【培训课件】电机学课件--直流电动机的电力拖动

直流电动机的电力拖动§1电力拖动系统的运动方程式和负载的转矩特性§2他励直流电动机的机械特性§3他励直流电动机的起动§4他励直流电动机的制动§5他励直流电动机的调速§1§1.1电力拖动系统的运动方程式§1.2负载的转矩特性§1.1电力拖动系统的运动方程式在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机来拖动，这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作机构。一、运动方程式1、单轴系统emLdTTJdtMemTnLTU2、实用表达式通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系为J=mp式中m与G－转动部分的质量与重量；p与D－惯性半径与直径（m）；g=9.81m/s2－重力加速度；再将机械角速度用转速n表示可得：2375nemLtdGDTTd3、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。LemTT0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn二、运动方程式中转矩正、负号的规定首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。emTn（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。LTnemTLT(3)惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。dtdnGD2375§1.2负载的转矩特性负载转矩特性：负载转矩TL与转速n的关系用曲线表示称为生产机械的负载转矩特性。一、恒转距负载特性所谓恒转距负载特性，是指生产机械的负载转矩TL的大小与转速n无关的特性，即无论转速怎样变化，负载转矩的大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转距负载特性和位能性恒转矩负载特性。1．反抗性恒转距负载特性特点：TL的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。负载转矩特性在第一和第三象限，如图1所示，例如金属的压延，机床的平移机构等。TLnTLn2、位能性恒转矩负载特性特点：TL的大小和方向均与转速无关，不随机变化。其负载转矩特性在第一和第四象限，如图所示，例如重物的提升与下放等。二、恒功率负载特性特点：TL的大小基本上与转速n成反比，即负载功率为常数，故称恒功率负载特性。如图所示，是一条双曲线。切削机床属于此类。TLn三、泵与风机类负载特性特点：TL的大小基本上与转速n的平方成正比。其特性如图所示，在第一，三象限，是一条抛物线。例如风机、水泵、油泵等。TLn理想的通风机特性实际通风机特性TL0实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。§2§1机械特性的表达式§2固有机械特性和人为机械特性§3机械特性的求取§4电力拖动系统稳定运行条件§1机械特性的表达式机械特性：电动机处于稳定运行状态时，电动机的电磁转矩Tem与转速n的关系曲线称为电动机的机械特性。（Tem与n都是机械量）TnCCRCUICRCUCRIUCEnTeeaeeeaea02其中：eCUn0称为理想空载转速2TeCCR称为机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性TCCRTnTe2称为负载时的转速降机械特性曲线：当U、R、为常数时，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，如图所示。机械特性的硬度: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。§2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性其方程式为：2aNemeNeTNRUnTCΦCCΦ当时的机械特性称为固有机械特性：aNNRR,ΦΦ,UU二、人为机械特性1、电枢串电阻时的人为机械特性是一族通过理想空载点并具有不同斜率的人为特性。保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性NNΦΦ,UUSRemNTeSaNeNTΦCCRRΦCUn20nnaRemTSaRR2、降低电枢电压时的人为机械特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线。保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：NaΦΦ,RR2aemeNeTNRUnTCΦCCΦ0nnNUemT1UNUU101n3、减弱磁通时的人为机械特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：NaUU,RRSfR2aNemeeTRUnTCΦCCΦ2Φ02n2kTNΦn0nemTkT01n1Φ1kTNΦΦΦ12§3机械特性的求取一、固有机械特性的的求取步骤：（1）估算（2）计算（3）计算理想空载点（4）计算额定工作点数据2)3221(NNNNaIPIURaRNaNNNNNenRIUnECNNeNNTNICICT55.9NNeNNTNICICT55.9二、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。em0βTnnSRUΦ0nβ§4电力拖动系统稳定运行条件一、稳定运行的概念电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍能在新的条件下达到平衡状态，或者在扰动消失后仍能自动恢复原平衡状态，则该系统是稳定的。二、稳定运行的条件（1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即存在Tem=TL(2)充分条件：在交点的转速以上存在Tem＜TL，而在交点的转速以下存在Tem＞TL不稳定运行nAemTLTAn0nBemTLTBn0稳定运行§3§3.1电枢回路串电阻起动§3.2降压起动起动过程：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。起动转矩Tst：电动机起动瞬间的电磁转矩。起动电流Ist：起动瞬间的电枢电流。一、一般直流电机不允许直接起动从公式可以看出直接起动电流很大，能够达到10-20倍的额定电流。