第二章 直流電動機的電力拖動

1、第二章 直流電動機的電力拖動,第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式第二節(jié) 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性第三節(jié) 他勵直流電動機的機械特性第四節(jié) 他勵直流電動機的起動第五節(jié) 他勵直流電動機的制動第六節(jié) 他勵直流電動機的調速,電力拖動是以電動機作為原動機，來帶動生產(chǎn)機械按人們所給定的規(guī)律運動。 電力拖動系統(tǒng)由電動機、傳動機構、電氣控制設備、電源和生產(chǎn)機械負載等組成。 學習電動機的目的是為

2、了使用電動機，把電動機運用于拖動控制系統(tǒng)中。需要用到第一章的基本理論和基本公式來解決電力拖動系統(tǒng)的起動、制動和調速等基本問題。,第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式,電力拖動系統(tǒng)有多種類型，最簡單的系統(tǒng)是單臺電動機直接與生產(chǎn)機械同軸連接，稱為單機單軸系統(tǒng)，簡稱為單軸系統(tǒng)，如圖所示。,在多數(shù)情況下，由于生產(chǎn)機械轉速較低或具有直線運動部件，所以電動機必須通過傳動機構多根轉軸的傳動，才能帶動生產(chǎn)機械運動，稱為單機多軸系統(tǒng)，簡稱為多軸系統(tǒng)，如圖所

3、示。 當電動機與工作機構不同軸時，兩者之間有傳動機構，用以變速或變換運動方式。 即實際電力拖動系統(tǒng)中，電動機與負載的工作機構間常采用齒輪傳動，蝸輪、蝸桿等傳動機構，使電力拖動系統(tǒng)的軸不只一根。,在少數(shù)場合，有兩臺或多臺電動機來帶動一個或多個工作機構，稱為多電動機拖動系統(tǒng)，簡稱多機系統(tǒng)。 電力拖動系統(tǒng)工作時，有些部件是作直線運動，如起重機的吊鉤等。有些部件是作旋轉運動的，如

4、齒輪機構等。,分析電力拖動系統(tǒng)的運動規(guī)律，最主要的任務是要研究作用在電動機轉軸上的轉矩及負載轉矩與電動機轉速之間的關系。包括穩(wěn)定運行時的關系及處于暫態(tài)過程中的關系。 對于單軸系統(tǒng)較簡單；對于多軸系統(tǒng)，各根轉軸的轉速和作用于各轉軸上的轉矩都不相同，情況比較復雜。 一般的分析方法是先對單軸系統(tǒng)進行研究，得出一般規(guī)律。對于多軸系統(tǒng)，則通過折算將其等效成一個單軸系統(tǒng)，這樣就可以利用單軸系統(tǒng)的規(guī)律來分析

5、多軸系統(tǒng)。,一．單軸系統(tǒng)的運動方程式,如圖所示，生產(chǎn)機械的轉矩T2是直接作用在電動機的軸上，所以電動機軸上所受的總制動轉矩為： T2+T0=TZ（T0為電動機本身的空載轉矩）。 在電力拖動系統(tǒng)中，通常稱TZ為生產(chǎn)機械的總負載轉矩，即把T0考慮在負載轉矩TZ之中。 這樣，作用在電動機軸上的轉矩只有驅動性質的電磁轉矩Tem及制動性質的負載轉矩TZ。,當Tem≠TZ時，轉動體的

6、轉速就會發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度 ，則轉矩方程式為： Tem-TZ=J 式中，J為單軸系統(tǒng)的轉動慣量（包括電動機的轉動慣量和生產(chǎn)機械的轉動慣量），是衡量慣性作用的一個物理參數(shù)。（單位kg·m2） 轉動慣量J越大，轉動部分的慣性越大，改變其角速度Ω就越困難。,,,在工程中，常用飛輪矩GD2來表征轉動體的慣性作用，GD2和J的關系為：

7、 J= GD2/(4g) 式中，g為重力加速度，g=9.8（m/s2）； GD2為電動機轉子與生產(chǎn)機械轉動部分的飛輪矩之和（單位N?m2），可從各自的產(chǎn)品目錄中查得。 D為轉動部分慣性直徑（m），G為轉動部分重量（N）。 機械角速度Ω=2πn/60。,可得單軸系統(tǒng)的運動方程式的實用形式： Tem-TZ=J =

