电机学及拖动基础-直流电动机的电力拖动.ppt

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第五节直流电机的四象限运行,4,本章要求,熟练掌握由他励直流电动机基本方程推导机械特性方程掌握固有机械特性和三种人为机械特性的特点掌握电力拖动系统稳定运行的条件了解他励直流电动机的三种起动方法的特点掌握起动电阻的计算熟练掌握电动机三种制动的实现方法、过程分析（包括机械特性）、能量转换掌握调速的技术指标的含义理解静差率和机械特性的关系、调速范围的关系掌握三种调速方法的实现及过程分析掌握恒转矩调速和恒功率调速的特点熟练掌握直流电动机四象限运行分析,5,案例：电动机拖动某机械负载处于一个稳定运行中，突然，机械负载突变加大了，此时电机的转速是否会变化？如何变化？变化多大？负载转矩加大-转速减小-电动势减小-电枢电流加大-电磁转矩加大-当电磁转矩=负载转矩-电机进入平衡状态转速与转矩的关系决定了电机稳定时的运行转速。,问题,6,运动平衡方程式主要研究转速与转矩的动态平衡，这属于外部特性。现在需要研究的是转速的变化会引起转矩多大的变化，这属于设备本身的属性。负载转矩的大小与转速的关系称为负载特性；电动机的转速与转矩的关系呢？,分析,分析,显然需要研究转速与负载转矩的关系-负载转矩与电磁转矩是相对应的变量（稳定状态）-只需要研究转速与电磁转矩的关系即可。机械特性的定义电动机的转速n与电磁转矩T的关系n=f(T)电动机的机械特性是电动机力学性能的主要表现。机械特性的理解：机械能变化的规律电动机拖动机械负载的运行规律。表示转矩与转速的稳态关系。,7,8,电磁转矩感应电动势电枢电路电动势平衡方程式转矩平衡方程式,一、机械特性方程式,1直流电动机基本方程,第一节他励直流电动机的机械特性,9,R电枢回路总电阻Ce电动是常数CT转矩常数,2.机械特性方程式,第一节他励直流电动机的机械特性,问题,有了机械特性的表达式，那这表达式表示什么样的含义呢？用什么样的方法进行理解？,10,分析,可以用图形进行表示：将机械特性的表达式变为图形，便于有全局和直观的印象可以对特殊点进行分析：对其性能具有深刻的记忆，对其物理含义有更明确的认识哪些是特殊点呢？,11,分析,特殊点：转速为零的点、转矩为零的点,12,分析,转矩为零的物理含义：将输入的电能全部转换为机械能，此时能够达到的转速。由于总存在损耗，因此该转速是在自身条件下无法实现的转速，称为理想空载转速。转速为零的含义：输入的电能全部转换为热能，产生了最大的电流也即最大转矩都无法带动负载，因此该点称为堵转点，当然也可以称为起动点。,13,分析,机械特性图形的特点：是一条直线；转矩越大转速越低。,14,15,第一节他励直流电动机的机械特性,机械特性方程式中，U、R、为常数时，可得他励直流电动机的机械特性转速n随着转矩T的增大而降低T=0时的转速为理想空载转速,3.机械特性的特点,16,调节U或者，可以改变理想空载转速n0的大小电动机工作在电动状态时的稳态转矩平衡方程实际空载转矩为T0，故实际空载转速为,第一节他励直流电动机的机械特性,17,电动机带负载后的转速降机械特性的斜率，表征机械特性的硬度小的机械特性为硬特性，大的为软特性额定转速变化率机械特性方程的简单形式,第一节他励直流电动机的机械特性,18,电动机转速为零称为起动点，也称为堵转点。,第一节他励直流电动机的机械特性,19,机械特性的特点机械特性是一条向下倾斜的直线电动机带负载的时候存在转速降落斜率越大，速度降落越大，机械特性越软几个关键点理想空载点(0，n0)实际空载点(T0，n0)额定工作点(TN，nN)起动点(Tst，0),4.机械特性小结（四点一斜率）,第一节他励直流电动机的机械特性,分析,改变电枢电压或改变电枢电阻或改变磁场时，电机的机械特性有什么样的变化？首先分析，不同的参数下（只改变一个参数），其机械特性线是否是直线？其次分析，不同参数下（只改变一个参数），机械特性线之间有什么样的关系？,20,分析,改变电枢电压：仍是直线，而且斜率不变；理想空载点随电枢电压的降低而降低。,21,分析,改变电枢电阻：理想空载点不变，斜率变化改变磁场：理想空载点变化，斜率变化,22,23,固有机械特性当他励电动机电压及磁通均为额定值，电枢没有串联电阻时的机械特性特点R较小，特性较硬,二、固有机械特性与人为机械特性,第一节他励直流电动机的机械特性,固有机械特性,24,人为机械特性通过改变电动机参数获得的机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性减弱电动机磁通时的人为机械特性,第一节他励直流电动机的机械特性,25,U=UN、=N、R=Ra+R特性方程R电枢串联电阻R2R1,1.