chpt 3.4他励直流电机的运行特性.ppt

1 3 4他励直流电机的运行特性 电机的模型 2 3 4 1他励直流机的起动及调速3 4 2调速方法的转矩特性及其与负载的配合 3 4 3他励直流机的四象限运行 应用 电机的模型如下图 有3个可调节量 起动的概念 3 3 4 1他励直流机的起动及调速 1他励直流电动机的起动 直流电动机接到电源后 转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程 注意 他励直流电动机起动时 必须先加额定励磁电流建立磁场 然后再加电枢电压 顺利启动条件 4 由于电枢绕组电阻Ra很小 因此起动电流Is IN 约为10 20倍的IN 这么大的起动电流使电机换向困难 在换向片表面产生强烈的火花 甚至形成环火 由于大电流产生的转矩过大 将损坏拖动系统的传动机构 这都是不允许的 因此一般直流电机都不允许直接起动 这样 就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程 启动电流大会存在什么问题呢 电机顺利起动应具备什么条件 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是 1 起动电流限制在一定范围内 即Is IN 为电机的过载倍数 一般为2 2 5 2 足够大的起动转矩 Tst 1 1 1 2 TN 3 起动设备简单 可靠 如何限制起动电流呢 如何限制起动电流呢 5 如何限制起动电流呢 限制起动电流的措施有两个 一是增加电枢回路电阻 二是降低电源电压 即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种 下面分别讨论两种方法 串电阻起动 6 1 电枢回路串电阻起动 启动原理在额定电源电压下 电枢回路串入分级起动电阻Rst 在起动过程中将起动电阻逐步切除 良好的起动必须保证在起动时每级起动电阻上有相同的最大起动电流Ism 或最大起动转矩Tsm 和相同的切换电流Ich 一般取切换电流为额定电流的110 120 以保证电动机在起动过程中有大致相同的加速度 起动电阻怎样计算 7 2 起动电阻的计算 有图解法和解析法 主要讨论解析法 启动过程 各级起动电阻的计算方法 第一阶段 各切换点b d f所对应的切换电流相同 均为I2a c e点对应的最大允许起动电流相同 均为I1在切除起动电阻瞬间 n不能跃变 则Eb Ec Ed Ee Ef Eg 可得以下三组方程 起动电阻怎样计算 8 切除起动电阻瞬间 n不能跃变 得以下三组方程 将每组两个方程相除得 为起动电流比或起动转矩比 由上式得出 最后得到每段起动电阻 9 最后得到每段起动电阻为 若起动级数为m 则计算总电阻公式为 已知起动电阻级数m可求起动电流比 反之可求m 若计算所得m不为整数时 应修改使m成为整数 归纳总结计算起动电阻的步骤为 10 计算起动电阻的步骤 估算或实测Ra 计算R1 计算 求R2 R3 Rm 计算r1 r2 r3 rm 降压起动 11 3 2 2降压起动 当直流电源电压可调时 可以采用降压方法起动 在起动瞬间 电动机的转速n 0 反电动势Ea 0 降低电源电压U 将起动电流限制在允许的范围内 如何确定最低电压 12 如何确定最低电压 负载TL已知 根据启动条件的要求 可以确定电压U的大小 根据启动电流确定降低电源电压到U 有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小 可以逐渐升高电压U 直至最后升到UN 实际上 电源电压由于可以连续升高 所以启动更快 更稳 他励直流电动机空载启动或拖动反抗性转矩负载启动 改变电源电压U的方向或改变励磁电流的方向 电动机都要反向启动 然后稳定运行 电源电压U的方向和励磁电流的方向 两种启动方式比较 13 他励直流电动机的调速 14 对电动机的转速 不仅要能调节 而且要求调节的范围广 精度高 过程平滑 调节的方法要简单 经济 通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速 2他励直流电动机的调速 电枢串电阻的调速 15 1 电枢串电阻调速 电枢串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时 保持电枢电压额定 励磁电流 磁通 额定 在电枢回路串入不同的电阻时 电动机可运行于不同的速度 电枢串电阻调速的机械特性方程式为 电枢串电阻调速的特点是什么 16 电枢回路串电阻调速的特点是 1 实现简单 