这将引起严重的后果。应设法限制电枢电流的不超过额定电流的1.5~2倍。二、解决方法1、对直流电机起动的要求：足够大的Tst，Ist要限制在一定的范围内，起动设备要简单可靠。2、限制Ist的方法：电枢回路串电阻起动，降低电枢电压起动。无论哪种方法都应保证电动机的磁通达到最大值。§3.1电枢回路串电阻起动一、起动过程MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S331RRRRRst2ststaLLIT2IT21IT1ITem0nabn1aRNngh3n11astRRRITemef3122aststRRRR1ncd2二、起动电阻的计算在已知起动电流比β和电枢电阻前提下，经推导可得各级串联电阻为:12231211111stma1mstmstaststastastβRRβ)(βRβRRβ)(βRβRβR)(βRR)(βR计算各级起动电阻的步骤：（1）求Ra（2）根据过载倍数求T1,I1(3)选取m（4）计算（5）求检验是否满足T2≥(1.1—1.3)TL，若不满足，另选T1或m值，直到满足条件。三、三点起动器（简单了解）人工手动办法起动12TT§3.2降压起动当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动机组，现在多用晶闸管整流电源代替。优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。§4§4.1能耗制动§4.2反接制动§4.3回馈制动§4.4直流电动机的反转制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运行过程。电机的两种运行状态：制动状态：电磁转矩Tem的方向与转速n的方向相反。电动状态：电磁转矩Tem的方向与转速n的方向相同。制动的方式有三种：能耗制动、反接制动、回馈制动。§4.1能耗制动1、实现能耗制动的方法将电枢从电源上断开，通过制动电阻RB闭合。电枢电流Ia变为由Ea产生，与原来方向相反，电磁转矩随之反向，Tem与n反向，进入制动状态，制动过程中，电动机靠系统的动能发电，消耗在电枢回路的电阻上，故称为能耗制动。制动BRaBIemBTU电动MaEaInemTfIS2、能耗制动时的机械特性从机械特性曲线看制动过程（A、B、C、三点）Bn0naRA0LTemTBaRRCB4、选择RB的原则因为所以5、能耗制动的优点max(22.5)aaBNaBEIIIRR(22.5)aBaNERRI§4.2反接制动一、电压反接制动1、实现方法如图所示，使k断开、F闭合，使电枢电源反接的同时串入一个制动电阻RB,这时由于U反向,反向的电枢电流很大，产生很大的反向Tem，从而产生很强的制动作用，进入制动状态。2、制动电阻U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT3、机械特性4、从机械特性曲线看制动过程5、功率关系6、优点设备简单，操作方便。BaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD02aBNememeNeTNRRUnTnβTCΦCCΦ一、倒拉反转反接制动（只适用于位能性恒转矩负载）1、实现方法他励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入较大电阻，使n=0时的电磁转矩（起动转矩）小于负载转矩TL。BaRRCBn0naRA0LTemTBTDKT2、机械特性方程：0aB0L2eTNRRnnTCCΦ3、从机械特性曲线看制动过程4、功率关系5、适用场合设备简单，操作方便，适用于低速匀速下放重物。这种反转制动主要是位能负载的倒拉作用，因此得名。§4.3回馈制动1、实现方法他励直流电动机在电动状态下提升重物时，将电源反接，电动机进入电压反接制动状态由于EaU，电流Ia与Ea同方向，与U反方向，所以电动机将位能转换为电能回馈电网，故称回馈制动。2、机械特性由上所述，可能在第四象限，也可能在第二象限。3、分析回馈制动过程中，有功率UIa回馈电网，能量损耗最少。4、使用场合用于高速匀速下放重物和降压、增加磁通调速过程中自动加快减速过程。Bn0nA0LTemTLT0n§4.4直流电动机的反转许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机的转向由电枢电流方向和主磁场方向确定。故方法有两种：一是改变电枢电流方向(即改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接。）二是改变励磁电流的方向（很少采用）§5§5.1评价调速的指标§5.2调速方法§5.3调速方式与负载类型的配合调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要调速。电力拖动系统的调速可以采用：机械调速：改变传动机构速比。电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电动机的机械特性。注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节，而称为速度变化。§5.1评价调速的指标调速指标：为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出的一定的技术经济指标。1、调速范围2、静差率minmaxnnD%100%100%000nnnnnNN)1()1()1(maxmax'0'0max'0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnnnnD4、调速的经济指标经济指标包含三个方面：一是调速设备初投资的大小，二是运行过程中能量损耗的多少，三是维护费用的高低，三者总和较小者经济指标均较好。1iinn可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机允许的调速范围D越大。3、平滑性§5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速0aRn0nNnLTemTA1SaRR1nAB特点：只能将转速往下调，且静差率明显增大，所以调速范围D较小，平滑性差，损耗大，设备简单，投资少，属恒转矩调速。适用于：容量不大，低速运行时间不长，对调速性能要求不高的场合。二、降低电源电压调速zTT0nnNUTLNnA1U01nA’B1n特点：特性平行下移，δ变化不明显，调速范围D较大，平滑性好，损耗小，需可调直流电源，初投资大。适用于：对调速性能要求较高的中大容量拖动系统，例