电枢串联电阻时的人为机械特性,特点人为机械特性与固有机械特性具有相同的理想空载转速，是经过理想空载点、具有不同斜率的一族射线机械特性的硬度随着串联电阻R的增大而降低,串电阻人为机械特性,第一节他励直流电动机的机械特性,26,UUN、=N、R=Ra特性方程R=0UNU1U2,2.改变电压时的人为机械特性,特点人为机械特性是几根平行线、与固有机械特性具有相同的斜率，硬度不变理想空载转速n0随着电压的降低而降低,第一节他励直流电动机的机械特性,27,U=UN、N、R=Ra用电流表示的特性方程,3.减弱磁通时的人为机械特性,结论：短路电流不变，机械特性硬度降低,第一节他励直流电动机的机械特性,28,用转矩表示的特性方程,特点理想空载转速增大、短路电流不变(Ik=UN/Ra)、短路转矩降低(Tk=CTIk)、机械特性硬度降低TNn1，那么对电机电磁转矩的变化与负载转矩的变化有何要求？,43,分析,要达到新的平衡点，必然Td2=T2=Tz2，同时转速的变化量也相同；Td=Td2-Td11Tz=Tz2-Tz1由于Td11Tz1，所以TdTz在转速高于平衡点之上，负载转矩的变化量更大。即dTd/dndTz/dn,44,45,判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打，不稳定则打。,46,稳定性判据包含的含义分析：在转速高于平衡点之上，负载转矩的变化量更大。即dTd/dnn1时，Td、Tz的大小关系如何？显然：Td-Td1n1所以Tdn1,第一节他励直流电动机的机械特性,47,判断下列拖动系统是否稳定，是稳定则打，不稳定则打。,48,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：必要条件机械特性和负载转矩特性有交点T=Tz充分条件在交点对应的转速之上TTz记忆方式：在交点之上要降下来，必须负载转矩大；在交点之下，要升上去，必须电磁转矩大。,第一节他励直流电动机的机械特性,49,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。,电枢反应对系统稳定运行的影响,思考：电枢反应对系统的稳定运行有什么影响？,第一节他励直流电动机的机械特性,50,第一节他励直流电动机的机械特性,瞬时扰动端电压瞬时升降稳定运行的充分条件在交点所对应的转速之上应保证TTz,51,对于因电枢反应造成拖动系统不能稳定运行的解决办法在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。,小结,电力拖动系统的特点：直流电机拖动恒转矩负载，系统一定是稳定的。,52,思考,电力拖动系统稳定运行的必要条件和充分条件是什么？稳定性判断：,53,到此，已经将直流电机拖动系统的基本原理介绍完成了。介绍了运动学方程式、负载转矩特性、直流电机的机械特性、稳定性条件；那么，直流电机的拖动系统在运行中有什么特点？,54,55,直流电动机的运行状态，以转速的变化特点可以分为：起动-调速-制动讨论：如何给电机供电？,56,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起动的特点电动机转速较低起动的物理过程：直流电机接入电枢电压-产生电枢电流-产生电磁转矩-电机起动由于起动过程转速较低-电动势较小-电流较大不仅需要使电机起动，还需要起动过程是安全的。,第二节他励直流电动机的起动,57,对电动机起动的基本功能要求：起动转矩要大起动电流要小起动时间要短如何实现电动机的起动？起动可能存在的问题是什么问题？如何解决？,第二节他励直流电动机的起动,58,直接起动将电动机电枢绕组直接加额定电压起动优点操作简单，无需另加设备缺点冲击电流大，引起换向困难，产生火花；起动转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构；起动电流的限制瞬时过载电流不超过额定电流的1.52倍实现方法-降压或串电枢电阻。,一、他励直流电动机的起动方法,1.直接起动及其存在的问题,n=0，Ea=0,第二节他励直流电动机的起动,59,电压降低到什么程度？降低电压-电流减小-转矩减小-降压之后的转矩必然需要大于负载转矩。电压降低运行到什么程度，重新恢复到额定电压运行？起动的指标：希望在安全起动的同时起动时间较短。这个属于控制的优化问题。,降压起动的思路分析,分析,60,开始时，降低端电压，使得Ia=（1.52）IN，T=（1.52）TN随着转速升高，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内优点起动电流小，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装置，费用高具体实现方案-检测电流，实现恒流控制。