电力拖动与运动控制 第三章 3.4他励直流电机的运行

3 3
0
TL
T
7
该调速方法有以下的特点： ①电源电压越低，转速也越低， 方向也是从基速向下调。 ②电动机机械特性的硬度不变。 3 3 这样，比起电枢回路串电阻调速 使机械特性变软，降压可以使电 0 T TL 动机在低速范围运行时，转速随 负载变化而变化的幅度小一些， (b) 降低电源电压调速 转速稳定性(鲁棒)要好得多。 ③当电源电压连续变化时，转速可随之连续变化，这种调速称 为无级调速。与串电阻时的有级调速相比，这种调速要平滑得 多，并且还可以得到任意多级的转速。因此降压调速的方法在 直流电力拖动系统中被广泛采用。
3.4 他励直流电机的运行
本节将定性分析包括起动在内的它激直流电动机的调速和各 种运行。目的是理解各种运行的背景，同时加深对前几节的内容 的理解。 分析中， （1）如果不作特别说明，则以恒转矩型负载为例； （2）不考虑电枢回路的动态； （3）考虑由式（3.2-4）表示的动 态。 GD 2 dn Te TL (3.2-4) 375 dt
n
发电/ 制动
0
电动
Te
发电/ 制动
电动
（教师讲解前，请在黑板上写出机械特性方程和运动方程，作出方框图。）
1 正向电动运行 和反向电动运行
Te
1: 固有机械特性； 2: 降压人为机械特性 3: U N ( 或 U ):固有或降压人 为机械特性
图 3.4.6 电动运行（以反抗性恒转矩为例）
表 3.4.1 他励电机正向（反向）电动运行下的功率关系 输入电 电枢回路 电磁功率 电动机空 输出机械 功率 P 总损耗 （电） 机） 载损耗 p0 功率 P2 1 PCua PM
I a2{Ra ( R)}
Ea I a Te



T0

T2 +
GD 2 dn 375 dt
--
对于采用可调节电压源的电力拖动系统，常常采用先降压减速 （避免接限流电阻）、再反接低电压从而反接制动停车并接着反向 （或正向）起动的运行方式，达到迅速制动并反转（正转）的目的。
TeB TL 0 ，系统减速到零。过程中电动机的电磁转矩 Te 0 ，而
， Te 始终起制动作用。称为能耗制动过程。 n 0 （ Te 与 n 反方向）
曲线 2 n2
375 (Te TL )dt 2 GD
输 入 电功率 P1
表 3.4.2 能耗制动时的功率关系 电枢回路 电磁功率 电机空载 输出机械 总损耗 PCua （电? 机） 损耗 p0 功率 P2 PM
GD2 dn Te TL 375 dt
讲解前，在黑板上写出公式(3.3-5)和前页图
2
3.4.1 他励直流机的起动及调速
1 他励直流电动机的起动
直流电动机接到电源后，转速从零 达到稳态转速的过程称为起动过程。
，
Ea Ia
Uf
若对静止的他励直流电动机加额定电压 U N 、电枢回路不 串电阻即直接起动。此时 n 0 ， E a 0 ，起动电流 I start U N / Ra I N ，起动转矩 Tstart CT N I start TN 。
n n0 A ' n n1 n2
R1 R2 A A1 A2
Ra
Ra R1
Ra R2
0
TL
(a) 电枢回路串电阻调速
T
6
（2）降低电源电压调速
VT
L
M
Us
Ud
us
VD
0
ton
T
(a) 原理图
(b) 输出电压波形 图 4.1.4 直流脉宽调制电源
n A ' n1 n01 n02 n03
U N U1 U 2 U3 A(n) U N A1 (n1 ) U1 A2 (n2 ) U 2 U 3 A (n )
(2)正向回馈制动运行
小车在平路上前进时，负载转 矩为摩擦性阻转矩 TL1 ，TL1 0 。 下坡时小车受到的总负载转矩为 TL 2 ， TL 2 0 。所以，负载机械 特性为曲线 1 和曲线 2。 平路时电动机运行在正向电动 运行状态， 工作点为固有机械特性 与曲线 1 的交点 A； 走下坡路时，电动机则运行在 正向回馈运行状态， 工作点为固有 机械特性与曲线 2 的交点 B。
本节内容 3.4.1 他励直流机的起动和调速 3.4.2 他励直流机的四象限运行 (应用)
1
基于下述模型，科的电动机的模型如下图,有3个可调节量。
U
Ea
1 Ra R
Ia CT
Te
TL
375 GD 2 p
n
If
f (I f )

