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1、第三章直流电机的起动与调速本讲稿第一页，共六十四页3.7.1 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指接通电动机的起动指接通U N，转速从，转速从n=0到到n=nN起动要求：起动要求：1）大大 2）小小 3）起动过程中消耗的能量少）起动过程中消耗的能量少4)起动设备简单，便于控制。起动设备简单，便于控制。满足满足 足够大的条件下，尽量减少足够大的条件下，尽量减少 一、他励直流电动机的起动方法一、他励直流电动机的起动方法本讲稿第二页，共六十四页UEaIaK1Rst本讲稿第三页，共六十四页直接起动直接起动 太大，须限制太大，须限制限制限制 的方法有：的方法有：降压起动；电枢回路串电阻
2、起动。降压起动；电枢回路串电阻起动。本讲稿第四页，共六十四页(一一)电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动我们在电枢回路中串入电阻我们在电枢回路中串入电阻 ，可减小起动电流，可减小起动电流，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，本讲稿第五页，共六十四页此时此时 ，则，则 可见，随着可见，随着转速的升高，反电动势不断增大转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继起动电流继续减小续减小，但是，同时，但是，同时起动转矩也在减小起动转矩也在减小，所以为了在整，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩个起动过程中保持一定的起动转矩，加速电动机的起动，加速电动机的起
3、动过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。本讲稿第六页，共六十四页RC3RC2UNEaRaKM1RC1KM2KM3If本讲稿第七页，共六十四页TC IT1 I1T2 I2TL ILnn0abcdn1n2n3efghnN他励直流电动机三级电阻起动的机械特性本讲稿第八页，共六十四页(二）他励直流电动机降低电枢电压起动：二）他励直流电动机降低电枢电压起动：从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电阻外，还可以通
4、过减小电枢电压来减小起动电流：还可以通过减小电枢电压来减小起动电流：这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。串励串励与复励直流与复励直流电动电动机的起机的起动动方法基本上与并励直流方法基本上与并励直流电动电动机一机一样样，采用串，采用串电电阻的方法以减小起阻的方法以减小起动电动电流。流。但特但特别值别值得注意的是串励得注意的是串励电动电动机机绝对绝对不允不允许许在空在空载载下起下起动动，否，否则电则电机的机的转转速将达到危速将达到危险险的高速，的高速，电电机会因此而机会因此而损损坏。坏。本讲稿第九页，共六十四页U本讲稿第十页，共六十四页3.7.2 他
5、励电动机的调速他励电动机的调速电力拖动系统的调速电力拖动系统的调速:1)机械调速机械调速;2)电气调速电气调速本讲稿第十一页，共六十四页电动机稳定时T 由负载转矩决定，其不变时，改变U、电枢串电阻都可以调速他励直流他励直流电动电动机有机有3 3种方法可以种方法可以调调速：速：（1 1）改）改变电变电枢枢电压电压；（2）改变励磁电流，即改变磁通；（3 3）电电枢回路串入枢回路串入调节电调节电阻。阻。本讲稿第十二页，共六十四页(一）降低电枢电压调一）降低电枢电压调速：速：因为电机在正常工作因为电机在正常工作时，电枢电压不能时，电枢电压不能超过额定电压，所超过额定电压，所以，采用向下调速。以，采用向
6、下调速。很显然，在这里，很显然，在这里，只改变了只改变了 ，所以，所以我们将得到一系列我们将得到一系列平行与固有特性的平行与固有特性的曲线。如图：曲线。如图：本讲稿第十三页，共六十四页优点优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。级调速。2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较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，调速范围相同无论轻载还是负载，调速范围相同 4）电能损耗较小电能损耗较小。缺点：缺点：1)需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。2)转速只能由额定电转速
7、只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去用直流发电机门的可调压电源，过去用直流发电机-直流电动机系统实现，由于电直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备直流电动机系直流电动机系统来实现。统来实现。本讲稿第十四页，共六十四页ABTTLAC（二）弱磁调速本讲稿第十五页，共六十四页优点：这种调速方法的特点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（13）%，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制。弱磁
