1、電力拖動系統的運動方程和負載轉矩特性第1頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.1電力拖動系統的運動方程式和負載轉矩特性 電力拖動系統運動方程式描述了系統的運動狀態，系統的運動狀態取決于作用在原動機轉軸上的各種轉矩。2.1.1 電力拖動系統的運動方程式一、運動方程式 根據如圖給出的系統（忽略空載轉矩），可寫出拖動系統的運動方程式：其中 為系統的慣性轉矩。第2頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四運動方程的實用形式：系統旋轉運動的三種狀態1)當 或 時,系統處于靜止或恒轉速運行狀態，即處于穩態。2)當 或 時,系統處于加速運行狀態，即處于動態。3)當 或

2、 時,系統處于減速運行狀態，即處于動態。常把 或 稱為動負載轉矩,把 稱為靜負載轉矩.第3頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四 首先確定電動機處于電動狀態時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規定：二、運動方程式中轉矩正、負號的規定（1）電磁轉矩 與轉速 的正方向相同時為正，相反時為負。（2）負載轉矩 與轉速 的正方向相同時為負，相反時為正。(3)慣性轉矩 的大小和正負號由 和 的代數和決定。第4頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.1.2 負載的轉矩特性一、恒轉矩負載特性負載的轉矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。 恒轉矩負載特性是指生產機械的負

3、載轉矩 與轉速 無關的特性。分反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種。1.反抗性恒轉矩負載TLn2.位能性恒轉矩負載TLn第5頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四二、恒功率負載特性 恒功率負載特點是：負載轉矩與轉速的乘積為一常數，即 與 成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLn三、泵與風機類負載特性 負載的轉矩 基本上與轉速 的平方成正比。負載特性為一條拋物線。TLn理想的通風機特性實際通風機特性TL0第6頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.2 他勵直流電動機的機械特性2.2.1 機械特性的表達式 直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、

4、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉速。實際空載轉速第7頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.2.2 固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性當 時的機械特性稱為固有機械特性：二、人為機械特性當改變 或 或 得到的機械特性稱為人為機械特性。 由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。第8頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四1、電樞串電阻時的人為特性 保持 不變,只在電樞回路中串入電阻 的人為特性特點：1） 不變， 變大； 2

5、） 越大，特性越軟。第9頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2、降低電樞電壓時的人為特性 保持 不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1) 隨 變化, 不變; 2) 不同,曲線是一組平行線。第10頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四3、減弱勵磁磁通時的人為特性 保持 不變，只改變勵磁回路調節電阻 的人為特性：特點：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大第11頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.2.3 機械特性求取一、固有特性的求取 已知 ，求兩點:1）理想空載點 和額定運行 。具體步驟：(1)估算(2)計算(3)計算理想空載

6、點：(4)計算額定工作點：二、人為特性的求取 在固有機械特性方程 的基礎上，根據人為特性所對應的參數 或 或 變化，重新計算 和 ，然后得到人為機械特性方程式。第12頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.2.4 電力拖動系統穩定運行條件 處于某一轉速下運行的電力拖動系統，由于受到某種擾動，導致系統的轉速發生變化而離開原來的平衡狀態，如果系統能在新的條件下達到新的平衡狀態，或者當擾動消失后系統回到原來的轉速下繼續運行，則系統是穩定的，否則系統是不穩定的。在 點，系統平衡擾動使轉速有微小增量，轉速由 上升到 ， 。擾動消失,系統減速，回到 點運行。擾動使轉速有微小下降，由

7、下降到 。擾動消失,系統加速，回到 點運行。第13頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四電力拖動系統穩定運行的充分必要條件是：在 點，系統平衡擾動使轉速有微小增量，轉速由 上升到 ， ,系統加速 。即使擾動消失,也不能回到 點運行。擾動使轉速有微小下降，由 下降到 ,系統減速。即使擾動消失,也不能回到 點運行。(1)必要條件:電動機的機械特性與負載的轉矩特性必須有交點,即存在(2)充分條件:在交點處,滿足: 。或者說,在交點的轉速以上存在 ,在交點的轉速以下存在第14頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.3 他勵直流電動機的起動 電動機的起動是指電動

