1、電機控制技術(shù),第三章 他勵直流電動機的起動、調(diào)速與制動,本章內(nèi)容,直流電動機的起動 直流電動機的制動 直流電動機的調(diào)速 直流電動機的運行狀態(tài),3.1 直流電動機的起動,起動過程：直流電動機轉(zhuǎn)速從零到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程； 直流電動機起動的原則：在起動電流不超過允許值的情況下，獲得盡可能大的起動轉(zhuǎn)矩； 直流電動機拖動負(fù)載起動的基本要求是： 起動轉(zhuǎn)矩足夠大，使TS（1.11.2)TL； 起動電流盡量小，使IS（1.52)IN； 起動設(shè)備要簡單、可靠、經(jīng)濟；,3.1 直流電動機的起動,他勵直流電動機起動時：先在電動機的勵磁繞組中通入額定勵磁電流，以便在氣隙中建立額定磁通，然后才能接通電樞回路； 直流電動

2、機的起動方式：直接起動；電樞回路串電阻起動；降電壓起動,3.1.1 直接起動,把他勵直流電動機的電樞繞組直接接到額定電壓的電源上，這種起動方法稱為直接起動； 起動轉(zhuǎn)矩為電動機在起動瞬間（n=0）所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，也稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，其計算公式為：Tst=CTnIST； 起動瞬間，n0，Ea0，起動電流為Ist=UN/Ra；由于電樞電阻Ra很小，因此Ist很大，可以達(dá)到額定電流的1020倍；,大的起動電流可能產(chǎn)生如下后果： 大電流使電樞繞組受到過大的電磁力，易損壞繞組； 使換向困難，在換向器表面產(chǎn)生火花及環(huán)火，燒毀電刷與換向器； 過大的起動電流將產(chǎn)生過大的起動轉(zhuǎn)矩Tst，從而使傳動機構(gòu)受到很大的沖擊

3、力，加速過快，易損壞傳動變速機構(gòu)； 過大的起動電流會引起電網(wǎng)電壓的波動，影響電網(wǎng)上其他用戶的正常用電；,因此，一般來講，對于微型直流電動機（功率小于1KW），其功率小、電壓低、電樞電流小、電樞電阻Ra相對較大，允許采用直接起動的方法，無需附加起動設(shè)備，操作最為簡便。 在設(shè)計直流電動機時，電樞繞組允許通過短時過載電流為額定電流的1.52倍，因此限制起動電流Ist時，應(yīng)將其值限制在（1.52）倍In范圍內(nèi)。 由Ist=UN/Ra可知，限制起動電流的措施有兩個： 降低電源電壓 加大電樞回路電阻,3.1.2 降低電源電壓起動（軟起動）,降壓起動時，電動機的電樞由可調(diào)直流電源供電； 起動時，需先將勵磁繞

4、組接通電源，并將勵磁電流調(diào)到額定值，然后由低到高調(diào)節(jié)電樞回路的電壓； 在起動瞬間：電流Ist通常限制在（1.52）IN內(nèi)，因此起動的最低電壓為U1=(1.52)INRa，此時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速n升高，Ea也逐漸增大，電樞電流Ia=(U-Ea)/Ra相應(yīng)減小，此時電壓U必須不斷升高，并且時Ia保持在（1.52）IN內(nèi)，直至電壓升高到額定電壓UN，電機進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，起動過程結(jié)束。,3.1.2 降低電源電壓起動（軟起動）,優(yōu)點：平滑性好，能量損耗小，易于實現(xiàn)自動控制； 缺點：需要配有專用的調(diào)壓電源，增加了初期的投資；,圖3.1 降壓起動,3.1.3 電樞回路串電阻

5、分級起動,電壓U=UN不變，在電樞回路中串接電阻Rst，可以達(dá)到限制起動電流的目的， Rst稱為起動電阻； 電樞回路中應(yīng)串入的電阻值為：RstUN/Imax-Ra 起動后，如果仍舊串接著Rst，則系統(tǒng)只能在較低轉(zhuǎn)速下運行。為了得到額定轉(zhuǎn)速，必須切除Rst，使電動機回到固有機械特性上工作。但如果把Rst一次全部切除，還會產(chǎn)生過大的電流沖擊，為了保證起動過程中電樞電流始終不超過最大允許值，只能先切除Rst的一部分，使系統(tǒng)工作在某一條中間的人為機械特性上，待轉(zhuǎn)速升高后再切除一部分電阻。如此逐步切除，直至Rst全部切除為止。,3.1.3 電樞回路串電阻分級起動,電阻的切除方法有手動和自動兩種； 自動切

6、除有三種方法： 限流切除法：起動電流減小到某一數(shù)值時，自動切除一級電阻； 反電勢加速法：隨著轉(zhuǎn)速升高電樞感應(yīng)電勢相應(yīng)增大，根據(jù)檢測得到的感應(yīng)電勢自動切換； 限時切除法：按預(yù)先設(shè)定的時間，依次切除；,3.1.3 電樞回路串電阻分級起動,起動電阻的計算： I1的選擇：為了滿足快速起動的要求， T1越大越好，但考慮電動機的過載能力，一般選： I1Imax（1.52）IN或T1 （1.52）TN I2的選擇： 保證電機能帶動負(fù)載，即T2TL； T2TL不能太小，太小加速慢，延緩起動過程； T2TL不能太大，太大起動級數(shù)贈多； 一般選I2（1.11.2）IN或T2 （1.11.2）TN 或I2（1.11