,2.降压起动,第二节他励直流电动机的起动,61,降压起动：可以实现恒流起动串电阻起动与降压起动有何区别呢？串电阻起动较难实现电阻的连续变化。,第二节他励直流电动机的起动,分析,串电阻起动思路的分析串多大的电阻起动？电阻越大-起动电流越小-起动时间越长-需要确定允许的起动电流-计算电阻串电阻运行多长时间？串电阻运行后-转速提高-电流减小-转矩减小-起动过程减慢-如何处理？优化起动过程的思路串多级电阻-串几级电阻，如何切换？,62,63,起动时，在电枢回路中串联起动电阻，以限制起动电流转速升高后，逐级切除起动电阻第1级R2=Ra+R1+R2，I1=UN/R2，T1Tz，电机起动，转速上升，转矩下降（ab），加速度减小,第二节他励直流电动机的起动,64,第2级b点切除电阻R2，R1=Ra+R1，I1=(UN-Ea)/R1，T1Tz（bc），电机加速到d点（cd）再切除R1，电机沿固有机械特性运行，并加速至g点稳定运行(eg)，起动过程结束,第二节他励直流电动机的起动,65,1、要求整个起动过程中电枢电流不大于I1=Imax；2、随着转速的升高，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也逐渐减小；转速的加速度逐渐减小，因此为了确保足够的加速度，需要随着转速的升高，需要将电流加大-因此在运行过程中需要变电阻，所以需要多级串电阻起动。一般起动级数3-4级。3、多级串电阻就存在切换过程，显然为了保证最快的起动时间，切换时希望切换到允许的最大转矩，即I1=Imax；4、起动过程最后需要切换到固有特性，那么如何才能保证最后能够切换到固有特性的Imax？显然对切换点I2有要求。I2一般选择(1.1-1.2)Ie。问题：为什么不同电机的I2不是一个固定的值？,3.电枢回路串电阻起动,66,那么，每一级串的电阻多大呢？显然当切换电流和最大电流确定，则电阻也确定。那么切换电流如何确定？,67,绘制固有机械特性n0ge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，作横轴垂线画出分级起动特性图,二、他励直流电动机起动电阻的计算,1.图解解析法,画人为机械特性n0a，交I2的垂线于b点，画水平线bc交I1的垂线于c点画人为机械特性n0c交I2于的垂线于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,第二节他励直流电动机的起动,n0,n,T,0,T1,T2,Tz,a,b,c,d,e,f,g,68,根据分级起动特性图，计算各段电阻,第二节他励直流电动机的起动,69,从b点转换到c点时，由于切除电阻R2进行很快，忽略电感影响，可假定nb=nc，即电动势Eb=Ec，则有,2.解析法,第二节他励直流电动机的起动,70,推广到m级起动的一般情况,第二节他励直流电动机的起动,起动电阻的大小与起动电阻的级数有关；而电阻的级数与Ra、Rm、I1、I2有关。,71,72,他励直流电动机起动电阻的计算步骤小结,根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra选择最大起动电流，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确定各级电阻Ri,第二节他励直流电动机的起动,73,解,已知起动级数m=4,选择,第二节他励直流电动机的起动,74,各分段电阻如下：,则各级起动总电阻如下：,第二节他励直流电动机的起动,75,讨论：,两种起动方式的比较：串电阻起动：装置简单，但起动是有级的、能耗大降压起动：起动过程平滑、能量损耗少；但需要一套专用的直流发电机或整流装置，费用高,76,计算出了每一级的起动电阻，那么如何来实现起动过程呢？控制电路如何检测切换点？电流？转速？有没有其他方法？-采用时间,需要明确为什么要研究过渡过程过渡过程研究的价值如何研究过渡过程。,77,78,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,三、他励直流电动机起动的过渡过程,第二节他励直流电动机的起动,79,第二节他励直流电动机的起动,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,80,起动时由于机械惯性-转速不会突变-转速逐渐变化-转速的变化受转矩的影响-转矩的变化受电枢电流的影响-电流的变化与电势（转速）有关,81,电枢串固定电阻起动的过渡过程忽略电枢反应，Ia=f(t)T=f(t),1.