直流電機的電力拖動PPT學習教案

1、會計學1 直流電機的電力拖動直流電機的電力拖動 D與是相互關聯(lián)的，它們之間的關系可用圖3.21加以說明之。 圖3.21中的曲線1、2分別給出了他勵直流電動機的固有機械特性、電樞回路串電阻的人工機械特性以及恒轉矩負載特性。 圖3.21 他勵直流電動機的機械特性與靜差率之間的關系 對于實際的電力拖動系統(tǒng)，若按低速時選擇，則高速時的自然滿足要求。于是有： maxmax min 0N nn D n nn 第1頁/共36頁 又根據(jù)式（3-47）知： ，將其代入上式得靜差率 與調(diào)速范圍 之間的關系為： 0 N n n max (1) N n D n （3-48） 上式表明，若低速時 的滿足要求，低速時的

2、越大則調(diào)速范圍 越小； n D D c、調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性： 采用有級和無級調(diào)速來描述調(diào)速的平滑性，其性能指標為平滑系采用有級和無級調(diào)速來描述調(diào)速的平滑性，其性能指標為平滑系 數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級的轉速比，即：數(shù)。平滑系數(shù)定義為相鄰兩級的轉速比，即： 1 i i n K n （3-49） 上式中， 越接近于1，則平滑性越好。若采用無級調(diào)速，即速度連續(xù)可調(diào)，則 。 K 1K d：原始投資與運行成本：原始投資與運行成本 調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟指標包括設備的原始性一次投資和設備的運行費用。運行費用主要是指調(diào)速過程中的損耗，通常用效率來衡量，即： 第2頁/共36頁 22 12 100%100% P

3、P PPp （3-50） B B、他勵直流電動機常用的調(diào)速方法、他勵直流電動機常用的調(diào)速方法 根據(jù) 可知，他勵直流電動機可以采用下列兩種方法調(diào)速： 1a a ee RU nI CC 1. 1. 降低電樞電壓降速降低電樞電壓降速 a a、電樞回路串電阻降壓降速、電樞回路串電阻降壓降速 圖3.22給出了他勵直流電動機電樞回路串電阻時的人工機械特性和恒轉矩負載的轉矩特性。 第3頁/共36頁 圖3.22 電樞回路串電阻情況下的人工機械特性和負載特性 結論： 隨著電樞回路電阻的增加，理想空載轉速不變，機械特性的硬隨著電樞回路電阻的增加，理想空載轉速不變，機械特性的硬 度變軟，導致轉速下降。因此，電樞回路

4、串電阻只能在額定轉速度變軟，導致轉速下降。因此，電樞回路串電阻只能在額定轉速 （又稱為基速）以下調(diào)速。（又稱為基速）以下調(diào)速。 電樞回路串電阻調(diào)速的經(jīng)濟性指標分析如下： 直流電動機的輸入電功率為： 11 () aaaa PU IERII （3-51） 忽略機械耗和鐵耗，并根據(jù)上式得電動機的總損耗為： 第4頁/共36頁 2 111 10 1 0 (1)(1) (1) ae aaaaaa e EC n pI RU IE IU IU I UC n n P n （3-52） 于是，電機的效率為： 1 100 1 (1) Ppnn Pnn （3-53） 可見，隨著轉速的下降，電動機的運行效率降低。 b

5、b、降低電源電壓降壓降速、降低電源電壓降壓降速 圖3.23給出了他勵直流電動機降低電源電壓時的人工機械特性以及恒轉矩負載的轉矩特性。 圖3.23 降低電源電壓情況下的人工機械特性和負載特性 第5頁/共36頁 結論： 隨著外加電源電壓的降低，電動機的轉速下降。調(diào)壓調(diào)速時的隨著外加電源電壓的降低，電動機的轉速下降。調(diào)壓調(diào)速時的 特點是：其機械特性的硬度保持不變特點是：其機械特性的硬度保持不變，從而確保了這種調(diào)速方法具 有更寬的調(diào)速范圍。 2. 2. 弱磁升速弱磁升速 圖3.25給出了他勵直流電動機弱磁調(diào)速時的人工機械特性。 傳統(tǒng)的可調(diào)壓電源可采用如圖3.24所示的發(fā)電機-電動機旋轉機組方案。 圖3

