第4章他例直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

----起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析本章小結(jié)本章內(nèi)容電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)：施電于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到所要求的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的過程。4.1直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)STARTINGASEPARATELYEXCITEDMOTORstartingmethodsIfweapplyfullvoltagetoastationarymotor,thestartingcurrentinthearmaturewillbeveryhighandweruntheriskofa,burningoutthearmatureb,damagingthecommutatorandbrushes,duetoheavysparkingc,overloadingthefeederd,snappingofftheshaftduetomechanicalshocke,damagingthedrivenequipmentbecauseofthesuddenmechanicalhammerblowAlldcmotorsmust,therefore,beprovidedwithameanstolimitthestartingcurrenttoreasonablevalues,usuallybetween1.5andtwicefull-loadcurrent.依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式可知，要使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，必須要有T>TL，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為保證所通入的電樞電流能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，必須保證先有磁場，即先通勵(lì)磁電流，后加電樞電壓。限制Iast的措施：（1）啟動(dòng)時(shí)在電樞回路串電阻。（2）啟動(dòng)時(shí)降低電樞電壓。全壓啟動(dòng)（直接啟動(dòng)）直接啟動(dòng)時(shí),n=0

Ea=0，若加入額定電壓，則Is太大，會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在(2.5-1.8)IaN內(nèi)。(1)若電動(dòng)機(jī)原本靜止，由于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T=CT

Ia，

而

0

，電機(jī)將不能啟動(dòng)，因此，電樞電動(dòng)勢為零，電樞電流會(huì)很大，電樞繞組有被燒毀的危險(xiǎn)。直流機(jī)在啟動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生以下事故：注意：（2）如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)磁路突然斷開，

則E

，Ia

，T和

，可能不滿足TL的要求，電動(dòng)機(jī)必將減速或停轉(zhuǎn)，使

Ia更大，也很危險(xiǎn)。（3）如果電機(jī)空載運(yùn)行，可能造成飛車。

E

Ia

T>>

T0

n

飛車Thesolutionistoconnectaresistanceinserieswiththearmature.Theresistanceisgraduallyreducedasthemotoracceleratesandiseventuallyeliminatedentirely，whenthemachinehasattainedfullspeed.

具有一段啟動(dòng)電阻的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性原理電路圖啟動(dòng)特性4.1.2在電樞回路內(nèi)串接外加電阻啟動(dòng)具有兩段啟動(dòng)電阻的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性具有三段啟動(dòng)電阻的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性4.1.3降電壓啟動(dòng)降壓啟動(dòng)Reduced-voltagestartingThevoltagegraduallyrisesasthespeedincreases.

降壓啟動(dòng)時(shí)，需要一個(gè)電壓可調(diào)的直流電源。在啟動(dòng)過程中加上合適的電壓值使Ia保持為所需的數(shù)值。由Ia＝（Ua－Ea）/Ra可知，為保持Ia不變，Ua－Ea應(yīng)不變。啟動(dòng)初期Ea為零或很小，Ua也很小，當(dāng)轉(zhuǎn)速n逐步升高時(shí)，Ea在逐步增大，應(yīng)使電樞電壓Ua也同步增加，直至達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速。例4.1某他例直流電動(dòng)機(jī)額定電壓為96KW,額定電壓為440V，額定電流為250A，額定轉(zhuǎn)速為500r/min。電樞總電阻為0.078歐，拖動(dòng)為額定大小的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，忽略空載轉(zhuǎn)矩。求：

若采用電樞回路串電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流為2IN，計(jì)算應(yīng)串入的電阻值及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。若采用降壓啟動(dòng)，條件同上，求電壓應(yīng)降至多少，及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。三種調(diào)速方法：降壓調(diào)速；電樞回路串電阻調(diào)速；改變磁通調(diào)速，即弱磁調(diào)速。直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速SPEEDCONTROLMETHODS這種調(diào)速方法簡單，但串聯(lián)電阻不能太多，屬有級(jí)調(diào)速，耗能較大，只用于小型直流機(jī)。一、電樞回路串電阻調(diào)速在電樞中串入電阻，使

、

n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡（斜率變大），在相同轉(zhuǎn)矩下，n

nn0RaRa+

RT二、改變電源電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。這種調(diào)速方法是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械。特性曲線nn0"n0'n0電壓降低T改變電源電壓調(diào)速的特點(diǎn)（1）工作時(shí)電樞電壓一定，電壓調(diào)節(jié)時(shí)，不允許超過UN，，而n

U，所以調(diào)速只能向下調(diào)。（2）可得到平滑、無級(jí)調(diào)速。（3）特性硬度大，調(diào)速幅度較大，在冶金、機(jī)床、礦井提升以及造紙機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。ReducingvoltagespeedcontrolIfthefluxperpoleΦiskeptconstant(permanentmagnetfieldorfieldwithfixedexcitation),thespeeddependsonlyuponthearmaturevoltageEa.ByraisingorloweringEa,themotorspeedwillriseandfallinproportion.

