直流电机的电力拖动

1、直流电机的电力拖动,电力拖动系统的动力学基础,以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械， 称为电力拖动,基础,运动方程,g： 重力加速度， 9.8米/秒2； GD2：系统的飞轮矩（牛米2）； n： 转速（转/分）；T、TZ：转矩（牛米,注 意：GD2是一个完整的符号;T、TZ具有方 向性， 与转速方向一致为正,多轴系统的运动方程,系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴， 称为多轴系统,对多轴系统的分析，通过把多轴系统折算为等效的单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行简化,折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变,负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等,负载转矩的大小与速度

2、无关，但其方向始终与转向相反,负载转矩特性,反抗性恒转矩负载,位能性恒转矩负载,恒功率负载,通风机型负载,转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变,负载的功率为常数，不随转速的变化而改变,负载的转矩与转速的平方成正比,稳定运行条件,电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点,平衡点稳定点,稳定点：在受到外界扰动后， 仍能还原的点,稳定点的条件,他励直流电动机的机械特性,直流电动机的基本方程式,电磁转矩,感应电动势,电枢回路电势平衡式,电动机转速特性,机械特性一般表达式,他励直流电动机的固有机械特性,当UUN， N，电枢回路无外接电

3、阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性,分析,1. 电磁转矩越大， 转速越低， 机械特性是一条下斜直线,固有机械特性分析,2. 当转矩等于零点， 为理想空载转速。此时Ia0， EaUN， 是一种理想工作状态,3. n0为电动机的实际空载转速， 比n0略低。对应于空载转矩,4. 为机械特性斜率。增大， 也增大。 通常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性,固有机械特性分析,5. 额定转速变化率 ，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度,6. nn0时为发电机状态，此时 EaU, Ia反向， Ea与Ia同向， 向电网送出电功率,7.堵住点。 此时 电枢电流： 为短路电流； 电磁转矩：

4、 为电机堵转转矩,人为机械特性分析,有三种人为机械特性,1）电枢回路串电阻的人为机械特性,2）改变端电压时的人为机械特性,3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性,电枢回路串电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的nf（Tem）关系,对于给定的Rc，为常数,电枢回路串电阻的人为机械特性,电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同,2）斜率 ，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多,改变端电压时的人为机械特性,保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性,表达式,一般都为降低的电压,改变端电压

5、时的人为机械特性,改变端电压人为特性的特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低,2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行,减弱电机主磁通的人为机械特性,保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性,表达式,额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通,减弱电机主磁通的人为机械特性,减弱电机主磁通人为特性的特点： （1）由于 N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高,2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软,人为特性的几点补充,1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。

6、影响稳定性。通过补偿绕组改善,2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TemN,3）通过电机的数据铭牌估算机械特性,他励直流电动机的起动,直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程， 称为起动过程,对电动机起动的基本要求,1）起动转矩要大,2）起动电流要小,3）起动设备要简单、经济、可靠,1）他励直流电机直接起动,将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动,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；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机,将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除,2）电枢回路串变阻器起动,电枢回路串变阻器起动,起动电

7、流,将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤,1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra （2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻 （3）决定起动电阻级数 （4）计算起动电流比,降压起动,开始时，降低端电压， 使Ia(1.52.0)IN, Tem=(1.52.0）TemN。 随着转速的上升，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电源，投资费用大,直流电动机的调速,改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速,人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一

8、机械负载得到不同转速，称为电气调速,电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济,直流电动机调速,直流电动机的转速公式,直流电动机的调速方法,1）改变励磁电流从而改变磁通,2）改变施加在电枢两端的电压,3）改变串入电枢回路的调节电阻,改变励磁调速,改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速， 所以又称弱磁调速,弱磁调速：保持UUN，Rj0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的,从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高,弱磁调速的过程,If减小瞬间,机组加速,弱磁调速,调速前后的量,1）假定负载转矩不变,2)

9、假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化,3） 恒转矩负载， ， 基本不变,弱磁调速特点,优点：设备简单，调节方便，能耗小 缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电流变大， 换向变坏， 出现不稳定,改变端电压调速,保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的， 称为降压调速,U1U2U3,电压越低， 转速越低， 调速方向从基值往下调,调节过程: (留为作业,1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果,2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大

10、,3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无级调速,4）调节过程能量损耗小,调压调速的特点,改变电枢回路电阻调速,保持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速,串入电枢回路的电阻越大， 转速越低,电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。 电枢回路串电阻调速的方法， 只能从基速往下调,串电枢电阻调速,该调速的特点,1）设备简单、操作方便,2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差，调速范围不大,3）由于电阻的不连续调节， 因此速度调节不平滑， 属有级调速,4）电枢电流在Rc上消耗的能量大， 调速时效率低。

11、 效率与转速成正比,调速性能指标,1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最高转速与最低转速之比。用D表示,2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越小， 转速的相对稳定性越好,3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比,4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同,5） 经济性,电动机调速时的容许输出,在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输出的功率和转矩称为， 调速时的允许输出功率和转矩,1)调压调速的允许输出,降压调速

12、、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压,在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。 允许输出功率与转速成正比,保持I不变,弱磁调速时的允许输出,弱磁调速时，保持电流IIN,弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为常数， 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比,负载类型与调速方式的配合,恒转矩负载,恒功率负载与调速方式的配合,恒功率负载,通风机负载与调速方式的配合,两种调速方式，在整个调速范围内，除nnmax外所有的转速点，输出转矩多小于允许输出，速度越低， 电机越不能充分利用。 相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些,直流电动机的制动,直流电动机的两种运

13、转状态,1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电能， 并转变为机械能带动负载,2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行,直流电动机的制动,断开电源,抱闸,能耗制动,反接制动,回馈制动,能耗制动的方法和原理,保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至RT， 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合,参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRT,实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动,能耗制动时

14、的机械特性,能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性,制动过程,反抗性负载停车,位能性负载稳速下放,能耗制动的特点,能耗制动的特点,1）操作简单，停车准确,2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网,3）低速时制动转矩小，停转慢,4）动能大部分都消耗在制动电阻上,制动初瞬的最大电流,制动电阻,反接制动,反接制动,转速反向的反接制动,If及端电压UN不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的RT，可得到不同的稳定转速,电压平衡式,机械特性,转速反向的反接制动,能量关系,U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的

15、功率,Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的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电阻(RaRT)上,电枢反接的反接制动,保持If不变， 将开关向下合闸， 使电枢经制动电阻RT而反接于电网上,参数特点： N， UUN。 R=Ra+RT,电枢反接的反接制动,机械特性,能量关系,从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上,电压平衡式,Ia反向,电枢反接的反接制动,特点： （1）可以很快使机组停机 （2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流 （3）转速至零时， 需切断电源,回馈制动,当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压， 电机进入发电状态， 电磁转矩起制动作用， 限制转速上升， 位能转换为电能， 回馈到电网。 (分反向和正向回馈制动,3）回馈制动,反向回馈制动,反向回馈时， 电机实际转速方向与电压反