4直流电动机的电力拖动 江南大学物联网于力革

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 直流电动机的电力拖动,电力拖动系统的运动方程式,工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,生产机械的负载转矩特性,电力拖动系统静态稳定运行的条件,他励直流电动机的机械特性,他励直流电动机的起动,他励直流电动机的制动,他励直流电动机的调速,江南大学物联网 于力革,电力拖动,就是利用电动机把电能转换成,机械能，使各种类型的生产机械按人们,所给定的规律运动。,研究电动机带上负载后的各种运转状态,起动、制动、调速、反转,及其它们的,过渡过程,。,电动机的机械特性,、系统的,基本运动方程式,和,生产机械的机械特性,这三者是研究的基础。,它们决定了电力拖动系统稳态运行及其过渡,过程中的工作特性。,.,4.1,电力拖动系统的运动方程式,4.1.1,生产机械的种类和典型单轴拖动系统,摩擦类负载,它是由多根转动轴组成的旋转运动系统。,电动机,生产机械,减速器,.,位能类负载,电动机,它的特点是：位能负载为主，还包括有少量的摩擦负载。,卷扬系统,.,3.,鼓风机类负载,电动机,它的特点是：阻转矩随着转速的升高而不断地增大。,分析电力拖动系统运动规律是建立在,古典动力学,的理论基础之上的。,将各种类型生产机械运动系统折算为等效的典型的,一根旋转轴的,单轴拖动系统,。,叶片,联轴器,.,4.1.2,单轴拖动系统运动方程式,电动机的电磁转矩,T,与负载转矩,T,L,的方向,是互不关联的。,T,和,T,L,起,主导,作用，而 处于,从属,地位。,依照动力学定律：电动机的电磁转矩,T,除克服运动系统的,负载转矩,T,L,=T,2,+T,0,之外，还使整个系统沿着电动机电磁,转矩的方向产生角加速度 ，而 的大小与旋转体的,转动惯量,J,成正比。即,.,4.1.3,拖动系统运动方程式的实用表达式,在工程计算中，表示转动快慢用转速,n,，,而不用角速度,；,表示旋转物体的惯性用飞轮矩,GD,2,，,而不用转动惯量,J,。,注意：,GD,2,这个物理量是表示,整个旋转系统的飞轮矩,，,它是各个旋转部件飞轮矩折算到电动机轴上的,总和。无论是计算或书写,GD,2,时，总应写在一,起，是一个完整的符号，而,绝对不能分开！,.,.,所以，电力拖动系统的基本运动方程式为,电动机的电磁转矩,T,和负载转矩,T,L,构成运动系统的一对主要矛盾。,不管是,n,，,还是,n,，,电力拖动系统的转速都处于变化过程中，,所以称这种工作状态为,过渡过程或动态,。,T,与,T,L,不平衡,是系统运转速度,n,产生变动的原因。,.,.,当转速不变时，系统的工作状态称为,稳定状态或静态,。,应用运动方程式，通常以电动机轴为研究对象,运动方程式写成下列一般形式,运动方程式中转矩的正负号分析,对公式中,T,与,T,L,前带有的正负符号，作如下规定：,预先规定某一旋转方向为正方向，则,(1).,转矩,T,方向如果与所规定的旋转正方向相同时,T,前取正号，相反时取负号；,(2).,阻转矩,T,L,方向如果与所规定的旋转正方向相同时,T,L,前取负号，相反时取正号,(3).,加速转矩（,GD,2,/375,）,(,dn/dt,),的大小及正负符号,由转矩,T,及阻转矩,T,L,的代数和来决定,.,end,4.2,工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,4.2.1,多轴旋转系统的折算,等效折算是指拖动系统在折算前和折算后其,动力学性能,保持不变。,即保持系统的功率传递及储存的动能均不变。,1.,负载转矩,T,z,的折算,首先，不考虑传动系统中功率损耗情况；,由折算前后负载,功率不变,，得,T,z,z,= T,L,折算前,折算后,电动机轴到生产机械轴的传动比，也就,是传动机构的总传动比，又称为速比。,.,多轴旋转系统转矩、飞轮矩的折算,然后，考虑传动系统中功率损耗情况；,用传动机构的传动效率 来表示，即,注意：,功率传递的方向不同，负载转矩的折算公式略有不同。,当电动机工作在电动状态时，功率由电动机轴传向生产机械轴，,传动损耗由电动机承担，故,当电动机工作在制动状态时，功率由生产机械轴传向电动机轴，,传动损耗由生产机械承担，故,各种传动机构的传动效率可以查阅机械手册。,.,.,2.,飞轮矩的折算,对于每一个旋转部件，都具有飞轮矩，都要折算到同一根轴上。