第3直流电动机的电力拖动

1、第3直流电动机的电力拖动 本章主要教学内容1. 电力拖动系统的运动方程式2. 负载的转矩特性及电力拖动系统稳定运行条件3. 他励直流电动机的启动4. 他励直流电动机的调速5. 他励直流电动机的制动6. 其他直流电动机的电力拖动电力拖动定义3.1 电力拖动系统的运动方程式 其中电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械的某一工作机构。 生产机械传动机构用来传递机械能。 控制设备则保证电动机按生产的工艺要求来完成生产任务。 通常把生产机械的传动机构及工作机构称为电动机的机械负载。 以电动机为原动机拖动生产机械，使之按人们给定的规律运动的拖动方式，称为电力拖动。电力拖动系统的构成： 一般由电动机、生产机

2、械的传动机构、工作机构、电动机的控制设备以及电源等五部分组成，参见下图。 T为电动机电磁转矩；TL为负载转矩，则 TL=T0+Tf，其中T0和Tf分别表示电动机的空载转矩与工作机构的转矩。 一般情况下，TfT0，认为TLTf。各转矩单位均为Nm。n为电动机转速，单位为r/min。 电力拖动系统也有多种类型，最简单的系统是电动机转轴与生产机械的工作机构直接相联，工作机构是电动机的负载，这种系统称为单轴电力拖动系统，电动机与负载同一根轴，同一转速，参见下图。 单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统.swf 根据力学中刚体转动定律，可写出单轴电力拖动系统的运动方程式为：式中 J电动机轴上总转动惯量，kgm

3、S2；电动机的角速度，rad/s。 在工程计算中，通常把电动机转子看成是均匀的圆柱体，用转速n代替角速度，用飞轮惯量或称飞轮矩GD2代替转动惯量J。与n的关系，J与GD2的关系分别为单轴电力拖动系统的运动方程式第8章 电力拖动系统的动力学基础2n/60 GD2是转动部分总飞轮矩，Nm2，它是一个物理量，可在产品目录中查出。4g60/2375是具有加速度量纲的系数。它表明电力拖动系统的转速变化（加速度）由(T-TL)决定。又可写出单轴电力拖动系统的运动方程式为 在应用电力拖动系统运动方程式时，要注意：(1)转矩不但有大小而且有方向。首先确定某一旋转方向(顺时针或逆时针)为正方向，则电磁转矩的方向

4、与所规定的正方向相同时取正值，反之取负值。对于负载转矩，因定义为阻转矩，则当它的方向与所规定的正方向相同时取负值，反之取正值。(2)转速也是有方向的。当实际旋转的方向与所规定的正方向相同时取正值，反之取负值。(3)当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态还是减速状态，要由转速变化的方向来决定而不是由转速的数值增加或减小来决定。例如，当转速正向增加时，系统处于加速状态；而当转速反向增加时，尽管n可能增大了(实际旋转方向与规定的正方向相反)，但系统仍是处于减速状态。多轴电力拖动系统运动方程式 多轴旋转系统折算成简单单轴旋转系统 。在实际的拖动系统中，电动机的轴很少与工作机构的轴直接相连，大多数是通

5、过传动机构与工作机构相连，因此系统中具有两根或两根以上不同转速的轴，称为多轴系统，如图（a）所示。为简化分析，我们常常采用一个等效的单轴系统来代替实际的多轴系统如图（b）。( b)等效折算多轴电力拖动 系统折算成单轴系统(a)实际的多轴 传动图 电动机 生产机械T，GDRGD1GDm 电动机 等效负载T，TmmGDTL多轴拖动系统.swf这就要求对各有关参数进行等效折算。等效折算的原则是保持折算前后系统存储的动能和传递功率保持不变。 负载转矩折算的原则是保持折算前后系统传递的功率不变。关于中间传动机构的损耗在传动效率c中考虑。当传递功率时，效率c的考虑方法因传递方向不同而不同。下面分两种情况讨

6、论。1电机工作在电动状态时，电动机产生的电磁转矩为拖动转矩，能量由电动机向工作机构传送。 在不考虑传动机构传动损耗时，设工作机构消耗的负载功率PL=Tf f，负载转矩折算到电动机轴上所需机械功率P=TL。根据折算前后功率不变的原则由TL=Tf f，得出j电动机转轴与工作机构转轴之间的总传动比，j=/f=n/nf，在多级传动机构中为各级传动比之积，j=j1j2j3。第8章 电力拖动系统的动力学基础若考虑传动机构的传动效率，负载转矩的折算值还要加大 c传动机构总效率，为各级传动效率之积，c=1 2 3。差值为 T为传动机构的转矩损耗，由电动机承担。 2.如电动机工作在制动状态，电动机产生的电磁转矩

