清华大学电机原理及拖动(彭鸿才版)ppt.ppt

电机原理及拖动 茂名学院自动化系叶伟 国家规划教材 东北大学彭鸿才主编 机工板 3 学习方法 要注意它既有基础理论的学习 又有结合工程实际综合应用的性质 要逐渐地培养学员的工程观点 掌握工程问题的处理方法 本课程的性质 任务及学习方法 1 性质 在工业电气自动化专业中 电机原理及拖动 是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课 2 任务 我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的 因此 我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性 而对电机设计和制造工艺涉及得不多 但对电机的结构还要有一定深度的了解 目录 第一章直流电机原理第二章电力拖动系统的动力学基础第三章直流电动机的电力拖动第四章变压器第五章三相异步电动机原理第六章三相异步电动机的电力拖动第七章同步电动机第八章控制电机第九章电力拖动系统中电动机的选择 第一章直流电机原理1 1直流电机的用途 结构及工作原理 一 直流电机的用途 1 直流电动机的用途 在工业生产中 利用电动机的轴上转矩拖动生产机械 对产品进行加工 2 直流发电机的用途 作为电源设备 二 直流电机的结构 1 静止部分 1 主磁极 由极身和极掌组成 固定在磁轭 机座 上 在磁极上套入激磁绕组 线圈 主磁极总是偶数 且N极和S极相间出现 极掌对激磁绕组起支撑作用 且使磁通在气隙中有较好的分布波形 2 换向极 它位于相邻两主磁极之间 构造与主磁极相似 其作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花 3 机座 一般把厚钢板弯成圆筒形 然后再焊成机座 也可采用铸钢件 其作用一方面是作为各磁极间的磁路 故又称为磁轭 另一方面机座作为电机的机械支架 主磁极和换向极就固定在磁轭上 4 端盖 附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢 它可以保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙 使电枢可以自由旋转 5 电刷装置 电刷是由石墨做成的导电块 将它套入刷握内 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面上 在电枢旋转时可以保持电刷固定不动 电刷的作用是使电枢绕组和外电路接通 同时通过换向器进行电流的换向 2 转动部分 1 电枢铁心 电枢铁心由0 5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢片迭成 铁心钢片沿轴向迭装 以降低电枢铁心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损耗 从而提高电机的效率 电枢铁心一方面作为电机磁路的一部分 另一方面便于将电枢绕组安装在电枢铁心的槽内 起着固定电枢绕组的作用 2 电枢绕组 电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以实现机电能量转换的重要部件 绕组是由绝缘的圆形或矩形铜线绕成 嵌放于电枢铁心的槽中 必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避之间的槽绝缘 3 换向器 其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流进行方向的交换 起着电流换向作用 电枢绕组元件的引线就焊在换向片上 3 气隙在极掌和电枢之间有一空气隙 气隙是电机的重要组成部分 它的大小和形状对电机性能有很大的影响 1 转轴和轴承 转子必须有转轴 以便电机和生产机械或原动机进行联接传递转矩和功率 中小型电机一般采用滚动轴承 大容量电机 采用支架式滑动轴承 4 其他部分 2 通风装置 作用是冷却电机 为了说明方便 作下列规定 1 N导体和S导体 在N极下的导体称为N导体 在S极下的导体称为S导体 2 符号和符号 导体中电势 电流 的方向进入纸面时用表示 导体中电势 电流 的方向由纸面出来时用表示 三 直流电机的基本工作原理 1 直流发电机的基本工作原理 基本原理 由于导体切割了磁力线 因而在导体内将产生感应电动势 根据右手定则 N导体中电势方向为 而S导体中电势方向为 即二者方向相反 N导体和S导体在交换 a和b位置 但是 b1和b2极性是恒定的 即b1恒为正 b2恒为负 故在电刷两端输出脉动的直流电压 综上所述 线圈中的交变电势已变成刷间直流电压 通过换向器使电刷b1仅能接通S导体 而S导体的电势方向恒为故电刷b1的极性恒为正 同理电刷b2的极性恒为负 2 直流电动机的基本工作原理 通过换向器的作用 使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体 故S导体中的电流方向恒为流出纸面 而与电源正极相接电刷仅能接通N导体 电流流入纸面 故电机恒逆转 a b导体中电流方向如左所示 由左手定则可知S导体和N导体受力均为逆时针方向 因而使电枢逆时针方向旋转 发电机 由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产生电势 电动机 电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩 1 2直流电机的空载磁场 wf 一个主磁极上激磁绕组的匝数 If 激磁绕组中的激磁电流 