,设等效的单轴旋转系统总转动惯量为,J,r,，,相应的飞轮矩为,GD,r,2,，,由折算前后系统,动能不变,，得,根据,GD,2,=4gJ,有,从电动机轴到第,i,根轴传动轴的传动比。,将上式推广到一般情况，有,.,4.2.2,直线运动系统的折算,刨床电力拖动示意图,1.,直线作用力,F,折算为阻转矩,T,L,当电动机工作在电动状态时，由折算前后,功率保持不变,，得,各物理量的单位：,当电动机工作在制动状态时，,.,若采用齿轮齿条机构或提升机组成的系统，,则上述折算公式可以变成另一种较为直观的形式。,设末级齿轮的节圆半径,OP=R,P,，,旋转角速度为,P,，,则有,v=,v,p,= ,P,R,P,从电动机轴到末级齿轮的传动比。,.,2.,直线运动部件的质量,m(,或重量,G),折算为等值飞轮矩,GD,s,2,直线运动部件具有的动能为,旋转部件具有的动能为,现将直线运动部件的质量,m (,或重量,G),折算到电动机轴上。,设等值旋转部件的转动惯量为,J,s,，,相应的飞轮矩为,GD,s,2,，,按折算前后,动能保持不变,的原则，有,.,对于由齿轮齿条组成的直线运动系统，有,v=,v,p,= ,P,R,P,，则,G ,直线运动部件的总重量，单位：,N,；,v ,直线运动部件的线速度，单位：,m/s,；,D,P,末级齿轮的节圆直径，单位：,m,；,n ,电动机转速，单位：,r/min,。,对于具有直线运动的系统，因为包含有两种运动形式，,在折算时分别对旋转部分和直线部分进行折算，然后,再将两个部分的飞轮矩相加，就得到系统,总的飞轮矩,。,.,.,4.2.3,提升或下放位能负载时的传动效率,对于起重机匀速提升或下放重物时，它的传动效率与,传递功率的大小及方向有关。,起重机电力拖动示意图,设重物的重量为,G,，,卷筒半径为,R,P,；,则提升重物时折算到电动机轴上的等值负载转矩,T,L,为,在下放重物时，折算到电动机轴上的等值负载转矩,T,L,为,.,设在提升和下放同一重物时，传动机构的损耗转矩,T,相等，,则 提升时,下放时,故,.,.,在提升和下放同样负载时，下放时的传动效率 总是小于,提升时的传动效率 ，即 。,当 时， ，对应提升或下放重载。,当 时， ，说明在提升时，电动机输出功率,有一半消耗在传动机构中，另一半传递到负载，用于克服,重力做功；在下放时， ，重力做功全部消耗在传动,机构中，没有传递给电动机。,当 时， ，对应提升或下放空钩或轻载。,，说明单靠重力作用已不足以克服传动机构的,摩擦力，要想下放物体，电动机必须输出一定的功率，,帮助物体下放才行。,.,end,4.3,生产机械的负载转矩特性,4.3.1,恒转矩机械特性,生产机械的机械特性,n = f,（,T,L,）,是指生产机械所表现的,转矩,T,L,与转速,n,之间的关系。,T,L,是折算到电动机轴上的等值转矩。,特点：这类生产机械的转矩,T,L,的大小不随转速的变化而改变。,1.,反抗性恒转矩特性,转矩总是阻碍运动的。,当转动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。,.,如：金属的压延、机床的平移机构等。,反抗性恒转矩特性,恒值转矩,T,L,总是反对运动方向。,2.,位能性恒转矩特性,它是受重力作用而产生的转矩。,如起重类型负载中的重物。,当转动方向改变时，位能性转矩仍保持其原来的作用方向。,位能性恒转矩特性,即：转矩,T,L,具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。,.,4.3.2,变转矩类机械特性,特点：这类生产机械的转矩,T,L,的大小随着转速的变化而改变。,通风机型机械特性,直线型机械特性,.,n,T,0,此类负载有通风机、水泵、油泵等, 恒功率型机械特性,n,T,0,车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大，开低速；,精加工时，切削量小，切削力小，开高速。,负载转矩基本上与转速成反比，而功率基本上保持不变。,.,4.,实际负载特性,实际生产机械的负载转矩特性是以上几种典型特性的综合。,end,4.4,电力拖动系统静态稳定运行的条件,分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题。