7、为制动转矩，此时能量由工作机构向电动机传送，传送损耗由工作机构承担 。返回到本章向导平移运动系统与旋转运动系统的互相折算平移运动时转矩与飞轮矩的折算 负载转矩折算依然遵循折算前后功率不变的原则,切削力F反映到电动机轴上表现为转矩TL，切削功率P反映到电动机轴上为TL 若不考虑传动系统的传动损耗，根据功率不变的原则，有车床主传动.swf龙门刨床传动机构示意图.swf飞轮矩折算 若考虑传动系统的传动损耗，则作平移运动部分的物体总重 ，其动能为 第8章 电力拖动系统的动力学基础 折算到电动机转轴上的动能为 折算前后的动能不变， 因此 第8章 电力拖动系统的动力学基础 工作机构作升降运动时的转矩与飞轮

8、矩的折算 下页的图为一起重机示意图，电动机通过传动机构(减速箱)拖动一个卷筒，卷筒半径为R，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重物的重力为Gmg，速比为j，重物提升时传动机构效率为c，转速为nf，重物提升或下放的速度都为v，是个常数。(1) 提升重物时的负载转矩折算 1负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构损时，折算到电机轴上的负载转矩为 起重机提升机构传动系统.swf起重机传动机构示意图.swf 考虑传动机构有损耗，当提升重物时，这个损耗由电动机负担，因此，折算到电动机轴上的负载转矩为 下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机上的负载转

9、矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。(2) 下放重物时负载转矩折算 传动机构损耗是摩擦性的，其作用方向永远与转动方向相反，提升重物与下放重物两种情况下，各转轴的转动方向相反，因此这个损耗转矩的实际方向也相反，大小不变。 电磁转矩T、负载转矩 (折算值)及传动机构的损耗转矩T三者方向 提升重物时，电动机负担了T 而下放重物时，负载负担了T 2飞轮矩的折算 工作机构作提升和下放重物运动时，飞轮矩与平移运动时相同 。小结：单轴与多轴系统转换示意图3.2 负载的转矩特性及电力拖动系统稳定运行条件 简单分析如下： 参照上图： 曲线2、3是恒转矩负载转矩特性n=f(TL)，曲线1是他励直流电动机的机械

10、特性n=f(T)。两特性曲线交于A 点。在交点处，电动机与负载具有相同的转速nA，电动机的电磁转矩T与负载转矩TL大小相等，方向相反，互相平衡,即充分条件： T=TL （1） 系统在实际运行中，会受到各种干扰的影响，例如电源电压或负载波动时，原来转矩T与TL由平衡变成不平衡，电动机转速发生变化。在这种情况下，如系统能过渡到新的工作点上稳定运行，且干扰消失后，系统又能回到原来的工作点稳定运行，则系统是稳定的，否则是不稳定的。结论： 对于一个电力系统，稳定运行的必要条件是在工作点要满足 dT/dndTL /dn（2） 充要条件： （其推导过程自学p4849) 推导过程(自学）从上式可见，当指数的幂

11、为负值时，转速的增量n随时间的增加呈指数规律衰减；当指数的幂为正值，则转速的增量n随时间的增加呈指数规律增加。电力拖动系统稳定运行的充要条件为.swf降低电源电压起动3.4 他励直流电动机的调速 调速的原因：使生产机械以最合理的速度进行工作，从而提高产品的质量和生产效率。调速的实现：机械方法、电气方法和机械电气方法。本节只讨论电气调速方法。3.4.1 调速方法根据上面的特性公式的调速方法有三种：(1)改变端电压； (2)改变电枢回路所串电阻；(3)改变励磁磁通。1.降低端电压调速特点：(1)对恒转矩负载，电动机运行在不同转速上时，电枢电流Ia不变；(2)调速的稳定性较好；(3)可实现无级调速；

12、(4)只能是基速向下调。降压调速的机械特性.swf降压调速2.电枢回路串电阻调速特点：(1)对恒转矩负载，电动机运行在不同转速上时，电枢电流Ia不变；(2)调速的稳定性较差；(3)调速过程能量损耗大；(4)只能实现有级调速；(5)只能是基速向下调。串电阻调速机械特性3.弱磁调速特点：(1)对恒功率负载，电动机运行在不同转速上时，电枢电流不变；(2)可实现无级调速；(3)只能实现基速向上调。弱磁调速机械特性 实际中，他励直流电动机的调速常采用降低端电压向下调速与减弱磁通向上调速相结合的调速方法。（参见P5758,自学） 结论：恒转矩调速方式用于恒转矩负载。恒功率调速方式用于恒功率负载。否则电动机

