直流电动机的电力拖动.ppt

第六 七讲直流电动机的电力拖动 3 杜少武 第六 七讲直流电动机的电力拖动 1 他励直流电动机的机械特性2 他励直流电动机的起动3 他励直流电动机的制动4 他励直流电动机的调速5 晶闸管 直流电动机系统6 他励直流电动机过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 晶闸管 Thyristor 晶体闸流管 可控硅整流器 SiliconControlledRectifier SCR 1956年美国贝尔实验室 BellLab 发明了晶闸管1957年美国通用电气 GE 公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代能承受的电压和电流容量最高 工作可靠 在大容量的场合具有重要地位 晶闸管可控整流电路 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型 普通晶闸管 广义上讲 晶闸管还包括其许多类型的派生器件外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极 Anode A 阴极 Kathode K和门极 Gate 控制端 G三个联接端 晶闸管可控整流电路 螺旋式 平板式 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管为单向可控导电器件 正向导通可控 反向不导通 晶闸管为半控型器件 通过门极可控制其导通 但不可通过门极控制其关断 晶闸管导通条件 门极和阳极相对于阴极均承受正向电压 晶闸管关断条件 晶闸管阳极电流小于维持电流IH 晶闸管可控整流电路 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 三相半波晶闸管可控整流电路如下图 左 所示 晶闸管可控整流电路 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 工作波形如下图 右 所示 5 晶闸管 直流电动机系统 整流输出平均电压为 晶闸管可控整流电路 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 电流连续时电动机机械特性 此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡 整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上 此时 整流电路直流电压的平衡方程为 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 转速与电流的机械特性关系式为 电流断续时电动机机械特性 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 电流断续时电动机机械特性 由于整流电压是一个脉动的直流电压 当电动机的负载减小时 平波电抗器中的电感储能减小 致使电流不再连续 如下图所示 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 实际当Id减小至某一定值Idmin以后 电流变为断续 这个E0 是不存在的 真正的理想空载点远大于此值 电流断续时电动机机械特性 电流连续时的理想空载 Id 0 反电动势 比如 60 忽略 U 60o 电动机的实际空载反电动势为 60o 实际空载反电动势为 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 1a4 60 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统机械特性 一般只要主电路电感足够大 可以只考虑电流连续段 完全按线性处理 整流电路为三相半波时 在最小负载电流为Idmin时 为保证电流连续所需的主回路电感量为 L中包括整流变压器的漏电感 电枢电感和平波电抗器的电感 前者数值都较小 有时可忽略 Idmin一般取电动机额定电流的5 10 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统调速性能 根据晶闸管 直流电动机系统的机械特性 如下图所示 改变晶闸管整流电路的控制角a 即可改变直流电动机的电枢电压 从而即可改变直流电动机的转速 1a4 60 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统调速性能 为了实现直流电动机的四象限运行 通常用两套变流装置反并联连接来给直流电动机供电制动电阻Rz越小 制动时的机械特性越平 制动转矩绝对值越大 制动越快 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统调速性能 晶闸管 直流电动机系统的优点 改变控制角 即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流 从而达到平滑调速的目的 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 快速响应 控制准确 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管 直流电动机系统 晶闸管 直流电动机系统调速性能 晶闸管 直流电动机系统的缺点 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 当调速范围较大时 功率因数较低 晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分会造成种种不良影响 晶闸管 直流电动机的详细分析将在其后续课程 电力电子技术 中进行 5 晶闸管直流电动机系统5 1晶闸管可控整流电路5 2SCR M系统机械特性5 3SCR M系统调速性能6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 在电力拖动的起动 制动或逆转过程中 电动机内部会产生过渡过程的能量损耗DA 在经常起动 制动或逆转的电动机上 过渡过程能量损耗的累加 使电动机温度升高 严重时可能损坏绝缘 因此有必要研究过渡过程的能量损耗 过渡过程的能量损耗主要时铜耗 其它损耗较小 研究时暂不考虑 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载起动的能量损耗 同样 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载起动的能量损耗 空载起动时 电源输向电动机的能量为 空载起动时 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载起动的能量损耗 可见 电源输入电动机两倍于系统储存动能的能量 其中一半为拖动系统储存的动能 另一半为起动损耗 