电机拖动与控制-电机额定功率的选择.ppt

面向21世纪高职高专系列教材,电机拖动与控制,第10 章 直流电动机,在电力拖动系统中，选择电动机一般包括确定电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率、工作方式等。而最重要的是选择电动机的额定功率。决定电动机功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力和起动能力等因素，以发热问题最重要。,一、电动机的种类、型式、额定电压与额定转速的选择,1. 电动机种类的选择 选择电动机的原则是电动机性能满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、工作可靠、维护方便的电动机。在这方面交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，笼型异步电动机优于绕线式异步电动机。 负载平稳，对起，制动无特殊要求的连续运行的生产机械，宜优先选用普通笼型异步电动机，普通的笼型异步电动机广泛用于机械、水泵、风机等。深槽式和双鼠笼是异步电动机用于大中功率，要求起动转距较大的生产机械、如空压机、皮带运输机等。 起动、制动比较频繁，要求有较大的起动、制动转矩的生产机械，如桥式起重机、矿井提升机、空气压缩机、不可逆轧钢机等，应采用绕线式异步电动机。 无调速要求，需要转速恒定或要求改善功率因数的场合，应采用同步电动机，例如中、大容量的水泵，空气压缩机等。 只要求几种转速的小功率机械，可采用变极多速(双速、三速、四速)鼠笼式异步电动机，例如电梯、锅炉引风机和机床等。,调速范围要求在13以上，且需连续稳定平滑调速的生产机械，宜采用他励直流电动机或用变频调速的鼠笼式异步电动机，例如大型精密机床、龙门刨床、轧钢机、造纸机等。 要求起动转距大，机械特性软的生产机械，使用串励或复励直流电动机，例如电车、电机车、重型起重机等。 2. 电动机型式的选择 (1) 安装型式的选择 电动机安装型式按其位置的不同，可分为卧式和立式两种。一般选卧式，立式电动机的价格贵，只有在为了简化传动装置，必须垂直运转时才采用。 (2) 防护型式的选择 为防止电动机受周围环境影响而不能正常运行，或因电机本身故障引起灾害，必须根据不同的环境选择不同的防护型式。电动机常见的防护型式有开启式、防护式、封闭式和防爆式4种。 开启式 这种电机价格便宜，散热条件较好，但容易进入水气、水滴、灰尘、油垢等杂物，影响电机的寿命及正常运转，故只能用于干燥清洁的环境之中。 防护式 这种电机一般防止水滴，等杂物落入机内，但不能防止潮气及灰尘的侵入，故只能用于干燥和灰尘不多又无腐蚀和爆炸性气体的环境。 防闭式 这类电机又分为自冷式、强迫通风式和密封式3种，前两种电机，潮气和灰尘不易进入机内，能防止任何方向飞溅的水滴和杂物侵入，适用于潮湿、多尘土、易受风雨侵袭，有腐蚀性蒸汽或气体的各种场合。密封式电机，一般使用于液体(水或油)中的生产机械，例如潜水泵等。, 防爆式 在封闭结构的基础上制成隔爆型，增安型和正压型3类，都适用于有易燃易爆气体的危险环境，例如油库、煤气站或矿井等场所。 对于湿热地带、高海拔地区及船用电机等，还得选用有特殊防护要求的电机。 3. 额定电压的选择 电动机的额定电压的选择，取决于电力系统对该企业的供电电压和电动机容量的大小。 交流电动机电压等级的选择主要依使用场所供电电压等级而定。一般低电压网为380V，故额定电压为380V(Y或接法)、220/380V(/Y接法)，380/660V(/Y接法)3种；矿山及煤厂或大型化工厂等联合企业，越来越要求使用660V(接法)或660/1140V(/Y接法)的电机。等电动机功率较大，供电电压为6000V或10000V时，电动机的额定电压应选与之适应的高电压。 直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。一般为110V、220V和440V。其中220V为常用电压等级，大功率电机可提高到6001000V。当交流电源为380V，用三相桥式可控硅整流电路供电时，其直流电动机的额定电压应选440V，当用三相半波可控硅整流电源供电时，直流电动机的额定电压应为220V，若用单相整流电源，其电动机的额定电压应为160V。,4. 额定转速的选择 额定功率相同的电动机，其额定转速越高，则电动机的体积越小，重量越轻，造价越低，一般地说电动机的飞轮距GD2也越小。但生产机械的转速一定，电动机的额定转速越高，拖动系统传动机构的速比越大，传动机构越复杂。 电动机的GD2和额定转速 影响到电动机过渡程持续的时间和过渡过程中的能量损耗。电动机的GD2 越小，过渡过程越快，能量损耗越小。 因此，电动机额定转速的选择，应根据生产机械的具体情况，综合考虑上面所述的各个因素来确定。,二、电动机的发热与冷却,1. 