第2章直流电机电力拖动.ppt

第二章 直流电机的电力拖动,2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性,2.2 他励直流电动机的机械特性,2.3 他励直流电动机的起动,本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。,2.4 他励直流电动机的制动,2.5 他励直流电动机的调速,思考题与习题,电力拖动系统的组成,电力拖动系统，是指以电动机作为原动机拖动生产机械完成一定工艺要求的系统。电力拖动系统通常由电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源等5部分组成，,电力拖动系统组成框图,2.1 电力拖动系统的运动方程式,电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。,一、单轴系统的运动方程式,根据如图给出的系统，可写出单轴系统的运动方程式：,飞轮转矩（单位：Nm2),其中J为单轴系统的转动惯量, (包括电动机的转动惯量和生产机械的转动惯量，单位为kg.m2,单轴系统运动方程式的实用形式：,系统旋转运动的三种状态,1)当 时 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。,2)当 时 时,系统处于加速运行状态，即处于暂态。,3)当 时 时,系统处于减速运行状态，即处于暂态。,注意：(1)GD2是表征转动系统惯性的完整概念，不能简单地理解为两者的乘积。 (2)运动方程式针对单轴拖动系统，对于多轴拖动系统，要进行GD2和负载转矩的折算。,二、运动方程式中转矩正、负号的规定,（1）电磁转矩 与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。,（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。,首先确定电动机某一电动状态时转速的方向为系统旋转正方向，然后规定：,2.2 生产机械的负载转矩特性,一、恒转矩负载特性,负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。,恒转矩负载特性是指负载转矩的大小与转速n无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。,1.反抗性恒转矩负载,2.位能性恒转矩负载,轧钢机、皮带传输机等由摩擦力产生转矩的负载,电梯、起重机等提升类负载,二、恒功率负载特性,恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。,三、通风机负载特性,负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。,车床,鼓风机、水泵类,2.3 他励直流电动机的机械特性,一、机械特性的一般形式,直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：,由电动势与转矩平衡方程式得：,二、他励直流电动机的固有机械特性,当 时的机械特性称为固有机械特性：,由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。,额定负载的转速降,通常由（n0,0)和 (nN，TN)来确定,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：1） 不变， 变大； 2） ，特性越软。,三、他励直流电动机的人为机械特性,人为地改变电动机的参数U、R所得的机械特性,2、降低电枢电压时的人为特性,保持 不变，只改变电枢电压时的人为特性：,特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,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：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,四 电力拖动系统稳定运行条件,设某系统处于平衡状态，由于受到某种扰动，导致这种平衡被破坏，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的平衡状态，则该系统原来的运行状态是稳定的平衡状态，否则系统是不稳定的平衡状态。,（一）平衡状态,由运动方程式知：当T=TZ时，n不变，电枢电流也不变，这种状态称为平衡状态。,（二）稳定平衡状态,(三）电力拖动系统稳定运行的充分必要条件,(1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点,即存在,设转速的增量为,则系统的运动方程式为:,(三）电力拖动系统稳定运行的充分必要条件,(1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点,即存在,2.4 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,起动时必须限制起动电流，1.52.0IN ,但是为获得较大加速度，常需满磁起动,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；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。,一、 降压起动,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，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,（一）、起动过程,二 电枢回路串电阻起动,以三级电阻起动时电动机为例,简单可靠，成本低，但耗能,（二）、分组起动电阻的计算,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前提下，经推导可得各级串联电阻为:,（6）计算各级起动电阻。,（1）估算或查出电枢电阻 ；,（2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ；,（3）选取起动级数 ；,计算各级起动电阻的步骤：,2.5 他励直流电动机的制动,广义的制动包括:快速停车、减速、及使位能负载稳速下放。