1、第四章 直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng) 機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性nf（TL） 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性nf（Tem）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 第一節(jié) 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分為三大類： 1. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 （1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 （2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2. 恒功率負(fù)載特性 3. 通風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性 一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)1. 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定不變，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向總是與轉(zhuǎn)速的方向相反。例如：摩擦力 2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 特點(diǎn)：不僅負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定不變，而且負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也不變。例如：重力 二、 恒功率

2、負(fù)載特性特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n成反比，是一條雙曲線。例如：切削車床的粗加工、精加工。 三、 通風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，是一條拋物線。實(shí)際通風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性應(yīng)為 ：TL0摩擦轉(zhuǎn)矩第二節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1機(jī)械特性方程式2固有機(jī)械特性 3人為機(jī)械特性 4. 電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 一、機(jī)械特性方程式 指電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流If、電樞電壓U和電樞回路電阻Ra恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，用函數(shù)nf（ Tem ）表示 理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速降； 機(jī)械特性斜率絕對(duì)值。 圖4-6 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 特點(diǎn)： （1）電磁轉(zhuǎn)矩Tem越大，轉(zhuǎn)速n越低，其

3、特性曲線是一條略微下傾的直線。 （2）當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩Tem為零時(shí)，轉(zhuǎn)速n0為額定理想空載轉(zhuǎn)速，此時(shí)電樞電流等于零，電動(dòng)勢與端電壓相平衡。 （3）斜率絕對(duì)值很小，特性曲線較平坦，稱為硬特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)變化較小，因此轉(zhuǎn)速魯棒性好(穩(wěn)定性) 。 反之，值大時(shí)的機(jī)械特性稱為軟特性，電機(jī)抗轉(zhuǎn)矩干擾能力弱，魯棒性能也較差。 （4）當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩額定（ Tem =TN）時(shí)，轉(zhuǎn)速額定（n=nN），電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降nN越小，說明轉(zhuǎn)速越穩(wěn)定。 二、固有機(jī)械特性 當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)端電壓額定(UUN)，每極磁通額定(=N)，電樞回路不串外接電阻(Rst0)時(shí)，其機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。 三、人為機(jī)械特性 1.電樞回路串

4、接電阻Rpa的人為機(jī)械特性 當(dāng)電機(jī)端電壓額定（UUN），每極磁通額定（N），電樞回路串接電阻Rpa時(shí)：圖4-7 電樞回路串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 2.改變電樞端電壓的人為機(jī)械特性 保持每極磁通不變，電樞回路不外接電阻，只改變電樞電壓時(shí)： 3.改變氣隙磁通的人為機(jī)械特性 保持端電壓額定，電樞回路不串外接電阻，通過減小勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)每極磁通N，得 四、電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 (1)必要條件: 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的特性必須要有交點(diǎn):Tem=TL (2)充分條件: 在交點(diǎn)Tem=TL處,滿足 圖4-10 電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件第三節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 1.定義：從靜止加速到穩(wěn)定運(yùn)行；

5、必須先加額定勵(lì)磁電流建立磁場，然后再加電樞電壓。 2.直接起動(dòng)： 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電動(dòng)勢Ea=0，若采用全壓直接起動(dòng)（U=UN，Rst=0），因?yàn)殡姌须娮鑂a很小，電樞起動(dòng)電流 將大大超過額定電流，一般為（1020）IN。 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩： Tst=CTIst 危害： （1）過大的起動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓的下降； （2）使電動(dòng)機(jī)換向困難，換向片表面產(chǎn)生火花、環(huán)火； （3）使電樞繞組過熱以致燒壞； （4） 過大的電流產(chǎn)生過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，損壞電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 除了小容量電機(jī)外，一般不允許直接起動(dòng)。 3.起動(dòng)要求： 限制Ist，Ist （22.5）IN； Tst足夠大，Tst （1.11

6、.2）TN; 起動(dòng)設(shè)備簡單、可靠。 4.限制起動(dòng)電流的方法： 電樞回路中串接起動(dòng)電阻 降低電壓 一、電樞回路串電阻起動(dòng) 在額定電壓下，電樞回路串入分級(jí)電阻Rst1，Rst2和Rst3起動(dòng)，后分級(jí)切除起動(dòng)電阻，起動(dòng)過程才完成?？墒蛊饎?dòng)過程加快并維持在允許電樞電流范圍內(nèi)運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)操作比較簡單，穩(wěn)定可靠；缺點(diǎn)：起動(dòng)電阻要消耗大量電能，因此效率較低。圖4-11 電樞回路串電阻起動(dòng)a) 原理圖 b) 機(jī)械特性 二、降壓起動(dòng) 降壓起動(dòng)需要一個(gè)可調(diào)直流電源，如可控整流電源。 起動(dòng)時(shí)，降低電樞電壓，以限制起動(dòng)電流；隨轉(zhuǎn)速上升逐級(jí)提高電樞電壓，直至UN。 優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流小，升速平穩(wěn)，能量損耗小。 雖然降壓

