《直流电机拖动new》PPT课件.ppt

1. 电力拖动的动力学基础； 2. 他励电动机的机械特性； 3. 他励直流电动机的起动； 4. 他励直流电动机的调速； 5. 他励直流电动机的制动； 直流电机的电机拖动 第四章 他励直流 电动机的运行 4.1 他励直流电动机的起动 4.2 他励直流电动机的调速 4.3 他励直流电动机的电动与制动运行 4.1 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的起动 直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳 定转速的过程， 称为 起动过程 。 对电动机起动的基本要求： （ 1）起动转矩要大； （ 2）起动电流要小； （ 3）起动设备要简单、经济、可靠。 4.1 他励直流电动机的起动 一 .直接起动 a N aaa R UIREn ,0,0,0 先通励磁电流 ，而后电枢直接加额定电压。 起动瞬间： 优点 ： 操作简单，无需另加设备。 缺点 ： 冲击电流大，引起换向困难，产生火花。适用于容量 很小的电动机。 一般直流电动机不允许直接起动。 一般瞬时过载电流不允许超过额定电流的 1.52倍。 4.1 他励直流电动机的起动 二 .电枢回路串变阻器起动 将起动电阻串入 电枢回路，待转 速上升后，逐步 将起动电阻切除。 M aR K 1K U 1R 2R 3R 2K 3K a a a R EUI RR EUI a a a at ICT 4.1 他励直流电动机的起动 M aR K 1K U 1R 2R 3R 2K 3K 3321a RRRRR Z Z I T 2I T2 1I T1 ITem 0n a b n 1 2 1n c d 221a RRRR aR Nn g h 3n f I Tem e 3 11a RRR 三级起动 4.1 他励直流电动机的起动 三 . 降压起动 优点 ：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。 缺点 ：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费 用大。 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。 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 a a a R EUI 4.2 他励直流电动机的调速 机械调速 ：改变传动机构的传动比改变工 作机构的速度。 电气调速 ：人为改变电动机的参数（如端 电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一 机械负载得到不同转速。 采用一定的方法来改变生产机械的工作速度， 以满足生产的需要，这种方法通常称为 调速 。 本节主要学习电气调速。 4.2 他励直流电动机的调速 电气调速 他励直流电动机的转速公式 ： e aa C RRIUn )( 他励直流电动机的调速方法 ： （ 1）改变串入电枢回路的调节电阻； （ 2）改变施加在电枢两端的电压 U； （ 3）改变励磁电流从而改变磁通； 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 一 . 电枢回路串电阻调速 保持 U UN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻 R， 使同一个负载得到不同转速的方法， 称为 电枢串电阻调速 。 未串电阻时 的工作点 串电阻后 , 工作点由 AA B 0 aR n 0n Nn LT emT A 1a RR 1n A B 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 一 . 电枢回路串电阻调速 调速过程电流变 化曲线 :调速前、 后电流不变 调速过程转速 变化曲线 结论：带恒转矩 负载时 ,串电阻越 大 ,转速越低。 调速过程中电流和转速的变化情况： (带恒转矩负载） ain aNI Nn 1n 0t t0 ai n R2 R1 P Q R3R2R1 Tem n R3 （ 1）电机运行于固有机械特性上的转 速称为 基速 。电枢回路串电阻调速的 方法， 只能 从基速往下调 。 电枢串电阻调速 的特点： （ 2）由于电阻的不连续调节，因此速度 调节不平滑，属 有级 调速。 （ 5）机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。 静态 稳定性差 . （ 3） 轻载时调速范围小 。 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 （ 4）损耗大， 效率低 ，不经济。对 恒转矩负载 ，调速前、后电 磁转矩和电枢电流不变，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。 二 . 降低电源电压调速 保持电动机的 N不变且 无外接电枢电阻 ， 仅降低施加于 电动机电枢两端电压 U达到调速的目的， 称为 降压调速 。 Tem 0n n NU TL Nn A 1U 01n A B 1n 调速压前 工作点 A 稳定后工 作点 降压瞬间 工作点 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 Tem n U1 U1U2U3 U2 U3 P Q 调压调速的优点： （ 1）降压的人为特性是一簇与固有特 性平行的直线， 无论是满载、轻载还 是空载都有明显的调速效果。 （ 2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起 的转速波动不大。 静态稳定性好， 调速范围大。 （ 3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现 无级 调速 。 （ 4）调节过程 能量损耗小 。 需要一套电压可连续 调节的直流电源。 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 三 . 弱磁调速 弱磁调速：保持 U UN， R 0，仅减小电动机的励磁电 流 If使 主磁通减小 ，达到调速目的。 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 N n 0n A Nn emT LT 01n 1 1n B A 减弱磁通后， 理想空载转速 上升 , 曲线的 斜率值增大。 TCC RCUn Tee N 2 a 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 弱磁调速的过程： If减小瞬间 速度不变 减小 If1 If2 P Q If1If2 Tem n nCE ea a aa R EUI aTem ICT Zem TT 机组加速 n Ea Ia Tem Tem TZ 新的平衡，新的 Ia和 n N n 0n A Nn emT ZT 01n 1 1n B A 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 N n 0n A Nn emT ZT 01n 1 1n B A 2211 atatem ICICT 1 2 2 1 a a I I 对 恒转矩负载 ,调速后的电枢电流比调速前的大。 