电力拖动与运动控制第一章

第一章直流电动机马昕北京化工大学计算机模拟与系统平安工程研讨中心教育部化工平安工程研讨中心国家平安消费监视管理总局危险化学品消费系统缺点预防及监控根底实验室北京化工大学信息科学与技术学院主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造根本任务原理直流电动机的构造直流电动机的铭牌数据1.2直流电动机的电枢反响直流电动机的空载磁场直流电动机的电枢磁场电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4直流电动机直流电动机的励磁方式他励直流电动机的根本方程式重点内容主要内容1.5电力拖动系统的运动方程式单轴拖动系统的运动方程式运动方程式中正、负号的规定拖动系统的运动形状他励直流电动机的反转1.6消费机械的负载转矩特性恒转矩负载特性恒功率负载特性通风机型负载特性1.7他励直流电动机的机械特性机械特性方程式固有机械特性和人为机械特性主要内容1.8他励直流电动机的启动直接启动电枢回路串电阻启动降低电枢电压启动1.9他励直流电动机的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10他励直流电动机的调速调速目的调速方法直流调速系统运用的可控直流电源2024/1/9第一章直流电动机5主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造根本任务原理直流电动机的构造直流电动机的铭牌数据1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机6电动机示意图一、根本任务原理与构造2024/1/9第一章直流电动机7基本工作原理一、根本任务原理与构造2024/1/9第一章直流电动机8一、根本任务原理与构造2024/1/9第一章直流电动机9一、根本任务原理与构造根本任务原理N、S：定子磁极a、b、c、d：转子线圈首端a和末端d衔接到换向器上，经过电刷衔接外电路任务原理：电枢线圈通入直流电流，导体在定子磁场中受电磁力作用，产生电磁转矩，线圈在此转矩作用下旋转虽然导体中流通的电流为交变的，但是电磁转矩方向不变2024/1/9第一章直流电动机10一、根本任务原理与构造根本构造2024/1/9第一章直流电动机11一、根本任务原理与构造根本构造1.风扇2.机座3.电枢4.主磁极5.刷架6.换向器7.接线板8.出线盒9.换向极10.端盖直流电动机的构造图2024/1/9第一章直流电动机12一、根本任务原理与构造2024/1/9第一章直流电动机13一、根本任务原理与构造2024/1/9第一章直流电动机14定子部分机座〔磁轭〕：固定部件，构成电机磁路主磁极：产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组〔励 磁绕组〕组成换向极：改善换向，由换向极铁心和换向极绕组组成电刷安装：与换向器配合，将电枢绕组电路和外电路衔接， 并将电枢绕组中的交流量转变成电刷端的直流量主磁极表示图换向极表示图电刷安装表示图2024/1/9第一章直流电动机15转子部分电枢铁心：构成电机磁路，安放电枢绕组电枢绕组：直流电动机的主要组成部分，产生感应电动势换向器：改善换向电枢铁心表示图换向器表示图2024/1/9第一章直流电动机16直流电动机的铭牌数据2024/1/9第一章直流电动机17直流电动机的铭牌数据额定运转情况：根据电机的设计和实验数据，按照国家规范规定的电机的正常运转形状和条件额定值〔铭牌数据〕：表征电机额定运转情况的各种数据2024/1/9第一章直流电动机18主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响直流电动机的空载磁场直流电动机的电枢磁场电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机19二、直流电动机的电枢反响直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产生的电枢磁场所成的一个合成磁场直流电动机的运转特性在很大程度上取决于该磁场特性2024/1/9第一章直流电动机20空载：电动机轴上不带机械负载运转此时，电枢电流等于零或近似等于零空载磁场可以以为仅仅是励磁电流经过励磁绕组产生的励磁磁通所建立1.直流电动机的空载磁场2024/1/9第一章直流电动机21直流电动机空载时磁场分布1.极靴2.极身3.定子磁轭4.励磁线圈5.气隙6.电枢齿7.电枢磁轭动画演示1.直流电动机的空载磁场2024/1/9第一章直流电动机22励磁磁通可以分为两大类：主磁通：同时交链励磁绕组和电枢绕组，占绝大多数漏磁通：不进入电枢绕组，经过气隙直接进入临近的磁极或磁轭，小部分主磁通是直流电动机进展电磁感应和能量转换所必需的，漏磁通只能使直流电动机效率降低主磁场在电机中的分布动画演示1.直流电动机的空载磁场2024/1/9第一章直流电动机23直流电动机在带载运转时，电枢绕组中有电流经过，产生电枢磁场。电枢磁场在电机中的分布电枢电流的方向总是以电刷为界限划分。只需电刷固定不 动，电枢磁场即静止不动电枢磁场与主磁场共同在气隙里建立合成磁场动画演示2.直流电动机的电枢磁场2024/1/9第一章直流电动机24电枢反响：电枢磁场对主磁场的影响电枢反响对磁场的影响如下：使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变使主磁场减弱，每个磁极下的磁通发生变化合成磁场在电机中的分布动画演示3.电枢反响2024/1/9第一章直流电动机25主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机261.