Rm 该段的磁组 磁通量 主磁通 所经磁路 两个气隙 两个电枢齿 一个电枢轭 两个主磁极铁心和一个主磁极轭等五段 由磁路中的欧姆定律 wfIf Rm 说明 当I较小时磁路的磁阻为气隙磁阻且为常数 故If与 是线性的If较大时铁心饱和 磁阻加大 增加变慢If与 为非线性关系 电机的饱和程度对电机的性能有很大的影响 气隙磁密的概念 是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通 因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度 气隙磁密 主磁极作用产生部分 电枢磁势作用部分主磁极磁势单独作用 电枢电流为零时 气隙在极掌下大致是均匀的 但在极尖以外时 主磁通所经气隙加大 磁密减小 并在两主磁极中间的几何中线上下降为零 二 主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布 一 概述电机的电枢绕组是电机的主要组成部件 电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实现能量转换 绕组类型 1 单迭绕组 2 复迭绕组 3 单波绕组 4 复波绕组 5 混合绕组 其中 单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组 是了解其他绕组的基础 二 单迭绕组1有关技术名词 1 极轴线 它是将主磁极平分为左右两部分的直线 1 3直流电机的电枢绕组 2 极距 它是相邻两主磁极极轴线之间的距离 在相邻主磁极之间 与上述距离大小相等的距离 也叫极距 3 几何中线 是在相邻两极轴线之间并且与这两极轴线等距离的直线 两相邻主磁极以几何中线为轴作位置上的对称分布 以n n表示 2 单迭绕组元件单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成 绕组元件实际上是一个线圈 可以是多匝 也可以的单匝的 绕组元件结构原理 a1b1及a2b2部分称为元件边 用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2将元件边联结起来 使两元件边中电势在元件中迭加 端线c1d1及c2d2称为引线 d1为元件的首端 d2为末端 元件的首端和末端分别焊接在不同的换向上 a1b1称为第一元件边 右边a2b2称为第二元件边 3 单迭绕组展开图 图中四个方框代表四个主磁极 相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端 四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上 电刷宽度等于一个换向片宽 电枢铁心槽数 元件数以及换向片数均相等且为16 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边 而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边 上层边用实线表示 下层边用虚线表示 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码 元件联接次序表 123456789101112131415161 号码上打 的 表示被电刷短路的元件 当元件的两元件边的距离恰是一个极距时 由于电刷放在极轴线处的换向片上 故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻几何中线上 4 绕组电路分析 元件2 3 4电势方向相同组成一个支路 元件6 7 8电势方向相同组成一个支路 但方向与2 3 4组成支路电势相反 元件10 11 12与2 3 4支路电势方向相同故将电刷A1 A2接在一起 14 15 16与6 7 8支路电势方向相同故将B1 B2接在一起 引出正 负两个电极 并联支路图 每个主磁极下的元件串联成一条支路 共有四条并联支路a b p 输出电流Ia 2aia a为并联支路数 ia为去路电流 p为主磁极对数 b为电刷对数 电枢反应 电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响 电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关 它还受电刷位置的影响 一 电枢磁动势与电枢磁场二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布图 几点说明 1 因电刷接触的换向片与几何中性线处的导体相连 故把电刷画在几何中性线处的导体上 2 绕组只画一层 都在电枢表面上 3 电流方向以电刷为分界线 4 电枢磁场以电刷为极轴线 电刷处磁势最强 主磁极的极轴线处电枢磁势为零 电枢磁势与主磁极磁势正交 称交轴电枢磁势 1 4直流电机的电枢反应 把电枢圆周从电刷处切开展成直线并以主磁极轴线与电枢表面的交点为空间坐标的起点 这点的电枢磁动势为零 电枢磁动势沿空间的分布 电枢线负荷 电枢圆周表面单位长度上的安培导体数 A 应用全电流定律 有 Hl 2Ax认为总磁势全部降在两段气隙上2Fax 2Ax即Fax Ax磁密Bax 0Hax 0Fax Nia D 二 电刷位于几何中性线上时的电枢反应此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交 故称这电枢反应为交轴电枢反应 电机合成磁场B x B0 x Bax正方向规定 磁力线进入转子为负 出来为正 所以 