电机拖动第九章直流电动机的拖动

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,电机学及拖动基础,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,1,第九章 直流电动机的电力拖动,2,主要内容,第一节 他励直流电动机的机械特性,第二节 他励直流电动机的起动,第三节 他励直流电动机的制动,第四节 他励直流电动机的调速,3,第一节 他励直流电动机的机械特性,定义及其理解,电动机的机械特性：,是指电动机的转速,n,与转矩,T,的关系,n=,f,(T,),由电动机状态下的转矩平衡式：,运动方程式中，若,T,z,作为负载转矩，则,T,为轴上的拖动转矩，相当于,T,d,；,若,T,z,作为负载转矩与空载转矩,T,0,之和，则,T,为电磁转矩。,工程计算中，一般可略去,T,0,，认为电磁转矩,T,与轴上的输出转矩,T,d,相等。,机械特性中的转矩,T,是电磁转矩。,4,一 机械特性方程式,直流电动机的基本方程式：（他励直流电动机）,电磁转矩,感应电动势,电动势平衡式,转速特性,5,机械特性方程式：,R,电枢电路总电阻,，包括电枢电阻,R,a,和串联电阻,R,C,e,电动势常数,C,T,转矩常数,其中，,当,U,、,R,、,为常数时，得他励直流电动机的机械特性,n=,f,(T,),一条向下倾斜的直线,转速,n,随转矩,T,的增大而降低,6,几个基本概念,理想空载转速：,当,T=0,时的转速,实际空载转速：,当,T=T,0,时的转速,转速降：,电动机带负载后的转速降落,机械特性的斜率,：,调节U或,，可以改变理想空载转速n,0,实际电动机旋转时T不可能为零，至少需克服空载损耗转矩T,0,实际空载转速n,0,比n,0,略低,愈大，n愈大,7,硬度：,斜率的倒数或定义为转矩对转速的导数,额定转速变化率：,表示T变化时，,n的变化大小,斜率表征了机械特性的硬度，愈大，n愈大，硬度愈小，机械特性愈软,因此，通常称小的机械特性为,硬特性,，而,大的机械特性为,软特性,。,机械特性方程的简单形式：,硬特性的转速变化率小,8,几个关键点,（1）理想空载点（0,n,0,）,（,2,）实际空载点（,T,0,n,0,）,（,3,）额定运行点（,T,N,n,N,）,（,4,）堵转点（,T,k,0,）,（,5,）稳定运行点,9,电枢反应对机械特性的影响,当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，,机械特性在负载大时呈上翘现象,电枢反应对机械特性的影响,推论：,电枢反应会影响系统的稳定运行。,10,二 固有机械特性与人为机械特性,固有机械特性,当,电压及磁通均为额定值,U,N,及,N,，,电枢没有串联电阻,时的机械特性,由于,R,a,较小，他励直流电动机的,固有机械特性较硬,n,n,0,时发电机状态,：,E,a,U,，,E,a,与,I,a,同向，发出电功率,堵转点：,n=0,、,E,a,=0,，电枢电流,I,a,=U,N,/R,a,=,I,k,为短路电流，转矩,T=C,T,N,I,k,=,T,k,为电机堵转转矩,人为机械特性,改变,电动机参数,获得,的机械特性,1,）电枢串联电阻；,2,）改变电压；,3,）减弱磁通。,11,R,电枢串联电阻,R,2,R,1,1、电枢串联电阻时的人为机械特性,特点：,与固有机械特性具有相同的理想空载转速,n,0,其斜率随着串联电阻,R,的增大而增大，硬度则随之降低,人为机械特性是经过理想空载点的一族射线族,12,2、改变电压时的人为机械特性,R,=0,一般：,U,N,U,1,U,2,特点：,与固有机械特性具有相同的斜率，特性硬度不变,理想空载转速,n,0,随电压的降低而降低,人为机械特性是几根平行线,13,T,k2,T,k1,T,kN,3、减弱电动机磁通时的人为机械特性,实质：,N,1,2,特点：,理想空载转速,n,0,增大,短路电流不变,I,k,=U,N,/R,a,，堵转转矩降低,T,k,=C,T,I,k,通常,T,N,T,k,，故减弱磁通使电动机转速升高；只有当负载特别重或磁通,特别小时，如再减弱,，转速反而下降,14,三 机械特性的绘制,固有机械特性是一条直线，确定两点即可绘制,一般选择,理想空载点,及,额定运行点,这两点,1、固有机械特性的绘制,理想空载点（,0,n,0,）：,其中，,I,N,、,U,N,及,n,N,为已知，,R,a,可实测或由经验公式估算：,15,2、人为机械特性的绘制,额定运行点（,T,N,n,N,）：,只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可计算出来。