第4章他励直流电动机的运行

平滑性

相邻两级转速的接近程度
经济性

ni ϕ= n i −1
初投资 运行维护成本
4.3他励直流电动机的电动与制动运行
电动运行
1.正向电动运行 电动机的电磁转矩 T>0 ，转速 n>0这种运行状态称为正向电动 运行。 T 与 n 同方向，T 为拖动 性转矩。 2. 反向电动运行 拖动反抗性负载，反转时工 作点在第三象限（C点）。这时 电磁转矩 T<0，转速 n<0，两者 同方向，T仍为拖动性转矩。
求下列各种情况下电动机的调速范围。 (1)静差率δ ≤ 30％，电枢串电阻调速； (2)静差率δ ≤ 20％，电枢串电阻调速； (3)静差率δ ≤ 20％，降电压调速。
解：(1)δ ≤ 30%,电枢串电阻调速：
U N − I N Ra 220 − 305 × 0.04 Ce Φ N = = = 0.2078 1000 nN 220 UN n0 = = 1058.7r / min = CeΦ N 0.2078 n0 − nmin δ= n0 nmin= n0 (1 − δ )= 1058.7 × (1 − 0.3)= 741.1r / min nmax 1000 D = = = 1.35 nmin 741.1
表4.3 他励直流电动机能耗制动中的功率关系
输入 电功率 电枢回路 总损耗 电磁功率 （电→机） 电动机 空载损耗 输出 机械功率
Ｐ １
pCua
PM
p0
P2
UI a
=
2 Ia ( Ra + R ) +
Ea I a TΩ = T0Ω
+
+
T2Ω
-
0
+
2-电压反接制动过程
U N + Ea = Rmin − Ra I a max
' Ia TL' Ω n = = = TL Ω min nmin I a
1550 n × 43.02 =111.14 A = I a max I = Ia = 600 nmin
' a
低速时电枢电流已超过额定值，不能长期运行， 说明降电压调速不适于拖动恒功率负载。
例题4
上例中的电动机拖动负载，要求把转速升高到 nmax = 1850r / min 。现采用弱磁升速的方法， 求下列两种情况下电枢电流的变化范围。 (1)该负载为恒转矩负载 (2)该负载为恒功率负载
U d = 2.34U cos α
弱磁调速