电动机的发热 电动机运行过程中，各种能量损耗最终变成热能，使得电动机的各个部分温度上升，因而会超过周围环境温度。温度升高的热过渡过程，称之为电动机的发热过程，电动机温度高出环境温度的值称为温升。一旦有了温升，电动机就要向周围散热。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升，称为动态热平衡。,2. 电动机的冷却 负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果减少或去掉负载，那么电动机内耗及单位时间发热量都会随之减少。这样，原来的热平衡状态被破坏，变为发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。降温过程中，随着温升减小，单位时间散热量也减少。当重新达到平衡时，电动机不再继续降温，而稳定在一个新的温升上。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。 3. 电动机的绝缘等级 从发热方面来看，决定电动机容量的一个主要因素就是它的绕组绝缘材料的耐热能力，也就是绕组绝缘材料所能容许的温度。电动机在运行中最高温度不能超过绕组绝缘的最高温度，超过这一极限时，电动机使用年限就大大缩短，甚至因绝缘很快烧坏而不能使用。根据国际电工委员会规定，电工用的绝缘材料可分为7个等级，而电动机中常用的有A、E、B、F、H5个等级，而各等级的最高容许温升分别为105、120、130、155、180。我国规定40为标准环境温度，绝缘材料或电动机的温度减去40即为允许温升，用max 表示。,三、电动机的工作方式,电动机工作时，负载持续时间的长短对电动机的发热情况影响很大，因而对选择的电动机功率影响也很大。按电动机发热的不同情况，可分为以下3种工作方式。 1. 连续工作方式 连续运行方式是指电动机工作时间tr (34) ( 为电动机的发热时间常数，表征电动机热惯性的大小)后温升可以达到稳态值，也称长期工作制。属于这类生产机械的有水泵、鼓风机、造纸机等。 2. 短时工作方式 短时工作方式是指电动机工作时间tr(34) 。这样工作时温升达不到稳态值 ，而停歇后温升降为零。属于此类生产机械的有机床的夹紧装置、某些冶金辅助机械、水闸闸门启闭机等。 短时工作方式下电动机的额定功率是与规定的工作时间相对应的，这一点需要注意，与连续工作方式的情况不完全一样。电动机铭牌上给定的额定功率是按15min、30min、60min、90min 4种标准时间规定的。,3. 周期性断续工作方式 周期性断续工作方式是指工作和与停歇相互交替进行，两者时间都比较短，即工作时间tr(34) ，停歇时间t0(34) 。工作时温升达不到稳态值，停歇时温升降不到零。属于此类工作的生产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械等。 在重复短时工作方式下，负载工作时间与整个周期之比称负载持续率又称暂载率(%)，用FS表示，即 FS= 我国规定的负载持续率有15%、25%、40%和60% 4种，一个周期的总时间为 + 10min。,(8.12),四、额定功率的选择,正确选择电动机容量的原则，应在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地决定电动机的功率。若功率选得过大，设备投资增大，造成浪费，且电动机经常欠载运行，效率及交流电动机的功率因数较低；反之，若功率选得过小，电动机将过载运行，造成电动机过早损坏。决定电动机功率的主要因素有3个：,(1) 电动机的发热与温升，这是决定电动机功率的最主要因素； (2) 允许短时过载能力； (3) 对交流笼型异步电动机还要考虑起动能力。 1. 恒值负载时电动机额定功率的选择 恒值负载是指在工作时间内负载大小不变，包括连续和短时两种工作方式。电动机额定功率的选择是在假设环境温度为40及标准散热条件下，且在电动机不调速的前提下进行的。 1) 连续工作方式 在连续工作方式情况一，选择电动机的额定功率PN等于或略大于负载功率PL，即 PNPL (8.13) 式中，PL是根据具体生产机械的负载及效率进行计算的，可查阅相关机械设计手册。由于这个条件本身是从发热温升角度考虑的，故不必再校核电动机的发热问题，只需校核过载能力，必要时还要校核起动能力。,过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。校核电动机过载能力可按下列条件进行 Tmax TN (8.14) 式中 Tmax 电动机在工作中所承受最大转矩(Nm)； 电动机允许过载倍数，对不同类型的电动机， 取值不完全一样。 若预选的电动机过载能力达不到，则要重选电动机及额定功率，直到满足要求为止。 对三相笼型异步电动机，最后还要校核起动能力是否达到，若达不到，也应重选电动机及其额定功率。 