李發(fā)海電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)第四版第四章

1、 第四章第四章 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行4.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 為了產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并限制過(guò)高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，應(yīng)使每極磁通為額定值，即勵(lì)磁電流為額定值。且僅防勵(lì)磁回路開(kāi)。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)加額定電壓直接啟動(dòng)，此時(shí)由于速 ，反電勢(shì) ，則啟動(dòng)電流 ，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生過(guò)大的電流，導(dǎo)火花過(guò)大甚至拉弧，損壞電刷和換器；還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖。除小電機(jī)外，一般不允許直接啟動(dòng)。41.1 電樞回路串電阻啟動(dòng)電樞回路串電阻啟動(dòng)電樞回路串電阻 R ，啟動(dòng)電流為0n 0aE NaNaUIIRStNSSTCITNSaUIRR 串入電阻的大小依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩而定。為了保持在啟動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩持

2、續(xù)較大和電樞電流持續(xù)較小，可逐段切斷啟動(dòng)電阻進(jìn)行動(dòng)。如圖4.1所示。LT圖 4.11 電樞回路串電阻啟動(dòng)4.1.2 降電壓?jiǎn)?dòng)降電壓?jiǎn)?dòng)降低電壓時(shí)，啟動(dòng)電流為 ，電壓的大小根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)條件而定。為了保持在啟動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩持續(xù)較大和電樞電流持續(xù)較小，可逐漸升高電壓，直至 ，如4.2。aaUIRNU圖 4.2 降壓?jiǎn)?dòng)圖中A點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。 4.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 4.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 1.電樞串電阻調(diào)速 保持電源電壓與磁通為額定值不變，在電樞回路中串入不同電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)LatNTIC圖4.3 電樞回路串電阻調(diào)速運(yùn)行于不同

3、轉(zhuǎn)速，如圖4.3 所示。 串電阻調(diào)速，電機(jī)在不同速度下運(yùn)行時(shí)，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩變，電樞電流也不變。因?yàn)?電樞串電阻調(diào)速的缺點(diǎn)是損耗大，串電阻越大、速度越低、損耗越大。 2. 2. 降低電源電壓調(diào)速降低電源電壓調(diào)速保持磁通為額定值，電樞回路不串電阻，降低電樞電壓的調(diào)速如圖4.4所示。圖中的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，降低電壓時(shí)，電 機(jī)工作在不同轉(zhuǎn)速上。同理，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電樞電流就不變。由于降壓調(diào)速的機(jī)械特性為一組硬度較大的平行線，低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性好，速度調(diào)節(jié)平滑，故廣泛運(yùn)用圖4.4 降低電源電壓調(diào)速在直流拖動(dòng)系統(tǒng)中。3.弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速 保持電機(jī)電壓不變，電樞回路不串電阻，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大的情況下，降低

4、直流電動(dòng)機(jī)磁通，可使直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的圖4.5 弱磁調(diào)速機(jī)械機(jī)械特性如圖4.5所示。弱磁升速中，最高轉(zhuǎn)速受換向器和機(jī)械強(qiáng)度限制，一般不超過(guò) 1.2 。 在直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，廣泛用降電壓向下調(diào)速及減弱磁通向上調(diào)速的雙向調(diào)速法，以獲取較寬的調(diào)速范圍。Nn4.2.2 4.2.2 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速 在調(diào)速過(guò)程中，保持點(diǎn)樞電流和每極磁通為額定值（即電磁轉(zhuǎn)矩為額定值），稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 保持電樞電流為額定值，采用弱磁調(diào)速，此時(shí)雖然轉(zhuǎn)矩小，但轉(zhuǎn)速變高，而功率保持不變，稱恒功率調(diào)速。4.2.3 調(diào)速的性能指標(biāo)調(diào)速的性能指標(biāo)1. 1.調(diào)速范圍與靜差率調(diào)速范圍與靜差率