为使铁心不致过饱和，磁通 只能由额定值向下调。 减少励磁电流时，磁通Φ减 少，电动机机械特性n0点和 斜率增大。负载不是太大的 前提下，转速升高。 最高转速受电机本身的机械 强度和换向能力的限制。
优点：励磁回路电流小，(1~3)%IN, 损耗小，可连续调速。 缺点：转速只能上调。 通常将弱磁调速和降压调速结合使用，以扩大调速范围。
' 115 ×150.5 = 17308W P I N U1 = 1 =
PN 22 ×103 9.55 9.55 × 140.1N ⋅ m T2 = = = 1500 nN P2 = T2 Ω= T2 2π 2π n= 140.1× ×1000= 14670W 60 60
恒转矩调速与恒功率调速
在调速过程中，保持电枢电流和每极磁通为额定值（即电磁 转矩为额定值），称为恒转矩调速。 保持电枢电流为额定值，采用弱磁调速，此时虽然转矩小， 但转速变高，而功率保持不变，称恒功率调速。
4’-反向回馈制动运行
拖动位能性负载工作，当电源反接后，工作点移至第 四象限。此时电磁转矩 T>0，转速 n<0，且其绝对值 大于n0，这种运行状态为反向回馈制动运行。
表4.5 他励直流电动机回馈制动时的功率关系
输入 电功率 电枢回路 总损耗 电磁功率 （电→机） 电动机 空载损耗 输出 机械功率
例题2
他励直流电动机
PN = 22kW U N = 220V I N = 115 A
nN = 1500r / min R = 0.1Ω a TL = TN
要求把转速降为1000r / min
求： (1)电枢串电阻调速，计算应串电阻值； (2)降电压调速，计算电压值； (3)上述两种调速情况下，电动机的P1和P （不计励磁回路功率） 2
解：（1）
（ 2）
4.2他励直流电动机的调速
机械调速：人为改变拖动机构传动比的调速方式 电气调速：改变电动机参数而改变系统运行速度的调速方法
1 他励直流电动机的调速方法
A 电枢串电阻调速 B降低电源电压调速 C弱磁调速
2 恒转矩调速和恒功率调速 3 调速的性能指标
他励直流电动机的调速方法
电枢串电阻调速
2π PM = T Ω = 9.55Ce ΦI a × n 60 Ra 2π U N 2 ( − = = 9.55Ce ΦI a × I a ) = U N I a − Ra I a const 60 Ce Φ Ce Φ
电枢串电阻调速、降压调速属于恒转矩调速； 弱磁调速属于恒功率调速。
调速方式要和负载性质相匹配。
(2)δ ≤ 20%,电枢串电阻调速： = 1058.7 × (1 − 0.2) = 847 r / min nmin= n0 (1 − δ ) nmax 1000 = D = = 1.18 nmin 847 (3)δ ≤ 20%, 降电压调速： ∆nN = n0 − nN = 1058.7 − 1000 = 58.7 r / min ∆nN 58.7 n01 = = 293.5r / min = δ 0.2 234.8r / min nmin = n01 − ∆n= N nmax 1000 D = = = 4.26 nmin 234.8
或者：
= n0 1 = nN 1596r / min 0.94 I a TL ∆n 46 = = = I N TN ∆nN 96
I a = 43.1A
(1)若为恒转矩负载，降电压调速时磁通不变， 故无论转速多大，电枢电流不变，仍为43.02 A (2)若为恒功率负载，降电压调速时磁通不变， TL Ω= TL' Ω min
n3
i
d
b
TL IL
h
f 3
2
1
n2
g
e
c
a
T1 I1
Ra
Ra + RQ1 = R1
Ra + RQ1 + RQ 2 = R2
Ra + RQ1 + RQ 2 + RQ 3 = R3
Tem I
n1
I 2 = (1.1 ~ 1.2) I N
T2 I2
串电阻起动设备简单，投资小，但起动过程不平滑， 为有极调速。起动电阻上要消耗能量，效率低
降电压启动
U I s = (2 ~ 2.5) I N = Ra
启动过程平滑，能量 损耗小。
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例题1 某他励直流电动机，参数如下：
求：（1）电枢回路串电阻启动， ，则所串 电阻应为多大，此时启动转矩为多大？ （2）降压启动，条件同上，则启动电压应为多大，此 时启动转矩多大？
(2)降低电源电压调速： n01 = n + ∆nN = 1000 + 82.7 = 1082.7r / min U1 n01 = U N n0 U= 1 1082.7 n01 UN = × 220 = 150.5V 1582.7 n0
(3) P 1 = I N U N =115 × 220 = 25300W
解：
U − I N Ra (1)Ce Φ N = N nN
220 − 115 × 0.1 = 0.139 1500 UN 220 = = = 1582.7 r / min n0 Ce Φ N 0.139 ∆nN = n0 − nN = 1582.7 − 1500 = 82.7 r / min ∆n = n0 − n = 1582.7 − 1000 = 582.7 r / min ∆n Ra + R = ∆nN Ra ∆n 582.7 − 1) = 0.1× ( − 1) = 0.605Ω R = Ra ( ∆nN 82.7
(2)若为恒功率负载，则电枢电流不变，仍为43.02A
调速的性能指标
技术指标 调速范围 静差率 平滑性
经济指标
调速范围 电动机在额定负载下调速时，最高转速 与最低转速之比，用D表示
n max D= n min
T =TN
通常人们希望D大一些。
静差率

指在电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 反应了转速的相对稳定性。
n 0 − n ∆n = δ= n0 n 0 T =T
N
通常人们希望 δ 小一些。

