直流电动机的电力拖动实用教案

会计学1直流电动机直流电动机(dngj)的电力拖动的电力拖动第一页，共113页。2022-3-62第一节第一节 他励直流电机的机械他励直流电机的机械(jxi)(jxi)特性特性一、机械一、机械(jxi)(jxi)特性方程式特性方程式 电动机的机械特性是指电动机的转速电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩T 的关系的关系 n=f(T)。机械特性是电动机力学性能的主要体现，它与运动方程。机械特性是电动机力学性能的主要体现，它与运动方程(fngchng)相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。RCTnCRInCRIEUTeaeaaTCCRCUnTee2Tnnb02TeCCRb机械特性斜率机械特性斜率第1页/共113页第二页，共113页。2022-3-63理想空载理想空载(kn zi)转速转速 eCUn 0电动机实际空载电动机实际空载(kn zi)转速转速 0200TCCRnnTe电动机带负载电动机带负载(fzi)后的转速降后的转速降 TTCCRnTeb2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。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。他励直流电动他励直流电动机的机械特性机的机械特性电枢反应对机电枢反应对机械特性的影响械特性的影响第2页/共113页第三页，共113页。2022-3-64 从他励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化，该特性称为从他励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化，该特性称为(chn wi)硬特性；如果变化较大，那么就为软特性。硬特性；如果变化较大，那么就为软特性。用转速用转速(zhun s)变化率来表征：变化率来表征：%100%0NNNnnnnTTCCRnTeb2第3页/共113页第四页，共113页。2022-3-65当当 时电动机转速时电动机转速(zhun s)(zhun s)与电磁转矩的关系：与电磁转矩的关系：,NNaUURR 2aNeNeTNRUnTCC C 0NnnTb b00NNNNnnTnnb b 第4页/共113页第五页，共113页。2022-3-66TCCRCUnTeae2根据根据(gnj)转速与转矩之间的关系公式：转速与转矩之间的关系公式：第5页/共113页第六页，共113页。2022-3-67TCCRRCUneae2NTNN他励直流电动机固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性（一）电枢串联电阻时的人为机械（一）电枢串联电阻时的人为机械(jxi)特性特性 保持保持 不变不变, ,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特性。它的的人为特性。它的机械特性方程表达式机械特性方程表达式：NNUU,R第6页/共113页第七页，共113页。2022-3-68第7页/共113页第八页，共113页。2022-3-69TCCRCUneae2NTN电压不同时的人为机电压不同时的人为机械特性械特性21NUUU保持保持 不变，只改变电枢不变，只改变电枢(din sh)(din sh)电压电压U U时的人为特性。机械特性方程表达式为：时的人为特性。机械特性方程表达式为：NaRR,第8页/共113页第九页，共113页。2022-3-610第9页/共113页第十页，共113页。2022-3-61121NTCCRCUneae2TN保持保持 不变，改变励磁回路不变，改变励磁回路(hul)(hul)调节电阻调节电阻RfRf的人为特性。它的机械特性表达式为：的人为特性。它的机械特性表达式为：NaUURR,第10页/共113页第十一页，共113页。2022-3-612第11页/共113页第十二页，共113页。2022-3-613解决曲线上翘的方法是在主磁极绕组串联一个助磁的补偿解决曲线上翘的方法是在主磁极绕组串联一个助磁的补偿(bchng)绕组以抵消电枢反应的影响。绕组以抵消电枢反应的影响。2aNeeTRUnTCC C 第12页/共113页第十三页，共113页。2022-3-614三、机械特性三、机械特性(txng)的绘制的绘制（一）固有机械（一）固有机械(jxi)特性的绘制特性的绘制NNNNNNnRIUnECae其中其中NN0eCUn 固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便。理想空载点理想空载点NNTNICTIN，UN及及nN为已知，为已知，Ra 可以估算可以估算2NNNN3221IPIURa额定运行点额定运行点第13页/共113页第十四页，共113页。2022-3-615（二）人为机械特性（二）人为机械特性(txng)的绘制的绘制 各种人为机械特性的计算各种人为机械特性的计算(j sun)较为简单，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。较为简单，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。 例例9-19-1 一台一台Z2 型他励直流电动机的铭牌数据为：型他励直流电动机的铭牌数据为：kW22NPV220NUA116NImin/ r1500Nn试计算其机械特性。试计算其机械特性。 解解174. 011622000116220323222NNNNIPIURaV/(r/min)133.0V/(r/min)1500174.0116220NNNNnRIUCae理想空载点理想空载点0TNN0eCUnnr/min1650r/min133. 0220额定点额定点mN3 .147mN116133. 055. 955. 9NNNICTTe第14页/共113页第十五页，共113页。2022-3-616在在 A点，系统点，系统(xtng)平衡平衡T=TZ，那么这个平衡点是不是就是系统那么这个平衡点是不是就是系统(xtng)能够稳定运能够稳定运行的点？行的点？