5、在額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用 D 表示。即 (4-3) 靜差率 又稱轉(zhuǎn)速變化率，是指電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù) maxminnDn載時(shí)的轉(zhuǎn)速變化率，用 表示，即 （4-4）由式（4-4）可知，靜差率與以下兩個(gè)因素有關(guān)。（1）與轉(zhuǎn)速降落有關(guān)。 由圖 4.7 可知，固有機(jī)械特性的轉(zhuǎn)速降落 較小，而人為機(jī)械特性的轉(zhuǎn)速降落 較大，即人為機(jī)械特性比固有機(jī)械特性的靜差率大。若串最大電阻時(shí)機(jī)械特性的靜差率滿足要求， 則其他特性上的靜差率都能滿足要求。則在串最大電阻的機(jī)械特性上 時(shí)的轉(zhuǎn)速，就是串電阻調(diào)速的最低轉(zhuǎn)速 ，而 就是最高轉(zhuǎn)速 。（2）與理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)。機(jī)械特性硬

6、度一定時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速越高，靜差率越小。00minnnnnn nNnNTTminnNnmaxn在圖 4.8 的降壓調(diào)速機(jī)械特性中，當(dāng) 時(shí)，兩條特性的轉(zhuǎn)速降落相同，但兩條特性的靜差率卻不同，顯然低電壓特性的靜差率大。故在降壓調(diào)速中，只要電壓最低的機(jī)械特性的靜差率滿足要求，其他各條特性都能滿足要求。這條電壓最低機(jī)械特性在 時(shí)的轉(zhuǎn)速為最低轉(zhuǎn)速 ，而 為最高轉(zhuǎn)速 。 NTTNTTminnmaxnNn圖4.7 電樞串電阻調(diào)速的靜差率與調(diào)速范圍圖 4.8 降電源電壓的靜差 率與調(diào)速范圍 調(diào)速范圍與靜差率是兩互相制約的指標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)靜差率與調(diào)速范圍兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)選擇調(diào)速方法。 2. 調(diào)速的平滑性調(diào)速

7、的平滑性 有級(jí)調(diào)速的平滑性用平滑系數(shù) 表示，其定義為，相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速中，高一級(jí)轉(zhuǎn)速與低一級(jí)轉(zhuǎn)速之比，即 ， 越小，平滑性越好。當(dāng) 時(shí)，成為無(wú)級(jí)調(diào)速。 3. 3. 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性主要指調(diào)速設(shè)備的初投資、調(diào)速的電能損耗和運(yùn)行時(shí)的維修費(fèi)用等。 以上所述他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的三種調(diào)速方法的性能比較，請(qǐng)見(jiàn)課本表4.1 。1iinn 4.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)運(yùn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)運(yùn)行 電動(dòng)機(jī)在負(fù)載特性與機(jī)械特性的交點(diǎn)上的恒速運(yùn)行，稱為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；在工作點(diǎn)之外的機(jī)械特性上的運(yùn)行時(shí)，稱為過(guò)度過(guò)程；他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有特性、人為特性和各類生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性都分布在直角坐標(biāo)的四

8、個(gè)象限內(nèi)。4.3.1 4.3.1 電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)運(yùn)行 1. 1.正向電動(dòng)運(yùn)行正向電動(dòng)運(yùn)行 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T0 ，轉(zhuǎn)n0這種運(yùn)行狀態(tài)稱為正向電動(dòng)運(yùn)行。由于圖4.9 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行1-固有特性 2-降壓人為特性 3-電源為( ) 的人為機(jī)械特性T 與 n 同方向，T 為拖動(dòng)性負(fù)載。在第一象限，如圖4.9 所示的 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)。表4.2 為直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率關(guān)系。 表表4.2 4.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的功率關(guān)系他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的功率關(guān)系 輸入輸入 電樞回路電樞回路 電磁功率電磁功率 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 輸出輸出 電功率電功率 總損耗總損耗 （電（電機(jī)機(jī)） 空載損

9、耗空載損耗 機(jī)械功率機(jī)械功率 MP2P0pCuap2()aaaaaUIIRRE I02TTT + + + + +2. 反向電動(dòng)運(yùn)行 拖動(dòng)反抗性負(fù)載，反向時(shí)工作點(diǎn)在第三象限如圖4.9 的C點(diǎn)。這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩 T0，轉(zhuǎn)速 n 0，轉(zhuǎn)速 n 0 , n 0 ，而轉(zhuǎn)矩T0，轉(zhuǎn)速 n0，且其絕對(duì)值大于 ，這種運(yùn)行狀態(tài)稱反向回饋制動(dòng)運(yùn)行。其功率關(guān)系與正向回饋制動(dòng)運(yùn)行完全一樣。 若他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載進(jìn)行反接制動(dòng)，當(dāng)n = 0，若不切電源，或抱閘 0n圖圖 4.18 反向回饋制動(dòng)運(yùn)行反向回饋制動(dòng)運(yùn)行制動(dòng)，則轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)，將過(guò)度到反接制動(dòng)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性的交點(diǎn)，如圖4.18 (b) 所示的 C點(diǎn)。這也

