Unit 1 直流電機

Unit 2 ……

Unit 2 直流電機的電力拖動系統(tǒng)

前言

1. 電力拖動系統(tǒng)的概念

(1)基本概念

(2)特點

(3)典型的電力拖動系統(tǒng)

2. 電力拖動系統(tǒng)

(1)運動方程

(2)負載的轉矩特性

(3)穩(wěn)定運行的條件

(4)調速

3. 他勵直流電機

(1)機械特性

(2)固有機械特性

(3)人為機械特性

(4)他勵直流電動機的起動

(5)他勵直流電動機的制動

(6)直流他勵電動機的調速

1. 電力拖動系統(tǒng)的概念

(1)基本概念

拖動：原動機帶動生產機械運動。

電力拖動：用電動機作為原動機的拖動方式。

電力拖動系統(tǒng)由電動機、生產機械的傳動機構、工作機構、電動機的控制設備以及電源這五部分組成。

(2)特點

電能易于生產、傳輸、分配;

電動機類型多、規(guī)格全、具有各種特性，能滿足各種生產機械的不同需求;

電動機損耗小、效率高、具有較大的短時過載能力;

電力拖動系統(tǒng)易于控制、操作簡單、便于實現自動化。

(3)典型的電力拖動系統(tǒng)

單軸電力拖動系統(tǒng)：最簡單的系統(tǒng)，電動機轉軸與生產機械的工作機構直接相連，工作機構是電動機的負載，電動機與負載同一根軸，同一轉速。

多軸電力拖動系統(tǒng)：電動機轉軸必須通過傳動機構多根轉軸的傳動才能帶動生產機械運動。

多機系統(tǒng)：少數場合，還有兩臺或多臺電動機來帶動一個或多個工作機構，稱之為多電動機拖動系統(tǒng)。

2. 電力拖動系統(tǒng)

(1)運動方程

1) 運動方程求解

① 單軸拖動系統(tǒng)運動方程

電動機上有兩種轉矩：一是拖動電機旋轉的電磁轉矩 Tem，一是阻礙電機旋轉的負載轉矩 TL(TL = T2 + T0，T2 為負載輸出轉矩，T0 為空載損耗轉矩)。電動機電磁轉矩 Tem 與 轉速 n 同向，負載轉矩 TL 與 Tem 方向相反。由牛頓第二定律得拖動系統(tǒng)運動方程：

式中，J 為電動機軸上的總轉動慣量(kg●m2)，ω 為電動機轉子角速度(rad/s)。

在工程計算中，常用 n 代替 Ω 表示系統(tǒng)速度(Ω = 2πn/60)，用飛輪力矩 GD2 代替 J 表示系統(tǒng)機械慣性(J = mρ2 = G/g * (D/2)2 = GD2/4g)，于是化簡上式得單軸拖動系統(tǒng)運動方程：

式中，GD2 為飛輪矩(N●m2)，375 為具有加速度量綱的系數(m/s2)

② 多軸系統(tǒng)的運動方程式

研究對象：把生產機械連同它的傳動機構 ===> 電動機直接聯接的機構負載。根據能量守恒，將各傳動軸上的 GD2 與 TL 折算到電動機的軸上，就等效成了單軸系統(tǒng)。

折算原則：等效單軸系統(tǒng)所傳送的功率與所儲存的動能跟實際多軸系統(tǒng)相同。

2)根據運動方程判斷系統(tǒng)運動狀態(tài)

Tem > TL ，dn / dt > 0，n 增大，系統(tǒng)加速;

Tem = TL ，dn / dt = 0，n = 0 或 n = 常數，系統(tǒng)勻速;

Tem < TL ，dn / dt < 0，n 減小，系統(tǒng)減速。

我們把勻速狀態(tài)叫做電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行，把加速或減速狀態(tài)叫做電力拖動系統(tǒng)的暫態(tài)。

3)正方向判斷

運動方程式的一般形式如下：

首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規(guī)定：

電磁轉矩 T 與轉速 n 的正方向相同時為正，相反時為負;

負載轉矩 TL 與轉速 n 的正方向相同時為負，相反時為正;

