第3章直流电动机电力拖动该概要

电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page1第三章直流电机的拖动与控制电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page2本章教学基本要求1.掌握他励直流电动机的串电阻启动方法，并能设计与计算启动电阻；2.掌握他励直流电动机的电动与制动；3.掌握他励直流电动机的电枢串电阻调速、调电压调速等法；4.熟悉调速方法与负载性质的匹配问题。重点他励直流电动机拖动系统的启动、制动、调速、控制基本规律。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page3加额定电压UN，电枢回路不串电阻即直接起动，即直接启动3.1他励直流电动机的启动系统启动的要求：1、较大的启动转矩。2、启动后的转速不能过高。3、应该满磁通启动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。因此启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。当直流电动机启动时，必须先保证有磁场（先通励磁电流），而后加电枢电压。为什么？定义：直流电动机从接入电网开始，一直到达稳定运行速度的整个过程称为直流电动机的启动。NaRRNUU，，，。启动时，n=0，故在电枢回路的反电动势Ea=CeQn=0，此时电枢电流称为启动电流Is，由于电枢电阻很小（只有几个欧姆），Is很大。NasaUIIR电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page43.1他励直流电动机的启动启动电流大Is≈20IN＞＞IN会引起：①使换向困难，产生严重的火花；导致电枢绕组的损坏（因严重过热而损坏绝缘材料）。②启动转矩，过大的启动转矩会对电动机的转轴造成机械冲击，损坏传动机构，这也是不允许的。③会引起电网电压的波动，影响电网上其它用户的正常工作。因此必须对启动电流进行控制，所以一般直流电动机绝对不允许直接启动（除微型直流电机由于Ra较大可以直接起动外）。，20stNsNTCIT为了限制启动电流，他励直流电动机常用的启动方法有两种。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动电抠回路串电阻R，启动电流为由启动电流产生的启动转矩使电动机开始转动并加速，随着Page51．电抠回路串电阻启动在电抠回路串电阻来限制启动电流，在启动过程中见启动电阻逐步切除，这种串电阻分级启动方法一般应用在无轨电车上和一些工矿企业中。RRUIaNs3.1他励直流电动机的启动启动加速度dn/dt减小，为了缩短启动时间，保证电动机在启动过程中加速度不变，就要求在启动过程中电枢电流维持不变。因此随着转速的增加，平滑地将启动电阻减小。一般我们将启动电阻分若干段，逐步切除电阻，启动级数为2～5级，在工厂中使用接触器，通过使用不同的接点将电阻串入或切除。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page6图3-6电枢回路串电阻启动下图为三级启动的机械特性和主电路图。3.1他励直流电动机的启动启动电阻分为三段RΩ1、RΩ2、RΩ3I1为限定的起始启动电流（过程中的最大电流）I1=(2-2.5)IN;相应启动过程中最大转矩T1==(2-2.5)TNI2为启动过程中电流的切换值通常I2=(1.1-1.2)IN;相应的转矩T2称为切换转矩，显然T2=(2-2.5)TN假定启动过程中负载转矩TL不变电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page7电抠回路串电阻启动1)分级启动电阻的计算b123aNEUIRc112aNEUIRd222aNEUIRe311aNEUIRf321aNEUIRg31aNaEUIR点点点点点点、则有：设对应转速n1、n2和n3时，电动势分别为Ea1、Ea2和Ea3最后电机稳定运行在A点。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page8电抠回路串电阻启动2)计算各级启动电阻的步骤（1）估算或测出电枢回路电阻Ra；（2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；（3）选取启动级数m；（4）计算启动电流比：,m取整数；（5）计算转矩：T2=T1/β校验T2≥（1.1~1.2）TL；如果不满足，应另选T1或值m并重新计算，直到满足该条件为止；（6）计算各级启动各级电阻和分段电阻。maNRIU1电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page9降电压启动图3-7降压启动降低电源电压到U，启动电流为asRUI负载为巳知，根据启动条件的要求，可以确定电压的大小。有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电抠电流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到UN。A点为稳定运行点21NUUUaaaaUEnEITR实际上，电源电压可以连续升高，启动更快、更稳。他励直流电动机空载起动或拖动反抗性恒转矩负载启动时，改变电源电压U的方向或改变励磁电流的方向，电动机都要反方向启动。然后稳定运行。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动例3-1某他励直流电动机额定功率PN=50KW，额定电压UN=220V。额定电流IN=250A。额定转速nN=400r/min,电枢回路在电阻Ra=0.09欧，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用电枢回路串电阻启动，启动电流Is=2IN时计算应串入的电阻值及额的转矩（2）若采用降压启动，条件同上，电压应该至多少并计算启动转矩。解：（1）电枢回路串电阻启动，应串电阻35.009.0250*2220RRaIsUNs额定转矩NmnPTNNN119440010*5055.955.93（2）降压启动，启动电压V4509.0*250*2IsURas启动转矩NmTs23881194*2T2N（启动电流2倍，启动转矩2倍）电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page113.3他励直流电动机的电动与制动(1)电动机稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在工作点恒速运行。(2)电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电磁转矩与负载转矩不相等系统处于加速或减速的过渡过程。