直流电动机的电枢电动势电枢绕组在磁场中转动时产生的感应电动势电枢电动势：直流电动机正、负电刷之间的感应电动势计算方法：电枢电动势即为每条支路里的感应电动势，可先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘以一条支路里总的导体数即为电枢电动势三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机271.直流电动机的电枢电动势三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机281.直流电动机的电枢电动势三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机292.直流电动机的电磁转矩电磁转矩：通电的电枢绕组在磁场中遭到的电磁力与电动机电枢铁心半径之积称为电磁转矩三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机302.直流电动机的电磁转矩制造好的直流电动机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机312.直流电动机的电磁转矩三、电枢电动势和电磁转矩2024/1/9第一章直流电动机32主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机直流电动机的励磁方式他励直流电动机的根本方程式1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机33直流电动机的励磁方式他励、并励、串励、复励他励直流电动机的根本方程式电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式四、他励直流电动机2024/1/9第一章直流电动机34根据直流电动机励磁绕组和电枢绕组与电源衔接关系的不同，直流电动机可分为他励式并励式串励式复励式1.直流电动机的励磁方式2024/1/9第一章直流电动机351.直流电动机的励磁方式2024/1/9第一章直流电动机36电动势平衡方程式2.他励直流电动机的根本方程式2024/1/9第一章直流电动机37转矩平衡方程式2.他励直流电动机的根本方程式2024/1/9第一章直流电动机38功率平衡方程式直流电动机功率流图2.他励直流电动机的根本方程式2024/1/9第一章直流电动机39主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式单轴拖动系统的运动方程式运动方程式中正、负号的规定拖动系统的运动形状他励直流电动机的反转1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机40电力拖动系统是由电动机拖动消费机械系统，消费机械称为电动机的负载。电源控制设备电动机传动机构消费机械电力拖动系统组成表示图五、电力拖动系统的运动方程式2024/1/9第一章直流电动机41单轴拖动系统：电动机输出直接拖动消费机械运转的系统1.单轴拖动系统的运动方程式2024/1/9第一章直流电动机42what1.单轴拖动系统的运动方程式2024/1/9第一章直流电动机431.单轴拖动系统的运动方程式2024/1/9第一章直流电动机44正方向规定〔1〕规定正方向通常以电动机处于电动形状时的旋转方向为规定正方向〔2〕转速方向与规定正方向一样时为正〔3〕电磁转矩方向与规定正方向一样时为正〔4〕负载转矩方向与规定正方向相反时为正2.运动方程式中正、负号的规定2024/1/9第一章直流电动机453.拖动系统的运动形状2024/1/9第一章直流电动机46要使电动机反转，必需改动电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决议只需将磁通或者电枢电流中的恣意一个参数改动方向，电磁转矩即可改动方向常用的直流电动机反转实现方法有：改动励磁电流方向：坚持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改动方向改动电枢电压极性：坚持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流即改动方向4.他励直流电动机的反转2024/1/9第一章直流电动机47主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性恒转矩负载特性恒功率负载特性通风机型负载特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机48消费机械运转时常用负载转矩标志其负载的大小负载转矩特性：表征消费机械的转速与负载转矩之间的关系三种常见消费机械特性：恒转矩负载特性〔对抗性、位能性〕恒功率负载特性通风型负载特性六、消费机械的负载转矩特性2024/1/9第一章直流电动机49所谓恒转矩负载是指消费机械的负载转矩Tl的大小不随转速n变化，Tl的大小为常数根据负载转矩的方向特点又分为对抗性和位能性负载两种1.恒转矩负载特性2024/1/9第一章直流电动机50〔1〕对抗性恒转矩负载特点：负载转矩的大小不变，但方向一直与消费机械运动的方向相反，总是妨碍电动机的运转举例：轧钢机、机床的平移机构2024/1/9第一章直流电动机51〔2〕位能性恒转矩负载特点：负载转矩由重力作用产生，无论消费机械运动方向变化与否，大小和方向一直不变举例：起重机2024/1/9第一章直流电动机522.恒功率负载特性方向特点：属于对抗性负载大小特点：当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，即负载转矩与转速成反比举例：切削机床2024/1/9第一章直流电动机533.