主磁极磁通密度在N极下为负 在S极下为正 可知 磁场波形发生了畸变 1 发电机 前极尖增磁 后极尖去磁 2 电动机 前极尖去磁 后极尖增磁 如不考虑磁路饱和 则增去磁量相等总磁通量不变 3 物理中线移到m m 当磁路饱和时因磁势和磁通密度之间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降 所以交轴电枢反应总有一些去磁作用 三 电机上偏离几何中性线时的电枢反应电枢磁势分为两部分 交轴磁势和顺轴磁势 Fa Faq Fad当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆移时顺轴电势Fad去磁 反之顺轴电势助磁 右图为发电机电刷顺移或电动机电刷逆移后的电枢反应 一 直流电机的电枢电动势电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势 刷间电动势等于其中一条支路的电动势 推导过程 设绕组为整距元件 电刷在几何中线上 如电枢绕组总导体数为N 并联电路数为2a则绕组每条支路的导体数为N 2a 如每根导体的平均电动势eav 则支路电动势即刷间电动势 N一根导体的平均电动势为eav BavlVBav 为一个极下的平均磁密 Bav Ea 1 5直流电机的电枢电动势与电磁转矩 导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有V 2p n 60所以 Ea N 2a 2p n 60 pN 60a n Ce n这是一个十分重要的公式 式中Ce pN 60a 为电动势常数 是一个决定于电机结构的参数 电枢电动势与每极磁通成正比 与转速正比 B wb 韦伯 n r min 每分钟 转 Ea V 伏特 二 直流电机的电磁转矩电磁转矩 电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩 先求每根导体平均受力fav Bav ia 导体有效长度ia 导体电流每根导体平均转矩为Tav Bav iaD 电枢直径电枢总转矩为T N CT IaIa为电枢电流ia Ia 2a 单位为A 安培 CT pN 2 a 是与电机结构有关的常数 称为转矩常数 单位Nm CT 9 55Ce D2 Ia 一 直流发电机的分类1 他励直流发电机 励磁电流由另外的独立直流电源供给 2 自励直流发电机 它用自已发出的电给自已的励磁绕组励磁 1 并励发电机 它的励磁绕组跨接在电枢两端 与电枢并联 2 串励发电机励磁绕组与电枢串联 励磁电流就是电枢电流 3 复励发电机 既有并励绕组又有串励绕组 励磁消耗的功率一般只占直流发电机额定功率的1 3 1 6直流发电机 二 直流发电机的基本方程式三大平衡方程式 电压平衡 转矩平衡 功率平衡 一 电压平衡方程式U Ea IaRaU 电枢电压Ra 电枢回路总电阻 二 转矩平衡方程式Ia方向和Ea一致 当发电机稳定运行时T1 T T0T1为原动机拖动转矩 T为发电机电磁转矩 T0为空载转矩 三 功率平衡方程式P1 PM p0P1为原动机从轴上送入直流发电机的机械功率 PM为电磁功率 P0空载损耗功率 P0 pm pFe pspm 机械摩擦损耗pFe 铁损耗ps 附加损耗电磁功率多数转为电功率P2因PM T CT Ia P2 PM pCu即电枢输出功率P2为电磁功率PM减去电枢回路的电阻铜损耗pCu 由电压平衡方程U Ea IaRa得UIa EaIa I2aRa即综合后得P1 P2 pCu pm pFe ps P2 p直流发电机功率流程图注 没有把励磁功率计算在P1之内 P2 PM pCu 三 他励直流发电机特性研究条件 保持转速n不变且等于额定转速nN 三个物理量 电枢电压U 电枢电流Ia 励磁电流If 一 空载特性U f If n c Ia 0因Ea Ce n Ce和n为常数 所以Ea与 成正比 即U f If 曲线与磁化曲线 f If 形状相同 U 发电机的额定电压工作点一般选在开始饱和的弯曲处C点 当If 0时 U 0 这是剩磁所致称为剩磁电压Us 2 4 UN 二 外特性U f Ia n c nN常数If 常数调励磁If和负载Ia 使U UN 电机工作在额定状态调Ia测U得外特性U f Ia 曲线是一条略微向下倾斜的曲线U Ea IaRaUIaIaRaU国家标准规定 用发电机由额定状态过渡到空载时的电压升高对额定电压的比率表示电压变化率 U U 5 10 常数 四 并励直流发电机 一 并励直流发电机的自励条件 1 发电机必须有剩磁 如果无剩磁 必须用另外的直流电源充磁 2 励磁绕组并联到电枢两端 线端的接法应与旋转方向配合 以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致 3 励磁回路的总电阻必须小于临界电阻 在建立正常电枢电压的过程中 励磁电流If一直在上升励磁回路电压平衡方程为 Uo 在A点之前Uo Rfif 0if当达到A点时 U0 RfIf Lfdif dt 0 If不再变化 电压稳定在A点 发电机能建立起正常电压 二 外特性n 常数 励磁回路总电阻不变时U f I 关系曲线 并励比它励电机外特性下降得快原因有三 1 电阻压降 2 电枢反应去磁 3 UIf磁路退饱和 导致励磁电流下降电压降低 使负载电流不再增加反而减小 1 7直流电动机一 直流电机的可逆原理一台直流电机 在满足一定条件下它可以作发电机运行 也可以作为电动机运行 称为可逆性原理 过程分析 发电机状态到电动机状态的过渡 假设开始时发电机向直流电网供电 电网电压U恒定不变 各量方向如图所示 发电机中电流与电势方向一致 电机的电磁转矩T为顺时针方向 