7、起動(dòng)需要專用可調(diào)直流電源，設(shè)備投資大，但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，越來越廣泛應(yīng)用。 如圖4-12所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，起動(dòng)電流對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩為Tst，電壓切換點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩Tc ，Tc=(1.11.3) TL 。 圖4-12 降壓起動(dòng)特性 三、轉(zhuǎn)向的改變 改變Tem的方向就能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向， 由Tem=CTIa可知， 改變轉(zhuǎn)向的方法： 改變磁場的方向即改變的方向； 改變Ia的方向（常用）。*說明：方法，由于勵(lì)磁繞組電感大，可能導(dǎo)致絕緣擊穿，不常用。*注意：若同時(shí)改變Ia和If的方向，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變； 對(duì)調(diào)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)電源端電壓極性與電樞電壓極性的區(qū)別。第四節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 可以

8、看出，調(diào)速有三種方法： (1) 降低端電壓U, 即改變電樞電源電壓； (2) 在電樞回路串接調(diào)節(jié)電阻Rpa ； (3) 減弱磁通，即改變勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)電阻Rpf 以改變勵(lì)磁電流If。 一、電動(dòng)機(jī)調(diào)速的性能指標(biāo) （1）靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性） 指相對(duì)穩(wěn)定性或轉(zhuǎn)速變化率，是指電動(dòng)機(jī)在某一條機(jī)械特性上從理想空載到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降與埋想空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，用表示。 靜差率值與機(jī)械特性的硬度、理想空載轉(zhuǎn)速n0和額定轉(zhuǎn)速nN有關(guān)。值越小，機(jī)械特性越硬。 （2）調(diào)速范圍 指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用D表示。 車床D=20120，龍門刨床D=1040 ，軋鋼機(jī)D=3

9、120 ，造紙機(jī)D=320等。 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D與靜差率兩者是矛盾的，因?yàn)闄C(jī)械特性硬度不變時(shí)，靜差率與理想空載轉(zhuǎn)速成反比，空載轉(zhuǎn)速較低時(shí)，靜差率較大，因此調(diào)速范圍受到低速時(shí)靜差率的制約。 調(diào)速系統(tǒng)對(duì)靜差率的要求越高，調(diào)速范圍就越小，否則調(diào)速范圍就越大。 （3）平滑性 在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，無級(jí)調(diào)速的平滑性最好，有級(jí)調(diào)速的平滑性用平滑系數(shù)表示。平滑系數(shù)是指相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比。 調(diào)速越平滑，值越接近于1.0。 （4）經(jīng)濟(jì)性二、調(diào)速方法 1、電樞回路串電阻調(diào)速圖4-20 串電阻調(diào)速特性a) 原理圖 b) 機(jī)械特性 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，適用于低速短時(shí)運(yùn)行的拖動(dòng)裝置。 缺點(diǎn)： （1）調(diào)速后機(jī)械特性變軟，靜差

10、率增大，穩(wěn)定性相對(duì)減弱； （2）轉(zhuǎn)速只能低于額定轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍較小，一般在1.52.0內(nèi)； （3）由于串接電阻上要消耗電功率，因此經(jīng)濟(jì)性也較差； （4）串接電阻是分級(jí)的，只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，平滑性差。要提高平滑系數(shù)，串接的級(jí)數(shù)要增多，接觸器數(shù)量增多，控制也更復(fù)雜。圖4-20 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的電樞回路串電阻調(diào)速過程 2降低電壓調(diào)速圖4-21 減壓調(diào)速特性 優(yōu)點(diǎn)： （1）機(jī)械特性硬度不變，但隨電壓降低靜差率增大，勵(lì)磁電流額定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速； （2）轉(zhuǎn)速只能低于額定轉(zhuǎn)速，但在允許靜差率的范圍內(nèi)可獲得比串電阻調(diào)速更寬的調(diào)速范圍，一般可達(dá)2.512； （3）當(dāng)調(diào)壓電源可連續(xù)平滑調(diào)壓時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)

11、平滑調(diào)速； （4）能量損耗較小，因此調(diào)速經(jīng)濟(jì)性較好。 3弱磁調(diào)速 由于電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流已使磁路接近飽和。因此調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速只能小于額定勵(lì)磁往下調(diào)，故稱弱磁調(diào)速。圖4-22 弱磁調(diào)速特性 圖4-23 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的弱磁調(diào)速過程 優(yōu)點(diǎn)：控制方便，調(diào)速平滑，經(jīng)濟(jì)性好。 缺點(diǎn)：調(diào)速范圍窄，受電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向火花的限制，轉(zhuǎn)速不能太高。 調(diào)節(jié)勵(lì)磁過程調(diào)速要防止弱磁造成飛車現(xiàn)象。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，廣泛使用調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速協(xié)同調(diào)速的方法，以獲得很寬范圍的、高效、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速。第四節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)主要分為電動(dòng)和制動(dòng)兩大類。 電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)：電磁轉(zhuǎn)矩Tem與

