
UN Ra n T 2 Ce N CeCm N
称为固有（自然）机械特性。
N
Ra 其斜率k N 2 CeCm N
UN 理想空载转速 0 n Ce N
则n n0 k NT
当T TN时，nN n0 k NTN n0 nN
额定转速降
当T T0时，n0 n0 k NT0 n0， n0称为实际空载转速。
⑸计算各分段电阻值
r3 q 1Ra 1.945 1 0.284 0.2684 r2 qr3 1.945 0.2684 0.522 r1 qr2 1.945 0.522 1.0153
三、起动的过渡过程
U Ea ia R
U 初始电流I st R Tst CT I st
计算关键点的值
U N I N Ra Ce N nN
TN CT N I N 9.55Ce N I N
这两点就可以得到固有机械特性了。 2. 人为机械特性的计算和绘制
UN n0 Ce N
最后在坐标系中标出（0，n0），（TN，nN）两个点，连接
其方法与固有机械特性的方法相似。
m 3
⑶求起动电流比q
q
R1 Ra
2.09 1.945 0.284
⑷校核切换电流IS2，IS2=（1.2～1.5）IL
IS2 I S1 105.2 54.09A q 1.945
∵TL=0.8TN， ∴IL=0.8IN=0.8×52.6=42.08A
I S 2 54.09 1.285 I L 42.08 满足条件
二、人为机械特性
改变电压、电阻、磁通当中一个 或几个就得到人为机械特性。 1. 电枢回路串电阻Rc的人为机械特性 条件：① U=UN ②Φ=ΦN ③ R=Ra+Rc 方程式为
电枢串联电阻时 的人为机械特性
他励直流电动机 固有机械特性
UN Ra Rc n T n kT 2 0 Ce N CeCm N
并且加速。 随着n↑，Ea↑，Ia↓，T↓，工作点沿着机械特性曲线上升， 直到电动机的机械特性与负载的机械特性的交点A处，T=TL， 电动机以转速nA稳定运行，起动过程结束。
直流电动机直接起动操作简单，但起动电流Ist太大。 . 对于大多数电动机要采取一些措施来限制起动电流Ist 。
二、电枢回路串电阻起动
R1 Ra 起动电流比q，由 m ln q ln
算出起动级数（有小数），
取接近的整数即为所要的起动级数m； ⑷ 计算起动电流比q；
⑸ 校核切换电流IS2 ，若不满足要求，则重选起动级数m；
. ⑹ 将起动电流比q代入相应公式，计算相应的起动电阻值。
例 题
例：一台直流电动机，其额定参数为PN=10KW，UN=220V，
电动机的机械特性、系统的基本运动方程式和生产机
械的机械特性这三者是研究的基础。它们决定了电力 拖动系统稳态运行及其过渡过程中的工作特性。
.
§1
他励直流电动机的机械特性
Ra Rc U n T 2 C e Ce C m
当T=0时， n n0
U ，称为理想空载转速。 Ce
电动机的机械特性中，当U、Φ和(Ra+Rc)一定时，n与T为一次函数。
一、直接起动
直接起动就是不采用任何限制起动电流的措施，把电枢直接 接到额定电压的电源上进行起动。
∵通电瞬间 n=0，Ea=0， UN I st Ra 又∵Ra很小，
dn 在加速转矩(Tst-TL)作用下， 0，电动机开始转动， dt
∴Ist很大，Tst∝Ist也很大。一般为额定值的10～20倍。
Ea 0
U
K1
K2
Ia n
d Tem CT ia Tz J dt 2J dn ia I z 60CT dt
稳态电流 TZ IZ CT
Ra dia dn 对电势基本方程求导， 得 dt ce dt
时间常数
2JRa dia dia 2J dn ia I z Iz I z tM 2 60cT dt 60ce cT dt dt
N 1
2
Ra U n T 2 Ce N CeCm N
U kNT Ce N
特点：① 斜率同固有特性，同一转矩对应的转速降相等；
② 理想空载转速与供电电压成正比变化；
③ 特性曲线是一组平行于固有特性的直线。
用途：① 起动； .
② 制动；
③ 调速； 当采用晶闸管整流装置时，可以实现无级调速。
特点：① 理想空载转速n0同固有特性； ② 当Rc↑时，k↑，特性越软，曲线越陡； ③ 特性曲线是通过理想空载转速点的一族放射性直线。 用途：① 起动； ② 调速； ③ 制动。
2. 改变供电电压U的人为机械特性 条件：① R=Ra（Rc=0） ②Φ=ΦN ③ U可调 方程式为
电压不同时的人为机 械特性 U U U
注意：P 的单位为瓦（W）。
N
.
2 U N I N PN 1 Ra 2 2 3 IN
U I A
◆伏安法
Rc
V 测量时，在I=(0.5～1.2)IN中取几点，读取电压表和电流表 的数值，计算Rai（i=1、2、……、N），最后取平均值，得 1 N Ra Rai N i 1
当系统在某一工作点稳定运行时，扰动作用会导致系统的
转速发生变化。如果在扰动持续期间，系统能在新的条件
下达到新的平衡，在新的工作点稳速运行，而且在扰动消 失后能够自动回到原来的工作点稳速运行，这样的系统是
稳定的。否则，系统是不稳定的。
(二)、电力拖动系统稳定运行的条件
电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是： ⒈ T=TL。只有在两条机械特性的交点处，才能实现 转矩平衡。 n T A 该点称为工作点。 TL B dT dTL ⒉ 在工作点处，
注意：
用途：调速。 若励磁电流可以连续调节，则可以得到平滑调速。 弱磁调速一般不单独使用，往往同降压调速配合使用， 可使调速范围变宽。 . 磁通不可太小，否则理想空载转速太高，电动机的 换向能力和机械强度承受不了。
三、机械特性的工程绘制
1. 固有机械特性的计算和绘制
因为他励直流电动机的机械特性是直线，
dn dn
dT<dTL,系统产生负加速度，使转速 回复到原来n，则系统是稳定的。
简便判定法：
T
◆做一条水平直线于工作点上方，分别与两条机械特性 相交。比较两个转矩的增量，若dT〈 dTL，则系统 稳定。否则，系统不稳定。 ◆在工作点上方做一条水平直线，分别交T-n 曲线于A点， TL-n 曲线于B点，若A点在B点左侧，则系统稳定， 否则，系统不稳定。 .
R1 UN I S1
∵在电流切换瞬间，反电势不能突变
∴UN－IS2R1 = UN－IS1R2
故
R1 I S1 R2 I S 2 R2 I S 1 R3 I S1 ， R3 I S 2 Ra IS2
同理可得
R1 R2 R3 I S1 q ——起动电流比 R2 R3 Ra IS2
所以绘制固有机械特性只要抓住两个点就可以了。 一个点是理想空载点：T=0，n=n0； 另一个点是额定工作点：T=TN，n=nN。 计算数据可以根据电动机铭牌求取。 电动机铭牌数据有：PN、UN、IN、nN等。
Ce N
.
U N I N Ra nN
若Ra未给出，可用估算法或伏安法求取 ◆估算法
目的是限制起动电流。 切换瞬间电流变化，而转速不能突变。
J3 CJ
r3
J2
r2
J1
Ra r1 r2 r3
当转速不为零时
U
K1
U Ea I s2 Ra r2 r3
转速上升过程中逐级短接切除电阻
1. 串多级电阻起动过程 串电阻起动可以限制起动电流。 根据电动机容量可以采用一级或多级起动电阻。