8、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，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。本讲稿第十六页，共六十四页缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；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；其限制是转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。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降压 调速。本讲稿第十七页，共六十四页(三）三）电电枢回路串枢回路串电电阻阻调调速速：电电枢枢回回路路串串联联电电阻阻越越大大，机机械械特特性性的的斜斜
9、率率越越大大，因因此此在在负负载载转转矩矩恒恒定定时时，即即为为常常数数，增增大大电电阻阻，可可以降低电动机的转速。以降低电动机的转速。本讲稿第十八页，共六十四页nTTLRan0nNA0ABn1Ra+Rc1n2Ra+Rc2CRc2Rc1本讲稿第十九页，共六十四页优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点：2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使T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。1）由于电阻只能分段调节，所以调速
10、的平滑性差；本讲稿第二十页，共六十四页直流电动机上述三种调速方法中，直流电动机上述三种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于速属于恒转矩调速恒转矩调速，而弱磁调速属于，而弱磁调速属于恒功率调速恒功率调速本讲稿第二十一页，共六十四页三种调速方法的比较三种调速方法的比较调速指标调节电源电压调节电源电压电枢串接电阻电枢串接电阻减弱磁通减弱磁通调速方向从nN向下调从nN向下调从nN向上调调速平滑性好差好调速稳定性好差较好容许输出恒转矩恒转矩恒功率电能损耗较小大小设备投资多少较少本讲稿第二十二页，共六十四页3.7.3.调速性能指标调速性能指标(一)技术指标1.调速
11、范围是指电动机在额定负载转矩T=TL时，其最高转速与最低转速之比。2.静差率静差率也称转速变化率，指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率本讲稿第二十三页，共六十四页 以电机在不同转速都能得到充分利用为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条件，他励直流电动机的调速可分为恒转恒转矩调速和恒功率调速矩调速和恒功率调速。3.7.4 恒转矩调速方式和恒功率调恒转矩调速方式和恒功率调速方式速方式本讲稿第二十四页，共六十四页（一）恒转矩调速方式和恒功率调速方式（一）恒转矩调速方式和恒功率调速方式所谓恒转矩调速方式指的是：在某种调速方法中，保持电枢电流 若该电动机电磁转矩恒定
12、不变，则称这种调速方式为恒转矩调速方式。所谓恒功率调速方式指的是：在某种调速方法中，保持电枢电流 若该电动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方式为恒功率调速方式。本讲稿第二十五页，共六十四页 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。本讲稿第二十六页，共六十四页P,TPlTlnnminnN本讲稿第二十七页，共六十四页本讲稿第二十八页，共六十四页 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。本讲稿第二十九页，共六十四页nmaxP,TPlTlnnN0本讲稿第三十页，共六十四页（三）调速方式与负载转矩之间的匹配（三）调速方式与负载转矩之间的匹配P,TP
13、lTlnnminnNPlTlnmax0 以以 为界，为界，分两个区域分两个区域：为恒转矩为恒转矩调速区调速区；为恒功率调速区本讲稿第三十一页，共六十四页 和和 均为常数均为常数,和和 均与转速均与转速 成正成正比，只要选择电动机比，只要选择电动机的的 与与 相等，在任相等，在任何转速下均有：何转速下均有：电机既满足了负载要求，又电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。得到了充分利用。这是一种理想的配合，转速是这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下调，所以额定从额定转速向下调，所以额定转速为系统的最高转速转速为系统的最高转速。本讲稿第三十二页，共六十四页P,TPlTlnnminnN0TLPL本