nATZTAn0在电力拖动系统中，生产机械在电力拖动系统中，生产机械(jxi)负载转矩特性与电动机的机械负载转矩特性与电动机的机械(jxi)特性是同时存在的。特性是同时存在的。在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T 与与Tz 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态 第15页/共113页第十六页，共113页。2022-3-617 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡衡(pnghng)(pnghng)状态，如果系统能在新的条件下达到新状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡的平衡(pnghng)(pnghng)状态，或者当扰动消失后系统回到状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。是不稳定的。第16页/共113页第十七页，共113页。2022-3-618An电压波动使机械特性曲线上移，转速(zhun s)不能突变，由于TTZ 转速(zhun s)由 上升到 ，扰动消失特性曲线恢复原位，系统减速，沿绿色线路回到 点运行。AAnAnnATZTAn0TTZTTZ第17页/共113页第十八页，共113页。2022-3-619电压波动使机械特性曲线(qxin)下移，转速不能突变，由于 转速由 下降到 ，扰动消失特性曲线(qxin)恢复原位，系统加速，沿绿色线路回到 点运行。nAemTZTAn0AAnAn An TTZ第18页/共113页第十九页，共113页。2022-3-620在在B点，系统点，系统(xtng)平衡平衡T=TZ负载突然升至TZB瞬间转速不变,即电枢电流不变、电磁转矩不变， TTZ转速由nB上升，T不断加大，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到B点运行(ynxng)。最后电机因转速过高、电流过大而损坏。BnnBBn0TTZCTZB第19页/共113页第二十页，共113页。2022-3-6211.必要条件(b yo tio jin): 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在T=TZ2.充分条件: 在交点T=TZ处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在在交点的转速以上存在TTZ 。nTnTddddZ第20页/共113页第二十一页，共113页。2022-3-622第二节第二节 他励直流电动机他励直流电动机(dngj)(dngj)的起的起动动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态态(zhungti)(zhungti)加速到稳定运行状态加速到稳定运行状态(zhungti)(zhungti)的过的过程。程。他励直流电动机他励直流电动机(dngj)的起的起动动电动机起动的基本要求电动机起动的基本要求（1）起动转矩要大：保证起动快速、可靠（2）起动电流要小：防止对电网的冲击、保护电机本身（3）起动设备要简单、经济、可靠。方便操作第21页/共113页第二十二页，共113页。2022-3-623nT一、他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动(q dn)方法方法直接直接(zhji)起动起动第22页/共113页第二十三页，共113页。2022-3-624 起动时由于转速起动时由于转速(zhun s) ，电枢电动势，电枢电动势 ，而且电枢电阻而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达到额定电流值的很小，所以起动电流将达到额定电流值的10-20倍。倍。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网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。许直接起动。 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用(ciyng)降低电枢电压起动或电枢回路串电阻。降低电枢电压起动或电枢回路串电阻。0n0aEaR一般一般(ybn)他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动aaRUI 第23页/共113页第二十四页，共113页。2022-3-625起动(q dn)开始时降低端电压 使 Ist(1.5 2.0)IN, Tst=(1.52.0）TN。随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。当直流电源电压可调时，可采用降压方法(fngf)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。第24页/共113页第二十五页，共113页。2022-3-626调压电源(dinyun)第25页/共113页第二十六页，共113页。2022-3-627abcdefgw2、电枢、电枢(din sh)回路串电回路串电阻起动阻起动 将启动电阻串入电枢回路将启动电阻串入电枢回路(hul)(hul)，带转速上升后，逐步将起动电阻切除。，带转速上升后，逐步将起动电阻切除。第26页/共113页第二十七页，共113页。2022-3-628二、起动电阻二、起动电阻(dinz)的计算的计算 各级起动电阻的计算，以起动过程各级起动电阻的计算，以起动过程(guchng)中最大起动转矩中最大起动转矩T1和切换转矩和切换转矩T2不不变为原则：变为原则：121.521.11.2NNIIII 注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切换瞬间的电枢电势注意在切换起动电阻的瞬间，电机转速不变！即切换瞬间的电枢电势(dinsh)(dinsh)不变，切换两点的电压降相等。不变，切换两点的电压降相等。第27页/共113页第二十八页，共113页。