第二章 直流電動機(jī)的電力拖動

1、第二章 直流電動機(jī)的電力拖動,第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式第二節(jié) 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第三節(jié) 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性第四節(jié) 他勵直流電動機(jī)的起動第五節(jié) 他勵直流電動機(jī)的制動第六節(jié) 他勵直流電動機(jī)的調(diào)速,電力拖動是以電動機(jī)作為原動機(jī)，來帶動生產(chǎn)機(jī)械按人們所給定的規(guī)律運動。 電力拖動系統(tǒng)由電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、電氣控制設(shè)備、電源和生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載等組成。 學(xué)習(xí)電動機(jī)的目的是為

2、了使用電動機(jī)，把電動機(jī)運用于拖動控制系統(tǒng)中。需要用到第一章的基本理論和基本公式來解決電力拖動系統(tǒng)的起動、制動和調(diào)速等基本問題。,第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式,電力拖動系統(tǒng)有多種類型，最簡單的系統(tǒng)是單臺電動機(jī)直接與生產(chǎn)機(jī)械同軸連接，稱為單機(jī)單軸系統(tǒng)，簡稱為單軸系統(tǒng)，如圖所示。,在多數(shù)情況下，由于生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速較低或具有直線運動部件，所以電動機(jī)必須通過傳動機(jī)構(gòu)多根轉(zhuǎn)軸的傳動，才能帶動生產(chǎn)機(jī)械運動，稱為單機(jī)多軸系統(tǒng)，簡稱為多軸系統(tǒng)，如圖所

3、示。 當(dāng)電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)不同軸時，兩者之間有傳動機(jī)構(gòu)，用以變速或變換運動方式。 即實際電力拖動系統(tǒng)中，電動機(jī)與負(fù)載的工作機(jī)構(gòu)間常采用齒輪傳動，蝸輪、蝸桿等傳動機(jī)構(gòu)，使電力拖動系統(tǒng)的軸不只一根。,在少數(shù)場合，有兩臺或多臺電動機(jī)來帶動一個或多個工作機(jī)構(gòu)，稱為多電動機(jī)拖動系統(tǒng)，簡稱多機(jī)系統(tǒng)。 電力拖動系統(tǒng)工作時，有些部件是作直線運動，如起重機(jī)的吊鉤等。有些部件是作旋轉(zhuǎn)運動的，如

4、齒輪機(jī)構(gòu)等。,分析電力拖動系統(tǒng)的運動規(guī)律，最主要的任務(wù)是要研究作用在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩及負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。包括穩(wěn)定運行時的關(guān)系及處于暫態(tài)過程中的關(guān)系。 對于單軸系統(tǒng)較簡單；對于多軸系統(tǒng)，各根轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和作用于各轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩都不相同，情況比較復(fù)雜。 一般的分析方法是先對單軸系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出一般規(guī)律。對于多軸系統(tǒng)，則通過折算將其等效成一個單軸系統(tǒng)，這樣就可以利用單軸系統(tǒng)的規(guī)律來分析

5、多軸系統(tǒng)。,一．單軸系統(tǒng)的運動方程式,如圖所示，生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩T2是直接作用在電動機(jī)的軸上，所以電動機(jī)軸上所受的總制動轉(zhuǎn)矩為： T2+T0=TZ（T0為電動機(jī)本身的空載轉(zhuǎn)矩）。 在電力拖動系統(tǒng)中，通常稱TZ為生產(chǎn)機(jī)械的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即把T0考慮在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ之中。 這樣，作用在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩只有驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem及制動性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ。,當(dāng)Tem≠TZ時，轉(zhuǎn)動體的

6、轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度 ，則轉(zhuǎn)矩方程式為： Tem-TZ=J 式中，J為單軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量（包括電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量），是衡量慣性作用的一個物理參數(shù)。（單位kg·m2） 轉(zhuǎn)動慣量J越大，轉(zhuǎn)動部分的慣性越大，改變其角速度Ω就越困難。,,,在工程中，常用飛輪矩GD2來表征轉(zhuǎn)動體的慣性作用，GD2和J的關(guān)系為：

7、 J= GD2/(4g) 式中，g為重力加速度，g=9.8（m/s2）； GD2為電動機(jī)轉(zhuǎn)子與生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩之和（單位N?m2），可從各自的產(chǎn)品目錄中查得。 D為轉(zhuǎn)動部分慣性直徑（m），G為轉(zhuǎn)動部分重量（N）。 機(jī)械角速度Ω=2πn/60。,可得單軸系統(tǒng)的運動方程式的實用形式： Tem-TZ=J =