以上关于额定功率的选择是在标准环境温度为40前提下进行的。若电动机工作的环境温度发生变化，则必须对电动机的额定功率进行修正。根据理论计算和实践，在周围环境温度不同时，电动机的功率可粗略地按表8-1相应增减。,表8-1 不同环境温度下的电动机功率增减百分数,由表8-1可见，环境温度低，电动机实际功率应比标准规定的额定功率高，反之，则应降低额定功率使用。 2) 短时工作方式 选择短时工作方式的电动机。对短时工作方式下的负载，其工作时间与电动机的标准时间一致，例如也是15min、30min、60min和90min，则选择电动机的额定功率只须满足PNPL。 若负载的工作时间与标准工作时间不一致，则预选电动机功率时，应先按发热和温升等效的原则把负载功率由非标准工作时间折算成标准工作时间，然后再按标准工作时间预选额定功率。 设短时工作方式负载工作时间为tr，其最近的标准工作时间为trb，则预选电动机额定功率应满足 (8.15),上式是从发热和温升等效原则得出的，故经过向标准工作时间折算后，预选电动机肯定能满足温升条件，不必再校核。 选择连续工作方式的电动机。由于短时工作方式的电动机较少，故可选择连续工作方式的电动机。从发热和温升的角度考虑，电动机在连续工作方式下应该输出比连续工作方式时额定功率要大的功率才能充分发挥电动机的能力。或者说，预选电动机时也要把短时工作的负载功率等效折算到连续工作方式上去才合理。 设电动机中不变损耗与额定负载时的可变损耗的比值用表示，则预选的电动机额定功率应满足 (8.16) 式中 发热时间常数； tr短时工作时间(s)。 其中数值因电动机而异。一般地说，普通直流电动机=11.5，冶金用直流电动机=0.50.9，冶金专用中、小型三相绕线转子异步电动机=0.450.6，冶金专用大型三相绕线转子异步电动机=0.91.0，普通三相笼型异步电动机=0.50.7。对于具体电动机而言， 和可从技术数据中找出或估算。,若实际工作时间极短，则电动机的发热与温升已不成问题，只需从过载能力及起动能力方面来选择电动机连续工作方式下的额定功率。 短时工作方式折算到连续工作方式下再预选电动机额定功率后，也不必再进行温升校核。 2. 变化负载时电动机额定功率的选择 (1) 周期性变化负载连续工作方式。连续工作方式下的变化负载，其变化通常具有周期性。负载变化周期为tt，一个周期内负载的平均功率 式中 PL1、PL2、PLn 各段负载功率(kW)； t1、t2、tn 各段负载作用时间(s)。 按负载平均功率再乘上1.11.6的系数来预选电动机的额定功率，即 (8.18) 电动机的额定功率预选好后，还要进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。若其中有一项不合格，须重新选择电动机，再进行校核，直到各项都合格为止。,(8.17),校核电动机发热的方法很多，这里只介绍一种常用的等效转矩法。 负载转矩已知后，只是作为预选电动机额定功率的依据。校核发热温升，还需要知道电动机在一个周期内电磁转矩的变化情况。怎样从负载转矩找出电动机的电磁转矩与时间的关系T=f(t)呢？在电动机稳定运行时，转速恒定，则T=TL；在电动机过渡过程(起动与制动)中，则T=TL+Ta。Ta为动转矩，即使电力拖动系统加速或减速的转矩。加速时为正值，减速时为负值。这样，一个周期内电动机的电磁转矩情况便可确定。 在电动机气隙磁通恒定的条件下，一个周期内发热相同的等效转矩Td可用式(8.19)表示。 式中 Ti第i段电动机的电磁转矩(Nm)。 若TdTN，则发热校核通过。TN为预选电动机的额定转矩。 等效转矩法使用于气隙磁通恒定的条件，若电动机在运行过程中只有一段时间采用降低磁通升速，则通过对弱磁阶段的转矩进行修正，也可使用等效转矩法。即将弱磁这一段的转矩向着额定磁通折算，便可认为整个周期时间内均为恒定磁通。设弱磁段的转矩为 ，转速为n( )，折算后的转矩为 ，,(8.19),转速为额定转速 ，则它们之间的关系为,(8.20),(2) 周期性断续工作方式。这种工作方式的电动机，按标准规定每个工作与停歇的周期不超过10min。每个周期内都有起动、运行、制动和停歇各个阶段。普通电动机难以胜任如此频繁的起、制动工作。因此，周期性断续工作方式的电动机有转子细长、飞轮矩小、起动和过载能力强、机械强度大、绝缘等级高等特点。 若负载持续率为标准负载持续率，则预选电动机的额定功率应满足 （1.1 (8.21) 若负载持续率为非标准负载持续率，则需向与其最接近的标准负载持续率FSb(%)折算。折算的原则是损耗相等。折算后的公式为 （1.1 (8.22) 式中 FS负载实际持续率(%)。,预选电动机额定功率后进行发热校核时仍可用等效转矩法。先找出电动机在工作时间内电磁转矩与时间的关系，再计算等效转矩Td。 