n和

有關(guān)，在U一定的情況下，改變

可改變n。在勵(lì)磁回路中串上電阻Rf，改變Rf大小調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而改變

的大小。三、改變磁通（調(diào)磁）（

減小）TLRf增加Tn

磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。

Rf

If

n

，但在額定情況下，

已接近飽和，If再加大，對(duì)

影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。If的調(diào)節(jié)有兩種情況：結(jié)論：改變磁通調(diào)速的方法—減小磁通，n只能上調(diào)。調(diào)速過程:

U一定,則Rf

E

Ia

T

n

Ia

E

最后達(dá)到新的平衡暫時(shí)T

>TL（1）調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速，但只能向上調(diào)，受機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。（2）調(diào)的是勵(lì)磁電流（該電流比電樞電流小得多），調(diào)節(jié)控制方便。損耗功率極小，經(jīng)濟(jì)效果較高。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)發(fā)熱所允許的電樞電流不變，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨磁通Φ的減小而減小，故這種調(diào)速方法是恒功率調(diào)節(jié)，適于恒功率性質(zhì)的負(fù)載。減小

調(diào)速的特點(diǎn)：例4-2某臺(tái)他例直流電動(dòng)機(jī)，額定功率為22KW,額定電壓220V，額定電流115A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，電樞回路總電阻0.1歐，忽略空載轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，要求把轉(zhuǎn)速降到1000r/min.求采用電樞串電阻調(diào)速需串入多大電阻？采用降電壓調(diào)速需要把電源電壓降到多少？上述兩種調(diào)速情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率（忽略勵(lì)磁回路功率）。例：已知他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的PN=1.2KW,UN=220V,IaN=11.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時(shí),

n=?（2）

=0.8

N時(shí),

n=?解：（1）TL=0.5TN時(shí)例（2）

=0.8

N時(shí)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：不管轉(zhuǎn)速是多少，如果保持其電樞電流和每極磁通都為額定值，即對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為額定值。恒功率調(diào)速：保持電樞電流為額定值，采用弱磁升速。此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。此時(shí)電磁功率不變。例4-4例4-5

調(diào)速的基本概念

調(diào)速是指根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)工藝的要求，人為或自動(dòng)改變拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，也稱為速度調(diào)節(jié)。調(diào)速的目的：滿足生產(chǎn)的需要，提高工作機(jī)械的生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

調(diào)速的實(shí)質(zhì)：改變拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，即從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速過渡到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。4.2直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速與轉(zhuǎn)速變化是兩個(gè)不同的概念速度變化是在某條特性下，由于負(fù)載變化所引起的；速度調(diào)節(jié)則是在同一負(fù)載下，人為改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性而得到的。調(diào)速范圍D

在額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速與最低工作轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍。一般用D來表示，即

調(diào)速范圍越大越好調(diào)速范圍D與靜差率δ兩項(xiàng)性能指標(biāo)是相互制約的。最高轉(zhuǎn)速nmax受電動(dòng)機(jī)換向和系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度的限制，而最低轉(zhuǎn)速nmin受轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定性的限制，即靜差率的限制。靜差率δ靜差率δ又稱轉(zhuǎn)速變化率，是指電動(dòng)機(jī)由理想空載轉(zhuǎn)速n0到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化率

在n0相同時(shí)，機(jī)械特性越硬，△n就越小，δ就越小，電動(dòng)機(jī)的相對(duì)穩(wěn)定性就越高。機(jī)械特性硬度相同時(shí)，n0越小，因?yàn)椤鱪相同，δ就越大。不同機(jī)械特性下的靜差率調(diào)速平滑系數(shù)調(diào)速的平滑性用平滑系數(shù)衡量，其定義是相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比

平滑系數(shù)越小調(diào)速越平滑。當(dāng)i趨近無窮大，平滑系數(shù)趨近1時(shí)，為無級(jí)調(diào)速。調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性主要考慮調(diào)速系統(tǒng)的初期投資、調(diào)速時(shí)的能量損耗以及設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用等。可用設(shè)備效率來說明

4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)是與啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的一種工作狀態(tài)啟動(dòng)是從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；制動(dòng)是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

BRAKINGASEPARATELYEXCITEDMOTOROnewaytobrakeamotorisbysimplemechanicalfriction,inthesamewaywestopacar.Amoreelegantmethodconsistsofcirculatingareversecurrentinthearmature,soastobreakthemotorelectrically.Thecommonbrakingmethodsare:DynamicbrakingReversingbrakingRegenerativebraking電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)與自然停車是兩個(gè)不同的概念。自然停車，指切斷電源靠很小的摩擦轉(zhuǎn)矩消耗機(jī)械能直至最后停車，需要時(shí)間較長；制動(dòng)，指電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)，快速停車或限制位能負(fù)載下降速度。電動(dòng)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)在外加電源的作用下，產(chǎn)生與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向一致的轉(zhuǎn)矩，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作。（T與n方向一致）制動(dòng)：指電動(dòng)機(jī)從某一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負(fù)載的下降速度時(shí)的一種運(yùn)轉(zhuǎn)過程。（T與n方向相反）直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)有兩種基本的運(yùn)行狀態(tài)：電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)運(yùn)行：T與n同向正向電動(dòng)運(yùn)行：T>0,n>0反向電動(dòng)運(yùn)行:T<0，n<01）能耗制動(dòng)Dynamicbraking

