直流电动机起保停控制.ppt

直流电机 直流发电机把机械能转化为电能 直流电动机把电能转化为机械能 直流发电机与电动机 直流电动机的优点 调速范围宽 且易于平滑调速 过载 起动 制动转矩大 易于控制 可靠性高 调速时能量损耗小 产生励磁磁场 产生电动势 流过电流 产生电磁转矩 直流电机的铭牌数据 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 直流电动机的励磁方式 a 他励 b 并励 c 串励 d 复励 直流电机按励磁方式分类 直流电动机的工作原理 直流电动机的基本方程式 规定各物理量的参考方向如图 电动机的基本方程如下 其中 为电机结构常数 电动势常数 为电机的转矩常数 p为极对数 n为电枢的有效导体总数 n为转速 r min a p或1 其中 为一对正负电刷总的接触压降 通常为2v 输入功率 电磁功率 电枢铜耗 功率平衡方程式 其中 为电磁功率 为电枢绕组铜耗 为空载损耗 为机械损耗 为铁耗 为附加损耗 直流电动机的效率 一般中小型直流电动机的效率在75 85 之间 大型直流电动机的效率约在85 94 之间 转矩平衡方程式 在额定情况下 例 一台z2 41的直流电动机 技术数据pn 5 5kw un 220v nn 3000r min in 30 3a 求额定转矩和额定效率 解 额定转矩为 电动机的额定效率等于额定输出功率与额定输入功率之比 即 例 一台直流电动机的额定数据为 求额定输入功率pin 额定电流in和额定输出转矩t2n 解 例 一台他励直流电机 忽略附加损耗 求 1 这台电机是发电机还是电动机 2 求电磁转矩 输入功率和效率 解 1 判断一台电机的工作状态 可以比较电枢电动势ea与端电压u的大小 即 u ea 故此电机为电动机状态运行 2 例 z2 71型并励直流电机 其名牌数据如下 求额定电流 电枢电流 励磁回路的电阻和反向电动势 解 1 额定功率 效率 则额定电流 解 1 额定功率 效率 则额定电流 2 电枢电流 3 励磁回路电阻 4 反电势 他励直流电动机的机械特性 一 机械特性方程式电动机在电枢电压 励磁电流 电枢回路电阻为恒值的条件下 即电动机处于稳态运行时 电动机的转速与电磁转矩之间的关系 即n t 1 固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指 在电源电压u un 气隙磁通 n 电枢外串电阻r 0时 n t 的机械特性 其数学表达式为 二 固有机械特性与人为机械特性 式中 称为斜率 n为转速降 他励直流电动机固有机械特性 空载转矩 理想空载转速 实际空载转速 2 人为机械特性 每台电动机只有一条固有机械特性 当改变电气参数如变电源电压 或变气隙磁通 或变电枢外串电阻时 所得到的机械特性 称为人为机械特性 电枢回路串电阻时的人为机械特性 式中 称为人为特性的斜率 当改变外串电阻r 的大小 可得到一簇人为特性曲线 如图所示 串电阻时的人为机械特性 特点 1 不变 变大 2 越大 特性越软 改变电枢电源电压时的人为机械特性 改变电枢电源电压时的人为机械特性是指 在气隙磁通 n 电枢外串电阻r 0 改变电枢端电压时 n t 的机械特性 其数学表达式为 改变电枢电源电压时的人为机械特性 特点 1 随变化 不变 2 不同 曲线是一组平行线 减少气隙磁通时的人为机械特性 减少气隙磁通时的人为机械特性是指 在电源电压u un 电枢外串电阻r 0 改变气隙磁通 时 n t 的机械特性 其数学表达式为 式中气隙磁通 n 减小气隙磁通时的人为机械特性 特点 1 弱磁 增大 2 弱磁 增大 三 机械特性绘制 直流电动机的固有机械特性可通过实验测得 也可根据铭牌数据估算求得 其它各种人为机械特性则可根据固有机械特性求得 由于固有机械特性是一条直线 一般通过求取两个特殊点 理想空载点和额定工作点 再将这两点连成直线便可得到固有机械特性 求理想空载点 n0 0 计算理想空载转速公式为 式中 电枢回路电阻ra 可实测或根据经验公式估算 一般直流电动机额定运行时的铜耗约占总损耗的一半至三分之二 则ra的估算式为 根据上述公式可计算出理想空载转速n0 求额定工作点 nn tn 根据铭牌数据可得额定转速nn 而计算电磁转矩公式为 四 电力拖动系统稳定运行的条件 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衡状态 如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态 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 否则系统是不稳定的 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 扰动消失 系统减速 回到点运行 扰动使转速有微小下降 由下降到 扰动消失 系统加速 回到点运行 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 系统加速 即使扰动消失 也不能回到点运行 扰动使转速有微小下降 由下降到 系统减速 即使扰动消失 也不能回到点运行 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 1 必要条件 电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点 即存在 他励直流电动机的起动 一 起动的问题 起动 电机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行 这就是电动机的起动过程起动条件 1 起动转矩要足够大 2 起动电流不要太大 注意 在起动时 