8、 上式是電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式，表征了電力拖動系統(tǒng)機械運動的普遍規(guī)律，是研究電力拖動系統(tǒng)各種運動狀態(tài)的理論基礎。 (GD2/375)dn/dt稱為加速轉矩，其大小和正、負號由Tem、TZ的代數(shù)和來決定的。,,,如Tem、TZ、n均為正時，可知：（1）當Tem=TZ時， =0，則轉速n等于常數(shù)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，包括靜止狀態(tài)（n=0）。 因此

9、，要使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，必須使Tem=TZ；（2）當Tem>TZ時， >0，則轉速n在升高，系統(tǒng)處于加速過程中。 因此，要使電力拖動系統(tǒng)從靜止狀態(tài)起動運轉，必須使起動時的電磁轉矩Tem（即起動轉矩）大于n=0時的負載轉矩TZ。,,,（3）當Tem<TZ時， <0，則轉速n在降低，系統(tǒng)處于減速過程中。 因此，要使系統(tǒng)從運轉狀態(tài)停轉（即制動），必須減小電磁轉矩Te

10、m，使之小于負載轉矩TZ，甚至改變Tem的方向。 注意：1）飛輪矩GD2是表征整個旋轉系統(tǒng)慣性的一個物理量，是一個完整的符號；2）轉矩單位為N?m；轉速單位為r/min；時間單位為s；飛輪矩單位為N?m2；,,3）轉矩Tem和TZ具有方向性，其正負號取法： 首先確定某一電動狀態(tài)時，n的方向為系統(tǒng)的旋轉正方向，則當Tem的實際方向與n正方向一致時，T取正號；相反時，T取負號； 當TZ

11、的實際方向與n正方向相反時，TZ取正號；相同時，TZ取負號。 轉速的正方向一般可任選。但一般對起重機械，取提升重物時n的方向為正。對龍門刨床工作臺，以切削時n方向為正。 單向旋轉運動時，取實際轉向為n正方向。,二．多軸系統(tǒng)的運動方程式,如圖所示，由于各傳動軸的轉速不同，所以工作機構的實際負載轉矩TZ′并不等于作用在電動機軸上的負載轉矩TZ，而整個系統(tǒng)的飛輪矩GD2也不能簡單地將各傳動軸上的飛輪

12、矩相加起來而得到。 在工程中，往往是用一個單軸系統(tǒng)去等效代替實際的多軸系統(tǒng)。,08.9.28.（自動化06A）,08.10.6.（自動化06B）,稱這個等效的單軸系統(tǒng)的負載轉矩TZ和總飛輪矩GD2為多軸系統(tǒng)實際的負載轉矩TZ′及各傳動軸的飛輪矩(GD2)i 折算到電動機軸上的折算值。 即實際中，將生產(chǎn)機械連同其傳動機構用一個與電動機直接連接的機械負載等效代替。 折算的原則

13、是： 等效單軸系統(tǒng)所傳送的功率及所儲存的動能必須與實際多軸系統(tǒng)的功率及儲存的動能相同。,折算的方法： 是以電動機軸為折算對象，把工作機構轉矩系統(tǒng)中各軸（電動機軸除外）的飛輪矩GD2i、直線運動部分的質量m和直線運動部分的負載力F都折算到電動機軸上去。,返回,第二節(jié) 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性,稱n=f（Tem）為電動機的機械特性； 稱n=f（TZ）為生產(chǎn)機械的負載轉矩特性，

14、即負載轉矩TZ隨轉速n變化的關系。,一．恒轉矩負載特性,當轉速n變化時，負載轉矩TZ的大小保持不變，稱為恒轉矩負載特性。,1．反抗性恒轉矩負載 反抗性恒轉矩負載是指該負載轉矩的大小與速度無關，TZ大小恒定，其方向始終與轉向相反。 如機床的平移機構，摩擦轉矩等屬于這類負載。 如圖所示為其負載轉矩特性。 設電動狀態(tài)時，n 方向為正方向，則當n為正時，TZ

15、的方向與n相反，TZ為正。 當n為負（反向）時，TZ也反向，此時TZ與n的正方向一致，TZ為負。,2．位能性恒轉矩負載 位能性恒轉矩負載是指生產(chǎn)機械工作機構中具有位能的部件，該負載轉矩TZ的大小與速度無關，TZ大小恒定，且其方向不隨轉速方向的變化而變化。 如起重機系統(tǒng)等屬于這類負載。 如提升重物，即電動狀態(tài)時，n轉向為正，則無論提升或下放重物時，TZ