2022-3-629解析解析(ji x)法计算起法计算起动电阻动电阻aRRRRII11221两级起动时两级起动时 推广到推广到m级起动的一般情况级起动的一般情况 ammmmRRRRRRRRII11221121b21/ II称为起动电流比称为起动电流比在在b点点 22REUIb在在c点点 11REUIc第28页/共113页第二十九页，共113页。2022-3-63011111222111212211)() 1(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRmmmmmmmmmmaaabbbbbbbbmammmammaaRRRRRRRRRRRbbbbbbb11212121mamRRbblglgamRRm 第29页/共113页第三十页，共113页。2022-3-631如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到值并重新计算，直到(zhdo)(zhdo)满足满足该条件为止。该条件为止。（2 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应对应(duyng)(duyng)的最大电流的最大电流 ；（6 6）计算各级起动）计算各级起动(q dn)(q dn)电阻。电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（3 3）选取起动级数）选取起动级数m, ,（有两种情况）；（有两种情况）；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比：mamRRb 取整数取整数m（5 5）计算转矩计算转矩: :b12TT，校验：校验：2(1.11.2)ZTT1Tm计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：第30页/共113页第三十一页，共113页。2022-3-632 例例9-29-2 一台他励直流电动机的铭牌数据为：一台他励直流电动机的铭牌数据为： kW29NPV440NUA76NIr/min1000Nn377. 0aR试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。 解解已知起动级数已知起动级数m=4 A152A7622N1 II选择选择895. 215244014IURRam664. 1377. 0895. 2444aRRb第31页/共113页第三十二页，共113页。2022-3-633各分段电阻如下各分段电阻如下 ：250. 0377. 0627. 011aRRR416. 0627. 0043. 1122RRR693. 0043. 1736. 1233RRR153. 1736. 1889. 2344RRR则各级起动总电阻如下：则各级起动总电阻如下： 627. 0377. 0664. 11aRRb043. 1627. 0664. 112RRb736. 1043. 1664. 123RRb889. 2736. 1664. 134RRb第32页/共113页第三十三页，共113页。2022-3-634第三节第三节 他励直流电动机他励直流电动机(dngj)(dngj)的制的制动动1）电动运转状态）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同电动机转矩的方向与转速的方向相同(xin tn)，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。 2） 制动运转状态制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收(xshu)机械能并转化为电能。机械能并转化为电能。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，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。要求制动运行。直流电动机的两种运行状态直流电动机的两种运行状态制动：使电力拖动系统制动：使电力拖动系统从某一稳定转速开始减速至转速为零从某一稳定转速开始减速至转速为零，或者限制位能负载的下行速度，使其在某一稳定转速下运行。，或者限制位能负载的下行速度，使其在某一稳定转速下运行。第33页/共113页第三十四页，共113页。2022-3-635断开(dun ki)电源抱闸能耗(nn ho)制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车第34页/共113页第三十五页，共113页。2022-3-636一、能耗一、能耗(nn ho)制动制动 电动状态电动状态能耗制动能耗制动保持励磁电流If的大小(dxio)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。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(dinz)上， 所以称为能耗制动。参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRz第35页/共113页第三十六页，共113页。2022-3-637能耗能耗(nn ho)制动时的机械特性为一条过原点的制动时的机械特性为一条过原点的直线直线CBn0naRA0LTT电动机状态(zhungti)工作点制动瞬间(shn jin)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,稳定工作点能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性2azeTRRnTC C 改变制动电阻改变制动电阻R RZ Z的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率, ,从而可以改变制从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。动转矩及下放负载的稳定速度。