对于他扇冷式电动机，等效转矩为 对于自扇冷式电动机，由于起动与制动过程中电动机转速低，散热条件差，稳定后的最高温升将比没有起制动时的要高，因此需相应提高等效转矩，即,(8.23),(8.24),式中 ts 起动时间(s)； tc 恒速运行时间(s)； tb 制动时间(s)； 系数，其值因电动机而异，一般直流电动机为0.75，异步电动劝机为0.5。 若TdTN，则发热校核通过。 上述方法适用于10%FS70%的范围。,当负载持续率FS10%时，应按短时工作方式处理，根据过载及起动能力选择电动机的额定功率。 当FS70%时，则应按连续工作方式处理，选择连续工作方式的电动机。其负载性质属于一个周期性变化负载，且每个周期内包括一次起动、制动和停歇时间。 他扇冷式电动机的等效转矩为式(8.24) 自扇冷式电动机的等效转矩为,(8.25),式中 T0 停歇时间(s)。 系数，其值通常为小于1，直流电动机约为0.5，异步电动机约为0.25。 若 ，则发热校核通过。 周期性变化负载预选电动机额定功率及发热校核通过后，还需校核过载能力，必要时还要校核起动能力，这些是同常值负载情况一样的。,3.4 他励电动机的起动和反转,3.4.1 起动转矩和起动电流,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。,起动应考虑的问题： （1）起动电流Is的大小； （2）起动转矩Ts的大小； （3）起动时间的长短； （4）起动过程是否平滑，即加速是否均匀； （5）起动过程的能量损耗和发热量的大小； （6）起动设备是否简单、可靠。 其中，起动电流和起动转矩两项是主要应考虑的。,3.4.1 起动转矩和起动电流,起动最初，n= 0，Ea0起动电流Is较大。如果电枢电压为额定电压UN，则起动电流可达额定电流的10-20倍。这样大的起动电流会使换向恶化，产生严重的火花；与电枢电流成正比的电磁转矩过大，对生产机械产生过大的冲击力。因此，必须采取适当的措施限制起动电流，除容量极小的电机外，绝不允许直接起动,起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为：,他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。否则在加励磁电流之前电枢中一直为起动电流。(或理解为电能只以电枢绕组中热量的形式释放）,3.4.2 电枢回路串电阻起动,1.起动过程,为限制起动电流，起动时在电枢回路内串入起动电阻，然后在转速上升过程中逐级短接切除。下面以三级电阻起动为例加以说明。起动电路原理图和机械特性图如下：,3.4.2 电枢回路串电阻起动,电枢回路串电阻起动的工作原理 对应于起动电流Is1的起动转矩为Ts1，因Ts1TL，电动机开始起动。起动过程的机械特性如图所示，工作点由起动点Q沿电枢总电阻为Rs1的人为特性上升，电枢电动势随之增大（Ea=CeFn），电枢电流（反电动势增大）和电磁转矩（T=CTFIa）则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至Is2和Ts2 (图中A点)，为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程。此时闭合S1，切除r1。此时的电流Is2称为切换电流。当r1被断掉后，电枢回路总电阻变为Rs2=Ra+r2+r3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电动机的机械特性由图中曲线1上的A点平移到曲线2上的B点。再依此切除起动电阻r2、r3，电动机的工作点就从B点到D点，最后稳定运行在自然机械特性的W点，电动机的起动过程结束。,3.4.2 电枢回路串电阻起动, 2.起动电阻的计算,起动电阻计算的主要任务包括选定最大起动电流Is1和切换电流Is2，确定适当的起动级数m，计算各段电阻的阻值和功率等。 技术标准规定：一般直流电动机的起动电流应限制在额定电流的2.5倍以内，相应的起动转矩为额定转矩的2-2.5倍。 一般选取最大起动电流为：Is1=(1.5-2.2)IN 为尽量缩短起动时间，要求各级起动过程均为加速运行状态，故Is2必须大于负载电流IL。 一般选取切换电流为：Is2=(1.1-1.3)IL 起动级数m可根据控制设备来选取，也可根据经验试选，一般不超过六级。,对于三级电阻启动可得：,3.4.2 电枢回路串电阻起动, 2.起动电阻的计算,由机械特性图，第一段电阻r1切除前后（A到B），电枢电动势保持不变（ Ea=CeFn，n不能突变），即UN-IS2RS1= UN-IS1RS2，故有IS2RS1= IS1RS2，或,-为起动电流比。,分段起动电阻数值：,3.4.2 电枢回路串电阻起动, 2.起动电阻的计算,由此得各级起动总电阻：,Rs3 = Ra Rs2 = Rs3= 2 Ra Rs1= Rs2= 3 Ra,r3=Rs3-Ra=(-1)Ra r2= Rs2 - Rs3 =r3 r1= Rs1 -Rs2 =r2,（1）确定最大起动电流IS1；,（3）选取起动级数，(通常可试取m=3)；,计算起动电阻的步骤：,3.4.2 电枢回路串电阻起动, 2.