第23章直流电动机剖析课件

第23章 直流电动机了解串励直流电动机的工作特性；了解直流电动机的起动和制动方法。了解串励直流电动机的工作特性；了解直流电动机的起动和制动方法。掌握直流电动机基本方程式和他励直流电动机的工作特性。掌握直流电动机基本方程式和他励直流电动机的工作特性。掌握直流电动机调速方法。掌握直流电动机调速方法。正方向的规定：电枢电动势Ea与电流Ia方向相反 电磁转矩Tem与转速n方向一致（1）电势平衡式电枢回路：励磁回路：EaU他励并励:一、基本方程式 一、基本方程式（2）转矩平衡式em 022：输出转矩;0:空载制动转矩（3）功率平衡式方向与n同相电枢电流与主磁磁场作用作用产生生电磁磁转矩矩驱动电动机旋机旋转,与与n同向同向；电枢枢绕组感感应电势E与与电流流方向相反，称方向相反，称为反反电势。功率平衡式P1：输入电功率;Pem：电磁功率 这是电动机产生的总机械功率产生的总机械功率。电动机的电磁功率是指在能量转换过程中机械能与电能互相转换所对应电动机的电磁功率是指在能量转换过程中机械能与电能互相转换所对应的那部分功率的那部分功率。是电源输入到电动机的电功率并被转换成机械功率输出是电源输入到电动机的电功率并被转换成机械功率输出Rj=0时 产生电磁转矩产生电磁转矩,使电动机电枢旋转，并拖动机械负载。使电动机电枢旋转，并拖动机械负载。功率平衡式pmec：机械损耗;pFe:铁心损耗；pad：附加损耗并励电动机 并励电动机总损耗 发电机电枢回路内电阻总损耗 p0：空载损耗功率;他励电动机 功率和效率功率和效率功率平衡式：功率平衡式：效率：效率：直流直流电动机的功率平衡方程与机的功率平衡方程与发电机有相同的形式，机有相同的形式，电机可逆电机可逆 为电功率，输出功率为电功率，输出功率 为机械功率为机械功率前者输入功率前者输入功率为机械功率，输出功率为机械功率，输出功率 为电功率为电功率后者输入功率后者输入功率动态转矩平衡方程式动态转矩平衡方程式机组总负载制动转矩机组总负载制动转矩 J J机组旋转部分的转动惯量；机组旋转部分的转动惯量；惯性转矩惯性转矩 转子减速，子减速，转子匀速，子匀速，为驱动转矩为驱动转矩；转子加速子加速，为制动转矩为制动转矩；直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 一、他励电动机的工作特性一、他励电动机的工作特性1、速率特性、速率特性当电动机端电压当电动机端电压电动机转速电动机转速的函数关系的函数关系=常值，励磁电流常值，励磁电流与负载（通常用负载时电枢电流与负载（通常用负载时电枢电流称速率特性。称速率特性。为常值时为常值时，来表征来表征）称电动机的理想空载转速称电动机的理想空载转速 称电动机的实际空载转速实际空载转速 电动机空载时电动机空载时1、速率特性、速率特性他励并励他励并励转速调整率 对于他励并励电动机，通常基本上是一种恒速电动机 一般来说，电枢回路电阻压降的影响较电枢反应一般来说，电枢回路电阻压降的影响较电枢反应的影响为大，故其速率特性曲线略向下倾斜。的影响为大，故其速率特性曲线略向下倾斜。电枢反应去磁作用若在重负载下发生励磁绕组断开，将导致减小，电动机停转，反电势为零，电枢电流非常大，电机过热以致烧毁；1、速率特性、速率特性他励并励他励并励若在轻负载下发生励磁绕组断开，将导致电动机“飞速”，可能损坏电机。并励电动机运行时，励磁绕组不能断路。并励电动机运行时，励磁绕组不能断路。电枢反应去磁作用增大 2、转矩特性、转矩特性他励并励他励并励电动机的电磁转矩与负载电动机的电磁转矩与负载 当电动机端电压的函数关系（通常用负载时电枢电流称转矩特性。=常值，励磁电流为常值时，来表征）4、机械特性、机械特性他励他励电动机的转速与电磁转矩的函数关系电动机的转速与电磁转矩的函数关系当电动机端电压当电动机端电压=常值，常值，称为直流电动机的机械特性称为直流电动机的机械特性。励磁回路和电枢回路电阻保持不变时，励磁回路和电枢回路电阻保持不变时，、或时的机械特性，称为称为人工机械特性人工机械特性。且电枢回路不串调节电阻，称为自然机械特性自然机械特性或固有固有机械特性机械特性时的机械特性 4、机械特性、机械特性他励他励、4、机械特性、机械特性他励他励、他并励电动机的自然机械特性很接近水平线。这时，因增加而引起的下降并不多。这种特性称为硬特性硬特性。串串电阻、弱磁人工机械特性阻、弱磁人工机械特性较自然机械特性自然机械特性软 改变端电压的人工机械特性其硬度不变改变端电压的人工机械特性其硬度不变他励直流电动机的机械特性1）电枢串电阻时的人为特性 保持 不变，只在电枢回路中串入电阻 的人为特性：特点：（特点：（1 1）n n0 0不变，不变，变大；变大；（2 2）R Rj j越大，特性越软。越大，特性越软。Tem他励直流电动机的机械特性2）降低电枢电压时的人为特性 保持 不变，只改变电枢电压 的人为特性：特点：（特点：（1 1）n n0 0 随随 U U 变化；变化；（2 2）U U 不同，曲线是一组不同，曲线是一组 平行线。平行线。Tem他励直流电动机的机械特性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：特点：（特点：（1 1）弱磁，）弱磁，n n0 0 增大；增大；（2 2）弱磁，）弱磁，增大增大TK1TK2TemTK二、串励电动机的工作特性二、串励电动机的工作特性Rj=0,If=Ia当当电机磁路机磁路线性性时，较大时，磁路饱和，磁通增加不较大时，磁路饱和，磁通增加不多，下降程度变小多，下降程度变小 双曲双曲线但但1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性当当电机磁路机磁路线性性时，将导致转速非常高，从而引起危险，俗称将导致转速非常高，从而引起危险，俗称“飞车飞车”。串励电动机在空载或轻载时串励电动机在空载或轻载时 1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性当当电机磁路机磁路线性性时，串励电动机在空载或轻载时，磁通很小串励电动机在空载或轻载时，磁通很小，电枢必须以非常高的转速才能产生足够的电枢必须以非常高的转速才能产生足够的电势，来与电网电压相平衡。电势，来与电网电压相平衡。因此，串励电动机不允许空载运行。因此，串励电动机不允许空载运行。通常规定串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱通常规定串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，应使用齿轮等传动。的传动机构，应使用齿轮等传动。电动机机负载时的的转速速 转速调整率转速调整率 2、串励电动机的串励电动机的转矩特性转矩特性 当当电机磁路机磁路线性性时，若磁路高度若磁路高度饱和，和，则 基本不变基本不变，在一般情况下，电磁转矩按大于电流一次方的比例增加。在一般情况下，电磁转矩按大于电流一次方的比例增加。串励电动机起动和过载时串励电动机起动和过载时Ia较大较大,电磁转矩较大电磁转矩较大,具有较大的起动转矩具有较大的起动转矩和过载能力和过载能力.当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些特点特别适用于电力机车等场合。