,4.4.1,负载变化时电动机转矩分析,他励直流电动机带恒转矩负载时的特性,.,4.4.2,稳定运行的概念,当系统在某一工作点稳定运行时，扰动作用会导致系统的转速发生变化。如果在扰动持续期间，系统能在新的条件下达到新的平衡，在新的工作点稳速运行，而且在扰动消失后能够自动回到原来的工作点稳速运行，这样的系统是稳定的。否则，系统是不稳定的。,.,稳定的直观解释,4.4.3,电力拖动系统稳定运行的条件,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：,（,1,）,T=T,L,。,只有在两条机械特性的交点处，才能实现,转矩平衡。,该点称为工作点。,.,（,2,）在工作点，,或者说：,在交点所对应得转速之上应保证,T T,L,简便判定法：,做一条水平直线于工作点上方，分别与两条机械特性相交。比较两个转矩的增量，若,dT,dT,L,，,则系统 稳定。否则，系统不稳定。,在工作点上方做一条水平直线，分别交,T-n,曲线于,A,点，,T,L,-n,曲线于,B,点，若,A,点在,B,点左侧，则系统稳定，否则，系统不稳定。,.,n,T,T-n,曲线,T,L,-n,曲线,.,.,dn,dT,dT,L,A,B,.,end,4.5,他励直流电动机的机械特性,(1).,他励直流电动机电路原理图,4.5.1,机械特性方程式,(2).,他励直流电动机的参数关系,通过他励直流电动机的参数关系,:,电磁转矩,感应电动势,电枢电路电动势平衡方程式,转速特性,并考虑到,可获得他励直流电动机机械特性方程式,：,.,.,电动机的机械特性中，当,U,、,和,(,R,a,+R,),一定时，,转速,n,与电磁转矩,T,为一次函数。,当,T=0,时， ，称为理想空载转速。,k,值,小,，机械特性较平，称为,硬特性,；,k,值,大,，机械特性较斜，称为,软特性,。,转速降,n,N,%,为额定转速变化率,.,(3).,机械特性图,T,n,n,0,n,4.5.2,固有（自然）机械特性,称为固有（自然）机械特性。,额定转速降,当,时，机械特性为,.,.,固有（自然）机械特性,U,N,Ra,N,n,N,4.5.3,人为机械特性,改变电压、电阻、磁通当中一个或几个就得到人为机械特性。,1.,电枢回路串电阻,R,的人为机械特性,条件：,U=U,N,=,N,R=,R,a,+R,方程式为,特点：,理想空载转速,n,0,同固有特性；,当,R,时，,k,，,特性越软，曲线越陡；,特性曲线是通过理想空载转速点的一族放射性直线。,用途,：,起动；,调速；,.,制动。,电枢串联电阻时的人为机械特性,2.,改变供电电压,U,的人为机械特性,条件：,R=R,a,（,R,=0,）,=,N,U,可调,方程式为,特点：,斜率同固有特性，同一转矩对应的转速降相等；,理想空载转速与供电电压成正比变化；,特性曲线是一组平行于固有特性的直线。,当采用晶闸管整流装置时，可以实现无级调速。,注意：,实际上只能降压，而不能升压，以免损坏电动机。,.,.,用途,：,起动；,调速；,制动；,改变供电电压,U,的人为机械特性,3.,减弱磁通,的人为机械特性,条件：,U=U,N,R=R,a,（,R,=0,）,减小,方程式为,特点：,理想空载转速点上移；,斜率增大；,特性曲线即不是平行线，也不是放射性直线。,用途,：调速。,若励磁电流可以连续调节，则可以得到平滑调速。,弱磁调速一般不单独使用，往往同降压调速配合使用，,可使调速范围变宽。,注意：,磁通不可太小，否则理想空载转速太高，电动机的,换向能力和机械强度承受不了。,.,.,减弱电动机磁通时的人为机械特性,end,4.6,他励直流电动机的起动,起动就是使原来静止的电动机通电旋转起来,并达到所要求的,转速的整个过程。,起动应满足的要求：,应有足够的起动转矩；,应把起动电流限制在安全范围内。,., 起动设备简单、可靠。,.,起动中存在的问题：,由于电动机的电枢电阻很小，而电感又可以忽略不计，,所以电枢压降只占,5%U,，,一般情况下电枢电流很大，,不能全压直接起动。, 起动转矩太大，容易损坏传动机构。,换向情况恶化，产生严重的火花。, 起动电流太大，对电网不利。, 起动电流太大，在电枢绕组中产生过大的电动应力，对电机不利。,因此在起动时，必须设法限制电枢电流。,.,起动方法：,首先要加励磁，并使磁通达到最大，然后给电枢加适当的电压，电动机就可以起动了。,限制起动电流的措施：,(1),降压起动,适用于电动机的直流电源是可调的。,(2),电枢电路中串联电阻,当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流。