起动的机械过渡过程,第二节他励直流电动机的起动,82,Iz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TtM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,第二节他励直流电动机的起动,83,过渡过程中电枢电流和转矩的变化规律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。,或,Ia=f(t),第二节他励直流电动机的起动,84,过渡过程中转速的变化规律nst过渡过程开始时转速的起始值nz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。,即,或,n=f(t),第二节他励直流电动机的起动,85,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。,第二节他励直流电动机的起动,n=f(t),86,过渡过程的时间Ia由Ist变到Ix，或n由nst变到nx所需的时间为：Ix、Tx、nx过渡过程中电流、转矩及转速的终了值,第二节他励直流电动机的起动,87,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：0I1I2转速变化过程：0n1,过渡到第二级加速时：电流变化过程：I2I1I2转速变化过程：n1n2,第二节他励直流电动机的起动,88,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：,第二节他励直流电动机的起动,89,加快起动过程的主要措施：减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形,加快起动过程的途径起动过程延缓的主要原因：系统本身有机械惯性，惯性越大，即GD2或机电时间常数越大，转速上升越慢起动电流（或起动转矩）随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度不断衰减,第二节他励直流电动机的起动,90,电枢电路中串电感时，电磁惯性则不能忽略电枢电路电感对起动过程的影响：使电流与转速上升延迟，从而延缓起动过程使起动产生振荡过程,有振荡情况,2.电枢电路电感对起动过程的影响,无振荡情况,第二节他励直流电动机的起动,91,直流电动机串阻起动电路,92,起动前的准备合上电源开关QS1和控制开关QS2，励磁回路通电，KA通电，其常开触点闭合，为起动做好准备；同时，KT1通电，其常闭触点断开，切断KM2、KM3电路，保证串入电阻R1、R2起动。,93,问题,问题1：什么是制动运行状态？问题2：为什么要研究制动？问题3：如何判断是制动运行状态？问题4：如何实现制动运行状态？问题5：如何分析制动运行状态的过程和效果？,94,分析,以上研究了如何起动电机，那么电机起动之后，如何停止电机？将电枢电压断开-电流=0-电磁转矩为零-电机在负载转矩的作用下开始减速-直到转速为零问题：是否有加快停车过程的方法？基本想法：需要反向的电磁转矩-需要反向的电流-进入制动状态制动：必须有电磁转矩，且转矩与转速反向,95,96,第三节他励直流电动机的制动,他励直流电动机的两种运转状态：电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，电动机变为发电机吸收机械能并转化为电能。,97,分析,电动状态的特征与判据：T与n同方向，Ia与Ea反方向；制动状态的特征与判据：T与n反方向，Ia与Ea同方向；实现制动的方法分析：U=Ea+IaRa要求Ia反向-要求EaU.有哪些方法呢？制动状态一定需要有阻转矩。问题：哪些运行过程可能会出现制动运行状态？,98,直流电动机正常工作时，出现制动状态的情况分析如下：要求停车切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。降速过程中调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。反转电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动。提升机构下放重物提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。可见：停车只是制动过程中的一种形式。,第三节他励直流电动机的制动,99,实现制动的方法：电磁制动（抱闸）用磨擦力产生阻转矩实现制动。特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸电气制动使电动机变直流发电机,将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。