第2章_直流电动机传动基础.

电气传动自动控制系统Chp2，P1电气传动自动控制系统ElectricalDriveandControlSystem哈尔滨工业大学电气工程系武健E-mail:[e-mail]2019年12月20日电气传动自动控制系统Chp2，P2第二章直流电动机传动基础本章主要内容•直流电动机机械特性•固有机械特性与人工机械特性•直流他励电动机机械特性的计算和绘制•直流他励电动机的起动•直流他励电动机的工作状态•调速的基本指标•直流他励电动机的调速方法•直流他励电动机调速时与负载性质的配合电气传动自动控制系统Chp2，P32.1直流电动机机械特性•“电机学”中，注重电机的结构与原理，主要研究的是电机在进行能量转换时其内部的电磁过程；而“电力拖动”，则注重的是电动机的使用，主要研究的是电机的外特性。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。•电动机的机械特性(Speed-TorqueCharacteristics)，是电动机产生的转矩(电磁转矩)T与其转速n之间的关系，即n=f(T)。电气传动自动控制系统Chp2，P4机械特性的重要性•电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。•电动机的机械特性在很大程度上决定了电力拖动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。•电动机机械特性的研究是“电气传动”课程的核心内容。电气传动自动控制系统Chp2，P5直流他励电动机的机械特性方程式假设：•电源电压为恒值•磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应，•电枢回路电阻为恒值。UfIfrfraRfadIERadU++M电枢回路励磁回路电气传动自动控制系统Chp2，P6电压平衡方程（基尔霍夫定律）•电枢回路的电压平衡方程式为：U=E+IRaU——电动机的电枢电压(V)；E——电动机电枢绕组的感应电势(电枢电势)(V)；I——电枢电流(A)；Ra——电枢回路总电阻()，Ra=ra+Rad。电气传动自动控制系统Chp2，P7电机电动势•直流电机的电枢电势公式为：E=CenCe——电势常数;p——电机极对数；N——电枢绕组的有效导体数；a——电枢绕组的并联支路对数；——每极磁通(Wb)；n——电动机转速(r/min)。电气传动自动控制系统Chp2，P8电机的转矩•直流电机的电磁转矩公式为：T=CTI式中：CT——转矩常数；则有：T——电磁转矩(Nm)。电气传动自动控制系统Chp2，P9直流他励电动机的机械特性方程式U=Cen+IraICRCUneaeTCCRCUnTeae2TCTIn'0n0T0T0n电气传动自动控制系统Chp2，P10直流电动机的机械特性的特点•直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线；•斜率愈大，速度降落愈大，特性向下倾斜就愈明显，即称为机械特性愈“软”；•特性愈平坦，机械特性愈“硬”。电气传动自动控制系统Chp2，P11机械特性分为固有机械特性•定义：当电动机电枢接额定电压，正常接线，磁通为额定磁通，电枢回路无附加电阻时，电动机的机械特性称为固有机械特性。U=UN，=N，Rad=0，Ra=ra代入机械特性，即得固有机械特性方程式为：TCCrCUnNTeaNeN2电气传动自动控制系统Chp2，P12直流电动机固有机械特性曲线TstnNn0TNT0nNIIIIVIII电气传动自动控制系统Chp2，P13直流电动机固有机械特性具有以下几个特点1.其电磁转矩T越大，转速n越低，机械特性是一条下斜直线。原因是：T增大，电枢电流I与T成正比，I也增大，电枢电势E=CenN=UN-Ira，E则减小，转速n则降低。2.当T=0时，为固有机械特性的理想空载转速。此时I=0，E=UN。3.固有机械特性的斜率为：转速降为：2NTeaCCrbTCCrbTnNTea2电气传动自动控制系统Chp2，P14•当n=0，即电动机起动时，E=CenN=0，此时电枢电流，称为起动电流；•电磁转矩T=CTNIst=Tst，称为起动转矩。•直流他励电动机的固有机械特性是一条向下倾斜的直线，横跨I、II、IV三个象限，特性较硬。•机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。电气传动自动控制系统Chp2，P15人工机械特性1.电枢串接电阻时的人工机械特性电枢串接电阻时，Rad0，电枢回路总电阻Ra=ra+Rad。电源电压U=UN，磁通=N，此时的人工机械特性方程式为：TCCRCUnNTeaNeN2n0raT0nRa1=ra+Rad1Ra2=ra+Rad2Rad1Rad2电气传动自动控制系统Chp2，P162.改变电源电压时的人工机械特性电枢不串接附加电阻，即Rad=0。磁通为额定磁通，即=N。只改变电源电压U。TCCrCUnNTeaNe2n0UNT0nUNU1U2U1U2U=0U=-UN-n0能耗制动电枢反接制动U改变时，理想空载转速随之成正比变化；而特性斜率b不变，都与固有机械特性的相同。电气传动自动控制系统Chp2，P173.减弱电动机磁通时的人工机械特性改变励磁回路的附加电阻Rfad，即可改变励磁电流If，从而使磁通改变。一般，电机在额定磁通下工作时，磁路已接近饱和，所以只能是减弱磁通。TCCrCUnTeaeN2n02T0nn01n021NN12Tst2Tst1Tst电气传动自动控制系统Chp2，P18人工机械特性小结•电枢串接电阻和弱磁时，机械特性都变软了；•只有调压调速，才保持和固有机械特性相同的硬度；电气传动自动控制系统Chp2，P19直流他励电动机机械特性的计算和绘制•直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线•为了绘制其机械特性，不论是固有机械特性，还是人工机械特性，只需两点即可，即：“两点法”。TCCRCUnTeae2电气传动自动控制系统Chp2，P201.