16、的方向始終向下，與n的正方向相反，即始終為正。 同一個重物G下放時，折算到電動機軸上的負載轉矩TZ比提升時要小，如圖虛線所示。,只有在傳動機構的損耗忽略不計，傳動機構的總效率η=η′=1時，提升和下放時，折算到電動機軸上的TZ才相等。 為了簡單起見，設位能性轉矩負載特性都采用圖中的ABC線所示的理想特性。,二．恒功率負載特性,恒功率負載特性是指負載的功率為常數(shù)，不隨轉速的變化而變化。（屬于反抗

17、性負載） 由于Pz=TZΩ=TZ*2πn/60=k，則有： TZ=(60k/2π)*1/n=k1/n 式中，常數(shù)k1=9.55k。 可知，恒功率負載的轉矩與轉速成反比。 其負載轉矩特性如圖曲線1所示。（為雙曲線） 屬于這類性質的生產(chǎn)機械如車床等。,三．通風機負載特性,對于鼓風機、水泵等生產(chǎn)機械，其介質（如空氣、水

18、等）對機械葉片的阻力基本上與轉速的平方成正比。 所以其負載轉矩TZ也與n的平方成正比， 即： TZ=kn2 其負載轉矩特性如圖曲線2所示（為拋物線），稱為通風機型負載轉矩特性。（屬于反抗性負載，只能單方向旋轉。） 實際的負載轉矩特性往往是幾種典型特性的組合，如圖曲線3所示是實際的鼓風機負載轉矩特性。,返回,第三節(jié) 他勵直流電動機的機械特性,在他勵

19、直流電動機中，當U、Ra和If保持不變時，電動機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系，稱為他勵直流電動機的機械特性。n=f（T）,一．直流電動機機械特性的一般形式,他勵直流電動機的轉速與轉矩之間的關系為：,由于Ia=Tem/(CTΦ)，可得 可知，電動機的機械特性與端電壓U、主磁通Φ及電樞回路外接電阻RΩ有關。 勵磁方式不同時，Φ與T（即Ia）的關系是不同的，其機械特性也是

20、不同的。 式中，n0是電動機的理想空載轉速，其值為n0= 。,,,,Δn是轉速降，其值為 Δn= n0-n=βTem β是機械特性的斜率，其值為 β= 機械特性的硬度為 α= 斜率β越小，硬度α越大，機械特性越硬。 當U和If保持為額定值，而且電樞電路中無外接

21、電阻時的機械特性，稱為固有特性，否則稱為人為特性。,,,二．他勵直流電動機的固有機械特性,對于他勵電動機，當Tem發(fā)生變化時，只要保持If不變，且不計電樞反應的作用，其主磁通Φ保持不變。 他勵直流電動機的固有機械特性是指當U=UN、Φ=ΦN（即If=IfN）且RΩ=0時的n=f（Tem）的關系，即： 式中，n0=UN/(CeΦN)為Tem=0時的轉速，即固有機械

22、特性的理想空載轉速；,,βN=Ra/(CeCTΦ2N)=常數(shù)，為固有機械特性的斜率（絕對值）。 其額定負載時的轉速降為： ΔnN=n0-nN=βNTN 由于電樞回路的電阻Ra很小，斜率βN很小，額定負載時的轉速降ΔnN很小，所以，他勵直流電動機的固有機械特性是一條下降不多的硬特性，如圖所示。（是一條直線。）,電動機的機械特性是一條非常重要的特性，與負載轉矩特性的配合將決定電

23、力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和過渡過程。 由于該特性是一條直線，只要確定特性上的兩點，就可以決定這條特性。 通常用理想空載點（即Tem=0，n=n0）和額定工作點（即T=TemN，n= nN）兩點來確定。 即（0，n0），（TemN，nN）兩點。 固有特性上的N點對應于電動機的額定狀態(tài)。這時電動機的電壓、電流、功率和轉速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動機的長

24、期運行能力。,例2-1 一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：PN=15kW，UN=220V，nN=1640r/min，IN=83A。試求：（1）繪制固有機械特性曲線；（2）求電動機固有特性方程；（3）電動機實際空載轉速。解：（1）電樞內電阻估算可取,CeФN= 理想空載轉速 額定電磁轉矩 TemN=CTФNIN=9.55*0.122*83=96.7（N.m）,,固有特性曲線