电气制动分类：能耗制动反接制动回馈制动（再生制动）,第三节他励直流电动机的制动,能耗制动实现的分析,能耗制动：用电阻消耗能量的方式将机械能消耗，实现快速停车。能耗制动的含义：将机械能转换为电能再转化为热能实现快速消耗问题：能耗电阻大小对能耗大小的影响？如何实现能耗制动？,100,能耗制动实现的分析,电压平衡方程式U=Ea+IaRa能耗制动：U=0，则电流可能较大，因此需要串电阻。能耗制动的实现方法：断开电压；通过电阻串联形成回路。电阻的大小有何限制：电机运行过程中要求电枢电流不能超过2倍的额定电流。,101,102,实现方法K1、K2断开，K3闭合，电枢接到电阻Rz。过程分析由于惯性，n0，Ea0。U=0，在Ea作用下产生反向电枢电流Ia=-Ea/(Ra+Rz)，电动机的转矩T也反向，与n反向，与Tz同向，为制动转矩，电动机减速。所以是制动状态。能量转换EaIa0，T0。电动机靠系统的动能发电，转化成发电机，把动能变成电能，消耗在电枢电路电阻上能耗制动。,一、能耗制动,1.能耗制动实现及能量转换,第三节他励直流电动机的制动,103,机械特性U=0，R=Ra+Rz，电动机转速为特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻Rz，与电枢串联电阻Rz时的人为机械特性斜率相同。,第三节他励直流电动机的制动,2.能耗制动时的机械特性,104,制动电阻的选取Rz越小，机械特性越平，T1绝对值越大（B点左移），制动越快选取原则最大制动电流不超过2IN-电阻不能任意选择,第三节他励直流电动机的制动,105,3.位能性负载的能耗制动,电机停止时（T=0，n=0）在位能性负载作用下，电动机反向加速，电动机运行于机械特性的第四象限。当转速增加到T=Tz时，实现重物等速下放。,第三节他励直流电动机的制动,106,4.反抗性负载的能耗制动,A,B,C,电机停止时（T=0，n=0），电磁转矩=0，负载转矩=0；电机停止。在能耗制动下，反抗性负载能够实现准确停车。,第三节他励直流电动机的制动,107,5.能耗制动的特点,操作简单能耗制动产生的冲击电流不会影响电网低速时制动转矩小，停转慢动能消耗在制动电阻上,第三节他励直流电动机的制动,分析,反接制动的含义：电枢电压与电动势同向，电磁转矩与转速反向。因此，反接制动需要电枢电压。如何实现反接制动呢？电压平衡方程式U=Ea+IaRa要么改变U的方向、要么改变Ea的方向。所以有：电压反向的反接制动、转速反向的反接制动。,108,分析,转速反向的反接制动如何实现：思考方式：电枢电压不变-需要转速减小-需要转矩减小-需要电枢电流减小-只有串电阻对电阻的大小是否有要求：需要转速反向-当转速为零时，电磁转矩小于负载转矩-因此需要串足够大的电阻使电流在转速为零时所产生的转矩小于负载转矩-使转速反向。因此，转速反向的反接制动要求负载是位能性负载。,109,110,二、反接制动,反接：电枢电压与电势同向；转速反向（也称倒拉反接制动）电枢反接,1.转速反向的反接制动,实现方法负载为位能性，电枢串一大电阻R过程分析重物产生的转矩为Tz，电动机的转矩为向上提升转矩。较大的R使得TstTz，重物倒拉着电动机反向起动，T与n方向相反，为制动状态，犹如电枢被反接（n0与n的方向相反）。转速增加到T=Tz时，等速下放。,第三节他励直流电动机的制动,111,制动电阻的限制电枢电路的电压平衡方程式额定转速时，U+Ea可达到近2UN，需要较大R，以限制电枢电流。制动时的机械特性随着n及Ea的增大，Ia和T也不断增加。与电动状态下的人为机械特性在形式上相同,第三节他励直流电动机的制动,112,能量转换U0，Ia0，UIa0，从电网输入电功率。Ea0，EaIa0，从负载输入机械功率，在电枢内变成电磁功率。UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的总电阻上。（以上分析仅为第四象限）,第三节他励直流电动机的制动,113,实现方法断开触点K1，K2，接通K3、K4，串入RIa为负值，T也为负值，而n为正值，故为制动状态。电枢被反接，n0=-U/(Ce)为负值，即n0与n方向相反，称为反接制动。,2.电枢反接的反接制动,第三节他励直流电动机的制动,114,制动电阻的限制最大电流不超过2IN,115,电枢反接的反接制动的机械特性机械特性位能性负载下的运行过程电动机在制动前工作在电动状态，运行于固有机械特性A点。电枢反接，转矩变为-TB，nB=nA，工作点转移到B点。BC段为反接制动特性。到C点，负载转矩使转速继续下降。,第三节他励直流电动机的制动,116,位能性负载CD段，转速反向，Tz不变号，在D点电动机仍将继续反向加速加速到n=（-n0）时，在位能性负载作用下继续反向加速当T=Tz时，系统在E点以（-nz）的转速稳定运转。