8、 上式是電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式，表征了電力拖動系統(tǒng)機(jī)械運動的普遍規(guī)律，是研究電力拖動系統(tǒng)各種運動狀態(tài)的理論基礎(chǔ)。 (GD2/375)dn/dt稱為加速轉(zhuǎn)矩，其大小和正、負(fù)號由Tem、TZ的代數(shù)和來決定的。,,,如Tem、TZ、n均為正時，可知：（1）當(dāng)Tem=TZ時， =0，則轉(zhuǎn)速n等于常數(shù)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，包括靜止?fàn)顟B(tài)（n=0）。 因此

9、，要使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，必須使Tem=TZ；（2）當(dāng)Tem>TZ時， >0，則轉(zhuǎn)速n在升高，系統(tǒng)處于加速過程中。 因此，要使電力拖動系統(tǒng)從靜止?fàn)顟B(tài)起動運轉(zhuǎn)，必須使起動時的電磁轉(zhuǎn)矩Tem（即起動轉(zhuǎn)矩）大于n=0時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ。,,,（3）當(dāng)Tem<TZ時， <0，則轉(zhuǎn)速n在降低，系統(tǒng)處于減速過程中。 因此，要使系統(tǒng)從運轉(zhuǎn)狀態(tài)停轉(zhuǎn)（即制動），必須減小電磁轉(zhuǎn)矩Te

10、m，使之小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ，甚至改變Tem的方向。 注意：1）飛輪矩GD2是表征整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性的一個物理量，是一個完整的符號；2）轉(zhuǎn)矩單位為N?m；轉(zhuǎn)速單位為r/min；時間單位為s；飛輪矩單位為N?m2；,,3）轉(zhuǎn)矩Tem和TZ具有方向性，其正負(fù)號取法： 首先確定某一電動狀態(tài)時，n的方向為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)正方向，則當(dāng)Tem的實際方向與n正方向一致時，T取正號；相反時，T取負(fù)號； 當(dāng)TZ

11、的實際方向與n正方向相反時，TZ取正號；相同時，TZ取負(fù)號。 轉(zhuǎn)速的正方向一般可任選。但一般對起重機(jī)械，取提升重物時n的方向為正。對龍門刨床工作臺，以切削時n方向為正。 單向旋轉(zhuǎn)運動時，取實際轉(zhuǎn)向為n正方向。,二．多軸系統(tǒng)的運動方程式,如圖所示，由于各傳動軸的轉(zhuǎn)速不同，所以工作機(jī)構(gòu)的實際負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ′并不等于作用在電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ，而整個系統(tǒng)的飛輪矩GD2也不能簡單地將各傳動軸上的飛輪

12、矩相加起來而得到。 在工程中，往往是用一個單軸系統(tǒng)去等效代替實際的多軸系統(tǒng)。,08.9.28.（自動化06A）,08.10.6.（自動化06B）,稱這個等效的單軸系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ和總飛輪矩GD2為多軸系統(tǒng)實際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ′及各傳動軸的飛輪矩(GD2)i 折算到電動機(jī)軸上的折算值。 即實際中，將生產(chǎn)機(jī)械連同其傳動機(jī)構(gòu)用一個與電動機(jī)直接連接的機(jī)械負(fù)載等效代替。 折算的原則

13、是： 等效單軸系統(tǒng)所傳送的功率及所儲存的動能必須與實際多軸系統(tǒng)的功率及儲存的動能相同。,折算的方法： 是以電動機(jī)軸為折算對象，把工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)中各軸（電動機(jī)軸除外）的飛輪矩GD2i、直線運動部分的質(zhì)量m和直線運動部分的負(fù)載力F都折算到電動機(jī)軸上去。,返回,第二節(jié) 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,稱n=f（Tem）為電動機(jī)的機(jī)械特性； 稱n=f（TZ）為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，

14、即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。,一．恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ的大小保持不變，稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。,1．反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指該負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無關(guān)，TZ大小恒定，其方向始終與轉(zhuǎn)向相反。 如機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)，摩擦轉(zhuǎn)矩等屬于這類負(fù)載。 如圖所示為其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。 設(shè)電動狀態(tài)時，n 方向為正方向，則當(dāng)n為正時，TZ

15、的方向與n相反，TZ為正。 當(dāng)n為負(fù)（反向）時，TZ也反向，此時TZ與n的正方向一致，TZ為負(fù)。,2．位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)中具有位能的部件，該負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ的大小與速度無關(guān)，TZ大小恒定，且其方向不隨轉(zhuǎn)速方向的變化而變化。 如起重機(jī)系統(tǒng)等屬于這類負(fù)載。 如提升重物，即電動狀態(tài)時，n轉(zhuǎn)向為正，則無論提升或下放重物時，TZ

