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電機(jī)控制技術(shù),第三章 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng),本章內(nèi)容,直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),3.1 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),起動(dòng)過程:直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從零到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程; 直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的原則:在起動(dòng)電流不超過允許值的情況下,獲得盡可能大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩; 直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載起動(dòng)的基本要求是: 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大,使TS(1.11.2)TL; 起動(dòng)電流盡量小,使IS(1.52)IN; 起動(dòng)設(shè)備要簡單、可靠、經(jīng)濟(jì);,3.1 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí):先在電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入額定勵(lì)磁電流,以便在氣隙中建立額定磁通,然后才能接通電樞回路; 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式:直接起動(dòng);電樞回路串電阻起動(dòng);降電壓起動(dòng),3.1.1 直接起動(dòng),把他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組直接接到額定電壓的電源上,這種起動(dòng)方法稱為直接起動(dòng); 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間(n=0)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,也稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,其計(jì)算公式為:Tst=CTnIST; 起動(dòng)瞬間,n0,Ea0,起動(dòng)電流為Ist=UN/Ra;由于電樞電阻Ra很小,因此Ist很大,可以達(dá)到額定電流的1020倍;,大的起動(dòng)電流可能產(chǎn)生如下后果: 大電流使電樞繞組受到過大的電磁力,易損壞繞組; 使換向困難,在換向器表面產(chǎn)生火花及環(huán)火,燒毀電刷與換向器; 過大的起動(dòng)電流將產(chǎn)生過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst,從而使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到很大的沖擊力,加速過快,易損壞傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu); 過大的起動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng),影響電網(wǎng)上其他用戶的正常用電;,因此,一般來講,對(duì)于微型直流電動(dòng)機(jī)(功率小于1KW),其功率小、電壓低、電樞電流小、電樞電阻Ra相對(duì)較大,允許采用直接起動(dòng)的方法,無需附加起動(dòng)設(shè)備,操作最為簡便。 在設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)時(shí),電樞繞組允許通過短時(shí)過載電流為額定電流的1.52倍,因此限制起動(dòng)電流Ist時(shí),應(yīng)將其值限制在(1.52)倍In范圍內(nèi)。 由Ist=UN/Ra可知,限制起動(dòng)電流的措施有兩個(gè): 降低電源電壓 加大電樞回路電阻,3.1.2 降低電源電壓起動(dòng)(軟起動(dòng)),降壓起動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的電樞由可調(diào)直流電源供電; 起動(dòng)時(shí),需先將勵(lì)磁繞組接通電源,并將勵(lì)磁電流調(diào)到額定值,然后由低到高調(diào)節(jié)電樞回路的電壓; 在起動(dòng)瞬間:電流Ist通常限制在(1.52)IN內(nèi),因此起動(dòng)的最低電壓為U1=(1.52)INRa,此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速n升高,Ea也逐漸增大,電樞電流Ia=(U-Ea)/Ra相應(yīng)減小,此時(shí)電壓U必須不斷升高,并且時(shí)Ia保持在(1.52)IN內(nèi),直至電壓升高到額定電壓UN,電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),起動(dòng)過程結(jié)束。,3.1.2 降低電源電壓起動(dòng)(軟起動(dòng)),優(yōu)點(diǎn):平滑性好,能量損耗小,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制; 缺點(diǎn):需要配有專用的調(diào)壓電源,增加了初期的投資;,圖3.1 降壓起動(dòng),3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),電壓U=UN不變,在電樞回路中串接電阻Rst,可以達(dá)到限制起動(dòng)電流的目的, Rst稱為起動(dòng)電阻; 電樞回路中應(yīng)串入的電阻值為:RstUN/Imax-Ra 起動(dòng)后,如果仍舊串接著Rst,則系統(tǒng)只能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。