起动电阻的计算,（2）求出Rs1=UN/IS1；,（4）求出起动电流比 ；,（5）求出切换电流Is2，如果Is21.1IN即可，否则，重新选取m（或在容许范围内重选Is1），至满足Is2=(1.1-1.3)IL或Is2=(1.1-1.3)IN为止。,（7）各段电阻的额定功率可按下式估算：Pr=IS1IS2r,（6）值确定后，计算各段电阻值 ；,m,a,s1,R,R,=,3.4.3 减压起动,当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1TL时；电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，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。 起动过程的机械特性如图所示：,3.4.4 直流电动机的反转,电机反转即改变电磁转矩的方向，由电磁转矩公式（T=CTFIa）可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个：,保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接。 保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接。,3.4 他励电动机的起动和反转,例3-1：某他励直流电动机额定功率PN=96kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=250A，额定转速nN=500r/min，电枢回路电阻Ra=0.078W，拖动额定恒转矩负载运行，忽略空载转矩。 （1）若采用电枢回路串电阻起动，起动电流Is1=2IN时，计算应串入的电阻值及起动转矩。 （2）若采用减压起动，条件同上，电压应降至多少？计算起动转矩。,解： (1)串电阻起动时， 应串电阻 RS=UN/IS1-Ra=（440/2250-0.078）=0.802W 额定转矩 TN9.55PN/nN=(9.5596103/500)=1833.5Nm 起动转矩 Ts=2TN=(21833.5)=3667Nm,(2)减压起动时， 起动电压 Us=ISRa=(22500.078)V=39V 起动转矩 Ts=2TN=(21833.5)=3667Nm,3.5 他励直流电动机的制动,.能耗制动 .反接制动(倒拉、电源反接） .回馈制动(又称再生发电),制动的概念,电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。,制动的目的：,1）使电动机减速或停车。 2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）,制动的方法,（1）机械制动 （2）电磁制动,电磁制动的方法,机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸 ）,3.5 他励直流电动机的制动,机械抱闸制动示意图,3.5.1 能耗制动,电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。 制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 Ea(Ea=CeFn)方向不变。由Ea产生的电枢电流IaB 的方向与电动状态时Ia的方向相反IaB=(U-Ea)/R,此时U=0,对应的电磁转矩 TB与T方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。 能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的动能转换成电能，消耗在制动电阻上。,3.5.1 能耗制动,能耗制动时的机械特性方程为：,3.5.1 能耗制动,但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是：,能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小, 制动转矩也不断减小,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。,改变制动电阻RB的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。RB越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。