电机学课件 直流电动机的电力拖动

1、第,2,章,直流电动机的电力拖动,2.1,电力拖动系统的运动方程式和负载的转矩,特性,2.2,他励直流电动机的机械特性,2.3,他励直流电动机的起动,2.4,他励直流电动机的制动,2.5,他励直流电动机的调速,2.1,2.1.1,电力拖动系统的运动方程式,2.1.2,负载的转矩特性,2.1.1,电力拖动系统的运动方程式,在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用,各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机来拖动,这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系,统,电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作机构,一、运动方程式,1,单轴系统

2、,e,m,L,d,T,T,J,d,t,M,em,T,n,L,T,U,2,实用表达式,通常将转动惯量,J,用飞轮矩,GD2,来表示，它们之间的关系为,J=mp,式中,m,与,G,转动部分的质量与重量,p,与,D,惯性半径与直径,m,g=9.81m/s2,重力加速度,再将机械角速度用转速,n,表示,可得,2,3,7,5,n,em,L,t,d,G,D,T,T,d,3,系统旋转运动的三种状态,1,当,或,时,系统处于,静止,或,恒转速,运行状态，即处于稳态,L,em,T,T,0,dt,dn,2,当,或,时,系统处于,加速,运行状态，即处于动态,L,em,T,T,0,dt,dn,3,当,或,时,系统处于

3、,减速,运行状态，即处于动态,L,em,T,T,0,dt,dn,二、运动方程式中转矩正、负号的规定,首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方,向，然后规定,1,电磁转矩,与转速,的正方向相同时为正，相反时为负,em,T,n,2,负载转矩,与转速,的正方向相同时为负，相反时为正,L,T,n,em,T,L,T,3,惯性转矩,的大小和正负号由,和,的代数和决定,dt,dn,GD,2,375,2.1.2,负载的转矩特性,负载转矩特性：负载转矩,TL,与转速,n,的关系用曲线表示称为生产,机械的负载转矩特性,一、恒转距负载特性,所谓恒转距负载特性，是指生产机械的负载转矩,TL,的,大小与转速,

4、n,无关的特性，即无论转速怎样变化，负载转矩,的大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关,恒转矩负载又分为反抗性恒转距负载特性和位能性恒转矩,负载特性,1,反抗性恒转距负载特性,特点,TL,的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。负,载转矩特性在第一和第三象限，如图,2.1,所示，例如,金属的压延，机床的平移机构等,T,L,n,T,L,n,2,位能性恒转矩负载特性,特点,TL,的大小和方向均与转速无关，不随机变化,其负载转矩特性在第一和第四象限，如图,所,示，例如重物的提升与下放等,二、恒功率负载特性,特点,TL,的大小基本上与转速,n,成反比，即负载功率为常数，故,称恒功率负载特性。

5、如图,所示，是一条双曲线。切削机,床属于此类,T,L,n,三、泵与风机类负载特性,特点,TL,的大小基本上与转速,n,的平方成正比,其特性如图,所示，在第一，三象限，是一条抛,物线。例如风机、水泵、油泵等,T,L,n,理想的通风,机特性,实际通风,机特性,T,L0,实际生产机械的负载转矩特,性可能是以上几种典型特性的综,合,2.2,2.2.1,机械特性的表达式,2.2.2,固有机械特性和人为机械特性,2.2.3,机械特性的求取,2.2.4,电力拖动系统稳定运行条件,2.2.1,机械特性的表达式,机械特性：电动机处于稳定运行状态时，电动机的电磁转矩,Tem,与转速,n,的关系曲线称为电动机的机械

6、特性,Tem,与,n,都是机械量,T,n,C,C,R,C,U,I,C,R,C,U,C,R,I,U,C,E,n,T,e,e,a,e,e,e,a,e,a,0,2,其中,e,C,U,n,0,称为理想空载转速,2,T,e,C,C,R,称为机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性,T,C,C,R,T,n,T,e,2,称为负载时的转速降,机械特性曲线,当,U,R,为常数时，为一条向下倾斜的直线,电枢反应对机械特性的影响，可能使特性在,T,较,大时上翘，如图所示,机械特性的硬度,越大，特性越陡，称为软特性,越小，特性越平，称为硬特性,表明机械特性曲线的下垂程度,2.2.2,固有机械特性和人为机械特性,一、固

