第9章直流电动机电力拖动

TCTIa Ea Cen
– 电枢回路电动势平衡方程式： – 电动机转速特性： • 机械特性方程式：
UEa IaR
n U IaR Ce
U
n=
CeΦ －
R
CeCTΦ2
T
理想空载转速（含 义？）
= n0－β T = n0－△n
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9.1 他励直流电动机的机械特性
– R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻Ra和电枢回路外串电阻R；Ce：电动机电动势常数，Ce=pN/(60a)； CT：电动机转矩常数， CT=pN/(2pa)
(1) 电枢串电阻时的人为机械特性
n UN CeN
CReaCT RN 2
T
(2) 改变电枢电压时的人为机械特性
nCeU NCeCRT a N2T
(3) 减弱电动机励磁时的人为机械特性
nCUeN CeCRTa2T
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8.1 他励直流电动机的机械特性
【例8.1.1】 一台他励直流电动机， PN = 10 kW， UN = 220 V，IN = 210 A，nN = 750 r/min ，求 (1) 固有特性；(2) 固有特性的斜率和硬度 。
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8.1 他励直流电动机的机械特性
连接 n0 和 N ( TN，nN ) 两点即可得到固有特性。 (2) 固有特性的斜率和硬度
Ea = CeΦ nN
= 0.254×750 V = 190.5 V
UN－Ea
220－190.5
Ra =
IN
=
210
Ω = 0.14 Ω
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9.1 他励直流电动机的机械特性
n
n = f (T )
UN, IfN, Ra
n0
nN
N 点：额定状态。
nM
M 点：临界状态。
2. 人为特性
O
人为改变电动机参数对应的机械特性——人为特性
(1) 电枢串电阻时的人为特性
UN
Ra＋RΩ
n=
－CeΦN
T
CeCTΦN2
UN
△U3
△U2
△U1
△n3
△n2 △n1
0
T
Tst
T
z
说明：起动时，电压升高的不能太快，否则，转矩和电流冲击过大，起不到限流作用。
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9.2 他励直流电动机的起动
③电压上升速度和转速上升速度不同步，取CeΦ=1,先电压上升速度比电势（转速）上升速度快，即△U＞△n。 后电压上升速度比电势（转速）上升速度慢，即△U＜△n。 电枢电流和电磁转矩先增加，后减小。
起动转矩大于负载转矩)连续向上调节时，运行点如
n
何变化?
U N
①电压上升速度和电势（转速）上升速度同步，即 dU/dt=d(CeΦn)/dt。
→d(U-CeΦn)/dt=0，U－CeΦn=常数。
Ia
UCen常数，保持起动 变转 。0 矩不 Ra
因机械惯性较大，起动时间较长。
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T
Tst T
z
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9.2 他励直流电动机的起动
②电压上升速度和电势（转速）上升速度不同步，电压上升速度比电势（转速）上升速度快，即dU/dt＞ d(CeΦn)/dt，→ d(U-CeΦn)/dt＞0。
使（U-CeΦn）随时间的延续而增大。
Ia
UCen随时间的延续，而 Ra
T随时间的延续。也
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• 理想空载转速 • 实际空载转速
CT 9.55Ce
n0
U Ce
n n 0 n 0 nN
n0 n0 CeCRT2 T0
O T0
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TN T
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9.1 他励直流电动机的机械特性 机械特性斜率
dn
β=
dT =
R CeCTΦ2
1
α=
β
—— 机械特性的硬度
n n0 nN
nN
N M
T
TN
TM
固有机械特性
n n0
Ra
R
＜
R=(Ra＋RΩ)
→
→
电枢串电阻时 的人为机械特 O
T
性
即机械特性变软。
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9.1 他励直流电动机的机械特性
n 特点：① 不变， 变大； ② 越大，特性0 越软。
(2) 降低电枢电压时的人为特性
U
n=
CeΦN －
TNCTNIN
C9.5C 5 T N
CeN已在前面求得。
eN
2、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。
求取 T 两 0 ,nn 点 0)和 (T （ T N ,n N )
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9.1 他励直流电动机的机械特性
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。
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9.1 他励直流电动机的机械特性 • 稳定运行系统分析
n0，Ia ISC(堵转电 ) 流
I SC
UN Ra
n
2
n0
1 N
N12
O
I SC
Ia
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9.1 他励直流电动机的机械特性
9.1.3 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；
Ra
CeCTΦN2
T
U↓ →n0↓
但β、 不变
n n0N n0
→机械特性的硬度不变。 O
n U 特点：① 随 变化, 不变； ② 不同,曲线0 是一组平行线。
U
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＜
固有机械特性 UN U
T
电压降低时的人为 机械特性
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9.1 他励直流电动机的机械特性 (3) 减小励磁电流时的人为特性
• 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
Ia
U Ea Ra
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9.2 他励直流电动机的起动
直接起动 起动瞬间：U=UN, n = 0，Ea = 0。
UN Ist = Ra
n n0
电枢反应对机械 特性的影响
O
T
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9.1 他励直流电动机的机械特性
