直流電機拖動《電機與拖動基礎(chǔ)》第三版林瑞光主編.ppt

2.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,2.2 他勵直流電動機的機械特性,2.3 他勵直流電動機的起動,本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、直流電動機的機械特性、起動、調(diào)速、制動等方法和物理過程。,2.4 他勵直流電動機的制動,2.5 他勵直流電動機的調(diào)速,2.6 串勵直流電動機的電力拖動,思考題與習(xí)題,2.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。,2.1.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式,一、運動方程式,根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)，可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：,其中 為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。,運動方程的實用形式：,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動的三種狀態(tài),1)當(dāng) 或 時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。,2)當(dāng) 或 時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。,3)當(dāng) 或 時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。,常把 或 稱為動負(fù)載轉(zhuǎn)矩,把 稱為靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩.,首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速的正方向，然后規(guī)定：,二、運動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負(fù)號的規(guī)定,（1）電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的正方向相同時為正，相反時為負(fù)。,（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的正方向相同時為負(fù)，相反時為正。,(3)慣性轉(zhuǎn)矩 的大小和正負(fù)號由 和 的代數(shù)和決定。,2.1.2 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性,一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負(fù)載的機械特性，簡稱負(fù)載特性。,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性是指生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種。,1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,二、恒功率負(fù)載特性,恒功率負(fù)載特點是：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即 與 成反比，特性曲線為一條雙曲線。,三、泵與風(fēng)機類負(fù)載特性,負(fù)載的轉(zhuǎn)矩 基本上與轉(zhuǎn)速 的平方成正比。負(fù)載特性為一條拋物線。,2.2 他勵直流電動機的機械特性,2.2.1 機械特性的表達(dá)式,直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：,由電機的電路原理圖可得機械特性的表達(dá)式：,實際空載轉(zhuǎn)速,2.2.2 固有機械特性和人為機械特性,一、固有機械特性,當(dāng) 時的機械特性稱為固有機械特性：,二、人為機械特性,當(dāng)改變 或 或 得到的機械特性稱為人為機械特性。,由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。,1、電樞串電阻時的人為特性,保持 不變,只在電樞回路中串入電阻 的人為特性,特點：1） 不變， 變大； 2） 越大，特性越軟。,2、降低電樞電壓時的人為特性,保持 不變，只改變電樞電壓時的人為特性：,特點：1) 隨 變化, 不變; 2) 不同,曲線是一組平行線。,3、減弱勵磁磁通時的人為特性,保持 不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻 的人為特性：,特點：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,2.2.3 機械特性求取,一、固有特性的求取,已知 ，求兩點:1）理想空載點 和額定運行 。,具體步驟：,(1)估算,(2)計算,(3)計算理想空載點：,(4)計算額定工作點：,二、人為特性的求取,在固有機械特性方程 的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對應(yīng)的參數(shù) 或 或 變化，重新計算 和 ，然后得到人為機械特性方程式。,2.2.4 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件,處于某一轉(zhuǎn)速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。,在 點，系統(tǒng)平衡,擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由 上升到 ， 。,擾動消失,系統(tǒng)減速，回到 點運行。,擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，由 下降到 。,擾動消失,系統(tǒng)加速，回到 點運行。,電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：,在 點，系統(tǒng)平衡,擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由 上升到 ， ,系統(tǒng)加速 。,即使擾動消失,也不能回到 點運行。,擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，由 下降到 ,系統(tǒng)減速。,即使擾動消失,也不能回到 點運行。,(1)必要條件:電動機的機械特性與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點,即存在,2.3 他勵直流電動機的起動,電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。,起動瞬間，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流分別為,為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。,起動時由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達(dá)很大值。,過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構(gòu)。一般直流電動機不允許直接起動。,2.3.1 降壓起動,當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。