第二章 直流电机拖动.ppt

1 2 1电力拖动系统的运动方程 2 2生产机械的负载转矩特性 2 3他励直流电动机的机械特性 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程 负载转矩特性 直流电动机的机械特性 起动 调速 制动等方法和物理过程 2 4他励直流电动机的起动 2 5他励直流电动机的制动 2 6他励直流电动机的调速 第二章直流电机的电力拖动 2 一 电力拖动 用电动机带动生产机械工作 二 电力拖动系统 用电动机 传动机构 生产机械组成的一个由电气控制的运动系统 要研究电力拖动系统的运动规律与运动特性 必须先建立电力拖动系统的运动方程 3 2 1电力拖动系统的运动方程式 1 单轴系统 单台电动机直接与生产机械同轴联接 4 2 多轴系统 电动机通过传动机构多根转轴的传动带动生产机械运动 3 多机系统 两台或多台电动机带动一个或多个工作机构的运动系统 5 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态 系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩 一 单轴系统的运动方程式 转矩平衡方程 为生产机械的总负载转矩 根据力学原理可写出这时的转矩方程式 6 J 为单轴系统的转动惯量 包括电动机的和生产机械的 是衡量惯性作用的一个物理参数 转矩方程式 两者的关系为 为重力加速度 7 运动方程的实用形式 对于多轴系统 其运动方程式也可以简化成上式所示的单轴形式 为此 它是电力拖动系统的基本运动方程式 它表征了电力拖动系统机械运动的普遍规律 是研究电力拖动系统各种运动状态的理论基础 8 电力拖动系统的运动方程式 由式可知系统旋转运动的三种状态 1 当或时 系统处于静止或恒转速运行状态 2 当或时 系统处于加速运行状态或起动状态 3 当或时 系统处于减速运行状态或制动状态 9 首先确定电动机处于电动状态时的某一旋转方向为转速的正方向 然后规定 运动方程式中转矩正 负号的规定 1 电磁转矩与转速的正方向相同时为正 相反时为负 2 负载转矩与转速的正方向相同时为负 相反时为正 10 二 多轴系统的运动方程式 折算原则 等效单轴系统所传送的功率及所储存的动能必须跟实际多轴系统的功率及所储存的动能相同 1 负载转矩的折算 1 电动状态折算 11 二 多轴系统的运动方程式 折算原则 等效单轴系统所传送的功率及所储存的动能必须跟实际多轴系统的功率及所储存的动能相同 1 负载转矩的折算 1 电动状态折算 12 2 发电制动状态折算 2 飞轮矩的折算 13 2 2生产机械的负载转矩特性 一 恒转矩负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性 分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种 1 反抗性恒转矩负载 研究电力拖动系统仅知道其运动方程还不够 还必须给出电动机的机械特性和生产机械的负载转矩特性 14 2 位能性恒转矩负载 15 二 恒功率负载特性 恒功率负载特点是 负载的功率为常数 不随转速的变化而变化 恒功率负载的转矩与转速的乘积为一常数 即与成反比 特性曲线如图 16 三 泵与风机类负载特性 泵与风机类负载的转矩基本上与转速的平方成正比 即 泵与风机类负载特性曲线如图 17 2 3他励直流电动机的机械特性 2 3 1机械特性的一般表达式 直流电动机的机械特性是指电动机的关系 由电动机的电路原理图可得机械特性的一般表达式 由式可知直流电动机的机械特性与电动机的端电压 主磁通 励磁电流 电枢回路电阻有关 18 2 3 2他励直流电动机的固有机械特性 当时的机械特性称为固有机械特性 由于电枢电阻很小 特性曲线斜率很小 所以固有机械特性是硬特性 称为理想空载转速 为固有机械特性斜率 是一常数 实际空载转速 19 2 3 3人为机械特性 1 电枢串电阻时的人为特性 保持不变 只在电枢回路中串入电阻的人为特性 特点 1 不变 变大 2 越大 特性越软 20 2 降低电枢电压时的人为特性 保持不变 只改变电枢电压时的人为特性 特点 1 随变化 不变 2 不同 曲线是一组平行线 21 3 减弱励磁磁通时的人为特性 保持不变 只改变励磁回路调节电阻的人为特性 特点 1 弱磁 增大 2 弱磁 增大 22 机械特性求取 一 固有特性的求取 具体步骤 1 估算 2 计算 3 计算理想空载点 4 计算额定工作点 已知 求两点 1 理想空载点和额定运行 P43例2 2 23 二 人为特性的求取 在固有机械特性方程的基础上 根据人为特性所对应的参数 或变化 重新计算和 然后得到人为机械特性方程式 P44例2 3 24 作业2 52 6 25 2 3 4电力拖动系统稳定运行条件 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 26 稳定平衡状态分析 27 扰动使转速由上升到 即使扰动消失 系统也将一直加速 不能回到点运行 不稳定平衡状态分析 28 扰动使转速由下降到 即使扰动消失 系统将一直减速 不可能回到点运行 不稳定平衡状态分析 29 电力拖动系统稳定运行的条件是 在交点处满足 或者说 在交点的转速以上存在 在交点的转速以下存在 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点 即存在 30 2 4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 起动瞬间 起动转矩和起动电流分别为 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起动 起动时由于转速 电枢电动势 而且电枢电阻很小 所以起动电流很大 可达额定电流的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 31 2 4 1降压起动 当直流电源电压可调时 可采用降压方法起动 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 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 使 随着电动机转速的上升 反电动势逐渐增大 开始下降 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 32 一 起动过程 2 4 2电枢回路串电阻起动 三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为 