14、讲稿第三十三页，共六十四页 和和 均为常数，均为常数，和和 均与均与 成反比，只成反比，只要选择要选择 与与 相等，相等，在任何转速下均有：在任何转速下均有：电机既满足了负载要求，又电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。得到了充分利用。这是一种理想的配合，转速是从这是一种理想的配合，转速是从额定转速向上调，所以额定转速额定转速向上调，所以额定转速为系统的最低转速为系统的最低转速。本讲稿第三十四页，共六十四页P,TPlTlnnminnNPlTlnmax0TLPL本讲稿第三十五页，共六十四页恒转矩调速配恒功率负载恒转矩调速配恒功率负载负载转矩负载转矩电动机容许输出转矩电动机容许输出转矩只有在最低
15、转速时才有：只有在最低转速时才有：电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。在高于最低转速时：在高于最低转速时：电机未被充分利用。电机未被充分利用。本讲稿第三十六页，共六十四页P,TPlTlnnminnN0TL本讲稿第三十七页，共六十四页上式证明上式证明：这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功率）只是电动机额定功率的率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）为调速范围）。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。本讲稿第三十八页，共六十四页恒转矩负载配恒功率调速恒转矩负载配恒功率调速负载转矩负载转矩电动机容许输出
16、转矩电动机容许输出转矩只有在最高转速时才有只有在最高转速时才有：电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。在低于最高转速时：在低于最高转速时：电机未被充分利用。电机未被充分利用。本讲稿第三十九页，共六十四页nP,TnminnNTlnmax0TL本讲稿第四十页，共六十四页上式证明上式证明：在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的只是电动机额定功率的 （D为调速范围）为调速范围）。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。本讲稿第四十一页，共六十四页风机型负载与两种调速方式的配合风机型负载与两种
17、调速方式的配合由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使只有在最高转速时，电动只有在最高转速时，电动机才被充分利用。恒转矩机才被充分利用。恒转矩调速方式所造成的电动机调速方式所造成的电动机容量浪费比恒功率调速方容量浪费比恒功率调速方式小一些。式小一些。本讲稿第四十二页，共六十四页他励直流电动机的调速根据以上五种情况分析可得：1）电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载。2）弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载。3）对于
18、泵与风机类负载，三种调速方式都不十分合适，但采用电枢串电阻和降压调速比弱磁调速合适一些。本讲稿第四十三页，共六十四页制动状态制动状态 电动机生产机械TnTL电动状态电动状态电动机生产机械TnTL制动状态制动状态电电磁磁制制动动的的概概念念：让让电电动动机机产产生生一一个个与与旋旋转方向相反的转方向相反的电磁力矩电磁力矩来实现制动。来实现制动。3.7.5 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动本讲稿第四十四页，共六十四页电动机制动的目的：停车；限速电动机制动的目的：停车；限速电动机制动的方法有：机械制动；电动机制动的方法有：机械制动；电磁制动电磁制动电磁制动分类：能耗制动；电磁制动分类：能耗制
19、动；反接制动；反接制动；回馈制动回馈制动本讲稿第四十五页，共六十四页TBRB制动制动IaB+U -电动电动IanTM+Ea If一、能耗制动：一、能耗制动：(一一)能耗制动的方法和原理能耗制动过程：如图能耗制动的方法和原理能耗制动过程：如图本讲稿第四十六页，共六十四页在制动时，将闸刀合向下方在制动时，将闸刀合向下方，本讲稿第四十七页，共六十四页本讲稿第四十八页，共六十四页很明显，此时，电网的电能不再供向电动机，而是在电阻上以电阻压降的形式进行消耗，这样一来使的电机的转速迅速下降。这时电机实际处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻和电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。本讲稿第四
20、十九页，共六十四页二.反接制动(一)转速反向的反接制动电动机轴RTUN本讲稿第五十页，共六十四页TRaAnDCBn0n0nARa+RTE本讲稿第五十一页，共六十四页 他励直流电动机他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载拖动位能性恒转矩负载运行，运行，电枢回路串入电阻，将引起转速下降，串的电电枢回路串入电阻，将引起转速下降，串的电阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程度，将使电动机的机械特性和负载的机械特性度，将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第的交点出现在第 4 象限，如图所示，这时电动象限，如图所示，这时电动机接线未变，转速反向。是一种制动