,起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。,降壓起動需專用電源，設(shè)備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。,一、起動過程,2.3.2 電樞回路串電阻起動,以三級電阻起動時電動機為例,二、分級起動電阻的計算,設(shè)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：,b點,c點,d點,e點,f點,g點,比較以上各式得：,在已知起動電流比和電樞電阻前提下，經(jīng)推導(dǎo)可得各級串聯(lián)電阻為:,（6）計算各級起動電阻。,（1）估算或查出電樞電阻 ；,（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩 對應(yīng)的最大電流 ；,（3）選取起動級數(shù) ；,計算各級起動電阻的步驟：,2.4 他勵直流電動機的制動,當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時,電機運行于電動機狀態(tài);當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時,電機運行于制動狀態(tài)。,2.4.1 能耗制動,電動狀態(tài)，如圖所示。,將開關(guān)S投向制動電阻 上即實現(xiàn)制動.,由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動勢 方向不變。由 產(chǎn)生的電樞電流 的方向與電動狀態(tài)時的 方向相反,對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 與 方向相反,為制動性質(zhì),電機處于制動狀態(tài)。,制動運行時，電機靠生產(chǎn)機械的慣性力的拖動而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動。,能耗制動時的機械特性為：,電動機電動狀態(tài)工作點,制動瞬間工作點,制動過程工作段,電動機拖動反抗性負(fù)載，電機停轉(zhuǎn)。,若電動機帶位能性負(fù)載,穩(wěn)定工作點,制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻的原則是,能耗制動操作簡單,但隨著轉(zhuǎn)速下降,電動勢減小,制動電流和制動轉(zhuǎn)矩也隨著減小,制動效果變差。若為了盡快停轉(zhuǎn)電機,可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉(zhuǎn)矩。,改變制動電阻 的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉(zhuǎn)矩及下放負(fù)載的穩(wěn)定速度。 越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉(zhuǎn)矩越大,而下放負(fù)載的速度越小。,其中 為制動瞬間的電樞電動勢。,2.4.2 反接制動,電壓反接制動時接線如圖所示。,一、電壓反接制動,開關(guān)S投向“電動”側(cè)時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進(jìn)行制動時，開關(guān)投向“制動”側(cè)，電樞回路串入制動電阻 后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：,反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強的制動作用電壓反接制動。,電壓反接制動時的機械特性為：,曲線如圖中 所示。,工作點變化為： 。,制動過程中 、 、 均為負(fù),而 、 為正,表明電機從電源吸收電功率,表明電機從軸上吸收機械功率,表明軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌谢芈冯姽β省?可見,反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上。,二、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動,倒拉反轉(zhuǎn)反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,電樞回路串入較大電阻 后特性曲線,正向電動狀態(tài)提升重物(A點),負(fù)載作用下電機反向旋轉(zhuǎn)(下放重物),電機以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下放重物D點,在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻,即可實現(xiàn)制動.,工作點由A-B-C-D,CD段為制動段,第二章 直流電動機的電力拖動,倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有,倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。,倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的能量關(guān)系和電壓反接制動時相同。,思考題,位能性以外的負(fù)載能否實現(xiàn)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動?,2.4.3 回饋制動,回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。,電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn) 情況，此時 ， 反向， 反向，由驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)回饋制動狀態(tài)。,穩(wěn)定運行有兩種情況:,當(dāng)電車下坡時，運行轉(zhuǎn)速可能超過理想空載轉(zhuǎn)速,進(jìn)入第二象限,電壓反接制動帶位能性負(fù)載進(jìn)入第四象限,發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況:,1、降壓調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動,2、增磁調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動,回饋制動時由于有功率回饋到電網(wǎng)，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經(jīng)濟(jì)的。,2.5 他勵直流電動機的調(diào)速,電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速可以采用機械調(diào)、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法稱為機械調(diào)速；通過改變電動機參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。,他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速為,電氣調(diào)速方法:1.調(diào)壓調(diào)速;2.電樞串電阻調(diào)速;3.調(diào)磁調(diào)速。,改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動機工作在不同的機械特性上。