理学直流电动机的电力拖动.pptx

式中：式中：R R电枢回路总电阻，包括电枢回路总电阻，包括R Ra a及电枢串及电枢串联电阻联电阻R R；CeCe电动势常数，电动势常数，C Ce e=pZ/(60a);=pZ/(60a);C CT T转矩常数，转矩常数，C CT T=pZ/(2a);=pZ/(2a);第1页/共125页2理想空载转速（理想空载转速（T=0）他励直流电动机的机械特性他励直流电动机机械特性特点他励直流电动机机械特性特点 1 1）当当U U、R R、为常数时，为常数时，n=f(T)n=f(T)为一条向下倾斜的直线。为一条向下倾斜的直线。2 2）转速转速n n随转矩随转矩T T的增大而降低，即电动机一加负载转速就会有一的增大而降低，即电动机一加负载转速就会有一些降落。些降落。理想空载转速与理想空载转速与U U或或有关，调节有关，调节U U或或可改变可改变n n0 0实际空载转速（实际空载转速（T=T0）第2页/共125页3他励直流电动机的机械特性电动机带负载后的转速降电动机带负载后的转速降 机械特性的斜率。机械特性的斜率。愈大，愈大，nn愈大，机械特性愈软。愈大，机械特性愈软。小的机械特性为硬特性，小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性。大的机械特性为软特性。一般他励直流电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都一般他励直流电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。如国产比较硬。如国产Z2Z2系列他励直流电动机，按规定系列他励直流电动机，按规定nnN N为为10%-18%,10%-18%,而大容量电动机为而大容量电动机为3%-8%3%-8%。nnN N为额定转速变化率。为额定转速变化率。第3页/共125页4电枢反应对电枢反应对机械特性的影响机械特性的影响电枢反应对机械特性的影响 电枢反应：当电刷放在几何中性线上，电枢电流不大时，电枢电枢反应：当电刷放在几何中性线上，电枢电流不大时，电枢反应影响很小，可以忽略不计；但当电枢电流较大时，由于饱和的反应影响很小，可以忽略不计；但当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用，使每极磁通量略有下降。影响，产生去磁作用，使每极磁通量略有下降。在电流较大时，电枢反应在电流较大时，电枢反应不可忽略。此时，磁通降低，不可忽略。此时，磁通降低，转速就要回升，机械特性在负转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象，如图载大时呈上翘现象，如图9-39-3。图9-3 电枢反应对机械特性的影响第4页/共125页5二、固有机械特性与人为机械特性二、固有机械特性与人为机械特性 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。的机械特性称为固有机械特性。（一）电枢串联电阻时的人为机械特性（一）电枢串联电阻时的人为机械特性 他励直流电动机固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性 由于由于Ra较小，他励直流电动机的固有机械特性较硬。较小，他励直流电动机的固有机械特性较硬。特点：特点：（1 1）n n0 0不变不变（2 2）增大，机械特性硬度降低增大，机械特性硬度降低（3 3）在一定的负载转矩时，转速降）在一定的负载转矩时，转速降nn随串电随串电阻的加大而增加。阻的加大而增加。第5页/共125页6（二）改变电压时的人为机械特性（二）改变电压时的人为机械特性 电压不同时的人为机械特性特点：特点：（1 1）n n0 0随电压的降低而降低；随电压的降低而降低；（2 2）不变；不变；（3 3）一般他励直流电动机的电压向低于额定电压的方向改）一般他励直流电动机的电压向低于额定电压的方向改变，改变电压的人为机械特性是几根平行线。变，改变电压的人为机械特性是几根平行线。第6页/共125页7（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性 他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱和。改变磁通实际上改变磁通实际上就是减弱磁通。就是减弱磁通。调节励磁回路电阻调节励磁回路电阻r rQ Q，可以改变磁通，可以改变磁通。