第3章直流电机电力拖动.ppt

1、电机与拖动基础,范国伟 安徽工业大学,第3章 直流电动机的电力拖动,电力拖动系统的基本概念 由原动机带动生产机械运转称为拖动。 以电动机为原动机带动生产机械运转的拖动方式称为电力拖动。 电力拖动系统的组成：,电源,电动机,控制,设备,传动机构,工作机构,21电力拖动系统运动方程式,单轴电力拖动系统 ： 电动机转轴直接拖动生产机械运转的系统 三部分在同一轴线上 三部分转速相同 一般指风机、水泵等,电动机,传动装置,（连接器）,生产机械,T,TL,系统运动方程式,在上图的单轴电力拖动系统中 若Td=TL说明系统静止、匀速运动 加速度 Td TL说明系统加速(产生加速度) 加速度 系统运动方程式：

2、在工程上往往不用转动惯量，而用飞轮矩GD2表示旋转体的惯性。 ()回转直(半)径，与物体的半径不同，详见专表。,各物理量正方向的规定,转速n规定某一旋转方向为正，反之为负； T与n正方向相同为正，反之为负； TL与n正方向相反为正，反之为负。 例,22多轴电力拖动系统简化,在实际应用中： 为了满足生产工艺的要求，生产机械的运行速度一般很低； 而电动机为了合理经济地使用材料，制造较高转速的电机。 电机的 P = 2Tn/60 即 P Tn 在P一定时 n T或 n T 而电机的mIs 若使T(或Is) 电机体积增大 因此电动机不直接与生产机械联接(单轴系统)而 需在两者之间加减速机构如减速齿轮箱

3、,蜗轮蜗杆 或皮带轮等传动装置构成多轴系统.,多轴电力拖动系统,由于不同转轴上具有不同的转动惯量和转速, 因而不可能用一个运动方程式来描述整个系统 原则上可列出每根轴自身运动方程式，再列出各轴间互相联系的方程式，最后把这些方程式联立求解，才能分析研究整个系统的运动状况 为了方便起见：我们力图用某一轴的运动来代表整个系统的运动 在工程应用中：通常是把整个系统折算电动机轴上，用电动机轴的运动代表整个系统的运行,一、负载转矩的折算,折算的实质：把系统各个部件的参数折算电动机轴上 折算的原则：要求折算前后系统在能量关系和动力学性能方面是等效的 一、负载转矩的折算 （原则：传送功率不变） 设TL折算到电

4、机轴的等效负载转矩Tdx 则：TdxdTLL/ c Tdx=TL L d c=TL / j c c为整个系统的传动效率，且为各传动部件的传动效率之积c j为系统的传动比，且为各传动部件的转速比之乘积j = j1 j2 j3 j n,二、转动惯量的折算,原则：系统的动能不变 系统总的折算到电动机的动能dxd2/ 2 此总的动能应为各部件动能之和： 工程上用近似计算(认为电机和负载的动能大) 若生产机械负载的飞轮矩也未知,则更简单:,电机轴,第一轴,第二轴,负载轴,且,代入上式化简为：,取1.11.25,=1.151.3,23负载的转矩特性,负载的转矩特性描述的是负载的转矩随转速变化TL=f(n)

5、关系。 包括恒转矩、恒功率、风机类。 1. 恒转矩负载特性 包括反抗性和位能性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载 又称摩擦转矩、反作用转矩 特点： 转矩的方向总是阻碍运动方向， 当运动方向改变时，反抗性转矩的方向随之改变； 但大小（绝对值）不随转速变化； 当n=0时，反抗性转矩的大小、方向是不确定的； 机械特性位于、 象限，且与纵轴平行的直线。,n,T,-TL,+TL,n,TD,n,23负载的转矩特性,位能性负载特性 特点： 由重力作用产生的； 转矩的大小恒定不变； 作用方向也保持不变,当n0时TL0 为阻碍运动的制动转矩， 当n0为帮助运动的拖动转矩； 机械特性是穿过、象限的直线。 起重机的提升机

