他励直流电机的启动原理与运行

他励直流电机的运行

直流电动机的起动

电动机接到规定电源后，转速从0上升到稳态转速的过程称为起动过程。

他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。

合闸瞬间的起动电流很大应尽可能的缩短启动时间，减少能量损耗以及减少生产中的损耗

起动电流大的原因：

１、起动开始时：n=0,Ea=CeΦn=0,

２、电枢电流：Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra一般很小

这样大的起动电流会引起后果：

１、电机换向困难，产生严重的火花

２、过大转矩将损坏拖动系统的传动机构和电机电枢

３、供电线路产生很大的压降。变频器整流回路的启动电阻

结论：因此必须采取适当的措施限制起动电流，除容量极小的电机外，绝不允许直接起动

起动方法：

电枢串电阻启动——起动过程中有能量损耗，现在很少用，在实验室中用降压启动——适用于电动机的直流电源是可调的，投资较大，但启动过程中没有能量损耗。

直流启动器

电枢串电阻起动：

最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩：Tst=ＫＴΦIst 启动电阻：Rst＝（UN／λi IN）－Ra

为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。

有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst 也会逐步减小。

为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。

起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。

降压起动：

对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流。

起动时电压Umin,起动电流Ist：

Ist= Umin/Ra< λiIN

启动过程中U随Ea上升逐渐上升，直到U=UN

串励电动机绝对不允许空载起动。

串电阻起动设备简单，投资小，但起动电阻上要消耗能量；

电枢降压起动设备投资较大，但起动过程节能。

直流电动机的调速

为提高产品质量和生产效率，工作机械的运行速不可能是单一的。按照工作机械的要求认为地调节拖动电动机的运行速度。

例如：车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速。

改变传动机构的变比——机械调速

改变电动机参数——电气调速：直流和交流

直流调速系统中大多数为他励直流电动机

一、他励直流电动机人为机械特性

电动机转速特性和机械特性的一般表达式：

2

T a Ωe e T R R U n K ΦK K Φ+=

- a Ωa

e e R R U n I K ΦK Φ+=-

理想空载转速：0e U

n K Φ= 斜率：2T a

Ωe R R K K Φβ+=

固有机械特性和人为机械特性

固有机械特性——U=U N ，Φ=ΦN ，R Ω=0

人为机械特性——U 或Φ不等于额定值，或者RΩ不等于零。 他励直流电动机的三条人为机械特性： RΩ≠0,电枢回路串电阻时的机械特性 U≠UN，改变电枢电压时的机械特性 Φ≠ΦN，改变气隙磁通时的机械特性

研究人为机械特性重点：理想空载转速和斜率的变化 电枢回路串电阻的机械特性：

理想空载转速：0N e U n K Φ=斜率：2

T a

Ω

e R R K K Φβ+= 对应于不同的R Ω可以得到一簇斜率不同射线。

均在固有机械特性之下

+

+ —

Ea

因为：Φ=Φ

N =Cont，T=ＫＴΦ

Ia

，即T正比于Ia，故人为机械特性的

图形在另一适当的横轴比例尺下可以代表其相应的转速特性改变电枢电压的机械特性

理想空载转速：

e

U

n

KΦ

=

斜率：

2

T

a

e

R

K KΦ

β=

斜率不变，理想空载转速n0不同的一簇平行线。

电动机绝缘条件的限制，电枢电压不能高于额定电压，U

因为：Φ=Φ

N

=Cont，T=ＫＴΦIa，即T正比于Ia，故人为机械特性的图形在另一适当的横轴比例尺下可以代表其相应的转速特性

改变磁通的机械特性：

此时：Φ≠Cont ，T=ＫＴΦIa ，即T 不在成正比于Ia ，故人为机械特性和转速特性必须分别考虑。

由于磁路饱和和励磁绕组发热条件的限制，Ф只能在Ф≤ФN 范围内调节

0N

e U n K Φ•=随Φ的减少而上升

N

s a U I R •=

为常数与Φ无关 s T s T K ΦI •=随Φ减小而减小

机械特性曲线的形状决定了电动机的应用范围

机械特性方程式及其函数图形是对拖动系统稳定状态下电动机转矩与转速关系的数学描述

如果不考虑电枢绕组电感的影响(电枢电流认为可以突变),机械特性方程式及其函数图形也是对拖动系统在升、降速的动态下电动机转矩与转速关系的描述。

动态过程的每一瞬间描述—

dn n n dt -=

2T

a Ωe e T R R U

n K ΦK K Φ+=-——静态描述

则系统的动态过程可由此坐标平面中的一条特定的轨迹唯一描述 在适当的比例尺下，T —n 坐标平面可以转换为 T —n 平面。 如果TL ≠0，则通过坐标变换将n 轴平移到T=TL 处， T —n 坐标平面仍可视为 n —n 平面。

几个概念：相平面、相点、相轨迹

2

T a Ωe e T R R U

n K ΦK K Φ+=-——机械特性方程由来

U=Ea+IaRa Ea=KeФn T= KTФIa

结论：静态下的机械特性方程式同时也是对系统升降速动态过程中T 与n 之间变化关系的数学描述

二、他励直流电动机的调速方法

a Ωa

e e R R U

n I K ΦK Φ+=-

2

T a Ωe e T R R U

n K ΦK K Φ+=-

2

a Ωe e T R R U

dn c K ΦK K Φdt +=

-20375L GD dn dn

T T T c

dt dt ==∴=设则——动态描述