6、.24 直流發(fā)電機-電動機機組的可調(diào)直流電源 目前應用較為廣泛的是靜止變流器方案，如相控變流器和斬控變流器，有關內(nèi)容已在電力電子技術中介紹過。 第6頁/共36頁 圖3.25 勵磁改變情況下的直流電動機人工機械特性和負載特性 結論： 隨著勵磁電流的減小，電動機的轉速升高。為了確保電機的磁隨著勵磁電流的減小，電動機的轉速升高。為了確保電機的磁 路不至于過飽和，通常，弱磁調(diào)速一般在基速（額定轉速）以上進路不至于過飽和，通常，弱磁調(diào)速一般在基速（額定轉速）以上進 行。行。 弱磁調(diào)速時的過渡過程可用圖3.26加以描述。 第7頁/共36頁 圖3.26 他勵直流電動機弱磁升速的過渡過程 為了獲得較高的調(diào)速范

7、圍，通常將額定轉速以上的弱磁升速與額定轉速以下的降壓調(diào)速配合使用。 C C、調(diào)速方式與負載類型的配合、調(diào)速方式與負載類型的配合 調(diào)速系統(tǒng)須滿足下列兩個準則：調(diào)速系統(tǒng)須滿足下列兩個準則： （1 1）在整個調(diào)速范圍內(nèi)電機不至于過熱，為此，求：）在整個調(diào)速范圍內(nèi)電機不至于過熱，為此，求： ； （2 2）電動機的負載能力要盡可能得到充分利用。）電動機的負載能力要盡可能得到充分利用。 aN II 鑒于此，不同類型的負載必須選擇合適的調(diào)速方式。鑒于此，不同類型的負載必須選擇合適的調(diào)速方式。 第8頁/共36頁 1. 1. 調(diào)速方式調(diào)速方式 下面分別就不同調(diào)速方式以及各種調(diào)速方式所適合的負載類型加以討論。 電

8、力拖動系統(tǒng)的調(diào)速方式主要分為兩大類： （1 1）恒轉矩調(diào)速方式恒轉矩調(diào)速方式：在保持 不變的前提下， 保持不變； （2 2）恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式：在保持 不變的前提下， 保持不變。 em T aN II aN II em P （a) 對于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式：對于電樞回路串電阻調(diào)速（或降壓調(diào)速）方式： 由于調(diào)速過程中， ， 保持不變，故電磁轉矩為： N aN II emTNNN TCIT常數(shù) 電機軸上的輸出功率為： 2 () 10001000609550 ememem TTT nn Pn 結論： 電樞回路串電阻與減低電源電壓的降壓調(diào)速均屬恒轉矩調(diào)速方電樞回路串電阻與減低

9、電源電壓的降壓調(diào)速均屬恒轉矩調(diào)速方 式，其軸上容許的輸出功率與轉速成正比。式，其軸上容許的輸出功率與轉速成正比。 第9頁/共36頁 （b) 對于弱磁調(diào)速方式：對于弱磁調(diào)速方式： 由于調(diào)速過程中，保持 不變，于是有： aN II 1 NaN e UR I K C nn 將上式代入電磁轉矩表達式得： 1 emTNTN K TCIC KI nn 于是有： 95509550 em T nK P 常數(shù) 結論： 弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其容許的輸出轉矩與轉速成反比。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，其容許的輸出轉矩與轉速成反比。 第10頁/共36頁 結論： 基速以下，他勵直流電動機采用恒轉矩調(diào)速方式，而基速