C E
Ea C E n ， Te CT I a U Ea I a ( Ra R) U I a ( Ra R) Ra R U n T n0 Te 2 e CE CE CE CT （3.3-5）
n n0 A ' n n1
R1 R2 A Ra A1 A2
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n2
Ra R1
Ra R2
0
TL
T
下面将具体分析采用典型调速方式下、他励直流电动机拖 动典型负载时、在各个象限内不同的稳态运行以及过渡过程。 下面，“运行”是指上述①的稳定工作点稳速运行、“过 程”是指上述②中电动机从一个稳定工作点变化到另一个稳 定工作点时变速的过渡过程。此外，“制动”（brake）一词 是表示在电动机惯例下、电动机在Ⅱ、Ⅳ象限（电磁转矩和 转速不同方向）的运行现象。此时，电动机处于发电状态。
非线性问题，需要定量分析！
10
在电枢电压和负载转矩一定的条件下，由式 UN Ra n T 2 e Ce CeCT 得以磁通为自变量、电磁转矩为参数、转速为因变量的关系式 2 UN Ra C U 1 2 T N n T A ( B ) (3.4-2) 2 e CE CE CT 4 RaCETe RaTe UN CT U N A 0, B 0 (3.4-3) CE CT 2 ACE 2 RaTe 由式(3.4-2)可以看出，弱磁后转速增减与工作点 {Te ,1 / } 有关。
1） 电枢回路串电阻起动 U UN I start 2）降电压起动 Ra R I start U N / Ra I N Ra R n Te 2 Tstart CT N I start TN CE CT N
f
n
n0
n n0
TL
Tstart
TL
Tstart
4
(c) 弱磁调速
9
在负载转矩较大时，速度的变化问题较为复杂，定性分析 能说清楚吗？不能。因为电磁转矩是电流和磁通的函数，不 是独立变量！
U
Ea Ia
1 R
CT
Te
TL
375 GD 2 p
n
If
f (If )
C E
U I a ( Ra R) Ra R U n T n0 Te 2 e CE CE CE CT
n TL' 提升 TL
n
0
T
下降
n
TL
Ea
位能性恒转矩负载
3 反接制动过程 能耗制动过程的一个实例是反接制动停车。它是把正向运行 的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串入 限流的反接制动电阻R来实现的。拖动反抗性恒转矩负载、反 接制动停车(BC)时，其机械特性如图所示。
正向电源
Ia
n
nTL 2
nTL1
TL1 TL 2
B2 B1
1/
弱磁方向
11
图 3.4.4 弱磁调速的非线性特性
3.4.2 他励直流电动机的四象限运行
本节介绍系统（即“电动机＋负载”）的一些典型运行 工况。目的是通过实际运行工况加深对知识点的融会贯通。
复习前述内容中与本节有关的内容： ① 电动机稳态工作点是指满足3.2节所述稳定运行条件的那些电 动机机械特性与负载转矩特性的交点。电动机在稳定工作点恒速 运行； ② 电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电磁转矩与负载 转矩不相等，系统处于加速或减速的过渡过程； ③ 他励直流电动机固有机械特性与各种人为机械特性，分布在 机械特性平面的四个象限内；而负载转矩特性也可分布在四个象 限之内。
Ea
n
TL' 提升 TL
n
0
T
下降
n
(a) 能耗制动过程 (B0C) 图 3.4.7 能耗制动
（b）能耗制动运行
TL
位能性恒转矩负载
从B→0是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但 是到了0点以后，如果不采用其他办法停车（如采用外加的机 械抱闸抱住电动机轴），则由于电磁转矩，小于负载转矩，系 统会继续减速，也就是开始反转了，在C点稳定运行。该处电 动机电磁转矩>0，转速<0，Te为制动性转矩，这种稳态运行 状况称为能耗制动运行。
R
反向电源
D
M
1: 固有机械特性； 2:
U U n ，电枢
串电阻的机械特性
(a)
(b) 图 3.4.8 反接制动过程
输入电功 率 P1
表 3.4.3 反接制动过程中的功率关系 电枢回路 电磁功率 电动机空 输出机械 动转距 总损耗 PCua （电? 机）PM 载损耗 p0 功率 P2 功率
U N Ia
正向电源
n
A Ia
R
M
反向电源
B
Te
5 正向回馈制动过程、制动运行和反向回馈制动运行
（1）正向回馈制动过程
U
Ea
1 R
Ia
Te
TL
CT C E
375 GD 2 p
n
If
f (I f )

