直流电动机的运行与电力拖动(1)概要

第3章第3章直流电动机的运行与电力拖动直流电动机的机械特性3.1直流电动机的起动3.2直流电动机的调速3.3下页直流电动机的制动3.4第3章本章重点他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性特点。他励直流电动机的起动方法、原理。他励直流电动机的调速原理、方法和调速性能指标的含义他励直流电动机各种制动的原理、方法、特点、机械特性、制动电流和制动电阻的计算下页第3章直流电动机的运行情况：起动、调速、制动分析直流电动机的运行情况的基础直流电动机的机械特性电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电力拖动。分析直流电动机的电力拖动的基础直流电动机的机械特性、系统旋转运动的三种状态、负载的机械特性概述下页上页返回第3章MTnLTU下页上页返回单轴电力拖动系统1.电力拖动系统的运动方程式回顾dtdnGDTTL3752电动机的旋转方向为转速n的正方向，规定：1）电磁转矩T与转速n的正方向相同时为正；2）负载转矩TL与转速n的正方向相同时为负；TLT3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。dtdnGD2375略空载转矩第3章2.系统旋转运动的三种状态1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。LTT0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。LTT0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。LTT0dtdn下页上页返回第3章3.负载的机械特性⑴恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩TL为常数，其大小与转速n无关。恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能性负载特性。1）反抗性负载转矩TL的方向总是与转速n的方向相反，特性位于一、三象限；2）位能性负载转矩TL的方向与转速n的方向无关，特性位于一、四象限。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性负载转矩特性负载的机械特性是指生产机械的负载转矩与转速之间的关系即：n=f(TL)下页上页返回nTn=f(TL)0TL位能性负载转矩特性第3章⑵恒功率负载转矩特性当转速n变化时，负载功率基本不变，TL的大小基本上与转速n成反比nnPT155.92L下页上页返回⑶通风机、泵类负载转矩特性TL的大小基本上与转速平方成正比2L2nTknTL或理想的通风机特性实际通风机特性第3章4.电力拖动系统稳定运行的条件1)必要条件：电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点T=TL处实现转矩平衡。2)充分条件：在交点处有0dndTdndTL在交点所对应的转速之上（），应保证TTL（使电动机减速）；而在这一转速之下（），则要求TTL（使电动机加速）。下页上页返回第3章本次课程内容直流电机的固有机械特性和人为机械特性、电枢反应对机械特性的影响、固有机械特性和人为机械特性的求取；他励直流电动机的起动方法、起动电阻计算。下页上页返回第3章3.1直流电动机的机械特性3.1.1机械特性的一般表达式基础：TTΦCCRRnΦCUnΦCCRRnnTΦCUTΦCCRRΦCUnTeeTeeTee2Ωa02Ωa02Ωa转速降，，理想空载转速斜率机械特性：指电源电压U、气隙磁通Φ、电枢回路电阻Ra均为常数时，电动机的电磁转矩T与电力拖动系统的转速n之间的关系，即n=f(T)。（T与n都是机械量）aaΩaaa)(ΦICTΦnCERRIEUTeΔn=n0－n=βT是电动机在某一定负载和电枢电路电阻时理想空载转速与实际转速之差下页上页返回第3章当U、R为常数时，机械特性曲线为一条向下倾斜的直线。电枢反应对机械特性的影响，可能使特性在T较大时上翘。机械特性的斜率:越大，特性越陡，称为软特性；越小，特性越平，称为硬特性；表明机械特性曲线的下垂程度。注意电动机空载运行时，存在空载损耗，电动机要输入一定的电枢电流产生电磁转矩与由摩擦等原因的空载转矩平衡，电磁转矩T不为零等于空载转矩T0，此时电动机转速为实际空载转速。000Tnn'△n下页上页返回第3章硬度：斜率β的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：TnnT，ddα越大（β越小），特性越硬，称为硬特性，即T变化时，Δn的变化不大。△n额定转速变化率：额定转速降对额定转速的比值用百分数表示，即：%100%100%NN0NNNnnnnnn下页上页返回第3章电枢反应对机械特性影响当电枢电流较大时，电枢反应的去磁作用较大，使↓，则n0↑，即n↑→特性上翘。特性上翘，对电动机稳定运行不利，解决的办法是在主磁极上加装匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。稳定绕组产生与主磁极相同的磁通，抵消电枢反应的去磁作用。加装了稳定绕组后，电动机实质上已变为积复励电动机，但由于串入励磁环绕组匝数很少，其机械特性又与没有电枢反应时的他励直流电动机相同，因此仍可视为他励直流电动机。这样，在讨论问题时，就可完全忽略电枢反应的影响,认为为常数。下页上页返回第3章各种直流电动机的机械特性1.他(并)励电动机：α较大，称为硬特性2.串励电动机:α较小，称为软特性。Tn00n差复励他励积复励串励各种直流电动机机械特性下页上页返回第3章3.1.2固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时的机械特性，其数学表达式为：nnTnTΦCCRΦCUnTee002NaNN下页上页返回第3章起动时n=0，感应电动势Ea=0，电枢电流称为起动电流斜率β，由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很少，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。