直流电动机的电力拖动-青岛科技大学--自动化与电子工程学

第四章直流电动机的电力拖动ElectricDriveSystemsofDCMotorDrives第一节他励直流电动机的机械特性第二节他励直流电动机的起动和反转第三节他励直流电动机的调速第四节他励直流电动机的制动本章教学基本要求1.掌握分析直流电动机机械特性及各种运行状态的基本理论和基本运算方法；2.掌握他励直流电动机机械特性、起动、制动及其过渡过程的基本特性；3.了解电枢反应对过渡过程的影响；4.掌握他励直流电动机调速性能指标和直流电动机调速方法本次课程教学重点和难点教学重点:机械特性、直流电动机的起动。教学难点:电力系统的稳定运行。第一节他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程式机械特性：指电源电压U、气隙磁通Φ、电枢回路电阻R均为常数时，电动机产生的电磁转矩T与电力拖动系统的转速n之间的关系，即n=f(T)。•机械特性方程：02022aeeTeaeTeaeTRRUUnTTnnCCCCRRUnCCCRRnTTCC－－－斜率，理想空载转速，转速降硬度：斜率β的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：α越大（β越小），特性越硬，称为硬特性。即T变化时，Δn的变化不大。ddTnnT，1.并(他)励电动机：α较大，称为硬特性。2.串励电动机：α较小，称为软特性。Tn00n差复励他励积复励串励各种直流电动机机械特性二、固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(T)的机械特性，其数学表达式为：式中β称为斜率，Δn为负载时的转速降。002NaeNeTNURnTnTnnCCC－－－固有机械特性三、人为机械特性人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变R或变Φ得到机械特性。1.电枢回路串接电阻时的人为机械特性条件：当U=UN，Φ=ΦN，电枢回路外串电阻RΩ时电枢回路串电阻时的人为机械特性UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特性nn00T(I)TLT2(I2)T1(I2)RaR1AabcdeR2①②③2.改变电动机供电电源的人为特性条件：当UUN，Φ=ΦN，电枢外串电阻RΩ=0时2aeNeTNRUnTCCC－电源电压可调的他励直流电动机降低电枢电压调速的机械特性UfNIfNRf调压电源EanT3.改变磁通时的人为特性条件：当U=UN，ΦΦN，电枢外串电阻RΩ=0时，有2NaeeTURnTCCC－弱磁他励直流电动机减弱磁通的人为机械特性UfNIfNRfEanT(a)接线图RaUNIann00TLTN(b)机械特性n02n0112N12四、电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行的概念：当T=TL，n=f(T)与n=f(TL)有交点称静态平衡，这是稳定运行的必要条件T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。在电力拖动中，为使问题简化均忽略即T0≈0,T=T2=TL。静态平衡示意图nT0TLnTTLn0AnA问题问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?答:(1)要看系统出现干扰后在新的条件下能否平衡。(2)干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果能满足以上两条件，即为稳定运行。例1.电网电压波动nTn=f(TL)0电力拖动系统稳定平衡状态n0AA'BC曲线1(UN)曲线1'(U')TBTLTCn0'UNU'分析系统原工作在平衡点A，这时电网电压向下波动，从UN降到U’，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。负载转矩TL没变，则UN↓→Ia↓→T↓→TTL破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系统沿BA’特性减速，n↓→Ea↓→Ia↑→T↑→到A’点,TA’=TL达到新的平衡状态。电压扰动消失后分析在扰动消失后，U1(U=UN)→Ia↑→T↑→TTL从B’点过渡到C点，TL没变，TTL系统加速。n↑→Ea↑→Ia↓→T↓→系统沿CA特性加速到A点，n=nN时，T=TL，达到原来平衡点A。说明：当UUN，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡(A’点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点(A点)，所以能稳定运行。nT0TLAnn=f(T)n=f(TL)TLT探讨稳定运行条件的示意图平衡稳定运行充要条件：1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点处T=TL处，实现了转矩平衡。2.在交点处有0dndTdndTL－第二节他励直流电动机的起动和反转一、他励直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起动过程。1.系统对起动的要求不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间tst小些，则起动转矩Tst大些。Ist为起动电流，也称为堵转电流(在起动瞬间n=0)。从式T=CTΦIa可知，当Φ一定时，T与Ia成正比，Ist越大，Tst也越大。但起动电流不能太大。否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。Ist不能太大，一般为1.5～2IN，因为T大小是受机械强度限制，T太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。2.降压起动起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到U=(1.5~2.0)INRa，随着转速n的上升，电势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，此时电压U必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持在(1.5~2.0)IN范围内，直到电压升到额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大。