電機與電力拖動課件-第2章

第2章直流電機及電力拖動2.1直流電機基礎(chǔ)知識2.2電力拖動系統(tǒng)動力學(xué)2.3直流電動機

直流電機的功能是實現(xiàn)直流電能和機械能的互相轉(zhuǎn)換。其中,將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的叫作直流電動機,將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫作直流發(fā)電機。直流電動機起動性能和調(diào)速性能好,過載能力大,因此常用于對起動和調(diào)速性能要求較高的場合。

2.1直流電機基礎(chǔ)知識

圖2-1所示為直流電機實物。圖2-1中的直流電機在生活中哪里會應(yīng)用到?它有什么特點?查閱資料預(yù)先了解設(shè)備的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和勵磁方式。圖2-1直流電機實物

2.1.1直流電機基本工作原理

圖2-2所示是直流發(fā)電機的工作原理。N和S為一對固定的磁極,磁極之間有一個可以旋轉(zhuǎn)的圓柱體,稱為電樞鐵心。電樞鐵心上嵌有一個線圈abcd,稱為電樞線圈。線圈的兩端分別連接到兩個弧形銅片上,弧形銅片稱為換向片,多個換向片組合在一起稱為換向器。在換向器上放置一對電刷A和B,電刷與換向片滑動交替接觸,電樞線圈通過換向器及電刷連通外電路。圖2-2直流發(fā)電機的工作原理

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子在原動機的拖動下以逆時針方向旋轉(zhuǎn)時,如圖2-2(a)所示。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°后,如圖2-2(b)所示。

由上述發(fā)現(xiàn),電樞線圈旋轉(zhuǎn)了180°后,線圈ab中的感應(yīng)電動勢由b到a變?yōu)橛蒩到b,線圈cd中的感應(yīng)電動勢為由d到c變?yōu)橛蒫到d。可見,直流發(fā)電機電樞線圈中的感應(yīng)電動勢的方向是交變的。通過換向器和電刷的作用,在發(fā)電機電刷A和電刷B兩端輸出的電動勢是方向不變的直流電動勢。若在電刷A、B之間接上負載,發(fā)電機就能向負載供給直流電能。

二、直流電動機的基本工作原理

圖2-3所示是直流電動機的工作原理,直流電動機基本結(jié)構(gòu)如圖所示,其模型結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)相同。直流電動機與直流發(fā)電機的不同之處在于,直流電動機不再用原動機拖動電樞旋轉(zhuǎn),而是直接在電刷A和B之間加上直流電壓。圖2-3直流電動機的工作原理

(1)當(dāng)直流電壓直接加在電刷上時,如圖2-3(a)所示。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°后,如圖2-3(b)所示。

由上述發(fā)現(xiàn),電樞線圈旋轉(zhuǎn)了180°后,線圈ab中的電流方向由a到b變?yōu)橛蒪到a,線圈cd中的電流方向由c到d變?yōu)橛蒬到c?？梢?直流電動機電樞線圈中的電流方向是交變的,但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向是恒定的。

三、可逆原理

直流電機原則上既可以作為電動機運行,也可以作為發(fā)電機運行,只是外界條件不同而已。如果用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn),就可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源

對負載供電;如果在電刷端外加直流電壓,則電動機就可以帶動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn),從而把電能轉(zhuǎn)變成機械能。這種同一臺直流電機既能用作直流電動機,也能用作直流發(fā)電機的原理,在電機理論中稱為可逆原理。

2.1.2-直流電機的基本結(jié)構(gòu)與額定值

一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)

直流電機由定子(靜止部分)和轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)動部分)兩大部分組成。定子和轉(zhuǎn)子之間因為有相對運動,所以中間必定存在間隙,該間隔稱為氣隙。直流電機主要部件的基本結(jié)構(gòu)如圖

2-4所示。圖2-4直流電機主要部件基本結(jié)構(gòu)

1.定子部分

定子部分包括機座、主磁極、換向磁極和電刷裝置等。

1)機座

機座一般用鑄鋼制成或用厚鋼板焊接而成,具有良好的導(dǎo)磁性能和機械強度,既可以固定主磁極、換向極和端蓋等,又是電機磁路的一部分。

2)主磁極

主磁極的作用是建立主磁場,產(chǎn)生主磁通,使電樞繞組在此磁場的作用下感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

主磁極由鐵心和勵磁繞組組成,如圖2-5所示。圖2-5主磁極結(jié)構(gòu)

3)換向磁極

換向磁極又稱附加極或間極,用于改善直流電機的換向。它位于相鄰主磁極間的幾何中心線上,其幾何尺寸明顯比主磁極小。換向磁極由鐵心和套在鐵心上的繞組組成,如圖2-6所示。

4)電刷裝置

電刷的作用是把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接,并與換向器相配合,將直流電壓、電流引出或引入電樞繞組,起到整流或逆變器的作用。電刷裝置由碳刷、銅辮、碳刷盒和壓緊彈簧等零件組成,如圖2-7所示。電刷一般采用石墨和銅粉壓制焙燒而成,由彈簧將其壓在換向器的表面上。圖2-6換向磁極結(jié)構(gòu)圖2-7電刷裝置

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸等。其中電樞鐵心、電樞繞組和換向器組合在一起稱為電樞,如圖2-8所示。圖2-8電樞