,从能量转换角度来说，处于制动状态下电机从机械轴上获得机械功率将其转换为电功率。但与发电机有本质区别。主要表现在：发电机所获得的机械功能来自原动机；而制动时的机械功能来自系统自身运行时所积累的动能或势能,直流电机的运行状态分为：电动机运行状态、发电机运行状态、电磁制动。,注意：电磁制动与自由停车以及借助于外部制动手段如抱闸等制动方式不同，它是利用自身的电磁转矩来实现制动的。,要实现电磁制动，电磁转矩必须由驱动性变为制动性。对于减速、停车时，由于转速方向不变，此时需改变电枢电流的方向；对于重物下放，由于转速方向变化，此时电枢电流与电动状态相同。,根据制动过程中电机发出电功率的去向不同，以及外部所提供条件不同，制动分为：能耗制动、反接制动、回馈制动。,一、 能耗制动,（一）能耗制动的原理与方法,将开关S投向制动电阻 上即实现制动.,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。,电动状态，如图所示。,（二）能耗制动时的机械特性,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,1、能耗制动停车,制动初瞬最大电流,制动电阻RZ大,特性曲线的斜率越大，则冲击电流小，平均制动转矩小，制动时间长；RZ越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而制动时间短。,选择制动电阻的原则：,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。,停机时T=0,对于反抗性负载而言，不会重新起动，故能耗制动适用于反抗性负载的准确停车。,、位能性负载稳速下放,下放转速,例2-5 他励直流电动机额定数据：UN=220V, IN=12.5A,Nn=1500r/min,Ra=0.8,试求:,(1) 当= N时, n=1000r/min时使系统转入能耗制动停车,要求起始制动电流为2IN,电枢回路应串入电阻?,(2) 保持= N不变而使TZ=0.8TN的位能负载以最低的速度稳速下放,应串入制动电阻?且此最低转速?,二、 反接制动,电压反接制动时接线如图所示。,（一）、电压反接制动(用于快速停车）,由电动势平衡方程式，得制动时电枢回路内产生电流：,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。,1、方法与原理,、电压反接制动时的机械特性,特点：,（）理想空载转速为-n0,（2）穿过二、三、四象限，分别对应于电动机不同运行状态,第二象限：T负，n正，制动,第四象限：T正，n负，制动,第三象限：T负，n负，反向电动,（）、反接制动停机状态,RB约为能耗制动的倍,整个制动过程中，T都很大，且当n0时，T仍很大，故制动效果比能耗好，可用于快速停车。,但是，n时 T，系统有可能反向起动。因此，若要求停机时，应在n时 立即切断电源,（）、反向电动状态,反抗性负载： n0时不切断电源，T为负，TZ为负，电机处于反向电动状态。最后稳定在D点。,电压反接制动较适用于要求快速停机且随后即反向起动的场合。,位能性负载： n0时不切断电源，T为负，TZ为正，共同作用下电机反向加速。,（）、回馈制动状态,位能性负载反向加速到n0时，T=0. EaUN，T为正，对重物的下放起制动，在E点达到新平衡。将系统的位能转换为电能而返回电源，处于再生发电状态。,（二)、电动势反向的反接制动,只适用于位能性恒转矩负载,用于位能性负载的稳定低速下放。,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,If、UN不变，只在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实现制动.,工作点由A-B-C-D,CD段为制动段。T0,n0,(三)、反接制动运行特点,无论电压反接还是电动势反接制动，共同特点：,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。,（）制动过程中实际的转速与理想空载转速方向相反。,（）制动过程中能量关系：以电压反接制动为例。,例2-6 他励直流电动机额定数据：UN=220V, IN=12.5A,Nn=1500r/min,Ra=0.8,试求:,(1) 当= N时, n=1000r/min时,将电枢反接而使系统快速制动停机，要求起始制动电流为2IN,电枢回路应串入电阻?,(2) 保持= N不变而使TZ=0.8TN的位能负载以0r/min的速度稳速下放,应串入制动电阻?,三、回馈制动,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。,分为电压反接的回馈制动与电压不反接的回馈制动,（一）电压反向的回馈制动,特点：,、制动时实际n与理想n0方向一致，且|n|n0|, | Ea|UN|,重物稳速下放的速度,为使下放速度不要太快，通常取RZ=0,表明电机将电能回馈到电网,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。,2. 从能量角度:,(二）、电压不反向的回馈制动,、电车下坡,、降压调速时产生的回馈制动,回馈制动时由于有功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。,例2- 他励直流电动机额定数据：UN=220V, IN=12.5A, nN=1500r/min,Ra=0.8,试求:,（）设该机原来运行于额定状态，如将端电压突降为190V，该机能否进入回馈制动？,(2) 将TZ=0.8TN的位能负载用回馈制动稳速下放,当制动电阻为0时，下放速度为多少？,补充: 他励直流电动机额定数据：PN=15KW,UN=220V, IN=80A, nN=1000r/min,Ra=0.2,电动机拖动反抗性恒转矩负载,大小0.8TN,运行在固有机械特性上.,（）停车时采用反接制动，制动转矩为2TN,求电枢需串入的电阻值？(2.47),(2) 反接制动到转速到0.3nN时,为了使电动机不致反转,改换成能耗制动,制动转矩仍为2TN,求电枢需串入的电阻值 ？