,3.5.2 倒拉反接制动,倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。,制动时在电路串入一个大电阻，此时Ia变小，电磁转矩变小。,倒拉反接,图3-17 倒拉反接原理图,3.5.2 倒拉反接制动,倒拉反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有,倒拉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（CD段）。,可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。,3.5.2 倒拉反接制动,3.5.3 电源反接制动,电源反接（或称电枢反接）制动时接线如图所示。,开关S投向“电动”(蓝线)侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。 反接制动时，将开关投向“制动”（红线）侧，电枢回路串入制动电阻RZ后，接上极性相反的电源电压，这时作用在电枢电路上的电压(U+Ea)2U,电枢回路内产生反向电流：,串入制动电阻Rz，以限制过大的制动电流（制动电流允许最大值2.5IN)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源反接制动。,3.5.3 电源反接制动,电源反接过程的机械特性方程为：,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制动电阻上。,3.5.4 回馈制动 （再生制动）,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 n n0情况，此时Ea U， Ia 反向，T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（ P1=UIa 0 、 P2=T0 ）。,稳定运行有两种情况: 1）正向回馈 2）反向回馈,3.5.4 回馈制动 （再生制动）,发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况：,回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。,3.5 他励直流电动机的制动,注意：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。 说明：很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。,3.5 他励直流电动机的制动,例3-2：Z2-92型的直流他励电动机额定数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，电枢内电阻Ra=0.07W，试求： （1）在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时，电枢应接入多大的电阻？ （2）求出它的机械特性的方程。 （3）如电枢直接短接，制动电流应多大？,解： (1)额定负载时，电动机电动势 EaN=UN-IaRa=（220-2100.07）=205.3V 按要求 Ia=-2IN=(-2210)=-420A 能耗制动时，电枢回路总电阻 R=-EaN/Ia=(-205.3/-420)=0.489W 应接入制动电阻 RZ =R-Ra =(0.489-0.07)=0.419W,3.5 他励直流电动机的制动,(3) 如电枢直接短接，制动电流 IZ =-EaN/Ra =-205.3/0.07 =-2933A,(2) 电动势系数 CeFN=EaN/nN=205.3/1000=0.2053 转矩系数 CTFN=9.55CeFN = 9.550.2053=1.96 所以机械特性方程为 n=-RT/CeCTFN2=-0.489T/0.20531.96=-1.215T,注：此电流约为额定电流的14倍，所以能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。,3.6 他励电动机的调速,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。通过改变传动机构转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。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法： 1.电枢回路串电阻调速；2.降低电源电压调速；3.弱磁调速。,3.6 他励电动机的调速,（1）调速范围,衡量调速好坏的指标：,（2）调速的平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比称为调速的平滑性，平滑系数为：,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。