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4.7 4.7 电动机稳定运行的条件4.8 4.8 他励直流电机调速的方法 4.9 4.9 直流电动机的制动4.10 4.10 直流电机的换向第1页/共55页4.1 4.1 直流直流电动机的启机的启动及及改及及改变转向向启动过程的含义要求：1、启动转矩足够大；Tst 的指标 2、启动电流不要太大。Ist 的指标 3、启动设备简单、经济、可靠直接启动电流：Ist=U/Ra 1020倍IN 问题：电源电流有限制、电机换向困难一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.52）IN 第2页/共55页4.1.0 全压直接启动加全压启动，启动电流达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。优点：操作简单，不需启动设备。缺点：冲击电流太大 1、对电网电压影响 2、对电机本身影响 只适用于小型电动机启动第3页/共55页4.1.1 电枢回路串电阻启动 为限制启动电流，在启动时将启动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将启动电阻切除。第4页/共55页只要 选择适当，能将启动电流限制在允许范围内，随n的上升可切除一段电阻。串入变阻器时的启动电流为：采用分段切除电阻，可使电机在启动过程中获较大加速，且加速较均匀，缓和有害冲击。切除可手动完成，也可自动完成。优点：启动设备简单，操作方便。缺点：电能损耗大，设备笨重 第5页/共55页4.1.2 降低电枢电压启动开始启动时将低电压，则，并使采用降压启动时，需专用调压电源，直流发电机，或可控硅整流电源。用发电机，调节励磁达到调压；用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。优点：启动电流小，能量损耗小，缺点：设备投资大。限制在一定范围内。第6页/共55页4.1.3 改变直流电动机转向的方法影响转矩符号的因素：1、磁通 2、电枢电流第7页/共55页4.2 4.2 他励直流他励直流电动机的工作特性机的工作特性 工作特性：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的情况下，负载P2变化时，电机的转速n、转矩T、效率分别随输出功率P2变化的关系曲线。第8页/共55页4.2.1 转速特性n=f(P2)U=Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa)/(Ce)影响转速n的因素有：1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋于下降；2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通下降，使转速趋于上升。第9页/共55页 一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。第10页/共55页4.2.2 转矩特性T=f(P2)T=T2+T0=P2/(2n/60)+T0 他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。如果不考虑转速的变化，则T=f(P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f(P2)为一条略微上翘的曲线。第11页/共55页4.2.3 效率特性=f(P2)参见一般直流电机效率曲线，不变损耗与可变损耗相等时有最大值。第12页/共55页他励电动机工作特性第13页/共55页4.3 4.3 他励直流他励直流电动机的机械特性机的机械特性 机械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN时，改变负载的过程中，转速n随电磁转矩T变化的函数关系。4.3.1 机械特性方程n=f(T)U=Ea+Ia(Ra+Rp)按电动机惯例，列写回路电压方程：Rp:电枢回路串入的电阻第14页/共55页用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。n=U-(Ra+Rp)Ia/(Ce)（来自于电压平衡方程）Ia=T/(CT)n=U/(Ce)-(Ra+Rp)/(CeCT2)T=n0L-kT其中，n0=U/(Ce)为理想空载转速，而k=(Ra+Rp)/(CeCT2)为机械特性的斜率。一般写法：第15页/共55页称为理想空载转速。实际空载转速第16页/共55页4.3.2 固有机械特性方程改变三个量U、Rp 中任意一个，可以改变机械特性曲线形状。U=UN,=N,Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为:第17页/共55页第18页/共55页4.3.3 人为机械特性 改变三个量U、Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。1、电枢回路串电阻时的人为机械特性 对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。第19页/共55页特点：1 1）不变，变大；2 2）越大，特性越软。第20页/共55页2、改变电枢电压的人为机械特性 特点：1)随 变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。第21页/共55页2、减少气隙磁通的人为机械特性 特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大第22页/共55页4.4 串励直流电动机的机械特性串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流 I=Ia，故T=CTIa=CT K Ia2,解出Ia并带入上式可得：出发点：第23页/共55页电压不变时，n与sqrt(T)反比，当负载转矩增大时，转速n下降很快。(软特性)上述结论是在负载较小、电流较小电机不饱和的情况下得出的。并励电动机的n=f(T)是斜率很小的一次曲线。（硬特性）当负载转矩很小时，T也很小，n会达到危险的高值，所以串励电动机不允许空载启动和运行。串励机械特点：第24页/共55页 同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的启动转矩，常用于启动较为困难的场合。串励电动机转矩增大时转速在减少，功率增加缓慢，故该电机过载能力较强。第25页/共55页4.5 复励直流电动机的机械特性第26页/共55页复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机。复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以空载转速不会太高。第27页/共55页4.6 负载的机械特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。一、恒转矩负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载T TL Ln2.位能性恒转矩负载T TL Ln第28页/共55页二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。T TL Ln三、泵与风机类负载特性 负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。T TL Ln12TL0第29页/共55页四、拖动系统的运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：其中 为系统的惯性转矩。第30页/共55页系统旋转运动的三种状态1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当 或 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。第31页/共55页4.7 电动机稳定运行的条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在 点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由 上升到 ，扰动消失，系统减速，回到 点运行。扰动使转速由 下降到 ，扰动消失，系统加速，回到 点运行。第32页/共55页扰动使转速由 上升到 ，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到 点运行。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在 点，系统平衡1.必要条件:电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在扰动使转速由 下降到 ，系统将一直减速，不可能回到 点运行。2.充分条件:在交点 处满足 。或者说，在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。第33页/共55页4.8 他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。第34页/共55页调速指标：一、调速范围:二、静差率（相对稳定性）二、静差率（相对稳定性）：%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。第35页/共55页三、调速的平滑性三、调速的平滑性 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。第36页/共55页调速方法一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由AAB第37页/共55页调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。第38页/共55页优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；第39页/共55页二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速TemTLAAB调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。第40页/共55页二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。4）电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。第41页/共55页三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速ABTemTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点第42页/共55页减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。第43页/共55页优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2；为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；第44页/共55页4.8.4 调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。第45页/共55页 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：第46页/共55页 电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。第47页/共55页4.9 直流电动机的制动一、能耗制动TemBRB制动IaB+U -电动IanTemM+Ea IfTLTemnn0RaA0CBRa+RB第48页/共55页二、反接制动1、电压反接制动IfTemBRB制动IaB+U -电动IanTemM+Ea SnTemTLn0RaA0-TLEBRa+RBCD-n0第49页/共55页2、倒拉反转反接制动+U Ia+Ea -+U Ia Ea +RBTemnTLaTemnTLbnTemTLn0A0TBTKCDB第50页/共55页三、回馈制动回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限。回馈制动状态下瞬态过程有以下两种情况：1、降压调速过程中；2、弱磁状态下增磁调速过程中。第51页/共55页TemTLnn01AnAU10U2n02nCBCU21第52页/共55页4.10 直流电机的换向直流电机小结本章例题第53页/共55页本章习题:4-4,4-6,4-7,4-8本章思考题:4-12,4-13,4-17,4-184-21 认真阅读本章内容第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页
