电机拖动第九章直流电动机的拖动PPT课件

1 重庆大学自动化学院 电机学及拖动基础 2 第九章直流电动机的电力拖动 3 主要内容 第一节他励直流电动机的机械特性第二节他励直流电动机的起动第三节他励直流电动机的制动第四节他励直流电动机的调速 4 第一节他励直流电动机的机械特性 定义及其理解电动机的机械特性 是指电动机的转速n与转矩T的关系n f T 由电动机状态下的转矩平衡式 运动方程式中 若Tz作为负载转矩 则T为轴上的拖动转矩 相当于Td 若Tz作为负载转矩与空载转矩T0之和 则T为电磁转矩 工程计算中 一般可略去T0 认为电磁转矩T与轴上的输出转矩Td相等 机械特性中的转矩T是电磁转矩 5 一机械特性方程式 直流电动机的基本方程式 他励直流电动机 电磁转矩 感应电动势 电动势平衡式 转速特性 6 机械特性方程式 R 电枢电路总电阻 包括电枢电阻Ra和串联电阻R Ce 电动势常数CT 转矩常数其中 当U R 为常数时 得他励直流电动机的机械特性n f T 一条向下倾斜的直线转速n随转矩T的增大而降低 7 几个基本概念 理想空载转速 当T 0时的转速实际空载转速 当T T0时的转速转速降 电动机带负载后的转速降落机械特性的斜率 调节U或 可以改变理想空载转速n0 实际电动机旋转时T不可能为零 至少需克服空载损耗转矩T0 实际空载转速n0 比n0略低 愈大 n愈大 8 硬度 斜率的倒数或定义为转矩对转速的导数额定转速变化率 表示T变化时 n的变化大小斜率 表征了机械特性的硬度 愈大 n愈大 硬度愈小 机械特性愈软因此 通常称 小的机械特性为硬特性 而 大的机械特性为软特性 机械特性方程的简单形式 硬特性的转速变化率小 9 几个关键点 1 理想空载点 0 n0 2 实际空载点 T0 n0 3 额定运行点 TN nN 4 堵转点 Tk 0 5 稳定运行点 10 电枢反应对机械特性的影响 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 推论 电枢反应会影响系统的稳定运行 11 二固有机械特性与人为机械特性 固有机械特性 当电压及磁通均为额定值UN及 N 电枢没有串联电阻时的机械特性 由于Ra较小 他励直流电动机的固有机械特性较硬n n0时发电机状态 Ea U Ea与Ia同向 发出电功率堵转点 n 0 Ea 0 电枢电流Ia UN Ra Ik为短路电流 转矩T CT NIk Tk为电机堵转转矩 人为机械特性 改变电动机参数获得的机械特性 1 电枢串联电阻 2 改变电压 3 减弱磁通 12 R 电枢串联电阻R 2 R 1 1 电枢串联电阻时的人为机械特性 特点 与固有机械特性具有相同的理想空载转速n0其斜率随着串联电阻R 的增大而增大 硬度则随之降低人为机械特性是经过理想空载点的一族射线族 13 2 改变电压时的人为机械特性 R 0一般 UN U1 U2 特点 与固有机械特性具有相同的斜率 特性硬度不变理想空载转速n0随电压的降低而降低人为机械特性是几根平行线 14 Tk2Tk1TkN 3 减弱电动机磁通时的人为机械特性 实质 N 1 2 特点 理想空载转速n0增大短路电流不变Ik UN Ra 堵转转矩降低Tk CT Ik通常TN Tk 故减弱磁通使电动机转速升高 只有当负载特别重或磁通 特别小时 如再减弱 转速反而下降 15 三机械特性的绘制 固有机械特性是一条直线 确定两点即可绘制一般选择理想空载点及额定运行点这两点 1 固有机械特性的绘制 理想空载点 0 n0 其中 IN UN及nN为已知 Ra可实测或由经验公式估算 16 2 人为机械特性的绘制 额定运行点 TN nN 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计算出来 17 试计算其机械特性 解 理想空载点 额定运行点 18 四电力拖动稳定运行的条件 在生产机械运行时 电动机的机械特性与生产机械的负载转矩特性是同时存在的 为了分析电力拖动系统的运行 