第九章直流电动机的电力拖动.

Page:1Date:2019/12/19电机学中三个基本物理量：电、磁、力（运动）电机学中两个重要的物理现象1、导体切割磁场产生感应电动势大小关系：e=Blv方向判定：右手定则。§9-0基础知识2、载流导体在磁场中受到电磁力大小关系：f=Bli方向判定：左手定则。电刷静止换向器运动线圈运动磁极静止直流电机的物理模型实际的电机中有多个线圈构成电枢绕组。磁场通常由励磁绕组通入直流电产生的。实际的直流电机电枢绕组的导体数较多，电枢绕组感应电动势为多根导体感应电势之和，大小为：Ea=CeΦn，其中Ce是与电机结构有关的常数。感应电势的方向由磁场方向和电机转向决定，改变磁场方向或电机的转向可以改变感应电动势的方向。电枢绕组在磁场中受到电磁转矩T=CTΦIa，CT=9.55Ce。电磁力的方向由磁场方向和电枢电流方向决定，改变磁场方向或电流方向可以改变电磁力的方向。根据励磁绕组和电枢绕组之间的连接，直流电机可分为：他励：励磁绕组和电枢绕组之间没有电的联系；并励：励磁绕组和电枢绕组相并联；串励：励磁绕组和电枢绕组相串联；复励：励磁绕组分为两部分，分别与电枢绕组串联和并联。他励直流电机的等效电路电枢回路励磁回路注意：T方向与Ia方向相关；Ea方向与n方向相关。电动状态下，Ea的方向与U的方向相反；Ia的方向与U的方向相关；T的方向与n的方向相同。f§9-1他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程式RIEUaaaTICTnCEea电枢电路电势平衡式为：感应电动势：电磁转矩：由以上三式得：TCCRCUnTee2其中：eTCC55.9二、固有特性与人为特性固有特性：电动机电源电压和磁通均为额定值，电枢回路没有串联电阻时的机械特性：TCCRCUnNTeaNeN2曲线：过n0点，斜率为-β的下倾直线。Tn0额定点空载点理想空载点特点：Ra小，β小，转速随负载增大而下降的幅度小，机械特性较硬。1、电枢串电阻时的人为特性TCCRRCUnNTeaNeN2Tn0通过改变电动机的参数可以获得不同的机械特性，称为人为机械特性。曲线：n0不变，β´β，转速随负载增大而下降的幅度大，机械特性较软。参数：U=UN，ffN，R=Ra+RΩ。方程式：2、降低电源电压的人为特性TCCRCUnNTeaNe2Tn0曲线：n0´n0，斜率和固有特性相同，硬特性。参数：UUN，ffN，R=Ra。方程式：3、减弱磁通的人为特性TCCRCUnTeaeN2Tn0曲线：n0´n0，β´β。参数：U=UN，ffN，R=Ra。方程式：减弱磁通后转速的变化趋势：以例9-1中的电机为例，电机带额定负载，磁通下降为额定状态的90%，此时：min)/(6.1650133.055.981.03.147174.0133.09.022081.09.022rTCCRCUnNNTeaNeN可见在正常情况下，减弱磁通后电机的转速将升高。TN三、机械特性的绘制以固有机械特性的绘制为例方法：两点法理想空载点：0,0TCUnNeNNaNNNenRIUC其中：232~21NNNNaIPIUR）（额定工作点：nN，TNNNeNNTNICICT55.9Ra可实测或估算：四、电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统分析方法：将n=f(T)和n=f(TZ)画在同一坐标图上，根据同一转速n下T与TZ的大小关系，确定其运行状态。稳定运行条件：必要条件：n=f(T)和n=f(TZ)有交点，交点转速nZ。稳定→dn/dt=0→T=TZ→n=f(T)和n=f(TZ)有交点，交点转速nZ。充分条件：当nnZ时，TTZ；当nnZ时，TTZ。