10、以基速以下，他勵直流電動機采用恒轉矩調(diào)速方式，而基速以 上，則采用恒功率調(diào)速方式。上，則采用恒功率調(diào)速方式。 圖3.27a、b分別給出了他勵直流電動機在整個調(diào)速過程中的機械特性與負載能力曲線。 圖3.27 他勵直流電動機調(diào)速過程中所容許的轉矩和功率 第11頁/共36頁 2. 2. 調(diào)速方式的選擇調(diào)速方式的選擇 考慮到生產(chǎn)機械可大致分為恒轉矩負載和恒功率負載兩種類 型，為了確保電機在不過熱的前提下負載能力得到充分發(fā)揮， 調(diào)速方式應根據(jù)下列準則選擇： （1 1）對于恒轉矩負載應選擇具有恒轉矩調(diào)速方式；）對于恒轉矩負載應選擇具有恒轉矩調(diào)速方式； （2 2）對于恒功率負載應選擇具有恒功率調(diào)速方式；）對

11、于恒功率負載應選擇具有恒功率調(diào)速方式； 否則，會造成不必要的轉矩和功率浪費。 現(xiàn)說明如下： 圖3.28分別給出了恒轉矩負載采用恒功率調(diào)速方式以及恒功率負載采用恒轉矩調(diào)速方式時的負載轉矩特性和電動機的機械特性。 圖3.28 調(diào)速方式與負載類型不匹配的說明 第12頁/共36頁 a、假若恒轉矩負載選擇恒功率調(diào)速方式、假若恒轉矩負載選擇恒功率調(diào)速方式（見圖3.28a）。 為了滿足整個調(diào)速范圍內(nèi)的轉矩要求，必須滿足： 。根據(jù)圖3.28a，顯然，電動機的轉矩應按照高速數(shù)值選擇，即： Lem TT max 9550 L N T n P （3-54） 低速時，有： DT TP T N Nem bem min

12、max min )( （3-55） 浪費的轉矩為： NNbem TDTT) 1( )( （3-56） 浪費的功率為： LLLLN PDTTTP) 1( minmaxmin 結論： 恒轉矩負載不宜采用恒功率調(diào)速方式。恒轉矩負載不宜采用恒功率調(diào)速方式。 第13頁/共36頁 b、假若恒功率負載選擇恒轉矩調(diào)速方式假若恒功率負載選擇恒轉矩調(diào)速方式（見圖3.28b）。 為了滿足整個調(diào)速范圍內(nèi)的轉矩要求，必須 ，根據(jù)圖3.28a，顯然，電動機 的轉矩應按照低速數(shù)值選擇，即： 。 Lem TT NLb TT max nn 高速 時，有： maxminmax min 95509550 NLb NL T nT n

13、n PDP n （3-57） 浪費的功率為： LLN PDPP) 1( 浪費的轉矩為： max min (1) La NLaLbLaLaLa T n TTTTTDT n （3-58） 結論： 恒功率負載不宜采用恒轉矩調(diào)速方式。恒功率負載不宜采用恒轉矩調(diào)速方式。 第14頁/共36頁 定義：定義： 廣義的制動是電磁轉矩廣義的制動是電磁轉矩 與轉速與轉速 方向相反的一種運行狀態(tài)。方向相反的一種運行狀態(tài)。em T n A、能耗制動能耗制動 定義定義: : 能耗制動是指將機械軸上的動能或勢能轉換而來的電能通過電能耗制動是指將機械軸上的動能或勢能轉換而來的電能通過電 樞回路的外串電阻發(fā)熱消耗掉的一種制動方

