電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

陳勇陳亞愛主編

蔡軍羅萍向敏副主編第三章直流電機(jī)的電力拖動(dòng)2本章教學(xué)基本要求1.掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，能繪制固有機(jī)械特性曲線和人為機(jī)械特性曲線；2.掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的串電阻啟動(dòng)方法，并能設(shè)計(jì)與計(jì)算啟動(dòng)電阻；3.掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)；4.掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞串電阻調(diào)速、調(diào)電壓調(diào)速等方法；5.熟悉調(diào)速方法與負(fù)載性質(zhì)的匹配問題。3重點(diǎn)

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行基本規(guī)律。

43.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性表達(dá)式

(3-1)

53.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性表達(dá)式

式中為T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，稱為理想空載轉(zhuǎn)速；

2F+=TeaCCRRb

是機(jī)械特性的斜率。

63.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩T的增大而降低。即負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速n0，負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速下降的數(shù)值稱為轉(zhuǎn)速降，用△n表示為

73.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

顯然，△n與β成正比，當(dāng)β越大，n就越大。通常稱β值大的機(jī)械特性為軟特性，即在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響大，那么系統(tǒng)抗干擾能力弱；β

值小的機(jī)械特性為硬特性，即在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響小，那么系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。對于一個(gè)恒速運(yùn)行的系統(tǒng)，我們總希望值β越小越好。

8固有機(jī)械特性

當(dāng)電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時(shí)，即,,這種情況下的機(jī)械特性，稱為固有機(jī)械特性。其表達(dá)式為(3-2)，

，

，

9固有機(jī)械特性圖3-1

他勵(lì)直流電動(dòng)固有機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性是一條下斜直線，特性較硬。機(jī)械特性只表征電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，是電動(dòng)機(jī)本身的能力體現(xiàn)，至于電動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行狀態(tài)，還要看拖動(dòng)什么樣的負(fù)載。

10人為機(jī)械特性圖3-2電樞串電阻人為機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。主要人為機(jī)械特性有三種。

1.電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性(3-3)電樞加額定電壓UN，每極磁通為額定值φN，電樞回路串入電阻R后，機(jī)械特性表達(dá)式為11人為機(jī)械特性圖3-3改變電樞電壓人為機(jī)械特性2．改變電樞電壓的人為機(jī)械特性(3-4)

保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，只改變電樞電壓時(shí)，機(jī)械特性表達(dá)式為12人為機(jī)械特性圖3-4減少每極磁通人為機(jī)械特性3.減少氣隙磁通量的人為機(jī)械特性電樞電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻時(shí)，僅改變每極磁通的人為機(jī)械特性表達(dá)式為(3-5)

13人為機(jī)械特性圖3-5

電樞反應(yīng)有去磁效應(yīng)時(shí)的機(jī)械特性電樞反應(yīng)表現(xiàn)為去磁效應(yīng)，使機(jī)械特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，如圖3-5所示。

14根據(jù)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)繪制機(jī)械特性

1.固有機(jī)械特性的繪制(1)估算EaN或?qū)崪yRa；(2)計(jì)算CeφN；(3)求n0；(4)計(jì)算TN

。在坐標(biāo)紙上標(biāo)出(0,n0)，(TN,nN)兩點(diǎn)，過此兩點(diǎn)聯(lián)成直線，即為該直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。15根據(jù)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)繪制機(jī)械特性

2.人為機(jī)械特性的繪制

各種人為機(jī)械特性的計(jì)算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)代入相應(yīng)的人為機(jī)械特性方程式即可。

163.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

系統(tǒng)啟動(dòng)的要求

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及不使啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速過高，應(yīng)該滿磁通啟動(dòng)，即勵(lì)磁電流為額定值，每極磁通為額定值。因此啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁回路不能串電阻。而且絕對不允許勵(lì)磁回路出現(xiàn)斷路。

17啟動(dòng)方法圖3-6電樞回路串電阻啟動(dòng)1．電摳回路串電阻啟動(dòng)電摳回路串電阻R，啟動(dòng)電流為18電摳回路串電阻啟動(dòng)1)分級啟動(dòng)電阻的計(jì)算點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)設(shè)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2和n3時(shí)，電動(dòng)勢分別為Ea1、Ea2和Ea3、則有：

19電摳回路串電阻啟動(dòng)2)計(jì)算各級啟動(dòng)電阻的步驟

（1）估算或測出電樞回路電阻Ra；（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的最大電流I1；（3）選取啟動(dòng)級數(shù)m；（4）計(jì)算啟動(dòng)電流比：,m取整數(shù)；（5）計(jì)算轉(zhuǎn)矩：T2=T1/β校驗(yàn)T2≥（1.1~1.2）Tl

；如果不滿足，應(yīng)另選T1或值m并重新計(jì)算，直到滿足該條件為止；（6）計(jì)算各級啟動(dòng)各級電阻和分段電阻。20降電壓啟動(dòng)

