第06章-直流电动机的电力拖动03

电机及拖动基础
第6章 直流电动机的电力拖动
6.1 他励直流电动机的机械特性 6.2 他励直流电动机的起动 6.3 他励直流电动机的调速 6.4 他励直流电动机的制动 6.5 串励和复励直流电动机的电力拖动*
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第6章 直流电动机的电力拖动 引 言
原动机为直流电动机的电力拖动系统称为直流电力拖动系 在此系统中有他励、串励和复励三种直流电动机， 统 ， 在此系统中有他励 、 串励和复励三种直流电动机 ， 其中应 用最多的是他励直流电动机， 用最多的是他励直流电动机 ， 因此本章重点介绍由他励直流电 动机组成的直流电力拖动系统，对串励 、 复励直流电动机的电 动机组成的直流电力拖动系统 ， 对串励、 力拖动只作简要介绍。 力拖动只作简要介绍。
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第6章 直流电动机的电力拖动
6.1.3 人为机械特性 由公式（ ）可知，当改变电动机的参数电枢电压U 由公式（6-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压 a、励磁 电流I f 、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为 电流 电枢外接电阻 ，可改变电动机的机械特性， 改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。 改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。
n n
Te Tst
n0
nA
A
nA TL
S
O
TL
TstBiblioteka TeOtO
t
a) 6-8
a) b)
b)
c)
c)
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第6章 直流电动机的电力拖动
下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步 分析。 为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线， 分析 。图 6-8a为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线， 为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线 其中S为起动过程开始的点 即起始点） 对应的转矩为T 为起动过程开始的点（ 其中 为起动过程开始的点（即起始点），对应的转矩为 e=Tst， 转速为n=0；A点为起动过程结束的点（即稳态点），对应的转矩 点为起动过程结束的点（ 转速为 ； 点为起动过程结束的点 即稳态点） 转速为n=nA。 将 S点与 点的具体数据代入式（ 4-20） 点与A点的具体数据代入式 为Te=TL，转速为 点与 点的具体数据代入式（ ） 及式（4-22），便可得到起动过程中的转速及转矩表达 式 n = n A − n A e − t / TM
第6章 直流电动机的电力拖动
6.2.1 电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻R 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻 st，在起动 过程中将起动电阻逐步切除。 过程中将起动电阻逐步切除。 图6-6a为他励直流电动机三级起动 为他励直流电动机三级起动 时的电气原理图。 时的电气原理图。
n n0 R1<R2 Ra
固有
Ra+R1 Ra+R2
人为
O
Te
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第6章 直流电动机的电力拖动 6.2 他励直流电动机的起动
所谓起动就是指电动机接通电源后， 所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某 一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时， 一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须先加额定励 磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。 他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流I 他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流 a为 U N − Ea Ia = （6-6） ） Ra 在起动瞬间，电动机的转速 在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势 a = 0，电枢回 ，反电动势E ， 路只有电枢绕组电阻R 此时电枢电流为起动电流I 路只有电枢绕组电阻 a ， 此时电枢电流为起动电流 st ， 对应的 电磁转矩为起动转矩T 电磁转矩为起动转矩 st，并有
n
1. 改变电枢电压 电动机励磁电流为额定值， 电动机励磁电流为额定值 ， 使 并保持不变， 每极磁通为 Φ N 并保持不变 ， 电枢 回路不外接电阻， 回路不外接电阻 ，改变电动机的电 枢电压U 枢电压 a ，可得到一条与固有机械 特性平行的人为机械特性。 特性平行的人为机械特性。不断改 可得到一组平行曲线， 变Ua ，可得到一组平行曲线，特性 曲线的硬度均相同， 曲线的硬度均相同，仅理想空载转 速大小不同，如图6-3所示。
Te = TL + (Tst − TL )e − t / TM
GD 2 ( Ra + Rst ) TM = 2 375C e C T ΦN
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第6章 直流电动机的电力拖动
当采用电枢串 多级电阻起动时， 其过渡过程如何呢？ 图 6-9给出了他励直 给出了他励直 流电动机二级起动 的 起 动 过 程 。
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第6章 直流电动机的电力拖动 6.3 他励直流电动机的调速