n 0 反电动势ea 0 例 一台z2 61 4 2他励直流电动机 已知 求 1 直接启动时的启动电流 2 在额定磁通下启动的启动转矩 解 1 2 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 起动原则 起动转矩足够大 起动电流小 起动设备简单 可靠 经济 起动时由于转速为零 电枢电动势为零 而且电枢电阻很小 所以起动电流将达很大值 为了限制起动电流 他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动 速度上升缓慢 启动时间过长 则要缩短启动时间 就必须保证电枢电流和电磁转矩保持不变 即随着转速上升 启动电阻应平滑均匀的减小 可以采用逐级切除 分级启动 的方法 一 电枢电路串电阻起动 特点 无须可调电源 实现方便 但电阻耗能严重 调节平滑性差 一 电枢电路串电阻起动 一 起动特性 以三级电阻起动时电动机为例 二 起动电阻计算 设对应转速n1 n2 n3时电势分别为ea1 ea2 ea3 则有 b点 c点 d点 e点 f点 g点 比较以上各式得 在已知 和电枢电阻前提下 经推导可得各级串联电阻为 计算各级起动电阻的步骤 1 估算或查出电枢电阻 2 根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流 3 选取起动级数 6 计算各级起动电阻 例 一台直流并励电动机 电枢电阻 若直接起动 起动电流为多少 若采用电枢回路串电阻起动 将启动电流降为额定值的1 5倍 则应串多大的起动电阻 解 直接起动时 起动电流为 电枢回路串电阻起动时 起动电流为 则起动电阻为 二 降压起动 当直流电源电压可调时 可采用降压方法起动 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 降压起动需专用电源 设备投资较大 但它起动平稳 起动过程能量损耗小 因此得到广泛应用 一台直流电机 驱动额定恒转矩负载 试求 1 若直接启动 则启动电流是多少 2 若要求 采用电枢回路串电阻启动 则启动开始时应串入多大阻值的启动电阻 3 如果要求降压起的那个 则启动电压是多少 解 1 2 3 他励直流电动机的制动 概念 就是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩tem 起到阻碍运动的作用 的状态意义 应用 一是使系统快速停车 或减速 二是使位能性负载的稳速下放特点 吸收机械能转换成电能 一 能耗制动 电动状态 如图所示 将开关s投向制动电阻上即实现制动 由于惯性 电枢保持原来方向继续旋转 电动势方向不变 由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反 对应的电磁转矩与方向相反 为制动性质 电机处于制动状态 制动运行时 电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电 将生产机械储存的动能转换成电能 消耗在电阻上 直到电机停止转动 能耗制动时的机械特性为 电动机状态工作点 制动瞬间工作点 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 改变制动电阻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 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快 制动电阻越小 制动电流越大 选择制动电阻的原则是 其中为制动瞬间的电枢电动势 能耗制动操作简单 但随着转速下降 电动势减小 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 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 二 反接制动 一 电枢反接制动 电枢反接制动时接线如图所示 开关s投向 电动 侧时 电枢接正极电压 电机处于电动状态 进行制动时 开关投向 制动 侧 电枢回路串入制动电阻后 接上极性相反的电源电压 电枢回路内产生反向电流 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 电压反接制动 电枢反接制动时的机械特性为 曲线如图中所示 工作点变化为 制动过程中 均为负 而 为正 表明电机从电源吸收电功率 表明电机从轴上吸收机械功率 表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率 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电阻上 注意 在反接制动时 励磁应当保持不变 当电机转速降低至100r min左右时 应立即切断电源以防电机反转 二 倒拉反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载 在电枢回路中串联一个较大的电阻 即可实现制动 正向电动状态提升重物 a点 电枢回路串入较大电阻后特性曲线 负载作用下电机反向旋转 下放重物 电机以稳定的转速下放重物d点 工作点由a b c d cd段为制动段 倒拉反转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 倒拉反转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 倒拉反转反接制动时的能量关系和电枢反接制动时相同 三 回馈制动 再生制动或发电制动 电动状态下运行的电动机 在某种条件下会出现情况 此时 反向 