结论：磁场越弱， 电枢电流越大 , 转速越高。因此电机运行 时 励磁回路不能开路 。 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 对 恒转矩负载 : 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便， 能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。 弱磁升速后电枢电流 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。 2）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 ； 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： 1）机械特性的斜率变大，特性变软； 4.2.1 他励直流电动机的调速方法 弱磁调速的优点： 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速 正确使用电动机，应当使电动机既满足负载的要 求，又使其得到 充分利用 。 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 。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持 为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这 个问题与 调速方式和负载类型的配合 有关。 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 恒转矩调速 和 恒功率调速 。 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。 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速 nC 95 50 nT P CICTT 1 2 2 NN2 tem 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： N Na II 恒转矩调速 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速 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 。 减弱磁通调速 时，磁通 是变化的，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： Na II 恒功率调速 9550 C 9550 n n C 9550 nT P n C nC RIU CICTT 222 2 e aNN TNTem2 NI 4.2.2 恒转矩调速和恒功率调速 为了使电动机得到充分利用， 拖动恒转矩负载时， 应采用恒转矩调速方式 。 拖动恒功率负载时，应采用 恒功率调速方式 。对风机类负载，三种方式都不是十 分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一 些。 思考题 他励电动机的降压调速属于恒转矩调速 方式，因此只能拖动恒转矩负载，这种 说法是否正确？为什么？ 4.2.3 调速的性能指标 一 . 调速范围与静差率 1. 调速范围 min max n nD 不同生产机械要求的调速范围是不同的。 例如车床 D 20 120，轧钢机 D 3 120，机床 的进给机构 D 5 200，造纸机 D 3 20等 。 最高转速受电动机的换向和机械强度的限制； 最低转速受生产机械对转速相对稳定性要求的限制。 2静差率（或称相对稳定性） 相对稳定性 ： 指负载变化时，转速变化的程度， 转速变化小，稳定性好。 %nn%n nn% NN 1 001 00 00 0 静差率： % 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 :采用同一种方法调速时， 越 小 ,D越小 ,相对稳定性越好 ; 越大 ,D越大 ,调速范 围越宽。 4.2.3 调速的性能指标 二 . 调速的平滑性 1i i n n 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 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 。 1 三 . 调速的经济指标 主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。 4.2.3 调速的性能指标 4.3 他励直流电机的电动与制动运行 直流电动机的两种运转状态： （ 1） 电动 运转状态： 电动机的电磁转矩方 向与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输 入 电能， 并转变为机械能 带动负载。 （ 2） 制动 运转状态： 电动机的电磁转矩方向与 旋转方向相反 ，此时电动机吸收 机械能转变为 电能 。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低 速， 要求制动运行。 4.3.1 电动运行 n NUU 1 C B 0n NU A 0 LT emT 0n NU 正向电动 运行 反向电动 运行 LT 01n 直流电动机的制动方式： 断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 机械制动 电气制动 自由停车 4.3.2 能耗制动 4.3.2 能耗制动 U 电动 M aEaI nemT fI S 制动 ZR ZaI ZemT 电动状态，如图所示。 将开关 S投向制动电阻 RZ上即实现制 动 . 过程 ： 由于惯性，电枢保持原来方向继 续旋转，电动势 Ea方向不变。由 Ea产生 的电枢电流 IaZ的方向与电动状态时的 Ia 方向相反 ,对应的电磁转矩 TemZ与 Tem方向 相反 ,为制动性质 ,电机处于制动状态。 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。 一 .能耗制动的方法和原理 4.3.2 能耗制动 方法 ：保持励磁电流 If的大小及方向不变， 将开关接至 RZ， 电枢从电网脱离经制动电阻 RZ闭合 。 参数特点 ： N， U 0， 电枢回路总电阻 R Ra RZ。 原理 ：实际上是一台他励直流 发电机。 轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动 。 If UN RZ Ea Ia n 与一般发电机的不同 ： 1)没有原动机输入机械功率。 2)电功率没有输出，而是消耗在电枢回路的总电阻 Ra RZ 上。 Za RR C B n 0n aR A 0 ZT emT 电动机状态工 作 点 制动瞬间 工作点 能耗制动 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 , 能耗制动运 行 稳定工作 点 二 .能耗制动时的机械特性 TCC RRn Nte Za 2 TCC RC Un tee 2 能耗制动时的机械特性： If UN RZ Ea Ia n 4.3.2 能耗制动 三 . 能耗制动的特点 能耗制动的特点 ： （ 1）操作简单，停车准确； （ 2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网 ； （ 3） 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。 （ 4）动能大部分都消耗在制动电阻上。 制动初瞬的最大电流 ： Z e 1 RR nC RR EI a AN Za a 制动电阻 ： a a a R I ER m a x Z 要根据允许通过的最大瞬时电流而 定，一般为额定值的 1.5 2倍。 If UN RZ Ea Ia n 4.3.2 能耗制动 4.3.3 反接制动 反接制动 电枢反 接 （用于反抗性负载） 转速反 向 （ 用于位能负载） （电压反向） （电动势反向） 电压反接制动时接线如图所示。 一、电压反接制动的方法 U 电动 M aEaI nemT fI S 制动 ZRZaI ZemT 开关 S投向 “ 电动 ” 侧时，电枢接 正极电压，电机处于电动状态。进行制 动时，开关投向 “ 制动 ” 侧，电枢回路 串入制动电阻 RZ后，接上极性相反的电 源电压，电枢回路内产生反向电流： 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 。 4.3.3 反接制动 Za a Za a aZ RR EU RR EUI 二 .电压反接制动时的机械特性 4.3.3 反接制动 参数特点 ： = N U=-UN R=Ra+RZ 电压反接制动时的机械特性为： a0 2 I C RR n T CC RR C U n Ne Za NTe Za Ne N ZRR a C B n 0n aR A 0 LT emT LT 0n D 第二象 限 BC段 为反接 制动特 性 工作点变化为： 。 CBA 反接制 动过程 反向电 动运行 4.3.3 反接制动 三 .电压反接制动时的能量关系 )(2 ZaaaaaN RRIIEIU 从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的 电阻上。 比较：能耗制动 m a x Za a aN I EURR a a aN R I EUR m a x Z a a a R I ER m a x Z 四 . 电枢反接的反接制动的特点 （ 1）可以很快使机组停机。 （ 2）需要加入足够的电阻， 限制电枢电流； （ 3）转速至零时， 需切断电源。 4.3.4 倒拉反转运行 转速反向的反接制动 (倒拉反转反接制动运行 ) 方法： If及端电压 UN不变 ， 仅在电枢回路 串入足够大的制 动电阻 RZ， 即可实现制动。 ZRR a C B n 0n aR A 0 LT emTBT D stT 电枢回路串入较大电 阻 R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 点倒拉 反转运行 工作点由 A-B- C-D,CD段为制 动段 只适用于 位能性恒转矩负载。 n T 0 nA B C D A nD 电压平衡式： (n反向， Ea也反向） a)( EURRI Zaa 机械特性： 020 TCC RRnn NTe Za 倒拉反转反接制动 时的机械 特性曲线就是 电动状态时电枢 串电阻时的人为特性在 第四象 限的部分 。 4.3.4 倒拉反转运行 能量关系 ： aaaZaa IEIURRI )(2 U及 Ia的方向与电动状态相同， UIa表示由电网输入的功率； Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的机械功率 在电枢内变成电磁功率； UIa与 EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻 Ra RZ上。 思考 题 位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动 ? 倒拉反转反接制动只适用于 位能性恒转矩负载。 a)( EURRI Zaa 电压平衡式 : 4.3.4 倒拉反转运行 4.3.5 回馈制动运行 回馈制动（或称再生制动） 电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 nn0情况， 此时 EaU， Ia反向， Tem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。 B n 0n A 0 LT emT LT 0n 正向回 馈制动 反向回 馈制动 （ 1）电车下坡 （ 2）降压运行 Tem n A B C D TL -TL n0 0n 点 A 点 B 点 A 点 C 点 D 4.3.5 回馈制动运行 一 . 正向回馈制动 位能 电能 如要继续保持回馈制动状 态，必须不断降低电压， 才可实现在回馈制动状态 下减速。 动能 电能 4.3.5 回馈制动运行 二 . 反向回馈制动 n ZRRa C B 0n aR A 0 LT emT 0n D E 条件 ： 电压反接 制动带 位能性 负 载进入 第四象限。 CD段，反向电动： n0, EaU, Tn0， EaU ,Ia反向 , T0 。 反向回馈制动 00 , nCUnCEnn NeNea Ia与 Ea方向一致。 电机呈发电机状态。 回馈制动的下放速度： aIC RR C Un Ne Za Ne N 能量关系： 电磁功率 P em EaIa，电机从轴上输入机械功 率转变为电功率 ; 回馈给电网的电功率： P1 UIa, 电枢回路能量损耗为： Ia2(Ra+RZ); 系统储存的位能转换成电能送回电网。 4.3.5 回馈制动运行 T n 固有 能耗制动 运行 n T 0 nA B C D A nD n ZRRa C B 0n aR A 0 LT emT 0n D E 能耗制 动过程 U=0,串 入 RZ U不变 ,串 入 RZ 倒拉反 转制动 n ZRRa C B 0n aR A 0 LT emT 0n D E 回馈制动 U不变 ,串入 RZ U反接 ,串入 RZ 电枢反接 制动过程 正向电动 反向 电动 第四章 结束 本章内容已结束 , 及时复习可以巩 固学习效果。 小 提 示 :