九直流电动机的电力拖动PPT课件.ppt

2019 12 27 1 以直流电动机作为原动力拖动生产机械作功 本章主要研究电动机与被拖动的生产机械之间的关系 即电动机的电磁转矩与生产机械的负载转矩和系统转速之间的关系 主要学习5个方面内容 直流电动机机械特性 直流电动机起动和反转 直流电动机调速 直流电动机制动 电力拖动系统的过渡过程 第九章直流电动机的电力拖动 2019 12 27 2 第一节他励直流电机的机械特性 一 机械特性方程式 电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系n f T 机械特性是电动机力学性能的主要体现 它与运动方程相联系 将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况 机械特性斜率 2019 12 27 3 理想空载转速 电动机实际空载转速 电动机带负载后的转速降 当电枢电流较大时 由于饱和的影响 产生去磁作用 磁通降低 转速就要回升 机械特性在负载大时呈上翘现象 2019 12 27 4 从他励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化 该特性称为硬特性 如果变化较大 那么就为软特性 用转速变化率来表征 硬特性和软特性 2019 12 27 5 二 固有机械特性和人为机械特性 1 固有机械特性 当时电动机转速与电磁转矩的关系 2019 12 27 6 2 人为机械特性 根据转速与转矩之间的关系公式 2019 12 27 7 一 电枢串联电阻时的人为机械特性 保持不变 只在电枢回路中串入电阻的人为特性 它的机械特性方程表达式 2019 12 27 8 2019 12 27 9 二 改变电压时的人为机械特性 保持不变 只改变电枢电压U时的人为特性 机械特性方程表达式为 2019 12 27 10 2019 12 27 11 三 减弱电动机磁通时的人为机械特性 保持不变 改变励磁回路调节电阻Rf的人为特性 它的机械特性表达式为 2019 12 27 12 2019 12 27 13 电枢反应对机械特性的影响 解决曲线上翘的方法是在主磁极绕组串联一个助磁的补偿绕组以抵消电枢反应的影响 2019 12 27 14 三 机械特性的绘制 一 固有机械特性的绘制 2019 12 27 15 二 人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单 只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可 解 理想空载点 额定点 2019 12 27 16 五 电力拖动系统稳定运行条件 在A点 系统平衡T TZ 那么这个平衡点是不是就是系统能够稳定运行的点 在电力拖动系统中 生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性是同时存在的 在电力拖动运动方程式中已指出 当转矩T与Tz方向相反 大小相等而相互平衡时 转速为某一稳定值 拖动系统处于稳态 或称静态 2019 12 27 17 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 2019 12 27 18 电压波动使机械特性曲线上移 转速不能突变 由于T TZ转速由上升到 扰动消失特性曲线恢复原位 系统减速 沿绿色线路回到点运行 T TZ T TZ 2019 12 27 19 电压波动使机械特性曲线下移 转速不能突变 由于转速由下降到 扰动消失特性曲线恢复原位 系统加速 沿绿色线路回到点运行 T TZ 2019 12 27 20 在B点 系统平衡T TZ 负载突然升至TZB瞬间转速不变 即电枢电流不变 电磁转矩不变 T TZ系统将一直减速 不可能回到B点运行 负载突然降至TZC时 瞬间转速不变 T TZ转速由nB上升 T不断加大 即使扰动消失 系统也将一直加速 不能回到B点运行 最后电机因转速过高 电流过大而损坏 2019 12 27 21 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转矩特性有交点 即存在T TZ 2 充分条件 在交点T TZ处满足 或者说 在交点的转速以上存在TTZ 2019 12 27 22 第二节他励直流电动机的起动 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 他励直流电动机的起动 电动机起动的基本要求 1 起动转矩要大 保证起动快速 可靠 2 起动电流要小 防止对电网的冲击 保护电机本身 3 起动设备要简单 经济 可靠 方便操作 2019 12 27 23 一 他励直流电动机的起动方法 直接起动 2019 12 27 24 起动时由于转速 电枢电动势 而且电枢电阻很小 所以起动电流将达到额定电流值的10 20倍 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 为了限制起动电流 他励直流电动机通常采用降低电枢电压起动或电枢回路串电阻 一般他励直流电动机的起动 2019 12 27 25 1 降低电源电压起动 起动开始时降低端电压使Ist 1 5 2 0 IN Tst 1 5 2 0 TN 随着转速的上升 逐步提高电枢电压 并使电枢电流限制在一定范围内 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 2019 12 27 26 降低电源电压起动 调压电源 2019 12 27 27 2 电枢回路串电阻起动 将启动电阻串入电枢回路 带转速上升后 逐步将起动电阻切除 2019 12 27 28 二 起动电阻的计算 各级起动电阻的计算 以起动过程中最大起动转矩T1和切换转矩T2不变为原则 注意在切换起动电阻的瞬间 电机转速不变 即切换瞬间的电枢电势不变 切换两点的电压降相等 