10、是反向回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。小結(jié)小結(jié)將四的象限的機(jī)械特性畫在一起如圖 4.19所示。第一、三象限為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，第二、四象限為制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中，一般都要在兩種以上狀態(tài)下運(yùn)行。因此要求掌喔電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)及相互間的過(guò)度過(guò)程。圖圖 4.19 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài) 4.4 直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 4.41 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)分析他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)分析 分析過(guò)渡過(guò)程時(shí)，忽略電磁過(guò)度過(guò)程，只考慮機(jī)械過(guò)度程，且假設(shè)： （1）電源電壓在過(guò)渡過(guò)程中恒定不變； （2）磁通 恒定不變； （3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)不變

11、。 下面以圖 4.20為例，從起始點(diǎn)A到穩(wěn)定點(diǎn) B的過(guò)渡過(guò)程。圖圖 4.20 機(jī)械特性上機(jī)械特性上ABB的過(guò)渡過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程1. 1. 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n n 的變化規(guī)律的變化規(guī)律 n=f (t)n=f (t) 設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 和 為常數(shù)，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)方程為： 按前述轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系有:上兩式聯(lián)立消去 T 得微分方程： 令 即得 (4-5)0nn20()375LGDdnnnTdt20375BGDdnnndtLMdnnnTdt2375LGDdnTTdt2GDLT2375MGDT 式（4-5）為非齊次常系數(shù)一階微分方程。通過(guò)求解得： (4-6) 將初始條件 t=0， , 代入（4-6）式得到： (4-7

12、)式（4-7）即為轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程關(guān)系式，其中 為穩(wěn)態(tài)分量， 為自由分量，曲線如圖4.21(a)所示。過(guò)渡函數(shù)的三個(gè)要素為起始值、穩(wěn)態(tài)值與時(shí)間常數(shù)。其中時(shí)間常數(shù)為： (4-8) 可見(jiàn)其大小不僅與 有關(guān)，還與電磁量 及 有關(guān)，固稱其為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。0FnnLn10()MTFLnn e222375375aMtGDRR GDTCeCaRRMMttCTTLnneKe0()MtTLFLnnnne2GD圖圖 4.21 過(guò)渡過(guò)程曲線過(guò)渡過(guò)程曲線 2. 2. 轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律 T = f ( t )T = f ( t )參閱圖4.20中機(jī)械特性與轉(zhuǎn)速的關(guān)系有： ( 4-9 ) 將式(4- 9)代入式(4-

13、7)化簡(jiǎn)得： (4-10)0nnT0LLnnT000FFnnT0()MtTLFLTTTTe顯然轉(zhuǎn)矩過(guò)渡式中也包含了一個(gè)穩(wěn)態(tài)值與一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的自由分量，見(jiàn)圖4.21（b）。 3. 電樞電流變化規(guī)律 Ia = f ( t ) 電流與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式為： （4-11） 將式（4-11）代入式（4-10）化簡(jiǎn)后得： (4-12)可見(jiàn)電樞電流也包括強(qiáng)制分量和自由分量?jī)刹糠?，如圖 4.21（c）所示。0tatLtFTCTCTCIII0()MtTaLFLIIIIe 4. 4. 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的計(jì)算過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的計(jì)算 圖 4.20 中X 為AB 中間的任意一點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 、對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為 、對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩為 。若

14、已知X點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 ，則可通過(guò)函數(shù) n = f (t) 及公式（4-7）求出時(shí)間 ，見(jiàn)圖 4.21(a)，即 (4-13) 同理，依據(jù)T= f (t) ,及X點(diǎn)的 ，求出 ，見(jiàn)圖 4.21(b)，即 （4-14） 同理，依據(jù) = f (t) ,及X點(diǎn)的 ，求出 ，見(jiàn)圖 4.21(c)，即 (4-15)4.4.2 4.4.2 啟動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程啟動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程XtXnXTXnXt0FLXM nXLnntT lnnXTXt0FLXM nXLTTtT lTTaIXt0FLXM nXLIItT lII 圖 4.22（a）為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一啟動(dòng)機(jī)械特性，將啟動(dòng)點(diǎn) A到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn) S的具體數(shù)據(jù)代入式（4-7）與式（