特点特别适用于电力机车等场合。为了克服空载时发生为了克服空载时发生“飞车飞车”现象，又保持串励电动机的优点，通常采用复励电动机。现象，又保持串励电动机的优点，通常采用复励电动机。3、串励电动机的串励电动机的机械特性机械特性、当电机磁路线性时，3、串励电动机的串励电动机的机械特性机械特性、当当电机磁路机磁路线性性时，这是一条双曲线。可见，当负载转矩增大时，转速下降很快。这是一条双曲线。可见，当负载转矩增大时，转速下降很快。故串励电动机的机械特性很软；故串励电动机的机械特性很软；当当电机磁路机磁路饱和和时，转速下降的程度减小，但其机械特性仍较软转速下降的程度减小，但其机械特性仍较软 三、复励电动机的工作特性三、复励电动机的工作特性复励电动机同时具有并励绕组和串励绕组，复励电动机同时具有并励绕组和串励绕组，其工作特性介于并励和串励电动机两者之间。其工作特性介于并励和串励电动机两者之间。为避免运行时产生不稳定现象，通常采用为避免运行时产生不稳定现象，通常采用积复励积复励。三、复励电动机的工作特性三、复励电动机的工作特性并励绕组起主要作用时，其工作特性接近于并励电动机。并励绕组起主要作用时，其工作特性接近于并励电动机。但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特性，以但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特性，以保证电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为保证电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为“稳定绕组稳定绕组”；串联绕组起主要作用时，串联绕组起主要作用时，其工作特性接近于串励电动机。其工作特性接近于串励电动机。但空载时不会出现但空载时不会出现“飞车飞车”危险。危险。23.3 23.3 他励直流电动机的起动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。定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他为了限制起动电流，他励励直流电动机通常采用电枢回路串电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。阻或降低电枢电压起动。起动时由于转速起动时由于转速 ，电枢电动势，电枢电动势 ，而且电枢电阻，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。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；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。机不允许直接起动。23.3 他励直流电动机的起动一、起动过程23.3.1 电枢回路串电阻起动二、分组起动电阻的计算23.3.1 电枢回路串电阻起动 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得：在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:二、分组起动电阻的计算二、分组起动电阻的计算23.3.1 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；（2 2）根据过载倍数选取最大转矩根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；（3 3）选取起动级数选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比：取整数取整数（5 5）计算转矩）计算转矩:，校验：校验：如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止。值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：23.3.2 降压起动降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。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。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。过程能量损耗小，因此得到广泛应用。23.4 23.4 他励直流电动机的调速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机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。他励他励直流电动机的转速为直流电动机的转速为电气调电气调速速方法：方法：1.1.调压调速；调压调速；2.2.电枢串电阻调速；电枢串电阻调速；3.3.调磁调速。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，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。则不能称为调速。23.4 他励直流电动机的调速一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rj1未串电阻时的工作点串电阻Rj1后,工作点由AAB2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速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。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速优点优点：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,所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小；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。缺点缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法二、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。2.4 他励直流电动机的调速二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速优点优点：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。缺点缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。