慣性轉矩 GD2 / 375 * dn/dt 的大小和正負號;由 T 和 TL 的代數和確定。

(2)負載的轉矩特性

不同生產機械的負載轉矩 TL 隨轉速 n 變化規(guī)律不同，用負載轉矩特性 n = f(TL)來表征。

各種生產機械的特性大致分為三種類型：

恒轉矩負載特性：TL = 常數，大小與轉速 n 無關。

① 反抗性恒轉矩負載：大小與速度無關，方向始終與轉向相反(摩擦：皮帶傳輸、機床、軋鋼機、高鐵)。

② 位能性恒轉矩負載：負載轉矩由重力作用產生，大小和方向始終不變(起重機、電梯)。

恒功率負載特性：負載的功率 Pz 不隨轉速 n 變化，即轉速與轉矩的乘積為常數。適用于金屬切削車床，索引。

P = T * Ω = 常數 → T * n = 常數

通風機型負載特性(泵類負載特性)：轉矩的大小與轉速的平方成正比，即 TL = kn2 。適用于電扇、水泵、油泵等。

以上三類是典型的負載特性，實際生產機械的負載特性常為幾種類型負載的綜合。

(3)穩(wěn)定運行的條件

在生產機械運行時，電動機的機械特性(n = f(T))與生產機械的負載轉矩特性是同時存在的。將它們的特性在同一坐標系中表示如下：

電動機的機械特性 —— 電動機 Tem 與 n 的關系：n = f(Tem)

負載轉矩特性 —— 負載 TL 與 n 的關系：n = f(TL)

我們把 Tem - TL 稱為動轉矩

當動轉矩大于或小于零時，n ≠ 常數 —— 動態(tài)過程;

當動轉矩等于零時，n = 常數 —— 穩(wěn)定運行

產生動態(tài)過程的原因：

機械慣性 —— 反應在系統(tǒng)的飛輪慣性上，使轉速不能突變。

電磁慣性 —— 反應在電樞回路電感及勵磁回路電感上，分別使電樞電流和勵磁電流不能突變，從而使磁通不能突變。

熱慣性 —— 使電動機的溫度不能突變。

如何使系統(tǒng)穩(wěn)定運行?

首先看這樣一個實驗，在一個凸曲面上放一個小球使它穩(wěn)定，當給它一個外力，小球便不再平衡;而在一個凹曲面同樣實驗，小球是平衡且穩(wěn)定的。所以平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件，但不是充分條件。維持小球穩(wěn)定的兩個條件是平衡且有抗干擾能力。

機械特性和負載轉矩特性有一個交點，Tem = TL，是平衡點。我們來看下面兩種情況：

由此繼續(xù)分析：

可得出電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件：

① 必要條件：電動機機械特性與負載特性有交點：Tem = TL。

② 充分條件：在交點處滿足：dT/dn < dTL/dn

(4)調速

1)調速特性

調速：在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電路參數，以改變電動機的穩(wěn)定轉速。

調速方法：

機械調速：電動機 n 不變，改變傳動機構的速比。

電機調速：人為改變電動機的參數，使同一個機械負載得到不同的轉速。

2)技術指標

調速范圍 D：額定負載下，電機可能運行的最高轉速 nmax 與最低轉速 nmin 之比。

nmax 受電機的機械強度限制，直流電機還會受到換向的限制。一般為電機的額定轉速。

nmin 受穩(wěn)定性和靜差率限制。

靜差率(轉速變化率)δ：電動機從理想空載轉速 n0 到帶額定負載時轉速的變化率。

工程上用靜差率 δ 來衡量相對穩(wěn)定性，機械特性硬，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性就越高。

調速范圍 D 與靜差率 δ 是相互制約的：

若使調速范圍大一些，則最低速要調的小一些，但靜差率會增大;若使靜差率小一點，則需要將最低速調大一點，但調速范圍會變小。

調速平滑性 φ：相鄰兩級轉速之比。

φ 越接近 1的電力拖動裝置，其調速平滑性越好，工程上稱為無極調速;φ 越大的電力拖動裝置，其調速平滑性越差，稱為有級調速。

3)經濟指標

經濟指標決定了調速系統(tǒng)的設備投資及運行費用。

在滿足一定技術指標的情況下確定調速方案時，力求設備投資少，電能損耗小，操作維修方便。

3. 他勵直流電機

剛才討論了直流電機負載轉矩和轉速的關系 —— 機械特性 n = f(TL)，現在以他勵直流電機為例來討論他勵直流電機電磁轉矩和轉速的關系 —— 機械特性 n = f(Tem)。下圖為他勵直流電動機的電路圖：