15、4-10）便得啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的n = f (t) 和 T= f (t) ，即 和 ，參閱圖 4.22（b）和（c）。 圖圖 4.22 啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程MtTAAnnn e()MtTLSLTTTTe4.4.3 能耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程能耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程 在分析過(guò)渡過(guò)程時(shí)，若電機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載特性不相交，則延長(zhǎng)負(fù)載特性使之相交，推出過(guò)渡過(guò)程，該交點(diǎn)稱謂虛穩(wěn)點(diǎn)虛穩(wěn)點(diǎn)。 在圖 4.23 (a)中，已知曲線1、2、3，系統(tǒng)飛輪矩及點(diǎn) A和點(diǎn) X，求從AX 的過(guò)渡過(guò)程。圖 4.23 機(jī)械特性上 AX 的過(guò)渡過(guò)程 解：將曲線2延長(zhǎng)與曲線1交于B點(diǎn)，參照式（4-5）可得： 該一階微分方程的通解為： LMdnnnT

16、dt(0)Xnn將初始條件代入解得： (4-16)根據(jù)式（4-16）畫出 n =f (t)曲線如圖4.23(b)中的實(shí)線部分。 為了區(qū)分穩(wěn)態(tài)點(diǎn)與虛穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，我們用AXB 表示實(shí)穩(wěn)態(tài)過(guò)程；用AX(B) 表示虛穩(wěn)態(tài)過(guò)程。 1. 拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載過(guò)程拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載過(guò)程 圖4.24(a)為直流電機(jī)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能耗制動(dòng)的機(jī)械性，其中曲線1為固有機(jī)械特性，曲線2為能耗制動(dòng)機(jī)械特性，曲線3為正轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)械特性，曲線4為反轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)械特性。顯然能耗制(0)Xnn(0)XnnMtTLnnKe0()MtTLFLnnnne動(dòng)的過(guò)程是 BO(C) ，虛穩(wěn)態(tài)點(diǎn)為C，將起始點(diǎn)與虛穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)代入式（4-7）和（4

17、-10）得： 和 。畫出曲線如圖4.24(b) 和 (c)所示。 將對(duì)應(yīng)點(diǎn)的值代入式（4-13）或式（4-14）即可求出能耗制動(dòng)所需的時(shí)間。 ()MtTCACnnnne(0)n ()MtTABATTTTe(0)T 圖圖4.24 拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)能耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)能耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程 2. 2. 拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的過(guò)程拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的過(guò)程 圖 4.25為他勵(lì)直流電機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載進(jìn)行能耗制動(dòng)的機(jī)械特性。若只考慮制動(dòng)停車，其過(guò)程為BO(C), C為虛穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。該 過(guò)程與反抗性負(fù)載一樣，其曲線如圖4.25(b)與(c)中的BO(C)段。圖圖 4.25 拖動(dòng)位能性負(fù)載時(shí)能

18、耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程拖動(dòng)位能性負(fù)載時(shí)能耗制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程 如果到O點(diǎn)時(shí)不采取停車措施，系統(tǒng)將進(jìn)入OD過(guò)程，負(fù)載特性變?yōu)榍€4，代入新的穩(wěn)態(tài)值得：見(jiàn)圖4.25(b)與(c)中的OD部分的實(shí)線。 4.4.4 4.4.4 反接制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程反接制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程 1.拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載過(guò)程 該系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程圖見(jiàn)圖 4.26 。圖中，曲線1為固有特性；曲線2為反接制動(dòng)機(jī)械特性；曲線3為正向轉(zhuǎn)矩特性；曲線4為反向轉(zhuǎn)矩特性。反接制動(dòng)停車時(shí)，過(guò)渡過(guò)程是BE()這一段，B為起MtTDDnnn eMtTDDTTT e始點(diǎn)，C為虛穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，E為制動(dòng)到轉(zhuǎn)速為零的點(diǎn)。其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的過(guò)渡關(guān)系式分別為：()MtTCACnnnne(0)n ()ET ()MtTABATTTTe圖圖 4.26 他勵(lì)反抗性負(fù)載時(shí)反