在起动过程中将起动电阻逐步切除。,.,4.6.1,直接起动,直接起动就是不采用任何限制起动电流的措施，把电枢直接,接到额定电压的电源上进行起动。,通电瞬间,n=0,，,E,a,=0,，,又,R,a,很小，,I,st,很大，,T,st,I,st,也很大。一般为额定值的,10,20,倍。,随着,n,，,E,a,，,I,a,，,T,，,工作点沿着机械特性曲线上升，,直到电动机的机械特性与负载的机械特性的交点处，,T=T,L,，,电动机以转速,n,A,稳定运行，起动过程结束。,直流电动机直接起动操作简单，但起动电流,I,st,太大,。,对于大多数电动机要采取一些措施来限制起动电流,I,st,。,在加速转矩,(,T,st,-T,L,),作用下， ，电动机开始转动，,并且加速。,.,4.6.2,电枢回路串电阻起动,在电枢电路中串联电阻以限制起动电流,在起动过程中并将起动,电阻逐步切除。,1.,他励电动机多级起动时的电路图,他励电动机分二级起动时的电路图,.,他励电动机分三级起动时的电路图,起动过程中转速与电流的变化,2.,串多级电阻起动过程,串电阻起动可以限制起动电流。,根据电动机容量可以采用一级或多级起动电阻。,.,3.,起动电阻的计算,起动电阻的计算的主要任务有：,选择最大起动电流,I,S1,和切换电流,I,S2,；,确定适当的起动级数,m,；,计算各分段电阻的阻值和功率。,要以起动级数少（一般为,3,4,级，不超过,6,级为好），,起动过程快为总原则。,.,一般选取,I,S1,=,（,1.5,2.2,）,I,N,；,I,S2,=,（,1.1,1.2,）,I,N,或,I,S2,=,（,1.1,1.3,）,I,L,；,当,I,S1,确定后，即可求出第一级起动时电枢回路总电阻,R,1,，即,在电流切换瞬间，反电势不能突变,U,N,I,S2,R,1,= U,N,I,S1,R,2,故,同理可得,起动电流比,.,由此得,各级,起动电枢回路电阻为,各分段,起动电阻值为,一般地，若起动级数为,m,级，则有,于是,.,起动电阻值的计算步骤：,若不知道电枢回路电阻，可根据电动机的铭牌数据,估算出电动机的电枢回路电阻,Ra,；,选取最大起动电流,I,S1,，,并由此计算出最大起动电阻,R,1,；,若起动级数不知道，可初选切换电流,I,S2,，,从而初得,起动电流比,q,，,由 算出起动级数（有小数），,取接近的整数即为所要的起动级数,m,；,计算起动电流比,q,；,校核切换电流,I,S2,，,若不满足要求，则重选起动级数,m,；,将起动电流比,q,代入相应公式，计算相应的起动电阻值。,.,例：一台直流电动机，其额定参数为,P,N,=10KW,，,U,N,=220V,，,I,N,=52.6A,，,n,N,=1500r/min,，,R,a,=0.284,，,设,T,L,=0.8T,N,，,起动级数,m=3,，,电动机的过载倍数为,2,，求各级和各分段,起动电阻值。,解：,选取最大起动电流,I,S1,=,（,1.5,2.2,）,I,N,I,S1,=2I,N,=252.6=105.2A,求出R,1,求起动电流比,q,.,校核切换电流,I,S2,，,I,S2,=,（,1.1,1.3,）,I,L,或,I,S2,=,（,1.1,1.2,）,I,N,T,L,=0.8T,N,，,I,L,=0.8I,N,=0.852.6=42.08A,计算各分段电阻值,.,计算各级电阻值,4.6.3,降压起动,当他励直流电动机的电枢回路由专用可调电源供电时，可用,降低电压的方法来限制最大起动电流。起动电流将随着电枢,电压降低而成正比减小。,起动前，先调好励磁，然后使电源电压自动地由低向高调节，,电动机就逐步起动。,在手动调节时，应使电源电压慢慢上升，不可使电压升得,太快，否则，会发生较大的冲击电流，失去降压起动的意义。,.,起动时，将电源电压降低到使,I,st,=22.5I,aN,，,即：,=22.5I,aN,当转速上升时，感应电势上升，电流下降，逐步提高电压，,使电流不超过允许值。,n,n,0,0,T,（,I,a,）,T,st,（,I,st,）,T,L,（,I,a,）,A,降,电压起动,4.6.4,他励直流电动机的反转,改变电动机转向的方法：,将电枢绕组两端的极性保持不变，而将,励磁绕组反接,；,将励磁绕组两端的极性保持不变，而将,电枢绕组反接,。,前者较少用，而后者最常用。,电动机的转向由电磁转矩,T,的方向定，而,T,的方向由电枢电流,和磁场的方向决定，, 只要改变电枢电流和磁场的方向中的,一个,即可。