33 解 2 10某他励直流电动机额定数据如下 PN 60kW UN 220V IN 350A nN 1000r min 1 如果该机直接起动 起动电流为多少 2 为使起动电流限制在2IN 应在电枢回路串入多大电阻 3 如果采用降压起动且起动电流限制在2IN 端电压应降为多少 34 二 分级起动电阻的计算 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 35 由上式可得 得各级串联电阻为 因为 36 6 计算各级起动电阻 计算各级起动电阻的步骤 1 由式 计算电枢电阻 2 根据最大电流 得最大 3 取 初得 起动级数 37 2 5他励直流电动机的制动 当与的方向相同时 电机运行于电动机状态 当与方向相反时 电机运行于制动状态 2 5 1能耗制动 在电动状态 电枢电流 电枢电动势 转速及驱动性质的电磁转矩如图所示 需要制动时 将开关S投向制动电阻上即可 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 38 制动时的参数特点 制动时的电势平衡方程 得 可见反向 由 可见也反向 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 39 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 40 但制动电阻越小 制动电流越大 选择制动电阻的原则是 能耗制动操作简单 但随着转速下降 制动转矩也随着减小 制动效果变差 若要尽快停转 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 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小 即 41 位能性稳速下放 时下放速度最低 42 P52例2 5 作业2 15 43 2 5 2反接制动 电压反向的反接制动时接线如图所示 1 电压反向的反接制动 开关S投向 电动 侧时 电枢接正极性电压 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很强的反向制动电磁转矩 44 1 电压反向的反接制动 机械特性为 曲线如图中所示 工作点变化为 1 制动停机状态 制动初 B点 电流 得 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 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 46 2 反向电动状态 工作点变化为 3 回馈制动状态 工作点变化为 降低下放速度的方法 47 2 电动势反向的反接制动 该只适用于位能性负载下放 电枢回路串入较大电阻后特性曲线 正向电动状态提升重物 A点 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 48 电动势反向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 该反接制动的机械特性曲线是电动机电枢串电阻人为特性在第四象限的部分 电动势反向的反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同 49 3 反接制动的运行特点 1 制动过程中的实际转向与其理想空载转速方向相反 2 制动过程中的 50 例2 6某他励直流电动机的额定数据为 解 1 则 51 则 如果采用能耗制动其最低下放转速为 不能满足题意 应采用电动势反向的反接制动 52 2 5 3回馈制动 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同 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 稳定运行有两种情况 电压不反向的回馈制动当电车下坡时 运行转速可能超过理想空载转速 进入第二象限 电压反向的回馈制动带位能性负载进入第四象限 53 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况 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 54 解 1 额定运行时 所以 电机能进入回馈制动状态 其起始制动电流为 55 2 56 例 P2 16 解 1 停机时n 0 此时反抗性负载 57 2 58 作业 2 17 2 18 59 2 6他励直流电动机的调速 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 他励直流电动机的转速为 电气调速方法 1 电枢串电阻调速 2 调压调速 3 调磁调速 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 如果机械特性不变 因负载变化而引起转速的变化 则不能称为调速 60 2 6 1调速方法 一 电枢回路串电阻调速 未串电阻时的工作点 串电阻后 工作点由A A B 61 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 所以转速的相对稳定性差 4 损耗大 效率低 不经济 3 由于电阻只能分段调节 所以调速的平滑性差 缺点 1 轻载时调速范围小 额定负载时调速范围一般为 62 二 降低电源电压调速 调压前工作点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 63 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 64 三 减弱磁通调速 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 65 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 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 缺点 1 机械特性的斜率变大 特性变软 66 2 6 2调速指标 一 调速范围 二 静差率 相对稳定性 指负载变化时 转速变化的程度 转速变化小 稳定性好 67 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 68 三 调速的平滑性 越接近1 平滑性越好 当时 称为无级调速 即转速可连续调节