与原动机拖动转矩T1方向相反 U稳定运行时T1 T T0电动势Ea U电流顺电动势方向流向电网 能量关系 T1 EaIaUia机械功率电功率输出电功率 当撤掉原动机后nEaIaT稳定运行时T T0 Tm反电势Ea UU Ea IaRa能量关系IaUEaIaT2 电机从电网电磁功率输出机械功率吸收电功率 二 直流电动机基本方程式 一 电压平衡方程式U Ea IaRaEa 反电动势Ia 电枢回路电流Ra 电枢回路电阻 二 转矩平衡方程式当电机稳定运行时T T0 T2或T T0 Tm当T2 Tm时转速稳定 三 功率平衡方程式P1 Pm pcuUIa EaIa I2aRa 电机从电网吸收的电功率P1 UIa减去电枢绕组铜损Pcu I2aRa余下的为电枢的电磁功率PM EaIa 而PM EaIa T T0 T2 p0 P2所以P1 Pcu p0 P2功率流程图 三 他励直流电动机特性目的 为正确使用电动机 几种靜特性 1 转速特性 2 转矩特性 3 效率特性 4 机械特性从使用电动机的角度 机械特性是电动机最重要的一种特性 一 转速特性U UNIf IfN电枢无外串电阻即R Ra因Ea UN IaRa Ce n所以 二 转矩特性T CT Ia为一过原点直线Ia 0时n n0为理想空载转速 n Ia IaRa Ce 为转速降 所以 机械特性为略微向下倾斜的一条直线 三 效率特性当U UN If IfN 电枢无外串电阻 即R Ra时效率特性 f Ia 令d dIa 0可求得效率最高条件当电动机中不变损耗等于可变损耗时 效率最高 且通常出现在Ia 75 100 区域内 四 机械特性U 常数 If 常数 R Ra Rc 常数时 n f T 变化关系 当U UN If IN Ra 0时 称n f T 为自然机械特性 否则 称为人造机械特性 由直流电动机电压平衡方程可知 U Ea Ia Ra Rc Ea Ce nT CT ia联解得 人造特性 自然特性 n 机械特性上的两个特殊点 1 理想空载点T 0 n n0 2 额定工作点T TN n nN 电动机工作在额定状态时 转速降为一般根据额定时的数据 UN IN nN Ra 求出Ce N和CT N 进而对工作点进行计算 四 串励直流电动机及复励直流电动机串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流 它随负载的变化而变化 复励电动机是并励直流电动机和串励直流电动机的结合 它兼有两者的特点 一 串励直流电动机的转矩特性n f Ia 经变换得分磁化曲线的不饱和和饱和两部分讨论 1 Ia较小 磁路不饱和磁通与电流成正比 R0为电枢回路总电阻 一条非线性曲线 将 K1Ia代入后得为一条双曲线当电动机空载 电流很小时 可能引起 飞车 事故 所以串励直流电动机不允许空载运行 也不允许用皮带传动 2 当Ia较大 磁路饱和时 K2为一常数 这时为一条稍有下降的直线 但转速降比他励直流电动机稍大 如特性1 二 串励直流电动机的转矩特性T f Ia 由转矩公式T CT Ia 及磁化曲线 f Ia 非线性 1 Ia较小 磁路不饱和时 K1Ia 与Ia成正比 T CTK1Ia2 抛物线 2 Ia很大 磁路饱和时 K2为一常数与Ia无关 T CTK2Ia 为一直线特性如曲线2所示 串励直流电动机适用于起动比较困难 且不空载的生产机械 如电力机车 三 串励直流电动机的机械特性n f T 一般表达式 机械特性曲线如右图1所示 特点 1 轻载时特性软 重载时为一条略微下倾的直线 2 轻载时转速很高 曲线与纵坐标轴无交点 串励电动机不允许空载运行 四 复励直流电动机的机械特性复励 既有并励绕组又有串励绕组 复励电动机兼有并励和串励两种电动机的优点 串励绕组使起动转矩增加 并励绕组使复励电动机可以轻载运行和空载运行 不存在 飞车 的问题 机械特性介于并励和串励之间 如图2所示 第八节直流电机换向简介换向 直流电机在运行过程中 旋转的电枢绕组中一些元件从一条支路经过电刷进入另一条支路 在这一过程中 元件电流改变方向 这一过程称为换向 换向的过程正是元件被电刷短路的过程 元件短路过程结束就是换向结束 这时元件完全进入另一条支路 一 换向过程 分三个阶段 1 开始 电刷与1号换向片完全接触 元件1和元件2属右面支路 电流为 ia 2 电刷同时与换向片1和2接触 元件1被电刷短路 元件1中的电流在从 ia向 ia变化 3 电刷完全与换向片1脱离 完全与换向片2接触 元件1完全进入左支路 电流为 ia 二 直线换向 延迟换向与超越换向 一 直线换向直线换向是一种最基本的换向过程 换向元件中的电流按直线规律变化 条件 换向元件中无电势 且只考虑电刷接触电阻 特点 1 在换向过程中 电刷下不会产生火花 因为换向元件中的电流由 ia连续变化至 ia 没有换向电流必须通过空气而造成火花 2 在换向过程中 电刷两左右两侧电流密度是均匀的 故电刷左右两侧发热也是均匀的 二 延迟换向电机正常运行时换向元件中产生以下几种电势使 e 0 1 自感电动势eL换向元件中电流变化时产生的eLeL Ldi dt 2 互感电动势eM同时换向的几个元件之间产生的互感电动势eM Mdi dt称er eL eM为电抗电势 其方向与 ia相同 3 电枢反应电势ea换向元件切割电枢磁场产生的感应电势 其方向与er一致 也是反对换向电流变化的 结果使电流不能随时间成线性关系变化且变化较慢 曲线2所示 称之为延迟换向 延迟换向使电刷的前刷边电流密度小 后刷边电流密大 因此后刷边出现较大的火花 三 改善换向的方法方法 在换向元件中产生与er和ea方向相反的电势ek 方法一 在主磁极的几何中性处加一换向磁极 极性与电枢磁场的极性相反 其绕组一般与电枢绕组串联方法二 