,.,n,n,0,0,T,正向电动,反向电动,-n,0,直流电机正反向电动时的机械特性,.,end,4.7,他励直流电动机的制动,制动是从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能性,负载下降速度的一种运转过程。,制动方式,自然停车,机械制动,电气制动,能耗制动,反接制动,回馈制动,电动状态,：电磁转矩,T,与转速,n,同方向,，电动机输入电能，,输出机械能。,制动状态,：电磁转矩,T,与转速,n,反方向,，电动机输入机械能，,输出电能。,.,4.7.1,能耗制动,1.,能耗制动实现方法,他励电动机能耗制动电路特点,U = 0,，,电枢回路电阻,R,a,+ R,制动过程中，电动机靠系统的动能发电，,转化成发电机工作状态，把动能变成电能，,消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动。,将电动运行的电机从电网中断开，电枢通过电阻短接。,能耗制动的用途,除利用制动实现降速外，,电动机带动位能负载时，可利用能耗制动实现等速下放。,.,他励电动机电动和能耗制动时各量的方向,KM,1,接通,KM,2,断开,KM,1,断开,KM,2,接通,2.,能耗制动过程,制动原理,工作点变动情况：,A B O,。,在整个制动过程中,U=,E,a,+I,a,(R,a,+R,) =0,因为电磁转矩与转速的方向相反，所以电动机处于制动状态。,能耗制动的机械特性,.,电阻,R,越小，机械特性越平，起始制动转矩,T,B,的绝对值,越大，制动就越迅速。,但,R,不可过分小，以免使,T,B,太大而损坏电动机。,一般限制,T,B,2.5T,N,，或,I,amax,2.5I,N,，,从能量的观点看，能耗制动的能量是由,机械能转变为电能，再转变成热能。,能耗制动操作简单，电动机拖动反抗性负载能迅速停车，,但在转速降到较低时，制动效果就不太明显，此时或采用,分级切除制动电阻，或采用机械抱闸，以加快制动效果。,能耗制动电阻,R,的计算,.,.,电动机带动位能负载时，可利用能耗制动实现等速下放,3.,能耗制动运行,工作点变动情况：,A B O C,。,在,C,点,，,T=T,L,，,系统稳定工作。而此时,T,0,，,n,C,0,，,两者方向相反，电动机处于制动状态。,这种运行状态称为,能耗制动运行,。,能耗制动运行，可以防止负载按自由落体运动，因此,也称为,限速制动,。,限速制动的速度是可变的。,当电枢回路串入不同的制动电阻,R,时，制动的转速,也不同。,R,越小，,n,C,也越小。,.,4.,能耗制动时的过渡过程曲线,对于位能性负载,起始电流,I,B,起始转矩,T,B,起始转速,n,B,稳态电流,I,L,稳态转矩,T,L,稳态转速,n,C,对于反抗性负载，到,O,点终止，,经历时间为,t,T,必须指出，在一定转速下进行能耗制动时电枢必须串联电阻,R,，,否则电枢电流将过大，在高速时甚至接近短路电流的数值。,.,4.7.2,反接制动,当他励直流电动机的电枢电压,U,和电枢电势,E,a,之中任意一个,在外部条件作用下,改变了极性,时，电动机就处于反接制动状态。,反接制动的两种方式：,1.,电压反接制动,(1).,电压反接制动的实现方法,电动机通过,KM,1,接通电源，此时,KM,2,断开，电动机,处于电动状态。突然将,KM,1,断开，,KM,2,闭合，则,电枢电压通过电阻,R,f,反接电枢实现电压反接制动。,电压反接制动,一般用于反抗性负载刹车,电势反接制动,可用于位能性负载稳速下放,.,（,2,）,.,电压反接制动过程（,B C,）,特点：外加电压的方向改变了。,由于电动机转速,n,及电枢电势,E,a,不能突变，而使,U,与,E,a,极性一致。,.,（,3,）,.,机械特性方程为,这是一条通过（,0,，,-n,0,）点，电枢串电阻,R,f,的人为特性。,工作点变动情况：,A B C,。,注意：,工作点到达,C,点时，,n=0,，,制动过程结束。,此时,必须立即切断电源,，否则由于,T,C, ,T,L,，,电动机会反向起动，进入反向电动状态，或,T,C,T,L,，,电动机堵转，烧毁电动机。,.,.,反抗性负载,分为两种情况讨论：,（,1,）,T,C, ,T,L2,时，在,C,点电动机具有起动转矩，进入反向电动状态，稳定工作点为反抗性负载与电动机机械特性的交点,D,。