电机及电力拖动自动控制系统第4章直流电机的电力拖动VIP

第4章直流电机的电力拖动,1,Gg,vg,z2z1,z4z3,4.14.24.34.44.5,电力拖动系统的基本概念他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的起动他励直流电动机的制动他励直流电动机的调速,4,第4章直流电机的电力拖动,电动机,传动机构,工作机械,4.1,电力拖动系统的基本概念,控制设备,拖动：原动机带动生产机械运动。电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。4.1.1电力拖动系统的组成电源,1.电力拖动系统的优点(1)电能易于生产、传输、分配。(2)电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满足各种生产机械的不同要求。2,第4章直流电机的电力拖动,3,(3)电动机损耗小、效率高、具有较大的短时,过载能力。,(4)电力拖动系统容易控制、操作简单、,便于实现自动化。,2.应用举例,精密机床、重型铣床、辊轧机、,高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵,4,第4章直流电机的电力拖动4.1.2典型的电力拖动系统,1.单轴旋转系统,电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转。,工作机构,2.多轴旋转系统,工作机构,第4章直流电机的电力拖动,5,3.多轴旋转运动加平移运动系统,工作机构,4.多轴旋转运动加升降运动系统,G,TemTL=J,第4章直流电机的电力拖动4.1.3电力拖动系统的运动方程式1.单轴电力拖动系统的运动方程研究运动方程,以电动机的轴为研究对象。电动机运行时,轴的受力如图示。,电动机,Tem,n,T,0,T,L,Tem,TL,轴n,生产机械T0+T2=TLddt,Tem：电动机的电磁转矩(N.m);TL：工作机械负载转矩+空载转矩(N.m);J：电动机轴上的总转动惯量(N.m.s2)或者(kg.m2);：电动机转子角速度(rad/s)。6,JmGgD2GD24g,2,TemL,T,7,第4章直流电机的电力拖动在工程计算中,常用n代替表示系统速度，用飞轮矩GD2代替J表示系统机械惯性。,ddt,TemTLJ,2n602m：系统转动部分的质量(kg)G：系统转动部分的重量(N)：系统转动部分的转动半径(m)D：系统转动部分的转动直径(m)g：重力加速度(9.8m/s2),GD22dnGD2dn4g60dt375dt系数375具有m/min.s量纲,飞轮矩(Nm2),GDdn,第4章直流电机的电力拖动2.根据运动方程式判断系统的运动状态,2375dt,TemTL,8,主动转矩,制动状态下放重物,Tem,TL,第4章直流电机的电力拖动3.正方向的判定首先规定转速n的正方向，然后规定:电磁转矩的正方向与n的正方向相同，负载转矩的正方向与n的正方向相反。正方向,Tem,TL,电动状态,电动状态时，Tem0，n0，TL0。制动状态下放重物时，Tem0，n0，TL0。9,n,n,10,第4章直流电机的电力拖动4.1.4电力拖动系统的负载特性负载转矩TL与电动机转速n之间的关系，即：n=f(TL),1.恒转矩负载特性(1)反抗性恒转矩负载特性由摩擦力产生当n0，TL0。,当n0，TL0。,TL,Tem正方向,O,TL,n,+TL,TL,n,第4章直流电机的电力拖动,11,皮带运输机,电力机车,12,O,TL,第4章直流电机的电力拖动(2)位能性恒转矩负载由重力作用产生当n0，TL0。当n0，TL0。n,提升时：n0,TL0阻转矩下放时：n0拖动转矩,k,2,第4章直流电机的电力拖动,13,2.恒功率负载特性,TL,kn,O,TL,L,kn2n6060,负载功率:PTL=PL与n无关，称恒功率负载。n,第4章直流电机的电力拖动,3.