直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)基本規(guī)律分析

摘要：文章主要總結(jié)了直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)過程中的一些基本方法，以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)基本規(guī)律為例，從機(jī)械特性、起動(dòng)與制動(dòng)、調(diào)速方法等方面介紹了直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)的基本規(guī)律，以供參考。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；電力拖動(dòng)；機(jī)械特性；起動(dòng)與制動(dòng)；調(diào)速

中圖分類號(hào)：TD534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）21-0074-02

直流電動(dòng)機(jī)因具有良好的調(diào)速性能而被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在對(duì)起動(dòng)和調(diào)速性能要求很高的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)擁有良好的啟動(dòng)性及調(diào)速性，可以在很大的范圍內(nèi)平滑而又經(jīng)濟(jì)地完成調(diào)速任務(wù)。要想在日常生產(chǎn)運(yùn)營中更好利用直流電動(dòng)機(jī)，就必須充分掌握其工作原理和基本規(guī)律，通過推導(dǎo)直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)相關(guān)應(yīng)用方程來總結(jié)出其工作的基本規(guī)律。下面以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，探討其機(jī)械特性、啟動(dòng)與制動(dòng)、調(diào)速等方面的基本規(guī)律。

1機(jī)械特性和運(yùn)行狀態(tài)

電動(dòng)機(jī)中帶有機(jī)械性質(zhì)的兩個(gè)主要物理量是電磁轉(zhuǎn)矩（M）和轉(zhuǎn)速（n），轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的內(nèi)在聯(lián)系直接反映了電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性又體現(xiàn)著包括電路、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的電動(dòng)機(jī)工作基本規(guī)律。通過深入分析電動(dòng)機(jī)工作中電路、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩三方面規(guī)律來推導(dǎo)出直流電動(dòng)機(jī)相關(guān)機(jī)械特性方程如下：

n=-M（1）

或者寫成n=f（Ia）的形式：

n=-In（2）

n0=是理想空載轉(zhuǎn)速，β=是機(jī)械特性的斜率。通過進(jìn)一步總結(jié)將他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程簡化為n=n0-βM，在n-M坐標(biāo)上，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖像是一條直線，圖像位置受到U、Φ以及RQ的影響。電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是要求U=Ue、Φ=Φe、RQ=0。三個(gè)量中任意一個(gè)發(fā)生了改變，就會(huì)得到相應(yīng)情況下的人為機(jī)械特性，一般情況下人為特性圖如圖1所示。

上圖中坐標(biāo)軸相關(guān)特性線分別表示翻轉(zhuǎn)、發(fā)電、電動(dòng)三種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。最上面一條是正向（U=+）機(jī)械特性，最下面一條是反向（U=-）機(jī)械特性。按照電動(dòng)機(jī)慣例，UIa表示的是電源輸入功率，在第一、四象限的電動(dòng)狀態(tài)中，UIa>0且Mn>0時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入電能、輸出機(jī)械能；在第二、三象限的發(fā)電狀態(tài)中，UIa<0且Mn<0時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械能、輸出電能。

機(jī)械特性計(jì)算是電力拖動(dòng)的基本計(jì)算方法，通過電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)來計(jì)算出其固有機(jī)械特性，并進(jìn)一步算出當(dāng)相關(guān)參數(shù)變化時(shí)，不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)人為特性最有效的方法是比例計(jì)算法，其具體規(guī)律可概括如下：①電樞串聯(lián)電阻發(fā)生改變時(shí)，n0不變且變且β與（Ra+RΩ）成正比；②勵(lì)磁磁通發(fā)生變化時(shí)，n0與Φ成反比，β與Φ2成反比；③電源電壓發(fā)生變化時(shí)，β沒有變化且n0與U成正比。

2制動(dòng)與起動(dòng)方法

2.1制動(dòng)方法

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的常見電氣制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)以及回饋制動(dòng)等，下面簡要介紹上述幾種制動(dòng)方法：

①能耗制動(dòng)——能耗制動(dòng)指的是通過將電樞兩端接到電阻上與此同時(shí)斷開電源，使電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)代替發(fā)電機(jī)的作用，從而快速消耗拖動(dòng)系統(tǒng)中儲(chǔ)存的動(dòng)能，故而這種制動(dòng)方法又稱為“動(dòng)力”制動(dòng)。

②反接制動(dòng)——與能耗制動(dòng)類似，在斷開電源的同時(shí)，立刻將電樞經(jīng)大電阻接到極性相反的電源上，從而參數(shù)非常強(qiáng)烈的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。需要注意的是，在利用反接制動(dòng)時(shí)候要注意當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)及時(shí)切斷反向電源，以避免直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