2019 12 27 29 解析法计算起动电阻 两级起动时 推广到m级起动的一般情况 称为起动电流比 2019 12 27 30 2019 12 27 31 如果不满足 应另选或值并重新计算 直到满足该条件为止 2 根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流 6 计算各级起动电阻 1 估算或查出电枢电阻 3 选取起动级数m 有两种情况 5 计算转矩 计算各级起动电阻的步骤 2019 12 27 32 2019 12 27 33 各分段电阻如下 则各级起动总电阻如下 2019 12 27 34 第三节他励直流电动机的制动 1 电动运转状态 电动机转矩的方向与转速的方向相同 此时电网向电动机输入电能 并变为机械能以带动负载 2 制动运转状态 电动机转矩与转速的方向相反 此时 用电动机吸收机械能并转化为电能 电动机很快停车 或者由高速运行很快进入低速 要求制动运行 直流电动机的两种运行状态 制动 使电力拖动系统从某一稳定转速开始减速至转速为零 或者限制位能负载的下行速度 使其在某一稳定转速下运行 2019 12 27 35 直流电动机的制动方法 断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 2019 12 27 36 一 能耗制动 保持励磁电流If的大小及方向不变 将开关接至Rz 电枢从电网脱离经制动电阻Rz闭合 实际上是一台他励直流发电机 轴上的机械能转化成电能 全部消耗于电枢回路的电阻上 所以称为能耗制动 参数特点 N U 0 电枢回路总电阻R Ra Rz 2019 12 27 37 能耗制动时的机械特性为一条过原点的直线 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 能耗制动的机械特性 改变制动电阻RZ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 RZ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 2019 12 27 38 制动电阻越小 制动电流越大 如果按最大制动电流不超2I2N过来选择 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 制动时电流和转矩的分析 2019 12 27 39 二级能耗制动线路及机械特性 I a E a KM KM Rc1Rc2 Rf Uf D E F 带位能负载 2019 12 27 40 能耗制动的运行 过程 2019 12 27 41 能耗制动的特点 能耗制动的特点 1 操作简单 停车准确 2 能耗制动产生的冲击电流不会影响电网 3 低速时制动转矩小 停转慢 4 动能大部分都消耗在制动电阻上 制动初瞬的最大电流 制动电阻 2019 12 27 42 反接制动 转速反向 用于位能负载 电枢反接 用于反抗性负载 电动势反向 电压反向 二 反接制动 2019 12 27 43 一 电压反接制动 停 2019 12 27 44 电压反接制动机械特性 B T n 0 A Tz Tz n0 o TB C 工作点变化为 参数的特点 U UN N R Ra Rz 2019 12 27 45 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 电压反接制动分析 2019 12 27 46 电压反接制动过程的功率流程图 P2 特点 1 可以很快使机组停机 2 需要加入足够的电阻 限制电枢电流 3 转速至零时 需切断电源 由于惯性而释放动能流入电动机 电动机吸收的电功率 2019 12 27 47 电压反接制动和能耗制动比较 B T n 0 A Tz Tz n0 o TB C D 1 2 3 电压反接制动的制动转矩始终大于能耗制动的制动转矩 能耗制动能够准确停车 电压反接制动在转速为零是需切断电源 2019 12 27 48 二 电动势反接制动 倒拉反转反接制动 转速反向的反接制动特性方程式为 电枢电路的电压平衡方程式变为 参数的特点 U UN N R Ra R 2019 12 27 49 电动势反接制动运行 过程 2019 12 27 50 电动势反接制动分析 2019 12 27 51 电动势反接制动的特点 电动势反接制动只适用于位能性恒转矩负载 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 由于串入电阻足够大 可以在第四象限与位能负载特性曲线相交 稳定运行 制动运行工作状态 电势反接制动时的能量关系和电压反接制动时时的能量关系区别仅在于 机械功率的提供一个是由系统释放动能提供 另一个是由系统位能的减少来提供 2019 12 27 52 三 回馈制动 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 2019 12 27 53 反向回馈制动 2019 12 27 54 反向回馈制动 系统储存的位能转换成电能送回电网 PM EaIa 0 P1 UIa 0 Ia2 Ra Rc P2 T 0 p0 2019 12 27 55 正向回馈制动 2019 12 27 56 回馈制动 回馈制动过程中 有功功率UIa回馈电网 从电能消耗看 回馈制动是最经济的一种制动方式 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点 2019 12 27 57 四 电动机四象限运行 摩擦负载 位能负载 电动状态 正向回馈 电势反接 电压反接 能耗制动 制动运行 减弱磁通 反向电动 反向回馈 2019 12 27 58 2019 12 27 59 例9 4 一台他励直流电动机的数据如下 1 电动机带动一个位能负载 在固有特性上作回馈制动下放 求电动机反向下放转速 2 电动机带动位能负载 作反接制动下放 时 