第四章 他励直流电动机的运行

– R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻 Ra和电枢串励电 阻 RW ； Ce ：电动机电动势常数， Ce=pN/(60a) ； CT ：
电动机转矩常数， CT=pN/(2pa)
CT 9.55Ce
• 理想空载转速 • 实际空载转速
U n0 Ce R n0 n0 T 2 0 CeCT
• 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有 串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。
固有机械特性与人为机械特性
• 电枢串电阻时的人为机械特性
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
固有机械特性
电枢串联电 阻时的人为 机械特性
• 改变电枢电压时的人为机械特性
Ra U n T 2 Ce N CeCT N
直流电动机的几个基本方程式 – 电磁转矩： – 感应电动势：
T CTI a
Ea Cen
– 电枢回路电动势平衡方程式：
U Ea I a R
– 电动机转速特性：
U Ia R n Ce
• 由此可得机械特性方程式：
U R n T 2 Ce CeCT
或 n n0 T
其中：T是指电磁转矩； 机械特性是电动机机械性能的主要表现； 电动机工作在电动状态时T=Td＋T0；

T：电磁转矩；Td：电动机轴上的输出转矩；T0：电动
机空载转矩。
在运动方程式T-Tz=JdW/dt中

若T为电磁转矩，则Tz为负载转矩与空载转矩之和； 若定义Tz为负载转矩，则T为拖动转矩，相当于T=Td＋ T0中的Td。
Ia (U Ea ) / Ra (150 146) /1 4 A
例4-2 他励DCM（4_7）
PN 2.8kW, UN 220V, I N 15.5A, n N 1500 r / min
试计算其机械特性。
UN 解： 即要求 n 0 , TN ， n 0 所以需先求出Ce。 Ce UN R a IN 又 Ce ，还需先得到 R a ： nN
TN CTIN 9.55CeIN 19.8N m
TN CT I N
TN 9550
求得的是额定电磁转矩。
PN 求得的是额定轴上输出转矩。 nN
与上结果相差。
例4-3 对例4-2，若电枢反应使 T TN 时， 0.95N T 0.9TN 时， 0.98 N T 1.1TN 时， 0.90N 求此时的机械特性。
• 电动机带负载后的转速降
–
• 额定转速变化率
R Δn T T 2 CeCT R ：机械特性斜率， CeCT 2
n0 nN nN % 100% nN
– 国产Z系列他励直流电动机的nN%一般为10%～18%，大容 量电动机为3%～8%。
• 电枢反应对电动机机械特性的影响
• 设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或
实测数据来计算或绘制机械特性； • 对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。
• 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点 的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载 及额定运行两点较为方便； – 理想空载点 其中
n0 UN Ce N
Ce N
额定工作点，
T TN 9.55Ce N I N 147.3N m
电力拖动稳定运行的条件
• 主要研究：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，当转矩T 与 Tz 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。
他励直流电动 机的机械特性
负载特性
负载特性
电力拖动稳定运行的条件 • 稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。 • 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。
T 0.9TN
0.9TN 0.9K T N IaN 0.9IaN Ia K T 0.98K T N 0.98
U - Ra
0.9I aN 15.6 0.9 220 1.3 U - R a Ia 0.98 0.98 1545 n [r / min] K e 0.98Ke N 0.98 0.133
– 当电枢电流较大时，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
• 减少电枢反应对电动机机械特性的影响
– 在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动 势可以减少电枢反映的去磁作用； – 实质上变为复励电动机； – 由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反 应时的他励直流电动机相同，因此仍视为他励直 流电动机。
解：
;
不计电枢反应时 T TN KTIa 对应＝N，Ia IaN
TN K T N IaN IaN 考虑电枢反应 T TN时，Ia K T 0.95K T N 0.95 I aN 15.6 U - Ra 220 1.3 U - R a Ia 0.95 0.95 1572 n [r / min] K e 0.95Ke N 0.95 0.133
n n0 2 +n -n 1 B
0
T
n 500 r / min 例4-1：设某他励直流电动机Ra 1W ， 时, Ea 50V 。 如果U＝150V，计算： a. 起动电流； b. 电动机在1000r/min和1460r/min时的反 电动势； c．在1000r/min和1460r/min时的电枢电 流。
n 1000 r / min
时 时
Ea Cen 0.11000 100 V
