电机拖动基础第2章直流电机电力拖动

电机与拖动第2章直流电动机的电力拖动2.1电力拖动系统的基本概念2.3他励直流电动机的起动2.2他励直流电动机的机械特性2.4他励直流电动机的制动2.5他励直流电动机的调速第2章直流电机22.1电力拖动系统的基本概念拖动：原动机带动生产机械运动。电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。2.1.1电力拖动系统的组成控制设备电源电动机传动机构工作机构第2章直流电机32.1.2典型的电力拖动系统1.单轴旋转系统电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转。工作机构2.多轴旋转系统工作机构第2章直流电机43.多轴旋转运动加平移运动系统工作机构4.多轴旋转运动加升降运动系统G第2章直流电机2.1.3电力拖动系统的运动方程式1.单轴电力拖动系统的运动方程研究运动方程,以电动机的轴为研究对象。电动机运行时轴的受力如图示。电动机生产机械TemnTL轴TemTLnTem－TL=JddtTem：电动机的电磁转矩(N.m);TL：负载转矩(N.m);J：电动机轴上的总转动惯量(N.m.s2);：电动机转子角速度(rad/s)。5第2章直流电机260Ωπn22224JmGgDGDgemLdTTJdtm：系统转动部分的质量(kg)G：系统转动部分的重量(N)：系统转动部分的转动半径(m)D：系统转动部分的转动直径(m)g：重力加速度(9.8m/s2)222460375emLGDπdnGDdnTTgdtdt飞轮矩(N·m2)运动方程式有量纲(m/(min.s))6第2章直流电机72.根据运动方程式判断系统的运动状态GD2dn375dtTem－TL=动转矩当Tem＞TL时，dndt＞0→n→加速的暂态过程。当Tem=TL时，dndt=0n=0n=常数稳定运行。当Tem＜TL时，dndt＜0→n→减速的暂态过程。第2章直流电机8TemTL转矩的方向与n的方向相同，取正号，方向相反，则取负号。3.正方向的规定TemTLn＞02375emLGDdnTTdtn＜02375emLGDdnTTdt2375LemGDdnTTdt第2章直流电机9TemTemn＞0n＜02375emLGDdnTTdt2375emLGDdnTTdtTLTL第2章直流电机2.1.4电力拖动系统的负载特性负载转矩TL与电动机转速n之间的关系，即：n=f(TL)1.恒转矩负载特性(1)反抗性恒转矩负载特性由摩擦力产生当n＞0，TL＞0。当n＜0，TL＜0。TemTL正方向OTLn+TL－TL其特点是大小恒定（与n无关）；转矩的作用方向与运动方向相反。10第2章直流电机11皮带运输机电力机车第2章直流电机12OTLn(2)位能性恒转矩负载由重力作用产生当n＞0，TL＞0。当n＜0，TL＞0。提升时：n0,TL0阻转矩下放时：n0,TL0拖动转矩特点：绝对值大小恒定；作用方向与n无关，不变。TL轴Tem重物n第2章直流电机132.恒功率负载特性TL∝1nOTLn负载功率:226060955LLknπkPTΩπkn.负载功率与n无关，称恒功率负载。第2章直流电机143.通风机负载特性TL∝n2反抗性负载。OTLn实际的通风机负载OTLnT0TL=T0＋kn2第2章直流电机152.2他励直流电动机的机械特性2.2.1他励直流电动机的机械特性方程式转速n与电磁力矩Tem之间的关系称为机械特性n=f(Tem)研究条件：U=UN，If=IfNadaRRR附加电阻aeeICRCUn附加电阻第2章直流电机16由电磁转矩公式推出机械特性表达式：2emeeTRUnTCΦCCΦaeeURnICC0nΔn0eUnC—理想空载转速(r/m)2aemeTRΔnTCCΦ—转速降(r/m)emTaTCI第2章直流电机17当U、Φ、Ra不变时，机械特性表达式为直线方程：2aemeeTRUnTCCC0emnT2TeaCCR—机械特性的斜率β决定了机械特性倾斜的程度β小—硬机械特性β大—软机械特性nT0TNnNn0ββ’β’βn’第2章直流电机182.2.2他励直流电动机的固有机械特性在U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻条件下，得到的机械特性叫自然特性（固有特性）2NaemeNeTNURnTCΦCCΦ特点：①由于电枢回路的电阻很小，因此固有机械特性是一条略微向下倾斜的直线。