• 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。
UN
n=
CeΦ －
Ra
CeCTΦ2
T
n ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 n0N
If →Φ
→n0
→ 、
→机械特性变软。
O
特点：① 弱磁， 增大； ② 弱磁， 增大。
n0
• 弱磁时人为机械特性的另一种表达方式
nCUe N CRe a Ia
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If IfN
T
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＜
8.1 他励直流电动机的机械特性
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9.1 他励直流电动机的机械特性 9.1.2 固有机械特性和人为机械特性
1. 固有特性 • 当他励电动机电压及磁通均为额定值、电枢没有串电阻时的机械特性称为固有机械特性。
即 U U N , N ,R R a 时 :
n UN CeN
CeCRTaN2
T
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。
Ra
0.14
=
CeCTΦ2
=
2.426×0.254
= 0.228
1
1
=
=
0.2=248.39
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9.1 他励直流电动机的机械特性 9.1.4 电力拖动系统稳定运行条件
• 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
解： (1) 固有特性 忽略 T0 ，则
60 PN
60
40×103
TN =
2p nN = 6×.28
N·m = 570590.55 N·m
CTΦ =
TN IN =
509.55 =2120.426
CeΦ =
2p CTΦ 60
UN
n0 =
CeΦ
=
6.28
=
×602.426 = 0.254
220 0.r2/5m4in = 866.25 r/min
= (10 ~ 20) IN
（ Ra很小）
T = Tst = CTΦ Ist
= (10 ~ 20) TN
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。
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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9.2 他励直流电动机的起动 9.2.2 起动方法
1. 降低电枢电压起动 需要可调直流电源，如励磁可调节的 直流发电机或晶闸管可控直流电源等。
n U N
U
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。
(1) 理想空载点 其中
(T0,nn0)
n0
UN Ce N
CeNE naNNUN nN INRa
– UN、IN和nN为已知，Ra可实测，或通过下式估算：
Ra 12~32UNIINN 2PN
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9.1 他励直流电动机的机械特性 (2) 额定运行点
(TTN,nnN)
n 他励直流电动机
系统处于稳态，或称静态。
的机械特性
n0
AB
3
1
2
负载特性
O
TZ1
负载特性
TZ2 T
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9.1 他励直流电动机的机械特性
• 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、
n n0
稳定运行点
A
O
TZ
• 不稳定运行系统分析
n T n0
不稳定运行点
B
O
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TZ T
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9.2 他励直流电动机的起动
9.2 他励直流电动机的起动
起动性能 ① 起动电流 Ist ; ② 起动转矩 Tst。
9.2.1 他励直流电动机的起动方法 1. 直接起动存在的问题
• 电动机带负载后的转速降
O
ΔnCeC R T2TTn0n
• 额定转速变化率
TN T
nN%n0nNnN 10% 0
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9.1 他励直流电动机的机械特性 – 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 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。
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9.2 他励直流电动机的起动 dU/dt＞d(CeΦn)/dt: 在同一段时间里，△U＞CeΦ△n。 为了画图方便，取CeΦ=1, 即△U＞△n。
△t1： △U1＞△n1 △t2： △U2＞△n2 △t3： △U3＞△n3
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9.2 他励直流电动机的起动 n
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。
0
T
T
T
T
z
2
1
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9.2 他励直流电动机的起动
上图为电压分级向上调节，并且最低电压时的起动转矩大于负载转矩。从图上看，级间电压相差越小，T1与T2 之差也越小。
（1）讨论（需验证）：电压从某个低压（对应的
9.1 他励直流电动机的机械特性
9.1 他励直流电动机的机械特性
9.1.1 机械特性方程式
+
U
R +
Ea
Ra
Ia
U +
f
-
I -
If
-
电动机转数与电磁转矩之间的关系： n = f (T )
→ 机械特性
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9.1 他励直流电动机的机械特性 由基本方程式可得电机的机械特性表达式
– 电磁转矩： – 感应电动势：
n
△n4 △n3 △n2 △n1
0
△U4 △U3
△U2 △U1
UN
T z
△U1＞△n1 △U2＞△n2
Tst 黑龙江科技学院工业自动化教研室
△U3＜△n3 △U4＜△n4
• 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。
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9.1 他励直流电动机的机械特性 1、固有特性的绘制
• 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；