7、有机械特性,其,方程式,为,2,a,N,e,m,e,N,e,T,N,R,U,n,T,C,C,C,当,时的机械特性称为固有机械特性,a,N,N,R,R,U,U,二、人为机械特性,1,电枢串电阻时的人为机械特性,是一族通过理想空载点并,具有不同斜率的人为特性,保持,不变,只在电枢回路中串入电阻,的人为特性,N,N,U,U,S,R,em,N,T,e,S,a,N,e,N,T,C,C,R,R,C,U,n,2,0,n,n,a,R,em,T,S,a,R,R,2,降低电枢电压时的人为机械特性,是位于固有特性下方,且与固有特性平行的一,组直线,保持,不变，只改变电枢电压时的人为特性,N,a,R,R,2,a,e,

8、m,e,N,e,T,N,R,U,n,T,C,C,C,0,n,n,N,U,em,T,1,U,N,U,U,1,01,n,3,减弱磁通时的人为机械特性,保持,不变，只改变励磁回路调节电阻,的人为特性,N,a,U,U,R,R,Sf,R,2,a,N,e,m,e,e,T,R,U,n,T,C,C,C,2,02,n,2,k,T,N,n,0,n,em,T,k,T,01,n,1,1,k,T,N,1,2,2.2.3,机械特性的求取,一、固有机械特性的的求取,步骤：,1,估算,2,计算,3,计算理想空载点,4,计算额定工作点数据,2,3,2,2,1,N,N,N,N,a,I,P,I,U,R,a,R,N,a,N,N,N,

9、N,N,e,n,R,I,U,n,E,C,N,e,N,N,T,N,I,C,I,C,T,55,9,N,e,N,N,T,N,I,C,I,C,T,55,9,二、人为机械特性的的求取,在固有机械特性,方程,的基础,上，根据人为特性所,对应的参数,或,或,变,化，重新计算,和,然后得到人为机械特,性方程式,em,0,T,n,n,S,R,U,0,n,2.2.4,电力拖动系统稳定运行条件,一、稳定运行的概念,电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，但,仍能在新的条件下达到平衡状态，或者在扰动消失后仍能自动恢,复原平衡状态，则该系统是稳定的,二、稳定运行的条件,1,必要条件：电动机的机械特性与负载的转

10、矩特性必须有交点,即存在,Tem=TL,2,充分条件：在交点的转速以上存在,Tem,TL,而在交点的转速以,下存在,Tem,TL,不稳定运行,n,A,em,T,L,T,A,n,0,n,B,em,T,L,T,B,n,0,稳定运行,2.3,2.3.1,电枢回路串电阻起动,2.3.2,降压起动,起动过程,电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程,起动转矩,Tst,电动机起动瞬间的电磁转矩,起动电流,Ist,起动瞬间的电枢电流,一、一般直流电机不允许直接起动,从公式可以看出直接起动电流很大，能够达到,10-20,倍的额定电流。这将引起,严重的后果。应设法限制电枢电流的不超过额定电流的,1.

11、52,倍,二、解决方法,1,对直流电机起动的要求：足够大的,Tst,Ist,要限制在一定的范围内，起动设,备要简单可靠,2,限制,Ist,的方法：电枢回路串电阻起动，降低电枢电压起动,无论哪种方法都应保证电动机的磁通达到最大值,2.3.1,电枢回路串电阻起动,一、起动过程,M,a,R,S,1,S,U,1,st,R,2,st,R,3,st,R,2,S,3,S,3,3,1,R,R,R,R,R,st,2,st,st,a,L,L,I,T,2,I,T,2,1,I,T,1,I,T,em,0,n,a,b,n,1,a,R,N,n,g,h,3,n,1,1,a,s,t,R,R,R,I,T,em,e,f,3,1,2

12、,2,a,s,t,s,t,RR,R,R,1,n,c,d,2,二、起动电阻的计算,在已知起动电流比,和电枢电,阻前提下，经推导可得各级串联电,阻为,1,2,2,3,1,2,1,1,1,1,1,stm,a,1,m,stm,st,a,st,st,a,st,a,st,R,R,R,R,R,R,R,R,R,R,R,计算各级起动电阻的步骤,1,求,Ra,2,根据过载倍数求,T1,I1,3,选取,m,4,计算,5,求,检验是否满足,T2,1.1,1.3)TL,若不满,足，另选,T1,或,m,值，直到满足条件,三、三点起动器（简单了解,人工手动办法起动,1,2,T,T,2.3.2,降压起动,当直流电源电压可调时

13、可采用降压起动方法,发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机,电动机,组，现在多用晶闸管整流电源代替,优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小,2.4,2.4.1,能耗制动,2.4.2,反接制动,2.4.3,回馈制动,2.4.4,直流电动机的反转,制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停止或限,制位能负载下降速度的一种运行过,程,电机的两种运行状态,制动状态：电磁转矩,Tem,的方向与转速,n,的方向相反,电动状态：电磁转矩,Tem,的方向与转速,n,的方向相同,制动的方式有三种：能耗制动、反接制动、回馈制动,2.4.1,能耗制动,1,实现能耗制动的方法,将电枢从电源上断开，通,过制动电阻,RB,闭