,（,2,）,T,C, ,T,L3,时，,在,C,点电动机没有起动转矩，,电动机停车。,n,0,T,L,n,0,C,B,A,-n,0,T,L2,T,T,L3,D,.,位能性负载,这时稳定工作点为位能性负载和电动机机械特性的,交点,E,，,匀速下放重物。,n,T,A,B,C,D,E,T,L,0,B-C,：电枢反接制动,C-D,：反向电动,D-E,：反向回馈制动,.,为了限制电压反接时的电枢电流，在电枢回路中串入,电阻,R,f,，,其值为,（,4,）,.,电压反接制动电阻,R,f,的计算：,电压反接过程中的能量关系为：,电动机从电源吸收电功率,P,1,= -,U,N,I,a,0,，,从轴上吸收,机械功率,P,2,=T,2,0,，,然后全部消耗在电枢回路的总,电阻上。,.,(5),电压反接时的过渡过程,位能性负载,这时稳定工作点为位能性负载和电动机机械特性的交点,E,B - C,：,电枢反接制动过程,T,不等于,T,L,C - F,：,反向电动起动增速过程,T,不等于,T,L,F - E,：,电动机电磁转矩仍小于位能性负载转矩，,T,不等于,T,L,这一阶段的特点是电机转速高于理想空载转速,E,点：,以稳定且较高的转速下放重物。,过渡过程的初始点为,B,点，稳态点为,E,点。,过渡过程由、两段组成。,这两段的稳态转速相同，是光滑曲线。,.,电枢反接的反接制动的过渡过程,B - C,：,电枢反接制动过程,T,不等于,T,L,C - D,：,反向电动起动增速过程,T,不等于,T,L,D,点：,反向电动稳定运行,T = T,L,过渡过程由、两段组成。,这两段的稳态转速不相同，是不光滑曲线。,.,反抗性负载：,这时稳定工作点为反抗性负载和电动机机械特性的交点,D,反接制动的过,渡过程初始点为,B,点，稳态点为,E,点。,反向电动的过,渡过程初始点为,C,点，稳态点为,D,点。,2.,电势反接制动（倒拉反接制动）,（,1,）,.,转速反向反接制动的电路及特点,这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来说明,在电枢回路中串联一个较大的电阻，使得位能性负载倒拉电动机，转速,n,逆转矩,T,的方向旋转，和正常电动状态时相比，反电势,E,的方向变反，故称电势反接制动。,.,倒拉反接制动的机械特性，与起动的机械特性相似。,B-C,：,正向电动，以不同转速提升重物,C-D,：,倒拉反接制动，以不同转速下放重物,D,点：,匀速下放重物,C,点：,重物停留在空中,（,2,）,.,制动过程,n,T,O,A,B,T,C,T,L,D,C,n,D,n,B,T,B,.,工作点变动情况：,A B C D,。,系统拖动位能性负载。,在,C,点，,n=0,，,但是,T,C,T,L,，,电动机被位能性负载,拖动开始反转，直至,D,点，,T,D,=T,L,，,系统稳定运行。,在,C D,过程中，电枢电势的方向与原来的方向相反，,故为电势反接制动。,（,3,）,.,倒拉反接制动的机械特性,R,f,值较大，使,D,点处的,k,C,T,n,0,n,D,0,.,4.7.3,回馈制动,他励直流电动机运行时，若实际转速在外部条件作用下，,变得高于其理想空载转速,n,0,，,致使电枢电势,E,a,高于电网,电压,U,时，电动机即运行于回馈制动状态。,1.,正向回馈制动,电车下坡，,n,n,0,，,E,a,U,，,I,a,=,（,U-E,a,）,/R,a,0,，,T,0,，,n,0,正向回馈制动,（,1,）,.,回馈制动过程,工作点变动情况：,A n,0, B,。,在,n,0, B,过程中，,n,n,0,0,，,相应地,E,a,U,，,所以为,I,a,负值，即有电流回馈给电网。,由于电磁转矩亦为负值，故电动机处于回馈制动状态。,在回馈制动过程中，,I,a,0,，,T,0,，,E,a,U,，,所以,P,1,=,UI,a,0,，,即向电网回送电能；而,P,2,=T,2,0,，即,吸收机械功率，因此这一过程是将机械能变成电能。,.,（,2,）,.,正向回馈制动时的机械特性,2 .,反向回馈制动运行,电压反接制动，且带位能性负载（见电枢反接制动）,机械特性,n n,0, 0，T 0,n 0，T 0,这种回馈制动可用于转速高于理想空载转速情况下的位能性负载高速、稳速下放。,.,3.,过渡的回馈制动运行,不论何种回馈制动运行,若电枢回路串接电阻越大，,则机械特性越陡，稳定运行的转速也就越高。