13、不能充分利用。 注意：这两种方法条件是Ia=IN不变 对于风机、泵类负载，既非恒转矩类型，也非恒功率类型，采用恒转矩调速方式浪费要小一点。两点结论：恒转矩调速方式与恒功率调速方式只是用来表征电动机采用某种调速方法时的负载能力，并不是指电动机拖动的实际负载。电动机的调速方式与其拖动的实际负载匹配时，电动机才可以得到充分利用。 从理论上讲，匹配时，可以让电动机的额定转矩或额定功率与负载实际转矩或功率相等；但实际上，由于电动机容量分为若干等级，有时电枢电流只能尽量接近额定电流而不能相等。3.5 他励直流电动机的制动 运行电动运行时，电动机的电磁转矩与转速方向相同，为拖动转矩，电动机从电源吸收电功率，

14、向负载传递机械功率。3.5.1 电动运行与制动他励直流电动机的电动运行状态 能耗制动根据所拖动负载性质的不同分为两种：(1)能耗制动过程，；(2)能耗制动运行，下图为能耗制动原理图。3.5.2 能耗制动能耗制动的机械特性方程能耗制动原理图1. 能耗制动过程分析2. 能耗制动运行分析能耗制动过程 能耗制动运行反接制动的实现方法有两种：(1) 电枢电源反接的反接制动；(2) 转速反向的反接制动。3.5.3 反接制动控制电路原理图1电枢电源反接的反接制动机械特性方程式(1) 反接制动过程分析(4) 反向电动运行 电动机虽不会反向起动，但也不能可靠停车，此时最好切除电源。2. 转速反向的反接制动只适合

15、位能性负载控制电路原理图机械特性方程反接制动运行(1) 反接制动运行分析3.5.4 回馈制动(3) 功率关系与直流发动机相同，将机械功率转变为电功率输出。区别：正向回馈制动的机械功率是系统从高速降为低速释放出的动能或是系统减少的位能；电功率不是输出给用电设备，而是回馈给直流电源。2.反向回馈制动运行实质上为电源反接的反接制动用于位能性负载的运行情况，只有反向回馈制动运行。3.5.5 他励直流电动机的四象限运行他励直流电动机的各种运行状态他励直流电动机的四象限运行包括：(1)电动运行；(2)能耗制动过程及能耗制动运行；(3)反接制动过程及反接制动运行；(4)回馈制动。3.6 其他直流电动机的电力

16、拖动(a)(b)3.6.1 并励直流电动机的电力拖动1.启动降压启动：需改接成他励形式电枢回路串电阻启动：如右图(a) 2. 调速采用电枢串电阻调速时，与启动同；采用降压调速时，应改接为他励形式；采用弱磁调速时，要求不高，如右图(b)要求高时，应改接为他励，调励磁电压.3. 制动应改接成他励形式进行3.6.2 串励直流电动机的电力拖动1.启动 与他励直流电动机的启动方法相同。2. 调速 采用电枢串电阻调速时，可在电枢回路中串调速变阻器或分级调速电阻，使转速向低于nN的方向调节。采用弱磁调速时，接线如下图。转速nN向下调转速nN向上调3. 制动 能耗制动，分自励能耗制动和他励能耗制动。电动运行

17、自励能耗制动 他励能耗制动反接制动：分电源反接和转速反向两种，接线如下图电枢电源反接的反接制动转速反向的反接制动制动原理与他励直流电动机相同，略3.6.3 复励直流电动机的电力拖动1. 启动 启动方法与并励电动机基本相同。采用压启动时，需改接成他励方式，并将串励绕组短路。采用电枢回路串电阻启动时，可在电枢回路内串启动变阻器或分级启动电阻。2. 调速 调速方法与并励基本同。在改为他励时，应将串励绕组短接。3. 制动 有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。制动方法与并励基本相同。能耗制动和回馈制动时一般将串励绕组短接。反接制动时，串励绕组的处理与串励直流电动机励磁绕组的处理一样，要注意保持串励绕组中电流方向不变。3.7 电力拖动系统的过渡过程（自学）3.7.1 机械过渡过程分析 只考虑系统的机械惯性，忽略电磁惯性的过渡过程称为机械过渡过程。现以他励直流电动机为例进行分析。1. 过渡过程的动态方程 机械过渡过程曲线：2. 过渡过程时间的计算3. 过渡过程分析举例 以他励直流电动机电源反向反接制动为例，进行制动过渡过程分析。拖动反抗性恒转矩负载 拖动反抗性恒转矩负载进行电源反向反接制动的机械特性如右图所示。若为反接制动停车，其过渡过程如下：制动停车时间t0为 若不是反接制动停车而是接着反向起动，则过渡过程还要从E点继续到D点，这是电动机反向起动