2.4 他励直流电动机的调速三、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2.4 他励直流电动机的调速三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速减弱磁通调速前、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。2.4 2.4 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速优点优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，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，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。电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2 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）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，一般围不可能很大，一般 D2D2；为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结为了扩大调速范围，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降压 调速。调速。缺点：缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；机械特性的斜率变大，特性变软；2.5 2.5 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速2.5.3 2.5.3 调调速速方式与负载类型的配合方式与负载类型的配合容许输出容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的：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。最大转矩和功率。充分利用充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达：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，即电枢到它的容许值，即电枢电流电流达到额定值。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，这个问题与问题与调速方式调速方式和和负载类型负载类型的配合有关。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动机的调速可分为恒转矩调速恒转矩调速和和恒功率调速恒功率调速。2.4 他励直流电动机的调速2.4.4 调速方式与负载类型的配合 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：2.4 他励直流电动机的调速2.4.4 调速方式与负载类型的配合 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。550.9550.9550.9222CnnCTnPnCnCRIUCICTTeaNNTNTem=-=F=2.5 他励直流电动机的制动 当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。2.5.1 能耗制动电动制动需要制动时,将开关S投向制动电阻 上即可。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。2.5.1 能耗制动能耗制动时的机械特性为：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2.5.1 能耗制动 但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是 能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,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。即：其中 为制动瞬间的电枢电动势。2.5.2 反接制动 电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动 开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：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压反接制动。电动制动2.5 他励直流电动机的制动2.5.2 电压反接制动一、电压反接制动机械特性为：工作点变化为：。制动过程中,、均为负，而 、为正。,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;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。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电阻上。2.5 他励直流电动机的制动2.5.2 电压反接制动二、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。电枢回路串入较大电阻 后特性曲线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2.5 他励直流电动机的制动2.5.2 电压反接制动第二章 直流电动机的电力拖动二、倒拉反转反接制动 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 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。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。2.5 他励直流电动机的制动2.5.3 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 情况，此时 ，反向，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。稳定运行有两种情况: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2.5 他励直流电动机的制动2.5.3 回馈制动 发生在动态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制动过程为 段。2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为 段。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相比，回馈制动是比较经济的。