6、构、 矿井卷扬机等。,n,TL,TL,TL,n,n,23负载的转矩特性,2. 恒功率负载 当n变化时,从电动机吸收的功率基本不变。 K TL = - n 即：P = T 常数 3. 风机类负载 鼓风机、水泵、输油泵等。其转矩与转速的 二次方成正比。即 TL n2 写为：TL=K n2 实际负载可能是几种典型的综合,如实际风机。,n,n,T,T,电力拖动系统稳定运行的条件,电动机的机械特性与负载转矩特性在 Tn 平面上有相交点，是电力拖动系统可能稳定的必要条件；（但不够充分） 稳定运行充分条件：若电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于某种干扰使转速变化，可达到新的平衡。干扰消除后，可回到原来的平衡

7、点位置，则称此系统是稳定的。,电力拖动系统稳定运行的条件,例1:如右图他励直流电机拖动恒转矩 负载时受到电网电压的变化干扰： 原稳定工作在A点 当电网电压U下降，使机械特性偏 移到B点,TTL系统加速， 沿DA上升，恢复到A点稳定工作。此系统属稳定系统。 UTB点T TLnEa Ia=UEa/RT=CTIa T = TL稳定在A点。,T,TL,n,n0,n0,A,B,C,D,判断稳定的方法,不稳定运行的系统 例2：图示差复励电动机机械特性 原在A点平衡运转，因电网电压 扰动引起机械特性变化,平衡点 离开A点： UBT TLnT TLn飞车 UCT TL时系统稳定,或,在 T TL处：,T,TL

8、,n,A,B,C,怎样判断稳定？,例3. 试判断下例系统是否稳定? (a)表示电动机机械特性T的硬度为负值,而负载转矩TL硬度为正值； (b)表示电动机机械特性T和负载转矩TL硬度都为正值； (c)表示电动机机械特性T和负载转矩TL硬度都为负值； 上三系统的交点转速之上：T TL 所以系统不稳定。,(a),(b),(c),(d),(e),(f),T,T,T,T,T,T,TL,TL,TL,TL,TL,TL,M,n,2 4 他励直流电动机的启动,一、直接起动 电枢电流 Ia = (UEa) / Ra 将停转的直流电机直接通入额定电压，瞬间 n =o, Es=o 起始电流 Ia= Ua / Ra =

9、(1020)IaN 由于绕组Rs很小，起动电流很大带来的影响为： 巨大电磁力损坏绕组； 保护装置动作无法起动； 电网电压波动影响其他设备； 换向恶化； 冲击力大，损坏传动装置。 因此，直流电动机是不允许直接起动。,他励直流电机的起动方法,在直流电机起动时： 电枢的电流 起动时若降低启动电流,需降压或加大Ra 降低电枢电压； 增加电枢回路电阻电枢中串电阻。,起动方法, 降压起动,同步上升,Ia,2IL,IL,实际,n,n0,T,TL,2TL,U Ra,电机启动时降低供给电枢起始电压，可防止过大起动电流； 随电机转速升高，反电势Ea亦上升，逐渐同步增加电压，可保证起动过程中电枢电流不超过允许值。,

10、 串电阻起动（串一级电阻起动）,Ia= UNRa+R 在电枢回路串电阻后能降低起动电流，但串一级 电阻往往不能在限定电流条件下切换到固有特性。 问题：、串电阻值小，启动电流仍很大； 、串电阻值大,升速慢,切换后电流仍很大； 一般采用多级电阻起动。,n,T,TL,T1,固有,三、串多级电阻起动的计算,一般选 T1= TN（ = 1.52.5) T2 = (1.11.2) TL ; 使用电机时选= (1.11.2) TL 先选择起动级数m , 再计算:（其中Rm=Ue1） R1= a 每段所串电阻1=R1RS R2= 2a 2=R2R1 . Rm= ma m=RmRm-1,U,Rs,R2,R1,R

11、3,R1,R2,R3,1C,2C,3C,n,A,T,T1,T2,TL,计 算 题,例1、一台直流电机PN=10KW，UN=220V，nN=1500r/min，IN=53.8A。试求：直接起动时的Ia；限制Ia100A应串最小电阻值? TL=TN恒转矩负载、降压起动时最初起动电流Ist=?最小电压Umin=?,解：,估算,分 析 题,例2、一台他励直流电机,起动前励磁绕组断线。 但末发现空载起动和满载起动各会产生什么后果？ （原因励磁回路通电后，没注意观察有否电流， 就合电枢回路电源） 解： 空载时起动会导致飞车,剩磁 愈小特性愈陡n愈大； TL=TN时起动不了,停转时通 电时间长了会烧坏绕组。