25、的兩點坐標為： A點：（Tem=0，n=n0=1800r/min；） B點：（Tem=TemN=96.7 N.m，n=nN=1640r/min；） 固有特性曲線如圖所示。（2）因為 則固有特性方程為： n=n0-?NTem=1800-1.67Tem,（3）電動機軸上的額定轉矩（負載轉矩） TN=9.55PN/nN=9.55*1

26、5*103/1640=83.7（N.m） 則空載轉矩 T0=TemN-TN=96.7-83.7=9.4（N.m） 得到實際空載轉速為： n0′=n0-?T0=1800-1.67*9.4=1784（r/min） 圖中A′點是實際空載點（T0， n0′），即（9.4 N.m，1784 r/min）,,三、他勵直流電動機的人為機械特性,人為地改變電動機的參數(shù)U

27、、RΩ或Φ所得到的機械特性稱為人為機械特性。1．電樞回路串電阻的人為特性 保持U=UN、Φ=ΦN（即If=IfN）不變，在電樞回路串入電阻RΩ，所得到的n=f（Tem）特性稱為電樞回路串電阻的人為特性。,,表達式為： 式中，β=(Ra+RΩ)/(CeCTΦ2N)對于給定的RΩ值，也是常數(shù)。 n0=UN/(CeΦN)為理想空載轉速。,所以，電樞回路串電阻的人為特性

28、也是一條下降的直線，如圖所示，其特點是：1）理想空載轉速n0不變，即與固有特性相同；2）斜率β>βN，即特性變軟；轉速下降更多。 當RΩ不同時，理想空載點不變，但β值變化，RΩ越大，對應的β值越大，特性越軟。 因此，電樞回路串電阻的人為特性是通過理想空載點的一束直線。,2．改變端電壓的人為特性 為了改變電動機的端電壓U，必須采用電壓值可以調節(jié)的直流電源，對該

29、電動機供電。 常用方法如由直流發(fā)電機供電的F-D系統(tǒng)和由可控整流電源供電的KZ-D系統(tǒng)。 發(fā)電機-電動機組系統(tǒng)： 他勵直流發(fā)電機F由三相交流電動機拖動以nF轉速旋轉，改變發(fā)電機的勵磁電流IfF，即可改變其輸出電壓U，以達到改變施加于他勵直流電動機D的端電壓值U。,可控硅-電動機系統(tǒng)： 調節(jié)電位器W的給定值，經(jīng)觸發(fā)電路即可改變可控硅的觸發(fā)角α

30、，達到改變施加于電動機的端電壓值U。 保持Φ=ΦN（即If=IfN）不變且RΩ=0，改變電動機的端電壓U，所得到的機械特性稱為改變端電壓的人為特性。 表達式為：,,式中n0′=U/(CeΦN)為端電壓改變后的理想空載轉速； 由于電動機受耐壓的限制，不能在過電壓狀態(tài)下運行，所以一般都用降低端電壓的人為特性，也是一條下降的直線，如圖所示。,其特點是： 1）理想空載轉速

31、n0′<n0，即比固有特性的低； 2）當端電壓U不同時，人為特性的斜率不變，與固有特性相同。因此，不同端電壓時，同一轉矩所對應的轉速降相等，即： Δn1=Δn2=n0′-n=βNTemN=ΔnN 可知，降低端電壓的人為特性是比固有特性低并與之平行的一簇直線，特性的硬度不變。,3．減弱電動機主磁通的人為特性 要改變主磁通，必須改變勵磁繞組的勵磁電流If。

32、 對于小容量的電動機，可以改變勵磁回路的調節(jié)電阻rΩ； 對于大容量的電動機，可以采用可控整流電源對勵磁繞組供電。（即改變勵磁電路端電壓Uf）,08.10.7.（自動化06A）,由于電動機在額定運行時，磁路已接近飽和，即使If比IfN增大許多，其主磁通也變化不大。 所以，一般都是使If向低于IfN的方向調節(jié)，即采用減弱磁通的人為特性。 保持U=UN不變

33、，且RΩ=0，改變If（減弱），所得到的機械特性稱為減弱磁通的人為特性。 表達式為：,,式中，n0″=UN/(CeΦ)為主磁通改變后的理想空載轉速； β″=Ra/(CeCTΦ2)對于給定的Φ值，也是常數(shù)。 其特點是： 1）理想空載轉速n0″>n0，即比固有特性的高； 2）斜率β″>βN，即特性變軟。,四．電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件,1．電力拖動系統(tǒng)的平衡狀態(tài)

