《电机与拖动》第2章直流电动机的电力拖动

第二部分 直流电机的电力拖动

思考题与习题

1、什么叫电力推拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。

2、写出电力拖动系统的运动方程式，并说明该方程式中转矩正、负号的确定方法。

3、怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？

4、研究电力拖动系统时为什么要把一个多轴系统简化成一个单轴系统？简化过程要进行哪些量的折算？折算时各需遵循什么原则？

5、起重机提升重物与下放重物时，传动机构损耗由电动机承担还是由重物承担？提升或下放同一重物时，传动机构的效率相等吗？

6、电梯设计时，其传动机构的上升效率η<0.5，若上升时η=04，则下降时的效率η是多少？若上升时负载转矩的折算值TL=15N·m，则下降时的负载转矩折算值为多少？

7、从低速轴往高速轴折算时，为什么负载转矩和飞轮矩都要减小？

8、起重机提升某一重物时，若传动效率小于0.5，那么下放该重物时传动效率为负值，此时的特理意义是什么？

9、生产机械的负载转矩特性常见的哪几类？何谓位能性负载？

10、表1中所列各电力拖动系统的数据不全，请通过计算把空格填满，计算时忽略电动机的空载转矩。

表1

系统

序号 电磁转矩

Tem/N·m 实际负载转矩

T’L/N·m 传动机构 电动机的负载转矩

TL/N·m 运行

状态 效率η 速比k

1 80.5 0.75 20 恒速

2 15 0.8 12 12

3 1 1 44.5 恒速

4

17.6

128 0.85 8

5 78 5.5 16.5 减速

11、表2所列电动机拖动生产机械在稳态运行时，根据表中所给数据，忽略电动机的空载转矩，计算表内未知数据并填入表中。

表2

生产机械 切削力或重物重

F,G/N 切削速度或升降速度v/m·s-1 电动机转速n/r·min 传动效率 负载转矩

TL/N·m 电磁转矩

第二部分 直流电动机的电力拖动

一、填空题： 1、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。 （U=UN、φ=ΦN，电枢回路不串电阻；n；Tem

2、直流电动机的起动方法有____ ___。（降压起动、电枢回路串电阻起动）

3、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。 （2）

4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。（理想空载转速）

5、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。（降压或电枢回路串电阻；弱磁）

1、直流电动机的人为特性都比固有特性软。（ ）（F）

2、直流电动机串多级电阻起动。在起动过程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。（ ） （T）

3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。（ ） （T）

4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。（ ） （F）

5、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。（ ） （T）

三、选择题 1、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）

（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。

2、他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是：（3）

（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。

3、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（2）（1）为了使起动过程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。

第二部分 直流电动机的电力拖动

一、填空题： 1、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。 （U=UN、φ=ΦN，电枢回路不串电阻；n；Tem

2、直流电动机的起动方法有____ ___。（降压起动、电枢回路串电阻起动）

3、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的_______倍。 （2）

4、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。（理想空载转速）

5、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。（降压或电枢回路串电阻；弱磁）

1、直流电动机的人为特性都比固有特性软。（ ）（F）

2、直流电动机串多级电阻起动。在起动过程中，每切除一级起动电阻，电枢电流都将突变。（ ） （T）

3、提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。（ ） （T）

4、他励直流电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载运行。（ ） （F）

5、他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。（ ） （T）

三、选择题 1、电力拖动系统运动方程式中的GD2反映了：（2）

（1）旋转体的重量与旋转体直径平方的乘积，它没有任何物理意见；（2）系统机械惯性的大小，它是一个整体物理量；（3）系统储能的大小，但它不是一个整体物理量。

2、他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是：（3）

（1）串电阻的人为特性；（2）降压的人为特性；（3）弱磁的人为特性。

3、直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是：（2）（1）为了使起动过程平稳；（2）为了减小起动电流；（3）为了减小起动转矩。