调速范围与静差率的关系： 相互制约。
D
∆n
δ
D
nmin
δ
D
∆n
nmax
δ
不定
例题5
PN = 60kW U N = 220V I N = 305 A
某台他励直流电动机
nN = 1000r / min = Ra 0.04Ω
第4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与制动运行 4.4直流电力拖动系统的过渡过程
4.1他励直流电动机的起动
定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升 到稳态转速的过程称为起动过程 直接起动
UN I st = Ra
降电压 串电阻
解： 取EaN = 0.94U N 计算
= Ra U N − EaN 220 × (1 − 0.94) = = 0.14667Ω IN 90
n 1550 × 0.94 × 220 = 213.69V Ea = EaN = nN 1500 U N − Ea 220 − 213.69 = = 43.02 A Ia = Ra 0.14667
• 启动电流很大，可达（10～20）额定电流,造成电机换向困 难,产生火花甚至电弧。 • 启动转矩也很大，造成机械撞击。 • 除小型直流电机，由于自身电枢电阻大，可以直接启动， 一般直流电机都不允许直接启动。
电枢回路串电阻启动
n
UN Is = Ra + R
I1 = (2 ~ 2.5) I N
n0
nN
解：
(1)若为恒转矩负载，
' Ia ΦN T= Ct Φ N I a = Ct Φ I 故： = ' Ia Φ ' ' a
Ea ' Ce n Ea nmax I a ΦN = = = ' ' ' U N − I a Ra U N − I a Ra n Ia Φ Ce nmax
' Ia 213.69 1850 = ' 220 − 0.14667 × I a 1550 43.02 ' Ia = 51.62 A(另一解舍去)
I a max = (2 ~ 2.5) I N
3-倒拉反转制动运行
拖动位能性负载运行，若电枢串 入电阻，转速会下降，当串入电 阻足够大时，使转速小于零，工 作点在第四象限。此时 T >0 , n <0 ，为制动运行状态。
表4.4 他励直流电动机反接制动与倒拉反转时的功率关系
输入 电功率 电枢回路 总损耗 电磁功率 （电→机） 电动机 空载损耗 输出 机械功率
表4.2 他励直流电动机稳态电动运行时的功率关系
制动运行
1-能耗制动过程
Rmin =
Ea I a max
− Ra
I a max = (2 ~ 2.5) I N
转矩始终与转速反向而起制动作 用，这种靠消耗动能来制动的方 法称为能耗制动。
1’-能耗制动运行
能耗制动稳定运行的速度与电枢回路串入的 的制动电阻有关，电阻越大，速度越高。
例题3
PN = 17kW U N = 220V I N = 90 A
某他励直流电动机
nN = 1500r / min U fN = 110V
额定电压额定磁通下，拖动某负载的转速n = 1550r / min 。 当负载要求向下调速，最低转速nmin = 600r / min. 现采用降电压调速方法， 求下列两种情况下电枢电流的变化范围。 (1)该负载为恒转矩负载 (2)该负载为恒功率负载
Ｐ １
pCua
PM
p0
P2
+ T2Ω
-
U N Ia
=
2 Ia ( Ra + R) + Ea I a TΩ = Baidu Nhomakorabea0Ω
+
+
-
+
4-正向回馈制动运行
降压调速回馈制动过程
在下坡路上前进时，负载转矩为摩擦转矩与位能 拖动转矩之和，一般为负值，会自动下滑。此时 电磁转矩也为负值，与转速方向相反。回馈制动 状态又称发电机状态，其功率关系与发电机一致。
优点： 设备简单、操作简单。 缺点： 损耗大； 低转速时稳定性差； 有级调速，平滑性差； 轻载时调速范围小 只能降速。 适用于调速性能要求不高的场合，如起重机、矿井用电动机。
降低电源电压调速
优点： 机械特性硬度不变； 无级、平滑； 损耗小。 缺点： 需专门设备，成本大； 转速只能下调。
U d = 0.95U cos α