34、 如圖所示是一個由他勵直流電動機帶動恒轉矩負載的拖動系統(tǒng)的電動機機械特性n=f（Tem）與負載轉矩特性n= f（TZ）。 在機械特性與負載轉矩特性的交點A處，Tem=TZ。 此時，dn/dt=0，轉速不變，電動機的電流Ia=Tem/(CTIa)= TZ/(CTIa)也保持不變，則稱該拖動系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,2．電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡狀態(tài) 某電力拖動系統(tǒng)原來處于平衡狀態(tài)

35、，如果由于某種原因（如電壓波動、負載變化或電機參數(shù)的正常調節(jié)），使系統(tǒng)離開了原來的平衡狀態(tài)，但能夠在新的條件下自動地達到新的平衡，或者在外界擾動消失后能夠恢復到原來的平衡狀態(tài)，則稱該拖動系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)是穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 如果不能自動地達到新的平衡或在擾動消失后不能回到原來的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)是平衡狀態(tài)，但不是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。,對于圖中的交點A平衡狀態(tài)，如果由于某種原因，如端電壓突然下降1%，電動

36、機的機械特性也隨之突然下移至特性2。 由于機械慣性，在端電壓突變的瞬間，轉速來不及變化，仍為n=nA，電動機的工作點從A點突然跳到B點。（U=CeΦn+IaRa，使Ia下降，Tem下降） 此時，Tem=TB<TZ，使系統(tǒng)開始減速，工作點從B點開始沿特性2向下移動， Ia 、Tem開始回升。減速過程到C點，Tem=TC=TZ，dn/dt=0，轉速nC保持不變，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)。,如果減

37、速過程至D點時，端電壓恢復到額定值UN，使機械特性恢復為原來的特性1。 可知，在電壓恢復瞬間，工作點突變到E點（U=CeΦn+IaRa，使Ia上升，Tem上升）。 由于E點TE>TZ，使系統(tǒng)開始加速， Ia 、Tem開始下降，工作點沿特性1上升到A點，TA=TZ，dn/dt=0，n=nA，轉速保持不變，系統(tǒng)回到原來的平衡狀態(tài)。 因此，系統(tǒng)在原來的平衡狀態(tài)A點運行時，

38、是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。,對于如圖所示的系統(tǒng)，設原來也運行于交點A，處于平衡狀態(tài)。如果某外界擾動（如電壓下降），使電動機的機械特性突變?yōu)樘匦?時，由于n=nA不能突變，工作點突變?yōu)锽點。 由于B點的TB>TZ，系統(tǒng)開始加速，工作點沿特性2向上移動，Tem越來越大，dn/dt也越來越大，不可能達到新的平衡點C。,即使在加速過程中，外界擾動消失了，如在D點時端電壓恢復為UN，機械特性恢復為特性1，但電壓恢復的瞬間n=

39、nD也不能突變，工作點跳至特性1的E點，而E點TE>TZ，使系統(tǒng)仍然加速，工作點沿特性1上升，結果使Tem越來越大，系統(tǒng)加速度也越來越大，不可能回到原來的平衡狀態(tài)A點。 因此，此拖動系統(tǒng)是不能穩(wěn)定平衡運行的系統(tǒng)。,3．電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 可以證明電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件為： 1）電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的負載轉矩特性必須有交點（必要條件）； 2）在交點處滿足：

40、 <0（充分條件），即：,,,通常具有下降機械特性的他（并）勵電動機，帶動恒轉矩、恒功率或通風機等負載時都能穩(wěn)定運行。其機械特性與負載特性的交點即是穩(wěn)定平衡點。 但如果由于電樞反應去磁作用，使電動機機械特性上翹，則運行是不穩(wěn)定的。,所以，通常在主磁極上加一個匝數(shù)很少的串勵繞組，使之成為一臺積復勵電動機。 此串勵繞組的作用是使其磁勢抵消電樞反應的去磁作用，維持磁通不變，而使

41、機械特性具有下降的特性，以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。 例：如圖所示曲線1為電動機的機械特性，曲線2為負載轉矩特性，試判斷圖中哪些交點是穩(wěn)定運行點？哪些是不穩(wěn)定運行點？,返回,第四節(jié) 他勵直流電動機的起動,一．他勵直流電動機的起動方法,將一臺直流電動機接上直流電源，使之從靜止狀態(tài)開始旋轉直至穩(wěn)定運行，這個過程稱為起動過程。 剛起動瞬時，Φ≠0，由于n=0，Ea=0，則起動初瞬的電樞電流為：Ia=(U-Ea)/(R

