电力拖动基础 第四章

电力拖动基础第四章他励直流电动机的运行Contents本章目录电力拖动基础·第四章他励直流电动机的运行原理与控制方法01电力拖动系统基础02他励直流电动机的机械特性03他励直流电动机的启动04他励直流电动机的调速05他励直流电动机的制动CHAPTER01电力拖动系统基础运动方程与负载转矩特性分析Chapter04·系统组成电力拖动系统的组成电力拖动系统由电源、控制设备、电动机、传动机构和生产机械五个核心部分组成，各部分协同配合实现电能到机械能的转换与控制。理解系统组成是分析运动方程和运行特性的前提。能量供给与控制电源：为电动机提供直流或交流电能，是系统的能量来源控制设备：包括开关、接触器、变流器等，实现电动机的启动、停止、调速和制动控制5大组成能量转换与传递电动机：系统的核心，将输入的电能转换为旋转的机械能输出传动机构：包括齿轮、皮带、联轴器等，传递动力并实现转速和转矩的匹配5大组成终端执行生产机械：系统的最终负载，如机床、起重机、风机、水泵等，完成具体生产任务协同运行：五大组成部分紧密配合，确保系统高效稳定地完成电能到机械能的完整转换5大组成电力拖动基础·第四章电力拖动系统运动方程运动方程式T-TL=(GD²/375)·(dn/dt)是分析电力拖动系统动态行为的核心工具，通过电磁转矩与负载转矩的关系判断系统的运行状态，是后续分析启动、调速、制动过程的理论基础。01转矩平衡关系：电磁转矩T减去负载转矩TL等于惯性转矩，决定了系统加速、减速或恒速运行。T−TL02飞轮矩GD²：反映旋转部分的惯性大小，单位为N·m²；375为常数，由重力加速度和单位换算得出。GD²03运行状态判断：当T=TL时dn/dt=0，系统稳态；T>TL时加速，T<TL时减速，处于动态过渡过程。dn/dt旋转机械动力学分析·工程示意图CHAPTER04·SIGNCONVENTION运动方程中转矩正负号规定正确的转矩正负号规定是应用运动方程的前提。以电动状态旋转方向为正方向，电磁转矩与转速同向为正、反向为负；负载转矩与转速同向为负、反向为正，体现了驱动与阻碍的物理本质。01确定正方向：以电动机处于电动状态时的旋转方向作为转速n的正方向，建立统一的坐标参考系，其他物理量的正负均以此基准进行判定⚙️这是后续所有符号规定的逻辑起点02电磁转矩T：与转速n正方向相同时取正值（驱动作用，促使系统加速），方向相反时取负值（制动作用，促使系统减速）➡️同向为正，体现电动机的主动驱动特性03负载转矩TL：与转速n正方向相同时取负值（阻碍运动），方向相反时取正值，符号规定与电磁转矩恰好相反⬅️同向为负，体现负载的被动阻碍特性04惯性转矩判定：由T与TL的代数和决定系统运动状态——T−TL>0时加速，T−TL<0时减速，T−TL=0时稳态运行⚖️代数和直接反映动态平衡关系电力拖动基础·第四章恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩大小与转速无关的负载类型，分为反抗性和位能性两种。反抗性负载转矩方向随转向改变，位能性负载转矩方向固定不变，两者在制动分析中有不同的表现。反抗性恒转矩负载负载转矩方向始终与运动方向相反，起阻碍运动作用，如摩擦力、机床切削力等当电动机反转时，负载转矩方向也随之改变，特性曲线关于原点对称分布典型应用：传送带、搅拌机等摩擦类负载，转矩大小恒定但方向随转向变化位能性恒转矩负载负载转矩由重力产生，方向固定不变，与运动方向无关，如起重机提升重物提升重物时负载转矩阻碍运动，下放重物时帮助运动，特性曲线位于一、四象限典型应用：起重机、电梯、卷扬机等位能性负载，需要考虑制动和安全下放问题ProductionMachineryLoad恒功率与风机泵类负载特性恒功率负载转矩与转速成反比，特性曲线为双曲线；风机泵类负载转矩与转速平方成正比，特性曲线为抛物线。