第二、第四章 直流电机的电机拖动

1、1. 电力拖动的动力学基础； 2. 他励电动机的机械特性； 3. 他励直流电动机的起动； 4. 他励直流电动机的制动； 5. 他励直流电动机的调速；,第二、第四章 直流电机的电机拖动,电力拖动系统的动力学基础,以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械， 称为电力拖动。,基础,运动方程：,g： 重力加速度， 9.8米/秒2；GD2：系统的飞轮矩（牛米2）； n： 转速（转/分）；M、MZ：转矩（牛米）,注意：GD2是一个完整的符号;M、MZ具有方向性， 与转速方向一致为正。,多轴系统的运动方程,系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴， 称为多轴系统。,对多轴系统的分析，通过把多轴系统

2、折算为等效的单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行简化。,折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变。,负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等,负载转矩的大小与速度无关，但其方向始终与转向相反,负载转矩特性,反抗性恒转矩负载,位能性恒转矩负载,恒功率负载,通风机型负载,转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变,负载的功率为常数，不随转速的变化而改变,负载的转矩与转速的平方成正比,稳定运行条件,电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。,平衡点稳定点？P20,稳定点：在受到外界扰动后， 仍能还原的点。,稳定点的条件：,他励

3、直流电动机的机械特性,直流电动机的基本方程式：,电磁转矩：,感应电动势：,电枢回路电势平衡式：,电动机转速特性：,机械特性一般表达式：,他励直流电动机的固有机械特性,当UUN， N，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。,分析：,1. 电磁转矩越大， 转速越低， 机械特性是一条下斜直线；,固有机械特性分析,2. 当转矩等于零点， 为理想空载转速。此时Ia0， EaUN， 是一种理想工作状态。,3. n0为电动机的实际空载转速， 比n0略低。对应于空载转矩。,4 为机械特性斜率。增大， 也增大。 通常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性。,固有机械特性分析,5.

4、额定转速变化率 ，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。,6. nn0时为发电机状态，此时 EaU, Ia反向， Ea与Ia同向， 向电网送出电功率。,7.堵转点。 此时 电枢电流： 为短路电流； 电磁转矩： 为电机堵转转矩。,人为机械特性分析,有三种人为机械特性：,（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；,（2）改变端电压时的人为机械特性；,（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；,电枢回路串电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的nf（Mem）关系。,对于给定的Rc，为常数。,电枢回路串电阻的人为机械特性,电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速

5、n0与固有机械特性的n0相同；,（2）斜率 ，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。,改变端电压时的人为机械特性,保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。,表达式：,一般都为降低的电压。,改变端电压时的人为机械特性,改变端电压人为特性的特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。,（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。,减弱电机主磁通的人为机械特性,保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。,表达式：,额定时，接近饱和，一般都

6、为减弱的磁通。,N N,减弱电机主磁通的人为机械特性,减弱电机主磁通人为特性的特点： （1）由于 N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。,（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。,人为特性的几点补充,（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。,（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，MemN),（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性,他励直流电动机的起动,直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程， 称为起动过程。,对电动机起动的基本要求：,（1）起动转矩要大；,（2）起动电流要小；,（3）起动设备要简单、经济、可靠。

7、,（1）他励直流电机直接起动：,将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。,优点：操作简单，无需另加设备。,缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。,将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。,（2）电枢回路串变阻器起动,电枢回路串变阻器起动,起动电流,将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:,（1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra； （2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻； （3）决定起动电阻级数 （4）计算起动电流比。,降压起动,开始时，降低端电压， 使Ia(1.52.0)IN, Mem=(1.

8、52.0）Mem。 随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。,优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。,缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。,直流电动机的调速,改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速。,人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电气调速。,电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。,直流电动机调速,直流电动机的转速公式：,直流电动机的调速方法：,（1）改变励磁电流从而改变磁通；,（2）改变施加在电枢两端的电压U

9、；,（3）改变串入电枢回路的调节电阻；,改变励磁调速,改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速， 所以又称弱磁调速。,弱磁调速：保持UUN，Rj0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。,If1If2,从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。,弱磁调速的过程,If减小瞬间,弱磁调速,调速前后的量：,（1）假定负载转矩不变，,(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化,（3） 恒转矩负载， ， 基本不变,P2=T ,弱磁调速特点,优点：设备简单，调节方便，能耗小。(If较小，I2rf也较小) 缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电流变大，

10、换向变坏， 出现不稳定。,改变端电压调速207,保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的， 称为降压调速。,U1U2U3,电压越低， 转速越低， 调速方向从基值往下调。,调节过程: (留为作业）,（1）降压的人为特性是一些与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。,（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大。,（3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无级调速。,（4）调节过程能量损耗小。,调压调速的特点：,改变电枢回路电阻调速,保持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速

11、电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。,串入电枢回路的电阻越大， 转速越低。,电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。 电枢回路串电阻调速的方法， 只能从基速往下调。,串电枢电阻调速,该调速的特点：,（1）设备简单、操作方便。,（2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。,（3）由于电阻的不连续调节， 因此速度调节不平滑， 属有级调速。,（4）电枢电流在（外部电阻Rc）上消耗的能量大， 调速时效率低。 效率与转速成正比。,调速性能指标,（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最高转速与最低转速之比。用D表示。,（2

12、）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越小， 转速的相对稳定性越好。,（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比。,（4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。R与U属于恒转矩调速，弱磁属于恒功率调速。,（5） 经济性,电动机调速时的容许输出,在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输出的功率和转矩称为， 调速时的允许输出功率和转矩。,(1)调压调速的允许输出,降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。,在整个调速范围允

13、许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。 允许输出功率与转速成正比。,弱磁调速时的允许输出,弱磁调速时，保持电流IIN,弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为常数， 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比。,负载类型与调速方式的配合,恒转矩负载,恒功率负载与调速方式的配合,恒功率负载,直流电动机的制动,直流电动机的两种运转状态：,（1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电能， 并转变为机械能带动负载。,（2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运

14、行。,直流电动机的制动,断开电源,抱闸,能耗制动,反接制动,回馈制动,能耗制动的方法和原理,保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至RT， 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。,参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRT,实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动。,能耗制动时的机械特性,能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：,制动过程：,反抗性负载停车,位能性负载稳速下放,能耗制动的特点,能耗制动的特点：,（1）操作简单，停车准确,（2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；,（3）低速时制动转矩

15、小，停转慢；,（4）动能大部分都消耗在制动电阻上。,制动初瞬的最大电流：,制动电阻：,反接制动,反接制动,转速反向的反接制动,If及端电压UN不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的RT，可得到不同的稳定转速。,电压平衡式：,机械特性：,转速反向的反接制动,能量关系：,U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；,Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；,UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻RaRT上。,电枢反接的反接制动,保持If不变， 将开关向下合闸， 使电枢经制动电阻RT而反接于电网上。,参数特点： N， UUN。 R=Ra+RT.,电枢反接的反接制动,机械特性：,能量关系：,从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上。,电枢反接的反接制动,特点： （1）可以很快使机组停机。 （2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流； （3）转速至零时， 需切断电源。,回馈制动207,当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压， 电机进入发电状态， 电磁转矩起制动作用， 限制转速上升， 位能转换为电能， 回馈到电网。 (分反向和正向回馈制动P86）,（3）回馈制动DE,反向回馈制动,反向回馈时， 电机实际转速方向与电压反向后的理