第四章他励直流电动机的运行.

第四章他励直流电动机的运行4.1他励直流电动机的启动4.2他励直流电动机的调速4.3他励直流电动机的电动和制动运行回忆——他励直流电动机的机械特性机械特性方程式固有与人为机械特性机械特性的绘制电力拖动稳定运行的条件实例机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系n=f(T)，其中：T是指电磁转矩；机械特性是电动机机械性能的主要表现；电动机工作在电动状态时T=Td＋T0；T：电磁转矩；Td：电动机轴上的输出转矩；T0：电动机空载转矩。在运动方程式T-Tz=JdW/dt中若T为电磁转矩，则Tz为负载转矩与空载转矩之和；若定义Tz为负载转矩，则T为拖动转矩，相当于T=Td＋T0中的Td。机械特性方程式直流电动机的几个基本方程式aTICTnCEeaRIEUaaeaCRIUn–电磁转矩：–感应电动势：–电枢回路电动势平衡方程式：–电动机转速特性：eTCC55.9•由此可得机械特性方程式：–R：电枢回路总电阻，包括电枢电阻Ra和电枢串励电阻RW；Ce：电动机电动势常数，Ce=pN/(60a)；CT：电动机转矩常数，CT=pN/(2pa)TCCRCUnTee2Tnn0或•理想空载转速eCUn0•实际空载转速0200TCCRnnTe•电动机带负载后的转速降TTCCRnTe2Δ%100%0NNNnnnn•额定转速变化率–：机械特性斜率，–国产Z系列他励直流电动机的nN%一般为10%～18%，大容量电动机为3%～8%。2eTRCC•电枢反应对电动机机械特性的影响–当电枢电流较大时，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。电枢反应对机械特性的影响•减少电枢反应对电动机机械特性的影响–在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动势可以减少电枢反映的去磁作用；–实质上变为复励电动机；–由于串励磁动势较弱，其机械特性与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍视为他励直流电动机。•当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性与人为机械特性•电枢串电阻时的人为机械特性TCCRRCUneae2NTΩNN固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性•改变电枢电压时的人为机械特性TCCRCUneae2NTN固有机械特性电压不同时的人为机械特性UNU1U221N•减弱电动机励磁时的人为机械特性TCCRCUneae2TN21N•减弱电动机励磁时的人为机械特性aeaeICRCUnN机械特性的绘制•由电动机机械特性方程式可知，计算或绘制机械特性，必须知道Ce与CT等参数，而这些参数电动机结构参数p、a、N等有关，但这些参数不易得到；•设计时，一般根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算或绘制机械特性；•对计算有用的数据通常有：PN、UN、IN和nN。•固有机械特性是一条直线，只要求出线上两个点的数据，就可绘出这条直线。一般选择理想空载及额定运行两点较为方便；–理想空载点NN0eCUnNNNNNNnRIUnECae其中–UN、IN和nN为已知，Ra可实测，或通过下式估算。2NNNN32~21IPIURa–额定工作点NNTNICTNN55.9eTCC人为机械特性的绘制•各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可；TCCRRCUneae2NTΩNN–电枢串电阻时的人为机械特性–改变电枢电压时的人为机械特性TCCRCUneae2NTN–减弱电动机励磁时的人为机械特性TCCRCUneae2TN例题•一台Z2型他励直流电动机的铭牌数据为：PN=22kW,UN=220V,IN=116A,nN=1500rpm。试绘制其机械特性。解：Ω174.0Ω11622000116220323222NNNNIPIURaV/rpm133.0NNNNnRIUCae理想空载点，T＝0rpm1650NN0eCUnn额定工作点，mN3.14755.9NNNICTTe他励直流电动机的机械特性负载特性负载特性电力拖动稳定运行的条件•主要研究：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。•在电力拖动运动方程式中，当转矩T与Tz方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态。电力拖动稳定运行的条件•稳定运行的必要条件是：两种特性有交点。•稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。•电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。•稳定运行系统分析–主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，且不考虑电枢反应，当电枢电压发生变化时，工作点得变化如下图所示。TCCRCUnTee2A12+n-nTn0•不稳定运行系统分析–主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，考虑电枢反应，且负载转矩特性与电动机机械特性相交在特性上翘段，当电机速度稍微变化时。B12+n-nTn0n0例4-1：设某他励直流电动机，时,。如果U＝150V，计算：a.起动电流；b.电动机在1000r/min和1460r/min时的反电动势；c．在1000r/min和1460r/min时的电枢电流。W1aRmin/500rnVE50a解：a.