电机与拖动电力工程系电力工程系殷芬电机与拖动电力工程系电机与拖动第一章直流电机第二章直流电动机的电力拖动电机与拖动电力工程系发电机原理发电机原理模型•磁极产生磁场•圆柱铁芯上安装线圈导体——电枢(转子)•气隙•集电环A、B1.1.1 直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。交流电旋转a→bb→a1.1 直流电机的基本工作原理和结构电机与拖动电力工程系•交变电势的产生：模型的电枢在原动机的拖动下以恒定的速度旋转，元件边ab和cd交替在N极和S极下运动，由e=BLV可知，元件边ab和cd中将产生一定幅值和频率的交流电动势。如图所示。•问题：我们需要的是直流电势，因此我们必须将在ab上得到的交变电势进行整流，得到直流电势。交流电旋转a→bb→a电机与拖动电力工程系•电刷A 通过换向片所引出的电动势，始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势，所以电刷A 始终有正极性，•同样道理，电刷B 始终有负极性•所以电刷端能引出方向不变，但大小变化的脉振电动势AB电机与拖动电力工程系dcabAB电机与拖动电力工程系直流电动机的工作原理示意图通入直流电带电导体在磁场中受力使电枢旋转电机与拖动电力工程系1.1.2 直流电机的主要结构主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。定子转子电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承电机与拖动电力工程系直流电动机剖面示意图电机与拖动电力工程系1、铁芯2、绕组3、机壳4、转子5、极靴5•又称主极。建立作为机电能量转换媒介的主磁极磁场。主磁极的作用是能够在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。•在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。小型直流电机的主磁极用永久磁铁，这种电机叫永磁直流电机。•主磁极的铁心用1~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成。把事先绕制好的励磁绕组套在主极铁心外面，整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面上。各主磁极上的励磁绕组联接必须使通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈N极和S极交替的排列，为了让气隙磁密沿电枢圆周方向的气隙空间里分布得更加合理一些，铁心下部（称为极靴）比套绕组的部分（称为极身）宽。这样也可使励磁绕组牢固地套在铁心上。电机与拖动电力工程系换向极•容量在1kw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向，至于如何改善换向的，将在后面介绍。电机与拖动电力工程系机座•一方面起导磁的作用•一方面起机械支撑的作用。•由于机座要起导磁的作用，所以它是主磁路的一部分，叫定子磁轭，一般多用导磁效果较好的铸钢制成，小型直流电机也有用厚钢板的。主磁极、换向极和端盖都固定在电机的机座上，所以机座又起了机械支撑的作用。电机与拖动电力工程系电刷装置•电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。•电刷放在电刷盒里，用弹簧压紧在换向器上，电刷上有个铜丝辫，可以引出、引入电流。•直流电机里，常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上，在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，成为一组电刷。•一般直流电机中，电刷组的数目可以用电刷杆数表示，刷杆数与电机的主磁极数相等。各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，如果电刷杆的位置放得不合理，将直接影响电机的性能。电刷杆装在端盖或轴承内盖上，调整位置后，将它固定。电机与拖动电力工程系电枢结构图电机与拖动电力工程系电枢铁心•是作为主磁路的主要部分。•嵌放电枢绕组。•通常用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成，固定在转轴上。Why?•由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动，会在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁心损耗，简称铁耗），为了减少铁耗，电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组。电机与拖动电力工程系1—转轴2—轴承3—换向器4—电枢铁心5—电枢绕组6—风扇7—轴承电枢结构电机与拖动电力工程系电枢绕组•电枢绕组是由许多按一定规律排列和联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件。•线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成，线圈亦称为元件，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端以一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。电机与拖动电力工程系电枢绕组图电机与拖动电力工程系换向器•在直流发电机中，将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；•在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。•换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘，换向片数与元件数相等。电机与拖动电力工程系换向器结构图电机与拖动电力工程系1.1.3 直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率.1指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压.2在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.Nn额定转速.4fNI额定励磁电流.5对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流.3电机与拖动电力工程系此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。