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=15N·m，则下降时的负载时的效率η是多少？若上升时负载转矩的折算值TL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14 17.6 128 0.85 85 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Tem/N·m刨床3400 0.42 975 0.80 起重机9800 提升1.4 1200 0.75下降1.4电梯1500 提升1.0 950 0.42下降1.012、如图所示的运动系统中，已知n1/n2=3,n2/n3=2, GD21=80N·m2，GD22=250N·m2，GD 23=750 N·m2，I’L=90 N·m2，（反抗转矩），每对齿轮的传支效率均为η=0.98，求折算到电动机轴上的负载转长和总飞轮矩。

习题二1、已知切削力F=2000N ，工件直径d=1500mm ，电动机转速n=1450转/分，传动机构的各级速度比为：j 1=2，j 2=1.5，j 3=2。

各转轴的飞轮转矩分别为：()225.3m N GD M ⋅=，()2212m N GD ⋅=，()2227.2m N GD ⋅=，()2239m N GD ⋅=。

各级传动效率分别为：η=0.9，试求：（1） 切削功率 （2） 电动机输出功率 （3） 系统总的飞轮转矩（4） 忽略电动机的空载制动转矩时，电动机的电磁转矩 （5） 车床开车未切削时，若电动机转速加速度dn/dt =800r/min s ，忽略电动机的空载制动转矩，但不忽略传动机构的损耗转矩时，求电动机的电磁转矩。

解：由于上述问题都与电动机有关，所以，首先将各种参数折算到电动机轴上，等效为一简单的单轴系统。

由图可知，系统为4轴变速系统。

于是有： 系统总的飞轮转矩为：()()()()223212322122212122 4.5536997.25.05.3111m N j j j GD j j GD j GD GD GD M ⋅=+++=⋅⋅+⋅++=等效()m N 24225.121450321⋅=⨯⨯=⋅⋅=j j j n n m L()()m N 3450.72925.122/5.120002/11321⋅=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅=⋅=D F j j j T j T C L C C L ηη等效于是切削功率为：()()kW 38105.024275.0200060/22/≈⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=Ω⋅=L L L L n D F T P π 电动机输出功率为：()kW 52.12629.0383===CLm P P η 如电动机的空载制动转矩视为T 0，电机处于平稳状态时的电磁转矩则为：()m N 4530⋅=+=等效L em T T T当电动机处于加速状态，但仍为空载时，由牛顿第二定律可知：C L em dt dn GD T T T η/37520⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=--等效等效此时的电磁转矩为： ()m N 13.3150.729/8003754.55/37502⋅=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=等效等效L C emT T dt dn GD T η 2、已知龙门刨传动机构如图所示。

第二章直流电动机的电力拖动答：由电动机作为原动机来拖动生产机械的系统为电力拖动系统。

一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源几部分组成。

电力拖动系统到处可见，例如金属切削机床、桥式起动机、电气机车、通风机、洗衣机、电风扇等。

答：电动机的理想空载转速是指电枢电流I a=0时的转速，即。

实际上若I a=0，电动机的电磁转矩T em=0，这时电动机根本转不起来，因为即使电动机轴上不带任何负载,电机本身也存在一定的机械摩擦等阻力转矩（空载转矩）。

要使电动机本身转动起来，必须提供一定的电枢电流I a0（称为空载电流），以产生一定的电磁转矩来克服这些机械摩擦等阻力转矩。

由于电动机本身的空载摩擦阻力转矩很小，克服它所需要的电枢电流I a0及电磁转矩T0很小，此所对应的转速略低于理想空载转速，这就是实际空载转速。

实际空载转速为简单地说，I a=0是理想空载，对应的转速n0称为理想空载转速；是I a= I a0实际空载，对应的转速n0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。

答：固有机械特性与额定负载转矩特性的交点为额定工作点，额定工作点对应的转矩为额定转矩，对应的转速为额定转速。

理想空载转速与额定转速之差称为额定转速降，即：答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点；二是在交点（T em =T L）处，满足，或者说，在交点以上（转速增加时）,T em<T L，而在交点以下（转速减小时）,T em>T L。

一般来说，若电动机的机械特性是向下倾斜的，则系统便能稳定运行，这是因为大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持不变。

答：只有（b）不稳定，其他都是稳定的。

答：他励直流电动机稳定运行时，电枢电流：可见，电枢电流I a与设计参数U、C eΦ、R a有关，当这些设计参数一定时，电枢电流的大小取决于电动机拖动的负载大小，轻载时n高、I a小，重载时n低、I a大，额定运行时n=n N、I a=I N。

1. 直流电拖动系统概述机直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出优点。

首先直流电动机具有良好的启动、制动性能、调速性能和控制性能，这个优点使直流电动机运动控制系统（简称直流调速系统）在需要调速的高性能电力拖动中得到广泛的应用。

另外，它的电枢电压、电枢电力、电枢回路电阻、电机输出转矩、电机转速等各参数、变量之间的关系几乎都是近似的线性函数关系，这使直流电动机的数学模型较为简单、准确、相应地使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，且经过较长时间的实践，直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是及交流调速控制系统的基础。

但常规的意义的直流电动机也具有它不可克服的缺点---带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火花和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换；而交流电动机则不存在机械换向的问题。

2. 单闭环直流调速系统3. 双闭环直流调速系统在许多工程实践中，有一些生产机械由于生产工艺的要求，要求电机经常处于启动，制动的工作状态，其速度图多为梯形或三角形。