上式特点：上式特点：（1 1）n0n0变大；变大；（2 2）堵转电流不变（）堵转电流不变（I Ik k=U=UN N/R/Ra a=常值）常值）（3 3）改变磁通时，）改变磁通时，n=fn=f（I Ia a）交横坐标于同一）交横坐标于同一点。点。n=f(Ia)第7页/共125页821FFFN特点：特点：（1 1）当）当N12N12时，时，T TkNkNTTk1k1TTk2k2,不同的特性在第一象限内不同的特性在第一象限内有交点。有交点。（2 2）一般情况下，电动机的额定）一般情况下，电动机的额定负载负载T TN N比比T Tk k小很多，故减弱磁通使电小很多，故减弱磁通使电动机转速升高。动机转速升高。（3 3）负载特别重或磁通）负载特别重或磁通特别小特别小时，若再减弱时，若再减弱，转速反而会发生下，转速反而会发生下降现象。降现象。n=f(T)第8页/共125页9三、机械特性的绘制三、机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制（一）固有机械特性的绘制其中其中 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择绘出这条直线。一般选择理想空载理想空载及及额定运行额定运行两点较为方便。两点较为方便。理想空载点理想空载点IN，UN及及nN 为已知，为已知，Ra 可以估算可以估算额定运行点额定运行点第9页/共125页10（二）人为机械特性的绘制（二）人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。相应的人为机械特性方程式即可。例例9-19-1 一台一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：型他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其机械特性。试计算其机械特性。解解理想空载点理想空载点额定点额定点第10页/共125页11四、电力拖动稳定运行的条件四、电力拖动稳定运行的条件 他励直流电动机带动恒转矩负他励直流电动机带动恒转矩负载的稳定性情况分析：载的稳定性情况分析：（1）将他励直流电动机的固有机械）将他励直流电动机的固有机械特性和负载特性画到同一个坐标图特性和负载特性画到同一个坐标图上。上。（2）分析固有机械特性和负载特性）分析固有机械特性和负载特性是否有交点。两者存在交点是系统是否有交点。两者存在交点是系统稳定的必要条件。稳定的必要条件。他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性 在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T 与与Tz 方向相反，方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳稳态，或称静态态，或称静态。第11页/共125页12图图9-8中，交点中，交点A处，处，T=TZ=TZ1，A点为一个平衡状态。点为一个平衡状态。但是这个平衡但是这个平衡状态是否稳定呢？状态是否稳定呢？电力拖动系统稳定：电力拖动系统在某种扰动情况下，在新的条件下达到平衡，并且在扰动消失后，还能回到原来的平衡位置。“扰动扰动”的来源：电网电压的波动的来源：电网电压的波动或负载的微小变化。或负载的微小变化。他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性 A A点这个平衡状态是否稳定？以负载变化为例，比如负载由点这个平衡状态是否稳定？以负载变化为例，比如负载由T TZ1Z1变化到变化到T TZ2Z2。分析过程分析过程:(1)T-T:(1)T-TZ Z0,n0,n将减小将减小;(2)n;(2)n减小减小,Ea,Ea减小，减小，IaIa变大，变大，T T变大变大;(3);(3)一直到一直到n=nn=nB B，T=TT=TZ Z=T=TZ2Z2，重新进入平衡状态。，重新进入平衡状态。当扰动消失后，当扰动消失后，T=TT=TZ1Z1，转速又将增加到，转速又将增加到n=nn=nA A。则：则：A A点是稳定的平衡点。点是稳定的平衡点。第12页/共125页13稳定运行点不稳定运行点 分析上图分析上图A A点和点和B B点的稳定性。点的稳定性。(1)A(1)A点：当扰动引起转速增加时，一旦扰动消失，则点：当扰动引起转速增加时，一旦扰动消失，则TTTTTTZ Z，系，系统将进一步加速，不能稳定。统将进一步加速，不能稳定。第13页/共125页14 电力拖动稳定运行的条件电力拖动稳定运行的条件（1）电机的机械特性和负载的转矩特性有交点；（2）在交点所对应的转速之上应保证TTZ.