16、的方向始終向下，與n的正方向相反，即始終為正。 同一個重物G下放時，折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ比提升時要小，如圖虛線所示。,只有在傳動機(jī)構(gòu)的損耗忽略不計，傳動機(jī)構(gòu)的總效率η=η′=1時，提升和下放時，折算到電動機(jī)軸上的TZ才相等。 為了簡單起見，設(shè)位能性轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性都采用圖中的ABC線所示的理想特性。,二．恒功率負(fù)載特性,恒功率負(fù)載特性是指負(fù)載的功率為常數(shù)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。（屬于反抗

17、性負(fù)載） 由于Pz=TZΩ=TZ*2πn/60=k，則有： TZ=(60k/2π)*1/n=k1/n 式中，常數(shù)k1=9.55k。 可知，恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。 其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性如圖曲線1所示。（為雙曲線） 屬于這類性質(zhì)的生產(chǎn)機(jī)械如車床等。,三．通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性,對于鼓風(fēng)機(jī)、水泵等生產(chǎn)機(jī)械，其介質(zhì)（如空氣、水

18、等）對機(jī)械葉片的阻力基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比。 所以其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ也與n的平方成正比， 即： TZ=kn2 其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性如圖曲線2所示（為拋物線），稱為通風(fēng)機(jī)型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。（屬于反抗性負(fù)載，只能單方向旋轉(zhuǎn)。） 實際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性往往是幾種典型特性的組合，如圖曲線3所示是實際的鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。,返回,第三節(jié) 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,在他勵

19、直流電動機(jī)中，當(dāng)U、Ra和If保持不變時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系，稱為他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性。n=f（T）,一．直流電動機(jī)機(jī)械特性的一般形式,他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：,由于Ia=Tem/(CTΦ)，可得 可知，電動機(jī)的機(jī)械特性與端電壓U、主磁通Φ及電樞回路外接電阻RΩ有關(guān)。 勵磁方式不同時，Φ與T（即Ia）的關(guān)系是不同的，其機(jī)械特性也是

20、不同的。 式中，n0是電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為n0= 。,,,,Δn是轉(zhuǎn)速降，其值為 Δn= n0-n=βTem β是機(jī)械特性的斜率，其值為 β= 機(jī)械特性的硬度為 α= 斜率β越小，硬度α越大，機(jī)械特性越硬。 當(dāng)U和If保持為額定值，而且電樞電路中無外接

21、電阻時的機(jī)械特性，稱為固有特性，否則稱為人為特性。,,,二．他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性,對于他勵電動機(jī)，當(dāng)Tem發(fā)生變化時，只要保持If不變，且不計電樞反應(yīng)的作用，其主磁通Φ保持不變。 他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性是指當(dāng)U=UN、Φ=ΦN（即If=IfN）且RΩ=0時的n=f（Tem）的關(guān)系，即： 式中，n0=UN/(CeΦN)為Tem=0時的轉(zhuǎn)速，即固有機(jī)械

22、特性的理想空載轉(zhuǎn)速；,,βN=Ra/(CeCTΦ2N)=常數(shù)，為固有機(jī)械特性的斜率（絕對值）。 其額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降為： ΔnN=n0-nN=βNTN 由于電樞回路的電阻Ra很小，斜率βN很小，額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降ΔnN很小，所以，他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性是一條下降不多的硬特性，如圖所示。（是一條直線。）,電動機(jī)的機(jī)械特性是一條非常重要的特性，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合將決定電

23、力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和過渡過程。 由于該特性是一條直線，只要確定特性上的兩點，就可以決定這條特性。 通常用理想空載點（即Tem=0，n=n0）和額定工作點（即T=TemN，n= nN）兩點來確定。 即（0，n0），（TemN，nN）兩點。 固有特性上的N點對應(yīng)于電動機(jī)的額定狀態(tài)。這時電動機(jī)的電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動機(jī)的長

24、期運行能力。,例2-1 一臺他勵直流電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：PN=15kW，UN=220V，nN=1640r/min，IN=83A。試求：（1）繪制固有機(jī)械特性曲線；（2）求電動機(jī)固有特性方程；（3）電動機(jī)實際空載轉(zhuǎn)速。解：（1）電樞內(nèi)電阻估算可取,CeФN= 理想空載轉(zhuǎn)速 額定電磁轉(zhuǎn)矩 TemN=CTФNIN=9.55*0.122*83=96.7（N.m）,,固有特性曲線

25、的兩點坐標(biāo)為： A點：（Tem=0，n=n0=1800r/min；） B點：（Tem=TemN=96.7 N.m，n=nN=1640r/min；） 固有特性曲線如圖所示。（2）因為 則固有特性方程為： n=n0-?NTem=1800-1.67Tem,（3）電動機(jī)軸上的額定轉(zhuǎn)矩（負(fù)載轉(zhuǎn)矩） TN=9.55PN/nN=9.55*1