圖3-7降壓啟動(dòng)降低電源電壓到U，啟動(dòng)電流為負(fù)載為巳知，根據(jù)啟動(dòng)條件的要求，可以確定電壓的大小。有時(shí)為了保持啟動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大及電摳電流一直較小，可以逐漸升高電壓U，直至最后升到UN。213.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)(1)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)是指滿足穩(wěn)定運(yùn)行條件的那些電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)恒速運(yùn)行。(2)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在工作點(diǎn)之外的機(jī)械特性上時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等系統(tǒng)處于加速或減速的過渡過程。(3)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性與各種人為機(jī)械特性，分布在機(jī)械特性的四個(gè)象限內(nèi)。(4)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，有反抗性恒轉(zhuǎn)矩、位能性恒轉(zhuǎn)矩、泵類等典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩持性，也有由幾種典型負(fù)載同時(shí)存在的各種負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，他們分布在四個(gè)象限之內(nèi)。

22他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)

圖3-8他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行1.正向電動(dòng)運(yùn)行

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在第Ⅰ象限時(shí)，如圖3-8所示的A點(diǎn)和B點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T﹥0，轉(zhuǎn)速n﹥0，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為正向電動(dòng)運(yùn)行。

23他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)

圖3-8他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行2.反向電動(dòng)運(yùn)行若拖動(dòng)反抗性負(fù)載，正轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在第Ⅰ象限，反轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)則在第Ⅲ象限，如圖3-8所示的C點(diǎn)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)電源電壓為負(fù)值。在第Ⅲ象限運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T<0，轉(zhuǎn)速n<0,T與n仍同方向，T仍為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，其功率關(guān)系與正向電動(dòng)運(yùn)行完全相同，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為反向電動(dòng)運(yùn)行。24他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)圖3-9能耗制動(dòng)過程1.能耗制動(dòng)1)能耗制動(dòng)過程(dynamicbrakingprocess)25功率流程圖(a)電動(dòng)運(yùn)行(b)能耗制動(dòng)(c)倒拉反轉(zhuǎn)和反接制動(dòng)(d)回饋制動(dòng)圖3-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下功率流程圖26能耗制動(dòng)運(yùn)行圖3-11能耗制動(dòng)運(yùn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如果拖動(dòng)位能性負(fù)載，本來運(yùn)行在正向電動(dòng)狀態(tài)，突然采用能耗制動(dòng)。

27反接制動(dòng)過程圖3-12他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)過程反接制動(dòng)停車是把正向運(yùn)行的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓突然反接，同時(shí)在電摳回路串入限流的反接制動(dòng)電阻R來實(shí)現(xiàn)的。

28反接制動(dòng)接著反向啟動(dòng)圖3-13反接制動(dòng)接著反向啟動(dòng)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載進(jìn)行反接制動(dòng)的機(jī)械持性如圖3-13所示。

29倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行圖3-14倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如果拖動(dòng)位能性負(fù)載運(yùn)行，電樞回路串入電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降，但是如果電阻值大到一定程度后，見圖3-14所示，就會使轉(zhuǎn)速n<0，工作點(diǎn)在第Ⅳ象限，電磁轉(zhuǎn)矩T>0，與n方向相反，是一種制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，稱為倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行或限速反轉(zhuǎn)運(yùn)行。30回饋制動(dòng)運(yùn)行圖3-15降壓調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng)過程（1）正向回饋制動(dòng)運(yùn)行圖3-15所示為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電源電壓降低，轉(zhuǎn)速從高向低調(diào)節(jié)的過程。31回饋制動(dòng)運(yùn)行圖3-16正向回饋制動(dòng)運(yùn)行如圖3-16所示。負(fù)載機(jī)械特性為曲線1和曲線2。這樣走平路時(shí)電動(dòng)機(jī)則運(yùn)行在正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，工作點(diǎn)為固有機(jī)械待性與曲線1的交點(diǎn)A；走下坡路時(shí)電動(dòng)機(jī)則運(yùn)行在正向回饋運(yùn)行狀態(tài)，工作點(diǎn)為固有機(jī)械特性與曲線2的交點(diǎn)B。

32反向回饋制動(dòng)運(yùn)行

圖3-17反向回饋制動(dòng)運(yùn)行

如果他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載，當(dāng)電源電壓反按時(shí)，工作點(diǎn)在第Ⅳ象限，見圖3-17(a)所示的B點(diǎn)，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T>0，轉(zhuǎn)速n<0，T與n反方向，稱為反向回饋制動(dòng)運(yùn)行。333.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

圖3-18電樞回路串電阻調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法1．電樞串電阻調(diào)速

34降低電源電壓調(diào)速

圖3-19降壓電源電壓調(diào)速

保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，降低電樞的電源電壓可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速上，如圖3-19所示。

35弱磁調(diào)速

圖3-20弱磁調(diào)速