这类生产机械要求电机经常过载或堵转，例如，往返运动的龙门刨床，可逆轧钢机等。

这类机械要求尽量缩短启、制动过程的时间，来提高生存率。

为此，要求电机在最大允许电流和转矩条件下，充分利用电机的过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，达到稳态转速时，立即让电流减下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想启动过程中，启动电流呈方波型，转速按线性增长。

这是在最大的电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动过程。

如图1。

图13.1 双闭环直流调速系统的基本构成双闭环直流调速系统是指含有：○1转速负反馈，实现转速的无静差调节；○2电流负反馈环，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程。

在单闭环控制系统中，一个调节器的动态参数无法保证两种调节器过程同时具有良好的动态品质。

作业题参考答案一．思考题3.1 下图中箭头表示转矩与转速的实际方向，试利用电力拖动系统的动力学方程式说明在附图所示的几种情况下，系统可能的运行状态（加速、减速或匀速）。

(a) (b) (c) (d) (e)图3.50 题3.1图答： 由拖动系统的动力学方程式dt dnGD T T L em 3752=−可知：（a）减速（b）减速（c）加速（d）匀速（e）匀速3.2 在起重机提升重物与下放重物过程中，传动机构的损耗分别是由电动机承担还是由重物势能承担？提升与下放同一重物时其传动机构的效率一样高吗？答：3.3 试指出附图中电动机的电磁转矩与负载转矩的实际方向（设顺时针方向为转速n 的正方向）。

(a) (b)(c) (d)图3.51 题3.3图答： 对于图a em T >0 , L T >0,则有动力学方程式的符号规定：em T 顺时针方向，L T 为逆时针方向；电机工作于正向电动状态。

对于图b em T <0 , L T <0,则有动力学方程式的符号规定：em T 逆时针方向，L T 为顺时针方向；电机工作于正向回馈制动状态。

对于图c em T <0 , L T <0,则有动力学方程式的符号规定：em T 逆时针方向，L T 为顺时针方向；电机工作于反向电动状态。

对于图dem T >0 , L T >0,则有动力学方程式的符号规定：em T 顺时针方向，L T 为逆时针方向；电机工作于反向回馈制动状态。

3.4 根据电力拖动系统的稳定运行条件，试判断图3.52中A 、B 、C 三点是否为稳定运行点？图3.52 题3.4图答：根据电力拖动系统的稳定运行条件：可以得出：系统在A 点、B 点是稳定的； C 点是不稳定运行点。

3.5 一般他励直流电动机为什么不能直接起动？采用什么样的起动方法最好？ 答：直接起动时启动电流远远大于额定电流。

带来的危害：会带来很大的电流冲击，导致电网电压下降，影响周围其他用电设备的正常运行。

电力拖动复习大纲漆海霞第三章 直流电机的电力拖动 一、本章重点：1、电力拖动系统动力学基础：电力拖动系统动力学方程式，多轴电力拖动系统折算，生产机械负载特性，电力拖动系统稳定运行条件，调速系统性能指标；调速方式与负载类型的配合。

2、直流电动机的电力拖动；（1）直流电动机电力拖动动态数学模型， （2）直流电机的起动、调速、制动方法及特性。

3、直流电机的四象限运行分析。

二、复习指导1、电力拖动系统动力学方程式，2375em L d GD dnT T J dt dtΩ-== （3-1）～（3-3）Note ：①正确理解方程式的应用，明确电机输出转矩及负载转矩正方向的规定，熟悉方程式的使用条件，并运用该方程式分析各种电力拖动系统的运行状态。

②明确方程式中各字母符号的物理意义及单位。

2、多轴电力拖动系统等效（折算方法）；掌握折算的概念、原则及方法。

折算概念：对于多轴电力拖动系统，将负载转矩及惯量进行折算为等效的单轴系统。

折算的原则是：确保折算前后系统传递的功率或系统储存的动能不变。

折算的方法有：（1）、机械机构转矩折算；（2）直线作用力的折算；（3）惯量与飞轮矩GD 2的折算；（4）直线运动的质量折算。

（1）、机械机构转矩折算电机工作在电动状态， ()()L L LL t t t L L T T T T n j n ηηη'''===ΩΩ (3-4) 电机工作在发电状态， ()()L tL t L t L LLT T T T nj n ηηη'''===ΩΩ (3-5) j=j 1·j 2·j 3…为传动机构总转速比。

（2）直线作用力的折算电机工作在电动状态，重物提升时，9.55260L L L L L L L t ttF v F v F vT n n πηηη===Ω （3-6）电机工作在发电制动状态，重物下放时，9.55260L L t L L t L L t L F v F v F v T n n ηηηπ'''===Ω （3-7）且对于同一重物有：12t tηη'=-（3-8）（3）惯量与飞轮矩GD 2的折算惯量的折算：2221212()()()L M L J J J J J ΩΩΩ=++++ΩΩΩ（3-9） 飞轮矩的折算：2222222221122112222222211212()()()()L L L L MM LG D G D G D G D G D G D GD GD GD n n n j j j j n n n =++++=++++ （3-10） （4）直线运动的质量折算22222222211()3652242460L L L L L L M L L M G v m v G v gJ m v GD g n g n π''Ω=⇒===Ω⎛⎫⎪⎝⎭ （3-11）3、生产机械负载特性恒转矩负载转矩特性（反抗性负载和位能负载特性），恒功率负载转矩特性，风机、泵类负载转矩特性。