,16,例9-1,一台,Z,2,型他励直流电动机的铭牌数据为：,试计算其机械特性。,解,理想空载点：,额定运行点：,17,四 电力拖动稳定运行的条件,在生产机械运行时，,电动机的机械特性,与,生产机械的负载转矩特性,是同时存在的,为了分析电力拖动系统的运行，可以把二者画在同一坐标图上,两特性的交点称为系统的,平衡点,当,T,与,T,z,大小相等而方向相反时，转速为某一稳定值，拖动系统处于,稳态,或,静态,如负载变化，即,T=T,z1,T,z2,，平衡状态被破坏，,dn/dt,0,，拖动系统进入,过渡过程状态,右图，内部物理过程分析：,n,E,a,I,a,T,稳态下电机发出转矩的大小由负载转矩的数值决定,18,稳定运行的概念,稳定运行,拖动系统受到一定扰动后，能达到新的平衡；并当扰动消除后，能从新的平衡点回到原来的平衡点。,有平衡点即两特性有交点是稳定运行的必要条件,问题：,有了交点是否就能稳定运行了呢？,答：（,1,）首先，要看系统出现干扰后，在新的条件下能否平衡；（,2,）其次，干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果满足以上两个条件，即为稳定运行。,19,稳定运行的条件,例1：电网电压波动,n,T,n,=,f,(,T,z,),0,电力拖动系统稳定运行,n,0,A,A,B,C,曲线1(,U,N,),曲线1,(,U,),T,B,T,z,T,C,n,0,U,N,U,20,分析,扰动出现后：,1,）,A-B,段：,U,N,降到,U,，,U,I,a,T,，此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从,A,点过渡到,B,点；,2,）,B-A,段：,负载转矩,T,z,不变，,T=T,B,T,z,重新破坏了平衡状态，系统加速，,nE,a,I,a,T,系统沿,CA,特性加速，到,A,点时,T=T,A,=,T,z,回到原来的平衡点,A,。,表明：,当,U,T,z,继续加速,n,T,T,z,继续减速,系统没有恢复到原来转速,n,B,的能力,所以,在,B,点系统不能稳定运行,。,例2：电枢反应影响,电枢反应影响下的不稳定运行,对于恒转矩负载，要稳定运行，需电动机具有向下倾斜的机械特性，如机械特性向上翘，便不能稳定运行,22,电力拖动系统稳定运行的充要条件：,必要条件,电动机的机械特性和生产机械的负载转矩特性有交点,T=,T,z,充分条件,在交点所对应的转速之上应保证,T,T,z,23,第二节 他励直流电动机的起动,起动,电动机从静止状态转动起来,起动过程,电动机从静止运转到某一稳态转速的过程,对电动机起动的基本要求：,起动转矩要大,起动电流要小,起动设备要简单、经济、可靠,24,一 他励直流电动机的起动方法,先保证有磁场（即先通励磁电流），再加电枢电压,将电动机电枢直接加额定电压起动,起动时，,n=0,、,E,a,=0,、,R,a,0,，因此,1、直接起动,优点,操作简单，无需另加设备,缺点,冲击电流大，换向困难，产生火花；与电流成正比的转矩可能损坏传动机构。只适用于容量很小的电动机,因此，,在起动时，必须设法限制电枢电流,。,可突增至额定电流的十多倍,25,开始时，降低电压,U,，以限制起动电流,，电枢电流一般不超过额定电流的,1.5,2,倍,随着转速升高，逐步提高电压,U,，并使电枢电流仍限制在一定范围内,2、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，费用高,只适用于电动机的直流电源是可调的,。