直流电机的电力拖动.ppt

第三章直流电机的电力拖动,第一节直流电动机机械特性的分类第二节他励直流电动机的机械特性第三节他励直流电动机的起动第四节起动时的过渡过程第五节他励直流电动机的制动及其过渡过程第六节他励直流电动机的速度调节第七节他励直流电动机各种工作状态分析,返回目录,下一章,上一章,第一节直流电动机机械特性的分类,本章将要研究的是：在相同的时间过程里，M=f(n)或I=f(n)，即电动机的静态特性，也叫机械特性；当MMfz时，M=f(t)或n=f(t)，即动态特性。其中机械特性是我们研究的重点。硬度的概念：所谓机械特性的硬度，是指在机械特性曲线的工作范围内，某一点的转矩对该点转速的微分，即,返回总目录,本章目录,下一节,下一章,当转速变化时，对应的转矩变化越大，越大，也就是特性越硬。所以把大的特性叫硬特性，反之叫软特性。,他励直流电动机的机械特性属于硬特性，广泛应用于国民经济的各个领域中，是我们研究的重点。,第二节他励直流电动机的机械特性,1、机械特性方程式2、固有机械特性及特性曲线的绘制3、人为机械特性及特性曲线的绘制4、电力拖动稳定运行的条件,返回总目录,本章目录,下一节,下一章,上一节,机械特性方程式,当电枢回路串入调节电阻R时，有电压平衡方程式U=Es+Is(Rs+R)=Es+IsR转矩公式M=CmIs感应电势公式Es=Cen,根据三式可得到他励直流电动机的机械特性方程式：,返回,固有机械特性及特性曲线的绘制,固有机械特性方程式：(将U=Ue，=e，R=0代入他励直流电动机的机械特性方程式）,（1）理想空载点：,（2）额定运行点：,M=0,n=ne,M=Me=CmeIse=9.55CeeIse,固有机械特性曲线的绘制方法：（确定两点坐标）,返回,人为机械特性及特性曲线的绘制,如果人为地改变电动机的电枢电压U、励磁磁通、或电枢回路外接电阻值，都可以得到人为特性，分别加以讨论：（1）电枢回路串接电阻时的人为特性（2）改变电动机供电电压的人为特性（3）减弱电动机磁通时的人为特性（4）电枢反应对机械特性的影响（4）例题,返回,电枢回路串接电阻时的人为特性,当保持电动机的电枢电压U=Ue，磁通=e，只在电枢回路串接电阻R时，机械特性方程式为：,R值的改变只影响n，不影响n0。串接电阻越大，电枢回路电阻上的压降越大，因此产生的转速降落越大。,返回,改变电动机供电电压的人为特性,其机械特性方程式为：,当改变电枢电压U时，n0与U成正比变化，而转速降n不变。因此，改变电枢电压的人为特性是与固有特性平行的一组直线。,因为额定电压是电动机在设计制造时便决定了的，受绕组绝缘及换向片间电压的限制，电动机不能超压运转，所以，只可以降低电压U。因此，改变电枢供电电压的人为特性全在固有特性的下方。,返回,减弱电动机磁通时的人为特性,其机械特性方程式为：,减弱磁通时，n0升高，n加大，而且n0与成反比，n与2成反比，所以机械特性变软。,在设计电动机时，为节省铁磁材料，已使磁路接近饱和。所以，只有减弱磁通。因此，改变励磁磁通的人为特性都在固有特性的上方。,返回,电枢反应对机械特性影响,在上述讨论固有特性和人为特性时，对变R和变U，认为为常数。而他励直流电动机由于有电枢反应，产生去磁作用，使，则n0，即n特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。,加装稳定绕组,加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响,认为为常数。,返回,例题,例题：一台他励直流电动机额定数据为：Pe=22kW，Ue=220V，Ie=116A，ne=1500r/min，试求：1）固有机械特性；2）电枢回路外串电阻R=0.4电阻的认为特性；3）电源电压降低为100V时的认为特性；4）弱磁至=0.8e时的认为特性。