移刷改善换向 发电机顺移 电动机逆移 移动的角度 物理中线与几何中线之夹角 四 火花 环火及补偿绕组换向不良电刷下产生火花 严重时影响电机工作 环火是处于最大磁密处的元件电压出现最大值 在元件连接的两个换向片间产生电弧短路而形成环火 补偿绕组与电枢绕组串联以消除电枢反应进而消除环火 第二章电力拖动系统的动力学基础 第一节典型生产机械化的运动形式及转矩一 电力拖动系统的基本概念电力拖动 以电动机为原动机拖动生产机械运转的拖动方式 电力拖动系统 由电动机 机械传动机构 生产机械的工作机构 电动机的控制设备以及电源等五部分组成的综合机电装置 二 典型生产机械的运动形式和转矩 一 运动形式1 单轴旋转系统特征 电动机的转子与负载轴通过联轴器连接在一起 所有运动运动部分均以同一转速旋转 如通风机 2 多轴旋转系统特征 各轴转速不同 主轴转速比电动机转速低 电动机转子通过皮带轮和减速机与主轴相连接 如车床 3 多轴旋转和平移运动系统特征 负载既有旋转运动又有平移运动 如起重机的起重小车 4 多轴旋转和升降运动系统特征 负载既有旋转又有升降运动 如起重机的提升机构 二 生产机械的转矩性质两种类型 1 摩擦力产生的转矩 反抗性转矩特点 转矩方向总是与旋转方向相反 2 重力作用产生的转矩 位能性转矩特点 作用方向与生产机械的旋转方向无关电力拖动系统的运动规律的分析主要研究作用在电动机轴上的转矩与电动机转速变化之间的关系n f T 分析方法 先对单轴运动系统进行分析 得出一般规律对多轴运动系统 则通过折算等效成单轴运动系统后再运用单轴运动系统的规律 第二节电力拖动系统和运动方程式一 单轴电力拖动系统的运动方程式作用在电机轴上的转矩 电动机的电磁转矩T电动机的空载转矩T0生产机械转矩TmT0 Tm TL为电动机的负载转矩 为轴的角速度 J为对转轴的总转动惯量J JR Jm 根据力学刚体转动定律及各量参考方向得转动方程式 转矩单位为Nm J为Kgm2 为rad s该式是研究电力拖动系统各种运转状态的基础 在工程计算中 常用n代替 用飞轮力矩GD2代替J 其关系为m 转动部分的质量 kg G 转动部分的重力 N 转动部分的回转半径 m D 回转直径 m g 重力加速度 取g 9 81m s2运动方程式变为实用形式GD2总飞轮惯量T TL Td为动态转矩 Td 0 dn dt 0 电动机以恒定转速旋转或静止不动 称静止状态 Td 0 dn dt 0 系统处于加速状态Td 0 dn dt 0 系统处于减速状态称动态或过渡状态 规定n及T的参考方向 对观察者而言逆时针为正 反之为负 TL的参考方向 顺 二 电力拖动系统的转动惯量及飞轮力矩飞轮惯量GD2GDR2 电机转子部分 GDm2 生产机械部分 转动惯量JJ m 2 查表实际计算时由GD2 4gJ 4gm 2 4G 2求出J或GD2 三 功率平衡方程式运动方程式两端同乗 即得功率平衡方程式判断电动机是输出机械功率还是从拖动系统中吸收功率 完全取决于电磁转矩T和速度 的方向 T与 同方向时T 0 电动机输出功率 T与 反方向时T 0 生产机械从拖动系统中吸收能量 反之表示放出机械功率给系统 第三节多轴电力拖动系统转矩及飞轮力矩的折算一 多轴旋转系统负载转矩及飞办力矩的折算 一 负载转矩的折算折算的原则 保持折算前后系统传递的功率不变 设折算前多轴系统中负载功率为Tm m 折算后等效单轴系统的功率为Tmeq 则有Tm m Tmeq 故Tmeq j m n nm 传动机构的总速比 j为各级速比积 j j1j2实际中考虑传动效率 c时 c为各级传动效率之积 二 飞轮力矩的折算折算原则 折算前后系统总动能不变 方程式得单轴系统等效转动惯量Jeq 即 上式两边同乗以4g得折算到电动机轴上的飞轮力矩GD2eq 即两个中间轴 n个中间轴 主体部分占比重很小故有估算公式 1 1 1 25 多轴系统折算到电动机轴上时的等效单轴系统的运动方程式可写成TL T0 Tmeq二 平移运动系统的折算桥式起重机的起重小车 龙门刨床等 其工作机构作平移运动 一 阻力Fm的折算折算原则 折算前后功率不变 切削时切削功率为Pm FmvmFm反映到电动机轴上 表现为负载转矩Tmeq 电动机轴上的切削功率为Tmeq 不考虑传动机构的损耗时 可得Tmeq Fmvm考虑传动机构的损耗时Fm为平移部件的阻力 单位为N 二 平移运动部件质量的折算折算原则 折算前后系统贮存动能不变 运动部件的动能为折算到电动机轴上后 等效飞轮力矩为GD2meq 其动能为另上二式相等得 注意 求总飞轮力矩时还需计算传动机构各旋转轴飞轮力矩的折算值 方法与多轴旋转系统飞轮力矩折算方法同 三 工作机构为升降运动时转矩与飞轮力矩的折算等效负载转矩和等效飞轮力矩 第四节负载的机械特性负载的机械特性 生产机械工作机构的转矩与转速之间的函数关系 一 恒转矩负载特性 一 反抗性恒转矩负载特点 转矩由摩擦力产生的 它的绝对值大小不变 但作用方向总是与旋转方向相反 是阻碍运动的制动转矩 二 位能性恒转矩负载由重力作用产生 特点 是工作机构的转矩绝对值大小恒定不变 而且作用方向也保持不变 特性位于第一 第四象限且与纵轴平行的直线 二 风机 泵类负载机械特性1均为流体机械 其转矩与转速的二次方成正比 只能单方向旋转 三 恒功率负载机械特性2常数 第三章直流电动机的电力拖动 第一节他励直流电动机的机械特性一 他励直流电动机机械特性的一般概念条件 电源电压U 气隙磁通 电枢回路总电阻R 均为常数 电动机转速与电磁转矩之关系n f T 推导过程 由电枢回路电压平衡方程式将Ea Ce n T CT Ia代入后得 特性曲线两个特殊点 A点 T 0 n n0 U Ce 理想空载转速B点 n 0 T Tk CT Ik U Ra Rc 