起动瞬间电枢是静止的，反电动势为0V，起动电流仅受限制ARUa1501/150/Iab.因励磁不变，反电动势与转速成正比，min/500rnVE50a由时可得[Wb]min]//[1.050050Ce或rVnEamin/1000rn时VnE10010001.0Ceamin/1460rn时VnCEe14614601.0aaRc.在1000r/min时，AREUIaa501/)100150(/)(a在1460r/min时，AREUIaa41/)146150(/)(a例4-2他励DCM（4_7）试计算其机械特性。min/r1500n,A5.15I,V220U,kW8.2PNNNN解：即要求，所以需先求出Ce。N0T,neN0CUn又，还需先得到：NNaNenIRUCaR的估算：额定工况下电枢铜耗约为总损耗的50％~75%。aRNNNa2aIU)1)(75.0~5.0(RINNNNIUP本例取50%计算，得：W1.3I)U-0.5(1RNNNamin/r/V133.0nIRUCNNaNemin/r1650CUneN0mN8.19IC55.9ICTNeNTN求得的是额定电磁转矩。求得的是额定轴上输出转矩。与上结果相差。NTNICTNNNnP9550T例4-3对例4-2，若电枢反应使时，;时，时，求此时的机械特性。NTTN0.95NT9.0TN0.98NT1.1TN0.90解：aNaNaTNIIIKTT，＝对应不计电枢反应时95.0IK95.0IKKTITTaNNTaNNTTNaN时，考虑电枢反应min]/r[1572133.095.095.06.153.12200.95K95.0IR-UKIR-UnNeaNaeaaNT9.0T98.0I9.0K98.0IK9.0KT9.0IaNNTaNNTTNamin]/r[1545133.098.098.09.06.153.12200.98K98.0I9.0R-UKIR-UnNeaNaeaaNT1.1T90.0I1.1K90.0IK1.1KT1.1IaNNTaNNTTNamin]/r[1631133.090.090.01.16.153.12200.90K90.0I1.1R-UKIR-UnNeaNaeaa4.1他励直流电动机的启动他励直流电动机的起动方法•起动时n＝0，如直接加额定电压起动，电流启动电流。•启动转矩必须限制起动电流。aaaREUI•他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。•不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia为0aENSNaUIIRSeNSNTKITaaeaaaIRnKIREU＝＝•将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。•切记：工业直流电动机不能加全电压直接起动。•通常限制启动电流的启动方法有：降压起动和电枢回路串电阻起动。•电枢回路串入电阻，启动电流为•负载转矩TL已知•目标：保证电磁转矩持续较大及电流持续较小；•电枢回路串电阻起动：一般采用多级电阻分级起动，起动过程中起动电阻逐步切除。•如图4.1所示4.1.1电枢回路串电阻启动NSaUIRRUaEaRaIaK1K2K3R1R2nT0TLn0+R2R1R1TsT2Ra图4.1电枢回路串电阻启动4.1.2降电压启动降低电源电压U，启动电流为SaUIR负载转矩TL已知，根据启动条件要求，可以确定U的大小；逐渐升高电压U，直至最后升高到额定电压nT0TLn0TSaSRUIAA为稳定运行点例4-4以4-2为例的他励DCM参数为例：min/r/V133.0Cmin,/r1500n,A6.15I,3.1R,V220UUeNNaNW不限流时2201701.3saNIIAI电机带额定负载，要求将起动电流限制在2倍额定电流范围内•若采用电阻限流，求应串接的附加电阻；•若此电阻起动完成后不切除，求稳定后的转速。•若采用降压限流，求起动时的电枢电压；•若此起动电压保持不变，求稳定后的转速解：2201.35.8215.6caSURRIW＝n稳定时，NaNLIITTT，＝min/r821133.05.8)15.6(1.3-220C)RR(IUnecaN＝1.3215.640.6SaSURIV＝min/r153133.01.315.6-40.6CRIUneaN＝为使n能到达额定转速，应使Rc随n升高逐步切除，直到或U随n升高逐步增大，直到NUU0CR4.2他励直流电动机的调速直流电动机的转速公式：eaaCRRIUn)(直流电动机的调速方法：（1）电枢串电阻调速；（2）降低电源电压调速；（3）弱磁调速。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（如电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一负载得到不同转速，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。n2n1n4.2.1他励直流电动机的调速方法nT0n0Ra1.电枢串电阻调速TLA+R1Ra+R2RaA电磁转矩：aNtICT电动机拖动恒转矩负载运行在不同的转速上，电枢电流的大小变化吗？稳定运行时有：LTT电枢电流：NtaCTINtLCTTL=常数时，Ia=常数保持U=UN，Φ=ΦN不变例4-5：例4-2中，他励DCM在额定工况运行时，在电枢回路串入，求串入时电动机的转矩、n稳定后的转速。W7.2RC解：因串入电阻瞬间，转速不能突变，反电势仍是额定值：V5.1991500133.0nCENea故此时有：A125.57.23.15.199220RREUICaaamN5.6125.5133.055.9ICTaT19.8LNTTNm（）n稳定后，A6.15IITT0dtdnNaNLmin/r1185133.06.15)7.23.1(220CI)RR(UneNCa