电机拖动基础 第九章 直流电动机的电力拖动

第九章直流电动机的电力拖动第1页共18页第九章直流电动机的电力拖动(DraggingofDCmotor)本章主要介绍直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。9.1他励直流电动机机械特性(torque-speedcharacteristic)一.机械特性的表达式直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：)(emTfn由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：ememTeeTnTCCRCUn020n称为理想空载转速。实际空载转速020TCCRCUnTee二.固有机械特性和人为机械特性1.固有机械特性当aNNRRUU,,时的机械特性称为固有机械特性：emNTeaNeNTCCRCUn2由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。2.人为机械特性0'n0nNnnemTNT0T第九章直流电动机的电力拖动第2页共18页当改变U或aR或得到的机械特性称为人为机械特性。1)电枢串电阻时的人为特性保持NNUU,不变,只在电枢回路中串入电阻SR的人为特性emNTeSaNeNTCCRRCUn2特点：(1）0n不变,变大；(2）越大，特性越软。2)降低电枢电压时的人为特性保持NaRR,不变，只改变电枢电压U时的人为特性：emNTeaNeTCCRCUn2特点：1)0n随U变化,不变;2)U不同,曲线是一组平行线。0nnNUemT1UNUU101nSaRR0nnaRemT第九章直流电动机的电力拖动第3页共18页3)减弱励磁磁通时的人为特性保持NaUURR,不变，只改变励磁回路调节电阻SfR的人为特性：emTeaeNTCCRCUn2特点:1）弱磁,0n增大；2）弱磁，增大。三.机械特性绘制1.固有特性的绘制已知NNNNnIUP,,,，求两点:1）理想空载点),0(0nnTem2）额定运行点),(NNemnnTT。具体步骤：（1）估算:aR2)32~21(NNNNaIPIUR（2）计算:NTNeCC和NNNNNenPIUC（3）计算理想空载点：NeNemCUnT0,0（4）计算额定工作点：NNNTNnnICT,2.人为特性的绘制在固有机械特性方程emTnn0的基础上，根据人为特性所对应的参数SR或U或变化，重新计算0n和，然后得到人为机械特性方程式。01n11kT202n2kTNn0nemTkT21N第九章直流电动机的电力拖动第4页共18页四.电力拖动系统稳定运行条件处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在A点，系统平衡LemTT。扰动使转速有微小增量，转速由An上升到An，LemTT，扰动消失，系统减速，回到A点运行。扰动使转速由An下降到An，LemTT，扰动消失，系统加速，回到A点运行。在B点，系统平衡LemTT，扰动使转速由Bn上升到Bn，LemTT，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到B点运行。扰动使转速由Bn下降到Bn，LemTT，系统将一直减速，不可能回到B点运行。电力拖动系统稳定运的行充分必要条件emTLTAn0AnAnnAAn0nBemTLTBn0BnBn第九章直流电动机的电力拖动第5页共18页1.必要条件:电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在LemTT。2.充分条件:在交点LemTT处满足dndTdndTLem。或者说，在交点的转速以上存在LemTT,在交点的转速以下存在LemTT。9.2他励直流电动机的起动(starting)电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为aNststTstRUIICT起动时由于转速n=0，电枢电动势0aE，而且电枢电阻aR很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。一.电枢回路串电阻起动1.起动过程三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S第九章直流电动机的电力拖动第6页共18页2.分组起动电阻的计算设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIR，d点222aNEUIR，c点112aNEUIRe点211aNEUIR，f点321aNEUIR，g点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR计算各级起动电阻的步骤：(1)估算或查出电枢电阻aR；（2）根据过载倍数选取最大转矩1T对应的最大电流1I；（3）选取起动级数m；3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd2aRNngh3n2ne11RRRstaf3第九章直流电动机的电力拖动第7页共18页（4）计算起动电流比：maNRIU1，m取整数（5）计算转矩:12TT，校验：LTT)3.1~1.1(2如果不满足，应另选1T或m值并重新计算，直到满足该条件为止。（6）计算各级起动电阻。二.降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。三.他励直流电动机起动的过渡过程1.过渡过程—从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程。起动、制动、反转、负载突变等过程。2.电力拖动系统中一般存在三种惯性：1）机械惯性：反映在系统的飞轮矩GD2上，表征转速n不能突变。2）电磁惯性：反映在电枢回路电感La和励磁上回路电感Lf上，表征电枢电流Ia和励磁电流If不能突变。3）热惯性：表征电动机温度不能突变。3.电力拖动的过渡过程分为两种：1）机械过渡过程：只考虑机械惯性2）电气-机械过渡过程：同时考虑机械惯性和电磁两种惯性。4.起动的机械过渡过程：1）一阶惯性环节2）惯性大小用机电时间常数TtM来表征，2tMTGD3）起动过程延缓的原因及改善措施（1）机械惯性过大——减小飞轮矩GD2，减小TtM（2）起动电流随时间呈指数衰减——自动控制方式调节起动（电枢）电流。5.电枢回路电感对起动过程的影响1）考虑电枢回路的电磁惯性2）电磁时间常数：Tta=La/Ra3）结论：第九章直流电动机的电力拖动第8页共18页（1）使电流和转速上升延迟，起动过程产生振荡；（2）使动态转速降（dn/dt）增大。9.3他励直流电动机的制动(braking)当emT与n的方向相同时，电机运行于电动机状态，当emT与n方向相反时，电机运行于制动状态。一.能耗制动在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关S投向制动电阻BR上即可。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势aE方向不变。由aE产生的电枢电流aBI的方向与电动状态时的aI方向相反,对应的电磁转矩emBT与emT方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能耗制动时的机械特性为：0,NUememNTeBaTTCCRRn02U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBTBaRRCBn0naRA0LTemT电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点第九章直流电动机的电力拖动第9页共18页改变制动电阻BR的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。BR越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是NBaaaBIIRREI)5.2~2(max，即：aNaBRIER)5.2~2(其中aE为制动瞬间的电枢电动势。能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。二.反接制动1.电压反接制动电压反接制动时接线如图所示。开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻BR后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：BaaBaaaBRREURREUI反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电压反接制动。反接后电流的数值将非常大，为了限制电枢电流，所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。minmaxNaBaaUERRI电压反接制动时NUU，N，电枢回路的电阻为：aBRR。机械特性为：ememNTeBaNeNTnTCCRRCUn02U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT第九章直流电动机的电力拖动第10页共18页曲线如图中BC所示。工作点变化为：CBA。制动过程中,U、aI、emT均为负，而n、aE为正。01aUIP,表明电机从电源吸收电功率；022emTTP,表明电机从轴上吸收机械功率;0aaemIEP，表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。反接制动反向起动过程：如果C点电动机的转矩大于负载转矩，当转速到达零时，应迅速将电源开关从电网上拉开，否则电动机将反向起动，最后稳定在D点运行，如图所示。电压反接制动在整个制动过程中均具有较大的制动转矩，因此制动速度快，在可逆拖动系统，常常采用这种方法。2.倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有020LNTeBaTCCRRnnBaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD第九章直流电动机的电力拖动第11页共18页倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。三.回馈制动电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现0nn情况，此时UEa，aI反向，emT反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。稳定运行有两种情况:BaRRCBn0naRA0LTemTBTDKT电枢回路串入较大电阻后特性曲线BR正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点Bn0nA0LTemTLT0n当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限第九章直流电