12、電樞轉(zhuǎn)向n一致，電機(jī)從電源吸收電功率，機(jī)械特性處在第、象限內(nèi)。 制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)：電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電樞轉(zhuǎn)向n相反，電機(jī)的機(jī)械特性處在第和第象限內(nèi)。 制動(dòng)方法：電氣制動(dòng)和機(jī)械抱閘。 制動(dòng)的定義：電動(dòng)機(jī)減速停車（電力機(jī)車、龍門刨床）、限制速度的升高（機(jī)車下坡、起重機(jī)下放重物）、快速反轉(zhuǎn)（可逆式軋鋼機(jī)）。 制動(dòng)的基本要求： Tbk足夠大； 限制Ibk不超過電動(dòng)機(jī)換向所允許的電流， Ibk （22.5）IN。 三種制動(dòng)方式： 1、能耗制動(dòng) 2、反接制動(dòng) 3、回饋制動(dòng)一、能耗制動(dòng) 圖4-24 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)原理圖 由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不能突變，電樞電動(dòng)勢方向維持不變，此時(shí)U=0、=N， 說明電

13、樞電流方向反向，電磁轉(zhuǎn)矩也改變方向。 由于電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用，電機(jī)處在制動(dòng)狀態(tài)。 隨著轉(zhuǎn)速下降，反電動(dòng)勢不斷減小，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，轉(zhuǎn)子動(dòng)能（-Ea Ia）均轉(zhuǎn)換為電樞回路電阻和制動(dòng)電阻上的熱能（I 2a（Ra+Rbk）消耗掉，這種制動(dòng)方式稱為能耗制動(dòng)。 當(dāng)端電壓U=0、=N及串接電阻Rpa=Rbk:圖4-25 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作點(diǎn)制動(dòng)瞬間工作點(diǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載,穩(wěn)定工作點(diǎn)制動(dòng)過程工作段 當(dāng)系統(tǒng)拖動(dòng)摩擦性負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)制動(dòng)減速，最終停車，穩(wěn)定在坐標(biāo)原點(diǎn)的靜止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)拖動(dòng)位能性負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)將在轉(zhuǎn)速下降到零

14、后，繼續(xù)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下反向拖動(dòng)轉(zhuǎn)子加速。最終穩(wěn)定在機(jī)械特性的C點(diǎn)，勻速下放重物。 起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小與外接制動(dòng)電阻Rbk的大小有關(guān)： 外接制動(dòng)電阻越大，初瞬制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，制動(dòng)過程越緩慢；反之初瞬制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，制動(dòng)過程越快速。 特點(diǎn)：能快而準(zhǔn)確地停車。 注意：能耗制動(dòng)時(shí)，不允許直接將電樞兩端短接，否則Ibk將很大。二、反接制動(dòng) 主要有電樞反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種。 （1）電樞反接制動(dòng)（反壓正轉(zhuǎn)） 改變電樞端電壓極性的制動(dòng)方法，適用于緊急事故停車。 可見Ia和Tem方向反向，n方向不變。圖4-27 電樞反接制動(dòng)a) 原理圖 b) 機(jī)械特性機(jī)械特性方程： （1）若負(fù)載為摩擦性轉(zhuǎn)矩，且數(shù)值小于反

15、向起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)會(huì)反向起動(dòng)，而進(jìn)入第象限反向電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，直至穩(wěn)定。 若要立即停車，當(dāng)n接近0時(shí)，迅速切除反向電源，否則反轉(zhuǎn)。 （2）若負(fù)載為位能性轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)反向轉(zhuǎn)速不斷升高，超過理想空載轉(zhuǎn)速n0，電樞電動(dòng)勢大于端電壓，電樞電流反向，電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)。 特點(diǎn)：制動(dòng)瞬間制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，制動(dòng)效果強(qiáng)烈。 但耗能很大: UIa+EaIa=I2a (Ra+Rbk） （2）倒拉反接制動(dòng)（正壓反轉(zhuǎn)） 適用于拖動(dòng)位能性負(fù)載，如起重機(jī)低速穩(wěn)定下放重物。 電樞回路串接較大電阻，使機(jī)械特性起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這樣電機(jī)將被制動(dòng)減速，并被負(fù)載反拖進(jìn)入第象限運(yùn)行， 可見Ia和Tem方向不變，n反向。 圖4-28 倒拉反接制動(dòng)a)原理圖 b) 機(jī)械特性 串入電阻越大，穩(wěn)定反向轉(zhuǎn)速越高。 電網(wǎng)輸入的電能與電機(jī)軸端輸入的機(jī)械能之和，除了轉(zhuǎn)子加速存儲(chǔ)動(dòng)能之外，其余能量完全消耗在電樞回路的電阻和外接電阻上，因此經(jīng)濟(jì)性較差。 UIa + EaIa = I2a（Ra+Rbk）機(jī)械特性方程：三、回饋制動(dòng) 1 、拖動(dòng)位能性負(fù)載，電機(jī)n n0運(yùn)行 適用于起重機(jī)高速穩(wěn)定下放重物(或機(jī)車下坡)。 當(dāng)n n0，EaU=Ce n0 可見Ia和Tem方向反向，n方向不變。 電壓反接制動(dòng)時(shí)，帶位能性負(fù)載的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降至零并反向加速，其工作點(diǎn)達(dá)到理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)速持續(xù)上升