通风机负载特性,TLn2TL的方向始终与n的方向相反。,O,TL,n,O,TL,n,T0,TL=T0kn214,实际的通风机负载实际的机床平移机构,O,TL,n,15,研究条件：U=UN，If=IfN,M,If,Ia,U,Uf,Ea,第4章直流电机的电力拖动4.2他励直流电动机的机械特性4.2.1他励直流电动机的机械特性方程转速n与电磁转矩Tem之间的关系称为机械特性n=f(Tem),UfRf,UEaIaRaEaCenTemCTIa,TemTLT0T2,If,fIf,16,第4章直流电机的电力拖动,由电压平衡方程和电势表达式可得：,第4章直流电机的电力拖动当U、Ra不变时，机械特性为直线方程：,17,em,UNRa,18,第4章直流电机的电力拖动4.2.2他励直流电动机的固有机械特性在U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻条件下，得到的机械特性叫自然特性（固有特性）,e,Tem,n2CeNCCTN,特点：由于电枢回路的电阻很小，因此固有机械特性是一条,略微向下倾斜的直线。其特性为硬特性，斜率,2,RaCeCTN,当Tem0时，电机转速为理想空载转速,n0N,UNCeN,n0,CeNeTN,CC,第4章直流电机的电力拖动,19,Tem,n,0,TN,a,b,T0,n0n0nN,nNn0nN,随着负载的增加，Tem增大，n增加，电机的转速n下降，当电机带额定负载,(Tem=TN)时，nnN。电机的转速为额定转速nN。,当电机实际空载时，由于本身还有空载损耗，因此实际的空载转速为：,2,UNRa,T0,第4章直流电机的电力拖动,在U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻三个条件中只要改变其中一个，得到的机械特性称为人为机械特性。20,直流电动机在额定电压下刚起动时,n0，Ea=0，电枢电流Ia就是起动电流Ist,UNRa,IaIst,在nT坐标平面中，机械特性是通过、象限的直,线，其中象限为电动状态，、象限为制动状态,Tem,0,nn0,Tst,n,CC,CeNeTN,21,1.电枢回路串电阻,第4章直流电机的电力拖动4.2.3他励直流电动机的人为机械特性,研究条件UUN,N,RRaRad,2,Tem,0,TN,UNRaRadRaRa+Rad1Ra+Rad2,机械特性方程变为nn0nNn1n2,Temn0TemRad2Rad1,第4章直流电机的电力拖动,22,电枢回路串接电阻主要用于电动机的起动和调速。,与固有机械特性相比，由于电枢回路串入电阻，斜率变大，机械特性变软。,理想空载转速n0未变，与固有机械特性相同。,与固有机械特性比较，特点是：,Temn0Tem,UNRa,CeCeCT,第4章直流电机的电力拖动,23,2.减小磁通研究条件：UUN,RRa,Tem,0,TN,N,n2与固有机械特性比较，特点是：,理想空载转速n0与成反比，弱磁后,n0增大。,转速降n与的平方成反比，斜率变大，机械特性变软。,1,2,nn0,n2n0n1n0nN,12,适当弱磁可以提高电动机的转速。,Temn0Tem,UNRa,NCCN,CeeT,24,第4章直流电机n的电力拖动,Tem,0,TN,3.降低电枢端电压U研究条件：U,N,RRan2,与固有机械特性比较，特点是理想空载转速n0减小。,与固有机械特性相比，转速降n未变，斜率未变，机械特性与固有机械,特性平行，属硬特性。,降低电枢电压主要用于电动机的起动和调速，并能保持机械特,性硬度不变。,n0nNn0n1,U2,n0,n2,U1U2UNU1,25,第4章直流电机的电力拖动,思考,在下图所示各图中，均为实际方向，回答：,根据各图中所示的方向，说明各系统的运行状态是加速、减速还是匀速？为什么？,答：对于图(a),Tem0,TL0,又|Tem|TL|，则系统处于加速；,对于图(b),Tem0,尽管|Tem|=|TL|，但系统处于减速；,对于图(c),Tem|TL|，则系统处于减速；,GDdn,第4章直流电机的电力拖动,4.2.4电力拖动系统稳定运行的条件,负载转矩特性和电动机的机械特性要有一定的配合，电力,2375dt,拖动系统才能稳定运行。