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 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同 稳定运行有两种情况 当电车下坡时 运行转速可能超过理想空载转速 进入第二象限 电压反接制动带位能性负载进入第四象限 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况 1 降压调速时产生的回馈制动 2 增磁调速时产生的回馈制动 回馈制动时由于有功率回馈到电网 因此与能耗和反接制动相比 回馈制动是比较经济的 同一电动机在相同电枢电阻时各种运行状态 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 他励直流电动机的转速为 电气调速方法 1 调压调速 2 电枢串电阻调速 3 调磁调速 他励直流电动机的调速 一 调速指标 一 调速范围 二 静差率 相对稳定性 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 指负载变化时 转速变化的程度 转速变化小 稳定性好 三 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 为平滑系数 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 四 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 二 电枢电路串电阻调速 未串电阻时的工作点 串电阻后 工作点由a a b 带恒转矩负载时 串电阻越大 转速越低 调速前后电磁转矩不变 则电枢电流不变 所以该调速方式为恒转矩调速 优点 电枢串电阻调速设备简单 操作方便 缺点 1 由于电阻只能分段调节 所以调速的平滑性差 2 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 3 轻载时调速范围小 额定负载时调速范围一般为d 2 4 损耗大 效率低 不经济 对恒转矩负载 调速前 后因增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变 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 三 弱磁调速 减弱磁通后 理想空载转速上升 曲线的斜率值增大 调节磁场前工作点 弱磁瞬间工作点a a 弱磁稳定后的工作点 磁场越弱 转速越高 因此电机运行时励磁回路不能开路 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 缺点 1 机械特性的斜率变大 特性变软 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 一般d 2 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 四 降低电枢电压调速 调速压前工作点a 降压瞬间工作点 稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似 调速过程中转速和电枢电流 或转矩 随时间变化的曲线也相似 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 5 12 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 三种调速方法的比较 例 一台他励直流电动机 pn 26kw un 230v in 113a nn 960r min ra 0 04 负载不变 1 若采用调压调速 电枢电压降低为额定电压的50 求电机的转速和电枢电流 2 若采用变励磁电流调速 励磁电流减小10 求电机的转速和电枢电流 解 1 电机的额定转速 当电枢电压降为额定电压的50 时 由于励磁电流不变 主磁通也就不变 恒负载调速 所以电枢电流不变 电机的转速 2 当励磁电流减小10 主磁通降为额定值的90 时 电枢电流 将上两式相比 得 于是 电机的转速为 如何实现直流电机的反转 思考 1 某直流电动机的技术数据分别为pn 10kw un 220v in 54 8a nn 3000r min 试求电动机在额定运行情况下电动机的电磁转矩 输入功率和效率 2 一他励直流电动机的技术数据分别为pn 7 5kw un 220v in 41 1a nn 1500r min ra 0 6 1 求额定转矩 2 绘制机械特性曲线 3 若电机的负载转矩为35n m 求此时电机的转速 练习 3 一台他励直流电动机 pn 40kw un 220v in 205 6a nn 3000r min ra 0 06 1 求直接起动时的起动电流 2 若采用降压起动 当电枢电压降为额定值的80 时 求电机的电枢电流 3 若采用电枢回路串电阻起动 当起动电流为额定电流的1 5倍时 求应串入的电阻 4 一台他励直流电动机 其技术数据为pn 96kw un 440v in 250a nn 500r min ra 0 078 在额定负载情况下起动 起动电流为额定值的2倍 1 若采用电枢回路串电阻起动 应串入多大的电阻 2 若采用降低电枢电压起动 电压应降为多少 起动转矩为多少 5 一台并励直流电动机 pn 13kw un 220v in 70 7a nn 1000r min if 1 865a ra 0 25 在额定负载的情况下工作 1 若采用降低电源电压调速 将电机的转速调为800r min时 电枢电压应为多少 2 若采用调励磁电流调速 将电机的转速调为1200r