26、5*103/1640=83.7（N.m） 則空載轉(zhuǎn)矩 T0=TemN-TN=96.7-83.7=9.4（N.m） 得到實際空載轉(zhuǎn)速為： n0′=n0-?T0=1800-1.67*9.4=1784（r/min） 圖中A′點是實際空載點（T0， n0′），即（9.4 N.m，1784 r/min）,,三、他勵直流電動機(jī)的人為機(jī)械特性,人為地改變電動機(jī)的參數(shù)U

27、、RΩ或Φ所得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。1．電樞回路串電阻的人為特性 保持U=UN、Φ=ΦN（即If=IfN）不變，在電樞回路串入電阻RΩ，所得到的n=f（Tem）特性稱為電樞回路串電阻的人為特性。,,表達(dá)式為： 式中，β=(Ra+RΩ)/(CeCTΦ2N)對于給定的RΩ值，也是常數(shù)。 n0=UN/(CeΦN)為理想空載轉(zhuǎn)速。,所以，電樞回路串電阻的人為特性

28、也是一條下降的直線，如圖所示，其特點是：1）理想空載轉(zhuǎn)速n0不變，即與固有特性相同；2）斜率β>βN，即特性變軟；轉(zhuǎn)速下降更多。 當(dāng)RΩ不同時，理想空載點不變，但β值變化，RΩ越大，對應(yīng)的β值越大，特性越軟。 因此，電樞回路串電阻的人為特性是通過理想空載點的一束直線。,2．改變端電壓的人為特性 為了改變電動機(jī)的端電壓U，必須采用電壓值可以調(diào)節(jié)的直流電源，對該

29、電動機(jī)供電。 常用方法如由直流發(fā)電機(jī)供電的F-D系統(tǒng)和由可控整流電源供電的KZ-D系統(tǒng)。 發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組系統(tǒng)： 他勵直流發(fā)電機(jī)F由三相交流電動機(jī)拖動以nF轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流IfF，即可改變其輸出電壓U，以達(dá)到改變施加于他勵直流電動機(jī)D的端電壓值U。,可控硅-電動機(jī)系統(tǒng)： 調(diào)節(jié)電位器W的給定值，經(jīng)觸發(fā)電路即可改變可控硅的觸發(fā)角α

30、，達(dá)到改變施加于電動機(jī)的端電壓值U。 保持Φ=ΦN（即If=IfN）不變且RΩ=0，改變電動機(jī)的端電壓U，所得到的機(jī)械特性稱為改變端電壓的人為特性。 表達(dá)式為：,,式中n0′=U/(CeΦN)為端電壓改變后的理想空載轉(zhuǎn)速； 由于電動機(jī)受耐壓的限制，不能在過電壓狀態(tài)下運行，所以一般都用降低端電壓的人為特性，也是一條下降的直線，如圖所示。,其特點是： 1）理想空載轉(zhuǎn)速

31、n0′<n0，即比固有特性的低； 2）當(dāng)端電壓U不同時，人為特性的斜率不變，與固有特性相同。因此，不同端電壓時，同一轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降相等，即： Δn1=Δn2=n0′-n=βNTemN=ΔnN 可知，降低端電壓的人為特性是比固有特性低并與之平行的一簇直線，特性的硬度不變。,3．減弱電動機(jī)主磁通的人為特性 要改變主磁通，必須改變勵磁繞組的勵磁電流If。

32、 對于小容量的電動機(jī)，可以改變勵磁回路的調(diào)節(jié)電阻rΩ； 對于大容量的電動機(jī)，可以采用可控整流電源對勵磁繞組供電。（即改變勵磁電路端電壓Uf）,08.10.7.（自動化06A）,由于電動機(jī)在額定運行時，磁路已接近飽和，即使If比IfN增大許多，其主磁通也變化不大。 所以，一般都是使If向低于IfN的方向調(diào)節(jié)，即采用減弱磁通的人為特性。 保持U=UN不變

33、，且RΩ=0，改變If（減弱），所得到的機(jī)械特性稱為減弱磁通的人為特性。 表達(dá)式為：,,式中，n0″=UN/(CeΦ)為主磁通改變后的理想空載轉(zhuǎn)速； β″=Ra/(CeCTΦ2)對于給定的Φ值，也是常數(shù)。 其特點是： 1）理想空載轉(zhuǎn)速n0″>n0，即比固有特性的高； 2）斜率β″>βN，即特性變軟。,四．電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件,1．電力拖動系統(tǒng)的平衡狀態(tài)