Ra：電樞回路電阻?Ia：電樞電流?Ea：感應電動勢?If：勵磁電流→φ?Tem：電磁轉矩?n：電機轉速?T2：輸出轉矩?T0：空載轉矩

(1)機械特性

n = f(Tem)是電動機最重要的特性，反映了電動機本身帶負載的能力。是研究電動機啟動、制動、調速等工作過程的重要基礎。

1)機械特性一般表達式的推導

當U、φ、Ra 一定時，機械特性表達式為直線方程，可將上式寫成如下形式，機械特性曲線圖如上所示。

2)四個特殊點：

理想空載點 A(0，n0)，T2 = 0 → T0 = 0 ，Tem = 0 ，可得理想空載轉速

實際空載點 B(T0，n’0)，T2 = 0，T0 ≠ 0 → Tem = T0，可得實際空載轉速

啟動點 C(Tk， 0)，n = 0，電機起動;Ik 為起動電流;T = Tk 為起動轉矩，可得起動轉矩

工作點 D(TL，n)，電機帶負載工作，T2，T0 ≠ 0，Tem = TL = T2 + T0，可得穩(wěn)定運行點轉速

3)機械特性的斜率 β

由 n = n0 - βTem

β↑?→?特性下垂多 —— 軟特性

β↓?→?特性下垂少 —— 硬特性

機械特性的軟硬，表明當電動機負載增大時，轉速下降的程度。

4)轉速降 △n

Ra = 0 → β = 0 → n = n0

Ra ≠ 0 → β ≠ 0 → n ↓

由上分析可知 Ra 是引起轉速下降的原因，轉速降就是理想空載轉速和電動機工作轉速的差值，即 △n = n0 - n。

意義：電樞回路的通損耗以轉速降的形式表現出來了。

(2)固有機械特性

1)固有機械特性：在 U = UN，If = IfN，電樞回路不串電阻條件下，得到的機械特性叫固有特性(自然特性)。固有機械特性方程式如下：

2)特點：

電樞回路的電阻很小，固有機械特性是一條略微向下傾斜的直線 —— 硬特性。

當 Tem = 0 時，電機轉速為理想空載轉速，n0N = UN /(CeφN)。

隨著負載的增加，Tem 增大，△n 增加，電機轉速 n 略下降，點電機帶額定負載(Trm = TN)時，△n = △nN。電機的轉速為額定轉速 nN。

△nN = n0N - nN = n0N - βTemN

3)固有機械特性繪制(計算)

已知電動機銘牌，PN、UN、IN、nN，繪制機械特性曲線。

① 工程計算電樞電阻 Ra：

② 求理想空載轉速 n0

③ 求電磁轉矩 TN

④ 求斜率 β = (n0 - nN) / TN

(3)人為機械特性

1)人為機械特性：在電源電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻三個條件中，只要改變其中一個，得到的機械特性稱為人為機械特性。

電樞回路串電阻 Rad 的人為機械特性

與固有特性比較：

① n0 不變

② β 變大

軟特性?？梢源娮铚p速。

降低電樞電壓的人為特性

與固有特性比較：

① n0 變小

② β 不變

硬特性。可以降壓減速。

減小磁通的人為機械特性

與固有特性比較：

① n0 增大

② β 變大

軟特性?？梢詼p小磁通增速。

(4)他勵直流電動機的起動

1)起動過程：電動機組(電動機 + 生產機械)從靜止到穩(wěn)定運行的過程。

起動瞬間：應該將勵磁回路短路(勵磁電阻為零)，If 最大，使磁場強度增大，從而使電動機滿磁通啟動，使轉矩增大，加快轉子啟動時間，直到轉速達到轉速額定值。也由于電樞回路中負載電阻很小，Ia 很大，隨著感應電動勢的增大，使 Ia 逐漸減小，電流也達到額定值，防止燒壞換向器。φ ≠ 0，n = 0， Ea = 0，可得：