固有机械特性的计算和绘制直流他励电动机的固有机械特性可以由理想空载点(0，n0)和额定工作点(TN，nN)这两点来决定。（1)首先确定理想空载点(0，n0)–额定电压UN由电动机的铭牌数据可得，而CeN可由额定状态下电枢回路的电压平衡方程式求出。–额定电压UN、额定电流IN以及额定转速nN都是电动机的铭牌数据，而电枢电阻ra的值在产品目录中一般并不给出。我们可以通过实测得出电枢电阻ra的值，或可以按照电机工作时的铜损来估算.NeNCUn0NaNNNNNenrIUnEC电气传动自动控制系统Chp2，P21•给出电枢电阻ra的估算公式，即：认为在额定负载时，电枢电阻ra所引起的电枢铜损占电机全部损耗的一半到三分之二。NNaNUI~rI132212NNaIU~r13221电气传动自动控制系统Chp2，P22（2)确定额定工作点(TN，nN)•额定工作点(TN，nN)，额定转速nN是铭牌数据中给出的，只需求出额定转矩即可CT=9.55Ce由T=CTI可知T'N=CTNIN•有了理想空载点和额定工作点，就可以绘制出直流他励电动机的固有机械特性电气传动自动控制系统Chp2，P232.人工机械特性的计算和绘制•由于直流他励电动机的人工机械特性亦是直线，所以根据人工机械特性方程式，把相应的参数代入，用与固有机械特性类似的“两点法”即可电气传动自动控制系统Chp2，P24•例：直流他励电动机铭牌数据为：PN=4kW，UN=220V，IN=22.7A，nN=1500r/min。电枢绕组，串联稳定绕组和换向极绕组的电阻分别为：0.56、0.037、0.245，电刷接触电压降为2V。(1)试计算并绘制固有机械特性；(2)当电动机为额定负载、转速为额定转速一半时，电枢回路应串多大附加电阻？并绘制该人工机械特性。电气传动自动控制系统Chp2，P25解：(1)电动机的电枢电阻估算值根据工厂制造电机时所取得的数据，电枢绕组，串联稳定绕组和换向极绕组的电阻分别为：0.56、0.037、0.285。此外电刷接触电阻为式中,Ua电刷接触电压降(V)则，电枢电阻的实际值ra：ra=0.56+0.037+0.285+0.088=0.97电动机的电势常数088.07.222NaIU1min/132.0150097.07.22220rVnrIUCNaNNNe电气传动自动控制系统Chp2，P26电气传动自动控制系统Chp2，P270102030400500100015002000T(Nm)n(r/min)电气传动自动控制系统Chp2，P28电气传动自动控制系统Chp2，P292.2直流他励电动机的起动•电机从静止开始转动，加速到某一稳定运行速度的过程称为起动过程。•直流他励电动机起动时，为了产生较大的起动转矩及不使起动后的转速过高，应该满磁起动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。•因此起动时励磁回路不能串电阻，而且绝对不允许励磁回路出现断路，即失磁。电气传动自动控制系统Chp2，P302.2.1直流他励电动机的起动方法•不采取任何措施，把直流电动机的电枢直接投入额定电压的起动，称为直接起动。直流电动机一般不允许直接起动(小容量直流电机由于ra大,可以直接起动)。原因：•直流电动机在起动瞬间，n=0，则电枢反电势E=Cen=0，则此时电枢电流为，称为起动电流，亦称为短路电流或堵转电流。由于电枢内阻很小，则起动电流Ist很大，一般可达到额定电流的10～20倍。•由于直接起动时的起动电流Ist很大，使换向恶化，在换向器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。•Ist很大，TI，Tst也很大，对生产机械的冲击也很大。•这样过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及传动系统都是有害的。电气传动自动控制系统Chp2，P31电动机负载起动的一般条件是：1.Ist(2~2.5)IN，因为换向最大允许电流为(2~2.5)IN。2.Tst(1.1~1.2)TN，这样系统才能顺利起动。直流他励电动机的起动方法有以下两种(为限制起动电流)：•降压起动；•电枢串接电阻起动电气传动自动控制系统Chp2，P32•降压起动在电动机起动时，降低电枢电压，使起动电流降低，待电动机转速逐渐升高后，再逐渐使电枢电压恢复到正常值。An0UNT0nUNU3U2U1U3U2TstTLU1电气传动自动控制系统Chp2，P33•电枢串接电阻起动•在电动机起动时，在电枢回路中串接电阻(称为起动电阻)，待电动机转速升高之后，再逐级将起动电阻切除。•为使起动平稳可靠，常采用电枢回路串接电阻分级起动的方法。Ra1=ra+Rad1+Rad2UfRa2raRa1Rad2U++MRad1KM1KM2n0raT0nRa2Ra1T1T2TLII1I2ILabcdefhmg电气传动自动控制系统Chp2，P34•适当地选择所切除的电阻值Rad1，使切除Rad1后的电枢电流刚好等于I1，所对应的转矩为T1。•在分级起动过程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T1)及切换电流I2(或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。•要满足以上电枢回路串接电组分级起动的要求，起动电阻的阻值需要合适的取值。下面讨论启动电阻的计算方法。电气传动自动控制系统Chp2，P352.2.2直流他励电动机起动电阻的计算方法•推导计算起动电阻的公式•对a点有•对b点有•对c点有11aRUI11IURa12abREUI21acREUI电气传动自动控制系统Chp2，P36•因为切除电阻Rad1的瞬间，由于机械惯性nb＝nc，又由于略去电枢电感的影响，所以电流由I2突增到I1。•当切除Rad2的瞬间，对d点有•对e点有2121aaRRII22adREUIaerEUI1电气传动自动控制系统Chp2，P37•同理，nd＝ne，Ed＝Ee•两级起动•推广为m级起动（为最大起动电流I1与切换电流I2之比