,2.5.1 評價調(diào)速的指標(biāo),一、調(diào)速范圍:,二、靜差率（相對穩(wěn)定性）,%越小，相對穩(wěn)定性越好；%與機械特性硬度和n0有關(guān)。,指負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，轉(zhuǎn)速變化小，穩(wěn)定性好。,D與%相互制約:越小,D越小,相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的指標(biāo)的前提下,要擴大D,須減少n,即提高機械特性的硬度。,三、調(diào)速的平滑性,越接近1，平滑性越好，當(dāng) 時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。,四、調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性,在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù),主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運行效率及維修費用等。,2.5.2 調(diào)速方法,一、電樞回路串電阻調(diào)速,未串電阻時的工作點,串電阻后,工作點由AAB,調(diào)速過程電流變化曲線:調(diào)速前、后電流不變,調(diào)速過程轉(zhuǎn)速變化曲線,結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時,串電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。,調(diào)速過程中電流和轉(zhuǎn)速的變化情況,優(yōu)點：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡單，操作方便。,2）低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差,3）輕載時調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時調(diào)速范圍一般為D2；,4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前、后因磁通不變而使電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。,缺點：,1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；,二、降低電源電壓調(diào)速,調(diào)速壓前工作點A,降壓瞬間工作點,穩(wěn)定后工作點,降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程相似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時間變化的曲線也相似。,優(yōu)點： 1）電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)無級調(diào)速。,2）調(diào)速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負(fù)載變化時穩(wěn)定性好。,3）無論輕載還是負(fù)載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá) D=2.512。,4）電能損耗較小。,缺點： 需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。,三、減弱磁通調(diào)速,調(diào)節(jié)磁場前工作點,弱磁瞬間工作點AA,弱磁穩(wěn)定后的工作點,減弱磁通后，理想空載轉(zhuǎn)速上升, 曲線的斜率值增大。,弱磁調(diào)速前、后的電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化情況,減弱磁通調(diào)速前、后轉(zhuǎn)速變化曲線,減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線,結(jié)論：磁場越弱，轉(zhuǎn)速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。,優(yōu)點： 由于在電流較小的勵磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，調(diào)速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經(jīng)濟(jì)性是比較好。,2）轉(zhuǎn)速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般 D2；,為了擴大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓 調(diào)速。,缺點： 1）機械特性的斜率變大，特性變軟；,2.5.3 調(diào)速方式與負(fù)載類型的配合,容許輸出：指電動機在某一轉(zhuǎn)速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩和功率。,充分利用：指在一定的轉(zhuǎn)速下電動機的實際輸出轉(zhuǎn)矩和功率達(dá)到它的容許值，即電樞 電流達(dá)到額定值。,當(dāng)電動機調(diào)速時，在不同的轉(zhuǎn)速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機能否在不同轉(zhuǎn)速下都得到充分利用，這個問題與調(diào)速方式和負(fù)載類型的配合有關(guān)。,以電機在不同轉(zhuǎn)速都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機的調(diào)速可分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。,電動機的容許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，而容許輸出轉(zhuǎn)矩為恒值-恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。,電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速時，磁通 保持不變，若在不同轉(zhuǎn)速下保持電流 不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率分別為：,減弱磁通調(diào)速時，磁通 是變化的，在不同轉(zhuǎn)速下若保持電流 不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率別為：,電動機的容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而容許輸出功率為恒值-恒功率調(diào)速。,為了使電動機得到充分利用，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。拖動恒功率負(fù)載時，應(yīng)采用恒功率調(diào)速方式。對風(fēng)機類負(fù)載，三種方式都不是十分適合，但采用串電阻或降壓調(diào)速比弱磁調(diào)速合適一些。,他勵電動機的降壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，因此只能拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，這種說法是否正確？為什么？,2.6 串勵直流電動機的電力拖動,2.6.1 串勵電動機的機械特性,當(dāng)磁路不飽和時,當(dāng)磁路飽和時，磁通基本不變，機械特性與他