如果啟動時，U = UN，且 Rc = 0，稱為直接啟動，則 Ia = UN / Ra . 由于 Ra 很小，所以沖擊電流很大，可達額定電流的 10 ~ 20 倍，T ≈ (10 ~ 20)TN，過大的啟動電流會使換相片表面產生強烈的火花，從而燒壞換向器和損壞繞組，故一般只容許小容量電機直接啟動。

2)沖擊電流和轉矩過大的影響：

換向惡化，出現強烈火花甚至環(huán)火;

電樞受到電磁力而損壞繞組;

引起電網的電壓波動，影響同一電網上其他電氣設備的正常工作;

T 過大，轉矩沖擊可能損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構。

3)啟動要求：

限制啟動電流，一般要求啟動初瞬的 Ia 不超過 IN 的 1.5 ~ 2 倍(兩種方法：① 降低端電壓;② 串入電樞電阻?| 前提是滿勵磁啟動);

有足夠大的電磁轉矩且 T > TL ，使系統(tǒng)獲得較大的加速度而順利起動。

4)兩種限制啟動電流的方法

降壓啟動：電壓從小逐漸增大加壓。如下圖電壓逐漸增大，使電動機從點 a→b→c→…→k 加速到 p 點，電機穩(wěn)定運行，起動過程結束。

優(yōu)點：起動平穩(wěn)，能量損耗小。

缺點：系統(tǒng)復雜，所以多用于經常起動的場合和大中型電動機的啟動、直流伺服系統(tǒng)。

計算：Ia = U/Ra ≈ (1.5 ~ 2)IN??T = CMφIa ≈ (1.5 ~ 2)TN

串電阻啟動：用幾個電阻來分級起動，啟動電阻分段數目越多，啟動加速過程越平滑，啟動時間越短，但段數也不宜過多，應根據實際情況分析。如下圖為分三級起動的示意圖。

設計電阻：保證切換時每一級的Imax 為最大啟動電流 I1(I1 = (1.5 ~ 2)IN )，而切換電流為 I2(I2 = (1.1 ~ 1.2)IN )，使電機有較大而且均勻的加速度，又不會因啟動電流過大而造成的危害。

(5)他勵直流電動機的制動

1)制動：電機的轉速能從高速通過制動變成低速或下降到零。最簡單的方法就是斷開電樞電源，在總負載轉矩下，轉速逐漸下降為零，稱為“自由停車”。但時間較長，尤其是在空載時，所以實際中更需要快速停車(降速)，這就要求在電機的軸上加一個與轉向相反的制動轉矩。

機械制動，用機械動作剎車，依靠摩擦力

抱閘制動，采用電磁制動器

電氣制動，依靠電動機本身產生一個與轉向相反的電磁轉矩(電機多采用這種制動方法，這里只說明電氣制動狀態(tài)的物理過程、能量關系以及機械特性和參數之間的關系。)

2)制動狀態(tài)判定：電機是電動還是制動狀態(tài)僅僅取決于電磁轉矩與轉速的方向是否一致，與電機是否加速、電機正轉還是反轉、負載轉矩的方向等都無關。制動狀態(tài)工作在二、四象限，如下圖所示：

3)制動狀態(tài)的運行特點：

電動機吸收機械能，轉化為電能(消耗在電機內部或反饋回電網)。

T 與 n 方向相反，起制動作用。

4)兩類制動方法：

① 快速停車(保持 n 方向不變，改變 Tem 方向)：制動時 n 的方向與電動狀態(tài)時方向相同，由 T = CMφIa → 改變 Ia 的方向，來改變 T 的方向。

能耗制動： 勵磁不變，把電動機的電樞脫離電網，而經過一個電阻 Rz 閉合，如下圖所示。

參數：φ = φN，U = 0，R = Ra + Rz，Ia = -Ea / (Ra+Rz) = - CeφNn / (Ra+Rz)

