直流电动机电力拖动

第五章直流电动机的电力拖动一、直流电机的起动二、直流电机的制动三、直流电机的调速及控制四、直流电机四象限运行五、电力拖动系统的过渡过程一、直流电动机的起动1、起动相关的问题：•起动：通电后，转速从零达到稳态转速的过程•起动要求：起动转距大起动电流小起动设备简单可靠、经济•起动方法：直接起动：电枢回路串电阻起动降压起动2、他励磁（并励磁）方式起动的有关问题：•起动前应加有励磁；•起动开始时应限流•∵t=0时n=0、Ea=0•∴无限流时，起动电流：•起动转矩：•∴有：•电流冲击•机械冲击。aastRUII+MEa+-Ra+RcIaIf-U＋－UfaTIKT•以某直流电动机参数为例：•不限流时:•将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。切记：工业直流电动机不能加全电压直接起动。AIRVUUNaN6.15,35.1,220NastIAII17035.12203、限流措施：1电枢回路串接附加起动电阻：为直流电动机电流短时允许过载倍数。2降低电枢电压；起动过程中保持不变，产生允许的最大加速度，缩短起动时间：·Rc随n升高逐步切除，直到Rc＝0·或U随n升高逐步增大，直到aamcRIURNiamIIiamaIINUU4、起动电阻的计算：1图解解析法：1）画出固有机械特性；2）确定最大电流和最小电流；3）画出分级起动机械特性；4）由（）确定各级电阻。Rkn*maxIminI2ETemkkTk2解析法：1）确定最大电流和最小电流2）在进行电阻分级切换时，因为：转速不变化；所有：3）据此计算各分级电阻；maxIminI1-mmminmaxRRII二、直流电动机的制动1、直流电动机制动运行的相关问题：•制动运行的基本特征：产生与n相反的电磁转矩电机的作用为：将运动系统贮存的机械能转化为电能，实现能量的迅速转移；•结论:制动运行状态本质上为发电机运行状态。•与发电机运行的差异：1输入能量有限;2机电能量转换不是目的，而是一种能量转移的手段。2、直流电动机制动的分类：1回馈制动；实现：回馈制动的条件：，因而：。2能耗制动；实现：U＝0，电枢回路串入电阻。3反接制动；实现：电枢电压或电动势极性突然改变（励磁反向）UEa0nn•说明：电动机状态。+MEa+-RaIaIf-U＋－UfTnn,T同方向：电动•说明：电动机回馈制动状态。+MEa+-RaIaIf-U＋－UfTnn,T反方向：制动EaU(nn0)回馈制动Ia反向－T反向说明：电动机能耗制动状态。MEa+-RaIaIf＋－UfTnn,T反方向：制动RU＝0：能耗制动Ia反向、T反向说明：电动机反接制动状态（电源反接）。+MEa+-RaIaIf-U＋－UfTnn,T反方向：制动Ea反接：反接制动n=Ea/Ke与U反接相同说明：电动机反接制动状态（转速反向）。+MEa+-RaIaIf-U＋－UfTnn,T反方向：制动Ea反方向：反接制动励磁反向－Ea反向、T反向3、他励直流电动机的电动机状态1条件：2功率平衡关系：功率平衡：3功率流程：aaacaaIERRIUI)(2emcuPPP1200PPTTTIELemaaP1PemP2PcuP0UEa4、他励直流电动机的回馈制动状态回馈制动时：因而1电压方程：2功率平衡：UEa0nnaaaRIEUaaaaaIERIUI2－aaaaaIERIUI－－2emcuPPP－－102PPPem•电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功率输入；•输入功率为负，代表功率回馈到电源。