R RZ Z 越小越小, ,特性曲线的斜率越小特性曲线的斜率越小, ,起始制动转矩越大起始制动转矩越大, ,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。第36页/共113页第三十七页，共113页。2022-3-638制动电阻越小，制动电流制动电阻越小，制动电流(dinli)(dinli)越大。如果按最大制动电流越大。如果按最大制动电流(dinli)(dinli)不超不超 2I2N 2I2N过来选择过来选择 能耗制动操作简单能耗制动操作简单, ,但随着转速下降但随着转速下降, ,电动势减小电动势减小, ,制动电流和制动转矩也随着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制动效果变差。若为了尽快停转电机(dinj),(dinj),可在转速下降到一定程度时可在转速下降到一定程度时, ,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻, ,增大制动转矩。增大制动转矩。zaRR NNNNIUIE22zRaNNRIU2制动时电流制动时电流(dinli)和转矩的分析和转矩的分析第37页/共113页第三十八页，共113页。2022-3-639M M+ +- -I Ia aE Ea aKMKMKMKMR Rc1c1 R Rc2c2RfUfCBn0naRA0LTT12accRRR 1acRR aRDEFLT带位能负载带位能负载(fzi)第38页/共113页第三十九页，共113页。2022-3-640过程过程(guchng)第39页/共113页第四十页，共113页。2022-3-641能耗能耗(nn ho)制动的特点：制动的特点：（1）操作简单，停车）操作简单，停车(tng ch)准确准确（2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；（3）低速时制动转矩小，停转慢；）低速时制动转矩小，停转慢；（4）动能大部分都消耗在制动电阻上。）动能大部分都消耗在制动电阻上。制动初瞬的最大电流：制动初瞬的最大电流：制动电阻：制动电阻：zaNeaRRnCImaxaaazRIERmax第40页/共113页第四十一页，共113页。2022-3-642反接反接(fn ji)制动制动转速反向转速反向(fn xin)（用于位能负载）（用于位能负载）电枢反接电枢反接(fn ji)（用于反抗性负载）（用于反抗性负载）（电动势反向电动势反向）（电压反向电压反向）第41页/共113页第四十二页，共113页。2022-3-643（一）电压反接(fn ji)制动M M停停M第42页/共113页第四十三页，共113页。2022-3-644电压反接制动机械电压反接制动机械(jxi)特性特性B BT Tn n0 0A AT Tz z-T-Tz z-n-n0 0o oTBC工作(gngzu)点变化为：CBA0nTnb参数(cnsh)的特点：U=-UN、 = N、R=Ra+Rz第43页/共113页第四十四页，共113页。2022-3-645制动制动(zh dn)过程中过程中, 、 、 均为负，而均为负，而 、 为正。为正。UaITnaE01aUIP220PTT 表明电机表明电机(dinj)从电源吸收电功率；从电源吸收电功率；表明电机从轴上吸收表明电机从轴上吸收(xshu)机械功率机械功率;电压反接制动分析电压反接制动分析第44页/共113页第四十五页，共113页。2022-3-646P21aPUI2()aacIRR0p特点(tdin)：（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。由于惯性(gunxng)而释放动能流入电动机电动机吸收的电功率aaeIEP 第45页/共113页第四十六页，共113页。2022-3-647B BT Tn n0 0A AT Tz z-T-Tz z-n-n0 0o oTBCD123电压电压(diny)反接制动的制动转矩始终大于能反接制动的制动转矩始终大于能耗制动的制动转矩。耗制动的制动转矩。能耗制动能耗制动(zh dn)能够准确停车。能够准确停车。电压反接制动在转速为零是需切断电源。电压反接制动在转速为零是需切断电源。第46页/共113页第四十七页，共113页。2022-3-648（二）电动势反接（二）电动势反接(fn ji)制动（倒制动（倒拉反转反接拉反转反接(fn ji)制动）制动）转速转速(zhun s)反向的反接制动特性方程式为反向的反接制动特性方程式为 电枢电枢(din sh)电路的电压平衡方程式变为电路的电压平衡方程式变为 aaaEURRI)(TCCRRnnTea20参数的特点：参数的特点：U=UN、 = N、R=Ra+RCBn0nA0ZTTBTDKT第47页/共113页第四十八页，共113页。2022-3-649过程(guchng)第48页/共113页第四十九页，共113页。2022-3-650第49页/共113页第五十页，共113页。2022-3-651关系和电压反接制动时时的能量关系区别仅在于：机械功率的提供一个是由系统(xtng)释放动能提供；另一个是由系统(xtng)位能的减少来提供。第50页/共113页第五十一页，共113页。2022-3-652三、回馈三、回馈(hu ku)制动制动 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗(nn ho)和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。第51页/共113页第五十二页，共113页。2022-3-653第52页/共113页第五十三页，共113页。2022-3-654系统储存的位能转换成电能系统储存的位能转换成电能(dinnng)送回电网。送回电网。PMEaIa0P1UIa0Ia2(Ra+Rc)P2T0p0第53页/共113页第五十四页，共113页。2022-3-655正向回馈正向回馈(hu ku)制动制动第54页/共113页第五十五页，共113页。2022-3-656是回馈制动运行状态的重要特点。第55页/共113页第五十六页，共113页。2022-3-657n0n0LTTLT0n摩擦摩擦(mc)负负载载位能负载位能负载(fzi)电动状态电动状态正向回馈正向回馈电势反接电势反接电压反接电压反接能耗制动能耗制动制动运行制动运行减弱磁通减弱磁通反向电动反向电动反向回馈反向回馈第56页/共113页第五十七页，共113页。