第二章 直流电机的电机拖动

1.电力拖动的动力学基础；2.他励电动机的机械特性；3.他励直流电动机的起动；4.他励直流电动机的制动；5.他励直流电动机的调速；直流电机的电机拖动电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，称为电力拖动。电源控制设备电动机传动机构工作机构电力拖动系统的构成基础•运动方程：dtdnGDdtdJMMZ375260/2ngGDDgGmJ4)2(222g：重力加速度，9.8米/秒2；GD2：系统的飞轮矩（牛·米2）；n：转速（转/分）；M、MZ：转矩（牛·米）注意：GD2是一个完整的符号;M、MZ具有方向性，与转速方向一致为正。多轴系统的运动方程系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴，称为多轴系统。对多轴系统的分析，通过把多轴系统折算为等效的单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行简化。折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变。负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等负载转矩的大小与速度无关，但其方向始终与转向相反MZn0负载转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变nMZ0负载的功率为常数，不随转速的变化而改变负载的转矩与转速的平方成正比MZn0MZn0Mn稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。平衡点＝稳定点？稳定点：在受到外界扰动后，仍能还原的点。稳定点的条件：dndMdndMZem他励直流电动机的机械特性直流电动机的基本方程式：电磁转矩：aMemICM感应电动势：nCEEa电枢回路电势平衡式：aaaRIEU电动机转速特性：EaCRIUn机械特性一般表达式：emMeeMCCRCUn2n0Mem他励直流电动机的固有机械特性当U＝UN，＝N，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。emNMeaNeNMCCRCUn2n0Mem0n’0MemNnN分析：1.电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；固有机械特性分析2.当转矩等于零点，为理想空载转速。此时Ia＝0，Ea＝UN，是一种理想工作状态。NeNCUnn03.n0’为电动机的实际空载转速，比n0略低。对应于空载转矩。emNMeaMCCRnn20'04为机械特性斜率。ß增大，也增大。通常称ß小的机械特性为硬特性，ß大的机械特性为软特性。2NMeaCCRnn0Memn0Mem0n’0MemNnN固有机械特性分析5.额定转速变化率，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。%n%100%100%0NNNNnnnnnn6.nn0时为发电机状态，此时EaU,Ia反向，Ea与Ia同向，向电网送出电功率。7.堵住点。此时电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。0,0nCeEanNkaNaIRUIemkkNMemMICMn0Memn0Mem0n’0MemNnN人为机械特性分析根据转速、转矩公式emMeeMCCRCUn2人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为人为机械特性。有三种人为机械特性：（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；（2）改变端电压时的人为机械特性；（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；Mem0n电枢回路串电阻的人为机械特性保持U＝UN及＝N不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的n＝f（Mem）关系。ememNMecaNeNMnMCCRRCUn02对于给定的Rc，，为常数。Ra+Rc1Ra+Rc2人为Rc2Rc1固有Ran0电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点：（1）理想空载转速n0’与固有机械特性的n0相同；（2）斜率，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。NNMecaCCRR2Mem0n改变端电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。表达式：emNemNMeaNeMnMCCRCUn'02一般都为降低的电压。人为UNU1U2固有UNn0U1U2改变端电压时的人为机械特性改变端电压人为特性的特点：（1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。Mem0n减弱电机主磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。表达式：emNemMeaeNMnMCCRCUn'''02额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。NN’固有Nn0人为N’减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于’N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。人为特性的几点补充（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，MemN)（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性,0NeNCUnNaNNNaNNnRIUnECe他励直流电动机的起动直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。（1）他励直流电机直接起动：aNaaaRUIREn,0,0,0将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。Mn0将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。（2）电枢回路串变阻器起动R1R2R3R1+R2+R3R1+R2R1电枢回路串变阻器起动起动电流321cccaNstRRRRUI将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:（1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra；（2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻；（3）决定起动电阻级数（4）计算起动电流比。降压起动开始时，降低端电压，使Ia＝(1.5~2.0)IN,Mem=(1.5～2.0）Mem。随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。直流电动机的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（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，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。直流电动机调速直流电动机的转速公式：ejaaCRRIUn)(直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压U；（3）改变串入电枢回路的调节电阻；Memn改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持U＝UN，Rj＝0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。If1PIf2QIf1If2从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变减小nCEeaIf1If2PQIf1If2MemnaaREUIaMemICMZemMM机组加速nEaIaMemMem＝MZ新的平衡，新的Ia和n弱磁调速调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，2211aMaMemICICM1221aaII(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化1212212211,ffIInnnCenCeE（3）恒转矩负载，，基本不变nPIUPa21弱磁调速特点优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。改变端电压调速保持电动机的＝N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。MemnU1U1U2U3U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。调节过程:(留为作业）（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。（3）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。调压调速的特点：改变电枢回路电阻调速保持U＝UN且＝N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大，转速越低。R2R1PQR1R2R3MemnR3电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。串电枢电阻调速该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。（4）电枢电流在Rc上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。调速性能指标（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，最高转速与最低转速之比。用D表示。（2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。静差率越小，转速的相对稳定性越好。（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好，有级调速由相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比。（4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。（5）经济性电动机调速时的容许输出在某转速下，电机即能充分利用，又能安全运行时输出的功率和转矩称为，调速时的允许输出功率和转矩。(1)调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。95501000emNemMemNMMPIaCM在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。nKnMnMPKMICMiNiiNNNMi95509550保持I不变弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流I＝INnKnCRIUeaNN2433295509550KnnKnTPnKInKCICTiiNMNMi弱磁调速时，在整个调速范围内的允许输出功率为常数，是恒功率调速方式。其允许输出转矩与转速成反比。负载类型与调速方式的配合恒转矩负载恒转矩调速方式：使电机在任何转速下都满载运行，能得到充分利用。恒功率调速方法，在n＝nmin时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，电动机没充分利用，造成浪费。maxmax9550LNNNNLNPnMPnnMMLLLNNNLLNNDMnnMnPnPMnMPPnnminmaxminmaxmaxmaxmin955095509550恒转矩调速方式弱磁控制maxminmaxmin95509550LLNNNLNNTnPnPMPPnn恒功率负载与调速方式的配合恒功率负载恒转矩调速方式：高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流，电动机没有被充分利用。恒功率调速方法，在整个调速范围内，做到额定转矩输出，电机安全且充分利用。LLNNNNLLNDPnMnMPnnMMM95509550maxmaxmaxmax恒转矩调速方式恒功率控制通风机负载与调速方式的配合MnUNU’nmaxnminMNMLnMnmaxnminN’ML恒转矩控制恒功率控制两种调速方式，在整个调速范围内，除n＝nmax外所有的转速点，输出转矩多小于允许输