14、式。樞回路的外串電阻發(fā)熱消耗掉的一種制動方式。 圖3.29a、b分別給出了制動前后電機作電動機運行時和能耗制動時的接線圖以及各物理量的實際方向。 第15頁/共36頁 圖3.29 他勵直流電機能耗制動前后的接線圖 由圖3.29可見，制動前后，直流電機的電樞電流方向改變，因此， 改變方向，由驅動性變?yōu)橹苿有缘碾姶呸D矩，即從而電機處于發(fā)電制動狀態(tài)。 emTa TCI 1. 1. 能耗制動時電動機的機械特性與制動電阻的計算能耗制動時電動機的機械特性與制動電阻的計算 能耗制動時，他勵直流電機的機械特性可表示為： 2 0 aB emem eT RR nTT C C (3-61) 式（3-61）可用圖3.3

15、0所示曲線表示之。 （1 1）對于反抗性負載：）對于反抗性負載： 很顯然，能耗制動時他勵直流電機的機械特性是一條通過原點且位于第II象限的直線。 第16頁/共36頁 （2 2）對于位能性負載：）對于位能性負載：(見圖見圖3.31) 能耗制動時，他勵直流電機的的機械特性將由第II象限經(jīng)過原點進入第IV象限。 圖3.30 能耗制動時直流電機的機械特性與過渡過程曲線 能耗制動時的制動電阻決定了制動轉矩的大小，為防止制動電流過大，一般按照下列規(guī)則選擇制動電阻 ，即： B R 第17頁/共36頁 2 aN BN aB E II RR 由此求出制動電阻為： 22 aNN Baa NN EU RRR II

16、（3-62） 圖3.31 直流電機帶位能性負載時的能耗制動情況 2. 2. 能耗制動時他勵直流電動機的的過渡過程分析能耗制動時他勵直流電動機的的過渡過程分析 （1 1）對于反抗性負載：）對于反抗性負載： 能耗制動時拖動系統(tǒng)的基本關系式可由下式給出： 第18頁/共36頁 2 375 ae a aBaB emLTa EC n I RRRR GD dn TTCI dt （3-63） 將式（3-63）的第1式代入第2式，并整理得： 2 () aB ML eT RRdn TnT dtC C （3-64） 式中，機電時間常數(shù) 。 2 2 () 375 aB M eT GDRR T C C （2 2）對于位

17、能性負載：）對于位能性負載： 當 時， ，故有： emL TT Z nn () eZ LTZT aB C n TCIC RR 將上式代入（3-64）得： 第19頁/共36頁 MZ dn Tnn dt （3-65） 解上式得： 1 () t TM ZZ nnnne （3-66） 同理， ( )() t TM aLBL i tIIIe （3-67） 根據(jù)上述關系式，便可繪出 以及 如圖3.30所示。 )(tfn )(tfI a B、反接制動反接制動 定義： 反接制動是指外加電樞電壓反向或電樞電勢在外部條件作用下反接制動是指外加電樞電壓反向或電樞電勢在外部條件作用下 反向的一種制動方式。反向的一種制

18、動方式。 a a、電樞反接的反接制動電樞反接的反接制動 對于反抗性類負載，把外加電源反接，同時在電樞回路中串入限流的反接制動電阻，便可實現(xiàn)反接制動。圖3.32給出了反接制動時的電氣接線圖以及各物理量的實際方向。 第20頁/共36頁 圖3.32 他勵直流電機反接制動時的接線圖 1. 1. 反接制動時電動機的機械特性與制動電阻的計算反接制動時電動機的機械特性與制動電阻的計算 反接制動過程中電機的機械特性可表示為： 1 0 2 () aB emem eeT RRU nTnT CC C （3-72） 上式可用圖3.33所示曲線表示之。很顯然，反接制動時電機的機械特性是一條位于第II象限的直線。 反接制