堵转电流堵转转矩在A点和B点 因电动机的电磁功率PM EaIa 0 无能量转换 第一象限内 T 0 n 0方向一致 T为拖动转矩 Tn n原因U Ra Rc均为常数条件下 TIa T CT 在第二象限内 n 0 且n n0 所以Ea 0 且Ea U 电枢电流成为阻碍运动的制动转矩 Ia与Ea方向一致 电机输出能量 电源吸收能量 在第三象限内 n 0 电机反转 Ea 0 变为与U同方向二 固有机械特性及人为机械特性 一 固有机械特性条件 U UN N R Ra即为额定参数时 表达式如T TN时nN n0 nN称 nN为额定转速降因电枢电阻Ra很小 所以 nN很小故固有特性属于硬特性 为一条略微向下倾斜的直线 二 人为机械特性当人为改变参数U 电枢外串电阻Rc时的机械特性三种人为机械特性 1 电枢串电阻的人为机械特性 外串电阻的机械特性方程式特点 理想空载转速不变且与外串电阻无关 外串电阻越大特性斜率越大 特性越软 2 改变电源电压的人为机械特性R Ra N 调U UN 只能在额定电压以下调节 特点 理想空载转速与电源电压成正比 各条特性相互平行 If 机械特性方程式3 减弱气隙磁通的人为机械特性U UN R Ra 调 N 弱磁 机械特性方程式减磁时理想空载转速升高 斜率增大 特性变软 三 电枢反应对机械特性的影响电枢电流较大时 电枢反应加大 使气隙磁通下降较多电动机转速升高 机械特性上翘 防翘办法 在主磁极加稳定绕组使其磁势与主磁极方向相同 四 他励直流电动机机械特性的绘制公式计算固有机械特性的步骤 1 计算Ra 2 计算Ce N3 求n0 UN Ce N4 计算TN 9 55Ce NIN人为机械特性的绘制 求出n0 再求出稳定转速 五 电力拖动系统稳定运行的条件稳定含意 当电力拖动系统在工作点上稳定运行时 若突然出现了于拢 使轴上转矩失去平衡 电动机转速发生变化时 系统仍能在新的工作点上稳定运行 于拢消失后 系统又能回到原来的工作点稳定运行 电网电压波动时稳定分析 右图1为负载机械特性 2 3为电压波动前后的电动机机械特性 原在A点运行 转速为nA在A点T TL无加速转矩dn dt 0 系统在A点稳定运行 如电源电压突然升高 瞬间AB nA nBIa U Ea RaT TLnIa T 当上升到C点时T TL达到新的平衡 此时n nc当于拢消失 系统将由C到DA回到原工作点 故该系统能稳定运行 A点是稳定的工作点 可以证明 一个电力拖动系统能稳定运行的充分必要条件是 1 电动机的机械特性与负载的机械选择性必须相交 在交点处T TL 实现了转矩平衡 2 在交点处 dT dt dTL dt 0不符合第二个条件 系统不能稳定运行 如负载减小转速增加 T增加最终损坏电机 第二节他励直流电动机的起动和反转一 他励直流电动机的起动起动电动机时 应当先给电动机的励磁绕组加入额定励磁电流 以便在气隙中建立额定磁通 然后再接通电枢回路 电动机一般不允许把电枢直接接到额定电压的电源上即直接起动 以防电机烧坏和机械损坏 IN 故必须把起动电流限制在允许范围之内 一般最大允许电流为 1 5 2 IN 间接起动的两种方法 1 降压起动 2 串电阻起动 一 降压起动降压起动方法在起动过程中能量损耗小 起动平稳 便于实现自动化 但需要一套直流电源 增加了设备投资 二 电枢回路串电阻起动串电阻是为了限制起动电流不超过允许值 以Rst或rst表示 电枢回路中应串入的起动电阻值为 起动过程中应分段逐步切除起动电阻 最终全部切除Rst 电动机运行在自然特性上 三 起动电阻的计算各级起动电阻的计算 应以在起动过程中最大起动电流I1及切换电流I2不变为原则 常取令I1 I2 称为起动电流比 因切换前后瞬间电枢电阻压降相等 即I2RST3 I1Rst2或Rst3 Rst2I2Rst2 I1Rst1Rst2 Rst1I2Rst1 I1RaRst1 Ra 推广到一般情况 如起动级数为m 则计算起动电阻时可能有以下两种情况 1 起动电阻级数m尚未确定步骤 1 根据电动机铭牌数据估算Ra 2 根据生产机械对起动时间 平稳性以及电动机的最大允许电流 确定I1及I2并计算Rstm及 要求起动时间短时 取较大的I1 要求起动转矩平稳 起动冲击小时 需要较多的起动级数 这时应取较小的 值 3 由Ra Rstm及 按下式计算起动级数 4 由m 求出新的 5 计算各段起动电阻rst1 Rst1 Ra Ra Ra 1 Rarst2 Rst2 Rst1 Rst1 Rst1 rst1 推广到一般情况 2 起动级数m已知这时可根据电动机最大允许电流确定I1并计算 如I2过大或过小 说明级数m确定得不合理 应减小或增加级数 最后按第 5 计算各段起动电阻 二 他励直流电动机的反转电动机反向运转电磁转矩T必须反向 而T CT Ia故方法有二1 电枢反向接线图2 机械特性3 机械特性方程式 第三节他励直流电动机的调速一 电动机调速的基本概念调速机械调速 改变传动机构的速比 属有级调速电气调速 人为地改变电动机的参数从机械特性上 改变工作点 电动机的转速就能改变两种情况 1 负载变但机械特性不变 2 负载不变而变电机参数 几个术语 基速 电动机的额定转速nN 上调速 额定转速nN以上的调速 下调速 基速以下的调速 无级调速 电机的转速可平滑地加以调节 有级调速 不能平滑调节 只能给出几种速度 二 他励直流电动机的调整方法由机械特性方程式 一 电枢串电阻调速U UN N调Rc特点 1 各条特性有相同的理想空载转速n02 在额定负载下 能提供的最高转速为额定nN故属基速以下调节 且为有级调速 3 串电阻越大 稳定转速越低 4 若为恒转矩负载 则稳定运行时T TL电枢电流Ia T CT N 常数 即与转速无关 缺点 1 不能实现无级调速 2 能耗大效率低 