(3)他励直流电动机的固有机械特性与各种人为机械特性，分布在机械特性的四个象限内。(4)生产机械的负载转矩特性，有反抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载转矩持性，也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，他们分布在四个象限之内。综合考虑以上四点，他励直流电动机拖动各种类型负载运行时，若改变其电源电压、磁通及电枢回路所串电阻，电动机的机械特性和工作点就会分布在四个象限之内，也就是说电动机会在四个象限内运行(包括稳态与过渡过程)，即处于各种不同的运行状态。本节将具体分析他励直流电动机在各个象限内不同的运行状态。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page12他励直流电动机的电动图3-8他励直流电动机电动运行1.正向电动运行他励直流电动机工作点在第Ⅰ象限时，如图所示的A点和B点，电动机电磁转矩T﹥0，转速n﹥0，这种运行状态称为正向电动运行，T与n仍同方向，T为拖动性转矩。2.反向电动运行若拖动反抗性负载，正转时电动机工作点在第Ⅰ象限，反转时，电动机工作点则在第Ⅲ象限，如图C点，这时电动机电源电压为负值。在第Ⅲ象限运行时，电磁转矩T0，转速n0,T与n仍同方向，T仍为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行完全相同，这种运行状态称为反向电动运行。都为拖动性转矩。对于要求频繁，快速正反转的直流拖动系统通常采用电枢反向，而不采用磁场反向。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page13他励直流电动机的制动电动机有两种运行状态，另一种是制动状态：T与n方向相反，吸收机械能，输出电能，位于第II、IV象限，第II象限的为正向制动状态，第IV象限的为反向制动状态。制动目的：①停车；②降低转速；③对于位能性恒转矩负载可得到稳定下降速度（电车下坡）。制动方法：①自由停车法：断开电源，靠各种摩擦阻转矩，需要较长时间；②电磁制动器“抱闸”；③电气制动法：使电动机产生一个负的转矩，使系统减速，常用的方法有，能耗制动、反接制动、倒拉反转制动、回馈制动电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page14他励直流电动机的制动图3-9能耗制动过程1.能耗制动1)能耗制动过程他励直流电动机拖动着反抗性恒转矩负载运行于正向电动运行状态，电动机工作点在第I象限A点。制动时，磁场保持不变，当刀闸从上拉至下边时，也就是突然切除了电动机的电源电压并在电枢回路中串入了电阻R，这样他励直流电动机的机械特性不再是(b)图中的曲线1而成了曲线2。成为制动转矩制动过程中，电机作发电机运行将系统的动能变为电能，消耗在电阻上，直到电动机停止转动为止。所以这种制动方式称为能耗制动。aRR他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采用能耗制动，电动机的运行点从A-B-0，B-0是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但是到0点以后，如果不采用其他办法停车，如抱闸抱住电动机轴，则由于电磁转矩T小于负载转矩，系统会继续减速，即开始反转了。。0AB应用场合适宜用于不要求反转、减速要求较平稳的场合，也可用于控制位能性负载下降的速度。优缺点优点：①制动、减速较平稳可靠；②控制线路简单；③便于实现准确停车（转速减到零时，制动转矩也减小到零）。缺点：制动转矩随转速降低成正比减小，低速时制动设备效果不好。拖动反抗性负载拖动位能性负载电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page15反接制动过程图3-12他励直流电动机反接制动过程采用能耗制动3的电力拖动系统，当转速接近于零时，制动转矩就很小了。如果这时TL不大，系统制动到n＝0需要时间较长。在这种情况下，若采用反接制动，可以得到强烈的制动效果，缩短制动时间。反接制动停车是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串入限流的反接制动电阻R来实现的。电动机在制动前工作在电动状态在固有特性的A点，电枢反接制动特性变为人为特性BC上，由于机械惯性，转速不能突变，电动机运行点转移到人为特性的B点，B点的TB为负，n为正，在第II象限。制动时，运行点沿B点向C点变化。直线在第II象限的一段BC，即为反接制动特性。过程称为反接制动过程。应用场合用于要求迅速反转，要求强烈制动效果的场合优缺点优点：①制动过程中，制动转矩较稳定（随转速降低变化小），制动效果强烈，制动较快；②在电机停止转动时，也存在制动转矩。缺点：①制动过程中有大量的能量损耗；②制动转速等于零时，如不及时切除电动机的电源，电动机会自行反向启动加速。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动Page16倒拉反转运行（位能性负载）图3-14倒拉反转运行他励直流电动机如果拖动位能性负载运行，电枢回路串入电阻时，转速n下降，但是如果电阻值大到一定程度后，就会使转速n0，工作点在第Ⅳ象限，电磁转矩T0，与n方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行。当n=0时，TcTL，n反向启动加速，随着转速在负方向增加，转矩T也加大，一直增加到D，转速稳定，获得稳定的下放速度。因此，它可用于低速下放重物。串接的电阻越大，所获得的稳定转速也越高。一方面从电源吸收电功率，另一方面从机械负载吸收机械能（机械负载的位能），这两部分功率全部消耗在电枢回路的总电阻上。优缺点优点：①操作简单；②在电机停止转动时，也存在制动转矩。缺点：制动过程中有大量的能量损耗。应用场合可应用于位能性负载，在nn0的条件下恒速下降。电动减速状态制动加速状态，此时，电动势改变了方向，故也叫电动势反接制动过程。电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动在BC段，即，转速高于理想空载转速是回馈制动运行的重要特点。Page17回馈制动运行图3-15降压调速时的回馈制动过程（1）正向回馈制动运行他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低调节回馈制动：就是将电动机变成一台发电机发出电能，并将电能送回电源，因此而产生的制动称为回馈制动（也叫再生制动，发电制动）。突将电压降低T与n的方向相反，起制动作用，这种制动叫回馈制动过程，在第II象限。01eNeNCnCn01nnaEU电力拖动与控制——第三章直流电机的电力拖动2LTTPage18