34、 如圖所示是一個由他勵直流電動機(jī)帶動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的拖動系統(tǒng)的電動機(jī)機(jī)械特性n=f（Tem）與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n= f（TZ）。 在機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點A處，Tem=TZ。 此時，dn/dt=0，轉(zhuǎn)速不變，電動機(jī)的電流Ia=Tem/(CTIa)= TZ/(CTIa)也保持不變，則稱該拖動系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,2．電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡狀態(tài) 某電力拖動系統(tǒng)原來處于平衡狀態(tài)

35、，如果由于某種原因（如電壓波動、負(fù)載變化或電機(jī)參數(shù)的正常調(diào)節(jié)），使系統(tǒng)離開了原來的平衡狀態(tài)，但能夠在新的條件下自動地達(dá)到新的平衡，或者在外界擾動消失后能夠恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，則稱該拖動系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)是穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 如果不能自動地達(dá)到新的平衡或在擾動消失后不能回到原來的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)是平衡狀態(tài)，但不是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。,對于圖中的交點A平衡狀態(tài)，如果由于某種原因，如端電壓突然下降1%，電動

36、機(jī)的機(jī)械特性也隨之突然下移至特性2。 由于機(jī)械慣性，在端電壓突變的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及變化，仍為n=nA，電動機(jī)的工作點從A點突然跳到B點。（U=CeΦn+IaRa，使Ia下降，Tem下降） 此時，Tem=TB<TZ，使系統(tǒng)開始減速，工作點從B點開始沿特性2向下移動， Ia 、Tem開始回升。減速過程到C點，Tem=TC=TZ，dn/dt=0，轉(zhuǎn)速nC保持不變，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)。,如果減

37、速過程至D點時，端電壓恢復(fù)到額定值UN，使機(jī)械特性恢復(fù)為原來的特性1。 可知，在電壓恢復(fù)瞬間，工作點突變到E點（U=CeΦn+IaRa，使Ia上升，Tem上升）。 由于E點TE>TZ，使系統(tǒng)開始加速， Ia 、Tem開始下降，工作點沿特性1上升到A點，TA=TZ，dn/dt=0，n=nA，轉(zhuǎn)速保持不變，系統(tǒng)回到原來的平衡狀態(tài)。 因此，系統(tǒng)在原來的平衡狀態(tài)A點運行時，

38、是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。,對于如圖所示的系統(tǒng)，設(shè)原來也運行于交點A，處于平衡狀態(tài)。如果某外界擾動（如電壓下降），使電動機(jī)的機(jī)械特性突變?yōu)樘匦?時，由于n=nA不能突變，工作點突變?yōu)锽點。 由于B點的TB>TZ，系統(tǒng)開始加速，工作點沿特性2向上移動，Tem越來越大，dn/dt也越來越大，不可能達(dá)到新的平衡點C。,即使在加速過程中，外界擾動消失了，如在D點時端電壓恢復(fù)為UN，機(jī)械特性恢復(fù)為特性1，但電壓恢復(fù)的瞬間n=

39、nD也不能突變，工作點跳至特性1的E點，而E點TE>TZ，使系統(tǒng)仍然加速，工作點沿特性1上升，結(jié)果使Tem越來越大，系統(tǒng)加速度也越來越大，不可能回到原來的平衡狀態(tài)A點。 因此，此拖動系統(tǒng)是不能穩(wěn)定平衡運行的系統(tǒng)。,3．電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 可以證明電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件為： 1）電動機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性必須有交點（必要條件）； 2）在交點處滿足：

40、 <0（充分條件），即：,,,通常具有下降機(jī)械特性的他（并）勵電動機(jī)，帶動恒轉(zhuǎn)矩、恒功率或通風(fēng)機(jī)等負(fù)載時都能穩(wěn)定運行。其機(jī)械特性與負(fù)載特性的交點即是穩(wěn)定平衡點。 但如果由于電樞反應(yīng)去磁作用，使電動機(jī)機(jī)械特性上翹，則運行是不穩(wěn)定的。,所以，通常在主磁極上加一個匝數(shù)很少的串勵繞組，使之成為一臺積復(fù)勵電動機(jī)。 此串勵繞組的作用是使其磁勢抵消電樞反應(yīng)的去磁作用，維持磁通不變，而使

41、機(jī)械特性具有下降的特性，以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。 例：如圖所示曲線1為電動機(jī)的機(jī)械特性，曲線2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，試判斷圖中哪些交點是穩(wěn)定運行點？哪些是不穩(wěn)定運行點？,返回,第四節(jié) 他勵直流電動機(jī)的起動,一．他勵直流電動機(jī)的起動方法,將一臺直流電動機(jī)接上直流電源，使之從靜止?fàn)顟B(tài)開始旋轉(zhuǎn)直至穩(wěn)定運行，這個過程稱為起動過程。 剛起動瞬時，Φ≠0，由于n=0，Ea=0，則起動初瞬的電樞電流為：Ia=(U-Ea)/(R