其特性为硬特性，斜率2aeTNRCCΦ②当Tem＝0时，电机转速为理想空载转速0NNeNUnCΦ第2章直流电机19n0Tn0TNnNabT0n’00NNnnΔn④随着负载的增加，Tem增大，Δn增加，电机的转速n下降，当电机带额定负载(Tem=TN)时，Δn＝ΔnN。电机的转速为额定转速nN。③当电机实际空载时，由于本身还有空载损耗，因此实际的空载转速为：002'NaeNeTNURnTCΦCCΦ第2章直流电机20在U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻三个条件中只要改变其中一个，得到的机械特性称为人为机械特性。⑤直流电动机在额定电压下刚起动时,n＝0，Ea=0，电枢电流Ia就是起动电流IstNastaUIIR⑥在n－T坐标平面中，机械特性是通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限的直线，其中Ⅰ象限为电动状态，Ⅱ、Ⅳ象限为制动状态Temn0n0Tｓt第2章直流电机211.电枢回路串电阻机械特性方程变为2.2.3他励直流电动机的人为机械特性研究条件,,NNaadUURRR02NaadememeNeTNURRnTnTCCCnNnT0n0TNRaRa+Rad1Ra+Rad2n1n2Rad2Rad1第2章直流电机22③电枢回路串接电阻主要用于电动机的起动和调速。②与固有机械特性相比，由于电枢回路串入电阻，斜率变大，机械特性变软。①理想空载转速n0未变，与固有机械特性相同。与固有机械特性比较，特点是：第2章直流电机232.减小磁通研究条件：NaUU,,RRnT0n0TNnNN02NaememeeTURnTnTCCC与固有机械特性比较，特点是：①理想空载转速n0与成反比，弱磁后,n0增大。②转速降n与的平方成反比，斜率β变大，机械特性变软。③适当弱磁可以提高电动机的转速。12n1n0’n0’’n212第2章直流电机243.降低电枢端电压UnT0n0TNnNUN研究条件：aNRRU,,02aememeNeTNRUnTnTCCC与固有机械特性比较，特点是①理想空载转速n0减小。②与固有机械特性相比，转速降n未变，斜率β未变，机械特性与固有机械特性平行，属硬特性。③降低电枢电压主要用于电动机的起动和调速，并能保持机械特性硬度不变。U1n’0n1U2n’’0n2U1U2第2章直流电机25他励直流电机固有机械特性是一条斜直线。如果知道这条直线上的两点，例如空载点（n0，0）和额定工作点（nN，TN），通过这两点连成的直线，就是固有机械特性。Nn0nnstartT2.2.4根据铭牌估算机械特性第2章直流电机26求电枢电阻Ra已知电动机铭牌，PN、UN、IN、nN，绘制其机械特性21223NNNaNUIPRI求理想空载转速n0aNNNaeNNNEUIRCnn9.55TNeNCCemNTNaTCI0NeNUnC求电磁转矩Tem在坐标纸上标出（n0，0）和（nN，TemN），过这两点连成直线，即为直流电动机的固有机械特性。第2章直流电机27【例2-1】他励直流电动机，PN=15kW，UN=220V，IN=83A，nN=1640r/m，求固有机械特性和斜率。