③回饋制動(dòng)——回饋制動(dòng)可以分為正向回饋制動(dòng)和反向回饋制動(dòng)。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比理想空載轉(zhuǎn)速高（n>n0）的時(shí)候，電樞電壓低于電樞電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生回饋電能并儲(chǔ)存在電機(jī)中，轉(zhuǎn)速方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。

2.2起動(dòng)方法

電動(dòng)機(jī)從n=0到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的過程稱為起動(dòng)，在剛起動(dòng)時(shí)，n=0，En=0，此時(shí)通常有如下幾種起動(dòng)方式：

①直接起動(dòng)——指將電動(dòng)機(jī)電樞直接接在電源電壓兩端，需要注意的是，此情況下起動(dòng)電流會(huì)很大，極有可能燒壞電機(jī)，故直接起動(dòng)實(shí)用性不強(qiáng)。

②降壓起動(dòng)——通過降壓來減小起動(dòng)電流，并隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高來逐漸將電壓升高到額定狀態(tài)，以最大限度地減小電流。

③電樞回路串電阻起動(dòng)——通過在電樞回來上串接入電阻來減小起動(dòng)電流，將RΩ從大到小隨著轉(zhuǎn)速的升高而調(diào)小，最終調(diào)到0，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3調(diào)速方法

在現(xiàn)代工藝生產(chǎn)中，為了滿足要生產(chǎn)機(jī)械在不同情況下對(duì)特定轉(zhuǎn)速的要求，從而來保障生產(chǎn)機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)行和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械工作過程中調(diào)速設(shè)計(jì)的深入研究。直流電動(dòng)機(jī)主要通過改變電機(jī)參數(shù)或者增設(shè)外加電壓來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性從而來進(jìn)行調(diào)速控制，繼而來有效控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。下面主要介紹了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的三種基本調(diào)速方法，分別是：電樞回路串接電阻調(diào)速、減弱磁通調(diào)速及降低電源電壓調(diào)速。

3.1串電阻調(diào)速

通過改變電樞回路電阻來調(diào)節(jié)速度，此時(shí)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速?zèng)]有變化，額定的轉(zhuǎn)速會(huì)變大，機(jī)械特性變軟。用串電阻的方法調(diào)速雖然設(shè)備簡單、操作方便，但由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性發(fā)生改變，系統(tǒng)受到負(fù)載的影響比較大，將達(dá)不到調(diào)速目的，甚至當(dāng)重載時(shí)還會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)問題。除此之外由于在串聯(lián)電阻中流過電樞電流，長期運(yùn)行必然會(huì)使損耗增大，增大了成本投入，因此該方法實(shí)用性不強(qiáng)。

3.2減弱磁通調(diào)速

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下正常工作時(shí)，磁路接近飽和狀態(tài)，故可以采用減弱磁通來調(diào)速。采用減弱磁通調(diào)速時(shí)，在高速下由于電樞電流去磁作用增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速特性極不穩(wěn)定且換向性能也會(huì)逐漸下降，所以采用此種方法的調(diào)速范圍非常有限。

3.3降電壓調(diào)速

采用降電壓調(diào)速在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)有很大的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化率范圍內(nèi)可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，其調(diào)速范圍很寬。通過電壓正反向變化來確保電動(dòng)機(jī)可以平滑的起動(dòng)并穩(wěn)定的工作在四個(gè)象限，從而實(shí)現(xiàn)了回饋制動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。

不同調(diào)速標(biāo)準(zhǔn)下，各種調(diào)速方法的性能比較見表1。

由上表分析可知，技術(shù)性能最好的調(diào)速方式是降電壓調(diào)速，與此同時(shí)其成本也是最高的。通常情況下降壓調(diào)速系統(tǒng)可以分為可控硅-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（KZ-D系統(tǒng)）以及發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（F-D系統(tǒng)）兩大類。其中由可控硅組成的F-D系統(tǒng)和靜止可控整流裝置的變流機(jī)組具有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此，在今后的發(fā)展中F-D系統(tǒng)將逐漸成為主要降壓調(diào)速裝置。

4結(jié)語

直流電動(dòng)機(jī)以其良好的制動(dòng)、起動(dòng)性能在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。長期以來，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，與傳統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍更加廣，調(diào)速更加連續(xù)、平滑，此外直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備投資較低、損耗也比較小，更加經(jīng)濟(jì)、可靠。直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)內(nèi)容是現(xiàn)代工業(yè)電氣自動(dòng)化的基礎(chǔ)，因此只有充分掌握其工作原理和規(guī)律，直流電動(dòng)機(jī)才能在實(shí)際工作中充分發(fā)揮其作用。

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