42、a+RΩ)=U/ (Ra+RΩ),08.10.9.（自動化06B）,直流電動機剛與電源接通瞬間，轉子還未轉動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流及并勵和復勵電動機的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉矩稱為起動轉矩。1. 直接起動 如果起動時，先加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，U=UN，RΩ=0，稱為直接起動。 其起動初瞬的電樞電流為： Ist= Ia=UN

43、/ Ra 由于電樞回路電阻Ra很小，所以直接起動時，電樞電流Ia很大，可達到額定電流的10~20倍。,這么大的起動電流使換向惡化，出現(xiàn)火花甚至環(huán)火，并使電樞繞組產(chǎn)生很大的電磁力而使繞組損壞；過大的起動電流還會引起供電電網(wǎng)的電壓波動，影響接于同一電網(wǎng)上的其他電氣設備的正常工作。 如果起動時，Φ=ΦN，則此時的電磁轉矩（即起動轉矩）Tst=CTΦNIa，也達到額定轉矩的10~20倍，過大的轉矩沖擊

44、也使拖動系統(tǒng)的傳動機構被損壞。 因此，除小容量電機之外，直流電動機是不允許直接起動的。,所以，在起動時，必須限制起動電流，一般要求起動初瞬的電樞電流不超過IN的1.5~2.0倍。 （起動過程：n=0, Ist=UN/ Ra，Tst=CTΦIst>TZ , n↑, Ea↑=UN-IaRa , Ia↓, Tem↓, Tem=TZ , n=nN）,但是，要使系統(tǒng)獲得較大的加速度而順利起動，在起動

45、時，必須先加大的勵磁且使If=IfN。 Tst=CTΦIst 即要使Tst較大， 而Ist又不能太大，所以先要加足磁場，使Φ=ΦN，再接通電樞電源，產(chǎn)生Tst，電動機開始起動。 (若無Φ，則Tst=0，無起動轉矩Tst=0，Tst<TZ，n=0，不能起動) （若Φ太小，起動轉矩Tst太小，起動時間長。）,他勵直流電動機起動的一般要求： 1）起動過

46、程中，起動轉矩Tst足夠大，使Tst>TZ，電動機加速度dn/dt>0，保證電動機能夠起動，且起動過程時間較短，以提高生產(chǎn)率。 2）起動電流的起始值Ist不能太大，否則使換向困難，產(chǎn)生強烈火花，損壞電動機；還會產(chǎn)生轉矩沖擊（Tst太大），影響傳動機構。 3）起動設備與控制裝置簡單，可靠，方便。,起動條件互相聯(lián)系又互相制約，應結合具體情況進行取舍。 任何一種起動方法，最根本的原則是確保足夠大的起

47、動轉矩和限制起動電流。 所以每種起動方法均應保證有足夠大的磁通。 直接起動方法特點是： 不必另設起動設備，起動轉矩大，但起動電流大。,2．降壓起動 起動時，先加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變。降低端電壓U，使Ist=U/Ra≈（1.5~2.0）IN，且Tst=CTΦNIst≈（1.5~2.0）TN。在不大的起動電流下，使系統(tǒng)順利起動。

48、 隨著轉速的升高，反電動勢Ea=CeΦNn增大，電樞電流Ia=(U-Ea)/Ra開始下降，電磁轉矩Tem下降，這時，為了保持起動過程中電磁轉矩較大，電樞電流在一定范圍，可以逐漸升高端電壓U，使Ia、Tem回升，直至U=UN，起動完畢。,若不逐漸升高U，則n增加時，Ea增加，Ia減小，Tem減小，起動時間長。 根據(jù)起動條件，可以確定起始電壓U的大小，即 U≈（1.5~2.0）

49、IN Ra 這種起動方法的特點是： 起動平穩(wěn)，起動電流小，起動過程中的能量損耗小。但需專用電源，設備投資較大。,3．電樞回路串電阻起動 起動前，先把起動變阻器的電阻調到最大值，加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變。再接通電樞電源，電動機開始起動。 隨著轉速的升高， Ia、Tem開始減小，可以逐級切除起動電阻，使Ia、Tem回升，直至全部切除起動電阻，起動

