直流电动机的起动调速与制动.ppt

电机控制技术,第三章 他励直流电动机的起动、调速与制动,本章内容,直流电动机的起动 直流电动机的制动 直流电动机的调速 直流电动机的运行状态,3.1 直流电动机的起动,起动过程：直流电动机转速从零到达稳定转速的过程； 直流电动机起动的原则：在起动电流不超过允许值的情况下，获得尽可能大的起动转矩； 直流电动机拖动负载起动的基本要求是： 起动转矩足够大，使TS（1.11.2)TL； 起动电流尽量小，使IS（1.52)IN； 起动设备要简单、可靠、经济；,3.1 直流电动机的起动,他励直流电动机起动时：先在电动机的励磁绕组中通入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后才能接通电枢回路； 直流电动机的起动方式：直接起动；电枢回路串电阻起动；降电压起动,3.1.1 直接起动,把他励直流电动机的电枢绕组直接接到额定电压的电源上，这种起动方法称为直接起动； 起动转矩为电动机在起动瞬间（n=0）所产生的电磁转矩，也称为堵转转矩，其计算公式为：Tst=CTnIST； 起动瞬间，n0，Ea0，起动电流为Ist=UN/Ra；由于电枢电阻Ra很小，因此Ist很大，可以达到额定电流的1020倍；,大的起动电流可能产生如下后果： 大电流使电枢绕组受到过大的电磁力，易损坏绕组； 使换向困难，在换向器表面产生火花及环火，烧毁电刷与换向器； 过大的起动电流将产生过大的起动转矩Tst，从而使传动机构受到很大的冲击力，加速过快，易损坏传动变速机构； 过大的起动电流会引起电网电压的波动，影响电网上其他用户的正常用电；,因此，一般来讲，对于微型直流电动机（功率小于1KW），其功率小、电压低、电枢电流小、电枢电阻Ra相对较大，允许采用直接起动的方法，无需附加起动设备，操作最为简便。 在设计直流电动机时，电枢绕组允许通过短时过载电流为额定电流的1.52倍，因此限制起动电流Ist时，应将其值限制在（1.52）倍In范围内。 由Ist=UN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个： 降低电源电压 加大电枢回路电阻,3.1.2 降低电源电压起动（软起动）,降压起动时，电动机的电枢由可调直流电源供电； 起动时，需先将励磁绕组接通电源，并将励磁电流调到额定值，然后由低到高调节电枢回路的电压； 在起动瞬间：电流Ist通常限制在（1.52）IN内，因此起动的最低电压为U1=(1.52)INRa，此时电动机的电磁转矩大于负载转矩，电动机开始旋转，转速n升高，Ea也逐渐增大，电枢电流Ia=(U-Ea)/Ra相应减小，此时电压U必须不断升高，并且时Ia保持在（1.52）IN内，直至电压升高到额定电压UN，电机进入稳定运行状态，起动过程结束。,3.1.2 降低电源电压起动（软起动）,优点：平滑性好，能量损耗小，易于实现自动控制； 缺点：需要配有专用的调压电源，增加了初期的投资；,图3.1 降压起动,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,电压U=UN不变，在电枢回路中串接电阻Rst，可以达到限制起动电流的目的， Rst称为起动电阻； 电枢回路中应串入的电阻值为：RstUN/Imax-Ra 起动后，如果仍旧串接着Rst，则系统只能在较低转速下运行。为了得到额定转速，必须切除Rst，使电动机回到固有机械特性上工作。但如果把Rst一次全部切除，还会产生过大的电流冲击，为了保证起动过程中电枢电流始终不超过最大允许值，只能先切除Rst的一部分，使系统工作在某一条中间的人为机械特性上，待转速升高后再切除一部分电阻。如此逐步切除，直至Rst全部切除为止。,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,电阻的切除方法有手动和自动两种； 自动切除有三种方法： 限流切除法：起动电流减小到某一数值时，自动切除一级电阻； 反电势加速法：随着转速升高电枢感应电势相应增大，根据检测得到的感应电势自动切换； 限时切除法：按预先设定的时间，依次切除；,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,起动电阻的计算： I1的选择：为了满足快速起动的要求， T1越大越好，但考虑电动机的过载能力，一般选： I1Imax（1.52）IN或T1 （1.52）TN I2的选择： 保证电机能带动负载，即T2TL； T2TL不能太小，太小加速慢，延缓起动过程； T2TL不能太大，太大起动级数赠多； 一般选I2（1.11.2）IN或T2 （1.11.2）TN 或I2（1.11.2）ILmax或T2 （1.11.2）TLmax,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,起动级数m的选择： 