2022-3-658他励电动机降压、减他励电动机降压、减速过程中回馈制动特速过程中回馈制动特性性 例例9-49-4一台他励直一台他励直流电动机流电动机(dngj)(dngj)的的数据如下：数据如下：kW29NPV440NUA2 .76NIr/min1050Nn393. 0aR（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放， ，求电动机反向下放转速。，求电动机反向下放转速。A60aI（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放，）电动机带动位能负载，作反接制动下放， 时，转速时，转速 ，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。 A50aIr/min600n（3）电动机带动反作用负载，从）电动机带动反作用负载，从 进行能耗制动，若其最大制动电流限制在进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。，试计算串接在电枢电路中的电阻值。 r/min500n第57页/共113页第五十八页，共113页。2022-3-659解解 （1）NNNnRIUCae39. 01050393. 02 .76440电动机反向电动机反向(fn xin)下放转速下放转速 NNNCRIUnar/min1190r/min39. 0393. 060440aeaInCURRRN（2）电枢电路总电阻）电枢电路总电阻 48.1350)600(39. 0440077.13393. 048.13aRRR电枢串接电阻电枢串接电阻 电网输入功率电网输入功率 aIUPN1kW22W22000W50440RIPa2电枢电路电阻上消耗的功率电枢电路电阻上消耗的功率 kW7 .33W33700W48.13502第58页/共113页第五十九页，共113页。2022-3-660轴上功率（为负值轴上功率（为负值(f zh)，表示从轴上输入功率），表示从轴上输入功率） aaaNaaIRIUIEP)(2kW7 .11W11700W50)48.1350440(（3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为 stestnCEV195V50039. 0电枢电路总电阻电枢电路总电阻 95. 1100195ststaIERRR电枢电路串接电阻电枢电路串接电阻 557. 1393. 095. 1aRRR第59页/共113页第六十页，共113页。2022-3-661第四节第四节 他励直流电动机他励直流电动机(dngj)(dngj)的调的调速速一、电动机调速的基本概念一、电动机调速的基本概念 电动机调速是通过人为的改变电动机的参数获得电动机调速是通过人为的改变电动机的参数获得另外的电动机机械特性曲线，工作点发生变化，转速另外的电动机机械特性曲线，工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。如果机械特性不变，仅由于负载上。如果机械特性不变，仅由于负载(fzi)变化而引变化而引起转速的变化，则不能称为调速。起转速的变化，则不能称为调速。第60页/共113页第六十一页，共113页。2022-3-662 电力电力(dinl)(dinl)拖动系统的调速可以采用机械调速、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。电气调速或二者配合调速。 改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度(sd)，称为机械调速。，称为机械调速。 人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或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电枢回路电阻(dinz)），使同一机械负载得到不同），使同一机械负载得到不同转速，称为电气调速。转速，称为电气调速。调速分类调速分类第61页/共113页第六十二页，共113页。2022-3-663nTTLRan0nNA0ABn1Ra+RC自然(zrn)机械特性曲线上的工作点串电阻(dinz)RC后,工作点由AAB第62页/共113页第六十三页，共113页。2022-3-664二、调速指标二、调速指标(zhbio)调速方法最主要调速方法最主要(zhyo)的有两大指标：即技术指标与经济指标的有两大指标：即技术指标与经济指标 （一）调速的技术指标（一）调速的技术指标 1. 调速范围调速范围(fnwi)：额定负载下的最高转速和最低转速之比。：额定负载下的最高转速和最低转速之比。minmaxminmaxvvnnD不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D20120，龙门刨床，龙门刨床D1040，机床的进给机构，机床的进给机构D5200，轧钢机，轧钢机D3120，造纸机，造纸机D320等等 TNmaxnminn第63页/共113页第六十四页，共113页。2022-3-665不同机械特不同机械特性下的静差性下的静差率率 2静差率（或称相对稳定性）：在某一调节转速静差率（或称相对稳定性）：在某一调节转速(zhun s)下，电动机从理想空载转速下，电动机从理想空载转速(zhun s)到额定负载时的转速到额定负载时的转速(zhun s)变化率。变化率。 %100%100000nnnnnNN越小，负载变化越小，负载变化(binhu)时转速的变化时转速的变化(binhu)越小，转速相对稳定性越好，即静差率越低。越小，转速相对稳定性越好，即静差率越低。第64页/共113页第六十五页，共113页。2022-3-666TNNn0nNn0n0%100%Nnn0%100%Nnnmaxmaxmaxmaxmin0(1)NNNNnnnnDnnnnnn maxnminn调速范围调速范围(fnwi)和低速静差率的和低速静差率的关系关系第65页/共113页第六十六页，共113页。