TemTL,Tem,nn0O,aTL,稳定运行:工作点在交点上TemTL=0，n()=常数过渡过程:工作点动态变化TemTL0，TemTL0,稳定运行必须满足Tem=TL，且能抗干扰26,a,干扰使TL,n,27,Tem,O,nn0,TL,第4章直流电机的电力拖动稳定运行时，若产生了干扰，原来的平衡状态被破坏，系统进入动态调整过程；当干扰消失后，系统若回到干扰产生前的状态，则该系统,为稳定的。a,TemTLTema点。干扰过后TemTLnTemTem=TLa点。,TL,干扰使TL,n,Tem,O,TL,第4章直流电机的电力拖动稳定运行时，若产生了干扰，原来的平衡状态被破坏，系统进入动态调整过程；当干扰消失后，系统若回到干扰产生前的状态，则该系统,为稳定的。nn0aa,T”L,TemT”LTemT”em=T”La点。,干扰过后T”emTLnTemTem=TLa点。,28,第4章直流电机的电力拖动,29,b,Tem,n,O,n0,TL,干扰使TL,TemT,L,n,Temn干扰过后TemTLn堵转。,干扰使TL,n,TemT”L,Temn干扰过后TemT”Ln飞车。,思考：,A,B,Tem,n,异步电动机机械特性,TL,A点和B点哪一点能稳定运行？,T”L,TL,第4章直流电机的电力拖动电力拖动系统稳定运行的充分必要条件,Tem,n,O,n0,TL,a,b,Tem,n,O,n0,TL,Tem=TLdTemdTL0)应要求TemTL。30,起动要求：4.1.1起动方法,1）Tst(1.11.2)TL2）Ist(1.52.0)IN1.直接起动,t0n0,EaCen0,UN0IstRa,起动电流太大，造成换向困难，出现强烈火花。TstCTIst1020TN，起动转矩太大，造成机械冲,击，易使设备受损。31,第4章直流电机的电力拖动4.3他励直流电机的起动电动机的起动指接通UN，转速从n=0到n=nN的全过程,第4章直流电机的电力拖动,32,直接起动Ist太大，须限制Ist=(1.52)IN,降压起动,2.降压起动需要可调压的电源电枢串电阻起动,起动过程：先建立励磁，再给电枢加低压，随转速升高，,逐渐加大U。,n,Tem,0,TL,T2,T1,U1,U2,U3,UN,A,U1U2U3UN,特点：能耗小，起动平,滑；但设备,复杂，维修不便。,U,I(1.52)I,R,Rsta,N,第4章直流电机的电力拖动3.电枢回路串电阻起动一般采用分级串电阻起动,Rst1,Rst2,Rst3,MRa,+,U-,k1,k2,k3,R1,R1=Rst3+Rst2+Rst1+Ra,R2,R2=Rst2+Rst1+Ra,R3,R3=Rst3+Ra,n,0,TL,R1,n0,a,T1Tem33,T2,b,c,fd,ge,AR3R2,特点:起动设备简单,但损耗大,st,34,第4章直流电机的电力拖动4.他励直流电动机的反转,n,-n0,n0O,RaRa+RcTem,Ra+RcRa,n=,UNCeN,RaRcCeCTN2,Tem,第4章直流电机的电力拖动,根据生产机械要求，人为调节电机运行转速，称为调速。,改变传动机构速比机械调速,改变电动机参数,电气调速,4.4,他励直流电动机的调速,35,第4章直流电机的电力拖动,4.4.1调速的性能指标,1.调速范围D额定负载下电机允许达到的最高转速与保证不超过工作机械的最大允许静差率条件下的最低转速之比。,nmaxnmin,D,车床：D从几到几十。精密机床：D从几百到几千。风机水泵类：D=23。36,nNn0nN,第4章直流电机的电力拖动2.调速的稳定性负载转矩发生变化时电动机的转速随之变化的程度。,稳定性常用静差率表示。,100%n0n0,静差率越小，转速的相对稳定性越好37,第4章直流电机的电力拖动,调速范围也不同。,对同一调速系统，系统静当静差率一定时，若要求差率要求不同，所能达到的扩大调速范围，需改变最高,转速或转速降。