直流电动机机械特性

第二章直流电动机的电力拖动本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.1电力拖动系统的运动方程式：电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。一、运动方程式MemTnLTU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：dtdJTTLem其中为系统的惯性转矩。dtdJ运动方程的实用形式：dtdnGDTTLem3752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。LemTT0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。emTn（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。LTnemTLT（3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。dtdnGD37522.2负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。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。nLT1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn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。nLTTLn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。LTnTLn12TL02.3他励直流电动机的机械特性2.3.1机械特性的表达式直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：)(emTfnememTeeTnTCCRCUn02由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：0'n0nNnnemTNT0T0n称为理想空载转速。实际空载转速020TCCRCUnTee2.3.2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：aNNRRUU,,emNTeaNeNTCCRCUn2由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。当T=TN时，n=nN，此点为电动机额定工作点，转速差Δn=n0-nN，为额定转速差。当n=0时，即电动机起动时，电磁转矩Tem=Ts，称为起动转矩。1、电枢串电阻时的人为机械特性保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性NNUU,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR0nnaRemT特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。0n二、人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。UaR故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。2、降低电枢电压时的人为机械特性保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：NaRR,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU101n0nnNUemT特点：1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUU因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。3、减弱励磁磁通时的人为特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：NaUURR,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0n注：他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。2.3.3机械特性求取一、固有特性的求取),0(0nnTem),(NNemnnTT已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。NNNNnIUP,,,具体步骤：（1）估算:aR2)32~21(NNNNaIPIUR（2）计算:NTNeCC和NeNTCC55.9（3）计算理想空载点：NeNemCUnT0,0（4）计算额定工作点：NNNTNnnICT,NNNNenRIUCa二、人为特性的求取在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。emTnn0SRU0n2.4他励直流电动机的起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。aNststTstRUIICT起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。0n起动时由于转速，电枢电动势，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。0aEaR一、起动过程2.4.1电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S二、分组起动电阻的计算设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR二、分组起动电阻的计算（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；aR1T1I（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；m（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：maNRIU1取整数m（5）计算转矩:12TT，校验：LTT)3.1~1.1(2如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤：2.4.2降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。2.5他励直流电动机的制动2.5.1概述1、制动的目的：1）使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）2、制动的方式：1）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸）2）电磁制动：当电磁转矩Tem与n的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当Tem与n方向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状态（本质）。a)能耗制动b)反接制动c)回馈（再生）制动注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。2.5.2能耗制动在电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势Ea方向不变。由Ea产生的电枢电流IaB的方向与电动状态时Ia的方向相反,对应的电磁转矩TemB与Tem方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBTP1=UIa=0P2=T2Ω=TemΩ0（忽略空载转矩）能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的机械能转换成电能，消耗在制动电阻上。能耗制动时的机械特性方程为：ememNTeBaTTCCRRn02CBn0naRA0LTemT电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是NBaaaBIIRREI)5.2~2(max能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小,制动转矩也不断减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。BRBR即aNaBRIER)5.2~2(其中为制动瞬间的电枢电动势。aECBn0naRA0LTemTC’B’2.5.3反接制动电压反接制动时接线如图所示。1、电源反接制动U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反接制动时，将开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻RB后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：BaaBaaaBRREURREUI反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电源反接制动。机械特性方程为：ememNTeBaNeNTnTCCRRCUn02曲线如图中所示。BC工作点变化为：。CBA01aUIP制动过程中,、、均为负，而、为正。UaIemTnaE022emTTP,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路制动电阻上。emT0nCBn0naRA0LTLTDE2、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。BaRRCBn0naRA0LTemTBTDKT电枢回路串入较大电阻后特性曲线BR正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点制动时在电路串入一个大电阻。nT+-+-EaRIaaU+aUnT--Ea+aU倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有020LNTeBaTCCRRnn倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。BaRRCBn0naRA0LTemTBTDKT可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。2.5.4回馈制动回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现nn0情况，此时EaU，Ia反向，Tem反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态（P1=UIa0、P2=TemΩ0）。稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈Bn0nA0LTemTLT0n当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动Bn02nA0LTemT1U01nCnAn2UC12UU制动过程为段。02Bn2、增磁调速时产生的回馈制动Bn02nA0LTemT101nCnAn2C12制动过程为段。02Bn回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动