转速 求串接在电枢电路中的电阻值 电网输入的功率 从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率 3 电动机带动反作用负载 从进行能耗制动 若其最大制动电流限制在100A 试计算串接在电枢电路中的电阻值 2019 12 27 60 解 1 电动机反向下放转速 2 电枢电路总电阻 电枢串接电阻 电网输入功率 电枢电路电阻上消耗的功率 2019 12 27 61 轴上功率 为负值 表示从轴上输入功率 3 能耗制动时最大电流出现在制动开始时 此时感应电动势为 电枢电路总电阻 电枢电路串接电阻 2019 12 27 62 第四节他励直流电动机的调速 一 电动机调速的基本概念 电动机调速是通过人为的改变电动机的参数获得另外的电动机机械特性曲线 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 仅由于负载变化而引起转速的变化 则不能称为调速 2019 12 27 63 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 改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度 称为机械调速 人为改变电动机的参数 如端电压 励磁电流或电枢回路电阻 使同一机械负载得到不同转速 称为电气调速 调速分类 2019 12 27 64 A B n1 Ra RC 自然机械特性曲线上的工作点 串电阻RC后 工作点由A A B 调速过程 2019 12 27 65 二 调速指标 调速方法最主要的有两大指标 即技术指标与经济指标 一 调速的技术指标 1 调速范围 额定负载下的最高转速和最低转速之比 不同生产机械要求的调速范围是不同的 例如车床D 20 120 龙门刨床D 10 40 机床的进给机构D 5 200 轧钢机D 3 120 造纸机D 3 20等 2019 12 27 66 2 静差率 或称相对稳定性 在某一调节转速下 电动机从理想空载转速到额定负载时的转速变化率 越小 负载变化时转速的变化越小 转速相对稳定性越好 即静差率越低 2019 12 27 67 TN 调速范围和低速静差率的关系 2019 12 27 68 通过上述分析可知 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 2019 12 27 69 3 平滑性 在一定的调速范围内 调速的级数愈多则认为调速愈平滑 值愈接近于1 则平滑性愈好 时称为无级调速 即转速连续可调 级数接近无穷多 此时调速的平滑性最好 4 调速时的容许输出 或调速时的功率与转矩 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下 在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩 二 调速的经济指标 调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用 而运行费用又决定于调速过程的损耗 它可用设备的效率来说明 2019 12 27 70 例9 5 一直流调速系统采用改变电源电压调速 已知电动机的额定转速 高速机械特性的理想空载转速如果额定负载下低速机械特性的转速 而相应的理想空载转速 1 试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率 2 如果生产工艺要求静差率 20 则此时额定负载下能达到的调速范围是多少 还能否满足原有的要求 2019 12 27 71 三 电动机调速方法 从他励直流电动机的机械特性方程看 电气调速方法 1 电枢串电阻调速 2 调压调速 3 调磁 弱磁 调速 电动机驱动生产机械 对电动机的转速不仅要能调节 而且要求调节的范围宽广 过程平滑 调节的方法简单 经济 2019 12 27 72 一 电枢回路串电阻调速 保持U UN且 N不变 电枢回路中串入调速电阻R 使同一个负载得到不同转速的方法 称为电枢串电阻调速 n T Tz Ra n0 nA A 0 C B nB Ra R 1 Ra R 2 nC 2019 12 27 73 电枢回路串电阻调速 调速过程电流变化曲线调速前 后电流不变 调速过程转速变化曲线 结论 带恒转矩负载时 串电阻越大 转速越低 2019 12 27 74 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 2 低速时特性曲线斜率大 静差率大 机械特性很软 当负载变化时 转速波动很大 静态稳定性差调速范围不大 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 后因磁通不变而使T和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 1 由于电阻只能分段调节 所以调速的平滑性差 2019 12 27 75 二 降低电源电压调速 A B 调速压前工作点A 降压瞬间工作点 稳定后工作点 保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻 仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的 称为降压调速 2019 12 27 76 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 降低电源电压调速 2019 12 27 77 三 减弱磁通调速 改变励磁电流调速 实际上是减少励磁电流的调速 所以又称弱磁调速 弱磁调速 保持U UN Rc 0 仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小 达到调速目的 