,越小，电动机的相对稳定性就越高。一般生产机械：(3040)。精度高的生产机械：0.1。38,第4章直流电机的电力拖动,3.调速平滑性,相邻两个转速之比,nini1,K,第i级转速,第(i1)级转速,在一定的调速范围内，调速的级数越多就认为越平滑，K越接近1，表示速度的平滑性越好，K=1即无级调速平滑性最好。4.经济指标经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用在满足一定技术指标的情况下确定调速方案时，力求设备投资少，电能损耗小，操作维修方便。39,n,UNR,CC,CeNeTN,第4章直流电机的电力拖动,40,2,Tem,n,n0,0,TL,Tem,RaRaRs1RaRs2,RaRs3,4.4.2电枢串电阻调速Rs1Rs2Rs3,串入电阻越大，机械特性越软，静差率越大，稳定性,越差,第4章直流电机的电力拖动,41,电枢回路串电阻调速的优缺点分析,优点：方法简单、控制设备简单。缺点：,空载或轻载时调速范围小，效果不明显。,低速调速实现困难，越低特性越陡（特性软，易出现波动）调速不平滑，只能有级调速。电阻消耗大量电能。,第4章直流电机的电力拖动,42,【例41】他励直流电动机，PN=4kW，UN=160V，IN=34.4A，nN=1450r/m，拖动通风机负载。忽略空载损耗，采用电枢回路串电阻调速。求当转速降低到1200r/m，需在电枢回路中串联多大电阻Rad1？,解：根据已知条件由于忽略空载损耗，Tem=9550*PN/nN=26.34Nm,利用转矩公式9.55*CeNIN=Tem可以得出CeN=0.08，又由于UN-RaIN=nNCeN，得到Ra=1.28欧姆，因为拖动通风机负载，负载电流与额定转速时负载电流承平方关系I=IN*(1200/1450)2,计算得到I=23.46A；采用电枢回路串电阻调速，需在电枢回路中串联电阻：Rad1=(160-1200*0.08)/23.46-1.28=1.448。,URa,CC,CeNeTN,第4章直流电机的电力拖动,43,4.4.3改变电压调速,2,Tem,n,0,TL,T,U1U2U3U4,U1U2U3U4,nn01n02n03n04,电压降到很低时，机械特性硬度不变，但低速时的静差率增大，相,对稳定性变差。,第4章直流电机的电力拖动,44,改变电枢电压调速方法特点分析调节平滑，可以实现无级调速。人为特性硬度大，稳定性好。,可以调节至较低转速，调速范围大。属于恒转矩调速方式。工业中应用广泛。,调速只能在固有特性之下。,第4章直流电机的电力拖动,45,【例42】他励直流电动机，PN=4kW，UN=160V，IN=34.4A，nN=1450r/m，拖动额定恒转矩负载。采用降压调速。求当转速降低到1200r/m，电枢电压应降低到多少？,解：根据已知条件由于忽略空载损耗，Tem=9550*PN/nN=26.34Nm,利用转矩公式9.55*CeNIN=Tem可以得出CeN=0.08，又UN-RaIN=nNCeN，得到Ra=1.28欧姆，因为拖动恒转矩负载，负载电流与额定转速时负载电流相等。采用降压调速，调节电压应为：U1=1200*0.08+34.4*1.28=140V。,UNRa,CeCeCT,第4章直流电机的电力拖动,46,4.4.4改变磁通调速,2,Tem,n,0,I,0,Tem,弱磁调速的机械特性,n0221N2n01n0N1N,Ist弱磁调速的转速特性,n02n01n0N,21N21N,第4章直流电机的电力拖动,47,改变励磁调速特点分析,斜率绝对值随磁通下降而增大；,在有效负载范围内，人为机械特性在固有特性,之上，即调速只能在固有特性之上进行;,高速下电枢电流去磁作用增大，转速特性不稳,定，换向性能下降，故调速范围小。,调节在功率较小的励磁电路进行，故控制方,便，能量损耗小，调速平滑性好。,第4章直流电机的电力拖动,48,【例43】他励直流电动机，PN=4kW，UN=160V，IN=34.4A，nN=1450r/m，拖动恒功率负载。