,26,起动时，在电枢回路中串联起动电阻，以限制起动电流,在起动过程中，随着转速的升高，逐步切除起动电阻,3、串电阻分级起动,第,2,级,R,2,=,R,a,+R,1,+R,2,，,I,1,=U,N,/R,2,，,T,1,T,z,，电机起动，转速上升，转矩下降（,ab,），加速度减小；,第,1,级,b,点切除电阻,R,2,，,b,点电流,I,2,称为切换电流，此时,R,1,=,R,a,+R,1,，,I,1,=(U,N,-E,a,)/R,1,，,T,1,T,z,（,bc,）；此后电机加速到,d,点（,cd,）；再切除,R,1,，电机沿固有机械特性加速至,g,点稳定运行（,eg,），起动过程结束。,27,分级起动过程中，使每一级的,I,1,(T,1,),与,I,2,(T,2,),取值大小一致，可：,使电动机有较均匀的加速度,改善电动机的换向,缓和转矩对传动机构与工作机构的有害冲击,28,二 他励直流电动机起动电阻的计算,画人为机械特性,n,0,a,，交,I,2,(T,2,),的垂线于,b,点，画水平线,bc,交,I,1,(T,1,),的垂线于,c,点,画人为机械特性,n,0,c,，交,I,2,(T,2,),的垂线于,d,点，画水平线,de,当切除末段电阻时，所画的水平线与,I,1,(T,1,),的垂线的交点正好位于固有机械特性上。,如果没有位于固有机械特性上，调整,T,1,或,T,2,（通常可调整,T,2,）,（一）图解法,1绘制固有机械特性,2选取起动过程中的最大电流I,1,与电阻切除时的切换电流I,2,（或T,1,与T,2,），截取I,1,及I,2,两点，作横轴垂线,3画出分级起动特性图,29,4根据分级起动特性图，计算各段电阻,根据,可得,磁通,一般不变，T为定值（比如T,1,）时，机械特性上的转速降n与该特性所对应的电枢总电阻R成正比，因此,30,（二）解析法,在b点,在,c,点,推广到m级起动的一般情况：,两级起动时：,从b点转换到c点时，由于切除电阻R,2,进行很快，忽略电感影响，可假定n,b,=n,c,，即电动势E,b,=E,c,，则有：,R,m,第,m,级电枢电路总电阻,起动电流比或起动转矩比,31,32,根据电动机铭牌数据，估算电动机,电枢回路电阻,R,a,选择,起动电流,I,1,和,切换电流,I,2,，计算,最大起动电阻,R,m,确定,起动电阻级数,m,计算,起动电流比,根据起动电阻级数和起动电流比计算,各级电阻,R,i,和,R,i,他励直流电动机起动电阻的计算步骤小结,33,例9-2,一台他励直流电动机的铭牌数据为：,试用解析法计算四级起动时起动电阻。,解,已知起动级数,m,=4,选择,34,各分段电阻如下：,则各级起动总电阻如下：,35,三 他励直流电动机的过渡过程,电力拖动的过渡过程,电力拖动由一个稳定工作状态过渡到另外一个稳定工作状态的过程,如：起动、制动、反转、调速、负载突变等过程,电力拖动过渡过程中，,n,、,T,、,I,a,、及,P,随时间,变化的规律,电力拖动运行的负载图,研究过渡过程的意义：,分析如何缩短过渡过程,提高生产率,探讨减小过渡过程损耗的途径,提高电动机利用率,研究如何改善电力拖动运行情况,保证设备安全运行,36,在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于,惯性,的存在，这些变化不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量发生突变，而必须是个连续变化的过程,电力拖动系统中一般存在三种惯性：,机械惯性,反映在系统的飞轮惯量上，使转速不能突变,电磁惯性,反映在电感上，使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变,热惯性,使电动机的温度不能突变,电力拖动的两种过渡过程：,机械过渡过程,只考虑,机械惯性,，忽略电磁惯性,电气,-,机械过渡过程,同时考虑,机械与电磁两种惯性,37,若忽略电枢反应，则磁通为常数，转矩与电枢电流成正比，故过渡过程中,I,a,=,f,(t,),就代表,T=,f,(t,),的