電樞斷電后立即接入一個(gè)電阻。methodandprincipleletusclosetheswitchonthesecondsetofcontactssothatthearmatureissuddenlyconnectedtotheexternalresistor.voltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI1.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)KMUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)K停車時(shí)，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時(shí)：由于慣性電樞仍保持原方向運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢方向也不變，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電樞電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

能耗制動(dòng)機(jī)械特性4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

電動(dòng)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為如圖所示向上的方向，與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩；而在能耗制動(dòng)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩的作用方向是向下的，與轉(zhuǎn)速n的方向相反，是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。此制動(dòng)轉(zhuǎn)矩同時(shí)受與轉(zhuǎn)速方向相反的負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用，而使系統(tǒng)處于減速狀態(tài)。系統(tǒng)工作于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其機(jī)械特性為(a)正向電動(dòng)狀態(tài)(b)能耗制動(dòng)狀態(tài)(c)機(jī)械特性

圖4.11直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)示意圖

能耗制動(dòng)通常應(yīng)用于拖動(dòng)系統(tǒng)需要迅速而準(zhǔn)確地停車及卷揚(yáng)機(jī)重物的恒速下放的場合。2）反接制動(dòng)

ReversingbrakingMUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)電阻R的作用是限制電源反接制動(dòng)時(shí)電樞的電流過大。(1)methodandprincipleLetusreversethearmaturecurrentbyreversingtheterminalsofthesourceandintroducearesisterinserieswiththereversingcircuit.VoltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI2.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.Note:

Assoonasthemotorstops,wemustimmediatelyopenthearmaturecircuit;otherwiseitwillbegintoruninreverse.什么是反接制動(dòng)？他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U在外部條件作用下改變方向，電動(dòng)機(jī)則處于反接制動(dòng)狀態(tài)（第二象限）。電源反接制動(dòng)應(yīng)用場合一般應(yīng)用在生產(chǎn)機(jī)械要求迅速減速、停車和反向的場合以及要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上。4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

由特性1上的nc由特性2上的nd由特性3上的ne，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。對(duì)位能負(fù)載而言，反接制動(dòng)有兩種情況：

(1)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行，逐漸增加制動(dòng)電阻Rk，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降。正向電動(dòng)狀態(tài)

機(jī)械特性

4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載，被負(fù)載(重物)帶動(dòng)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了“倒拉”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速n反向，電動(dòng)勢反向，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。如再增大Rk

，使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst<TL

轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)狀態(tài)

機(jī)械特性

可以寫出電樞回路的電壓平衡方程式，即兩端同乘以電流可得其功率平衡方程式式中——機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率(W)；

——電網(wǎng)向電樞輸入的電功率(W)；

——電樞回路消耗的電功率(W)。4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)狀態(tài)

機(jī)械特性

結(jié)論：從電網(wǎng)輸入的電功率以及由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率，兩者都消耗在電樞回路的電阻上。由此可見，反接制動(dòng)的能耗很大。4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

(2)電樞電壓反接的反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩反向，與n方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)減速繼續(xù)直到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為零，這時(shí)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢也為零，但電路的電流不為零由于有電源電壓U存在，系統(tǒng)會(huì)自行反轉(zhuǎn)而進(jìn)入反向電動(dòng)狀態(tài)。要停車，切斷電源加上抱閘，負(fù)載停止運(yùn)動(dòng)，電壓反接制動(dòng)，轉(zhuǎn)速為零。

同時(shí)在電樞回路中串個(gè)大的制動(dòng)電阻若突然把電樞電壓反接反電動(dòng)勢電路的電流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

正向電動(dòng)狀態(tài)A點(diǎn)，在電樞電壓反接瞬間，由于系統(tǒng)的機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速n不變，Ea不變，電動(dòng)機(jī)由A點(diǎn)到B點(diǎn)。電樞反接，所以U為負(fù)，電樞電流為在此反向電流的作用下，系統(tǒng)減速，由反接制動(dòng)特性上的B點(diǎn)向C點(diǎn)變化。到C點(diǎn)如不切除電樞電源，系統(tǒng)會(huì)自行反轉(zhuǎn)而進(jìn)入反向電動(dòng)狀態(tài)，直到最終穩(wěn)定在第四象限的E點(diǎn)。(a)正向電動(dòng)狀態(tài)

(c)機(jī)械特性

(b)電壓反接的反接制動(dòng)狀態(tài)

圖4.14直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電壓反接的反接制動(dòng)示意圖

4.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)分析

電樞反接的反接制動(dòng)的能量關(guān)系，從電樞電路的電壓平衡方程式出發(fā)，有功率平衡方程式為

即從電網(wǎng)輸入的電功率以及由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