,.,降压调速或增大磁通调速时，若,n,n,0,，,会出现过渡的,回馈制动运行,4.7.4,各种制动时的能量关系,end,4.8,他励直流电动机的调速,4.8.1,他励直流电动机的调速方法,可以采用的调速方法：,机械方法,电气方法,机械电气配合方法,改变电动机的参数就可以实现调速的目的。,改变,U,、,、,R,c,中任何一个参数，都可以改变电动机的,机械特性，从而改变拖动系统的稳定工作点，也就是改,变了拖动系统的稳定转速，达到了调速的目的。,.,.,(1),调压限制：,因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制,所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高,30 %,，,实际上改变,U,a,应用在降压的方向，即从额定转速向下调速,(2),调磁限制：,因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，,所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速，,一般可以使转速从额定值向上调节,调速时的限制,调速与负载变化时转速变化的区别：,调速：人为的，不同机械特性上的转速变化。,负载变化时转速变化：非人为的，同一条机械特性上的转速变化。,调速与负载变化时转速变化的区别,n,n,0,0,T,T,L1,A,n,A,T,L2,B,n,B,n,R,a,R,a,+R,C,4.8.2,调速指标,1.,静差率,静差率是指电动机带额定负载时的转速降,n,与对应,机械特性上理想空载转速,n,0,之比。用符号,表示，即,静差率是反映运行转速相对稳定的一个指标。,静差率,越小，因负载波动而引起的转速变化就越小，,转速的相对稳定性就越好。（一般低速时,大）,注意：,静差率,不仅与机械特性的硬度有关，,还与理想空载转速,n,0,的高低有关。,相同的硬度，而不同的理想空载转速，其静差率是不一样的。,因为当,n=const,时，,n,0,，则,；,反之亦然。,.,.,静差率,与机械特性的硬度及理想空载转速,n,0,高低的关系,n,0,T,1,2,3,n,01,n,02,n,1,n,2,n,3,T,N,1-,固有特性,2-,降压人为特性,3-,串电阻人为特性,n,1,= n,2,，,1,和,2,硬度相同，但,n,01,n,02,，,1, ,2,n,3,n,1,，,3,比,1,软，,n,03,=n,01,，,3,1,.,2.,调速范围,调速范围是指电动机在额定负载时，最高转速,n,max,与,最低转速,n,min,之比。用符号,D,表示，即,最高转速,n,max,受电动机换向能力和机械强度的限制。,最低转速,n,min,受静差率指标的限制。,n,max,；,；,n,。,采用,转速反馈闭环控制系统,，是扩大调速范围的最好方法。,一般取为电动机的额定转速,n,N,。,当,n,0,=const,时，,n,，,n,，,。,而,是越小越好,。,.,扩大调速范围,D,的途径：,.,.,生产机械类型,调速范围,车床,20,120,龙门刨床,10,40,机床的进给机构,5,200,轧钢机,3,120,造纸机,3,20,不同生产机械要求的调速范围,.,3.,调速的平滑性,定义：相邻两级转速中，高一级转速,n,i,与低一级转速,n,i-1,之比，,用平滑系数 表示，即,越大，调速的平滑性越差。,越接近,1,，调速的平滑性越好。,为无级调速，即转速可以连续调节。,4.,调速的经济性,调速的经济性主要是指调速装置的初投资、电能损耗,及运转维修费用。,.,4.8.3,电动机调速时的容许输出,电动机带负载运行时的输出功率和轴上的输出转矩,均,由负载的大小来决定,。,电动机在采用不同的调速方法时，其容许输出是不同的。,而不同的负载，在不同的转速下，其转矩特性也不尽相同。,1.,生产机械的负载转矩,对于起重机、提升机以及摩擦类的生产机械，其负载转矩,是依重物的轻重而定的，不因速度的快慢而发生变化。,我们通常把这一类的负载称为,恒转矩负载,，即负载转矩,不依转速变化而保持恒定。,T,L,= f（n）,T,L,T,n,O,.,n,T,O,对于机床中金属切削类负载，为了保证较高的生产率和,表面加工质量以及刀具寿命，其负载功率应保持不变。,T,L,= f（n）,我们通常把这一类的负载称为,恒功率负载,，即调速过程中,负载功率不变，其负载转矩随转速升高而下降。