可以把二者画在同一坐标图上两特性的交点称为系统的平衡点 当T与Tz大小相等而方向相反时 转速为某一稳定值 拖动系统处于稳态或静态如负载变化 即T Tz1 Tz2 平衡状态被破坏 dn dt 0 拖动系统进入过渡过程状态右图 内部物理过程分析 n Ea Ia T 稳态下电机发出转矩的大小由负载转矩的数值决定 19 稳定运行的概念 稳定运行 拖动系统受到一定扰动后 能达到新的平衡 并当扰动消除后 能从新的平衡点回到原来的平衡点 有平衡点即两特性有交点是稳定运行的必要条件问题 有了交点是否就能稳定运行了呢 答 1 首先 要看系统出现干扰后 在新的条件下能否平衡 2 其次 干扰消失后 能否回到原来的平衡点 如果满足以上两个条件 即为稳定运行 20 稳定运行的条件 例1 电网电压波动 21 分析扰动出现后 1 A B段 UN降到U U Ia T 此瞬间由于机械惯性 转速来不及变化 从A点过渡到B点 2 B A 段 负载转矩Tz不变 T TBTz重新破坏了平衡状态 系统加速 n Ea Ia T 系统沿CA特性加速 到A点时T TA Tz回到原来的平衡点A 表明 当U UN 负载不变时 他励直流电动机能达到新的平衡 A 点 在干扰消失后 能回到原来的平衡点 A点 所以系统能稳定运行 22 在B点 n T Tz 继续加速n T Tz 继续减速系统没有恢复到原来转速nB的能力 所以在B点系统不能稳定运行 例2 电枢反应影响 电枢反应影响下的不稳定运行 对于恒转矩负载 要稳定运行 需电动机具有向下倾斜的机械特性 如机械特性向上翘 便不能稳定运行 23 电力拖动系统稳定运行的充要条件 必要条件 电动机的机械特性和生产机械的负载转矩特性有交点T Tz充分条件 在交点所对应的转速之上应保证TTz 24 第二节他励直流电动机的起动 起动 电动机从静止状态转动起来起动过程 电动机从静止运转到某一稳态转速的过程 对电动机起动的基本要求 起动转矩要大起动电流要小起动设备要简单 经济 可靠 25 一他励直流电动机的起动方法 先保证有磁场 即先通励磁电流 再加电枢电压将电动机电枢直接加额定电压起动起动时 n 0 Ea 0 Ra 0 因此 1 直接起动 优点 操作简单 无需另加设备缺点 冲击电流大 换向困难 产生火花 与电流成正比的转矩可能损坏传动机构 只适用于容量很小的电动机 因此 在起动时 必须设法限制电枢电流 可突增至额定电流的十多倍 26 开始时 降低电压U 以限制起动电流 电枢电流一般不超过额定电流的1 5 2倍随着转速升高 逐步提高电压U 并使电枢电流仍限制在一定范围内 2 降压起动 优点 起动电流小 起动过程平滑 能量损耗少缺点 需要一套专用的直流发电机或整流电源 费用高 只适用于电动机的直流电源是可调的 27 起动时 在电枢回路中串联起动电阻 以限制起动电流在起动过程中 随着转速的升高 逐步切除起动电阻 3 串电阻分级起动 第2级 R2 Ra R 1 R 2 I1 UN R2 T1 Tz 电机起动 转速上升 转矩下降 a b 加速度减小 第1级 b点切除电阻R 2 b点电流I2称为切换电流 此时R1 Ra R 1 I1 UN Ea R1 T1 Tz b c 此后电机加速到d点 c d 再切除R 1 电机沿固有机械特性加速至g点稳定运行 e g 起动过程结束 28 分级起动过程中 使每一级的I1 T1 与I2 T2 取值大小一致 可 使电动机有较均匀的加速度改善电动机的换向缓和转矩对传动机构与工作机构的有害冲击 29 二他励直流电动机起动电阻的计算 画人为机械特性n0a 交I2 T2 的垂线于b点 画水平线bc交I1 T1 的垂线于c点画人为机械特性n0c 交I2 T2 的垂线于d点 画水平线de当切除末段电阻时 所画的水平线与I1 T1 的垂线的交点正好位于固有机械特性上 如果没有位于固有机械特性上 调整T1或T2 通常可调整T2 一 图解法 1 绘制固有机械特性 2 选取起动过程中的最大电流I1与电阻切除时的切换电流I2 或T1与T2 截取I1及I2两点 