42、a+RΩ)=U/ (Ra+RΩ),08.10.9.（自動化06B）,直流電動機(jī)剛與電源接通瞬間，轉(zhuǎn)子還未轉(zhuǎn)動起來時，他勵和串勵電動機(jī)的電樞電流及并勵和復(fù)勵電動機(jī)的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。1. 直接起動 如果起動時，先加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，U=UN，RΩ=0，稱為直接起動。 其起動初瞬的電樞電流為： Ist= Ia=UN

43、/ Ra 由于電樞回路電阻Ra很小，所以直接起動時，電樞電流Ia很大，可達(dá)到額定電流的10~20倍。,這么大的起動電流使換向惡化，出現(xiàn)火花甚至環(huán)火，并使電樞繞組產(chǎn)生很大的電磁力而使繞組損壞；過大的起動電流還會引起供電電網(wǎng)的電壓波動，影響接于同一電網(wǎng)上的其他電氣設(shè)備的正常工作。 如果起動時，Φ=ΦN，則此時的電磁轉(zhuǎn)矩（即起動轉(zhuǎn)矩）Tst=CTΦNIa，也達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的10~20倍，過大的轉(zhuǎn)矩沖擊

44、也使拖動系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)被損壞。 因此，除小容量電機(jī)之外，直流電動機(jī)是不允許直接起動的。,所以，在起動時，必須限制起動電流，一般要求起動初瞬的電樞電流不超過IN的1.5~2.0倍。 （起動過程：n=0, Ist=UN/ Ra，Tst=CTΦIst>TZ , n↑, Ea↑=UN-IaRa , Ia↓, Tem↓, Tem=TZ , n=nN）,但是，要使系統(tǒng)獲得較大的加速度而順利起動，在起動

45、時，必須先加大的勵磁且使If=IfN。 Tst=CTΦIst 即要使Tst較大， 而Ist又不能太大，所以先要加足磁場，使Φ=ΦN，再接通電樞電源，產(chǎn)生Tst，電動機(jī)開始起動。 (若無Φ，則Tst=0，無起動轉(zhuǎn)矩Tst=0，Tst<TZ，n=0，不能起動) （若Φ太小，起動轉(zhuǎn)矩Tst太小，起動時間長。）,他勵直流電動機(jī)起動的一般要求： 1）起動過

46、程中，起動轉(zhuǎn)矩Tst足夠大，使Tst>TZ，電動機(jī)加速度dn/dt>0，保證電動機(jī)能夠起動，且起動過程時間較短，以提高生產(chǎn)率。 2）起動電流的起始值Ist不能太大，否則使換向困難，產(chǎn)生強(qiáng)烈火花，損壞電動機(jī)；還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩沖擊（Tst太大），影響傳動機(jī)構(gòu)。 3）起動設(shè)備與控制裝置簡單，可靠，方便。,起動條件互相聯(lián)系又互相制約，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行取舍。 任何一種起動方法，最根本的原則是確保足夠大的起

47、動轉(zhuǎn)矩和限制起動電流。 所以每種起動方法均應(yīng)保證有足夠大的磁通。 直接起動方法特點是： 不必另設(shè)起動設(shè)備，起動轉(zhuǎn)矩大，但起動電流大。,2．降壓起動 起動時，先加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變。降低端電壓U，使Ist=U/Ra≈（1.5~2.0）IN，且Tst=CTΦNIst≈（1.5~2.0）TN。在不大的起動電流下，使系統(tǒng)順利起動。

48、 隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動勢Ea=CeΦNn增大，電樞電流Ia=(U-Ea)/Ra開始下降，電磁轉(zhuǎn)矩Tem下降，這時，為了保持起動過程中電磁轉(zhuǎn)矩較大，電樞電流在一定范圍，可以逐漸升高端電壓U，使Ia、Tem回升，直至U=UN，起動完畢。,若不逐漸升高U，則n增加時，Ea增加，Ia減小，Tem減小，起動時間長。 根據(jù)起動條件，可以確定起始電壓U的大小，即 U≈（1.5~2.0）

49、IN Ra 這種起動方法的特點是： 起動平穩(wěn)，起動電流小，起動過程中的能量損耗小。但需專用電源，設(shè)備投資較大。,3．電樞回路串電阻起動 起動前，先把起動變阻器的電阻調(diào)到最大值，加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變。再接通電樞電源，電動機(jī)開始起動。 隨著轉(zhuǎn)速的升高， Ia、Tem開始減小，可以逐級切除起動電阻，使Ia、Tem回升，直至全部切除起動電阻，起動