為了得到額定轉(zhuǎn)速,必須切除Rst,使電動(dòng)機(jī)回到固有機(jī)械特性上工作。但如果把Rst一次全部切除,還會(huì)產(chǎn)生過大的電流沖擊,為了保證起動(dòng)過程中電樞電流始終不超過最大允許值,只能先切除Rst的一部分,使系統(tǒng)工作在某一條中間的人為機(jī)械特性上,待轉(zhuǎn)速升高后再切除一部分電阻。如此逐步切除,直至Rst全部切除為止。,3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),電阻的切除方法有手動(dòng)和自動(dòng)兩種; 自動(dòng)切除有三種方法: 限流切除法:起動(dòng)電流減小到某一數(shù)值時(shí),自動(dòng)切除一級(jí)電阻; 反電勢加速法:隨著轉(zhuǎn)速升高電樞感應(yīng)電勢相應(yīng)增大,根據(jù)檢測得到的感應(yīng)電勢自動(dòng)切換; 限時(shí)切除法:按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間,依次切除;,3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),起動(dòng)電阻的計(jì)算: I1的選擇:為了滿足快速起動(dòng)的要求, T1越大越好,但考慮電動(dòng)機(jī)的過載能力,一般選: I1Imax(1.52)IN或T1 (1.52)TN I2的選擇: 保證電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載,即T2TL; T2TL不能太小,太小加速慢,延緩起動(dòng)過程; T2TL不能太大,太大起動(dòng)級(jí)數(shù)贈(zèng)多; 一般選I2(1.11.2)IN或T2 (1.11.2)TN 或I2(1.11.2)ILmax或T2 (1.11.2)TLmax,3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),起動(dòng)級(jí)數(shù)m的選擇: 為了滿足快速起動(dòng)的要求,級(jí)數(shù)應(yīng)該多,級(jí)數(shù)多可使平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,起動(dòng)快,同時(shí)起動(dòng)平滑性好; 但級(jí)數(shù)越多,所用設(shè)備越多,線路越復(fù)雜,可靠性下降; 一般選m=24級(jí);,3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),各級(jí)起動(dòng)電阻的計(jì)算: 原則:以起動(dòng)過程中,最大起動(dòng)電流I1和切換電流I2保持不變?yōu)樵瓌t; 在切換瞬間,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變,所以有nb=nc,Eb=EC,因此 在b點(diǎn)有:I2(UN-Eb)/R3 在C點(diǎn)有:I1(UN-Ec)/R2 得: I1/I2=R3/R2=R2/R1=R1/Ra= 則:R1=Ra, R2=R1=2Ra, R3=R2=3Ra, Rm=Rm-1=mRa,,3.1.3 電樞回路串電阻分級(jí)起動(dòng),計(jì)算起動(dòng)電阻時(shí)的兩種情況: 起動(dòng)級(jí)數(shù)m未定,選定I1,I2,得到; 起動(dòng)級(jí)數(shù)m已定,選定I1,得到Rm=UN/I1,然后得到;,根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程,3.2 直流傳動(dòng)的調(diào)速方法,n,U,I,R,Ce,式中 轉(zhuǎn)速(r/min); 電樞電壓(V); 電樞電流(A); 電樞回路總電阻(); 勵(lì)磁磁通(Wb); 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)。,(1)調(diào)壓調(diào)速,工作條件: 保持勵(lì)磁 = N ; 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程: 改變電壓 UN U U n , n0 調(diào)速特性: 轉(zhuǎn)速下降,機(jī)械特性曲線平行下移。,(2)調(diào)阻調(diào)速,工作條件: 保持勵(lì)磁 = N ; 保持電壓 U =UN ; 調(diào)節(jié)過程: 增加電阻 Ra R R n ,n0不變; 調(diào)速特性: 轉(zhuǎn)速下降,機(jī)械特性曲線變軟。,(3)調(diào)磁調(diào)速,工作條件: 保持電壓 U =UN ; 保持電阻 R = R a ; 調(diào)節(jié)過程: 減小勵(lì)磁 N n , n0 調(diào)速特性: 轉(zhuǎn)速上升,機(jī)械特性曲線變軟。,調(diào)壓調(diào)速特性曲線,三種調(diào)速方法的性能與比較,對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好; 改變電阻只能有級(jí)調(diào)速; 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速,但調(diào)速范圍不大,往往只是配合調(diào)壓方案,在基速(額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。 因此,直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。