稳定运行点不稳定运行点第14页/共125页15第二节第二节 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动方法一、他励直流电动机的起动方法1、直接起动、直接起动 在接通励磁之后，不采取任何限制起动电流的措施，把电枢在接通励磁之后，不采取任何限制起动电流的措施，把电枢直接接到额定电压的电源上起动。直接接到额定电压的电源上起动。如直接加额定电压起动，如直接加额定电压起动，I Ia a 可能突增到额定电流的十多倍可能突增到额定电流的十多倍 。缺点缺点：（：（1 1）电动机的换向情况恶化，产生严重的火花；电动机的换向情况恶化，产生严重的火花；（2 2）与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。）与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。因此，需要设法限制起动电流。因此，需要设法限制起动电流。第15页/共125页16一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1)1)起动电流限制在一定范围内，即起动电流限制在一定范围内，即I Istst I IN N，为电机的为电机的过载倍数；过载倍数；2)2)足够大的起动转矩，足够大的起动转矩，T Tstst （1.11.11.21.2）T TN N ；3)3)起动设备简单、可靠。起动设备简单、可靠。如何限制起动时的电枢电流呢？由如何限制起动时的电枢电流呢？由I Istst=U UN N/R Ra a可知，限制起动可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。第16页/共125页172 2、降压起动、降压起动 当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速间，电动机的转速n n=0=0，反电动势，反电动势E Ea a=0=0，降低电源电压，降低电源电压U U ，将起动电流限制在允许的范围内。将起动电流限制在允许的范围内。第17页/共125页183 3、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻R Rstst，在起动，在起动过程中将起动电阻逐步切除。下图为他励直流电动机三级起动时过程中将起动电阻逐步切除。下图为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。的电气原理图。第18页/共125页19二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算（一）图解解析法（一）图解解析法1绘制固有机械特性绘制固有机械特性 2选取起动过程中的最大电流选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电流与电阻切除时的切换电流 I2（或（或T1 与与T2）3画出分级起动特性图画出分级起动特性图 第19页/共125页20二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算（一）图解解析法（一）图解解析法由由得：得：如图，当如图，当T=T1时：时：第20页/共125页21二、他励直流电动机起动电阻的计算二、他励直流电动机起动电阻的计算关于图解解析法的说明：(1)(1)作图过程中作图过程中T T1 1=（1.52.0）T TN N,T,T2 2=（1.11.11.21.2）T TN N；(2)(2)作图过程中，若不能保证作图过程中，若不能保证dede与与haha的交点在固有机械特性上，则可以的交点在固有机械特性上，则可以对选取的对选取的T T1 1或或T T2 2数值稍作变动。数值稍作变动。(3)(3)求分级起动电阻过程中，也可以取求分级起动电阻过程中，也可以取T=TT=T2 2或或T TN N，量出对应的转速降来，量出对应的转速降来计算分级电阻。但是计算分级电阻。但是T T取得越大，转速降相对越大，误差越小。取得越大，转速降相对越大，误差越小。第21页/共125页22（二）解析法（二）解析法在在b点点 在在c点点 两级起动时两级起动时 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 称为起动电流比称为起动电流比第22页/共125页23（1）起动级数）起动级数m未定未定选定选定T1和和T2，即，即；计算计算m，注意，注意Rm=U/I1,并将并将m取整；取整；根据根据m求出求出；计算分级起动电阻计算分级起动电阻用解析图解法计算分级起动电阻的步骤：用解析图解法计算分级起动电阻的步骤：（2）起动级数）起动级数m已知已知选定选定T1；计算计算Rm=U/I1,求求；计算分级起动电阻计算分级起动电阻第23页/共125页24 例例9-29-2 一台他励直流电动机的铭牌数据为：一台他励直流电动机的铭牌数据为：试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。