第2章直流电机28【例2-2】他励直流电动机，PN=13kW，UN=220V，Ra=0.225，IN=68.6A，nN=1500r/m，负载转矩为额定值不变，求(1)电枢回路串入附加电阻Rad=1时的人为机械特性方程及电动机转速；(2)电压降至151.4V时的人为机械特性方程及电动机转速；(3)当磁通减至额定磁通的三分之二时的人为机械特性及电动机转速。第2章直流电机292.2.5电力拖动系统稳定运行的条件负载转矩特性和电动机的机械特性要有一定的配合，电力拖动系统才能稳定运行。2375emLGDdnTTdtTenOn0aTL稳定运行:Tem－TL=0，n=常数过渡过程:Tem－TL＞0，Tem－TL＜0工作点在交点上工作点动态变化稳定运行必须满足Tem=TL，且能抗干扰第2章直流电机30aaTenOn0TL稳定运行时，若产生了干扰，原来的平衡状态被破坏，系统进入动态调整过程；当干扰消失后，系统若回到干扰产生前的状态，则该系统为稳定的。干扰使TLTe＜TLn→Te→a点。→a点。→n→Te干扰过后Te＞TL→Te=TLTL2375emLGDdnTTdt第2章直流电机31aaTemnOn0TL稳定运行时，若产生了干扰，原来的平衡状态被破坏，系统进入动态调整过程；当干扰消失后，系统若回到干扰产生前的状态，则该系统为稳定的。干扰使TLTem＜TLn→Tem→a点。→a点。→n→Tem干扰过后Tem＞TL→Tem=TLTL干扰使TLnTem＞TL→Tem→a点。→Tem=TL干扰过后Tem＜TL→n→Tem→Tem=TL→a点。第2章直流电机32bTemnOn0TL干扰使TLTem＜TLn→Tem→n→堵转。→n干扰过后Tem＜TL干扰使TLnTem＞TL→Tem→n干扰过后Tem＞TL→n→飞车。第2章直流电机BCTBTCn0’A’1’ATTLnn0120例:电网电压变化emTeaeNTCCRCUn21—固有机械特性2—恒转矩负载特性1’—降压的机械特性2375emLGDdnTTdt33第2章直流电机电力拖动系统稳定运行的条件ememLT在T=T，0n1）电动机的机械特性与负载转矩特性有交点Tem=TL2）在交点对应的转速之上（Δn0）应要求TemTL；在交点对应的转速之下（Δn0）应要求TemTL。2375emLGDdnTTdtTenOn0TLabTenOn0TL34第2章直流电机tOn2.3他励直流电动机的起动电动机的起动指接通电源，转速从n=0升到稳态转速的全过程。起动要求：1）起动转矩足够大，Tst≥(1.1~1.2)TL2）起动电流不能太大，Ist≤(1.5~2.0)IN2375emLGDdnTTdtSTSTTTCImax3）起动时间短。第2章直流电机2.3.1起动方法1.直接起动直接起动就是将电动机直接投入到额定电压的电网上起动。aeaeNICRCUn他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场，而后加电枢电压。第2章直流电机3700tn,0aeECn,0NstaUIR1030NstNaUI(~)IR起动电流太大，造成换向困难，出现强烈火花。1020stTstNTCI~T起动转矩太大，造成机械冲击，易使设备受损。直接起动Ist太大，须限制Ist=(1.5~2)IN降压起动电枢串电阻起动第2章直流电机2.降压起动设备需求:可调压的电源,电压下降使电枢电流在(1.5~2)IN范围内.1030NstNaUI(~)IRstTstTCI大小可调第2章直流电机nTem0TLTst2Tst1U1U2U3UNAU1U2U3UN沿着U1线一直上升吗？aeECnstastastUEIRI2375emLGDdnTTdtstTstTCITst1=？起动过程：先建立励磁，再给电枢加低压，随转速升高，逐渐加大U。Tst2=？第2章直流电机3.电枢回路串电阻起动152stNaUEI(.~)IR一般采用分级串电阻起动UKMMKM3KM2KM1Rad3Rad2Rad1RaR3R2R1R1=Rad1+Rad2+Rad3+RaR2=Rad2+Rad3+