操作方便 方向只能在基速以向调速 因而调速范围较小 一般D 2 2 由于串接电阻上要消耗电功率 因而经济性较差 而且转速越低 能耗越大 3 由于电阻是分级切除的 所以只能实现有级调速 平滑性差 有级调速 4 机械特性变软 静差率增大 相对稳定性变差 应用 电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合 如过去的起重机 电车等 现在已不多见 讨论降压调速 17 2 改变电枢电源电压调速 降压调速 降压调速 他励直流电动机拖动负载运行时 保持励磁电流 磁通 额定 电枢回路不串电阻 改变电枢两端的电压 可以得到不同的转速 由于受电机绝缘耐压的限制 其电枢电压不允许超过额定电压 只能在额定电压UN以下进行 因此 调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法 调压调速的机械特性方程式为 降压调速的特点是什么 18 调压调速的特点是 1 在基速以下调速 调速范围较宽 D可达10 20 2 调速前后机械特性硬度不变 因而相对稳定性较好 3 由于调压电源可连续平滑调节 所以拖动系统可实现无级调速 4 调速过程中能量损耗较少 因此调速经济性较好 5 需要一套可控的直流电源 应用 调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上 如机床 轧钢机 造纸机等 讨论弱磁调速 19 3 弱磁调速 弱磁调速 他励直流电动机拖动负载运行时 保持电枢电压额定 电枢回路不串电阻 改变励磁电流 磁通 可以得到不同的转速 由于电动机在额定运行时 磁路已接近饱和 因此改变磁通调速 实际上是减弱磁通 所以叫弱磁调速 弱磁调速时 机械特性方程式为 弱磁调速的特点是什么 20 弱磁调速的特点是 1 由于励磁电流If Ia 因而控制方便 能量损耗小 2 可连续调节电阻值 以实现无级调速 3 在基速以上调速 由于受电机机械强度和换向火花的限制 转速不能太高 一般约为 1 2 1 5 nN 特殊设计的弱磁调速电动机 最高转速为 3 4 nN 因而调速范围窄 应用 弱磁调速的调速范围小 所以很少单独使用 一般都与调压调速配合 以获得很宽范围的 高效 平滑而又经济的调速 定性分析 21 在负载转矩较大时 速度的变化问题较为复杂 定性分析 需要定量分析 定量分析 22 转矩特性及其与负载的配合 23 3 4 2调速方法的转矩特性及其与负载的配合 3 2 电机与负载 负载特性 稳定条件等 3 4 2 如何使电机的使用更为有效 恒转矩调速方式与恒功率调速方式 24 1调速方法的转矩特性 恒转矩调速与恒功率调速 恒转矩调速方式与恒功率调速方式特性 25 转矩特性与负载特性的匹配 26 电机的调速方式与负载性质相一致时 称为负载匹配 匹配的情况 恒转矩调速方式拖动恒转矩 恒功率调速方式拖动恒功率负载 不匹配的情况 对于既非恒转矩 也非恒功率的泵类负载 无论采用恒转矩调速还是恒功率调速都不能做到与其转矩特性的匹配 2调速方法的转矩特性与负载特性的匹配 降压调速和弱磁调速组合 27 在实际应用中 还有一种低速段需要恒转矩而高速段需要恒功率的负载 对此 可采用降压调速和弱磁调速组合的方法 在额定转速以下降压向下调速 在额定转速以上弱磁向上调速 这时的功率 转矩曲线如图3 4 5所示 该方法不但有很宽的调速范围 而且调速时电机的损耗较小 运行效率较高 讨论归纳 28 但实际上 即使电动机电枢电流尽量接近额定值 由于电动机容量分成若干等级 有时只能尽量接近而不能相等 以上关于调速方式问题的讨论归纳起来主要是 1 恒转矩调速方式与恒功率调速方式都是用来表征电动机采用某种调速方法的负载能力 不是指电动机的实际负载 2 应使电动机的调速方式与其实际负载匹配 电动机才可以得到充分利用 从理论上讲 匹配时 可以让电动机的额定转矩或额定功率与负载实际转矩与功率相等 三种调速方法的调速性能比较 29 表3 1直流电动机三种调速方法的调速性能比较 例 30 解 按公式 3 3 11 额定电枢感应电动势取为进行计算 电枢电阻额定电压运行时电机的感应电动势额定电压运行时的电枢电流 31 1 降压减速时 1 1 若负载为恒转矩时降压调速时 常数 因此 43 02A 1 2 若负载为恒功率时负载的功率为 式中TL为电压为额定 转速为n 1550r min时负载转矩的值 降低电源 电压降速后的负载功率为 式中 为降压调速转速为 时负载转矩的值 比较上面两式得到 降压调速时 因此低速时电枢电流加大 对应 nmin的电枢电流Iamax为 