电机及电力拖动第02章-直流电动机的电力拖动课件

1、 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程第二章 直流电动机的电力拖动 2.10 无刷直流电动机简介 2.3 他励直流电动机的机械特性 2.4 他励直流电动机的起动 2.5 他励直流电动机的电气制动 2.6 他励直流电动机的调速 2.7 串励直流电动机的电力拖动 2.2 生产机械的负载转矩特性 2.8 复励直流电动机的机械特性 2.9 电力拖动系统的过渡过程 2.1 电力拖动系统的动力学 2.1 电力拖动系统的动力学 运动方程的实用形式：2.1.1电力拖动系统的运动方程式 系统旋转运动的三种状态 当 或 时,系统处于加速运行状态，

2、即处于动态。 当 或 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。 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：2.1.2、运动方程式中转矩正、负号的规定 电磁转矩 与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。 负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。 惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。2.2 生产机械的负载转矩特性2.2.1 恒转矩负载 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn2.1.2 恒功率

3、负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。 负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。TLnTLn12TL02.1.3 通风机负载特性2.3他励直流电动机的机械特性2.3.1 机械特性的方程式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速2.3.2 固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当 时的机械特性称为固有机械特性：二、人为机械特性当改变 或 或 得到

4、的机械特性称为人为机械特性。 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。 电枢串接电阻时的人为特性 保持 不变,只在电枢回路中串入电阻 的人为特性特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。 降低电枢电压时的人为特性 保持 不变，只改变电枢电压 时的人为特性：特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。 减弱励磁磁通时的人为特性 保持 不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大他励电动机的固有机械特性为一条直线,所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出直线,一般选择理想空载点 和额定运行点2.3.3 机械特

5、性绘制一、固有特性的绘制 步骤：4）计算额定工作点：1）估算2）计算3）计算理想空载点： 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。二、人为机械特性的绘制 2.3.4 电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在 点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由 上升到 ， ，扰动消失，系统减速，回到 点运行。扰动使转速由 下降到

6、， ，扰动消失，系统加速，回到 点运行。2.3.4 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：在 点，系统平衡 必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在扰动使转速由 上升到 ， ，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到 点运行。 充分条件: 在交点 处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。 起动时由于转速 ，电枢电动势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 2.4

7、 他励直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到 稳定运行状态的过程。 起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。一、起动特性2.4.1 电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为二、分组起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得： 在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:（3）选取起动级数 ；（2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ；（6）计算各级起动电阻。（1）估算或

8、查出电枢电阻 ；（4）计算起动电流比： 取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：2.4.2 减压启动减压启动只有在电动机有专用电源时才能使用启动时,降低电源电压,电流随之减小启动后,逐步提高电源电压,使电磁转距维持在一定数值,保证电机按需要的加速度升速设备投资大启动电流小,升速平稳,启动能耗小2.5他励直流电动机的电气制动 当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。 2.5.1 能耗制动电动制动 在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关

9、S投向制动电阻 上即可。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能耗制动时的机械特性为：电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点 但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在

10、转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。 改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。即：其中 为制动瞬间的电枢电动势。2.5.2 反接制动 电压反接制动时接线如图所示。一、电枢反接制动 开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流： 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电压反接制动。电动机械特性为：曲线如图中 所示。工作点变

11、化为： 。制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正。, 表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。二、倒拉反接倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。电枢回路串入较大电阻 后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有 倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性

12、在第四象限的部分。 倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。2.5.3 回馈制动(再生制动) 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。 电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况，此时 ， 反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。稳定运行有两种情况:当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限 降压调速时产生的回馈制动制动过程为 段。 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况 增磁调速时产生的回馈制动制动过程为 段。 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较

13、经济的。2.6 他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。2.6.1调速指标：一、调速范围:二、静差率（相对稳定性）：%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。指负载变化时，转速变化的程度，

14、转速变化小，稳定性好。D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。三、调速的平滑性 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2.6.2 电枢电路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由AAB电枢电路串电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线t

15、t=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。他励电动机改变电枢回路电阻的调速过程电枢串电阻调速设备简单，操作方便。 低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差； 轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2； 损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。 由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；缺点:优点：2.6.3 弱磁调速ABTemTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点减弱磁通的人为机械特性减弱磁通调速前、后转速变化

16、曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线ntt=0结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。改变励磁电流调速时电流和转速的变化过程 转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。 机械特性的斜率变大，特性变软；缺点： 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。优点：2.6.

17、4、降低电枢电压调速AB调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。TemTLA一、机械特性和调速特性 在电动机和发电机的电枢回路中，电动机的电枢电动势 （2-52） 式中 Eaf发电机的电枢电动势； Raf发电机的电枢电阻； Rad发动机的电枢电阻； d电动机的每极磁通。 所以，电动机的机械特性方程式为 （2-53） 和 （2-54） 电动机的理想空载转速: 转速降: G-M系统的调速方法： 改变发电机电动势调速 改变电动机的磁通调速G-M系统机械特性起动 首先必须使电动机励磁，并调节励磁电流达到

18、额定值，然后再使发电机励磁。 发电机的感应电动势是从零逐渐升高的，这就不会发生起动电流过大造成对电动机的冲击，保证了电动机能平稳起动，而不需要在电枢电路中串接起动电阻。制动 要使电动机停转，只要将开关断开，电动机就能获得电气制动而迅速停下来。反转 要实现电动机反转，只要将开关投到相反位置即可。 反向时不会产生很大的冲击电流，电动机能够实现比较平稳的反转。二、起动和制动2.7 串励直流电动机的电力拖动2.7.1 串励电动机的机械特性当磁路不饱和时 当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。TemnABC磁路不饱和时的机械特性曲线AB段磁路饱和时的机械特性曲线BC段一、固