采用弱磁调速。求当转速增加到1800r/m，Ce是多少？,解：根据已知条件由于忽略空载损耗，Tem=9550*PN/nN=26.34Nm,根据9.55*CeNIN=Tem可以得出CeN=0.08，又UN-RaIN=nNCeN，得到Ra=1.28欧姆，由于拖动恒功率负载，转速增加到1800r/min时，新转矩变为：Tem=9550*PN/n=21.2Nm。显然应该满足下面两个条件：,联立两式，得到了电流为34.55A，新的Ce=0.064，相当于减弱为额定励磁的80%。,第4章直流电机的电力拖动,4.4.5电动机调速时的允许输出与负载的配合,1.电动机调速时的允许输出,负载能力：调速运行时在额定电流状态下，电动机轴上,输出转矩与输出功率大小和变化规律。,用允许输出的转矩和功率表示电动机带负载的能,力，超过该值电动机将被损坏。,该值由电动机的发热决定，而发热由Ia决定.IaN,是电动机长期运行所允许的电流。,电动机运行时应尽量使Ia=IaN49,50,第4章直流电机的电力拖动2.电动机负载能力的充分利用,如何才能充分利用电动机的负载能力？,按负载性质选择调速方式,N,L,N,51,第4章直流电机的电力拖动原则：恒转矩负载配合恒转矩调速方式恒功率负载配合恒功率调速方式,N,TL,L,N,第4章直流电机的电力拖动,52,调速性能比较,第4章直流电机的电力拖动,目的：快速停车、匀速下放重物等。制动方法：机械制动和电气制动。4.5.1能耗制动,电动状态,制动状态,能耗制动时：动能转换成电能，被电阻消耗掉。53,n,T,E,Ua,Ia,Uf,M,Uf,Rb,Ia,T,n,E,M,4.5,他励直流电动机的制动,UaEIaRaECEnaTemCTIa,Ua=0，n0=0,RaRb,CECT,n=2Tem(特性2),第4章直流电机的电力拖动,制动前：特性1。,Tem,n,1,n0O,aTL,1.能耗制动过程,a点b点，na=nb，Ea=Eb,Ia反向(Ia0)Tem反向(T0)，制动开始Tem和TL的共同作用nO点，n=0，E=0Ia=0，Tem=0，自动停车。54,b制动过程TL,UaRa,Tem,n2CECECT,制动开始后：,机械特性,RaRbIamax,第4章直流电机的电力拖动,55,Tb,Tb,制动效果,b,O,Tem,n,1,TL,a,2(Rb小)2(Rb大),b,RbIa|Tb|,制动快，停车迅速。,Ia=,Eb,切换点（b点）,Rb的选择RaRbI,Ebamax,Uf,Rb,Ia,T,n,E,M,Tem再次反向(Tem0)制动过程,56,第4章直流电机的电力拖动2.能耗制动运行下放重物,b,n,1,n0,TL,a,c,a点b点O点,Tem=0，TL0,n反向起动(n0)E反向(E0),O反向起动,Tem能耗制动运行2,Ia再次反向(Ia0)，nEIaTemTem=TL(c点)。,CE,第4章直流电机的电力拖动,【例44】一台他励直流电动机额定数据为UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.125。最大允许电流Iamax2IN，负载转矩TL=0.9TN。试求：(1)当拖,动反抗性负载时，采用能耗制动实现停机，电枢电路中应串入多,大的制动电阻？(2)如拖动位能性负载，采用能耗制动下放重物，要求电动机以n300r/min恒速下放重物，电枢回路应串入,的多大制动电阻？,0.137,解：由额定数据求得UNRaIa2200.125115nN1500由于TL=0.9TN，Tem=CTIa，则Ia=0.9IN0.9115A103.5A,(1)拖动反抗性负载时EbEaUNIaRa(220103.50.125)V207.06V57,Rba(,Ec,58,第4章直流电机的电力拖动制动电阻为,EbIamax,Rbmin,Ra(,0.125)0.78,207.062115,(2)拖动位能性负载由于为恒转矩负载TL=0.9TN，故电枢电流为Ia0.9IN0.9115A103.5A稳定运行点的电动势为EcCEnc0.137300V41.1V所需制动电阻为,41.1103.5,RIa,0.125)0.272,电动状态,制动状态,电枢反接时：动能、电源电能均被Rb消耗掉。