理想空载时，T=0，Ia=0，UN=Ea，n=n0固有机械特性特点：额定转速降ΔnN%较小。电磁转矩称为起动转矩aNstaRUIIstNstIΦCTTT下页上页返回第3章3.1.3人为机械特性人为机械特性：指改变电机参数，即改变U或变R或变Φ得到的机械特性。TΦCCRRΦCUnTee2NaNNnnTnTΦCCRΦCUnTee002NaNN固有特性的条件：电源电压U=UN，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=01.电枢回路串接电阻时的人为机械特性条件：当U=UN，Φ=ΦN，电枢回路外串电阻RΩ时下页上页返回第3章TL是一簇通过理想空载点并具有不同斜率的射线特点（1）理想空载转速n0不变。（2）机械特性的斜率随的增大而增大，特性硬度减小、变软。（3）负载转矩一定时，串接电阻越大，转速越低，转速降越大。应用研究他励直流电动机串电阻分级起动；起重机和电车常用的调速方法。下页上页返回第3章2.改变电动机供电电源的人为特性条件：当UUN，Φ=ΦN，电枢外串电阻RΩ=0时TΦCCRΦCUnTeNe2NaUfNIfNRf调压电源EanT电源电压可调的他励直流电动机对应不同电枢电压时的人为特性是一组低于固有特性的平行线下页上页返回第3章特点（1）斜率不变，对应不同电压的人为特性互相平行，特性硬度不变。（2）理想空载转速与电枢电压U成正比。（3）负载转矩一定时，电压越低，转速越低，转速降不变。应用常用于生产中需要平滑调速的生产机械如机床、造纸机等调压调速。下页上页返回UNU1U2U3第3章3.改变磁通时的人为特性条件：当U=UN，ΦΦN，电枢外串电阻RΩ=0时，有TΦCCRΦCUnTee2aNUfNIfNRfEanT(a)接线图RaUNIann00TLTN(b)机械特性n02n0112N12弱磁他励直流电动机一族直线，但既不平行，又非放射形下页上页返回第3章特点应用（1）n0与成反比，磁通减弱会使n0升高。（2）β与磁通的平方成反比，磁通减弱会使斜率β加大，特性硬度降低，特性上移。（3）负载转矩一定时，减弱磁通使转速升高，转速降增大。Φ可用于需要平滑调速的场合。下页上页返回第3章3.1.4机械特性的绘制步骤：2NNNNa)32~21(IPIUR1.固有机械特性的求取（1）估算Ra（2）计算（4）计算额定工作点(TN，nN)下页上页返回NaNNNNNnRIUnEΦCeNN55.9ΦCΦCeT（3）计算理想空载点(0，n0)NN0ΦCUne根据额定数据PN、UN、IN、nNNNNIΦCTT第3章2.人为机械特性的的求取在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。βTnn0aRUΦ0nβ下页上页返回第3章例1：一台他励直流电动机的铭牌数据为PN=5.5kW，UN=110V，IN=62A，nN=1000r/min求（1）固有机械特性方程式；（2）实际空载转速n0′解（1）求固有机械特性方程式TnTΦCCRΦCUnTee02NaNN先估算Ra，取系数为1/2时：)(172.062105.56211021)32~21(232NNNNaIPIUR099.01000172.062110NaNNNNNnRIUnEΦCe945.0099.055.955.9NNΦCΦCeT84.1945.0099.0172.0min/1111099.0110NNaNN0ΦCΦCRrΦCUnTee固有特性方程为TTnn84.111110下页上页返回第3章实际空载转速（2）求实际空载转速0002NaNN0TnTΦCCRΦCUnTee'02TTT0N2NTTT额定电磁转矩mN6.5862945.0NNNIΦCTT额定负载转矩mN5.521000105.555.955.932NNNnPT空载转矩mN1.65.526.58N2N0TTTmin/11001.684.11111000rTnn'下页上页返回第3章例2：他励直流电动机的铭牌数据为PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，试分别求取下列机械特性方程式。（1）固有机械特性；（2）电枢串入电阻R=0.7时的人为特性；（3）电源电压降压至110V时的人为特性；（4）磁通减弱至时的人为特性；（5）当负载转矩为额定转矩时，要求电动机以低于额定转速的速度运转，试问有几种可能的方案？如何求出相应的参数。N32Φ解（1）求固有机械特性方程式04.1)(55.9min/16542NNNaNN0ΦCRΦCΦCRrΦCUneaTee固有特性方程为TTnn04.116450)(175.0aR133.0NΦCe下页上页返回第3章（2）电枢串入电阻R=0.7时的人为特性；n0=1645r/min不变，β增大为18.5133.055.97.0175.0)(55.922NaΦCRRe'人为特性方程为TTnn'18.516450（3）电源电压降压至110V时的人为特性04.1不变，n0变为min/827165421N01rΦCUne'人为特性方程为TTnn04.182701（4）磁通减弱至时的人为特性；N32Φn0和β均发生变化min/248132NN02rΦCUne33.2)32(55.92NaΦCRe''人为特性方程为TTnn''33.2248102下页上页返回TTnn04.116450第3章(5)思考?下页上页返回当负载转矩为额定转矩时，要求电动机以低于额定转速的速度运转，试问有几种可能的方案？第3章3.2直流电动机的起动起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机接通电源后，从静止状态加速到某一稳态转速的过程叫起动过程。起动转矩Tst：电动机起动瞬间(n=0)的电磁转矩。起动电流Ist：起动瞬间(n=0)的电枢电流。概念系统对起动的要求不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。一般要想使电动机起动过程合理，应考虑要求起动电流Ist小