8、機接通電源后，由靜止狀態加速到穩定運行狀態的過程。起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為 為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。 起動時由于轉速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。 過大的起動電流將引起電網電壓下降、影響電網上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。第15頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四一、起動過程2.3.1 電樞回路串電阻起動以三級電阻起動時電動機為例第16頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四二、

9、分組起動電阻的計算 設對應轉速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點c點d點e點f點g點比較以上各式得： 在已知起動電流比和電樞電阻前提下，經推導可得各級串聯電阻為:第17頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四（6）計算各級起動電阻。（1）估算或查出電樞電阻 ；（2）根據過載倍數選取最大轉矩 對應的最大電流 ；（3）選取起動級數 ；（4）計算起動電流比： 取整數（5）計算轉矩:，校驗：如果不滿足，應另選 或 值并重新計算，直到滿足該條件為止.計算各級起動電阻的步驟：第18頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.3.2 降壓起動

10、當直流電源電壓可調時，可采用降壓方法起動。 起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的數值上，保證按需要的加速度升速。 降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。第19頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.4 他勵直流電動機的制動 當電磁轉矩的方向與轉速方向相同時,電機運行于電動機狀態;當電磁轉矩方向與轉速方向相反時,電機運行于制動狀態。 2.4.1 能耗制動電動制動電動狀態，如圖所示。將開關S投向制動電阻

11、 上即實現制動. 由于慣性，電樞保持原來方向繼續旋轉，電動勢 方向不變。由 產生的電樞電流 的方向與電動狀態時的 方向相反,對應的電磁轉矩 與 方向相反,為制動性質,電機處于制動狀態。 制動運行時，電機靠生產機械的慣性力的拖動而發電，將生產機械儲存的動能轉換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉動。第20頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四能耗制動時的機械特性為：電動機狀態工作點制動瞬間工作點制動過程工作段電動機拖動反抗性負載，電機停轉。若電動機帶位能性負載,穩定工作點第21頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四 制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻

12、的原則是 能耗制動操作簡單,但隨著轉速下降,電動勢減小,制動電流和制動轉矩也隨著減小,制動效果變差。若為了盡快停轉電機,可在轉速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉矩。 改變制動電阻 的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉矩及下放負載的穩定速度。 越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉矩越大,而下放負載的速度越小。其中 為制動瞬間的電樞電動勢。第22頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.4.2 反接制動電壓反接制動時接線如圖所示。一、電壓反接制動電動制動 開關S投向“電動”側時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態。進行制動時，開關投向“制動”側

13、，電樞回路串入制動電阻 后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內產生反向電流： 反向的電樞電流產生反向的電磁轉矩，從而產生很強的制動作用電壓反接制動。第23頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四電壓反接制動時的機械特性為：曲線如圖中 所示。工作點變化為： 。制動過程中 、 、 均為負,而 、 為正表明電機從電源吸收電功率表明電機從軸上吸收機械功率表明軸上輸入的機械功率轉變為電樞回路電功率。 可見,反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上。第24頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四二、倒拉反轉反接制動倒拉反

14、轉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載電樞回路串入較大電阻 后特性曲線正向電動狀態提升重物(A點)負載作用下電機反向旋轉(下放重物)電機以穩定的轉速下放重物D點在電樞回路中串聯一個較大的電阻,即可實現制動.工作點由A-B-C-D,CD段為制動段第25頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四第二章 直流電動機的電力拖動 倒拉反轉反接制動時的機械特性方程就是電動狀態時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有 倒拉反轉反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。倒拉反轉反接制動時的能量關系和電壓反接制動時相同。思考題位能性以外的負載能否實現倒拉

15、反轉反接制動?第26頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.4.3 回饋制動 回饋制動時的機械特性方程與電動狀態時相同。 電動狀態下運行的電動機，在某種條件下會出現 情況，此時 ， 反向， 反向，由驅動變為制動。從能量方向看，電機處于發電狀態回饋制動狀態。穩定運行有兩種情況:當電車下坡時，運行轉速可能超過理想空載轉速,進入第二象限電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限第27頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四 發生在動態過程中的回饋制動過程有以下兩種情況:1、降壓調速時產生的回饋制動制動過程為 線段2、增磁調速時產生的回饋制動制動過程為 線段 回饋制動