解解已知起动级数已知起动级数m=4 选择选择第24页/共125页25各分段电阻如下各分段电阻如下：则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下：第25页/共125页26三、他励直流电动机起动的过渡过程三、他励直流电动机起动的过渡过程 由于两个稳定状态的转速由于两个稳定状态的转速n n、转矩、转矩T T、电流、电流IaIa及功率及功率P P的大小的大小是不同的，因而在过渡过程中，是不同的，因而在过渡过程中，n n、T T、IaIa及及P P均在变化。均在变化。电力拖动运行的负载图：过渡过程中各参数变化规律，电力拖动运行的负载图：过渡过程中各参数变化规律，n=f(t)n=f(t)、T=f(t)T=f(t)、Ia=f(t)Ia=f(t)及及P=f(t)P=f(t)。电力拖动运行的负载图是正确选择和校验电动机功率的依据。电力拖动运行的负载图是正确选择和校验电动机功率的依据。电力拖动的过渡过程电力拖动的过渡过程：电力拖动由一个稳定工作状态过渡到另：电力拖动由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程，如起动、制动、反转、调速、负载突一个稳定工作状态的过程，如起动、制动、反转、调速、负载突变等。变等。研究过渡过程的作用：研究过渡过程的作用：可以分析如何缩短过渡过程的时间，可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；从而提高生产率；探讨减小过渡过程损耗的途径，从而提高电探讨减小过渡过程损耗的途径，从而提高电动机的利用率；动机的利用率；研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全运行。安全运行。对状态变化频繁、过渡过程时间较长的生产机械意义重大。对状态变化频繁、过渡过程时间较长的生产机械意义重大。第26页/共125页27 在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程是个连续变化的过程。电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：(1)机械惯性机械惯性 反映在系统的飞轮惯量反映在系统的飞轮惯量GD2上，它使转速不能上，它使转速不能突变。突变。(2)电磁惯性电磁惯性 反映在电枢回路电感反映在电枢回路电感La及励磁回路电感及励磁回路电感Lf上，上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。(3)热惯性热惯性 它使电动机的温度不能突变。由于温度的变化比它使电动机的温度不能突变。由于温度的变化比转速、电流等参量的变化要慢得很多，因此一般不考虑。转速、电流等参量的变化要慢得很多，因此一般不考虑。电力拖动的过渡过程：电力拖动的过渡过程：(1).(1).机械过渡过程机械过渡过程：只考虑机械惯性，而忽略影响较小的电磁惯性。：只考虑机械惯性，而忽略影响较小的电磁惯性。(2).(2).电气电气-机械过渡过程：同时考虑电磁与机械两种惯性。机械过渡过程：同时考虑电磁与机械两种惯性。第27页/共125页28（一）起动时的机械过渡过程（一）起动时的机械过渡过程 他励直流电动机串固定电阻全压起动1 1电枢串固定电阻起动的过渡过程电枢串固定电阻起动的过渡过程 (1)Ia=f(t)(1)Ia=f(t)起动过程中电流变化规律起动过程中电流变化规律其中：其中：第28页/共125页29负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流后，保持稳定转速运行时的电枢电流 电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量。惯性的一个非常重要的物理量。Ttm与飞轮惯量与飞轮惯量GD2及电枢总电阻及电枢总电阻R成正比，又与电动机磁通成正比，又与电动机磁通的二次方的二次方(2)成反比。成反比。电力拖动系统的机械惯性主要反映在飞轮惯量电力拖动系统的机械惯性主要反映在飞轮惯量GD2上。上。