3功率流程：P1PemP2PcuP04机械特性(他励)电压方程转速特性aecaeIKRRKUn机械特性TKKRRKUnTecae2)(caaaRRIEU－nKEea**aTIKT**5机械特性示意：nn0回馈电动T06机械特性示意：nn02T0n01n1n2TTbLnn0回馈n,T反号制动制动初转矩＝Tb+TL降压调速时的回馈制动（最终稳定运行在电动状态）7机械特性示意：nn0回馈电动T0TLnc下放位能负载时的回馈制动运行（最终稳定运行在回馈制动状态）nTTLG5、他励直流电动机的能耗制动状态能耗制动时：电枢回路串入电阻。1电压方程：2功率平衡：0U)(0caaaRRIEaaacaIERRI)(02－aaacaIERRI－)(02emcuPP－002PPPem•电磁功率为负，代表将机械功率转换为电功率输入；•输入功率为零，代表无功率回馈到电源，•机械能量全部消耗在电阻中。3功率流程：0P1PemP2PcuP001P4能耗制动接线图：EaU+-K1K2RcRa+-+-IfIa制动前EaRa+-+-IfIaRcTTnLTnTL能耗制动5机械特性：(假定正向仍按电动方向)TKKRRnTeca6机械特性示意：TnTLTb0位能负载反抗负载制动到0停车能耗制动稳定运行点Ra+RcRan,TTGL6、他励直流电动机的反接制动反接制动时：电枢电压或电动势极性突然改变。（必须采取限制电枢电流的措施）1电压方程为：电枢电压反接时：电流反向，转向不变，电磁转矩为制动性质；转子转向相反时：电流方向不变，转向反向，电磁转矩为制动性质；acaaIRREU)(acaaIRREU)(2功率平衡：3功率流程：轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻上。2)(acaaaaIRRIEUI＝＋cuemPPP14反接制动接线图（电源反接）：Ea+-IaRaU+-电动Ea+-IaRa＋RcU+-反接制动TLnTTnTL5机械特性：假定正方向按电动机惯例不变，各变量为有符号数，则机械特性方程不变，仍为：TKKRRKUnTecae6机械特性示意：TnTLTb0反抗性负载的反接制动n=0时停车7机械特性示意：TnTL0位能性负载的反接制动稳定运行点8机械特性示意：TnTLTb0反接制动-TL位能负载反抗负载制动到0不断电回馈制动反向电动稳定运行点三、直流电机的调速及控制1、直流电动机调速的相关内容•调速及调速的基本方法•调速指标•电枢串电阻调速•变电机端电压调速•弱磁调速2、调速及调速的基本方法：调速：根据工作机械的要求人为改变电动机的运行速度；调速的方法：1电枢电路串附加电阻调速；2改变电枢电压调速；3改变励磁调速；3、调速指标：1调速范围:•定义：额定负载下电机允许达到的最高转速与保证不超过工作机械的最大允许静差率条件下的最低转速之比。•调速范围：2静差率：maxnminnminmaxnnD000nnnnnSNN•图示如下：TNTnn0N01nminnN•允许最大静差率：•调速范围和最大允许静差率的关系：•结论：对同一调速系统静差率要求不同，则所能达到的调速范围也不同。即，当静差率一定时，若要求扩大调速范围，则：1受限；2必须设法减小。NTTnnnS0min0maxNnSSnnnD)1(maxmaxmaxminmaxDSmaxmaxnnn3电动机负载能力的充分应用：负载能力：调速运行中在额定电流状态下，电动机轴上输出转矩与输出功率大小和变化规律。•调压调速：•与转速成正比，称为恒转矩调速。常数NNTaTIKIKTCKnnTnTPN95509550＝改变磁通调速：•称为恒功率调速。•关于转矩计算：二者相差空载转矩。1CKIRUKIRUneNaNeaanCnICKIKTNTaT11常数＝NNNNPnnCnnCnTnTP95501955019550955011：电磁转矩轴上输出转矩；NTemNNIKTPT:95500T•充分利用电动机的负载能力：按负载性质选择调速方式。