運行過程：制動瞬間，n 不變，Ia<0，T<0，系統(tǒng)在Tz 與 T 共同制動下減速，直至停車。

制動過程中，電動機實際成為一臺他勵直流發(fā)電機，把機械能轉化為電能，消耗在電樞回路上，所以稱為能耗制動。

電源反接制動

正向回饋制動

② 位能性負載穩(wěn)速下放(保持 Tem 方向不變，改變 n 方向)：制動時 n 的方向與電動狀態(tài)時方向相反，Ia 的方向與電動狀態(tài)時方向相同(負載轉矩由重力作用產生，方向始終不變)。

電動勢回饋制動(倒拉反接制動/轉速反向制動)：|n| < |n0|

反向回饋制動：|n| > |n0

5)對電氣制動的要求：

有足夠大的制動轉矩。

制動電流一般為 2 ~ 2.5 倍的額定電流。

(6)直流他勵電動機的調速

直流電動機不僅有良好的起動、制動性能，而且具有非常良好的調速性能，可以在重負載條件下，實現均勻、平滑的無極調速，而且調速范圍較寬，在工程上還是有用武之地的。

1)直流調速：直流電動機在一定負載條件下，根據生產機械要求，人為調節(jié)電動機轉速的過程。

2)調速方法及原理

電樞回路串電阻調速

工作條件：保持勵磁 φ = φN，電壓 U = UN，恒轉矩 TL = 常數

轉速調節(jié)過程：電樞回路串電阻 R = Ra + Rc，電阻 R↑ → n0 不變 → n↓

機械特性：電樞回路電阻 R 增大，理想空載轉速不變，機械特性曲線斜率增大，機械特性變軟。

調速性能：① 調速時 n0 不變，機械特性曲線斜率變大，機械特性變軟，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差;

② 只能進行有級調速，調速平滑性差;

③ 電樞回路串電阻能量損耗大，電阻不能串太大，因此轉速變化的范圍有限，調速范圍小。

調速方向：電阻增大則轉速下降，因此 n 只能下調，即調速方向向下。

調壓調速

工作條件：保持勵磁 φ = φN，電阻 R = Ra，恒轉矩 TL = 常數

轉速調節(jié)過程：改變電壓 UN → U1↓ → n01↓ → n↓

機械特性：電壓下降，理想空載轉速減小，機械特性斜率不變，曲線平行下移。

調速性能：① 調壓時，盡管電壓降到很低，但機械特性硬度不變，說明調速的穩(wěn)定性好;

② 電壓可以調節(jié)得很低，轉速也可以調節(jié)至低轉速，調速范圍大;

③ 電壓可以連續(xù)調節(jié)，轉速也就可以連續(xù)調節(jié)，因此屬于平滑調速，可以實現無極調速。

調速方向：電壓的調節(jié)只能從額定值減小，因此降壓調速時的機械特性都是在固有特性之下，轉速也是從額定轉速降低，稱為調速方向向下。因此對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，降壓調速方法最好。

弱磁調速

工作條件：保持電壓 U = UN，電阻 R = Ra，恒轉矩 TL = 常數

轉速調節(jié)過程：調節(jié)勵磁 If，磁通從 φN 減弱 → φ1↓ → n01↑ → n↑

機械特性：磁通減小(磁通不能過小)，理想空載轉速升高，機械特性斜率增大，曲線變軟。

調速性能：① 機械特性斜率絕對值隨磁通下降而增大，機械特性變軟1，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差;

② 磁通一般從額定值向下調，轉速則從額定值向上升，轉速的最高速受限，故調速范圍小;

③ 勵磁電流可以連續(xù)調節(jié)，磁通連續(xù)變化，調速平滑性好。

調速方向：弱磁調速在固有特性之上進行，轉速上升，故調速方向向上。

3)調速特點：

調壓調速，適用在 0 ~ 基速范圍內調速，但受額定電壓限制，不能達到電動機的最高轉速;

弱磁轉速，適用在基速以上，不能得到電動機的較低轉速;

將弱磁和降壓兩種方法結合，降壓減速，弱磁升速。適用在調速范圍大的情況。這是直流電動機最完善的調速方式。

下圖為三種調速方法的調速性能比較：