2-6他励直流电动机的调速.

第六节他励直流电动机的调速一、调速的性能指标二、他励直流电动机的调速方法在生产实践中，为了满足生产工艺的要求，需要改变电动机的工作速度。在同样的负载下人为地改变电动机速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的机械特性方程式为2TURTCCeenCΦ－电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。注意：调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。调速需要人为地改变电动机的电气参数，从而改变电机的机械特性，使在同一负载下可以得到不同的转速。负载变化时的转速变化则是自动的，这时电动机的电气参数未变。一、调速的性能指标maxminnDn1、调速范围调速范围是指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比，用D表示，即不同的生产机械对调速范围的要求不同，例如车床D=20－120，龙门刨床D=10－40，轧钢机D=3－120，造纸机D=3－20等。由D的表达式可见：要扩大调速范围，必须设法提高最高转速nmax与降低最低转速nmin。电动机的最高转速nmax受电动机换向条件及机械强度的限制，一般在额定转速以上转速提高的范围是不大的。最低转速nmin受低速运行时的相对稳定性的限制。相对稳定性是指负载转矩变化时，转速随之变化的程度。转速变化越小，相对稳定性越好，能得到的最低转速nmin越小，D也就越高。0NN00nnΔnδ100%100%nn指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。2、静差率（相对稳定性）所谓相对稳定性是指负载转矩变化时，转速随之变化的程度。转速变化越小，相对稳定性越好，能得到的最低转速nmin越小，D也就越高。工程上常用静差率δ来衡量相对稳定性的程度。显然，在相同的n0情况下，电动机的机械特性越硬，静差率就越小，相对稳定性就越好。静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处。两条互相平行的机械特性，硬度相同，但静差率不同。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。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，例如普通车床可允许δ≤30%，一般设备要求δ≤50％，高精度的造纸机要求δ≤0.1%。静差率与调速范围是互有联系的两项指标，系统可能达到的最低转速决定于系统允许的最大静差率，因此，调速范围显然受最大静差率的制约。1iinn越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。不同的生产机械对调速的平滑性要求不同，例如龙门刨床要求基本上近似无级调速。13、调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数。4、调速的经济性主要指调速设备的投资、电能消耗、运行效率及维修费用等。5、调速时的容许输出容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。在电动机稳定运行时，实际输出的功率和转矩由负载的需要来决定，故应使调速方法适应负载的要求。二、他励直流电动机的调速方法1、电枢回路串电阻调速未串电阻时的工作点串电阻后,工作点由A→A’→B0aRn0nNnLTTAapa1RR1nAB电枢串接电阻调速的特点：（1）调速范围不大。由于电枢串接电阻后，机械特性变软，特别是低速运行时，负载稍有变化，就会引起转速发生较大的变化，不能满足一般生产机械对转差率的要求。（2）调速的平滑性不高，且是有级调速。因为外串电阻Rpa只能分段调节，所以这种调速方法不能实现无级调速。（3）调速的经济性不够。现分析如下：电枢串电阻调速时，外串电阻RPa上要消耗电功率Ia2RPa，使调速系统的效率降低。调速系统的效率可用系统输出的机械功率P2与输入的电功率P1之比的百分数表示。若电动机所带负载是额定恒转矩负载，则Ia=IN，11NaNNNNPUIUIP常量忽略电动机的空载损耗p0，NaemIEPP2电动机的效率为：%100%100%100012nnIUIEPPNNNa可见效率将随n的降低成正比的下降。如当时，η=50%，就是说由电网输入的功率将有一半消耗在电枢总电阻上，所以这种调速方法是很不经济的。021nn（4）调速方法简单，设备投资少。这种调速方法只适用于对调速性能要求不高的中、小功率电动机。例如起重设备和运输牵引装置。调速过程电流变化曲线:调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。调速过程中电流和转速的变化情况ainaNINn1n0tt0ain2、降低电源电压调速T0nnNUTLNnA1U01nA’B1n调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。降低电源电压调速的物理过程：设电动机稳定运行在电源电压为U1的机械特性上的A点，当电源电压突然降低为U2时，瞬间n及Ea不能突变，Ia及T减小，在图2-28中，运行点即在相同的转速下由A点过渡到人为机械特性上的B点。在B点，由于T＜TL，电动机减速。随着转速n↓→Ea↓→Ia↑→T↑，直到T=TL，电动机以较低的转速在C点稳定运行。在降压幅度较大时，如从U1突降到U3，电动机由A点过渡到D点，此时电机进入回馈制动状态，直到E点。随着电动机的减速，电动机从E点重新进入电动状态的减速过程直至F点，T=TL，电机以更低的转速稳定运行。优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2）调速范围广。调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5〜12。4）电能损耗较小，经济性好。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。3、减弱磁通调速调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点NΦn0nANnTLT01n1Φ1nBA减弱磁通后，理想空载转速上升,曲线的斜率值增大。弱磁调速的物理过程：在图2-29中，设电动机稳定运行在A点，当磁通突然从Φ1降到Φ2时，瞬间转速n不变，Ea减小，Ia及T增大，运行点即在相同的转速下由A点过渡到B点。在B点，由于T＞TL，电动机加速。随着转速n↑→Ea↑→Ia↓→T↓，直到T=TL，电动机以较高的转速在C点稳定运行。与降压调速类似，在突然增磁过程中，如磁通由Φ2增大到Φ1，在图2-29中，工作点由C点过渡到D点，电机也进入回馈制动状态。弱磁调速前、后的电枢电流和转速的变化情况减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。aNInNn1n1aIaiait0tn优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）调速范围不大。转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2。为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；例2-7一台直流他励电动机，其额定数据为：PN=100kW，IN=511A，UN=220V，nN=1500r/min，电枢电路总电阻Ra=0.04Ω，电动机拖动额定恒转矩负载运行。（1）采用电枢串电阻调速，将转速降至600r/min求应串多大电阻？（2）采用降压调速，电源电压降至110V，求电动机的稳定转速是多少？（3）采用弱磁调速，磁通减小10%时，求调速瞬间的电枢电流，稳定后的电枢电流和转速是多少？解：（1）电动机在额定状态时：56.19904.0511220aNNaNRIUE133.0150056.199NaNNenEC因为负载为额定恒转矩负载，调速前后磁通不变，所以电枢电流Ia在调速前后保持恒定，即Ia=IN。在电枢回路串电阻将转速降至600r/min，根据电动机的电势方程式得：23.004.0511600133.0220aNaNpaRIEUR解：（1）电动机在额定状态时：56.19904.0511220aNNaNRIUE133.0150056.199NaNNenEC因为负载为额定恒转矩负载，调速前后磁通不变，所以电枢电流Ia在调速前后保持恒定，即Ia=IN。在电枢回路串电阻将转速降至600r/min，根据电动机的电势方程式得：23.004.0511600133.0220aNaNpaRIEUR（2）因为调速后，负载转矩、磁通不变，所以电枢电流Ia也不变，即Ia=IN=511A。当电源电压U=110V，根据电动机的电势方程式得电动机的稳定转速为：min/673133.004.0511110rCRIUnNeaN（3）因调速瞬间转速不变n=1500r/min，Φ=90%ΦN，根据电动机的电势方程式得调速瞬间电枢电流为：'90%22090%0.13315001011.250.04NeNNaaUCnIAR因为调速前后负载转矩不变，故调速前后的电磁转矩也不变，即aNTaNNTICIC%90则调速后的稳定电流为：8.5679.05119.0aNaII调速后的稳定转速为：220567.80.041648r/min90%0.90.133NaaeNUIRnC