第29页/共125页30【补充补充】一阶线性微分方程的标准形式及解一阶线性微分方程的标准形式及解标准形式：标准形式：通解：通解：求求的通解的通解第30页/共125页31其解为其解为常数常数C可由特殊初始条件决定，即：可由特殊初始条件决定，即：或或起动过程中电枢电流的变化曲线第31页/共125页32或或 过渡过程开始时转速的起始值过渡过程开始时转速的起始值当起动转速为零时当起动转速为零时机械特性上负载转矩机械特性上负载转矩 （或负载电流（或负载电流 ）对应的转速，）对应的转速，即过渡过程结束时电动机的稳定转速。即过渡过程结束时电动机的稳定转速。(2)n=f(t)(2)n=f(t)起动过程中转速变化规律起动过程中转速变化规律考虑到考虑到起动过程中转速的上升曲线第32页/共125页33起动过程中转速的上升曲线起动过程中电枢电流的变化曲线图9-12 起动时，电枢电流的变化曲线 图9-12 起动时，转速的上升曲线 起动过程中电流、转速变化规律 电流电流 在起动开始时达到最大值，以后按指数规律下降。起动完毕，在起动开始时达到最大值，以后按指数规律下降。起动完毕，电枢电流下降到电枢电流下降到I IZ Z，转矩下降到，转矩下降到T TZ Z，电动机即稳定运行。，电动机即稳定运行。转速转速 起动开始时，转速上升最快，然后上升速度逐渐减小，最后起动开始时，转速上升最快，然后上升速度逐渐减小，最后稳定到转速稳定到转速n nZ Z。第33页/共125页34起动过程中转速的上升曲线图9-12 起动时，转速的上升曲线起动过程中加速度变化规律：起动过程中加速度变化规律：t=0 t=0时，加速度有最大值时，加速度有最大值n nZ Z/T/TtMtM ，若一直维持此加速度，则加速，若一直维持此加速度，则加速到到n nZ Z的时间为的时间为T TtMtM。实际上，在实际上，在t=0t=0时，加速度有最大值时，加速度有最大值n nZ Z/T/TtMtM之后加速度减小，越之后加速度减小，越来越接近于来越接近于0 0。理论上只有理论上只有t=t=时，速度才能时，速度才能达到达到n nZ Z。工程上，一般可认定起动时间工程上，一般可认定起动时间t tstst=(3=(34)T4)TtMtM,系统基本上达到稳系统基本上达到稳定运行状态。定运行状态。第34页/共125页35求出过渡过程中某一段的时间例如，求例如，求I Ia a由由I Istst变化到变化到I Ix x，或由，或由n nstst变到变到n nx x所需的时间。所需的时间。或或或或 上式是求过渡过程的一般形式，可用以求起动、制动、反转、调速及负载突变等过程的某段时间，但使用时要注意起始值、终了值及稳定值在不同状态下的特点。第35页/共125页362 2电枢串多级电阻起动的过渡过程电枢串多级电阻起动的过渡过程 以他励电动机二级起动以他励电动机二级起动 图图9-109-10来说明起动过程中电流、转来说明起动过程中电流、转速的变化规律。速的变化规律。第一级起动时，电流由零突变到第一级起动时，电流由零突变到I1，再由，再由I1变到变到I2；转速由零；转速由零变到变到n1。第一级起动时第一级起动时 第36页/共125页37第一级起动时间的计算：Ist=I1，Ix=I2，TtM1=TtM1第二级起动时，电流从I2突变到I1，但转速不能突变。第37页/共125页38第38页/共125页39转速变化曲线机械特性曲线电流变化曲线第39页/共125页40直流电动机电枢串多级电阻起动过程总结：不同加速级的机电时间常数是不同的，电枢电阻愈大，则TtM愈大。不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的，这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T2特性及恒负载转矩TZ特性的交点是不同的。各级的起始电流均限定为I1，除末节外，各级的终了电流均限定为I2，各级的稳定电流IZ与稳定转矩TZ均由恒转矩负载决定，其值是不变的。各级起动时间的计算，由于I1(Ist)、I2(Ix)、Iz均为定值，计算方便。随着电阻的逐级切除而减小，机电时间常数减小，因而过渡时间逐级减小。总的起动时间由各级起动时间相加求得。第40页/共125页41 例例9-39-3 一台他励直流电动机铭牌数据为：一台他励直流电动机铭牌数据为：已知四段起动电阻为：已知四段起动电阻为：电枢电阻电枢电阻系统飞轮惯量系统飞轮惯量求分级起动总的起动时间。求分级起动总的起动时间。解：第41页/共125页42设设 =(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s 第42页/共125页433加快起动过程的途径加快起动过程的途径 起动过程延缓的主要原因：起动过程延缓的主要原因：1）系统本身有机械惯性，惯性越大，即）系统本身有机械惯性，惯性越大，即GD2或拖动系统的机电时间或拖动系统的机电时间常数越大，转速上升越慢。