14、合。电枢电流,Ia,变为由,Ea,产生，与原来方向,相反，电磁转矩,随之反向,Tem,与,n,反向，进入制动状态,制动过程中，电动机靠系统的,动能发电，消耗在电枢回路的,电阻上，故称为能耗制动,制动,B,R,aB,I,emB,T,U,电动,M,a,E,a,I,n,em,T,f,I,S,2,能耗制动时的机械特性,从机械特性曲线看制动过程,A,B,C,三点,B,n,0,n,a,R,A,0,L,T,em,T,B,a,R,R,C,B,4,选择,RB,的原则,因为,所以,5,能耗制动的优点,m,a,x,22,5,a,a,B,N,a,B,E,I,I,I,R,R,2,2,5,a,B,a,N,E,R,R,I,

15、2.4.2,反接制动,一、电压反接制动,1,实现方法,如图所示，使,k,断开,F,闭,合，使电枢电源反接的同时串,入一个制动电阻,RB,这时由于,U,反向,反向的电枢电流很大,产生很大的反向,Tem,从而产,生很强的制动作用，进入制动,状态,2,制动电阻,U,电动,M,a,E,a,I,n,em,T,f,I,S,制动,B,R,aB,I,emB,T,3,机械特性,4,从机械特性曲线看制动,过程,5,功率关系,6,优点,设备简单，操作方便,B,a,R,R,C,B,n,0,n,a,R,A,0,L,T,em,T,L,T,0,n,D,0,2,a,B,N,e,m,e,m,e,N,e,T,N,R,R,U,n,

16、T,n,T,C,C,C,一、倒拉反转反接制动,只适用于位能性恒转矩负载,1,实现方法,他励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入较,大电阻，使,n=0,时的电磁转矩（起动转矩）小于负载,转矩,TL,B,a,R,R,C,B,n,0,n,a,R,A,0,L,T,em,T,B,T,D,K,T,2,机械特性,方程,0,a,B,0,L,2,e,T,N,R,R,n,n,T,C,C,3,从机械特性曲线看制动过程,4,功率关系,5,适用场合,设备简单，操作方便，适用于低速匀,速下放重物。这种反转制动主要是位能负,载的倒拉作用，因此得名,2.4.3,回馈制动,1,实现方法,他励直流电动机在电动状态下提升重物时，将电

17、源反接,电动机进入电压反接制动状态由于,EaU,电流,Ia,与,Ea,同方向,与,U,反方向，所以电动机将位能转换为电能回馈电网，故称回馈,制动,2,机械特性,由上所述，可能在第四象限，也,可能在第二象限,3,分析,回馈制动过程中，有功率,UIa,回,馈电网，能量损耗最少,4,使用场合,用于高速匀速下放重物和降压,增加磁通调速过程中自动加快减,速过程,B,n,0,n,A,0,L,T,em,T,L,T,0,n,2.4.4,直流电动机的反转,许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机的转向由电枢,电流方向和主磁场方向确定,故方法有两种,一是改变电枢电流方向,即改变电枢两端的电压极性，或者说把电

18、枢绕组两端换接。,二是改变励磁电流的方向（很少采用,2.5,2.5.1,评价调速的指标,2.5.2,调速方法,2.5.3,调速方式与负载类型的配合,调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机,械在工作过程中都需,要调速,电力拖动系统的调速可以采用,机械调速：改变传动机构速比,电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电,动机的机械特性,注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节,而称为速度变化,2.5.1,评价调速的指标,调速指标,为了评价各种调速方法的优缺点，对调速,方法提出的一定的技术经济指标,1,调速范围,2,静差率,min,max,n,n,D,100,100,0,0,0,n

19、,n,n,n,n,N,N,1,1,1,max,max,0,0,max,0,max,min,max,N,N,N,N,n,n,n,n,n,n,n,n,n,n,n,n,n,D,4,调速的经济指标,经济指标包含三个方面,一是调速设备初投资的大小,二是运行过程中能量损耗的多少，三是维护费用的高低,三者总和较小者经济指标均较好,1,i,i,n,n,可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机允,许的调速范围,D,越大,3,平滑性,2.5.2,调速方法,一、电枢回路串电阻调速,0,a,R,n,0,n,N,n,L,T,em,T,A,1,S,a,R,R,1,n,A,B,特点,只能将转速往下调，且静差率明,显增大，所