19、有特性固有特性是指当 时的特性，具有以下特点： 它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大； 空载时， 为无穷大。实际上，空载时存在剩磁， 为有限值，但值也很大“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。 由于 ，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。二、人为特性 电枢串电阻的人为特性 串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。 降低电压的人为特性 降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。 改变磁通的人为特性 改变磁通的方法是在励磁绕

20、组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。2.7.2 串励电动机的起动、调速一、串励电动机的起动 串励电动机的起动性能要比他励电动机好，这是因为串励电动机的励磁电流等于电枢电流，因此在同样的起动电流下，串励直流电动机有较大的起动转矩。 起动时为了限制起动电流，仍然需要接入起动电阻。起动过程与他励电动机相似。 串励电动机的机械特性通常不是直线，所以起动电阻的计算一般不能用解析法而只能采用图解法二、串励电动机的调速串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。2.7.2 串励电动机的制动

21、串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此不能有回馈制动。 串励电动机的制动能耗制动反接制动他励磁式制动自励式制动电枢反接制动倒拉反接制动复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。 如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机。 复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以起空载转速不会太高。 2.8 复励电动机的机械特性复励电动机的固有和人为机械特性2.9 电力拖动系统的过渡过程 动态过程是指系统从一个稳定工作点向另一个稳定工作点过渡的中间过程，这个过程被称为过渡过程，系统在过渡过程的变化规律和性能被称为系统的

22、动态特性。研究这些问题，对经常处于起动、制动运行的生产机械如何缩短过渡过程时间，减少过渡过程中能量损耗，提高劳动生产率等，都有实际意义。2.9.1他励直流电动机起动时的过渡过程 为突出主要机电过程，在讨论中作如下假定： 电网电压U=UN=常数，不因起动电流的冲击而产生波动。 不考虑电枢反应影响，即磁通常数。 负载转矩TZ=常数。 设一他励直流电动机在全电压的条件下，电枢串入固定电阻进行起动，根据电动势平衡方程式和转矩平衡方程式，可写出 式中 R电枢电路总电阻。 （2-63）（2-62）式中 Iz对应于负载转矩TZ时的稳态电枢电流（负载电流） Tm机电时间常数， 解式（2-64）得 （2-65）

23、 由式（2-62），得所以 ，代入式（2-63），得 （2-64）式中K由起始条件决定，在起动瞬间，即t=0时，Ia=Ist1，于是可求得K=Ist1+Iz，代入式（2-65）求得 （2-66）（2-67）上式即表示起动过程中电枢电流随时间的变化规律 它按指数规律变化。因为=常数，所以由式（2-66）便可直接推出电磁转矩在起动过程中的变化规律 欲求转速的变化规律，可将式（2-66）代入式（2-62），并考虑到稳态电流与稳定转速的对应关系，即 ，便可得 （2-68） 它能按指数规律变化。因为起动瞬间t=0,nst=0，所以起动过程中转速随时间的变化关系n=f(t)为 （2-69） 若要求电流或转

24、速达到某一数值Ix或nx所需的时间tx，则只需将Ix或nx，值代入式（2-65）或式（2-68）求解即可。求得 （2-70）Ia=f（t）和n=f（t）的曲线机电时间常数是电力拖动系统中一个十分重要的动态参数，前已提出 （2-71） 若将式（2-69）在t=0处求导，便得到t=0时的加速度 （2-72） 式（2-72）表明，Tm在数值上等于转速n以t=0时的加速度直线上升到稳定值nz时所需的时间，见图2-42，但是实际上，由于转速按指数规律上升，到达稳定转速所需的时间比Tm大得多，理论上只有当t=时，n才能达到nz，实际上当t=4Tm时，n98%nz，因此工程上一般认为经过（3-4）Tm时间，

25、系统基本上已达到稳定运状态。2.9.2 、关于机电时间常数的讨论关键问题是在具体应用时，必须注意起始值和稳定值的不同特点以及机电时间常数的变化。电动机在转速为n1的稳定运转状态下进行能耗制动，电枢串入制动电阻Rz电动机在机械特性上工作点的变化见右图，则此时的机电时间常数将由Ra+Rz所决定，过渡过程的起始值（对转速而言）为n1，稳定转速为-nz。能耗制动时的起始值和稳定值上 述 讨 论 没 有 考 虑 电 磁 惯 性 的 影 响无刷直流电动机就是利用电子开关和位置检测器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特点又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。无刷直流电动机，不仅

26、可作为一般直流电动机使用，而且更适用于航空航天技术、数控装置等高新技术领域。无刷直流电动机将电子电路与电动机融为一体，把电子技术应用于电动机领域，这将促使电动机技术更新、更快地发展。2.10 无刷直流电动机简介无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、转子位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。2.10.1 无刷直流电动机的组成如下图所示：直流电源控制信号逆变器控制器电动机本体转子装置检测器输出无刷直流与换向器式直流电动机相比，不同的是其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，嵌有多相对称绕组。无刷直流电动机实际上是一种永磁无刷直流电动机。除了普通的内转子无刷直流电动机之外，在电动机驱动中还常常采用外转子结构一、电动机本体二、逆变器逆变器将直流电转换成交流电向电动机供电。与一般逆变器不同，它的输出的频率不是独立调节的，而是受控于转子位置