电机特性负载特性电机特性负载特性§9-2他励直流电动机的起动起动：转速n从0上升到nZ的过程。对起动的要求：起动转矩Tst足够大，起动电流Ist不能太大；起动过程平稳；设备简单，经济可靠。直接起动的危害：开始起动时，n=0→Ea=CeΦn=0→Ist=UN/Ra，由于电枢绕组电阻Ra极小，电枢电流可达额定电流的十多倍，容易烧毁电机；同时，与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。降压起动：先加低电压，随转速上升，逐步提高电枢电压。需要有可调直流电源。电枢回路串电阻起动：一、起动方法：保证Φ=ΦN时，合上开关K，过一段时间后合K2，再过一段时间后合K1。起动过程分析：起动时，n=0，Ea=0，Ia=UN/R2=I1，T=T1TZ→dn/dt0→n↑→Ea↑→Ia↓→T↓但仍大于TZ→n↑速度变慢；当T=T2，Ia=I2(b点)时合上K2(RΩ2切除)，特性曲线转移到cdn0，由于惯性，n不能突变，工作点：b→c，Ia=(UN-Ea)/R1=I1→TTZ→dn/dt0→n↑=nd(d点)时合上K1(RΩ1切除)，特性转移到固有特性，ne=nd，Ia=I1，TTZ→n↑=ng时，T=TZ，起动结束。注意！他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场，然后才能加电枢电压。原因：Φ=0→T=CTΦn=0，电机无法起动，同时Ea=CeΦn=0→Ia=UN/R，电枢电流大且不会衰减，将影响电机寿命。每级T1（I1），T2（I2）取一致通常取I1=（1.5~2）IN，I2=（1.1~1.2）IN切换电流I2要适当I2大→每级n上升幅度小，起动级数m增加I2小→各级电阻切除前加速度小，起动时间长一般取m=3~4（1）依据：电阻切除瞬间转速不会突变的原则b、c点：ebCRInn220ecCRInn110d、e点：1122RIRI2112IIRRaRIRI112211IIRRaammmmRRRRRRRRII11221121推广到m级起动的一般情况，得二、他励直流电动机起动电阻的计算（解析法）ammmammmaaRRRRRRRRRRR1121212111111222111212211)()1(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRmmmmmmmmmmaaa各级电枢总电阻：各级分段电阻：（2）起动电阻计算步骤m已知选定I1→Rm=UN/I1求β：求各级各段电阻mamRR若m未知，必须先确定m：初定I1、I2→Rm=UN/I1并初定β´=I1/I2。求m并圆整：loglogamRRm三、他励直流电动机起动的过渡过程1、什么叫过渡过程从一个稳定状态到另一个稳定状态的过程起动：n=0（稳态）→n=nz（稳态）特点：n、T、Ia等均随时间变化2、产生过渡过程的原因外界干扰：电压降落、负载突变等工艺要求：起动、调速和制动等3、影响过渡过程的主要因素机械惯性：反映在飞轮力矩上，使转速不能突变电磁惯性：反映在电感上，使电流不能突变热惯性：使温度不能突变，影响小，一般不考虑4、分析过渡过程的意义正确、合理地使用设备，正确选择电机容量提高劳动生产率5、过渡过程的分类机械过渡过程：仅考虑机械惯性的影响电气—机械过渡过程：同时考虑机械惯性和电磁惯性的影响（一）起动的机械过渡过程1、电枢串固定电阻起动的过渡过程（1）电流变化曲线Ia=f(t)dtdnCGDCTIdtdnGDTTICTTZaZaT37537522dtdICRdtdnICRCUnaeaee求导得：对dtdICCRGDCTIIaTeTZaa22375表达式得：代入dtdITIatMZ，为稳定电流式中：TZZCTI：系统的机电时间常数22375TetMCCRGDTdtTdIIItMaZa11CtTIItMZa1)ln(tMTtZaeCII/1当t=0时Ia=Ist，则:ZstIIC1tMTtZstZaeIIII/）（积分得：将Ia表达式整理得：将Ia=f(t)代入转速方程得：aeeICRCUntMTtZstZeeeIIICRCU)(tMTtZeesteeZeeeICRCUICRCUICRCUtMTtZstZennn/）（（2）转速变化曲线n=f(t)注意：以上推导所得的结论是通用的，适用于各种过渡过程。