,解：,（1）求固有机械特性,解续,（2）串电枢电阻的人为特性,解续,（3）降低电源电压的人为特性,解续,（4）弱磁的人为特性,返回,电力拖动稳定运行的条件,所谓平衡稳定，是指电力拖动系统在某种扰动作用下，离开了平衡位置，在新的条件下达到新的平衡；或在扰动消失后，还能回到原来的平衡位置。“扰动”一般是指电网电压的波动或负载的微小变化。在电力拖动中，为使问题简化均忽略即,返回,例1.电网电压波动,MB,MC,Mfz,M,（U1）,（U2）,U2Mfz系统加速。nEsIsM系统沿CA特性加速到A点，M=Mfz，达到原来平衡点A。说明：当U2U1，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡(A点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点(A点)，所以能稳定运行。,例2负载有微小变化时,M,0,n,n0,A,B,Mfz1,Mfz2,讨论稳定运行示意图,n=f(Mfz),n=f(M),Mfz,Mfz,M,平衡稳定运行充要条件,平衡稳定运行的充要条件为：1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点处M=Mfz处，实现了转矩平衡。2.在交点处有,第三节他励直流电动机的起动,教学要求（本节内容要求掌握）1、直接起动时存在的问题和起动方法2、电枢回路串电阻起动的起动过程3、解析法计算起动电阻4、总结起动电阻的计算步骤,返回总目录,本章目录,下一节,下一章,上一节,直接起动时存在的问题和起动方法,起动是使电动机从静止状态转动起来，起动过程是电动机从静止运转到某一稳态转速的过程。在电动机起动时，首先应将电动机的励磁绕组通电建立起磁场，然后将电枢绕组通电使之流过电流。带电导体在磁场中受力产生转矩，电动机转子受到转矩的作用而转动起来。励磁绕组的电阻很大，可以将额定电压直接加在其上，但是如果把额定电压直接加在电枢绕组上，由于电枢绕组电阻很小，就会产生很大的电枢电流。这种大的电枢电流会给电动机带来严重的危害，所以不允许在电动机静止时，将额定电压直接加到电枢绕组上进行直接起动。起动方法：可以采用降压起动和电枢串电阻起动。这里主要研究后一种起动方法。,返回,电枢回路串电阻起动的起动过程,一般采用逐级切换电阻的起动方法。,一般：M1Me（或I1Ie），这里=22.5M2=(1.11.2)Mfz（或I2=(1.11.2)Ifz）起动级数m=34,返回,解析法计算起动电阻,则有：,R1=Rs,R2=R1=2Rs,R3=R2=3Rs,即,这里，Rm为最大起动电阻，Rm=Ue/I1,R1=R1-Rs,R2=R2-R1,R3=R3-R2,返回,总结起动电阻的计算步骤,1、当起动级数m为已知数时：（1）量测或估算电枢电阻Rs；（2）预选最大转矩M1（或最大电流I1），计算Rm和；（3）验算M2（或I2），若M2=M1/=(1.11.2)Mfz，则满足要求；（4）计算起动电阻。2、当起动级数m为未知数时：（1）量测或估算电枢电阻Rs；（2）预选M1、M2（或I1、I2），计算Rm和；（3）根据下式求起动级数，选最近的整数，再修正和M2，如果M2仍在所要求的范围内，则满足要求；（4）求各级起动电阻值。,返回,第四节起动时的过渡过程,1、过渡过程概述2、电枢回路串固定电阻起动的过渡过程3、逐级切换电阻起动的过渡过程4、机械过渡过程的加快,返回总目录,本章目录,下一节,下一章,上一节,过渡过程概述,电力拖动系统的过渡过程是指系统从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。研究过渡过程，主要就是研究M=f(t)、n=f(t)、I=f(t)，即动态特性。