为了满足快速起动的要求，级数应该多，级数多可使平均起动转矩大，起动快，同时起动平滑性好； 但级数越多，所用设备越多，线路越复杂，可靠性下降； 一般选m=24级；,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,各级起动电阻的计算： 原则：以起动过程中，最大起动电流I1和切换电流I2保持不变为原则； 在切换瞬间，电动机的转速不能突变，所以有nb=nc，Eb=EC，因此 在b点有：I2（UN-Eb）/R3 在C点有：I1（UN-Ec）/R2 得： I1/I2=R3/R2=R2/R1=R1/Ra= 则：R1=Ra， R2=R1=2Ra， R3=R2=3Ra， Rm=Rm-1=mRa，,3.1.3 电枢回路串电阻分级起动,计算起动电阻时的两种情况： 起动级数m未定，选定I1，I2，得到； 起动级数m已定，选定I1，得到Rm=UN/I1，然后得到；,根据直流电动机转速方程,3.2 直流传动的调速方法,n,U,I,R,Ce,式中 转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。,（1）调压调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）调阻调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,调压调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好； 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，直流调速系统往往以调压调速为主。,3.3 直流电动机的制动,制动：电气制动和机械制动 电气制动：电动机的电磁转矩T与转速n的方向相反，T起反抗运动的作用； 电动机的电气制动分为： 使系统迅速减速停车，过渡过程，制动过程 限制位能性负载的下降速度，稳定运行，制动运行 制动的方法： 能耗制动，反接制动，倒拉反转制动，回馈制动,3.3.1 能耗制动,能耗制动的原理 能耗制动过程中，电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变为电能，该部分电能再消耗在电枢回路的电阻上。,能耗制动的原理,3.3.1 能耗制动,能耗制动时的机械特性 机械特性方程：,能耗制动时的机械特性,3.3.1 能耗制动,能耗制动电阻RH的计算 RH越小，电枢电流Ia越大，制动转矩越大，制动越快 根据电枢允许通过最大电流确定 根据能耗制动刚开始时，需要的最大转矩确定,3.3.2 反接制动,反接制动的原理,3.3.2 反接制动,反接制动的机械特性 反接制动的机械特性方程 反接制动的机械特性,3.3.2 反接制动,反接制动电阻RF的计算 RF越小，电枢电流Ia越大，制动转矩越大，制动越快 根据电枢允许通过最大电流确定 根据能耗制动刚开始时，需要的最大转矩确定,3.3.3 倒拉反转制动,倒拉反接制动的原理 用于位能性负载 当他励直流电动机拖动位能性负载处于正向电动运行状态，当电枢回路串入电阻时，转速就会下降； 当电枢回路的电阻RD大到一定程度后，电动机就会稳定工作在反转状态（n0，Ea0），此时电枢电流仍然为正，电磁转矩T为正，与n的方向相反，此时T为制动转矩。 这种情况下，电动机靠位能性负载倒拉着反转，因此这种制动运行状态就叫做倒拉反转制动运行状态 电源输入的电功率和机械转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（Ra+RD）上。,3.3.3 倒拉反转制动,倒拉反转制动的机械特性 倒拉反转制动的人为机械特性方程： 倒拉反转制动的机械特性 机械特性比较软 RD越大，反向转速越高 用于重物下降的场合 根据下放速度，计算RD,3.3.4 回馈制动,回馈制动原理 电动机的转速n超过理想空载转速n0 电枢感应电动势EaUN 电枢电流变为负值，电磁转矩T与n的方向相反，电磁转矩T变为制动转矩 电磁功率PM0，输入功率P10，电动机不是从电源获得电功率，而是电动机向电源发出电功率，把电能回馈给电源,3.3.4 回馈制动,回馈制动的机械特性,降低电枢电压过程中的机械特性,反向回馈制动运行的机械特性,3.3.4 回馈制动,回馈制动的机械特性,正向回馈制动的机械特性,3.4 直流电动机的各种运行状态,运行状态：电动机机械特性和负载转矩特性交点所对应的工作状态； 电动机的运行状态按电磁转矩T与转速n的方向是否相同分为电动运行状态和制动运行状态；,3.4 直流电动机的各种运行状态,电动运行状态 T与n方向相同 从电网吸收电能，将电能转变为机械能 工作点位于：I和II