直流電機電力拖動課件

1、直流電動機的電力拖動電力拖動系統(tǒng)的基本概念由原動機帶動生產機械運轉稱為拖動。以電動機為原動機帶動生產機械運轉的拖動方式稱為電力拖動。 電力拖動系統(tǒng)的組成：電源電動機控制設備傳動機構工作機構31電力拖動系統(tǒng)運動方程式單軸電力拖動系統(tǒng) ： 電動機轉軸直接拖動生產機械運轉的系統(tǒng)三部分在同一軸線上三部分轉速相同 一般指風機、水泵等電動機傳動裝置（連接器）生產機械TTL系統(tǒng)運動方程式在上圖的單軸電力拖動系統(tǒng)中若Td=TL說明系統(tǒng)靜止、勻速運動 加速度 Td TL說明系統(tǒng)加速(產生加速度) 加速度系統(tǒng)運動方程式：在工程上往往不用轉動慣量，而用飛輪矩GD2表示旋轉體的慣性。()回轉直(半)徑，與物體的半徑不

2、同，詳見專表。各物理量正方向的規(guī)定轉速n規(guī)定某一旋轉方向為正，反之為負；T與n正方向相同為正，反之為負；TL與n正方向相反為正，反之為負。例32多軸電力拖動系統(tǒng)簡化 在實際應用中：為了滿足生產工藝的要求，生產機械的運行速度一般很低；而電動機為了合理經濟地使用材料，制造較高轉速的電機。電機的 P = 2Tn/60 即 P Tn在P一定時 n T或 n T 而電機的mIs若使T(或Is) 電機體積增大 因此電動機不直接與生產機械聯(lián)接(單軸系統(tǒng))而需在兩者之間加減速機構如減速齒輪箱,蝸輪蝸桿或皮帶輪等傳動裝置構成多軸系統(tǒng).多軸電力拖動系統(tǒng)由于不同轉軸上具有不同的轉動慣量和轉速, 因而不可能用一個運動

3、方程式來描述整個系統(tǒng)原則上可列出每根軸自身運動方程式，再列出各軸間互相聯(lián)系的方程式，最后把這些方程式聯(lián)立求解，才能分析研究整個系統(tǒng)的運動狀況為了方便起見：我們力圖用某一軸的運動來代表整個系統(tǒng)的運動 在工程應用中：通常是把整個系統(tǒng)折算電動機軸上，用電動機軸的運動代表整個系統(tǒng)的運行 一、負載轉矩的折算折算的實質：把系統(tǒng)各個部件的參數折算電動機軸上 折算的原則：要求折算前后系統(tǒng)在能量關系和動力學性能方面是等效的一、負載轉矩的折算 （原則：傳送功率不變）設TL折算到電機軸的等效負載轉矩Tdx 則：TdxdTLL/ cTdx=TL L d c=TL / j cc為整個系統(tǒng)的傳動效率，且為各傳動部件的傳動

4、效率之積c j為系統(tǒng)的傳動比，且為各傳動部件的轉速比之乘積j = j1 j2 j3 j n二、轉動慣量的折算原則：系統(tǒng)的動能不變系統(tǒng)總的折算到電動機的動能dxd2/ 2 此總的動能應為各部件動能之和：工程上用近似計算(認為電機和負載的動能大)若生產機械負載的飛輪矩也未知,則更簡單: 電機軸第一軸第二軸負載軸且代入上式化簡為：取1.11.25=1.151.323負載的轉矩特性負載的轉矩特性描述的是負載的轉矩隨轉速變化TL=f(n)關系。包括恒轉矩、恒功率、風機類。1. 恒轉矩負載特性包括反抗性和位能性恒轉矩負載反抗性恒轉矩負載又稱摩擦轉矩、反作用轉矩特點： 轉矩的方向總是阻礙運動方向， 當運動方

5、向改變時，反抗性轉矩的方向隨之改變； 但大?。ń^對值）不隨轉速變化； 當n=0時，反抗性轉矩的大小、方向是不確定的； 機械特性位于、 象限，且與縱軸平行的直線。nT-TL+TLnTDn33負載的轉矩特性位能性負載特性特點：由重力作用產生的；轉矩的大小恒定不變；作用方向也保持不變,當n0時TL0為阻礙運動的制動轉矩， 當n0為幫助運動的拖動轉矩；機械特性是穿過、象限的直線。起重機的提升機構、 礦井卷揚機等。nTLTLTLnn33負載的轉矩特性2. 恒功率負載當n變化時,從電動機吸收的功率基本不變。 K TL = - n 即：P = T 常數3. 風機類負載鼓風機、水泵、輸油泵等。其轉矩與轉速的二