50、完畢。（ Ia=(U-Ea)/（Ra+RΩ） 額定功率較大的電動機(jī)一般采用分級起動的方法，以保證起動過程中既有比較大的起動轉(zhuǎn)矩，又使起動電流不會超過允許值。,根據(jù)起動條件，可確定起始串入電阻的大小，即 Ia=UN/ (Ra+RΩ) RΩ=UN/((1.5~2.0)IN) - Ra 如圖所示為電樞回路串三級起動電阻原理圖。,起動時，接入全部起動電阻，并加上額

51、定電壓UN，則瞬時起動電流為：(n=0，Ea=0) I1=UN/(RΩ3+ RΩ2+ RΩ1+Ra)= UN/R3 其中，R3= RΩ3+ RΩ2+ RΩ1+Ra，為全部起動電阻均接入時的電樞回路總電阻。 與R3對應(yīng)的人為特性如圖的n0ba線，與橫軸的交點a為起動轉(zhuǎn)矩T1=CTΦNI1。 只要合理選擇RΩ3+ RΩ2+ RΩ1的阻值，可使I1

52、=（1.5~2.0）IN，T1=（1.5~2.0）TN>TZ，系統(tǒng)可以安全順利起動。,隨著轉(zhuǎn)速的升高，Ea增大，使Ia=(U-Ea)/Ra減小，Tem=CTΦNIa也減小，工作點沿著特性abn0上移。當(dāng)Tem減小到b點，Tem=T2=(1.1~1.2)TN 時，為了得到較大的加速度，可將觸點C3閉合，把RΩ3切除，則電樞回路電阻突變?yōu)镽2= RΩ2+ RΩ1+Ra，對應(yīng)的人為特性為n0dc。由于切換時轉(zhuǎn)速n=nb不能突變，所以工作

53、點突變?yōu)閏點。 如果各級起動電阻設(shè)計得當(dāng)，可以做到Tc=T1，系統(tǒng)又獲得較大的加速度，而電流仍與I1相等，不會過大。,當(dāng)工作點沿cdn0上移到d點即Tem=T2時，觸點C2閉合，把RΩ2切除，則電樞回路電阻突變?yōu)镽1= RΩ1+Ra，對應(yīng)的人為特性為n0fe，工作點突變?yōu)閑點，電動機(jī)又得到較大的加速度。 當(dāng)工作點沿efn0上移到f點即Tem=T2時，觸點C1閉合，把RΩ1切除，工作點從f突變

54、至固有特性ghn0的g點，電動機(jī)又得到較大的加速度，工作點沿ghn0上升至h而穩(wěn)定，起動過程結(jié)束。（T=TZ，n=nh） 此方法特點是： 耗能大，不經(jīng)濟(jì)，但所需的起動設(shè)備不多。,二．他勵直流電動機(jī)分級起動電阻的計算,起動電阻的分段數(shù)m、最大起動電流I1與切換電流I2的大小是根據(jù)生產(chǎn)過程與起動要求來選定的。 最大起動電流一般為I1=（1.5~2.0）IN或最大起動轉(zhuǎn)矩

55、為T1=（1.5~2.0）TN； 為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減少起動時間，切換電流I2必須大于穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流IZ=TZ/(CTΦN)，一般取切換電流為I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ，切換轉(zhuǎn)矩為T2=（1.1~1.2）TN或T2=（1.1~1.2）TZ。,IZ為起動時所帶負(fù)載對應(yīng)電樞電流值；若未知，可以用IN代替。 TZ為起動時所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若TZ未知，可以用TN代替。

56、 I2越小，m越少，但起動過程中，電流的變化范圍大，轉(zhuǎn)矩脈動大。 如圖中，由于nf=ng，則Ef=CeΦNnf=Eg，即： UN-I2R1= UN-I1Ra 則有： I1/I2=R1/Ra,同理可得： nd=ne，則Ed=CeΦNnd=Ee，UN-I2R2= UN-I1R1

57、I1/I2=R2/R1 nb=nc，則Eb=CeΦNnb=Ec，UN- I2R3= UN-I1R2 I1/I2=R3/R2 有： R3/R2= R2/R1= R1/Ra= I1/I2=β 式中，β= I1/I2（或T1/T2）為起動電流比（或起動轉(zhuǎn)矩比）。,對于m級起動的一般情況有： Rm/Rm-1=…= R

