电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性

第二章直流电动机的电力拖动2.1电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性2.2他励直流电动机的机械特性2.3他励直流电动机的起动本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.4他励直流电动机的制动2.5他励直流电动机的调速2.6串励直流电动机的电力拖动思考题与习题第二章直流电动机的电力拖动2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。2.1.1电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式MemTnLTU根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：emLdΩTTJdt其中为系统的惯性转矩。dtdΩJ第二章直流电动机的电力拖动运动方程的实用形式：2375emLGDdnTTdt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常把或称为动负载转矩,把称为静负载转矩.dtdnGD2375)T(TLemLT第二章直流电动机的电力拖动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：二、运动方程式中转矩正、负号的规定（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第二章直流电动机的电力拖动2.1.2负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。nLT1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn第二章直流电动机的电力拖动二、恒功率负载特性恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即与成反比，特性曲线为一条双曲线。nLTTLn三、泵与风机类负载特性负载的转矩基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。LTnTLn理想的通风机特性实际通风机特性TL0第二章直流电动机的电力拖动2.2他励直流电动机的机械特性2.2.1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：)f(Tnem2emeeT0emURnTCΦCCΦnβT由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：0'n0nNnnemTNT0T0n称为理想空载转速。实际空载转速020TΦCCRΦCUnTee第二章直流电动机的电力拖动2.2.2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：aNNRR,ΦΦ,UU2aNemeNeTNRUnTCΦCCΦ二、人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。UaRΦ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。第二章直流电动机的电力拖动1、电枢串电阻时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SaRR0nnaRemT特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。0nββ第二章直流电动机的电力拖动2、降低电枢电压时的人为特性保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：NaΦΦ,RR2aemeNeTNRUnTCΦCCΦ1UNUU101n0nnNUemT特点：1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUUβ第二章直流电动机的电力拖动3、减弱励磁磁通时的人为特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：NaUU,RRSfR2aNemeeTRUnTCΦCCΦ01n1Φ1kT2Φ02n2kTNΦn0nemTkTNΦΦΦ12特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0nβ第二章直流电动机的电力拖动2.2.3机械特性求取一、固有特性的求取)nn,(Tem00)nn,T(TNNem已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。NNN,Nn,IU,P具体步骤：(1)估算:Ra2NNNNaIPIU)~(R3221(2)计算:ΦCΦCNTNe和NNNNNenPIUΦCNeNTΦCΦC9.55(3)计算理想空载点：NeNemΦCUn,T00(4)计算额定工作点：NNNTNnn,IΦCT二、人为特性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第二章直流电动机的电力拖动2.2.4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。nAemTLTAn0在点，系统平衡ALemTTAn扰动使转速有微小增量，转速由上升到，。AnAnLemTTA扰动消失,系统减速，回到点运行。LemATT,n扰动使转速有微小下降，由下降到。AnA扰动消失,系统加速，回到点运行。An第二章直流电动机的电力拖动电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：BnnBemTLTBn0Bn在点，系统平衡BLemTT扰动使转速有微小增量，转速由上升到，,系统加速。BnBnLemTTB即使扰动消失,也不能回到点运行。LemBTT,n扰动使转速有微小下降，由下降到,系统减速。BnB即使扰动消失,也不能回到点运行。(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LemTT(2)充分条件:在交点处,满足:。或者说,在交点的转速以上存在,在交点的转速以下存在dndTdndTLemLemTTLemTT第二章直流电动机的电力拖动2.3他励直流电动机的起动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。stTstNstaTCΦIUIR起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，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。起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，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。第二章直流电动机的电力拖动一、起动过程2.3.1电枢回路串电阻起动以三级电阻起动时电动机为例331RRRRRst2ststaLLIT2IT21IT1ITem0nabn1122aststRRRR1ncd211astRRRITemef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S第二章直流电动机的电力拖动二、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c点1aNEUIR12d点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：βIIRRRRRRa2111223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第二章直流电动机的电力拖动（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；aR1T1I（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；m（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：maNRIUβ1取整数m（5）计算转矩:βTT12，校验：LT).~.(T31112如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止.1Tm计算各级起动电阻的步骤：第二章直流电动机的电力拖动2.3.2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。第二章直流电动机的电力拖动2.4他励直流电动机的制动当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。2.4.1能耗制动U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT电动状态，如图所示。将开关S投向制动电阻上即实现制动.BR由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。aEaEaBIaIemBTemT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。第二章直流电动机的电力拖动能耗制动时的机械特性为：20aBememeTNRRnTβTCCΦBaRR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,稳定工作点第二章直流电动机的电力拖动制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是225aaBmaxNaBEII(~.)IRR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。改变制动电阻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。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。BRBR2~2.5aBaNERR()I其中为制动瞬间的电枢电动势。aE第二章直流电动机的电力拖动2.4.2反接制动电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT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后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：BRaaaBaBaBUEUEIRRRR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。第二章直流电动机的电力拖动电压反接制动时的机械特性为：02aBNememeNeTNRRUnTnβTCΦCCΦ曲线如图中所示。BCBaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD工作点变化为：。CBA制动过程中、、均为负,而、为正UaIemTnaE10aPUI表明电机从电源吸收电功率220emPTΩTΩ表明电机从轴上吸收机械功率0emaaPEI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。第二章直流电动机的电力拖动二、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点在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实现制动.工作点由A-B-C-D,CD段为制动段第二章直流电动机的电力拖动第二章直流电动机的电力拖动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0aB0L2eTN