电机与拖动电力工程系根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。电机与拖动电力工程系•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。•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(10~20)IN•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直流电机的起动、制动与调速1、直流电动机的起动电机与拖动电力工程系起动电流大的原因２）、电枢电流：，Ra一般很小所以，起动电流为：aNaaNaRUREUINaNstIRUI20~10１）、起动开始时：n = 0Ea = Ce Φ n = 0•直流电动机直接加电压起动时：起动电流很大•只有小容量的电动机可采用直接加电压起动•一般直流电动机都不采用这种方法。电机与拖动电力工程系结论：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。AB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（∵起动电流大∴起动转矩也很大）３、供电线路产生很大的压降。电机与拖动电力工程系起动方法•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。直流电动机的起动条件：1、起动转矩要足够大，2、起动电流不要太大，电机与拖动电力工程系我们在电枢回路中串入电阻，可减小起动电流，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，此时，则stR0aEstaaNstRREUI1）电枢回路串电阻起动：由相关公式可知：staaNstRREUI•随着n↑→Ea↑→Ist↓→Tst↓引起起动困难•所以，当n↑→减小Rst→Ist↑→Tst↑保持起动转矩•所以，逐级减小Rst直到起动结束电机与拖动电力工程系2）他励直流电动机降低电枢电压起动：从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，还可以通过减小电枢电压来减小起动电流：这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。astRUI电机与拖动电力工程系2、直流电动机的制动：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者限制势能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。实现制动既可以采用机械的方法，也可以采用电气的方法。我们重点来看一下电气制动方法：1）、能耗制动：能耗制动过程：如图+-电动机起动运转Ia→T，驱动n↑Ia反向→T反向，使n迅速下降直到电动机停转电机与拖动电力工程系2、电压反接制动：反接制动过程分析：如图所示，电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。反接前：aaNaREUIn电动机转动电机与拖动电力工程系反接后：所以：因此反接后电流的数值将非常大，为了限制电枢电流，所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。NUUaaNaREUI'aaaNRIEURmaxmin电机与拖动电力工程系•他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，将引起转速下降，串的电阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程度，将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第象限，如图所示，这时电动机接线未变，转速反向。而，是一种制动运行状态，称为倒拉反转制动运行。•倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重物的场合。在这种运行方式中，电动机的电磁转矩起了制动作用，限制了重物下降的速度。改变的大小，即可改变机械特性的交点，使重物以不同的稳定速度下降。IV0T电机与拖动电力工程系4、回馈制动：1)正向回馈制动：直流电动机拖动负载运行，电机将系统具有的动能反馈回电网，且电机仍为正向转动，称之为正向回馈制动。如图2）反向回馈制动：直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，采用电压反接制动，电机将系统具有的动能反馈回电网，电机为反向转动，称之为反向回馈制动。如图电机与拖动电力工程系3、直流电动机的调速：由机械特性方程：可知，直流电动机有3种方法可以调速：（1）改变电枢电压；（2）改变励磁电流，即改变磁通；（3）电枢回路串入调节电阻。TCCRRCUnTeae2电机与拖动电力工程系•特点：改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能。由于调电压后，有较好的转速稳定性，调速范围较大，同时便于控制，可以做到无级平滑调速，损耗较小。在实际工程当中，常常采用这种方法。•缺点：转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去用直流发电机-直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备—直流电动机系统来实现。1）降低电枢电压调速：电机与拖动电力工程系2）弱磁调速：这种调速方法的特点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（1～3）%，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制。其限制是转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。电机与拖动电力工程系3）电枢回路串电阻调速：电枢回路串联电阻越大，机械特性的斜率越大，因此在负载转矩恒定时，即为常数，增大电阻，可以降低电动机的转速。直流电动机上述三种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速，而弱磁调速属于恒功率调速。