n 1460 r / min
Ea Ce n 0.11460 146 V
c. 在1000r/min时，
Ia (U Ea ) / RΒιβλιοθήκη Baidu (150 100) /1 50A
在1460r/min时，
R a的估算：额定工况下电枢铜耗约为总损耗的50％
~75%。
2 Ia R a (0.5 ~ 0.75)(1 N )UNI N
N
PN UNIN
本例取50%计算，得：
R a 0.5(1- N )UNI N 1.3W
Ce
UN R a IN 0.133V / r / min nN U n 0 N 1650r / min Ce
不限流时
220 Is Ia 170 A I N 1.3
• 稳定运行系统分析
– 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，且 不考虑电枢反应，当电枢电压发生变化时，工作点 得变化如下图所示。
n 1 2 A +n -n
n
U R T 2 Ce CeCT
0
T
• 不稳定运行系统分析
– 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时， 考虑电枢反应，且负载转矩特性与电动机机械 特性相交在特性上翘段，当电机速度稍微变化 时。
T 1.1TN
1.1TN 1.1K T N IaN 1.1IaN Ia K T 0.90K T N 0.90
U - Ra
1.1I aN 15.6 1.1 220 1.3 U - R a Ia 0.90 0.90 1631 n [r / min] K e 0.90Ke N 0.90 0.133
2 U N I N PN 2 220116 22000 Ra Ω 0.174Ω 2 2 3 IN 116 3
U N I N Ra Ce N 0.133V/rpm nN
理想空载点，T＝0
UN n n0 1650 rpm Ce N
• 启动转矩 TS KeN I S
Ra
TN 必须限制起动电流 。
• 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。 • 通常限制启动电流的启动方法有：降压起动和 电枢回路串电阻起动。
4.1.1 电枢回路串电阻启动
• 电枢回路串入电阻，启动电流为
UN IS Ra R
降低电源电压U，启动电流为
U IS Ra
负载转矩TL已知，根据启动条件要求，可
以确定U的大小； 逐渐升高电压U，直至最后升高到额定电压
n n0
A为稳定运行点
A
0
TL
TS
T
U IS Ra
例4-4 以4-2为例的他励DCM参数为例：
U U N 220V, R a 1.3W, I N 15.6A, n N 1500r / min, Ce 0.133V / r / min
• 负载转矩TL已知
• 目标：保证电磁转矩持续较大及电流持续较小； • 电枢回路串电阻起动：一般采用多级电阻分级起动， 起动过程中起动电阻逐步切除。 • 如图4.1所示
K1
K2 Ia
n n0
Ra
R1
Ua K3
R2
Ea
R1
Ra
R1+R2 0 TL T2
Ts
T
图4.1电枢回路串电阻启动
4.1.2 降电压启动
固有机械特性
电压不同时的 人为机械特性 UN>U1>U2
• 减弱电动机励磁时的人为机械特性
n UN Ra T 2 Ce CeCT
N 1 2
• 减弱电动机励磁时的人为机械特性
UN Ra n Ia Ce Ce
N 1 2
机械特性的绘制
• 由电动机机械特性方程式可知，计算或绘制机械 特性，必须知道 Ce 与 CT 等参数，而这些参数 电动机结构参数p、a、N等有关，但这些参数不 易得到；
4.1 他励直流电动机的启动
他励直流电动机的起动方法
• 他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即 先通励磁电流），而后加电枢电压。 • 不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia 为 U Ea U＝Ea Ra I a＝Ke n Ra I a I a R a • 起动时n＝0， Ea 0 如直接加额定电压起动，电 UN IN 。 流启动电流 I S
EN U N I N Ra nN nN
– UN 、 IN 和 nN 为已知， Ra 可实测，或通过下式估 算。 2 U I P 1
Ra ~ 2 3
N
I
N 2 N
N
– 额定工作点
TN CT N I N
CT N 9.55Ce N
人为机械特性的绘制 • 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的 参数值代入相应的人为机械特性方程式即可； – 电枢串电阻时的人为机械特性
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 4.2 他励直流电动机的调速 4.3 他励直流电动机的电动和制动运行
回忆——
他励直流电动机的机械特性
机械特性方程式 固有与人为机械特性 机械特性的绘制 电力拖动稳定运行的条件 实例
机械特性方程式
机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T) ，
解：a. 起动瞬间电枢是静止的，反电动势为0V，起动 电流仅受 Ra 限制
Ia U / Ra 150/ 1 150A
b. 因励磁不变，反电动势与转速成正比， 由 n 500 r / min 可得
Ce
时 Ea 50V
Ea 50 0.1[V / r / min]或[Wb] n 500
UN Ra RΩ n T 2 Ce N CeCT N
– 改变电枢电压时的人为机械特性
n Ra U T 2 Ce N CeCT N
– 减弱电动机励磁时的人为机械特性
n UN Ra T 2 Ce CeCT
例题
• 一台 Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为： PN=22kW, UN=220V, IN=116A, nN=1500rpm。试绘制其机械特性。 解：