2022-3-667maxmaxmaxmaxminminmin0minminminminminmin(1)nnnnDnnnnnn 第66页/共113页第六十七页，共113页。2022-3-6683平滑平滑(pnghu)性性 在一定的调速范围在一定的调速范围(fnwi)内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。 11iiiivvnn 值愈接近于值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。 4调速时的容许输出（或调速时的功率调速时的容许输出（或调速时的功率(gngl)与转矩）与转矩）容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率(gngl)和转矩。和转矩。 （二）调速的经济指标（二）调速的经济指标 调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。 PPP22第67页/共113页第六十八页，共113页。2022-3-669r/min10000nr/min900Nn例例9-59-5 一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速 ，高速机械特性的理想空载转速，高速机械特性的理想空载转速 如果额定负载下低速机械特性的转速如果额定负载下低速机械特性的转速 ，而相应的理想空载转速，而相应的理想空载转速 。r/min100minnr/min200N n（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率和静差率 ；（2）如果生产工艺要求静差率）如果生产工艺要求静差率 20%，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？ 解解 （1）9100900minmaxnnD低速静差率低速静差率 %50%100200100200（2）25. 2)2 . 01 (1002 . 0900D不能满足原有调速范围的要求不能满足原有调速范围的要求第68页/共113页第六十九页，共113页。2022-3-670三、电动机调速方法三、电动机调速方法(fngf)从他励直流电动机的机械特性从他励直流电动机的机械特性(txng)方程看：方程看：()aaeUIRRnC 电气调速方法：电气调速方法：1.1.电枢电枢(din sh)(din sh)串电阻调速；串电阻调速；2.2.调压调速；调压调速；3.3.调磁（弱磁）调速。调磁（弱磁）调速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广调节的范围宽广、过程、过程平滑平滑、调节的方法、调节的方法简单、经济简单、经济。第69页/共113页第七十页，共113页。2022-3-671nTTzRan0nAA0CBnBRa+R1Ra+R2nC02aeeTURRnTCC C第70页/共113页第七十一页，共113页。2022-3-672电枢电枢(din sh)(din sh)回路串电阻调速回路串电阻调速调速过程(guchng)电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化(binhu)曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。第71页/共113页第七十二页，共113页。2022-3-673电枢电枢(din sh)(din sh)回路串回路串电阻调速电阻调速优点：电枢串电阻调速设备优点：电枢串电阻调速设备(shbi)简单，操作方便。简单，操作方便。2 2）低速时特性曲线斜率大）低速时特性曲线斜率大, ,静差率大静差率大, ,机械特性很软，机械特性很软， 当负载当负载(fzi)(fzi)变化时，变化时， 转速波动很大。静态稳定性差转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。调速范围不大。3 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2D2；4 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变而使T T和和I Ia a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。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。缺点：缺点：1 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；第72页/共113页第七十三页，共113页。2022-3-674（二）降低（二）降低(jingd)(jingd)电源电压调速电源电压调速T0nnNUTzNnA1U0nAB1n调速压前工作(gngzu)点A降压瞬间(shn jin)工作点稳定后工作点 保持电动机的保持电动机的 N N不变且无外接电枢电阻，不变且无外接电枢电阻， 仅降仅降低施加于电动机电枢两端电压低施加于电动机电枢两端电压U U达到调速的目的，达到调速的目的， 称为称为降压调速降压调速。02aeeTURnTCC C第73页/共113页第七十四页，共113页。2022-3-675优点：优点：1）电源电压能够平滑调节）电源电压能够平滑调节(tioji)，可实现无级调速。，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度(yngd)较高，负载变化时稳定性好。较高，负载变化时稳定性好。3 3）无论轻载还是）无论轻载还是(hi shi)(hi shi)负载，调速范围相同，一般可达负载，调速范围相同，一般可达 D=2.5 D=2.51212。 4 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。降低电源电压调速降低电源电压调速第74页/共113页第七十五页，共113页。2022-3-676 改变励磁电流改变励磁电流调速，实际上是减调速，实际上是减少少(jinsho)励励磁电流的调速，磁电流的调速， 所以又称弱磁调速所以又称弱磁调速。 