不同负载特性对电动机选型和调速方式选择有重要影响。数控车床主轴加工·恒功率负载典型场景恒功率负载特性01负载转矩TL与转速n的乘积为常数，即TL×n=常数，负载功率保持恒定不变02特性曲线为双曲线：低速时转矩大，高速时转矩小，符合切削加工的实际需求03典型应用：车床、铣床等机床主轴驱动，粗加工时低速大切削力，精加工时高速小切削力工业离心风机设备·风机泵类负载典型场景风机泵类负载特性01负载转矩TL基本上与转速n的平方成正比，即TL∝n²，特性曲线为抛物线02低转速时负载转矩很小，随着转速增加转矩迅速增大，符合流体力学规律03典型应用：离心风机、水泵、压缩机等流体机械，是工业中数量最多的负载类型Chapter02他励直流电动机的机械特性固有特性与人为特性的分析与计算DCMOTORMECHANICALCHARACTERISTIC机械特性方程他励直流电动机的机械特性方程n=n₀-βT表明转速与转矩呈线性关系，其中理想空载转速n₀=U/(CeΦ)，斜率β=(Ra+R)/(CeCTΦ²)，是分析电动机各种运行状态的理论基础。n=U/(CeΦ)−(Ra+R)/(CeCTΦ²)·T机械特性方程描述转速n与电磁转矩T之间的线性关系，是分析直流电动机运行性能的核心数学模型n=n₀−βT理想空载转速T=0时的转速，与电枢电压U成正比，与磁通Φ成反比，是机械特性曲线的纵轴截距n₀=U/(CeΦ)特性斜率反映机械特性软硬程度，β越小特性越硬，转速随负载变化越小，运行稳定性越好β=(Ra+R)/(CeCTΦ²)转速降落负载增加时转速的下降量，与电磁转矩T和电枢回路总电阻成正比，决定调速范围Δn=βTInherentMechanicalCharacteristic固有机械特性固有机械特性是电动机在额定电压、额定磁通、电枢不串电阻条件下的自然特性，是电动机最硬的特性曲线。01固有特性的三个条件：电枢电压为额定值UN、励磁磁通为额定值ΦN、电枢回路不外串电阻。02固有特性斜率最小：β=Ra/(CeCTΦN²)，由于Ra很小，特性很硬，转速变化率通常只有3%-8%。03额定工作点：UN、IN、ΦN对应的运行点，此时电动机输出功率为额定功率，效率和温升均在设计范围内。直流电动机铭牌·额定参数标识CHAPTER04·直流电动机人为机械特性人为机械特性通过改变电枢电阻、电压或磁通获得。串电阻使特性变软、降压使特性平行下移、弱磁使特性上移且变软。电枢串电阻特性01保持UN和ΦN不变，串联外加电阻R，斜率β=(Ra+R)/(CeCTΦN²)增大02理想空载转速n₀不变，特性变软，相同负载下转速降落Δn增大β增大·特性变软降低电枢电压特性01保持ΦN不变且不串电阻，降低电枢电压U，n₀=U/(CeΦ)按比例降低02斜率β=Ra/(CeCTΦN²)不变，各条特性互相平行，位于固有特性下方β不变·平行下移减弱磁通特性01保持UN不变且不串电阻，减小励磁电流使磁通Φ降低，理想空载转速n₀升高02斜率β与Φ²成反比，磁通减小使特性变软，机械特性位于固有特性上方n₀升高·特性变软CHAPTER04·ENGINEERINGMETHOD机械特性的工程计算与绘制利用电动机铭牌数据（UN、IN、nN、PN）可以计算机械特性参数并绘制特性曲线。