(0.183 ),2.6 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速、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机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,一、 调速系统的性能指标,（一）、调速范围:,在额定负载下，,车床：20-100； 龙门刨：10-40；造纸机：3-20,为了增加D,需从两方面解决:(1)增大最高转速 ; (2)降低最低转速,(二)、静差度（相对稳定性）,越小，相对稳定性越好；与机械特性硬度和n0有关。,D与相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,电动机在某一条机械特性上运行时，其额定负载的转速降与理想空载转速之比,(三)、调速的平滑性,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,四、调速的经济性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,二、调速方法,他励直流电动机的转速为,电气调速方法:1.电枢串电阻调速; 2.调压调速; 3.弱磁调速。,(一)、电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻后,工作点由AAB,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,静差度大,所以转速的相对稳定性差，调速范围小，一般为D2 。,）只能在基速以下调速；对于轻载或空载时，调速效果不明显,4）损耗大，效率低，不经济，只适用于对调速要求不高的设备。如：起重机、电车,缺点：,3）有级调速；,(二)、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,优点： 1）无论轻载还是负载都有明显的调速效果,2）调速前后的机械特性的硬度不变，负载变化时稳定性好。调速范围大，一般可达 D=2.512。,3）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,4）电能损耗较小。适用于起、制动和调速较高的场合。如龙门刨、轧钢机,缺点： 只能在基速以下调速。需要一套电压可连续调节的直流电源。,(三)、减弱磁通调速,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,减弱磁通后，理想空载转速上升, 曲线的斜率值增大。,优点： 1）控制方便，能耗小，设备简单,1）越小，n越大，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 D2；,）励磁电流可连续调节，可实现无级调速。,2）只能在基速以上调速,注意： 直流电动机运行时，励磁回路不能断开，为什么？,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。,缺点：,例2- 他励直流电动机额定数据：UN=220V, IN=12.5A, nN=1500r/min,Ra=0.8,忽略电枢反应.试求:,（）保持U=UN、If=IfN， 使TZ=0.8TN 恒转矩负载转速降为n=1000r/min,应在电枢回路串入多大电阻？,(2) 设该机带通风机负载TZ=kn2，原来运行于A点。现用降压调速使转速降为nB=1300r/min，试问端电压U为多少？稳速后的电流为多少？,(3) 设TZ=TN为恒转矩负载，该机在额定运行中突然励磁回路断线，已知断线后的剩磁为0.014N，则断线后系统将加速或减速？稳定后的电流与转速各为多少？,三、调速方式与负载类型的配合,、整个调速范围内电动机不能过热，要求：Ia=IN,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到它的容许值，即电枢电流达到额定值。,（一）调速系统必须满足的两个准则：,2、整个调速范围内电动机的负载能力要尽可能充分利用。,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最大转矩和功率。,（二）、调速方式,、恒转矩调速,按调速过程中物理量的变化情况，电力拖动系统的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,调速过程中，在保持IaIN不变的前提下，电动机容许输出的电磁转矩保持不变。,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：,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：,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。,、恒功率调速,调速过程中，在保持IaIN不变的前提下，电动机容许输出的电磁功率保持不变。,为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应尽可能采用恒转矩调速方式.,(三) 调速方式与负载类型的配合,拖动恒功率负载时，应尽可能采用恒功率调速方式。,why?,只要电动机TN=TZ，就能保证电机在每一转速下运行时，都有Ia=IN，此配合最理想。,1、若生产机械为恒转矩负载，调速方式为恒转矩调速,电动机的额定数据的确定：,只要电动机PN=PZ，就能保证电机在每一转速下运行时，都有Ia=IN，此配合最理想。,2、若生产机械为恒功率负载，调速方式为恒功率调速,电动机的额定数据的确定：,电动机的转矩必须按高速时的数值选择。即：高速时所对应的Tl=T=TZ。所以，对于nnmax转速，T=TZTl,所以电机得不到充分利用。,3、若生产机械为恒转矩负载，调速方式为恒功率调速,电动机的额定数据的确定：,电动机的转矩必须按低速时的数值选择。即：低速时所对应的Tl=T=TZ。所以，对于nnmin转速，T=TZTl,所以电机得不到充分利用。,4、若生产机械为恒功率负载，调速方式为恒转矩调速,电动机的额定数据的确定：,对风机类负载，合理的调速方式是两者的结合。,主编：,撰稿教师：（以姓氏为序）,制作：,责任编辑：,电子编辑：,谢谢观看，再见！,