58、2/R1= R1/Ra= I1/I2=β 式中，Rm= RΩm+… +RΩ2+ RΩ1+Ra為第m級起動（即起動電阻全部接入）時的電樞回路總電阻； … R2=RΩ2+ RΩ1+Ra 第2級 R1= RΩ1+Ra 第1級,可得各級電樞回路總電阻： R1=Raβ R2= R1β= Raβ2

59、 … Rm= Rm-1β= Raβm 可得到起動電流比 β= 對βm= Rm/Ra兩邊取對數(shù)，得到級數(shù) m= 若得到的m不是整數(shù)，可以取相近整數(shù)。,,,則各級起動電阻為： RΩ1=R1-Ra=(β-1)Ra RΩ2=R2-R1=(β2-β)Ra=βRΩ1

60、 … RΩm=Rm-Rm-1=(βm-βm-1)Ra=βm-1RΩ1 若已知β、Ra、m，可以算出各級電阻RΩi。,計算各級起動電阻值的步驟： 1）根據(jù)電動機(jī)名牌數(shù)據(jù)，估算電樞回路電阻Ra，Ra=(UNIN-PN)/(2*IN2) 2）選取最大起動電流I1，取I1=（1.5~2.0）IN，算出電樞最大起動電阻Rm=UN/I1；（第m級電樞回路總電阻） 3）如分級數(shù)m未定

61、，則應(yīng)先確定m數(shù)。初選切換電流I2′，取I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ，初得起動電流比β′= I1/I2′，初得m′= ln(Rm/Ra)/lnβ′，取接近整數(shù)值，即為分級數(shù)m；,4）若m是取相近整數(shù)，則需要重新計算β。 反計算起動電流比β= ，然后算出實際值I2= I1 /β，并校驗I2的大小，符合I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ。

62、 若I2不符合，應(yīng)重新選擇m值。 若I2太小，應(yīng)增大m值，以減小β值，使I2增大。 5）將β值代入公式，算出各級起動電阻值RΩi。,,RΩm=Rm-Rm-1=(βm-βm-1)Ra=βm-1RΩ1 若分級數(shù)m已定。則選擇I1，算出Rm，將Rm、m、Ra代入公式β= ， 算出β值，然后算出I2= I1 /β，并校驗I2的大小。以后同前（4、5步

63、）。,,例：某他勵直流電動機(jī)額定數(shù)據(jù)為：PN=21kW，UN=220V，IN=115A，nN=980r/min。負(fù)載電流為IZ=92A，最大起動電流不超過2IN，試求分級起動數(shù)m及各段起動電阻值RΩi。 解：估算電樞電阻： Ra=(UNIN-PN)/(2*IN2) =(220*115-21*103)/(2*1152) =0.163Ω

64、 取最大起動電流 I1=2IN=2*115=230A,,,則： Rm=UN/I1=220/230=0.957Ω m未知。 初取切換電流 I2′=1.2IZ=1.2*92=110A 則 起動電流比 β′=I1/I2′=230/110=2.09 得級數(shù) m′=ln(Rm/Ra)/lnβ′

65、 =ln(0.957/0.163)/ln2.09 =2.4,取m=3，則 校驗 I2=I1/β=230/1.804=127A>1.2IZ=110A 所以，m=3是合適的，則 各級電樞回路總電阻： R1=βRa=1.804*0.163=0.294Ω R2=β2Ra=1.8

66、042*0.163=0.530Ω R3=β3Ra=1.8043*0.163=0.957Ω,,各級起動電阻： RΩ1=R1-Ra=0.294-0.163=0.131Ω RΩ2=R2-R1=0.530-0.294=0.236Ω RΩ3=R3-R2=0.957-0.530=0.427Ω,返回,第五節(jié) 他勵直流電動機(jī)的制動,電動機(jī)的停車方法有： 1）自由停車：

67、 斷開電源，Ia=0，Tem=0，在總負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ的作用下，轉(zhuǎn)速降至停車。 此方法，停車時間長，特別是在空載（TZ=T0小）時，|dn/dt|很小，所需時間更長。（Ia=0，Tem=0，-TZ=kdn/dt<0）,08.10.9.（自動化06A）,2）機(jī)械制動： 斷開電源，Ia=0，Tem=0，利用機(jī)械摩擦獲得制動轉(zhuǎn)矩Tm的方法（抱軸），|dn/dt|增大。

68、 此方法，更快速停車，有機(jī)械磨損。（-（TZ+Tm）=kdn/dt<0） 3）電氣制動： 靠電動機(jī)本身產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，成為制動轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)快速停車或使位能性負(fù)載穩(wěn)速下放。|dn/dt|增大。 此方法，更快速停車，無機(jī)械磨損，容易實現(xiàn)自動控制。（-（TZ+Tem）=kdn/dt<0）,其特點是： 它從軸上吸收機(jī)械