常数越大，转速上升越慢。2）起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使系统的加）起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度在起动过程中不断衰减。速度在起动过程中不断衰减。欲加快起动过程，可以针对上述两个原因采取措施。欲加快起动过程，可以针对上述两个原因采取措施。可以采取的措施：可以采取的措施：1）设法减小系统的飞轮惯量）设法减小系统的飞轮惯量GD2以减小机电时间常数，从而降低系以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性。整个电力拖动系统中，电动机电枢的飞轮惯量占主要部分，统的惯性。整个电力拖动系统中，电动机电枢的飞轮惯量占主要部分，因此可以设法减小之。比如某些生产机械采用双电机拖动。因此可以设法减小之。比如某些生产机械采用双电机拖动。2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形。最理想的方式：起动电流不是按指数规律下降，而是一直保持电波形。最理想的方式：起动电流不是按指数规律下降，而是一直保持电动机过载能力所允许的最大电流值动机过载能力所允许的最大电流值Ist；起动完毕后电流才突然下降到；起动完毕后电流才突然下降到IZ。理想的起动电流变化规律第43页/共125页44（二）电枢电路电感对起动过程的影响（二）电枢电路电感对起动过程的影响 在晶闸管整流电路向直流电动机供电时，电枢回路会串有电感线圈以在晶闸管整流电路向直流电动机供电时，电枢回路会串有电感线圈以起滤波作用。起滤波作用。此时，电枢回路的电磁惯性不能忽略，其电磁时间常数为此时，电枢回路的电磁惯性不能忽略，其电磁时间常数为：式中，式中，La 为电枢电路的总电感，包括电枢绕组的电感和串联线圈的为电枢电路的总电感，包括电枢绕组的电感和串联线圈的电感。电感。当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段:(1)(1)由于电磁惯性的影响，使电枢电流不能突变，只能由开由于电磁惯性的影响，使电枢电流不能突变，只能由开始时的零值逐渐增大，在电流增大到始时的零值逐渐增大，在电流增大到I IZ Z值前，由于值前，由于TTTIIZ Z，电动机开始加速电动机开始加速，此时电磁惯性和机，此时电磁惯性和机械惯性同时存在，并且互相影响。械惯性同时存在，并且互相影响。第44页/共125页45第一阶段：第一阶段：电枢电流从零增加到电枢电流从零增加到Iz 之前，电动机转速为零。之前，电动机转速为零。式中式中由于由于TTTTZ Z,电动机转速电动机转速n=0n=0考虑考虑t=0t=0，Ia=0Ia=0，求解上式，求解上式第一阶段起动时间：第一阶段起动时间：第45页/共125页46第二阶段第二阶段:过了过了tz 后，电机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在后，电机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在 转速变化规律转速变化规律又稳定时转速表达式又稳定时转速表达式考虑到考虑到第46页/共125页47该方程的解为该方程的解为:式中：式中：因为：因为：其中其中c1及及c2积分常数，由初始条件决定积分常数，由初始条件决定 第47页/共125页48考虑电枢电感时，无振荡情况下的变化曲线1）当）当 时，时，1和和2为负实数为负实数 电流变化规律电流变化规律第48页/共125页492）当）当 时，时，1和和2为负共轭复数为负共轭复数考虑电枢电感时，有振荡情况下的变化曲线式中式中式中式中第49页/共125页50第三节第三节 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1 1、他励直流电动机的两种运转状态：、他励直流电动机的两种运转状态：1 1）电动运转状态）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。2 2）制动运转状态）制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。动机吸收机械能并转化为电能。