21、运行状态，机接线未变，转速反向。是一种制动运行状态，称为倒拉反转制动运行。称为倒拉反转制动运行。本讲稿第五十二页，共六十四页倒拉反转制动运行倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重常用于起重设备低速下放重物的场合。物的场合。在这种运行方式中，电动机的电磁转矩在这种运行方式中，电动机的电磁转矩起了制动作用，限制起了制动作用，限制了了重物下降的速度。重物下降的速度。改变电阻的大小，即改变了机械特性的交改变电阻的大小，即改变了机械特性的交点，使重物以不同的稳定速度下降。点，使重物以不同的稳定速度下降。本讲稿第五十三页，共六十四页(二)、电压反接制动：反接制动过程分析：如图所示，电压反接制动是将正在正
22、向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。本讲稿第五十四页，共六十四页三、回馈制动：三、回馈制动：(一一)正向回馈制动正向回馈制动：他励直流电动机拖动负载：他励直流电动机拖动负载运行，电机将系统具有的动能反馈回电网，运行，电机将系统具有的动能反馈回电网，且电机仍为正向转动，称之为正向回馈制动。且电机仍为正向转动，称之为正向回馈制动。如图如图nBTTLBADOUNUn0n0C本讲稿第五十五页，共六十四页TTLnn01AnAU10U2n02nCBCU21本讲稿第五十六页，共六十四页(二）反向回馈制动二）反向回馈制动：他励直流电动机拖动
23、位：他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，采用电压反接制动，能性恒转矩负载运行，采用电压反接制动，电机将系统具有的动能反馈回电网，电机电机将系统具有的动能反馈回电网，电机为反向转动，称之为反向回馈制动。为反向转动，称之为反向回馈制动。本讲稿第五十七页，共六十四页他励直流电动机的四个象限上的运行他励直流电动机的四个象限上的运行电动状态：特性在第一，三象限，其中第一电动状态：特性在第一，三象限，其中第一象限是正向电动状态，第三象限是反向电象限是正向电动状态，第三象限是反向电动状态。动状态。制动状态：特性在第二，四象限，其中第二制动状态：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回馈制动，电
24、压反象限是正向能耗，正向回馈制动，电压反接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，处在反向电动制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态时进行电压反接的电压反接制动。状态时进行电压反接的电压反接制动。本讲稿第五十八页，共六十四页四象限运行分析四象限运行分析本讲稿第五十九页，共六十四页P1p0PcuaP2PMP1=0p0PcuaP2PM本讲稿第六十页，共六十四页(3)反接制动(4)回馈制动P1p0PcuaP2PMP1p0PcuaP2PM本讲稿第六十一页，共六十四页小结小结 电动机的起动方法有：直接起动、降压电动机的起动方法有：直接起动、降压起动
25、、电枢串电阻起动。起动时应有足够大起动、电枢串电阻起动。起动时应有足够大的起动转矩，同时要限制起动电流，一般限的起动转矩，同时要限制起动电流，一般限制在制在2IN左右。由于起动瞬间，反电势未建左右。由于起动瞬间，反电势未建立，使额定电压全部降在电枢电阻上，电枢立，使额定电压全部降在电枢电阻上，电枢电流约为额定电流的电流约为额定电流的1020倍，易损坏电倍，易损坏电机，故除小容量电动机外，一般不允许直接机，故除小容量电动机外，一般不允许直接起动。起动。本讲稿第六十二页，共六十四页小结小结 电动机的机械特性在电动机的机械特性在、象限内为电象限内为电动状态，在动状态，在、象限内为制动状态，制动象限内
26、为制动状态，制动可用于迅速停车或位能性恒转矩负载匀速下可用于迅速停车或位能性恒转矩负载匀速下放。他励直流电动机电气制动有：能耗制放。他励直流电动机电气制动有：能耗制动、电压反接和转速反向的反接制动、回馈动、电压反接和转速反向的反接制动、回馈制动制动。本讲稿第六十三页，共六十四页小结小结 通过改变电动机的电气参数可改变转速通过改变电动机的电气参数可改变转速的方法称为电气调速。他励直流电动机电气的方法称为电气调速。他励直流电动机电气调速方法有：调速方法有：降低电枢电压的调速、电枢串降低电枢电压的调速、电枢串电阻的调速和减小主磁通的调速电阻的调速和减小主磁通的调速，其中降低，其中降低电枢电压和电枢串电阻的调速属于恒转矩调电枢电压和电枢串电阻的调速属于恒转矩调速，减小磁通的调速属于恒功率调速。为合速，减小磁通的调速属于恒功率调速。为合理使用电动机，调速方式应与负载类型匹理使用电动机，调速方式应与负载类型匹配，恒转矩调速与恒转矩负载、恒功率调速配，恒转矩调速与恒转矩负载、恒功率调速与恒功率负载是相互匹配的。与恒功率负载是相互匹配的。本讲稿第六十四页，共六十四页