19、動時的制動電阻決定了制動轉矩的大小。為防止制動電流過大，一般按照下列規(guī)則選擇制動電阻 ，即： B R 2 NaN BN aB UE II RR 第21頁/共36頁 式中， 為反接制動的起始電流。相應的制動電阻為： B I 2 NaNN Baa NN UEU RRR II （3-73） 圖3.33 反接制動時直流電機的機械特性 第22頁/共36頁 2. 2. 反接制動時他勵直流電動機的的過渡過程分析反接制動時他勵直流電動機的的過渡過程分析 （1 1）對于反抗性負載：）對于反抗性負載： 根據(jù)圖3.33可知，若希望系統(tǒng)在反接制動過程中最后停車，則電機的機械特性對應于BC段。對應于BC段的過渡過程曲線

20、可采用三要素法并利用虛穩(wěn)定點的概念獲得，其表達式如下： ( )() () t TM t TM EBE zAz n tnnne nnn e （3-75） ( )() () t TM t TM aEBE LBL i tiiie IIIe （3-76） 若反接制動在C點不停車，則電機將反轉，系統(tǒng)工作點將沿CD移動并最終穩(wěn)定運行在D點。 對應于CD段的過渡過程曲線可采用同樣的方法求得，其表達式如下： ( )() (1) t TM t TM DCD D n tnnne ne （3-79） 第23頁/共36頁 （2 2）對于位能性負載：）對于位能性負載： 若僅考慮反接制動停車，則BC段的過渡過程與反抗性恒

21、轉矩負載情況完全相同（見圖3.33）。 若反接制動在C點不停車，則由于整個制動過程包括停車（BC段）、反向電動機運行（CF段）以及回饋制動階段（FE段），跨越機械特性的第II、III、IV象限，如圖3.33所示。采用三要素法便可獲得相應的過渡過程曲線表達式為： ( )() () t TM t TM EBE zAz n tnnne nnn e （3-81） ( )() () t TM t TM aEBE LBL i tiiie IIIe （3-82） b b、轉速反向的反接制動轉速反向的反接制動 圖3.34是他勵直流電機帶位能性負載反接制動時的電路圖。 第24頁/共36頁 圖3.34 直流電機帶

22、位能性負載反接制動時的電路圖 當采用轉速反向的反接制動時，他勵直流電動機的機械特性可表示為： 1 2 () a em eeT RRU nT CC C （3-85） 式（3-85）可用圖3.35所示曲線表示之。 圖3.35 位能性負載反接制動的機械特性 第25頁/共36頁 C、回饋制動回饋制動 定義： 回饋制動回饋制動是電機的實際轉速超過理想空載轉速的運行狀態(tài)。在是電機的實際轉速超過理想空載轉速的運行狀態(tài)。在 這種運行狀態(tài)下，電機處于發(fā)電制動狀態(tài)，故回饋制動又稱為這種運行狀態(tài)下，電機處于發(fā)電制動狀態(tài)，故回饋制動又稱為再生再生 制動制動。 回饋制動時電機的接線同電動機運行狀態(tài)完全相同，其機械特性的

23、表達式也完全相同。所不同的是：電機的實際轉速超過理想空載轉速，導致外加電壓低于感應反電勢，即： 。于是有： a EU 1 0 1 RR EU I a a B （3-87） （1 1）當電機正向運行時：）當電機正向運行時： 他勵直流電機的機械特性為： 1 0 2 () a em eeT RRU nTn CC C （3-88） 第26頁/共36頁 （2 2）當電機反向運行時：）當電機反向運行時： 他勵直流電機的機械特性為： 1 0 2 () a em eeT RRU nTn CC C （3-90） 根據(jù)式（3-88）和（3-90）繪出回饋制動時直流電機的機械特性如圖3.36所示。 圖3.36 直流電機回饋制動時的機械特性 由圖3.36可以看出，正、反轉回饋制動時的機械特性分別位于第II、IV象限，它們分別是正、反轉電動機運行時的機械特性（分別位于第I、III象限）的延伸。 第27頁/共36頁 回饋制動通常發(fā)生在下列三種情況下： 1. 1.重物下放過程中重物下放過程中 圖3.37 重物下放時直流電機回饋制動的接線圖(位能性負載) 2. 2.降壓過程