,3.3 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),制動(dòng):電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng) 電氣制動(dòng):電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向相反,T起反抗運(yùn)動(dòng)的作用; 電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)分為: 使系統(tǒng)迅速減速停車,過渡過程,制動(dòng)過程 限制位能性負(fù)載的下降速度,穩(wěn)定運(yùn)行,制動(dòng)運(yùn)行 制動(dòng)的方法: 能耗制動(dòng),反接制動(dòng),倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),回饋制動(dòng),3.3.1 能耗制動(dòng),能耗制動(dòng)的原理 能耗制動(dòng)過程中,電動(dòng)機(jī)靠慣性旋轉(zhuǎn),電樞通過切割磁場將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,該部分電能再消耗在電樞回路的電阻上?能耗制動(dòng)的原理,3.3.1 能耗制動(dòng),能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性 機(jī)械特性方程:,能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性,3.3.1 能耗制動(dòng),能耗制動(dòng)電阻RH的計(jì)算 RH越小,電樞電流Ia越大,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大,制動(dòng)越快 根據(jù)電樞允許通過最大電流確定 根據(jù)能耗制動(dòng)剛開始時(shí),需要的最大轉(zhuǎn)矩確定,3.3.2 反接制動(dòng),反接制動(dòng)的原理,3.3.2 反接制動(dòng),反接制動(dòng)的機(jī)械特性 反接制動(dòng)的機(jī)械特性方程 反接制動(dòng)的機(jī)械特性,3.3.2 反接制動(dòng),反接制動(dòng)電阻RF的計(jì)算 RF越小,電樞電流Ia越大,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大,制動(dòng)越快 根據(jù)電樞允許通過最大電流確定 根據(jù)能耗制動(dòng)剛開始時(shí),需要的最大轉(zhuǎn)矩確定,3.3.3 倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),倒拉反接制動(dòng)的原理 用于位能性負(fù)載 當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載處于正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)電樞回路串入電阻時(shí),轉(zhuǎn)速就會(huì)下降; 當(dāng)電樞回路的電阻RD大到一定程度后,電動(dòng)機(jī)就會(huì)穩(wěn)定工作在反轉(zhuǎn)狀態(tài)(n0,Ea0),此時(shí)電樞電流仍然為正,電磁轉(zhuǎn)矩T為正,與n的方向相反,此時(shí)T為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 這種情況下,電動(dòng)機(jī)靠位能性負(fù)載倒拉著反轉(zhuǎn),因此這種制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)就叫做倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 電源輸入的電功率和機(jī)械轉(zhuǎn)換的電功率都消耗在電樞回路電阻(Ra+RD)上。,3.3.3 倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)的機(jī)械特性 倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)的人為機(jī)械特性方程: 倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)的機(jī)械特性 機(jī)械特性比較軟 RD越大,反向轉(zhuǎn)速越高 用于重物下降的場合 根據(jù)下放速度,計(jì)算RD,3.3.4 回饋制動(dòng),回饋制動(dòng)原理 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n超過理想空載轉(zhuǎn)速n0 電樞感應(yīng)電動(dòng)勢EaUN 電樞電流變?yōu)樨?fù)值,電磁轉(zhuǎn)矩T與n的方向相反,電磁轉(zhuǎn)矩T變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩 電磁功率PM0,輸入功率P10,電動(dòng)機(jī)不是從電源獲得電功率,而是電動(dòng)機(jī)向電源發(fā)出電功率,把電能回饋給電源,3.3.4 回饋制動(dòng),回饋制動(dòng)的機(jī)械特性,降低電樞電壓過程中的機(jī)械特性,反向回饋制動(dòng)運(yùn)行的機(jī)械特性,3.3.4 回饋制動(dòng),回饋制動(dòng)的機(jī)械特性,正向回饋制動(dòng)的機(jī)械特性,3.4 直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行狀態(tài):電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài); 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)按電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向是否相同分為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài);,3.4 直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài),電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) T與n方向相同 從電網(wǎng)吸收電能,將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 工作點(diǎn)位于:I和II
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