为了提高生产率和满足生产工艺的要求， 为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要 在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速， 在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗 加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时， 加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用 不同的轧制速度。这些事例说明， 不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据 工艺要求而可以调节。故所谓调速， 工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求 人为地改变速度。但必须注意：这和由于负载变化， 人为地改变速度。但必须注意：这和由于负载变化，引起的速度 变化是截然不同的概念。 变化是截然不同的概念。 调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、 调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、 电气调速（改变电动机参数进行调速的方法） 电气调速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调 速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调 速方法。 速方法。
U d1 < U d2 < U d3 < U d4
UN U d4 U d3 U d2 U d1
+
RP Uc
Id
UPE
+ Ud _
+
M Uf
_
O
TL
T2
Tst
Te
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第6章 直流电动机的电力拖动
6.2.3 他励直流电动机起动的过渡过程 在第4章的第 节中， 章的第4节中 在第 章的第 节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了 理论分析， 并得出了转速动态方程（ 理论分析， 并得出了转速动态方程（4-20）、 转矩动态方程 ）、 （4-22）及过渡过程时间计算式（4-27）和式（4-28）。 ）及过渡过程时间计算式（ ）和式（ ）。
UN I st = Ra
（6-7） ） （6-8） ）
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Tst = C T Φ N I st
第6章 直流电动机的电力拖动
由于电枢绕组电阻R 很小，因此起动电流I 约为10～ 由于电枢绕组电阻 a很小，因此起动电流 st>>IN（约为 ～ 20倍的 N），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面 倍的I 这么大的起动电流使电机换向困难， 倍的 ），这么大的起动电流使电机换向困难 产生强烈的火花，甚至形成环火；另外， 产生强烈的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩 过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。 过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此一般 直流电机都不允许直接起动。这样， 直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取 措施来控制电机的起动过程。 措施来控制电机的起动过程。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： 1) 起动电流限制在一定范围内，即Ist ≤λ IN， λ 为电机的过 起动电流限制在一定范围内， 载倍数； 载倍数； 2) 足够大的起动转矩，Tst ≥（1.1～1.2）TN ； 足够大的起动转矩， ～ ） 3) 起动设备简单、可靠。 起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢？ 可知， 如何限制起动时的电枢电流呢？由Ist =UN/Ra可知，限制起动 电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压， 电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压， 直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。 即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。 -10-
6.2.2 降压起动 当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。 当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬 电动机的转速n 间，电动机的转速 = 0，反电动势 a = 0，降低电源电压 ， 将 ，反电动势E ，降低电源电压U 起动电流限制在允许的范围内。 起动电流限制在允许的范围内。
n A
U1<UN n0 UN n01 U1
O U=0
Te
-n0
-UN
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第6章 直流电动机的电力拖动
2. 减小每极气隙磁通 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻R 使励磁电流I 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻 c ， 使励磁电流 f 减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比， 减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以 主极磁通减小了。根据机械特性公式可知： 主极磁通减小了。根据机械特性公式可知： 1 1 n0 ∝ β∝ 2 Φ Φ 当磁通减小后，理想空 当磁通减小后， 载转速n 升高， 载转速 0升高，而斜率β 增 大， 使特性曲线倾斜度增 加，电动机的转速较原来有 所提高， 所提高，整个特性曲线均在 固有机械特性之上，如图6-4 固有机械特性之上，如图 所示。 所示。
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第6章 直流电动机的电力拖动
3. 电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压U 励磁电流I 不变， 当保持电枢回路电压 a，励磁电流 f 不变，改变电枢回路 的串接电阻R，电动机的理想空载转速n 不变， 的串接电阻 ，电动机的理想空载转速 0 不变，但机械特性的 增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大， 斜率β 增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越 倾斜，其人为机械特性如下图所示。 倾斜，其人为机械特性如下图所示。