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载能耗制动的能量损耗 空载能耗制动时 可见 损耗DAT1等于拖动系统所储存的动能 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载反接制动的能量损耗 空载反接制动时 电源输向电动机的能量为 空载反接制动的能量损耗等于拖动系统动能储存量的三倍 其中JW2为电源提供 其余由制动时放出的动能提供 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 空载反转过程的能量损耗 空载反转时 空载反转时的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍 其中3JW2 2为反接制动时的能量损耗 JW2 2为反向起动时的能量损耗 电源输向电动机的能量为 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 减少拖动系统动能储存量JW0 2 若要减小转动惯量J 必须减小飞轮矩GD2 J GD2 4g 因此通常把电动机电枢设计成细长的形状 普通电机的电枢直径为D 有效长度为l 若将电枢有效长度设计成l 2l 为保证电机输出功率相等 则其直径可减小到D D 1 414 D 2l D2l 一般电动机重量G正比于D2l 则GD2正比于D4l 因此 GD2 GD2 2 电枢设计成细而长的形状 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 由两台一半功率的电动机拖动 相当于电枢的等效长度增加 而直径减小到原来的0 707 电动机功率减小到原来的一半 即 D2l减小一半 若电枢长度不变 则直径D减小到原来的0 707 因此总的GD2减小到原来的一半 采用双电动机拖动 减少拖动系统动能储存量JW0 2 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 合理选择电动机的起 制动方式 起动时 逐级改变加在电动机上的电压 假设 电动机空载起动时先加在电动机上的电压为U 2 则电动机角速度可达W0 2 电动机角速度可达W0 2后全压U加到电动机上 若起动过程T恒定 即Ia恒定 则电动机转速线性增大 吸收的功率亦线性增大 直到W W0 这一过程中电源送出的功率分别为UIa 2 0 W W0 2 和UIa W0 2 W W0 如左图所示 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 假设 电动机空载起动时直接全压U加到电动机上 若起动过程T恒定 即Ia恒定 则电动机转速线性增大 吸收的功率亦线性增大 直到W W0 这一过程中电源送出的功率为UIa 0 W W0 如左图所示 合理选择电动机的起 制动方式 起动时 逐级改变加在电动机上的电压 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 比较两种起动过程的功率变化曲线 a 图所示的功率损耗 SDOAB SDCDO 比b图所示的功率损耗 SDOA B 小 合理选择电动机的起 制动方式 起动时 逐级改变加在电动机上的电压 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 6 过渡过程的能量损耗 减少过渡过程能量损耗的方法 能耗制动时能量损耗为 合理选择电动机的起 制动方式 制动时 若不能采用回馈制动应尽量采用能耗制动 反接制动时能量损耗为 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗6 1空载起动的能量损耗6 2空载能耗制动的能量损耗6 3空载反接制动的能量损耗6 4空载反转过程的能量损耗6 5减少能量损耗的方法7 串励直流电动机的电力拖动 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的电路图如下图所示 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 励磁线圈 电枢 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机机械特性方程式 其中 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机固有机械特性 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机人为机械特性 串励直流电动机串联电阻时的人为机械特性 串励直流电动机固有机械特性 电枢回路串联电阻时的人为机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机人为机械特性 串励直流电动机降低电源电压时的人为机械特性 串励直流电动机固有机械特性 降低电源电压时的人为机械特性 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机人为机械特性 励磁回路并分路电阻时的人为机械特性 串励直流电动机固有机械特性 励磁回路并分路电阻时的人为机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的机械特性 磁路未饱和时串励电动机人为机械特性 电枢回路并分路电阻时的人为机械特性 串励直流电动机固有机械特性 电枢并分路电阻时的人为机械特性 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的制动状态 串励电动机只有两种制动状态 即反接制动与能耗制动 串励电动机不能实现回馈制动 因为电动机反电势Ea无法超过U 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的制动状态 反接制动 串励直流电动机的反接制动分为位能负载时的转速反向反接制动和电枢直接反接的反接制动 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的制动状态 反接制动 串励直流电动机的反接制动分为位能负载时的转速反向反接制动和电枢直接反接的反接制动 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性 7 串励直流电动机的电力拖动 串励直流电动机的制动状态 能耗制动能耗制动的方法 是在串励电动机在一定转速时 把电枢由电源断开 接到制动电阻上 此时励磁改接为自励或他励 通常为他励 但必须使励磁电流方向与能耗制动前相同 否则不能产生制动转矩 由于串励绕组电阻很小 当接成他励时 必须在励磁电路内串入较大的电阻 以限制制动电流 串励电动机能耗制动时的接法与特性和他励电动机能耗制动时基本相同 5 晶闸管直流电动机系统6 过渡过程的能量损耗7 串励直流电动机的电力拖动7 1串励电动机的机械特性7 2串励电动机的制动状态7 3复励电动机的机械特性