6、次方成正比。即 TL n2 寫為：TL=K n2實際負載可能是幾種典型的綜合,如實際風機。nnTT電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 電動機的機械特性與負載轉矩特性在 Tn 平面上有相交點，是電力拖動系統(tǒng)可能穩(wěn)定的必要條件；（但不夠充分） 穩(wěn)定運行充分條件：若電力拖動系統(tǒng)原在交點處穩(wěn)定運行，由于某種干擾使轉速變化，可達到新的平衡。干擾消除后，可回到原來的平衡點位置，則稱此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件例1:如右圖他勵直流電機拖動恒轉矩負載時受到電網電壓的變化干擾：原穩(wěn)定工作在A點當電網電壓U下降，使機械特性偏移到B點,TTL系統(tǒng)加速，沿DA上升，恢復到A點穩(wěn)定工作。此系統(tǒng)屬穩(wěn)定系統(tǒng)。UTB點

7、T TLnEa Ia=UEa/RT=CTIa T = TL穩(wěn)定在A點。TTLnn0n0ABCD判斷穩(wěn)定的方法不穩(wěn)定運行的系統(tǒng)例2：圖示差復勵電動機機械特性 原在A點平衡運轉，因電網電壓 擾動引起機械特性變化,平衡點 離開A點：UBT TLnT TLn飛車UCT TLnT TLn停車判斷穩(wěn)定的方法： 交點轉速之上：T TL時系統(tǒng)穩(wěn)定或在 T TL處：TTLnABC怎樣判斷穩(wěn)定？例3. 試判斷下例系統(tǒng)是否穩(wěn)定? (a)表示電動機機械特性T的硬度為負值,而負載轉矩TL硬度為正值；(b)表示電動機機械特性T和負載轉矩TL硬度都為正值；(c)表示電動機機械特性T和負載轉矩TL硬度都為負值；上三系統(tǒng)的交點

8、轉速之上：T TL 所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。(a)(b)(c)(d)(e)(f)TTTTTTTLTLTLTLTLTLMn3 4 他勵直流電動機的起動一、直接起動電樞電流 Ia = (UEa) / Ra將停轉的直流電機直接通入額定電壓，瞬間 n =o, Es=o起始電流 Ia= Ua / Ra =(1020)IaN由于繞組Rs很小，起動電流很大帶來的影響為：巨大電磁力損壞繞組；保護裝置動作無法起動；電網電壓波動影響其他設備；換向惡化；沖擊力大，損壞傳動裝置。因此，直流電動機是不允許直接起動。他勵直流電機的起動方法在直流電機起動時：電樞的電流起動時若降低起動電流,需降壓或加大Ra 降低電樞電壓； 增加電樞

9、回路電阻電樞中串電阻。起動方法 降壓起動同步上升Ia2ILIL實際nn0TTL2TLURa電機啟動時降低供給電樞起始電壓，可防止過大起動電流； 隨電機轉速升高，反電勢Ea亦上升，逐漸同步增加電壓，可保證起動過程中電樞電流不超過允許值。 串電阻起動（串一級電阻起動）Ia= UNRa+R在電樞回路串電阻后能降低起動電流，但串一級電阻往往不能在限定電流條件下切換到固有特性。問題：、串電阻值小，啟動電流仍很大；、串電阻值大,升速慢,切換后電流仍很大； 一般采用多級電阻起動。nTTLT1固有三、串多級電阻起動的計算一般選 T1= TN（ = 1.52.5) T2 = (1.11.2) TL ;使用電機時

10、選= (1.11.2) TL 先選擇起動級數m , 再計算:（其中Rm=Ue1） R1= a 每段所串電阻1=R1RS R2= 2a 2=R2R1 . Rm= ma m=RmRm-1URsR2R1R3R1R2R31C2C3CnATT1T2TL計 算 題例1、一臺直流電機PN=10KW，UN=220V，nN=1500r/min，IN=53.8A。試求：直接起動時的Ia；限制Ia100A應串最小電阻值? TL=TN恒轉矩負載、降壓起動時最初起動電流Ist=?最小電壓Umin=?解：估算分 析 題例2、一臺他勵直流電機,起動前勵磁繞組斷線。但末發(fā)現(xiàn)空載起動和滿載起動各會產生什么后果？（原因勵磁回路通