32 因此 电流变化范围是43 03 111 14A 但是低速时已经超过了IN 90A 不能在nmin长期运行 说明降低电源电压调速的方法不适合带恒功率负载 2 弱磁升速时 2 1 负载为恒转矩时 当磁通减小到 电枢电流变为 由于负载为恒转矩 有 常数 即 同时还有 比较这两式有 3 4 7 3 4 6 33 将式 3 4 6 代入式 3 4 7 则 上式为 的一元二次方程 可解得 后一个值不合理可舍弃 因此 电枢电流的变化范围是43 02A 51 65A 2 2 负载为恒功率时 从本例题看出 弱磁升速时 若带恒转矩负载 转速升高后电枢电流增大 若带恒功率负载 转速升高后电枢电流不变 他励直流电机的四象限运行 34 HELLOEVERYONE 35 南京是历史文化名城 有着6000多年文明史和2400多年建城史 是中国四大古都之一 有 江南佳丽地 金陵帝王州 的美誉 是 六朝古都 十朝都城 其山 水 城 林相映成趣 景色壮丽秀美 孙中山在 建国方略 中赞美道 其位置乃在一美善之地区 其地有高山 有深水 有平原 此三种天工 钟毓一处 在世界中之大都市诚难觅此佳境也 36 3 4 3他励直流电机的四象限运行 小结前述内容中与本节有关的内容 电动机稳态工作点是指满足3 2节所述的稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点 电动机在稳定工作点恒速运行 电动机运行在工作点之外的机械特性上时 电磁转矩与负载转矩不相等 系统处于加速或减速的过渡过程 他励直流电动机固有机械特性与各种人为机械特性 分布在机械特性的四个象限内 生产机械的负载转矩特性 有反抗性恒转矩 位能性转矩 泵类等典型负载转矩特性 也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性 它们分布在四个象限之内 他励直流电机的四象限运行 37 下面将具体分析采用典型调速方式的他励直流电动机拖动典型负载时 在各个象限内不同的稳态运行以及过渡过程 下列小标题中的 运行 是指上述 的稳定工作点稳速运行 过程 是指上述 中电动机从一个稳定工作点变化到另一个稳定工作点时变速的过渡过程 此外 制动 brake 一词是表示在电动机惯例下 电动机在 象限 电磁转矩和转速不同方向 的运行现象 此时 电动机处于发电状态 电动运行 38 1正向电动运行和反向电动运行 能耗制动过程 39 2能耗制动 能耗制动过程 1 能耗制动过程 由突然切断电枢电源电压 串入电阻产生 40 能耗制动运行 41 还是用电阻制动 但拖动位能性负载 在正向电动状态突然采用能耗制动 电动机的运行点从A B 0 从B 0是能耗制动过程 与拖动反抗性负载时完全一样 但是到了0点以后 如果不采用其他办法停车 如采用外加的机械抱闸抱住电动机轴 则由于电磁转矩 小于负载转矩 系统会继续减速 也就是开始反转了 2 能耗制动运行 能耗制动运行 42 运行点沿着能耗制动机械特性曲线2从0 C C点处 系统稳定运行于工作点C 该处电动机电磁转矩 0 转速 0 Te为制动性转矩 这种稳态运行状况称为能耗制动运行 反接制动过程 43 4电压反接制动 能耗制动过程的一个实例是反接制动停车 它是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接 同时在电枢回路串入限流的反接制动电阻R来实现的 拖动反抗性恒转矩负载 反接制动停车 B C 时 其机械特性如图所示 反接制动过程 由突然反接电枢电压产生 44 对于采用可调节电压源的电力拖动系统 常常采用先降压减速 避免接限流电阻 再反接低电压从而反接制动停车并接着反向 或正向 起动的运行方式 达到迅速制动并反转 正转 的目的 反接制动运行 45 5倒拉反转运行 制动 正向回馈制动过程 也叫电动势反接制动 由位能性负载时断开电源或串大电阻产生 46 6正向回馈制动过程和运行 1 正向回馈制动过程 正向回馈制动过程 由降低电枢电源电压产生 47 其功率流程与直流发电机的功率流程一致 所不同的是 机械功率的输入不是原动机送进 而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动能所提供 电功率送出不是给用电设备 而是给直流电源 即正向回馈制动过程 回馈 指电动机把功率回馈电源 正向回馈制动运行 48 2 正向回馈制动运行 反向回馈制动运行 由位能性负载拖动引起 49 7反向回馈制动运行 反向回馈制动运行 由位能性负载下放重物时引起的再生发电制动 50 四象限运行小结 51 3