12、,n,n0,n0,T,T0,固,弱磁人为特性,TN,2 5 他励直流电动机的调速,根据直流电机转速方程： 式中 n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ce 由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。,电力拖动系统的调速指标,机械调速有级调速,需停机不方便 电气调速无级调速,易实现自动化 1调速范围 相对稳定性：指负载转矩变化下转速变化的程度. 转速变化愈小,相对稳定性愈好. 不同生产机械对D的要求是不

13、同：车床D20120；龙门 刨床D20120；造纸机D320；轧钢机D3120。,生产机械速度调节,受机械强度、换向等限制,受相对稳定性的限制。,电力拖动系统的调速指标,2、静差率（相对稳定性） 电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。 固有特性 串电阻人为特性均不相同 变电压人为特性 1= (800-700)800 = 0.175 2= (200-100)200 = 0.5 3= (800-100)800 = 0.875 结论：静差率越小，相对稳定性越高； 低速特性的大于高速特性,因此只要低速时稳定,高速时 一定是稳定的； 一般设备 0.5、机床 0.7、要求最高的是造纸机 0

14、.01,800,400,200,电力拖动系统的调速指标,、平滑性：在一定调速范围,调速的级数愈多则认为调速愈平滑 值愈接近时，则平滑性愈好。 时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,电力拖动系统的调速指标,、调速时功率与转矩的配合（或调速时的容许输出） 允许输出的功率与转矩指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。 例：一台直流电机,当= e,Is=Ie,在此条件下允许输出的转矩Me=Cme Ie；允许输出的功率(n=ne)Pe=Me e，以上为电机长期工作的允许值。 、调速的经济指标（设备投资、运行费用、能量损耗、维修费用） 电动机

15、轴上功率 调速时的损耗功率,他励直流电动机的调速,一、电枢串电阻调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程：增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 此方法：调速指标不高 调速范围不大(空载时调速作用小低速时特性软)； 调速的平滑性不高,为有级调速； 大量电功率消耗在所串电阻上； 此调速方法属恒转矩调速。 优点是：方法简单,控制设备不复杂,n,nN,n1,n2,T,TN,T0,Rs,R1,R2,他励直流电动机的调速,二、降低电枢电压调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 降压调速的特点：

16、低速与高速相同，但变大； D大调速范围宽； 无级调速，平滑性好； 恒转矩调速（同串电阻）； 能耗小，初投资，不易维护。 此种调速被认为是直流电机的最佳方式,n,nN,n1,n2,T,TN,他励直流电动机的调速,三、弱磁调速 调节励磁电流 改变 当减弱时，n0n 从而达到调节电动机的转速目的。 弱磁调速的特点： 调速范围不大,一般,特殊设计 的调磁直流电机的34； 弱磁调速时n0增大,n亦有所增大, 静差率基本保持不变,稳定性好。 励磁电流可连续调节，平滑性好，可无级调速。 调速时允许的Is不变，允许输出的转矩T=CT Ia随磁通减少，而转速升高；PTN则基本不变，故属恒功率调速。 弱磁调速只能

17、将转速向上调，而转速的上升受换向和机械强度限制,n,nN,n1,n2,T,TN,固,2,1,N,N12,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以 调压调速为主。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不

18、控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,26 他励直流电机的制动运行,什么叫制动？制动包括哪几种情况？ 所谓制动：就是使拖动系统从某一稳定转速减速或至停止；或者限制位能性负载的速度（吊车下放重物，电机车下坡行驶等）使其在某一转速下稳定运行。 当电动机拖动的生产机械需减速停车时,需要产生一个与旋转方向相反的转矩来进行制动 机械制动利用机械摩擦获得制动转矩(抱闸)。 电气制动使电机的电磁转矩与旋转方向相反, 而成为制动转矩。 电气制动没机械磨损，容易实现自动控制，应用广泛主要介绍。,制动方法,制动的特点和分类,电动机制动运行的主要特点是电磁转矩的方向与转速方