关键步骤包括计算电动势常数、确定理想空载点和额定点，两点连线即可得到固有特性。计算电动势常数CeΦN=(UN−IN·Ra)/nN，其中Ra可根据经验公式估算或实测获得CeΦN确定理想空载点n₀=UN/(CeΦN)，T=0；这是特性曲线与纵轴的交点T=0确定额定工作点n=nN，TN=9.55·CeΦN·IN；电动机设计的最佳运行点9.55绘制特性曲线连接理想空载点和额定工作点，即可得到固有机械特性直线n–T曲线CHAPTER03他励直流电动机的启动启动方法与启动电流限制策略Chapter04·直流电动机启动直接启动及其问题直接启动时，由于反电动势为零，启动电流可达额定电流的10-20倍，会造成换向困难、设备损坏和电网波动等严重问题。除微型电机外，一般直流电动机不允许直接启动。直流电动机换向器与电刷实拍01启动电流计算：Ist=UN/Ra，由于电枢电阻Ra很小，启动电流可达额定电流的10-20倍10–20×02电流过大的危害：换向器产生环火烧毁电刷、电枢绕组产生过大电磁力损坏绝缘、引起电网电压波动影响其他设备03转矩过大的危害：启动转矩Tst=CTΦN·Ist也成倍增大，产生过大加速度，损坏机械传动部件结论：除微型直流电动机（自身电枢电阻较大）外，一般直流电动机不允许直接启动第四章·直流电动机启动电枢回路串电阻启动电枢串电阻启动通过串联电阻限制启动电流，随着转速升高分段切除电阻。这种方法简单可靠、成本较低，但启动过程有能量损耗在电阻上，适用于中小容量电动机的启动。启动电阻计算Rst=UN/(λ·IN)−Ra，其中λ为启动电流倍数，通常取1.5–2.5倍额定电流。λ=1.5~2.5分级启动原理启动时接入全部电阻，随转速升高分段切除，使电流在Imax和Imin之间波动。分段切除切换电流选择最大电流Imax=(1.5–2.5)IN保证足够启动转矩，最小电流Imin=(1.1–1.3)IN保证继续加速。Imax/Imin优缺点分析设备简单、成本低，但启动过程有能量损耗，启动时间较长，不适用于频繁启动场合。中小容量CHAPTER04·直流电动机启动降低电枢电压启动降压启动通过可控电源逐渐升高电枢电压，实现平滑无级启动。启动电流可精确控制，能量损耗小，配合晶闸管整流装置是现代大容量直流电动机启动的主流方法。Ust=Ist·Ra启动电压计算—Ist为允许的启动电流，通常取额定电流的1.5–2倍，据此确定初始施加电压。VOLTAGERAMP升压过程—随转速升高、反电动势增大，逐步升高电枢电压以维持恒定启动电流，直至达到额定电压。THYRISTOR实现方式—采用晶闸管可控整流电源，通过调节触发角实现电压连续平滑调节。PROS&CONS优缺点—启动平稳、电流可控、损耗小、可频繁启动；但需要专门的可调压电源设备。晶闸管可控整流电源装置·工业电气设备实拍CHAPTER04他励直流电动机的调速调速指标与各种调速方法分析SPEEDREGULATIONMETRICS调速的技术指标调速性能由调速范围、静差率、平滑性和经济性等指标综合评价。调速范围反映调速能力，静差率反映转速稳定性，不同生产机械对各指标要求不同，需根据实际需求选择调速方法。调速范围D电动机在额定负载下，最高转速nmax与最低转速nmin之比，反映调速能力的大小。D=nmax/nmin静差率δ某一转速下空载转速n₀与满载转速n之差与空载转速的比值，反映转速稳定性。δ=(n₀−n)/n₀范围与静差率的制约两者相互制约——静差率要求越严格，可实现的调速范围就越小，设计时需综合权衡。D=nmax·δ/(nN·(1−δ))平滑性与经济性平滑性指转速能否连续调节：无级调速平滑性好，有级调速平滑性差；经济性需兼顾设备投资与运行能耗。