对于不同的过渡过程只需将不同的初始状态、稳定状态和机电时间常数代入即可。（3）过渡过程的时间TtM的物理意义电机起动时，nst=0，则）（tMTtZenn/1求导得：tMTttMZeTndtdn/加速度随时间按指数规律衰减tMZtTndtdn0tMtZTdtdnn0当t=0，物理意义：若电动机以起动瞬间的加速度加速，经过TtM的时间，速度就可以达到稳定转速。实际起动过程需要（3~4）TtM的时间转速才能稳定。过渡过程的时间tMxTtZstZxeIIII/)(ZxZsttMxIIIITtlntx时刻电枢电流求得：同理可得：ZxZsttMxnnnnTtlnZxZsttMxTTTTTtln和2、电枢串多级电阻起动的过渡过程转速和电流随时间变化的规律与串固定电阻起动时的规律相同，只是各级的初始状态、稳定状态、末了状态和机电时间常数不一样。可直接应用前面推导的公式。各级的参数见书本P42表9-1。3、加快起动过程的途径起动过程延缓的原因：系统的机械惯性大。反映为机电时间常数大。起动电流随时间衰减。Ia↓→T↓→dn/dt↓。加快起动的方法：减小系统的飞轮力矩双电机拖动长铁心电机拖动改善起动电流的波形三、他励直流电动机起动的电气自动控制四、直流电动机正反转控制§9-3他励直流电动机的制动电动机的工作状态：电动状态：T与n同向，Ⅰ、Ⅲ象限，电能→机械能。发电状态：T与n反向，Ⅱ、Ⅳ象限，机械能→电能。制动目的：快速停车：减小过渡过程时间，增加有效工作时间。降低转速：用于从高速向低速调速。限制转速上升：下放重物时。制动原理：使电动机产生一个与n反向的T。一、能耗制动1、线路：切除电源，通过外接电阻形成电枢回路。2、机械特性：aNeZaaeeICRRICRCUn特点：过原点的直线，倾斜程度大于固有特性。制动开始瞬间，由于机械惯性，转速不能突变→Ea不变→Ia=-Ea/(Ra+RZ)反向→T反向，与n反方向，为制动转矩。在T和TZ的作用下，n↓→Ea↓→|Ia|↓当n=0时，Ea=0，Ia=0，T=0，对于反抗性负载，TZ=0，电机停车，制动过程结束。对于位能性负载，TZ不为零，电机在TZ的作用下反转，|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,当T=TZ时，电机稳定下放重物。3、能耗制动的物理过程RZ太小→Ia大、T大，损坏电机。如果要求|Ia|≤|I1|，则1IRRnCZaNeaNeZRInCR1RZ太大→T小，制动时间长。对于位能性负载，RZ大，重物下放速度也大。aNdNeZRInCRdNNeZanICRRn对于位能性负载，若要求下放速度小，可以先串大电阻，速度下降到一定程度后切除部分电阻。制动电阻的选择5、制动的过渡过程6、能耗制动控制电路二、反接制动（一）转速反向反接制动1、条件：外来转矩使转子转向与电磁转矩方向相反。2、典型应用：电枢回路串大电阻下放重物。3、工作原理：电枢回路串大电阻，使得TstTZ，在TZ的作用下，电机反转，随着|n|↑→|Ea|↑→Ia↑→T↑,当T=TZ时，电机稳定下放重物。此时T与n反向，电机工作在制动状态。思考：电机带位能性负载TZ，电枢回路串电阻，若希望重物停在空中，所串电阻R0应如何计算？增大R0的值，