通风机型负载特性方向特点：属于对抗性负载大小特点：负载转矩的大小与转速的平方成正比举例：通风机、水泵、油泵2024/1/9第一章直流电动机54主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性机械特性方程式固有机械特性和人为机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机55他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢总电阻为恒值的条件下，转速调整特性七、他励直流电动机的机械特性2024/1/9第一章直流电动机56他励直流电动机电路原理图Backto人为机械特性1.机械特性方程式2024/1/9第一章直流电动机57他励直流电动机的机械特性电源电压&电枢回路总电阻&励磁磁通均为常数1.机械特性方程式2024/1/9第一章直流电动机58固有机械特性是当电动机的电枢任务电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性2.固有机械特性和人为机械特性2024/1/9第一章直流电动机59人为机械特性是人为地改动电路参数或电枢电压而得到的机械特性普通只改动电压、磁通、附加电阻中的一个他励直流电动机有以下三种人为机械特性：电枢串电阻时的人为机械特性改动电枢电压时的人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性他励直流电动机原理图2.固有机械特性和人为机械特性2024/1/9第一章直流电动机60他励直流电动机串电阻时的机械特性动画演示〔1〕电枢串电阻时的人为机械特性2024/1/9第一章直流电动机61他励直流电动机改动电枢电压时的机械特性动画演示〔2〕改动电枢电压时的人为机械特性2024/1/9第一章直流电动机62他励直流电动机改动电枢电压时的机械特性〔3〕减弱磁通时的人为机械特性2024/1/9第一章直流电动机63主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动直接启动电枢回路串电阻启动降低电枢电压启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机64启动：电动机转子从静止形状开场转动，转速逐渐上升，最后到达稳定运转形状的过程电动机在启动过程中，电枢电流Id、电磁转矩Tem、转速n都随时间变化，是一个过渡过程启动电流Ist：开场启动的一瞬间，转速等于零时的电枢电流启动转矩Tst：与启动电流相对应的电磁转矩八、他励直流电动机的启动2024/1/9第一章直流电动机65八、他励直流电动机的启动对直流电动机的启动有如下要求：启动转矩足够大〔Tst>Tl，电动机才干顺利启动〕启动电流Ist要限制在一定范围内启动设备操作方便，启动时间短，运转可靠，本钱低廉2024/1/9第一章直流电动机66八、他励直流电动机的启动1.直接启动直接启动时启动电流将到达很大的数值；启动转矩也很大，能够呵斥设备损坏除个别容量很小的电动机外，普通不允许直流电动机直接启动对于普通他励直流电动机，为限制启动电流，可采用电枢回路串电阻启动或者降低电枢电压启动的启动方式+_M+_2024/1/9第一章直流电动机67八、他励直流电动机的启动2.电枢回路串电阻启动在启动时在电枢回路串入电阻以减小启动电流，然后逐级切除电阻以保证足够的启动转矩。电机启动前应使励磁回路附加电阻为0，以使磁通最大特点：设备简单，操作方便，能耗较大运用场所：不易用于频繁启动的大中型电动机，可用于小型电动机启动MKMKM1KM2KM3R1R2R3动画演示2024/1/9第一章直流电动机68八、他励直流电动机的启动3.降低电枢电压启动启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低以减小启动电流，电动机启动后再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值特点：需求公用电源，投资较大，但启动电流小，启动平稳，启动能耗小2024/1/9第一章直流电动机69主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动能耗制动反接制动回馈制动1.10他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机70电动机的制动分为机械制动和电气制动两种电气制动是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩，该电磁转矩起到妨碍运动的作用电动机制动有两方面意义：使拖动系统迅速减速停车〔制动过程〕限制位能性负载的下降速度〔制动运转〕他励直流电动机的电气制动方法有：能耗制动、反接制动、回馈制动九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机711.能耗制动+_需求制动时，利用电阻RH将电枢回路闭合，那么进入能耗制动。此时，电动机励磁不变，电枢电压为0，n不能突变电流方向与原来运转时相反，电磁转矩因此反向，成为制动转矩九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机721.能耗制动电动机靠惯性旋转，电枢经过切割磁场将机械能转变成电能，耗费在电枢回路电阻上，因此称这种制动方式为能耗制动12对抗性负载：O点，能耗制动停车位能性负载：C点，能耗制动运转九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机732.反接制动〔1〕电枢电压反向反接制动需求制动时，使电枢电压反向并串入电阻，那么进入电枢电压反接制动。