过渡过程的分类：机械过渡过程：只考虑机械惯性，认为转速不能突变电磁过渡过程：只考虑电磁惯性，认为电流不能突变机电过渡过程：既考虑机械惯性又考虑电磁惯性，认为转速和电流都不能突变我们以分析机械过渡过程为研究重点。,返回,电枢回路串固定电阻起动的过渡过程,1、串固定电阻起动时的动态特性2、起动时间的计算3、机电时间常数Tm的物理意义4、动态特性和静态特性的关系,返回,串固定电阻起动时的动态特性,1、n=f(t)：,n=nw+(nqs-nw)e-t/Tm或,M=Mfz+(Mqs-Mfz)e-t/Tm,I=Ifz+(Iqs-Ifz)e-t/Tm,n=nqse-t/Tm+nw(1-e-t/Tm),M=Mqse-t/Tm+Mfz(1-e-t/Tm),I=Iqse-t/Tm+Ifz(1-e-t/Tm),串固定电阻时，nqs=0则：,n=nw(1-e-t/Tm),2、M=f(t)或I=f(t),这里Tm是机电时间常数，,返回,起动时间的计算,1、研究完整的转速随时间的动态特性曲线，从初始状态为0，过渡到稳态转速的起动时间工程上近似为4Tm。2、研究一段动态特性曲线，设初始转速为nqs，起动到任一转速nx的时间按如下公式计算：,返回,机电时间常数Tm的物理意义,Tm的物理意义：Tm是以t=0时的加速度恒速起动到稳态转速nw所需要的时间。,返回,动态特性和静态特性的关系,两者之间的关系：动态特性n=f(t)和M=f(t)的起始点n=0，M=Mdz是静态特性的理想空载点；动态特性的各稳态点n=nw，M=Mfz是静态特性的稳态工作点。,返回,逐级切换电阻起动的过渡过程,其中：,tq=tq1+tq2+tq3,返回,机械过渡过程的加快,加快机械过渡过程的途径有两个：（1）减小系统的飞轮矩GD2，从而减小系统的惯性，使Tm减小。一般常采用双电动机拖动，因为两台半容量电动机的GD2之和要比一台电动机的GD2小。（2）利用Tm的物理意义，在整个起动过程中，使电流保持最大值不变，电动机转速就一直以最大加速度上升，达到稳态转速的时间为Tm，此为最短的过渡过程时间。这是一种理想的起动过程。,返回,第五节他励直流电动机的制动及其过渡过程,1、电动状态和制动状态2、能耗制动例题3、反接制动（1）电压反接的反接制动例题（2）转速反接的反接制动例题4、回馈制动（再生发电制动）例题5、小结,返回总目录,本章目录,下一章,上一节,电动状态和制动状态,1、电动状态：电动机从电源吸收电功率（UIs0），向负载传送机械功率（EsIs0）。转矩M和转速n同方向。当转速为顺时针，则为正向电动状态，在第一象限当转速为逆时针，则为反向电动状态，在第三象限2、制动状态：转矩M和转速n反方向，转矩对转速起制动作用，特性曲线在第二象限和第四象限里。3、出现制动状态的情况：要求停车、降速过程中、提升机构下放重物、反转。4、制动状态分为能耗制动、反接制动、回馈制动,返回,能耗制动,1、实现方法：把电动机从电源上拉开，经电阻Rn将电枢短接。Rn称为能耗制动电阻，计算公式：2、机械特性方程式为：,或近似公式：,（条件：nfzne）,3、能耗制动过程,4、能耗制动特点：UIs=0，EsIs0，即电动机不从电源获得电功率，而从负载获得机械功率，并将其转换成电能，消耗在电枢电阻上。,n,n,返回,电压反接的反接制动,1、实现方法：把电源反接，并串入反接制动电阻Rf。2、机械特性方程式为：,3、电压反接的制动过程,4、电压反接制动特点：UIs0，EsIs0，即电动机从电源获得电功率，同时从负载获得机械功率，并将其转换成电能，都消耗在电枢电阻上。,或近似公式：,（条件：nfzne）,返回,转速反接的反接制动,1、实现方法：串入一个大的反接制动电阻Rf。2、机械特性方程式为：,3、转速反接的制动过程,4、转速反接制动特点：UIs0，EsIs0，即电动机从电源获得电功率，同时从负载获得机械功率，并将其转换成电能，都消耗在电枢电阻上。,Tmf=,Rs+Rf,CeeCme,返回,回