制动的目的是使电力拖动系统停车，有时也为了使拖动系统的制动的目的是使电力拖动系统停车，有时也为了使拖动系统的转速降低，对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下降转速降低，对于位能性负载的工作机构，用制动可获得稳定的下降速度。速度。2 2、电力拖动系统停车的主要方法：、电力拖动系统停车的主要方法：自由停车法自由停车法 断开电枢电源，系统会减速直至停车。其主要缺点是停车过程断开电枢电源，系统会减速直至停车。其主要缺点是停车过程很长，若希望缩短停车时间，可以采用电磁制动器，即很长，若希望缩短停车时间，可以采用电磁制动器，即“抱闸抱闸”电气制动方法电气制动方法 常见的有能耗制动和反接制动，使电动机产生一个负的转矩；常见的有能耗制动和反接制动，使电动机产生一个负的转矩；在调速系统减速过程中，还可应用回馈制动。在调速系统减速过程中，还可应用回馈制动。第50页/共125页51一、能耗制动一、能耗制动 电动状态能耗制动 能耗制动能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电枢回路的是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电枢回路的外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。制动过程：磁场保持不变，常开触点制动过程：磁场保持不变，常开触点K K1 1、K K2 2断开，电枢脱离电源，同时常闭触断开，电枢脱离电源，同时常闭触点点K K3 3把电枢接到制动电阻把电枢接到制动电阻R RZ Z上去。上去。制动开始时，转速方向与电动状态方向相同，因此电枢感应电动势制动开始时，转速方向与电动状态方向相同，因此电枢感应电动势EaEa与电与电动状态方向相同；由于动状态方向相同；由于U=0,U=0,此时电流此时电流I Ia a与与E Ea a方向相同，而与电动状态时相反，方向相同，而与电动状态时相反，磁场方向不变，则转矩磁场方向不变，则转矩T T也与电动时方向相反，为制动状态。也与电动时方向相反，为制动状态。第51页/共125页52能耗制动的机械特性方程式能耗制动的机械特性方程式能耗制动机械特性的特点：能耗制动机械特性的特点：（1 1）n n为正时，为正时，T T为负；为负；n=0n=0时，时，T=0T=0，所以，所以机械特性位于第二象限且特性斜率与电枢回路机械特性位于第二象限且特性斜率与电枢回路串电阻串电阻R RZ Z时的人为机械特性相同。时的人为机械特性相同。（2 2）如果制动前转速是）如果制动前转速是n n1 1，开始制动时，开始制动时，工作点平移到能耗制动特性上，因而制动转矩工作点平移到能耗制动特性上，因而制动转矩T T1 1为负，在（为负，在（-T-T1 1-T-TZ Z）的作用下，电动机减速，）的作用下，电动机减速，工作点沿特性下降，而制动转矩逐渐减小，直工作点沿特性下降，而制动转矩逐渐减小，直至零为止，电动机停车。至零为止，电动机停车。能耗制动时制动电阻能耗制动时制动电阻R RZ Z的选择：的选择：制动电阻制动电阻R RZ Z越小，则机械特性越平，越小，则机械特性越平，T T1 1的绝对值愈大，制动愈快。但的绝对值愈大，制动愈快。但R RZ Z太小太小会使会使I I1 1及及T T1 1超过允许值。超过允许值。第52页/共125页53能耗制动时带位能负载的情况能耗制动时带位能负载的情况 当电动机停止时（当电动机停止时（T=0，n=0），在位能负载作用下，电动机将），在位能负载作用下，电动机将在反方向加速，机械特性进入第四象限。在反方向加速，机械特性进入第四象限。随着转速的增加，转矩随着转速的增加，转矩T也不断增大，直到也不断增大，直到T=TZ时，系统加速时，系统加速度为零，转速稳定，实现等速下放。度为零，转速稳定，实现等速下放。电动机带位能负载时的能耗制动电路图第53页/共125页54当当 时时能耗制动过程中能耗制动过程中n=f(t)、I=f(t)曲线曲线 上式与电动状态时的转速微分方程上式与电动状态时的转速微分方程表达式一样，但是必须考虑参数的正表达式一样，但是必须考虑参数的正负号。负号。对于反作用负载，则转速和电流变对于反作用负载，则转速和电流变到零时，能耗制动过渡过程结束；对到零时，能耗制动过渡过程结束；对于位能性负载，直到于位能性负载，直到n=-nZ，I=IZ稳定稳定运行状态。运行状态。第54页/共125页55能耗制动时间为能耗制动时间为 由由 nZ为能耗制动时的机械特性与负载为能耗制动时的机械特性与负载转矩在第四象限的交点对应的转速，故转矩在第四象限的交点对应的转速，故应取负号。应取负号。则：则：由由 Ix为为0，Ist前应取负号。前应取负号。