7、.2）ILmax或T2 （1.11.2）TLmax,3.1.3 電樞回路串電阻分級起動,起動級數(shù)m的選擇： 為了滿足快速起動的要求，級數(shù)應(yīng)該多，級數(shù)多可使平均起動轉(zhuǎn)矩大，起動快，同時起動平滑性好； 但級數(shù)越多，所用設(shè)備越多，線路越復(fù)雜，可靠性下降； 一般選m=24級；,3.1.3 電樞回路串電阻分級起動,各級起動電阻的計算： 原則：以起動過程中，最大起動電流I1和切換電流I2保持不變?yōu)樵瓌t； 在切換瞬間，電動機的轉(zhuǎn)速不能突變，所以有nb=nc，Eb=EC，因此 在b點有：I2（UN-Eb）/R3 在C點有：I1（UN-Ec）/R2 得： I1/I2=R3/R2=R2/R1=R1/Ra= 則：R

8、1=Ra， R2=R1=2Ra， R3=R2=3Ra， Rm=Rm-1=mRa，,3.1.3 電樞回路串電阻分級起動,計算起動電阻時的兩種情況： 起動級數(shù)m未定，選定I1，I2，得到； 起動級數(shù)m已定，選定I1，得到Rm=UN/I1，然后得到；,根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程,3.2 直流傳動的調(diào)速方法,n,U,I,R,Ce,式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。,（1）調(diào)壓調(diào)速,工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降

9、，機械特性曲線平行下移。,（2）調(diào)阻調(diào)速,工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。,（3）調(diào)磁調(diào)速,工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。,調(diào)壓調(diào)速特性曲線,三種調(diào)速方法的性能與比較,對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好； 改變電阻只能有級調(diào)速； 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小

10、范圍的弱磁升速。 因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。,3.3 直流電動機的制動,制動：電氣制動和機械制動 電氣制動：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向相反，T起反抗運動的作用； 電動機的電氣制動分為： 使系統(tǒng)迅速減速停車，過渡過程，制動過程 限制位能性負(fù)載的下降速度，穩(wěn)定運行，制動運行 制動的方法： 能耗制動，反接制動，倒拉反轉(zhuǎn)制動，回饋制動,3.3.1 能耗制動,能耗制動的原理 能耗制動過程中，電動機靠慣性旋轉(zhuǎn)，電樞通過切割磁場將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，該部分電能再消耗在電樞回路的電阻上?能耗制動的原理,3.3.1 能耗制動,能耗制動時的機械特性 機械特性方程：,能耗制動時的機械特性,3.3.

11、1 能耗制動,能耗制動電阻RH的計算 RH越小，電樞電流Ia越大，制動轉(zhuǎn)矩越大，制動越快 根據(jù)電樞允許通過最大電流確定 根據(jù)能耗制動剛開始時，需要的最大轉(zhuǎn)矩確定,3.3.2 反接制動,反接制動的原理,3.3.2 反接制動,反接制動的機械特性 反接制動的機械特性方程 反接制動的機械特性,3.3.2 反接制動,反接制動電阻RF的計算 RF越小，電樞電流Ia越大，制動轉(zhuǎn)矩越大，制動越快 根據(jù)電樞允許通過最大電流確定 根據(jù)能耗制動剛開始時，需要的最大轉(zhuǎn)矩確定,3.3.3 倒拉反轉(zhuǎn)制動,倒拉反接制動的原理 用于位能性負(fù)載 當(dāng)他勵直流電動機拖動位能性負(fù)載處于正向電動運行狀態(tài)，當(dāng)電樞回路串入電阻時，轉(zhuǎn)速就會

12、下降； 當(dāng)電樞回路的電阻RD大到一定程度后，電動機就會穩(wěn)定工作在反轉(zhuǎn)狀態(tài)（n0，Ea0），此時電樞電流仍然為正，電磁轉(zhuǎn)矩T為正，與n的方向相反，此時T為制動轉(zhuǎn)矩。 這種情況下，電動機靠位能性負(fù)載倒拉著反轉(zhuǎn)，因此這種制動運行狀態(tài)就叫做倒拉反轉(zhuǎn)制動運行狀態(tài) 電源輸入的電功率和機械轉(zhuǎn)換的電功率都消耗在電樞回路電阻（Ra+RD）上。,3.3.3 倒拉反轉(zhuǎn)制動,倒拉反轉(zhuǎn)制動的機械特性 倒拉反轉(zhuǎn)制動的人為機械特性方程： 倒拉反轉(zhuǎn)制動的機械特性 機械特性比較軟 RD越大，反向轉(zhuǎn)速越高 用于重物下降的場合 根據(jù)下放速度，計算RD,3.3.4 回饋制動,回饋制動原理 電動機的轉(zhuǎn)速n超過理想空載轉(zhuǎn)速n0 電樞感應(yīng)

13、電動勢EaUN 電樞電流變?yōu)樨?fù)值，電磁轉(zhuǎn)矩T與n的方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩T變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩 電磁功率PM0，輸入功率P10，電動機不是從電源獲得電功率，而是電動機向電源發(fā)出電功率，把電能回饋給電源,3.3.4 回饋制動,回饋制動的機械特性,降低電樞電壓過程中的機械特性,反向回饋制動運行的機械特性,3.3.4 回饋制動,回饋制動的機械特性,正向回饋制動的機械特性,3.4 直流電動機的各種運行狀態(tài),運行狀態(tài)：電動機機械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性交點所對應(yīng)的工作狀態(tài)； 電動機的運行狀態(tài)按電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向是否相同分為電動運行狀態(tài)和制動運行狀態(tài)；,3.4 直流電動機的各種運行狀態(tài),電動運行狀態(tài) T與n方向相同 從電網(wǎng)吸收電能，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 工作點位于：I和II