作横轴垂线 3 画出分级起动特性图 30 4 根据分级起动特性图 计算各段电阻 根据 可得 磁通 一般不变 T为定值 比如T1 时 机械特性上的转速降 n与该特性所对应的电枢总电阻R成正比 因此 31 二 解析法 在b点 在c点 推广到m级起动的一般情况 两级起动时 从b点转换到c点时 由于切除电阻R 2进行很快 忽略电感影响 可假定nb nc 即电动势Eb Ec 则有 Rm 第m级电枢电路总电阻 起动电流比或起动转矩比 32 33 根据电动机铭牌数据 估算电动机电枢回路电阻Ra选择起动电流I1和切换电流I2 计算最大起动电阻Rm确定起动电阻级数m计算起动电流比 根据起动电阻级数和起动电流比计算各级电阻Ri和R i 他励直流电动机起动电阻的计算步骤小结 34 解 已知起动级数m 4 选择 35 各分段电阻如下 则各级起动总电阻如下 36 三他励直流电动机的过渡过程 电力拖动的过渡过程 电力拖动由一个稳定工作状态过渡到另外一个稳定工作状态的过程如 起动 制动 反转 调速 负载突变等过程电力拖动过渡过程中 n T Ia 及P随时间变化的规律 电力拖动运行的负载图 研究过渡过程的意义 分析如何缩短过渡过程 提高生产率探讨减小过渡过程损耗的途径 提高电动机利用率研究如何改善电力拖动运行情况 保证设备安全运行 37 在电力拖动系统中 一些电气参数 如电压 电阻等 与负载转矩的突然变化 会引起过渡过程 但由于惯性的存在 这些变化不能导致电动机的转速 电流 转矩及磁通等参量发生突变 而必须是个连续变化的过程 电力拖动系统中一般存在三种惯性 机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上 使转速不能突变电磁惯性 反映在电感上 使电枢电流和励磁电流不能突变 从而使磁通不能突变热惯性 使电动机的温度不能突变 电力拖动的两种过渡过程 机械过渡过程 只考虑机械惯性 忽略电磁惯性电气 机械过渡过程 同时考虑机械与电磁两种惯性 38 若忽略电枢反应 则磁通为常数 转矩与电枢电流成正比 故过渡过程中Ia f t 就代表T f t 的变换规律 一 起动的机械过渡过程 1 电枢串固定电阻起动的过渡过程 负载转矩对应的负载电流 即电动机起动完毕后 保持稳定转速运行时的电枢电流 电力拖动系统的机电时间常数 是表征机械惯性的一个非常重要的物理量 39 Ist 过渡过程开始时电流的起始值Iz 过渡过程结束后稳定运行时的负载电流 过渡过程中电枢电流和转矩的变化规律 或 Ia f t 表明 电流和转矩在起动开始时达到最大值 以后按指数规律下降 起动完毕后 I Iz T Tz 电动机稳定运行 40 过渡过程中转速的变化规律 即 或 n f t nst 过渡过程开始时转速的起始值nz 机械特性上负载转矩Tz 或负载电流Iz 对应的转速 即过渡过程结束时电动机的稳定转速 表明 起动开始时 转速上升最快 然后上升速度逐渐减少 最后稳定在转速nz运行 41 Ia由Ist变到Ix 或n由nst变到nz所需的时间为 过渡过程的时间 机电时间常数TtM的物理意义 如果电动机的转速一直按t 0时的最大加速度直线上升 即等加速度 则达到稳定转速nz所需要的时间就是TtM Ix Tx nx 过渡过程中电流 转矩及转速的终了值 42 他励直流电动机二级起动的过渡过程 2 电枢串多级电阻起动的过渡过程 第一级起动时 电流变化过程 0 I1 I2转速变化过程 0 n1 过渡到第二级加速时 电流变化过程 I2 I1 I2转速变化过程 n1 n2 43 结论 不同加速级的机电时间常数不同 电枢电路的电阻越大 则TtM越大不同的机械特性与恒切换转矩T2特性及恒负载转矩Tz特性的交点不同 故不同加速级的起始转速与稳定转速都不同各级的起始电流均限定为I1 各级的终了电流 除末级外 均限定为I2 各级的稳定电流Iz与稳定转矩Tz均相同 并由恒转矩负载决定各级的起动时间为 总起动时间tst为 44 起动过程延缓的主要原因 系统本身有机械惯性 惯性越