11、電后，沒注意觀察有否電流， 就合電樞回路電源）解： 空載時起動會導致飛車,剩磁愈小特性愈陡n愈大；TL=TN時起動不了,停轉時通電時間長了會燒壞繞組。nn0n0TT0固弱磁人為特性TN3 5 他勵直流電動機的調速 根據直流電機轉速方程：式中 n 轉速（r/min）； U 電樞電壓（V）； I 電樞電流（A）； R 電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（Wb）； Ce 由電機結構決定的電動勢常數。由上式可以看出，有三種方法調節(jié)電動機的轉速： （1）調節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻 R。電力拖動系統(tǒng)的調速指標 機械調速有級調速,需停機不方便 電氣調速無級調速,易實

12、現(xiàn)自動化1調速范圍相對穩(wěn)定性：指負載轉矩變化下轉速變化的程度. 轉速變化愈小,相對穩(wěn)定性愈好.不同生產機械對D的要求是不同：車床D20120；龍門刨床D20120；造紙機D320；軋鋼機D3120。生產機械速度調節(jié)受機械強度、換向等限制受相對穩(wěn)定性的限制。電力拖動系統(tǒng)的調速指標2、靜差率（相對穩(wěn)定性）電動機的機械特性愈硬，則靜差率愈小，相對穩(wěn)定性就愈高。固有特性 串電阻人為特性均不相同變電壓人為特性 1= (800-700)800 = 0.175 2= (200-100)200 = 0.5 3= (800-100)800 = 0.875結論：靜差率越小，相對穩(wěn)定性越高； 低速特性的大于高速特性

13、,因此只要低速時穩(wěn)定,高速時 一定是穩(wěn)定的； 一般設備 0.5、機床 0.7、要求最高的是造紙機 0.01800400200電力拖動系統(tǒng)的調速指標、平滑性：在一定調速范圍,調速的級數愈多則認為調速愈平滑 值愈接近時，則平滑性愈好。 時稱為無級調速，即轉速連續(xù)可調，級數接近無窮多，此時調速的平滑性最好。電力拖動系統(tǒng)的調速指標、調速時功率與轉矩的配合（或調速時的容許輸出）允許輸出的功率與轉矩指電動機在得到充分利用的情況下，在調速過程中軸上所能輸出的功率和轉矩。例：一臺直流電機,當= e,Is=Ie,在此條件下允許輸出的轉矩Me=Cme Ie；允許輸出的功率(n=ne)Pe=Me e，以上為電機長期

14、工作的允許值。、調速的經濟指標（設備投資、運行費用、能量損耗、維修費用）電動機軸上功率調速時的損耗功率他勵直流電動機的調速一、電樞串電阻調速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；調節(jié)過程：增加電阻 Ra R R n ，n0不變；此方法：調速指標不高調速范圍不大(空載時調速作用小低速時特性軟)；調速的平滑性不高,為有級調速；大量電功率消耗在所串電阻上；此調速方法屬恒轉矩調速。優(yōu)點是：方法簡單,控制設備不復雜nnNn1n2TTNT0RsR1R2他勵直流電動機的調速二、降低電樞電壓調速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ra調節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n

15、， n0 降壓調速的特點： 低速與高速相同，但變大； D大調速范圍寬； 無級調速，平滑性好； 恒轉矩調速（同串電阻）； 能耗小，初投資，不易維護。此種調速被認為是直流電機的最佳方式nnN n1n2TTN他勵直流電動機的調速三、弱磁調速調節(jié)勵磁電流 改變 當減弱時，n0n從而達到調節(jié)電動機的轉速目的。 弱磁調速的特點： 調速范圍不大,一般,特殊設計 的調磁直流電機的34； 弱磁調速時n0增大,n亦有所增大, 靜差率基本保持不變,穩(wěn)定性好。 勵磁電流可連續(xù)調節(jié)，平滑性好，可無級調速。 調速時允許的Is不變，允許輸出的轉矩T=CT Ia隨磁通減少，而轉速升高；PTN則基本不變，故屬恒功率調速。 弱磁

16、調速只能將轉速向上調，而轉速的上升受換向和機械強度限制nnNn1n2TTN固21NN12三種調速方法的性能與比較對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以 調壓調速為主。常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。直流斬波器或脈寬調制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電