弱磁调速：保持弱磁调速：保持U UUNUN，RcRc0 0，仅减小电动机的励磁，仅减小电动机的励磁电流电流(dinli)If(dinli)If使主磁通减小，达到调速目的。使主磁通减小，达到调速目的。0n1A1nBNTnTz0nANn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TCCRCUnTeae2第75页/共113页第七十六页，共113页。2022-3-677减弱减弱(jinru)(jinru)磁通调速磁通调速减弱磁通调速前、后转速(zhun s)变化曲线减弱磁通前、后的电枢(din sh)电流变化曲线tt=0naNInNn1n1aIaiai结论结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。 弱磁调速的弱磁调速的优点优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。 第76页/共113页第七十七页，共113页。2022-3-678在某一转速下，在某一转速下， 电机既能充分利用又能安全运行时输出的功率电机既能充分利用又能安全运行时输出的功率(gngl)(gngl)和转矩称为调速时的允许输出功率和转矩称为调速时的允许输出功率(gngl)(gngl)和转矩。和转矩。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(gngl)(gngl)调速。调速。在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。在整个调速范围内的允许输出功率在整个调速范围内的允许输出功率(gngl)(gngl)为常数，为常数， 是恒功率是恒功率(gngl)(gngl)调速方式。调速方式。第77页/共113页第七十八页，共113页。2022-3-6799550NTaTCITnPT 95509550iTNNNiNiiTCITKTnTPnK n保持(boch)I不变电枢串电阻调速和降压调速时，磁通保持不变，电枢串电阻调速和降压调速时，磁通保持不变，若在不同转速若在不同转速(zhun s)下保持额定电流为常数下保持额定电流为常数。第78页/共113页第七十九页，共113页。2022-3-6801NNaeUIRCC nn122211955095509550iTNiiCTCICnnTnCCPnn常数减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持保持(boch)电流不变，即电机得到充分利用。在电流不变，即电机得到充分利用。在整个调速范围内输出功率为常数。整个调速范围内输出功率为常数。第79页/共113页第八十页，共113页。2022-3-681 恒转矩调速方式和恒功率调速方式，都是用来表示电动恒转矩调速方式和恒功率调速方式，都是用来表示电动机采用某种调速方法时的负载能力，并不是指电动机的实际机采用某种调速方法时的负载能力，并不是指电动机的实际输出。输出。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保当电动机调速时，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持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到(d do)(d do)充充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。 一般来说，为了使电动机得到一般来说，为了使电动机得到(d do)(d do)充分利用充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率，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，恒功率调速方式。有时为了扩大调速范围，可以采负载时，恒功率调速方式。有时为了扩大调速范围，可以采用两种方式结合使用的方法。用两种方式结合使用的方法。五、负载五、负载(fzi)类型与调速方式的配合类型与调速方式的配合第80页/共113页第八十一页，共113页。2022-3-6820nTnTNNn（选择(xunz)TN）恒转矩调速方式恒转矩调速方式(fngsh)与恒转矩负载配合与恒转矩负载配合TL第81页/共113页第八十二页，共113页。2022-3-6830nTnTNNnmaxn（选择(xunz)TN）恒转矩调速方式恒转矩调速方式(fngsh)与恒功率负载配合与恒功率负载配合TL第82页/共113页第八十三页，共113页。2022-3-6840nTnTNNnmaxn（选择(xunz)TN）恒功率调速方式恒功率调速方式(fngsh)与恒功率负载配合与恒功率负载配合TL第83页/共113页第八十四页，共113页。2022-3-6850nTnTLNnmaxn恒功率恒功率(gngl)调速方式与恒转矩负载配合调速方式与恒转矩负载配合（选择(xunz)TN）第84页/共113页第八十五页，共113页。2022-3-686第五节第五节 晶闸管晶闸管直流电动机直流电动机(dngj)(dngj)系系统统cos17. 132sin2226650EttdEU电流电流(dinli)连续时的整流电压的平均值连续时的整流电压的平均值 负载为电动机时的整负载为电动机时的整流电压流电压(diny)(diny)波形波形对于三相零式晶闸管整流电路对于三相零式晶闸管整流电路bcos17. 120EU 式中，式中， 一逆变角。一逆变角。 b第85页/共113页第八十六页，共113页。2022-3-687电流不连续时整流电流不连续时整流电压与电流波形电压与电流波形电流不连续时电流不连续时的机械特性的机械特性第86页/共113页第八十七页，共113页。2022-3-688反并联连接的两组反并联连接的两组晶闸管装置向直流晶闸管装置向直流电动机供电电动机供电晶闸管晶闸管直流电动机系统的优点为：改变控制角，即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流，从而直流电动机系统的优点为：改变控制角，即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流，从而(cng r)达到平滑调速的目的。