3 特性软 转速的稳定性差 二 降低电源电压调速Rc 0 N 调U UN机械特性方程式特点 1 各条特性互相平行 2 在负载相同时转速降 n相同且均与固有特性相同 即3 对恒转矩负载Ia C 与转速无关 铜耗为与转速无关且数值很小 故效率高 n 4 能实现平滑无级高速该调速方法是基速以下调速 能提供的最高转速为电动机的额定转速nN 由于能实现平滑无级调速 特性硬 转速的稳定性好 故是一种性能优越的调速方法 广泛应用于要求较高的系统中 三 减弱磁通调速U UN R Ra 调 N减弱磁通 时 n0与 成反比地增加 n与 2成反比地增加 n0增加多 n增加少 转速升高 升速过程 设原工作在B点 T TL 2现减小 1Ea Ce 1nB特点 1 弱磁调速只能在基速以上的范围内调节 即 nnN 2 在电流较小的励磁回路内进行调节 方便功耗小 3 便于实现无调速 4 由于转速越高 电机换向困难 机械强度也不准许转速太高 一般升到1 2 1 5nN 特殊电机3 4nN 在实际生产中 通常把降压调速和弱磁调整结合起来使用 以实现双向调速 扩大调速范围 三 调速的性能指标用性能指标来比较各种调速方法的优劣 主要的调速指标 1 调速范围Dnmax nmin为在额定负载时的数值 2 静差率 在某一调节转速下 电动机从理想空载到额定负载时转速的变化率 静差率小 转速的相对稳定性好 D和 由生产加工部门提出具体要求 由于转速越低 越大 所以 对 的要求也是对最低转速的要求 确定了D也同时被确定下来了 三 调速系统的平滑性用调速时相邻两级转速之比来说明 即K值越接近1 调速的平滑性就越好 k 1时为无级调速 四 经济指标四 电动机调速时允许输出的转矩和功率表示电动机在调速时所具备的带负载能力 它的前题条件是合理地使用电动机 合理意指保证电动机长期运行时Ia IN不变 一 恒转矩调速方式指在某种调速方法中 若保持Ia IN不变时 电动机允许的转矩也保持T TN不变 与转速无关 电枢串电阻调速和降压调速中 N 当Ia IN条件下 T Ce NIN TN也不变 与n无关 属恒转矩调速 二 恒功率调速方式指在某种调速方法中 若保持Ia IN不变 则电动机允许输出的功率也基本保持不变 与转速无关 在他励直流电动机弱磁调速方法中U UN 保持时 T C2 n 电动机输出功率P Tn 9550与n无关 属恒功率调速方式 Ia IN不变 五 电动机的调速方式与负载类型的配合当电动机的负载为恒转矩负载时 应采用恒转矩调速方式与其匹配 当电动机的负载为恒功率负载时 应采用恒功率调速方式与其匹配 第四节他励直流电动机的制动一 制动的一般概念所谓制动 就是使拖动系统从某一稳定转速开始减速到停车 或使其在某一转速下稳定运行 机械制动 机械抱闸属外加力 制动电气制动 使电动机产生与原转动方向相反的电磁转矩来实现制动 自由停车 拉断电源靠摩擦使电机慢慢停车 在制动过程中电动机是吸收来自负载侧的能量 此时电动机工作在发电机状态 电动和制动状态的判定 电动状态T 0 输出功率制动状态T 0 吸收功率制动状态在实际应用中有两种情况 1 用于拖动系统的减速停车电动机的制动状态仅出现在降速过程中 是一个过渡过程 常称为制动过程 2 用于位能负载限速运行电磁转矩T与靠重力使物体下放的负载转矩相抗恒 当T TL时重物稳速下放 称之为制动运行 二 能耗制动 一 能耗制动过程K1闭合 K2断开系统处于正转电动运行当K1断开 K2闭合时Ia反向 制动开始 nEa 0制动过程结束 n 0 Ia 0 T 0 能耗制动时的机械方程式U 0 N能耗制动过程的功率流程图 电机从轴上输入功率P2扣除空载损耗后转为电功率PM 都消耗在电阻Ra Rc上 制动电流越大制动效果越好 但最大制动电流同时受换向条件和过载能力限制 由下式决定 Ea为制动开始时电动机的电枢电动势 为了加快制动过程工程中常采用分级能耗制动 AB CD EF切换瞬间电动机转速不变 每次切换后瞬间均应保证Ia Iamax使平均制动转矩增加 制动时间缩短 二 能耗制动运行只能在拖动位能性负载时才可能发生 最终在C点稳定运行n nc 0 反转下放重物 电动机将位能转化为电磁能并都消耗在电阻上 三 反接制动 一 电压反接制动1 接线图K1为正转开关 K2为反转开关Rc为限流电阻 2 机械特性方程式3 机械特性曲线 电压反接制动时 U UN0 Ea 0 电枢电流由电枢回路电压平衡方程式能量平衡关系 电网供给的电能UNIa 0 电功率PM EaIa T 0 说明电功率输出 电动机轴上功率P2 T2 0 说明从轴上输入功率 再扣除空载损耗P0即为PM UNIa和EaIa两部分能量都消耗在回路电阻上 功率流程图外串电阻Rc最小值的计算 约为能耗制动的2倍电压反接制动当转速降到零时如T TL则电动机要反方向启动 故当转速降到零时应拉断电源 二 电势反接制动只有他励直流电动机拖动位能性负载时才会发生 1 电压平衡方程式UN Ea Ia Ra Rc 在第一限内为正转电动停车过程ABC在第四限内C点处因TL T故电动机开始反转 直到TL T在D点稳定运行 此时Ea以反向与UN共同产生制动转矩与TL相抗衡 由于电动势反接制动可以在第四象限稳定运行所以是制动运行状态 主要用于起重机提升机构低速下放重物 电动势反接制动时电动机输入的机械能是由位能负载减少的位能提供 四 回馈制动 一 他励直流电动机回馈制动的基本概念电动状态时 电动机从电源输入电功率UIa 0 即 电源输出能量 电动机吸收能量 并供给机械负载 能量从电源侧流向电动机 回馈制动状态时 Ia改变方向 电磁转矩也由原拖动转矩变为制动转矩 UIa 0 即 电源从电机吸收能量并回送电网 能量从负载侧流向电源侧 平衡关系 电机轴上功率P2 T2 