50、完畢。（ Ia=(U-Ea)/（Ra+RΩ） 額定功率較大的電動機一般采用分級起動的方法，以保證起動過程中既有比較大的起動轉矩，又使起動電流不會超過允許值。,根據(jù)起動條件，可確定起始串入電阻的大小，即 Ia=UN/ (Ra+RΩ) RΩ=UN/((1.5~2.0)IN) - Ra 如圖所示為電樞回路串三級起動電阻原理圖。,起動時，接入全部起動電阻，并加上額

51、定電壓UN，則瞬時起動電流為：(n=0，Ea=0) I1=UN/(RΩ3+ RΩ2+ RΩ1+Ra)= UN/R3 其中，R3= RΩ3+ RΩ2+ RΩ1+Ra，為全部起動電阻均接入時的電樞回路總電阻。 與R3對應的人為特性如圖的n0ba線，與橫軸的交點a為起動轉矩T1=CTΦNI1。 只要合理選擇RΩ3+ RΩ2+ RΩ1的阻值，可使I1

52、=（1.5~2.0）IN，T1=（1.5~2.0）TN>TZ，系統(tǒng)可以安全順利起動。,隨著轉速的升高，Ea增大，使Ia=(U-Ea)/Ra減小，Tem=CTΦNIa也減小，工作點沿著特性abn0上移。當Tem減小到b點，Tem=T2=(1.1~1.2)TN 時，為了得到較大的加速度，可將觸點C3閉合，把RΩ3切除，則電樞回路電阻突變?yōu)镽2= RΩ2+ RΩ1+Ra，對應的人為特性為n0dc。由于切換時轉速n=nb不能突變，所以工作

53、點突變?yōu)閏點。 如果各級起動電阻設計得當，可以做到Tc=T1，系統(tǒng)又獲得較大的加速度，而電流仍與I1相等，不會過大。,當工作點沿cdn0上移到d點即Tem=T2時，觸點C2閉合，把RΩ2切除，則電樞回路電阻突變?yōu)镽1= RΩ1+Ra，對應的人為特性為n0fe，工作點突變?yōu)閑點，電動機又得到較大的加速度。 當工作點沿efn0上移到f點即Tem=T2時，觸點C1閉合，把RΩ1切除，工作點從f突變

54、至固有特性ghn0的g點，電動機又得到較大的加速度，工作點沿ghn0上升至h而穩(wěn)定，起動過程結束。（T=TZ，n=nh） 此方法特點是： 耗能大，不經(jīng)濟，但所需的起動設備不多。,二．他勵直流電動機分級起動電阻的計算,起動電阻的分段數(shù)m、最大起動電流I1與切換電流I2的大小是根據(jù)生產(chǎn)過程與起動要求來選定的。 最大起動電流一般為I1=（1.5~2.0）IN或最大起動轉矩

55、為T1=（1.5~2.0）TN； 為保證一定的加速轉矩，減少起動時間，切換電流I2必須大于穩(wěn)態(tài)負載電流IZ=TZ/(CTΦN)，一般取切換電流為I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ，切換轉矩為T2=（1.1~1.2）TN或T2=（1.1~1.2）TZ。,IZ為起動時所帶負載對應電樞電流值；若未知，可以用IN代替。 TZ為起動時所帶負載轉矩。若TZ未知，可以用TN代替。

56、 I2越小，m越少，但起動過程中，電流的變化范圍大，轉矩脈動大。 如圖中，由于nf=ng，則Ef=CeΦNnf=Eg，即： UN-I2R1= UN-I1Ra 則有： I1/I2=R1/Ra,同理可得： nd=ne，則Ed=CeΦNnd=Ee，UN-I2R2= UN-I1R1

57、I1/I2=R2/R1 nb=nc，則Eb=CeΦNnb=Ec，UN- I2R3= UN-I1R2 I1/I2=R3/R2 有： R3/R2= R2/R1= R1/Ra= I1/I2=β 式中，β= I1/I2（或T1/T2）為起動電流比（或起動轉矩比）。,對于m級起動的一般情況有： Rm/Rm-1=…= R

58、2/R1= R1/Ra= I1/I2=β 式中，Rm= RΩm+… +RΩ2+ RΩ1+Ra為第m級起動（即起動電阻全部接入）時的電樞回路總電阻； … R2=RΩ2+ RΩ1+Ra 第2級 R1= RΩ1+Ra 第1級,可得各級電樞回路總電阻： R1=Raβ R2= R1β= Raβ2