16、時由于有功率回饋到電網，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。第28頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.5 他勵直流電動機的調速 電力拖動系統的調速可以采用機械調、電氣調速或二者配合調速。通過改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速；通過改變電動機參數進行調速的方法稱為電氣調速。他勵直流電動機的轉速為電氣調速方法:1.調壓調速;2.電樞串電阻調速;3.調磁調速。 改變電動機的參數就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發生變化，轉速發生變化。調速前后，電動機工作在不同的機械特性上。第29頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.5.1

17、評價調速的指標一、調速范圍:二、靜差率（相對穩定性）%越小，相對穩定性越好；%與機械特性硬度和n0有關。指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩定性好。 D與%相互制約:越小,D越小,相對穩定性越好;在保證一定的指標的前提下,要擴大D,須減少n,即提高機械特性的硬度。第30頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四三、調速的平滑性 越接近1，平滑性越好，當 時，稱為無級調速，即轉速可以連續調節。調速不連續時，級數有限，稱為有級調速。四、調速的經濟性 在一定的調速范圍內，調速的級數越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。第31

18、頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.5.2 調速方法一、電樞回路串電阻調速未串電阻時的工作點串電阻后,工作點由AAB0第32頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四調速過程電流變化曲線:調速前、后電流不變調速過程轉速變化曲線結論：帶恒轉矩負載時,串電阻越大,轉速越低。調速過程中電流和轉速的變化情況第33頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四優點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。2）低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉速的相對穩定性差3）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般為D2；4）損耗大，效率低，不經濟。對恒轉矩負載，調

19、速前、后因增通不變而使電磁轉矩和電樞電流不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯電阻消耗了。缺點：1）由于電阻只能分段調節，所以調速的平滑性差；第34頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四二、降低電源電壓調速TemTLAAB調速壓前工作點A降壓瞬間工作點穩定后工作點 降壓調速過程與電樞串電阻調速過程相似，調速過程中轉速和電樞電流（或轉矩）隨時間變化的曲線也相似。第35頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四優點：1）電源電壓能夠平滑調節，可實現無級調速。 2）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩定性好。3）無論輕載

20、還是負載，調速范圍相同，一般可達 D=2.512。 4）電能損耗較小。缺點： 需要一套電壓可連續調節的直流電源。第36頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四三、減弱磁通調速調節磁場前工作點弱磁瞬間工作點AA弱磁穩定后的工作點AB減弱磁通后，理想空載轉速上升, 曲線的斜率值增大。 第37頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四弱磁調速前、后的電樞電流和轉速的變化情況減弱磁通調速前、后轉速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線結論：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。第38頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四優點： 由于

21、在電流較小的勵磁回路中進行調節，因而控制方便，能量損耗小，設備簡單，調速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經濟性是比較好。2）轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般 D2； 為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓 調速。缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟；第39頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.5.3 調速方式與負載類型的配合容許輸出：指電動機在某一轉速下長期可靠工作時所能輸出的最大

22、轉矩和功率。充分利用：指在一定的轉速下電動機的實際輸出轉矩和功率達到它的容許值，即電樞 電流達到額定值。 當電動機調速時，在不同的轉速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機能否在不同轉速下都得到充分利用，這個問題與調速方式和負載類型的配合有關。 以電機在不同轉速都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機的調速可分為恒轉矩調速和恒功率調速。第40頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四 電動機的容許輸出功率與轉速成正比，而容許輸出轉矩為恒值-恒轉矩調速。 電樞串電阻調速和降壓調速時，磁通 保持不變，若在不同轉速下保持電流 不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉矩和功率分別為： 減弱

23、磁通調速時，磁通 是變化的，在不同轉速下若保持電流 不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉矩和功率別為： 電動機的容許輸出轉矩與轉速成反比，而容許輸出功率為恒值-恒功率調速。第41頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四 為了使電動機得到充分利用，拖動恒轉矩負載時，應采用恒轉矩調速方式。拖動恒功率負載時，應采用恒功率調速方式。對風機類負載，三種方式都不是十分適合，但采用串電阻或降壓調速比弱磁調速合適一些。思考題他勵電動機的降壓調速屬于恒轉矩調速方式，因此只能拖動恒轉矩負載，這種說法是否正確？為什么？第42頁，共46頁，2022年，5月20日，17點49分，星期四2.6 串勵直流電動機的電力拖動 串勵電動機的機械特性當磁路不飽和時 當磁路