3.电枢回路串电阻起动电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使1.5~2.0NstNaUIIRR1）串入恒值电阻起动在电枢回路串入固定的起动电阻RΩ，电机拖动恒转矩负载，在额定磁场下，将刀开关K合向电源使电机起动。缺点：起动时间tst较长，稳态转速ns低，长期串入电阻不经济。电枢回路串入固定电阻起动接线图UfNIfNRfEanTRRa电枢回路串入固定电阻特性曲线2)分级起动(逐级切除起动电阻的起动)为了在起动过程中使电枢和转矩被限制在允许的范围之内，采用分级起动。电枢回路串电阻起动UfNIfNRfM-RaRs1Rs2R1=Ra+Rs1KM1KM2R2=Ra+Rs1+Rs2UN+-(a)接线图(b)机械特性nn00T(I)TLT2(I2)T1(I2)RaR1AabcdeR2①②③逐级切除起动电阻的起动分析起动瞬间，电枢回路总电阻为设λ为电动机的过载倍数，λ=1.5~2.0212assRRRR130,NstUnIIR11N1.5~2.0,1.5~2.0NIITT求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩(T2和TL之差)不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。综合考虑，选I2=（1.1～1.2）IL，则切换转矩T2=（1.1～1.2）TL。电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=3～4，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。3）起动电阻的计算方法解析法计算起动电阻忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变。计算公式如有m级，则通用公式为：式中Rm为最大起动电阻：各段电阻值：mR,mmaaRRR1NmURI11221sasRRRRRR－－讨论m为起动级数，一般取m=3～4,m大，起动平滑，但设备多。I1为起动电流；I2为切换电流，IL为负载电流。111222,1.5~2.0,1.1~1.2NLITIIIIIT由m求时λmaRmRλ由求m时λlnlnmaRRmm取整数，然后代入式中，修正，之后再求各级起动电阻二、他励直流电动机反转两种方法：1.改变电枢绕组端接线；2.改变励磁绕组端接线。第三节他励直流电动机的调速调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。一、调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法。特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动化。3.电气——机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）二、电气调速方法1.降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。2.电枢回路串电阻调速电枢回路串入不同数值的附加电阻，使机械特性斜率β变大，负载转速降变大，导致转速下降。3.弱磁调速减少他励直流电动机的励磁电流If，使每极磁通减少(ΦΦN),导致理想空载转速n0与特性斜率β均增加。在一定负载条件下，转速将增大。注意：调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。三、调速的基本指标1.静差率δ(或称相对稳定性)指同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与理想空载转速n0之比。定义为：0Nnn•电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。•生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率δ%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机床δ≤1%～５%;精度高的造纸机δ≤0.1%•静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，β1=β2，但静差率不同。静差率比较同样硬度的特性，转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要求。不同机械特性对应的静差率2.调速范围D•定义：指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制，nmin受低转速时相对稳定性的限制。NTTnnDminmax不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20～120，龙门刨床：D=10～40,机床进给机构：D=5～200；轨钢机：D=3～120;造纸机：D=3～20等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。调速中的最低转速3.平滑性•用平滑系数表示调速的平滑性，定义即相邻两级转速之比。•在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性。k接近1，平滑性好。通常第i级表示较高的转速，第i-1级表示较低的转速，因此系数k1，显然，调速的级数越多，k越接近于1，调速的平滑性越好。当k=1时，称为无级调速，即在调速范围内，转速可得到任意值。1=iinnk4.调速时允许输出的转矩和功率电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。恒转矩调速调速过程中保持Ia=IN，Ф=ФN=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=TΩ，T=常数Ω↓→P↓,即电动机转速越