其技术与经济指标较高；调速范围大，平滑性高，质量小，占地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低，而且快速响应控制准确。达到平滑调速的目的。其技术与经济指标较高；调速范围大，平滑性高，质量小，占地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低，而且快速响应控制准确。其缺点是：其缺点是：1）由于电枢电流为脉冲波）由于电枢电流为脉冲波 ，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降。，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降。 2）当调速范围较大时，功率因数较低）当调速范围较大时，功率因数较低 。3）晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分）晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分(chng fn)会造成种种不良影响会造成种种不良影响 。第87页/共113页第八十八页，共113页。2022-3-689一、过渡过程一、过渡过程(guchng)的一般的一般概念概念 电力拖动系统处于稳定状态时，电磁转矩、电枢电流、转速及电枢电势都不随时间变化。如果打破这种平衡关系，拖动系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在此过程中，由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须电力拖动系统处于稳定状态时，电磁转矩、电枢电流、转速及电枢电势都不随时间变化。如果打破这种平衡关系，拖动系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。在此过程中，由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须(bx)是个连续变化的过程是个连续变化的过程 ，转矩、转速、电流等都将随时间变化，它们是时间的函数。这种变化过程就是电力拖动系统的过渡过程。，转矩、转速、电流等都将随时间变化，它们是时间的函数。这种变化过程就是电力拖动系统的过渡过程。第88页/共113页第八十九页，共113页。2022-3-690电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：1机械机械(jxi)惯性惯性 反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。 2电磁惯性电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分 别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。 3热惯性热惯性 它使电动机的温度不能突变。它使电动机的温度不能突变。 电力拖动的过渡过程一般分为两种：电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程）机械过渡过程 它只考虑机械惯性，忽略它只考虑机械惯性，忽略(hl)影响较小的电磁惯性。影响较小的电磁惯性。2）电气一机械过渡过程）电气一机械过渡过程 它同时考虑机械与电磁两种惯性。它同时考虑机械与电磁两种惯性。第89页/共113页第九十页，共113页。2022-3-691()()()anftTftIft2376aaaaaLaeNTNadIULEI RdtGD dnTTdtECnTCI求微分方程的解得到求微分方程的解得到(d do)动态特性动态特性第90页/共113页第九十一页，共113页。2022-3-692不同机械不同机械(jxi)对过渡过程要求：对过渡过程要求：起动、制动、反转要快（轧机、刨床起动、制动、反转要快（轧机、刨床），缩短），缩短过渡过渡(gud)时间时间起动制动平稳，加速度不能太大（电梯起动制动平稳，加速度不能太大（电梯(dint)、电车、电车），舒适度），舒适度准确定位、协调运转（伺服控制系统准确定位、协调运转（伺服控制系统），精确），精确度度第91页/共113页第九十二页，共113页。2022-3-6931 1、机械过渡、机械过渡(gud)(gud)过程的一般表达式过程的一般表达式nTTiRan0nsA0CBniRa+RcTs=TLB B点是过渡点是过渡(gud)(gud)过程的起始点，过程的起始点，C C电是过渡电是过渡(gud)(gud)过程结束后的稳定工作点。过程结束后的稳定工作点。第92页/共113页第九十三页，共113页。2022-3-6942376LGD dnTTdt2200()375375LLGD dnGD dnnnTnTdtdtbbb( )nf t第93页/共113页第九十四页，共113页。2022-3-695MtTsnnCe一阶常系数非齐次微分方程一阶常系数非齐次微分方程(wi fn fn chn)式，它的通解是：式，它的通解是：其中其中(qzhng)C(qzhng)C由初始条件确定，当由初始条件确定，当t t0 0时时n nnini（A A点转速）点转速）则则C Cninins ns 上式可以写成：上式可以写成：()MtTsisnnnn e0snnTb过渡后的稳态值：过渡后的稳态值：2375sGD dnnndtb2M T375GDb令MTsdnnndt第94页/共113页第九十五页，共113页。2022-3-696( )Tf t000sLiinnTnnTnnTbbb()MtTsisnnnn e代入整理(zhngl)()MtTsisTTTT e3）.电枢电流的变化规律电枢电流的变化规律( )aIf t()MtTaasaiasIIIIe第95页/共113页第九十六页，共113页。2022-3-697()MtTsisnnnn e()MtTsisTTTT e()MtTaasaiasIIIIe三个式子形式三个式子形式(xngsh)相相同，都含有一个稳态分量和同，都含有一个稳态分量和一个按指数形式一个按指数形式(xngsh)变变化的分量。化的分量。过渡过程的时间取决