59、 … Rm= Rm-1β= Raβm 可得到起動電流比 β= 對βm= Rm/Ra兩邊取對數(shù)，得到級數(shù) m= 若得到的m不是整數(shù)，可以取相近整數(shù)。,,,則各級起動電阻為： RΩ1=R1-Ra=(β-1)Ra RΩ2=R2-R1=(β2-β)Ra=βRΩ1

60、 … RΩm=Rm-Rm-1=(βm-βm-1)Ra=βm-1RΩ1 若已知β、Ra、m，可以算出各級電阻RΩi。,計算各級起動電阻值的步驟： 1）根據(jù)電動機名牌數(shù)據(jù)，估算電樞回路電阻Ra，Ra=(UNIN-PN)/(2*IN2) 2）選取最大起動電流I1，取I1=（1.5~2.0）IN，算出電樞最大起動電阻Rm=UN/I1；（第m級電樞回路總電阻） 3）如分級數(shù)m未定

61、，則應先確定m數(shù)。初選切換電流I2′，取I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ，初得起動電流比β′= I1/I2′，初得m′= ln(Rm/Ra)/lnβ′，取接近整數(shù)值，即為分級數(shù)m；,4）若m是取相近整數(shù)，則需要重新計算β。 反計算起動電流比β= ，然后算出實際值I2= I1 /β，并校驗I2的大小，符合I2=（1.1~1.2）IN或I2=（1.1~1.2）IZ。

62、 若I2不符合，應重新選擇m值。 若I2太小，應增大m值，以減小β值，使I2增大。 5）將β值代入公式，算出各級起動電阻值RΩi。,,RΩm=Rm-Rm-1=(βm-βm-1)Ra=βm-1RΩ1 若分級數(shù)m已定。則選擇I1，算出Rm，將Rm、m、Ra代入公式β= ， 算出β值，然后算出I2= I1 /β，并校驗I2的大小。以后同前（4、5步

63、）。,,例：某他勵直流電動機額定數(shù)據(jù)為：PN=21kW，UN=220V，IN=115A，nN=980r/min。負載電流為IZ=92A，最大起動電流不超過2IN，試求分級起動數(shù)m及各段起動電阻值RΩi。 解：估算電樞電阻： Ra=(UNIN-PN)/(2*IN2) =(220*115-21*103)/(2*1152) =0.163Ω

64、 取最大起動電流 I1=2IN=2*115=230A,,,則： Rm=UN/I1=220/230=0.957Ω m未知。 初取切換電流 I2′=1.2IZ=1.2*92=110A 則 起動電流比 β′=I1/I2′=230/110=2.09 得級數(shù) m′=ln(Rm/Ra)/lnβ′

65、 =ln(0.957/0.163)/ln2.09 =2.4,取m=3，則 校驗 I2=I1/β=230/1.804=127A>1.2IZ=110A 所以，m=3是合適的，則 各級電樞回路總電阻： R1=βRa=1.804*0.163=0.294Ω R2=β2Ra=1.8

66、042*0.163=0.530Ω R3=β3Ra=1.8043*0.163=0.957Ω,,各級起動電阻： RΩ1=R1-Ra=0.294-0.163=0.131Ω RΩ2=R2-R1=0.530-0.294=0.236Ω RΩ3=R3-R2=0.957-0.530=0.427Ω,返回,第五節(jié) 他勵直流電動機的制動,電動機的停車方法有： 1）自由停車：

67、 斷開電源，Ia=0，Tem=0，在總負載轉矩TZ的作用下，轉速降至停車。 此方法，停車時間長，特別是在空載（TZ=T0?。r，|dn/dt|很小，所需時間更長。（Ia=0，Tem=0，-TZ=kdn/dt<0）,08.10.9.（自動化06A）,2）機械制動： 斷開電源，Ia=0，Tem=0，利用機械摩擦獲得制動轉矩Tm的方法（抱軸），|dn/dt|增大。

68、 此方法，更快速停車，有機械磨損。（-（TZ+Tm）=kdn/dt<0） 3）電氣制動： 靠電動機本身產(chǎn)生一個與轉速n轉向相反的電磁轉矩Tem，成為制動轉矩，使系統(tǒng)快速停車或使位能性負載穩(wěn)速下放。|dn/dt|增大。 此方法，更快速停車，無機械磨損，容易實現(xiàn)自動控制。（-（TZ+Tem）=kdn/dt<0）,其特點是： 它從軸上吸收機械