,2.,直流电动机调速时转矩的性质,电动机在额定转速下长时间工作所允许的输出功率主要由,电动机的,发热,条件所决定，而电动机的发热取决于电动机,内部损耗，这个损耗主要,由电枢电流决定,。,在调速过程中，只要在不同转速下，电枢电流,I,a,不超过,额定电流,I,N,，,电动机的发热就不会超过容许的限度。,若,I,a,=I,N,，,则电动机就可以充分利用。,.,.,在,电枢串阻和降压调速时，,=,N,不变，若在不同的转速下,保持,I,a,=I,N,，,则对应的电磁转矩和电磁功率分别为,不论电动机的转速是高还是低，容许输出的转矩都以额定转速,为限，而容许输出功率则与转速成正比。,这种调速方式称为,恒转矩调速方式,。,在,弱磁调速时，,这种调速方式称为,恒功率调速方式,。,若在不同的转速下保持,I,a,=I,N,，,则对应的电磁转矩和电磁功率分别为,.,注意：,电动机容许输出的转矩和功率是由发热所限定的，,并不是电动机的实际输出，而,电动机的实际输出,应由,负载,来决定,。,3.,电动机转矩与负载转矩的配合,电动机的恒转矩调速方式适合于拖动恒转矩负载，,若采用恒转矩调速方式拖动恒功率负载或采用,恒功率调速方式拖动恒转矩负载，则不是没有,充分发挥电动机的转矩，就是电动机拖不动负,载，导致损坏电动机。,而电动机的恒功率调速方式适合于拖动恒功率调速负载。,.,.,他励直流电动机调速时的容许输出转矩、功率,与负载的配合,P ，T,0,n,n,min,n,N,n,max,T,T,T,L,T,L,P,L,P,P,恒转矩调速,恒功率调速,.,（,1,）、恒转矩调速方式不适合于拖动恒功率负载,T，P,0,n,P,L,T,T,L,n,min,n,N,恒转矩调速方式拖动恒功率负载,P,L,=const，n,，T,L,T,L,T，,电机不能充分利用。,.,（,2,）、恒功率调速方式不适合于拖动恒转矩负载,T，P,0,n,P,T,T,L,n,N,n,max,恒功率调速方式拖动恒转矩负载,P=const,，,T,L,=const,，,T,L,*,n,max,=P,，,n,增大，,T,下降，,T,L,T,，,电机不能充分利用。,.,4.8.4,他励直流电动机的电气调速方法,1.,电枢回路串电阻调速,工作点变动情况：,A AB,。,电枢回路串电阻，只能在额定转速（基速）以下调速，,一般称为由,基速向下调速,。,特点,：, 机械特性变软，受负载波动影响大；, 在空载或轻载时，调速范围小；, 有级调速；, 损耗大，电动机效率低。,它应用于对调速性能要求不高的场合（如起重机、电车等）。, 恒转矩调速方式,.,n,n,0,0,T,TL,R,a,R,2,R,1,A,A,B,n,1,n,2,R,1,R,2,R,a,电枢回路串电阻调速，,R n,工作点变动情况：,A AB,。,.,使用的可调直流电源,(1),晶闸管整流装置,(2),电动机,-,发电机机组,容量较大时用机组作为可调直流电源，,而用晶闸管装置调节发电机,G,的励磁电流,2.,降低电源电压的调速,（,a,）,晶闸管整流装置供电的直流调速系统,（,b,）,晶闸管装置调节发电机励磁的,发电机,-,电动机机组调速,.,机械特性方程,U,0,-,整流电压,R,0,-,整流装置内阻,U,特性平行下移,n,.,n,T,0,U,N,U,1,U,2,n,01,n,02,n,03,n,1,n,2,n,3,T,L,U,2,U,1, U,N,降低电源电压的调速,A,B,A,工作点变动情况：,A AB,。,调压调速时的机械特性,.,特点：,基速向下调速，调速范围较大；,机械特性的硬度不变，速度稳定性好；,可实现无级调速；,损耗小，电动机效率高。,.,缺点：设备投资大, 恒转矩调速方式,（,1,）,.,弱磁调速方法,小容量系统在励磁电路中串接可调电阻,r,Q,大容量系统用单独的晶闸管整流装置向励磁电路供电,3.,弱磁调速,弱磁调速电路示意图,（,a,）,小容量系统,（,b,）,大容量系统,.,普通电动机弱磁调速范围最多为,D = 2,特殊设计调磁电动机调速范围,D = 3,4,（,2,）,.,机械特性方程式,n,0,n,.,（,3,）,.,弱磁调速过程,工作点变动情况：,A AB,。,（,4,）特点,：, 基速向上调速；, 可实现无级调速；, 损耗小，电动机效率高。,n,T,0,T,L,N, ,N,n,1,n,2,A,B,A,对功率较小的励磁电路进行调节，控制方便，,常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围, 恒功率调速方式,.,直流多单元调速系统,END,