无级/有级直流电动机调速方法电枢串电阻调速电枢串电阻调速通过在电枢回路串联可变电阻实现向下调速。方法简单、成本低，但特性变软、静差率大、能量损耗高、效率低。适用于对调速性能要求不高的起重机、电车等场合。01调速原理：保持UN和ΦN不变，增大电枢回路电阻R，特性斜率β增大，相同负载下转速降低02调速方向：只能在额定转速以下调速（向下调速），最低转速受静差率限制，调速范围一般为2–3范围2–303调速性能：特性变软，静差率大，转速稳定性差；有级调速时平滑性差，无级调速可实现连续调节04经济性：串电阻上有较大功率损耗，效率η=n/n₀，低速时效率很低，不适用于长期低速运行η=n/n₀起重机调速控制设备·电枢串电阻调速典型应用场景直流电动机调速方法降低电枢电压调速降压调速通过降低电枢电压实现向下调速，特性硬度不变、静差率小、调速范围大。配合晶闸管电源可实现平滑无级调速，是大容量直流电动机调速的主流方法，广泛应用于精密机床、轧钢机等领域。调速原理保持ΦN不变，降低电枢电压U，理想空载转速n0降低，特性曲线平行下移，转速随之下降。n₀↓调速方向只能在额定转速以下进行向下调速，调速范围可达10以上，受静差率指标限制。D≥10调速性能特性硬度不变，静差率小，转速稳定性好；可实现平滑无级调速，整体调速性能优良。无级调速经济性需配备专门可调压电源（如晶闸管整流装置），设备投资较大，但运行效率高、能量损耗小。高效率第四章·直流电动机调速减弱磁通调速弱磁调速通过减小励磁磁通使转速升高，是唯一能在额定转速以上调速的方法。调速范围受机械强度和换向限制，常与降压调速配合构成双域调速系统，获得宽广的调速范围。机械特性曲线对比Φ减小→n₀升高，特性斜率增大轧钢机生产线——双域调速系统的典型应用场景01调速原理：保持UN不变，减小励磁电流使磁通Φ降低，理想空载转速n₀升高，转速上升02调速方向：只能在额定转速以上调速（向上调速），最高转速受机械强度和换向火花限制03调速范围：一般为1.2–2，特殊设计电机可达3；特性变软，但额定转速附近静差率仍可接受04双域调速：基速以下降压、基速以上弱磁，总调速范围可达20–40，广泛应用于轧钢机等Chapter05他励直流电动机的制动能耗制动、反接制动、回馈制动与倒拉反转CHAPTER04·ELECTRICDRIVE制动的基本概念与分类制动是使电动机产生与转向相反的电磁转矩，实现减速或限速运行的过程。根据能量处理方式，分为机械制动和电气制动两大类。制动的本质电磁转矩T与转速n方向相反，系统动能被消耗或转化为其他形式能量，实现减速控制T·n反向机械制动利用电磁抱闸等机械装置将动能转化为热能消耗，结构简单可靠，主要用于停车后的位置保持摩擦制动能耗制动电枢断开电源后接入制动电阻，动能转化为电能并在电阻上消耗，制动过程平稳可控电阻消耗反接制动改变电枢电压极性使转矩反向，制动转矩大、停车迅速，但需注意防止反向启动，适用于紧急制动电压反接回馈制动电动机作为发电机运行，将动能转化为电能回馈电网，能量利用率高，经济性好，适用于下坡工况回馈电网CHAPTER04·电气制动能耗制动能耗制动将电枢从电源断开并接入制动电阻，系统动能转化为电能消耗在电阻上。制动平稳但低速时效果弱，适用于一般减速制动场合。01操作方法断开电枢电源，将电枢两端接入制动电阻Rb，励磁保持不变，电动机进入发电状态。操作时需先切断电源再接入电阻，防止短路。02制动原理惯性使电动机继续旋转，反电动势Ea使电流反向，产生与转向相反的制动转矩。