图 正向回馈制动过程（降压减速）
原来电动机运行在固有机械特性曲线的 A 点上， 电压降为 U 1 后，电动机运行点从 A→B→C→D，最后稳定运行在 D 点。在这 一降速过渡过程中，从 B→C 这一阶段，电动机的转速 n 0 ， 而电磁转矩 Te 0 ，Te 与 n 的方向相反，Te 是制动性转矩，是一 种正向回馈制动过程。“回馈”指电动机把功率回馈电源。
n n0 A ' n n1 n2 R1 R2 A A1 A2
Ra
Ra R1
Ra R2
0
TL
(a) 电枢回路串电阻调速
T
5
该调速方法有以下的特点：
①方向只能是从基速向下调。 ②调速时，所串的调速电阻上通过 很大的电枢电流，会产生很大的损 耗，转速越低，损耗越大。 ③电动机转速也不能连续调节（有 级调速）。 ④转速的稳定性较差(不是控理的稳 定性，是鲁棒性差（对负载变化敏 感）)。
• 电流太大，使得电机不能正常换向 并且会急剧发热； • 转矩太大，还会造成机械撞击。
n
nN
n0
Tstart
图 3.3.2 他励直流电动机的固有机械特性
3
U I a ( Ra R) Ra R U n T n0 Te 2 e CE CE CE CT
Ea Ia
动转距 功率
GD2 dn 375 dt
UI a ＝ I a2 Ra R
Ea I a Te T0 + T2 +
图 3.4.7 的 II 象 限为正、IV 象 限为负

0


对于过程为 负、对于运行 为零
（2）能耗制动运行 还是用电阻制动，但拖动位能性负载，在正向电动状态突然采 用能耗制动，电动机的运行点从A→B→0，从B→0是能耗制动过 程。
2 他励直流电动机的调速
对电动机的转速，不仅要能调节，而且要求调节的范围广， 精度高，过程平滑，调节的方法要简单、经济。 通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速。 （1）电枢串电阻调速 他励直流电动机拖动负载运行 时，保持电源电压及磁通为额定值 不变，在电枢回路中串入不同的电 阻时，电动机运行于不同的转速 。 串入电枢回路的电阻值越大，电动 机的转速越低。
UI a
＝
I a2 Ra
＋


Ea I a Te

T0
T2
2 能耗制动过程和能耗制动运行
（先讲两个机械特性曲线）
，
曲线 2 n2
375 (Te TL )dt GD 2
（1） 能耗制动过程
拖动反抗性恒转矩。在 B 点，电磁转矩 TeB 0 ，并且 TeB TL
8
n A ' n1 n01 n02 n03
U N U1 U 2 U3 A(n) U N A1 (n1 ) U1 A2 (n2 ) U 2 U3 A (n )
（3）弱磁调速
UN Ra 由n T 知，保持他励直流电动机电源电压 2 e Ce CeCT 不变，电枢回路也不串电阻，降低他励直流电动机的磁通 可 以使电动机理想空载转速升高。在负载转矩较小时，磁通减少 得越多，转速升高得越大。 n 1 N 如果磁通减少得太多，则由于空 n01 载转速太高，有可能使得电机转速 A1 1 太高。由此给出一个重要的启示： A n0 直流电动机在运行过程中，励磁回 N 路绝不可断开，即绝不可失磁。因 为如果失磁，由于剩磁的作用电机 的转速将迅速升高，有可能引发严 0 T TL 重的事故。