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 2019 12 27 78 减弱磁通调速 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 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 弱磁调速的优点是 在功率较小的励磁电路中进行调节 控制方便 能量损耗小 调速的平滑性较高 由于调速范围不大 常和额定转速以下的降压调速配合应用 以扩大调整范围 2019 12 27 79 四 电动机调速时允许输出的转矩和功率 在某一转速下 电机既能充分利用又能安全运行时输出的功率和转矩称为调速时的允许输出功率和转矩 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件 他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速 在整个调速范围允许输出转矩为常数 恒转矩调速方式 在整个调速范围内的允许输出功率为常数 是恒功率调速方式 2019 12 27 80 一 恒转矩调速方式 保持I不变 电枢串电阻调速和降压调速时 磁通保持不变 若在不同转速下保持额定电流为常数 2019 12 27 81 二 恒功率调速方式 减弱磁通调速时 磁通是变化的 在不同转速下若保持电流不变 即电机得到充分利用 在整个调速范围内输出功率为常数 2019 12 27 82 恒转矩调速方式和恒功率调速方式 都是用来表示电动机采用某种调速方法时的负载能力 并不是指电动机的实际输出 当电动机调速时 在不同的转速下 电枢电流能否总保持为额定值 即电动机能否在不同转速下都得到充分利用 这个问题与调速方式和负载类型的配合有关 一般来说 为了使电动机得到充分利用 拖动恒转矩负载时 应采用恒转矩调速方式 拖动恒功率负载时 恒功率调速方式 有时为了扩大调速范围 可以采用两种方式结合使用的方法 五 负载类型与调速方式的配合 2019 12 27 83 设负载机械特性如图中蓝线 电机允许输出转矩如绿线 T 选择TN 恒转矩调速方式与恒转矩负载配合 TL 2019 12 27 84 设负载机械特性如图中蓝线 电机允许输出转矩如绿线 T 选择TN 恒转矩调速方式与恒功率负载配合 TL 2019 12 27 85 设负载机械特性如图中蓝线 电机允许输出转矩如绿线 T TN 选择TN 恒功率调速方式与恒功率负载配合 TL 2019 12 27 86 设负载机械特性如图中蓝线 电机允许输出转矩如绿线 T TL 恒功率调速方式与恒转矩负载配合 选择TN 2019 12 27 87 第五节晶闸管 直流电动机系统 电流连续时的整流电压的平均值 负载为电动机时的整流电压波形 对于三相零式晶闸管整流电路 式中 一逆变角 2019 12 27 88 2019 12 27 89 晶闸管 直流电动机系统的优点为 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 其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 而且快速响应控制准确 其缺点是 1 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 2 当调速范围较大时 功率因数较低 3 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 2019 12 27 90 第六节电力拖动系统的过渡过程 一 过渡过程的一般概念 电力拖动系统处于稳定状态时 电磁转矩 电枢电流 转速及电枢电势都不随时间变化 如果打破这种平衡关系 拖动系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态 在此过程中 由于惯性 这些变化却不能导致电动机的转速 电流 转矩及磁通等参量的突变 而必须是个连续变化的过程 转矩 转速 电流等都将随时间变化 它们是时间的函数 这种变化过程就是电力拖动系统的过渡过程 2019 12 27 91 电力拖动系统中一般存在以下三种惯性 1 机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上 它使转速不能突变 2 电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上 它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变 从而使磁通不能突变 3 热惯性 它使电动机的温度不能突变 电力拖动的过渡过程一般分为两种 1 机械过渡过程 它只考虑机械惯性 忽略影响较小的电磁惯性 2 电气一机械过渡过程 它同时考虑机械与电磁两种惯性 2019 12 27 92 电力拖动系统过渡过程要研究的问题 这是拖动系统的动态特性 当磁通一定时动态特性可用微分方程组表示 求微分方程的解得到动态特性 2019 12 27 93 不同机械对过渡过程要求 起动 制动 反转要快 轧机 刨床 缩短过渡时间 起动制动平稳 加速度不能太大 电梯 电车 舒适度 准确定位 协调运转 伺服控制系统 精确度 2019 12 27 94 二 拖动系统过渡过程的数学分析 1 机械过渡过程的一般表达式 n T Ti Ra n0 ns A 0 C B ni Ra Rc Ts TL B点是过渡过程的起始点 C电是过渡过程结束后的稳定工作点 2019 12 27 95 从B C的机械过渡过程 假设La 0 同时U TL保持不变1 转速变化规律运动方程 2019 12 27 96 从B C的机械过渡过程 一阶常系数非齐次微分方程式 它的通解是 其中C由初始条件确定 当t 0时n ni A点转速 则C ni ns上式可以写成 2019 12 27 97 从B C的机械过渡过程 2 电磁转矩的变化规律 代入整理 3 电枢电