转矩大小与转速成正比，转速越高制动效果越显著。03能量转换系统动能→电能→热能，全部消耗在电枢电阻Ra和制动电阻Rb上，不回馈电网。能量以发热形式散失，制动电阻需要良好的散热设计。04制动电阻选择Rbmin=EaN/(Imax−IN)−Ra，电阻越小制动越快，但受最大允许电流Imax限制。实际选用需兼顾制动时间与设备安全，通常留有裕量。制动电阻器·能耗制动核心元件第四章·电力拖动基础电源反接制动电源反接制动将电枢电压反接并串入限流电阻，电源电压与反电动势同向叠加，产生很大制动转矩。制动迅速但能量消耗大，适用于快速停车或频繁正反转的生产机械。操作方法保持励磁不变，将电枢电压极性反接，同时串入限流电阻Rb限制制动电流。极性反接制动原理反接后电源电压−UN与反电动势Ea同向，电流I=(−UN−Ea)/(Ra+Rb)反向且数值很大。同向叠加能量转换电源输入电能与系统动能全部消耗在电枢电阻和制动电阻上，能量损耗在所有制动方式中最大。损耗最大制动电阻计算Rb,min=(UN+EaN)/Imax−Ra，比能耗制动大一倍，即Rb,min(反)=2Rb,min(能)。2×阻值第四章·直流电动机制动电动势反接制动（倒拉反转）倒拉反转运用于位能性负载稳定下放重物。电枢串入大电阻后，在重力作用下电动机反向旋转，反电动势反向与电源同向，电磁转矩起制动作用限制下放速度。01应用场合：他励直流电动机拖动位能性负载（如起重机），需要稳定下放重物时使用02操作方法：保持电枢电压和励磁不变，在电枢回路串入较大电阻Rb，使机械特性变软03制动过程：串电阻后转速下降，当转速为零时电磁转矩仍小于负载转矩，重物拉动电动机反转04稳定运行：反转后反电动势反向，与电源电压同向，电磁转矩正向起制动作用，限制下放速度起重机下放重物作业—倒拉反转制动的典型应用场景第四章·电气制动回馈制动回馈制动发生在转速超过理想空载转速时，电动机作为发电机运行，将动能转化为电能回馈电网。经济性最好，但只能在n>n₀时发生。发生条件n>n₀·Ea>U转速超过理想空载转速，反电动势大于端电压，电流反向，电磁转矩反向起制动作用。能量转换动能→电能系统动能或位能转化为电能并回馈给电网，是所有制动方式中经济性最好的一种。正向回馈降压调速过渡降压调速时由于机械惯性，转速暂时高于新的理想空载转速，产生回馈制动使转速平稳下降至新稳态。反向回馈|n|>|n₀|位能性负载下放重物时，电动机反向加速至转速绝对值超过理想空载转速，进入反向回馈制动稳定运行。CHAPTER04·COMPARISON反接制动与能耗制动比较反接制动与能耗制动各有特点：反接制动转矩大、停车快，但电阻大、能耗高、不易准确停车；能耗制动平稳、易控制，但低速时制动效果弱。应根据具体应用需求选择合适的制动方式。制动电阻与特性01相同最大电流下：Rbmin(反)=2Rbmin(能)，反接制动需要更大的制动电阻2×02特性斜率：β(反)=2β(能)，反接制动的机械特性比能耗制动更软2×斜率03制动转矩：在整个停车过程中，反接制动的电磁转矩始终大于能耗制动始终更大制动效果与应用01停车速度：反接制动转矩大，停车更迅速；能耗制动转矩小，停车相对较慢停车更快02准确停车：能耗制动到零转速时自动停止；反接制动到零转速必须切断电源，否则反转自动停止03频繁正反转：反接制动可使正向停车和反向启动连续进行，缩短过渡过程时间连续进行CHAPTER04·直流电动机制动四种制动方式综合对比四种制动方式各有适用场合：能耗制动平稳简单、反接制动快速有力、倒拉反转限速下放、回馈制动经济节能。实际应用中需根据负载特性、