扣除穿载损耗p0后即转变为电功率PM EaIa 其中一小部分消耗在电枢电阻上 其余大部分回馈电网此时电动机已成为与电网并联运行的发电机 何时会出现回馈制动 二 降低电源电压的回馈制动UU1 Ea U1 BC段 到C点时U1 Ea Ia 0回馈制动过程结束 CD段又回到电动状态 D点为稳定工作点 三 位能负载下放重物时的回馈制动被吊在空中的重物 在松开机械闸后反向起动电动机 五 他励直流电动机四象限运行的分析方法电动机的固有机械特性及人为机械特性位于直角坐标的四个象限之中在 象限内为电动状态 象限内为制动状态 A B C D E为电动机的工作点 新状态 1 停车 2 在新的工作点上稳定运行 第五节电力拖动系统的过渡过程一 电力拖动系统的过渡过程的一般概念电力拖动系统的过渡过程是指拖动系统从一个稳定状态到另一个稳定状态中间的过程 产生原因 系统中存在机械惯性和电磁惯性 即飞轮力矩和电感 电容储能元件 研究的问题 求电力拖动系统的动态特性 即T n Ia等随时间变化的规律 方法 建立系统的微分方程式并求解 直流他励电动机微分方程组 为了满足生产机械对过渡过程的不同要求 需要对电力拖动系统过渡过程的规律进行分析 以正确地选择及合理使用电力拖动装置 提高生产率 质量 减轻劳动强 二 他励直流电动机拖动系统过渡过程的数学分析 一 机械过渡过程的一般表达式1 转速的变化规律n f t 系统运动方程式为电动机的机械特性方程式 变为标准型 它的通解为C由初始条件确定 当t 0时 n ni得C ni ns代入后得n的解析式 2 电磁转矩的变化规律T f t 3 电枢电流的变化规律Ia f t 由T CT Ia得 二 机械过渡过程解析式的讨论1 n f t T f t Ia f t 三式具有相同的形式 都有两个分量 即稳态分量和自由分量 动态分量 按指数规律变化 起始于初始值 终止于稳态值 2 过渡过程时间的长短取决于TM的大小 3 初始值 稳态值和机电时间常数是决定机械过渡过程的三个要素 可由机械特性求得 再利用机械过渡过程的解析式计算过渡过程曲线 4 过渡过程时间的计算 达到稳态值的时间 理论上为t 实算取t 4TM 达到某一数值时所需时间 n nx所需时间T Tx或Ia Ix时所经时间或三 起动的过渡过程 一 起动过渡过程曲线的计算串电阻起动时 一级 初始转速ni 0 初始转矩Ti Tst 稳定转速ns na Ts TL机电时间常数 把三要素代入相关式得 三 逐级切除电阻时过渡过程的计算1 n f t 曲线的计算以三级起动为例第一级 初始转速ni1 0 稳定转速为ns1斜率故机电时间常数 解析式第一级经历的时间为nx1为切除第一级起动电阻瞬间电动机的转速 n T t t n tst1 tst2 tst3 tst tst1 tst2 tst3 tst ns ns2 ns1 nx1 nx2 任意级 转速解析式各段时间通式 2 T f t 曲线的计算 四 能耗制动过渡过程 一 拖动反抗性恒转矩负载能耗制动机械特性与负载机械特性交于C点视C点为假想的稳定工作点 满足了TL 常数的条件 实际能耗制动的起始点为B点 到坐标原点0结束 0 t0 起始值 ni nA Ti TB0 T 0 0C段并未出现 故对应的过渡过程用虚线表示 过渡过程时间t0的计算 将t0时n 0代入n f t 注意 利用以上公式计算时 nc及TB应代负值 二 拖动位能性恒转矩负载与反抗性负载相同 所需时间为t0 D点为稳定工作点0D段的过渡过程初始值为n 0 T 0 稳态值为n nD 0 T TL2 代入一般公式 C t0 TL2 TB B0 得到 注 上式中的时间t是从t t0算起的 所需时间为t 4TM 过渡过程总时间为两段所需时间之和 即t t 4TM五 反接制动过渡过程 一 拖动反抗性恒转矩负载1 如只用于停车而不需要反转 当过渡过程进行到n 0时 应立即断电抱闸 过渡过程为BE C 段 起始点 ni nA Ti TBC点为虚稳定点 ns nC 0 Ts TC TL制动到n 0的时间 E C n t nD nc BE C ED t0 n 0 T TL t t0 2 如反接制动用于电动机反转过渡过程分成两段 第一段 BE 计算方法与反接制动停车同 第二段 ED D点为稳定运行工作点 起始值ni 0 Ti TE 0 稳态值ns nD Ts TL机电时间常数TM不变 式中时间t的起算点为t0总时间为 t0 4TM 解析式 二 拖动位能性恒转矩负载D点为稳定运行工作点分两段组成 1 从BE与反抗性负载反接制动停车时相同 2 从ED 初始点为E ni 0 Ti TE0 n A B E D C TL1 TL2 t0 n t BE ED 解析式 T的起始点为t0六 过渡过程中的能量损耗 一 过渡过程能量损耗的一般情况总损耗 p p0 pCua 其中铜损pCua Ia2RaIa在过渡过程中较大 故pCua占比重大可认为 p pCua 假定 1 N 2 U 常数 3 电枢回路总电阻为Ra1 Ra Rc 4 电动机为理想空载 即TL T0 Tm 0 在拖动系统的过渡过程中 电动机电压方程电枢回路电感小可怱略故有 电磁功率EaIa T 输入功率UIa 而T TL Jd dt TL 0 故电磁转矩T Jd dt 于是有 设过渡过程从t1时刻到t2时刻 相应 由 1到 2 则该段的能量损耗为 表明 过渡过程中的能量损耗仅取决于J 0及开始和终了时的 1 2 与过渡过程的时间无关 二 理想空载起动过程中的能量损耗特性1 初始 1 0 终止 2 0能耗说明 输入到电枢回路的能量J 02有一半消耗掉了 另一半转变为系统的动能贮存起来 三 理想空载能耗制动过程的能量损耗 T 0 0 0 1 2 3 特性2 电机与电网没有能量转换关系A 0初始 1 0