,第三节他励直流电动机的制动,117,位能性负载下电枢反接的反接制动具有以下特点：整个过程反接制动、反向电动、回馈制动；电机的转速可以超过同步转速。,118,功率传递方向第二象限时的能量状态：U0，Ia0，UIa0，从电网输入功率。Ea0，Ia0，电动机从负载吸收机械能使电动机处于发电状态，将机械功率变成电磁功率。UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的总电阻上。（第二象限为反接制动）,第三节他励直流电动机的制动,119,功率传递方向第三象限时的能量状态：U0，Ia0，UIa0，从电网输入功率。Ea0，Ia0，电动机的负载得到机械能，电动机处于电动状态。UIa扣除EaIa之后的能量消耗在电枢电路的总电阻上。（第三象限为反接电动）只不过反向电动过程中，Ia逐渐减小到零，电动机从电网获取的能量逐渐减小，当Ia=0时，电能为零，电磁功率为零，电阻损耗的电能为零。,第三节他励直流电动机的制动,120,功率传递方向第四象限的能量状态U0，Ia0，UIa0，从反馈能量给电网。Ea0，Ia0，电动机从负载吸收机械能使电动机处于发电状态，将机械功率变成电磁功率。EaIa扣除UIa后的能量消耗在电枢电路的总电阻上。正是因为电机负载端得到能量超过了UIa，所以电机转速才能超过理想空载转速。,第三节他励直流电动机的制动,121,假设负载是反抗性负载，则电机的运行过程如何？,122,4.两种反接制动的比较,共同点：能量关系相同不同点：电枢反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好转速反向反接制动特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车,3.反接制动的特点,可以很快使机组停机需要加入足够大的电阻，限制电枢电流转速下降至零时，需要切断电源，防止反转,第三节他励直流电动机的制动,123,三、回馈制动（再生制动）,1.位能性负载拖动电动机,当-n-n0时，Ia为正，具有发电并向电源回馈的性质Ia反向，T也反向（与反向电动时反向），与n方向相反，为制动转矩位能性负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率后，大部分回馈给电网，小部分变为电枢回路的铜耗,回馈制动可能出现的两种情况位能性负载拖动电动机他励电动机改变电枢电压调速,第三节他励直流电动机的制动,124,重物下放速度,功率传递方向（第四象限）电磁功率Pe=EaIa0电动机从轴上输入机械功率转换成电功率输入电功率P1=UIa0回馈给电网的功率电枢回路铜耗损耗I2a（Ra+R）,第三节他励直流电动机的制动,125,2.他励电动机改变电枢电压,回馈制动的产生在降压调速过程中，突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，会发生的情况，亦即出现了回馈制动状态。,回馈制动过程当nNn01时，Ea为U1，回馈制动。当n=n01时，不再降低电压，转速继续下降。转速低于n01时，恢复到电动状态。要继续保持回馈制动状态，需要不断降低电压，在回馈制动状态下系统减速。,第三节他励直流电动机的制动,126,有功功率UIa回馈给电网，是最经济的制动方式。转速高于理想空载转速才能实现回馈制动。,3.回馈制动的特点,第三节他励直流电动机的制动,127,例9-4一台他励直流电动机的数据如下：,（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，求电动机反向下放转速。,（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放，时，转速，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。,（3）电动机带动反抗性负载，从进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,第三节他励直流电动机的制动,128,解（1）,电动机反向下放转速,（2）电枢电路总电阻,第三节他励直流电动机的制动,129,电枢串接电阻,电网输入功率,电枢电路电阻上消耗的功率,第三节他励直流电动机的制动,130,轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）,（3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为,电枢电路总电阻,电枢电路串接电阻,第三节他励直流电动机的制动,131,制动部分小结,1.