,（3）调速的稳定性（静差率）,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。静差率，是指电动机在某机械特性上运转时，由理想空载至满载时的转速降对理想空载转速的百分比，即：,%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。,3.6 他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（4）调速的经济性,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,3.6 他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（5）调速时电动机的容许输出,是指电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。,3.6.1 电枢回路串电阻调速,3.6 他励电动机的调速,未串电阻时的工作点,串电阻R1后,工作点由AAB,拖动恒转矩负载为例。保持电源电压及主极磁通为额定值不变，在电枢回路内串入不同的电阻。,C,n2,串入更大的电阻R2后,将以更低的速度n2运行,3.6.1 电枢回路串电阻调速,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.1 电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差； 2）电枢回路串电阻越大，稳定运行时转速越低，所以，只能在低于额定转速的范围内调速，一般称为由基速（额定转速）向下调速。 3）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；（即受负载波动的影响大） 4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2； 5）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后Ia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：,3.6.2 降低电源电压调速,拖动恒转矩负载为例。保持主极磁通为额定值不变，电枢回路不串入电阻，降低电源电压。,3.6.2 降低电源电压调速,优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。,3.6.3 弱磁调速,拖动恒转矩负载为例。保持电枢电压不变，电枢回路不串入电阻，减小电动机的励磁电流使主极磁通值减弱。,3.6.3 弱磁调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线(Ea=CeFn，弱磁瞬间n不能突变，F减小则Ea减小，UN= Ea+IaRa，Ia增大),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。,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.3 弱磁调速,优点：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；,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；,3.6 他励电动机的调速,例3-3：某台他励直流电动机，额定功率PN=220kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.1W，忽略空载转矩T0，电动机带额定负载运行，试求： （1）要求把转速降到1000r/min，可有几种方法，并求出它们的参数。 （2）当减弱磁通至F=3/4 FN时，拖动恒转矩负载时，求电动机稳定转速和电枢电流。能够长期运行？为什么？如果拖动恒功率负载，情况又怎样？,解： (1)把转速降到1000r/min，可有两种方法:1）电枢回路串电阻；2）降低电枢电压。 1）计算电枢串入电阻的数值 CeFN=（UN-IN Ra）/nN=（220-1150.1）/1500=0.139 电枢串电阻为R，则有 R=（UN- CeFNn）/IN-Ra =(220-0.1301000/115)-0.1=0.604W,2）计算降低后的电枢电压数值 U=CeFNn+IN Ra=（0.1391000+1150.1）=150.5V (2) F=3FN/4时，电动机的转速和电枢电流的计算 根据电磁转矩公式 T=CTFN Ia 拖动恒转矩负载 T=TL=常数 则有， Ia=FN IN/F=4IN /3=4115/3=153A 电动机转速 n=（UN-IaRa）/CeF=（200-1530.1）/0.750.139=1964r/min 可见，由于电动机的电枢电流IaIN，故不能长期运行。 