59,Temn,E,IaUa,Uf,TL,M,Uf,第4章直流电机的电力拖动4.5.2反接制动电压反向反接制动迅速停机限制IamaxRb,Temn,E,IaUa,TLM,UaRab,2Te,CE,CECT,UaRaRb,2T制动过程,CE,CECT,第4章直流电机的电力拖动,1Tem,制动前：特性12n=制动开始后：特性2,em,aTL,a点b点，na=nb，Ea=Eb，Ia反向(Ia0)Tem反向(Tem0)，制动开始；Tem和TL的共同作用nc点n=0，Tem0，立刻断电，停机。未断电，反向起动d点，反向电动运行。60,nn0立刻断电TLcOdn0,n=,m,n0,第4章直流电机的电力拖动,61,制动瞬间b点的E,RaRb,UaEbIamax,Te,Te,制动效果Rb特性2斜率,制动转矩,制动快。,Rb的选择（各量取绝对值）,n0,O,Tem,2(Rb小)2(Rb大)nbb,1,TL,a,Uf,E,IaRb,Ua,M,电动状态,制动状态,电枢接入Rb瞬间IaTemTemTLn,EIaTem,TemTL,=0，TemTL反向起动n0|n|,|E|IaTemTem=TL。62,TemEn,IaUa,Uf,TL,M,Uf,TL,第4章直流电机的电力拖动2.倒拉反接制动下放重物Rb,IaUa,Temn,E,M,n,CECT,第4章直流电机的电力拖动,O,Tem,n,1,n0,TL,a,2,c,行状态63,制动前：特性1,n=,UaCE,RaCECT,2Tem,制动开始后：特性2,n=,UaCE,RaRb2Tem,b,d,Ia和Tem始终没有改变方向。制动运,RaRb=,T/CT,=(UaCEnL),第4章直流电机的电力拖动,64,b,n,aTLd,制动效果,d,n0OnLnL,1Tem2(Rb小)2(Rb大),Rb特性2斜率下放速度。Rb的选择(各量取绝对值)UaEdIad,=,CTTLT0,UaCEnL稳定运行d点的E和Ia,Uf,Ua,Rb,Ia,E,M,第4章直流电机的电力拖动,【例45】例44的电机最大允许电流为Iamax2IN，负载转矩TL=0.9TN。(1)当拖动反抗性负载时，采用电压反接制动，电路中最小应串入多大的制动电阻？(2)当拖动位能性负载时，采用,倒拉反接制动恒速下放重物，要求n1000r/min，试求电,枢回路应串入的制动电阻值。,65,0.1251.735,0.1253.45,第4章直流电机的电力拖动,66,Ra,UNEbIamax,制动电阻为Rbmin,220207.062115,(2)求倒拉反接制动时的制动电阻UNCENncIa,2200.137(1000)103.5,67,b点（TL2=Tem）。,O,Tem,1,n0,第4章直流电机的电力拖动4.5.3回馈制动特点：nn0EUa电动机处于发电状态，动能转换为电能回馈电网。1.正向回馈制动电车下坡平地或上坡行驶时工作在a点。n,TL1,TL2,3,下坡行驶时TL反向TL2n,nn0EUaIa0Te0n,2a,b,第4章直流电机的电力拖动,68,电动状态,M,TemEn,IaUa,Uf,TL,下坡,nEIa(Tem)n=n0,E=Ua,Tem=0,制动状态,nE(Ua)Ia(Tem)0|Tem|,Uf,TL,IaUa,Tem,n,E,M,n,Uf,TL,E,Tem,Ia=0Ua,M,Uf,TL,n,E,IaUa,Tem,M,Ua2,第4章直流电机的电力拖动,69,TL,TL,Tem,nn01n02c,b,在降低电枢电压调速过程中回馈制,动过程,在增加励磁电流调速过程中,O,Tem,Onn01,If1If2,a,n02c,b,d,工作点跳到何处？aUa1d,回馈制,动过程,第4章直流电机的电力拖动,70,2.反向回馈制动下放重物,电动状态,制动过程,反向起动,制动状态,限制Ia