19、向相反。 T T 能耗制动 制动方法反接制动 回馈制动,电动状态,制动状态,同方向,反方向,电压反接制动 转速反转反接制动,一、能耗制动,能耗制动:指运转的电机断开电源后, 将系统的动能消耗在电阻上,同时产生 制动转矩使电机尽快地停转。 能耗制动的开始,K接触器 线圈失电,常开触点打开(断开 UN),常闭触点闭合,由于断电 瞬间不能突变,旋转的电枢 绕组切割主极磁场,产生感应 电势Ea,通过Rn构成闭合回路的电流IA,消耗系统的动能。 此时Ia与原接通N时的Ia方向相反，产生制动转矩T与方向相反而成为制动转矩，使电机很快停车。,能耗制动的分析,机械特性方程变成： T (Ra+Rn)/CeCm2

20、 为通过原点位于二、 四象限的直线。 直线斜率决定于串接Rn的大小 制动电流决定于串接Rn的大小,TN,n,A,T,Mfz,Rs,Rn2 Rn1 Rs,Rn2,Rn1,能耗制动的分析,带反抗性恒转矩负载的能耗制动（电机制动至n=0） nEaIaT0 TL0 带位能性恒转矩负载的能耗制动（电机制动至nc） 从B点到原点同上,当T 而 TL为正 能耗电阻的计算 (=22.5) na INa INa,n=0 停车 (稳定在原点),n反向上升,直至稳定在nc,n,nc,T,TL,TL,TN,C,A,B,能耗制动的注意事项,注意： 高速运行时进行能耗制动，电枢回路一定要串限流电阻Rn,否则电枢电流 Ia

21、IN(造成影响与直接起动相似) 为达到快速停车的目的，可采用两级能耗制动，即为特性上降到nB点时，为了再次增大制动转矩，减少所串电阻Rn，使其转到特性加快制动至停止。,TL,T, TN,nB,A,TB,能耗制动的应用： 反抗性负载准确停车 位能性负载稳速下放,二、反接制动,、电压反接制动（将电枢电压 极性反向，而激磁电流不变） 在电机电动运行状态时，改变 电枢所加电压极性,即变为负, 为了防过大电流,同时在电枢回路 中串入限流电阻Rf，此时： 电流变为负值,电磁转矩亦变为 负,与n转向相反,进入制动状态。 从机械特性方程上:,n,-n0,T,TL, TN,A,B,D,带不同负载的反接制动,带反

22、抗性恒转矩负载的电压反接制动 制动至0或稳定至-nE 若 -TD -TL反向起动至-nE 带位能性恒转矩负载的电压反接制动(电机高速下放重物） 电机制动到n=0,-TD TL 反向起动; 到n=-n0,仍TD TL 被拖至-nc稳定运行 制动电阻的计算,电机制动到n=0时,n,T,TN,TL,-TL,-TD,A,B,C,D,E, 一般取22.5,、转速反向反接制动 (电势反接制动 ),这种制动通常应用在起重机下放重物：电动机正向接通 电源，其转矩方向拟使重物提升, 但由于电枢串电阻R电 阻过大,使电机的起动转矩TstTL，被TL被倒拖向反转， 稳定运行于- nc。 此时T与电动状态相同为正,而

23、n为 负-称区间为转速反向反接制动,n,T,TL,A,B,C,D,nc,电阻计算:,三、回馈制动,特点：除n与M反向,还nn0 可能出现的情况: 降压调速过程中 电机原带TL稳定工作在A点 (电动状态)电压的降落由于n 不能突变,从特性移到的 B点;此时nAn0且TB为负(BC区 间处回馈制动状态)。,n,n0,n0,T,TL,A,B,C,回馈制动出现情况,高速下放重物 在上述电压反接制动(BD区间) 中,反向电动到-n0时TD-n0且TD 为正,故电机进入回馈制动。 回馈制动共同特点是：将机械能(动能和位能)变换为电能,同时消耗在电枢回路的电阻上和大部分回送电网。,n,-n0,T,TL,A,B,C,E,27 直流电力拖动系统的过渡过程,静态特性：同一时间里转矩（或电流）和转速相互关系：n=f(T) 亦称机械特性 动态特性：生产机械及电动