调压调磁U增大减小0nTTNnNPPN•调解电压和励磁的:T=f(n)和p=f(n)特性曲线4调速的平滑性：相邻两级转速之比:，K＝1称为无级调速。调压、调磁调速，为无级调速；串附加电阻调速，为有级调速。5原始投资与运行费用的合理利用〖略〗1iinnK4、电枢串电阻调速：•设,串Rc时的机械特性:NNUU,TKKRRKUnTecae2•特点:1在不同的Rc下，不变；2斜率绝对值随Rc增大而增大;3固有特性，人为特性;4所有人为特性均在固有特性之下;•结论：调速只能在固有特性之下进行。0cR0cR0n•图示说明：0nn0TTLn1nnn234Rc=0Rc1Rc2Rc3Rc3Rc2Rc15、改变电枢电压调速：设：；当：时，机械特性为：0cNR，NUUTKKRRKUnTecae2•特点:1在不同的U下，与U成正比；2斜率绝对值，与U无关;3:固有特性，:人为特性;（电压值受绝限制，）4所有人为特性均在固有特性之下;•结论：调速只能在固有特性之下进行。0nNcUUNcUUUNcUU•图示说明：0nn0TTLn1nnn234U=UU=U1U=U2U=U3NU3U2U1UN6、改变励磁调速：设：；当：时，机械特性为：0cNRUU，NTKKRRKUnTecae2•特点：1随磁通下降而增大;2斜率绝对值随磁通下降而增大;3转速特性所有堵转电流交与一点;4机械特性：磁通下降，下降;5在有效负载范围内，人为机械特性在固有特性之上;6对恒转矩负载，弱磁后，速度升高同时电流相应也增大。eNKUn0aNstRUIstTstIKT•结论：调速只能在固有特性之上进行。•图示说明：0nn0NIn01n0221N21N弱磁调速的转速特性0nn0NTn01n0221N21N弱磁调速的机械特性TLIstTstTst1Tst2•以上分析表明，调速时：额定转速以下：串电阻或调压调速；额定转速以上：弱磁调速。7、电动机的基本调速方式•1转速调节的机电过程:Ui·BlF(T)v(n)Bl·ve+-UKn=K+-Ia=U-EaRa+RcIaTTL375GD2∫L)dt+CneEa忽略电磁惯性（L)时•转速和转矩的控制方法2描述直流电动机调速的基本方程：acaaIRREU)(＝nKEeadtdnGDTTL3752＝－aTIKT＝•3改变电枢电压的调速过程：0nn0TTLn1nnn234Rc=0Rc1Rc2Rc3Rc3Rc2Rc1•励磁绕组的脉宽调制系统•并联电枢法•电枢电压控制•4改变励磁的调速过程：0nn0TTLn1nn23U=UU=U1U=U2NU2U1UN•5改变电枢电路电阻的调速过程：•弱磁时，因励磁电路电磁时间常数影响，励磁电流不能突变，I、T的最大值均不可能达到；•相点运动轨迹为曲线。因dT小，弱磁升速过渡过程较长。0nn0NIn01n021N1N弱磁调速的转速特性0nn0NTn01n021N1N弱磁调速的机械特性TLIbbT四、直流电机四象限运行•在直流电机所处的状态中，如其感应电动势和电枢电流是可逆的，那么直流电机的运行就是四象限运行。•直流电机的四象限运行，通过相应的控制来实现。aEaI六、电力拖动系统的过渡过程1、运动方程式（转矩平衡方程）对平面运动，有：旋转运动则为：转矩平衡方程的另一形式：dtdvmmaFdtdJT＝dtdnGDTTL3752＋＝2、转矩、转动惯量的折算：1不考虑中间传动机构的损耗：原则：系统的传送功率不变。2考虑中间传动机构的损耗：在折算关系中，加入传动效率。c3、直流电机起动的过渡过程：•起动过渡过程中的惯性：1机械惯性：2电磁惯性：3热惯性；•起动过渡过程中分析：1机械过渡过程；2电气－－机械过渡过程；•过渡过程分析中所用到的关系:1忽略电磁惯性时：2考虑电枢电感对起动的影响时：RinkRieuaEaa1a