则：则：第55页/共125页56二、反接制动二、反接制动 反接制动可用两种方法实现，即转速反向反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。用负载）。（一）转速反向的反接制动（一）转速反向的反接制动 电动机以电动状态一样的电路导通，其电动机以电动状态一样的电路导通，其转矩的方向拟使重物转矩的方向拟使重物G向上提升。向上提升。由于电枢回路里串入较大的电阻由于电枢回路里串入较大的电阻R使使TstTZ，这样在位能负载，这样在位能负载TZ的下拉作用下，的下拉作用下，使电动机反向起动。使电动机反向起动。此时，此时，T的方向与电动状态时相同，而的方向与电动状态时相同，而n为负方向，为制动状态。为负方向，为制动状态。反接制动反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向的一种制动方式。势在外部条件作用下反向的一种制动方式。第56页/共125页57转速反向的反接制动特性方程式为转速反向的反接制动特性方程式为 电枢电路的电压平衡方程式变为电枢电路的电压平衡方程式变为 在额定转速在额定转速nN时，时，U+Ea可达近于可达近于2UN的数值，此时的数值，此时R必须够大，以限制电必须够大，以限制电枢电流。枢电流。随着随着n及及Ea的增大，的增大，Ia及及Ta也不断增加，即也不断增加，即T随随n之增加而增加。之增加而增加。此时，此时，U及及Ia的方向与电动状态时相同，故的方向与电动状态时相同，故UIa仍表示由电网输入的功率；仍表示由电网输入的功率；Ea的方向与电动状态时相反，的方向与电动状态时相反，EIa为输入的机械功率在电枢内变成的电磁功率；为输入的机械功率在电枢内变成的电磁功率；UIUIa a与与EIEIa a两者之和消耗在电枢电路的电阻两者之和消耗在电枢电路的电阻Ra+RRa+R之上。之上。第57页/共125页58（二）电枢反接的反接制动（二）电枢反接的反接制动 断开断开 和和 ，接通接通 和和电枢反接的反接制动电路图 电流电流Ia为负值，为负值，T也为负值，而也为负值，而n为正值，为正值，T与与n反向，为制动反向，为制动状态。状态。由运动方程式可知，由运动方程式可知，电枢反接制动过程中，电枢反接制动过程中，-T-TZ0,系统迅速制动。系统迅速制动。第58页/共125页59最大电流也不超过最大电流也不超过 电枢反接制动的机械方程式电枢反接制动的机械方程式 电枢反接制动机械特性通过（电枢反接制动机械特性通过（0 0，-n n0 0）这点，而且斜率为）这点，而且斜率为=（Ra+RRa+R）/C/Ce eC CT T2 2电枢反接制动过程中电枢反接制动过程中R的选择：的选择：电枢反接制动过程中电枢反接制动过程中,R比能耗制动时的比能耗制动时的RZ大一倍，特性比大一倍，特性比能耗制动陡很多，因此比能耗制动时的制动作用更强烈，制动更能耗制动陡很多，因此比能耗制动时的制动作用更强烈，制动更快。快。第59页/共125页60 电枢反接时的过渡过程电枢反接时的过渡过程1 1反作用负载反作用负载 反抗性负载终止在D D点反接制动阶段（第二象限）反接制动阶段（第二象限）其中其中IZ及及nst取正，取正，Ist及及nZ取负。取负。反向电动阶段（第三象限）反向电动阶段（第三象限）其中其中IZ及及I Istst取负，取负，nst为为0，及，及nZ取负。取负。第60页/共125页612 2位能负载位能负载 位能性负载终止在E E点反接制动阶段（第二象限）反接制动阶段（第二象限）：BC反向电动阶段（第三象限）反向电动阶段（第三象限）：C(0,-n(0,-n0 0)在在D D点，点，-T-T-T-TZ Z0,0,系统继续反向加速到系统继续反向加速到,-n,-n0 0。回馈制动阶段（第四象限）回馈制动阶段（第四象限）：(0,-n(0,-n0 0)E)ET-TT-TZ Z0,0,此时此时T T为正，随着为正，随着n n的增加而增加，的增加而增加，直到直到T=TT=TZ Z，系统稳定。，系统稳定。在以上三个阶段中，在以上三个阶段中，TZ保持不变，因此为能行电枢反接时保持不变，因此为能行电枢反接时电流和速度变化曲线按指数规律变化，在电流和速度变化曲线按指数规律变化，在n=0没有转折点。没有转折点。第61页/共125页62电枢反接时的人为机械特性和转速及电流变化曲线反抗性负载终止在D D点位能性负载终止在E E点第62页/共125页63 三、回馈制动（或称再生制动）三、回馈制动（或称再生制动）（一）位能负载拖动电动机（一）位能负载拖动电动机 电动机回馈制动电路图(带位能负载)这时位能负载带动电动机，电枢将轴这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械