电磁转矩因电流反向而反向，成为制动转矩九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机74假设要求系统停车，那么在电枢电流为0时该当立刻便电动机脱开电源，系统制动过程终了反接制动适宜于要求频繁正、反转的电力拖动系统，先用反接制动到达迅速停车，再接着反向启动并进入反向稳态运转2.反接制动〔1〕电枢电压反向反接制动12九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机752.反接制动〔2〕倒拉反接反转制动电动机提升重物时，将较大电阻RH串入电路，使提升转矩小于下降的位能转矩，系统将进入倒拉反转反接制动此时转速反向，使得反电动势反向，那么电磁转矩与转速方向相反+_G九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机762.反接制动〔2〕倒拉反接反转制动此运转形状是由于位能负载转矩拖动电动机反转而构成的，因此称为倒拉反接制动电动机进入倒拉反接制动形状必需有位能负载反拖电动机，同时电枢回路要串入较大电阻。这种制动方式不能用于停车，只能用于重物下放九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机773.回馈制动电动机在电动运转形状下，由于某种条件的变化，使得电枢转速超越理想空载转速，那么进入回馈制动电枢电流反向使得电磁转矩反向，成为制动转矩此种运转方式下，电源输入功率为负，而电磁功率也为负，阐明电动机处于发电形状，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网，故称为回馈制动九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机783.回馈制动12由于电枢电压、电枢回路电阻、励磁磁场均与电动运转时一样，所以回馈制动的机械特性与电动形状时完全一样，是电动形状机械特性延伸到第二象限的一条直线回馈制动时电枢回路不允许串入电阻，否那么将会稳定运转在很高的转速B点九、他励直流电动机的电气制动2024/1/9第一章直流电动机79主要内容1.1直流电动机的根本任务原理与构造1.2直流电动机的电枢反响1.3直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.4直流电动机1.5电力拖动系统的运动方程式1.6消费机械的负载转矩特性1.7他励直流电动机的机械特性1.8他励直流电动机的启动1.9他励直流电动机的电气制动1.10他励直流电动机的调速调速目的调速方法直流调速系统运用的可控直流电源2024/1/9第一章直流电动机80调速：人为改动速度的方法可以用机械的方法或电气的方法实现调速电气调速：人为地改动电气参数，有认识地使电动机任务点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了消费需求而对电动机调速进展的一种控制调速与电动机在负载或电压随机动摇时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念十、他励直流电动机的调速2024/1/9第一章直流电动机81为了评价各种调速方法的优缺陷，对调速方法提出了一定的技术经济目的〔1〕调速范围电动机在额定负载下调速时，其最高转速与最低转速之比不同消费机械对调速范围的要求不同1.调速目的2024/1/9第一章直流电动机82〔2〕静差率〔转速变化率〕电动机在一条机械特性上的额定负载时的转速降与该机械特性的理想空载转速之比1.调速目的2024/1/9第一章直流电动机83〔2〕静差率〔转速变化率〕调速范围与静差率两项性能目的相互制约采用同一种方法调速时，静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围假设要求静差率一定时，不同的调速方法其调速范围不同1.调速目的2024/1/9第一章直流电动机84〔3〕调速的平滑性平滑性是指相邻两级转速的接近程度无级调速：转速延续可调，其级数趋于无穷大有级调速：调速不延续，级数有限1.调速目的2024/1/9第一章直流电动机85〔4〕调速的经济性包含两方面内容：一是指调速所需的设备投资和调速过程中的能量损耗二是指电动机调速时可以得到充分利用阅历：1.电枢回路串电阻、降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速2.弱磁调速适用于恒功率负载的调速1.调速目的2024/1/9第一章直流电动机86当电枢电流不变〔负载不变〕时，只需在电枢电压、电枢电路附加电阻、每极磁通三个参数中，恣意改动一个，都能引起转速的变化电枢串电阻调速：操作简一方便，调速范围小，特性变软变电枢电压调速：只能降压调速，特性硬度好，无级调速，调速效率高，可调压电源设备投资较高弱磁调速：操作方便，效率高，调速范围小，转速稳定性差2.调速方法2024/1/9第一章直流电动机87实践消费中往往将弱磁调速和调压调速配合运用调压调速在不同转速下允许的输出转矩恒定，可称为恒转矩调速方法弱磁调速在不同转速时允许的输出功率根本一样，称为恒功率调速方法为了扩展调速范围，直流电动机可以采用调压和弱磁配合控制的混合调速方法，在基速以下坚持额定磁通不变，只调理电枢电压；在基速之上坚持电枢电压为额定值，减弱磁通升速2.调速方法2024/1/9第一章直流电动机88改动电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法调理电枢供电电压或者改动励磁磁通，都需求有专门的可控直流电源常用的可控直流电源有以下两种：静止可控整流器〔如：晶闸管整流安装〕直流斩波器/脉宽调制变换器3.直流调速系统