对反抗性负载而言：能耗制动能够准确实现停车；2.对位能性负载而言，所有制动过程都需要在转速接近零时断开电机；3.能耗制动运行在一、二、四象限4.电压反向的反接制动运行一、二、三、四象限，且稳定运行转速大于理想空载转速。5.转速反向的反接制动运行于一、四象限，只对位能性负载有效。6.所有制动过程中，电压反向的反接制动减速最快。7.能耗制动、电压反向的反接制动受最大允许电流的限制。,132,制动部分小结,133,习题：,1、一台他励直流电动机的额定数据为：e220，e100，e19KW，e1000转分，a0.2，电动机拖动额定恒转矩负载（位能性负载）运行。试求：设电动机电枢最大允许电流为200A，若要实现从额定转速运行切换到以-600转分运行，有几种方法可以实现，并计算各种方法时电枢回路需要串入多大电阻？,134,案例,制动电阻的使用案例电动机的调速直流电动机的四象限运行,135,制动的应用,堆垛机的运行分析：,136,137,138,139,垂直方向电机制动电阻的计算：电阻值1.5Rmin功率=电机额定功率/停车时间停车时间需要计算。,140,问题,问题1：为什么电机需要调速？问题2：电机如何实现调速？问题3：如何评价电机调速方法的好与不好？,141,案例,案例：空调为什么需要调速原因：温度的偏差逐渐减小-需要的制冷量逐渐减小-压缩机的运行速度逐渐降低案例：吹电风扇原因：随着人的感受变化，人为改变电风扇的转速。,142,第四节他励直流电动机的调速,调速采用一定的方法来改变生产机械的工作速度调速的方法机械调速通过改变传动机构的速比来实现，较复杂电气调速电动机可与工作机构同轴，或其间只用一套变速机构，机械上简单，电气上可能复杂机械电气配合调速用电动机获得几种转速，配合几套机械变速机构以满足生产的需要调速的要求范围宽、过程平滑、方法简单、经济,143,电气调速的方法根据电枢电压平衡方程式Ua电枢端电压,可见：要改变电动机转速，可以改变电枢端电压Ua或励磁磁通、串电枢电阻调速改变Ua调压调速，从额定转速向下调速改变励磁磁通在减弱磁通时调速，称弱磁调速改变电枢电阻串阻调速，从额定转速向下调速,第四节他励直流电动机的调速,144,调压调速,145,串阻调速,IK,146,弱磁调速,147,调速范围要扩大调速范围，必须尽可能提高nmax及降低nminnmax受到电动机机械强度、换向等方面的限制降低nmin受到低速运行时相对稳定性（负载转矩变化下转速变化的程度）的限制为了扩大调速范围，需设法得到低速硬特性,调速方法最主要的两大指标技术指标与经济指标,1.调速的技术指标,一、调速指标,第四节他励直流电动机的调速,148,静差率（或称相对稳定性）在一条机械特性上运行时，电动机由理想空载加到额定负载时的转速降与理想空载转速之比静差率越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时转速变化越小,第四节他励直流电动机的调速,149,静差率与机械特性的关系n0一定时，机械特性越硬，额定转矩时的n越小，%越小机械特性硬度一定时，理想空载转速越低，静差率越大，越难满足机械对静差率的要求如果低速特性的静差率满足要求，则高速特性的静差率一定满足要求,第四节他励直流电动机的调速,150,调速范围D与低速静差率%间的关系,调速范围受到静差率的制约大，则nmin低，可得到较大的D一定时，调速方法不同，D不同,第四节他励直流电动机的调速,151,平滑性用平滑系数衡量，是相邻两级转速或线速度之比，即在一定的调速范围内，级数愈多则认为调速愈平滑。平滑系数愈接近于1，平滑性愈好。平滑系数为1时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,第四节他励直流电动机的调速,152,调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。电动机稳定运行时的实际输出功率和转矩由负载的需要决定，应使调速方法适应负载的需要。,第四节他励直流电动机的调速,153,2.调速的经济指标,调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，可用设备的效率来说明,他励直流电动机串电阻调速时，电枢电流大，串接电阻体积大，所需投资多，损耗大，效率低，经济指标较低弱磁调速时，励磁电流小，损耗小，经济指标较高。在满足一定的技术指标下，确定调速方案时，力求设备投资少、电能损耗小、维修方便。,第四节他励直流电动机的调速,154,二、串阻调速,调速过程电枢串联电阻，流过电枢电流产生压降，电枢端电压降低电阻RaR1，n及Ea不能突变，Ia及T减小，运行点ab，转矩TT，