如果拖动恒功率负载，由于此时电枢电流 I= IN=常数 电动机转速n=（UN-IaRa）/CeF=（220-1150.1）/0.750.139=2000r/min 故，电动机可以长期运行（未考虑最高转速的限制）。,3.6 他励电动机的调速,3.7 直流电机的故障分析及维护 1、直流电动机安装时，有哪些基本要求？ 2、电机发生故障时，应从哪些方面做常规检查？ 3、影响换向恶化的原因主要有哪些？ 4、电机振动的原因和带来的危害有哪些？通过什么手段来检测振动情况？ 5、换向器对表面光洁度和清洁度都有严格要求，如出现异常，分别采取哪些方法处理？ 6、电刷与换向器的接触面积有什么要求？对电刷的压力有什么要求？为什么同一台电机必须使用统一型号的电刷？新更换的电刷需做什么处理？ 7、电刷架的位置能随便移动吗？为什么？ 8、电枢绕组匝间短路的后果是什么？ 9、在电源电压一定的情况下，转速偏高的原因是什么？ 10、如果电机出现局部过热，试列出几个原因。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,1.机械原因 （1）电机振动。 现象：电刷在换向器表面跳动。 原因：电枢两端的平衡块脱落或位置移动。 处理办法：进行平衡。低速，静平衡；高速，动平衡。 （2）换向器。 现象：电刷不能在换向器上平稳滑动或火花增大。 原因：换向器变形；片间云母突出；表面有疤痕或毛刺；换向器表面有油污。 处理办法：沾酒精擦拭；用与换向器表面吻合的曲面木块垫上细砂纸磨换向器，严重则刀削外圆；云母突出则将云母下刻。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（3）电刷。 现象：产生有害火花。 原因：电刷弹簧压力不合适；电刷材料不符合要求；电刷型号不一致；电刷与刷盒间配合太紧或太松；刷盒边离换向器表面距离太大。 处理办法：电刷的弹簧压力根据不同的电刷确定；同一电机使用同一型号的电刷；更换电刷用较细的玻璃砂纸研磨，空转半小时，使换向器表面形成氧化膜，再投入工作。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,2、 由机械引起的电气原因 现象：产生有害火花或火花增大。 原因：磁极、刷盒的装配有偏差。 处理办法：使各磁极、电刷安装合适、分布均匀，电刷架保持出厂时的位置，固定牢固。 3、电枢绕组故障 （1）电枢元件断线或焊接不良。 现象：电刷接触和离开的瞬间呈现较大的点状火花，使断路元件两侧的换向片灼黑；若用电压表检查换向器片间电压，断线元件或换向器焊接不良的元件两侧的换向片片间电压特别高,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（2）电枢绕组短路。 现象：局部过热,4、定子绕组故障 （1）换向极或补偿绕组极性接反。 现象：换向火花急剧增大，换向片明显灼黑。 原因：极性接反。 （2）换向极或补偿绕组短路。 现象：火花增大。 原因：换向极或补偿绕组短路,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（3）换向极绕组不合适。 现象：电机修理后，再三调整还不能满足换向要求，从内部也找不出故障原因。 原因：可能是换向极磁场不合适引起的。 5、电源的影响 现象：换向变坏；增加了电机的噪声、振动、损耗、发热。 原因：使用晶闸管整流装置代替直流发电机组，这种电源带来了谐波电流和快速暂态变化。 解决方法：用串接平波电抗器的方法来减少交流分量。一般外加平波电抗器的电感值约为直流电机电枢回路电感的2倍左右。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.2 直流电机运行时的性能异常及维护,1、转速异常 当电机的转速发生异常时，可用转速公式 中的有关因素来找原因。 （1）转速偏高。 现象：对并励或他励电动机，转速剧升，有飞车的危险。如带负载很重，电动机速度也不致升高，这时电流剧增，使开关的保护装置动作后跳闸；对串励电动机，励磁线圈断线即电枢开路，电动机停止运行。 原因：励磁绕组中发生短路现象或个别磁极极性装反，或励磁线圈断线，磁极只有剩磁。,（2）转速偏低。 现象：电机转速偏低。 原因：电枢回路中连接点接触不良，使电枢电路的电阻压降增大。 解决方法：检查电枢电路各连接点（包括电刷）的接头焊接是否良好，接触是否可靠。 （3）转速不稳。 现象：电机的转速和电流发生急剧变化，电机不能正常稳定运行，如不及时制止，电机和所接仪表均有损坏的危险。 解决方法：首先检查串励绕组极性是否准确，减小励