17、子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。36 他勵直流電機的制動運行什么叫制動？制動包括哪幾種情況？ 所謂制動：就是使拖動系統(tǒng)從某一穩(wěn)定轉速減速或至停止；或者限制位能性負載的速度（吊車下放重物，電機車下坡行駛等）使其在某一轉速下穩(wěn)定運行。當電動機拖動的生產機械需減速停車時,需要產生一個與旋轉方向相反的轉矩來進行制動 機械制動利用機械摩擦獲得制動轉矩(抱閘)。 電氣制動使電機的電磁轉矩與旋轉方向相反, 而成為制動轉矩。電氣制動沒機械磨損，容易實現(xiàn)自動控制，應用廣泛主要介紹。制動方法制動的特點和分類電動機制動運行的主要特點是電磁轉矩的方向與轉速方向相反。 T T 能耗制動 制動方法反接

18、制動 回饋制動電動狀態(tài)制動狀態(tài)同方向反方向電壓反接制動轉速反轉反接制動一、能耗制動能耗制動:指運轉的電機斷開電源后,將系統(tǒng)的動能消耗在電阻上,同時產生制動轉矩使電機盡快地停轉。能耗制動的開始,K接觸器線圈失電,常開觸點打開(斷開UN),常閉觸點閉合,由于斷電瞬間不能突變,旋轉的電樞繞組切割主極磁場,產生感應電勢Ea,通過Rn構成閉合回路的電流IA,消耗系統(tǒng)的動能。此時Ia與原接通N時的Ia方向相反，產生制動轉矩T與方向相反而成為制動轉矩，使電機很快停車。能耗制動的分析機械特性方程變成：T (Ra+Rn)/CeCm2 為通過原點位于二、四象限的直線。直線斜率決定于串接Rn的大小制動電流決定于串接

19、Rn的大小TNnATMfzRsRn2 Rn1 RsRn2Rn1能耗制動的分析帶反抗性恒轉矩負載的能耗制動（電機制動至n=0）nEaIaT0 TL0帶位能性恒轉矩負載的能耗制動（電機制動至nc）從B點到原點同上,當T 而 TL為正能耗電阻的計算 (=22.5) na INa INan=0 停車 (穩(wěn)定在原點)n反向上升,直至穩(wěn)定在ncnncTTLTLTNCAB能耗制動的注意事項注意： 高速運行時進行能耗制動，電樞回路一定要串限流電阻Rn,否則電樞電流 IaIN(造成影響與直接起動相似) 為達到快速停車的目的，可采用兩級能耗制動，即為特性上降到nB點時，為了再次增大制動轉矩，減少所串電阻Rn，使其

20、轉到特性加快制動至停止。TLT TNnBATB 能耗制動的應用：反抗性負載準確停車位能性負載穩(wěn)速下放二、反接制動、電壓反接制動（將電樞電壓極性反向，而激磁電流不變） 在電機電動運行狀態(tài)時，改變電樞所加電壓極性,即變?yōu)樨?為了防過大電流,同時在電樞回路中串入限流電阻Rf，此時：電流變?yōu)樨撝?電磁轉矩亦變?yōu)樨?與n轉向相反,進入制動狀態(tài)。從機械特性方程上:n-n0TTL TNABD帶不同負載的反接制動 帶反抗性恒轉矩負載的電壓反接制動 制動至0或穩(wěn)定至-nE 若 -TD -TL反向起動至-nE帶位能性恒轉矩負載的電壓反接制動(電機高速下放重物） 電機制動到n=0,-TD TL 反向起動;到n=-n

21、0,仍TD TL 被拖至-nc穩(wěn)定運行制動電阻的計算電機制動到n=0時nTTNTL-TL-TDABCDE 一般取22.5、轉速反向反接制動 (電勢反接制動 )這種制動通常應用在起重機下放重物：電動機正向接通電源，其轉矩方向擬使重物提升, 但由于電樞串電阻R電阻過大,使電機的起動轉矩Tstn0可能出現(xiàn)的情況:降壓調速過程中 電機原帶TL穩(wěn)定工作在A點(電動狀態(tài))電壓的降落由于n不能突變,從特性移到的B點;此時nAn0且TB為負(BC區(qū)間處回饋制動狀態(tài))。nn0n0TTLABC回饋制動出現(xiàn)情況高速下放重物 在上述電壓反接制動(BD區(qū)間)中,反向電動到-n0時TD-n0且TD為正,故電機進入回饋制動?；仞佒苿庸餐攸c是：將機械能(動能和位能)變換為電能,同時消耗在電樞回路的電阻上和大部分回送電網。n-n0TTLABCE37 直流電力拖動系統(tǒng)的過渡過程 靜態(tài)特性：同一時間里轉