1)電樞鐵心

電樞鐵心即磁通的通路,同時嵌放電樞繞組。

2)電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。直流電機的電樞繞組是由許多線圈組成的,這些線圈叫作繞組元件,每個繞組元件的兩端分別接在兩個換向片上,通過換向片把這些獨立的線圈互相連接在一起,形成閉合回路。

3)換向器

換向器是直流電機的重要部件。換向器是由許多換向片組成的一個圓筒結(jié)構(gòu),如圖2-9所示。圖2-9換向器

4)轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇

轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時起支撐作用,小型電機的電樞鐵心一般直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上。大型直流電機轉(zhuǎn)子由于直徑較大,一般會在轉(zhuǎn)軸上安裝金屬支架,以減少硅鋼片的消耗和轉(zhuǎn)子重量,電樞鐵心壓裝在套于軸上的轉(zhuǎn)子支架上。此外,在轉(zhuǎn)軸上裝有風(fēng)扇,可起到冷卻電機的作用。

3.氣隙

氣隙是直流電動機磁路的重要部分,氣隙磁阻遠大于鐵心磁阻。

二、直流電機的額定值

為了使電機安全可靠地工作,且保持優(yōu)良的運行性能,電機廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及電機的設(shè)計數(shù)據(jù),對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值,這些保證值

稱為電機的額定值。

1.國產(chǎn)電機型號

設(shè)備型號表示設(shè)備的用途及結(jié)構(gòu)尺寸,國產(chǎn)電機型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示,其格式為:

第一部分用大寫的漢語拼音字母表示產(chǎn)品代號,

第二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計序號,

第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機座代號,

第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵心長度代號。

2.額定值

(1)額定容量PN(kW):額定條件下電動機所允許的輸出功率。對于發(fā)電機,額定功率是指電刷輸出的電功率;對于電動機,額定功率是指轉(zhuǎn)軸輸出的機械功率。因此,直流發(fā)電機的額定容量應(yīng)為

直流電動機的額定容量應(yīng)為

式中,ηN為額定效率。

(2)額定電壓UN(V):在正常運行時,電動機出線端的電壓值。對于發(fā)電機,它是指輸出額定電壓;對于電動機,它是指輸入額定電壓。

(3)額定電流IN(A):在額定電壓下,運行于額定功率時對應(yīng)的電流值。對于發(fā)電機,它是指輸出額定電流;對于電動機,它是指輸入額定電流。

(4)額定轉(zhuǎn)速nN(r/min):在額定電壓、額定電流下,運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

【例2-1】一臺Z2型直流電動機,額定功率為PN=160kW,額定電壓UN=220V,額定效率ηN=90%,額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min,求該電機的額定電流。

解額定電流為

2.1.3直流電機的勵磁方式

一、他勵式直流電機

他勵式直流電機的接法如圖2-10(a)所示。電樞繞組與勵磁繞組分別由兩個互相獨立的直流電源U及Ur供電,電樞電流Ia受端電壓U影響,勵磁電流If受Ur影響,電樞電流與勵磁電流相互獨立。電機出線端電流等于電樞電流,即I=Ia。

二、并勵式直流電機

并勵式直流電機的接法如圖2-10(b)所示。電樞繞組與勵磁繞組由同一電源U供電,電樞繞組與勵磁繞組并聯(lián)。此勵磁方式滿足

式中,Ia為電樞電流;If為勵磁電流;I為電網(wǎng)輸入電機的電流。

三、串勵式直流電機

串勵式直流電機的接法如圖2-10(c)所示。電樞繞組與勵磁繞組由同一電源U供電,電樞繞組與勵磁繞組串聯(lián),滿足

四、復(fù)勵式直流電機

復(fù)勵式直流電機的接法如圖2-10(d)所示。圖中有兩個勵磁繞組,一個勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),另一個勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。當(dāng)串勵繞組產(chǎn)生的磁動勢和并勵繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同,兩者相加時,稱為積復(fù)勵;當(dāng)串勵繞組產(chǎn)生的磁動勢和并勵繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相反,兩者相減時,稱為差復(fù)勵。圖2-10直流電動機的勵磁方式

2.1.4直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

一、電樞電動勢

電樞電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應(yīng)電動勢。電樞旋轉(zhuǎn)時,電樞導(dǎo)體“切割”氣隙磁場,電樞繞組中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。直流電機的電樞電動勢的表達式為

由式(2-6)可知,直流電機的電樞電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。對于直流發(fā)電機,電樞電動勢作為電源電勢,與電樞電流同方向;作為電動機,電樞電動勢為反電勢,與電樞電流反方向。

二、電磁轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電樞繞組內(nèi)通有電流時,載流導(dǎo)體因與氣隙磁場相作用而受到電磁力作用,就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的表達式為

小結(jié)

本節(jié)闡述了直流電機的直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的本質(zhì),分析介紹了直流電機的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、勵磁方式以及直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。

直流電機可分為直流電動機和直流發(fā)電機。直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成,定子與轉(zhuǎn)子之間留有一定的氣隙。定子主要作用是形成磁場、作為機械支撐和防護。轉(zhuǎn)子的作

用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、形成電流、實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換;在直流電機的銘牌上標(biāo)注了電機的屬性信息,主要數(shù)據(jù)有電機型號、額定值、勵磁方式等;直流電機的勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵;直流電機的電樞繞組和氣隙磁場發(fā)生相對運動時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,氣隙磁場和電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,兩者是機電能量變換的要素。

2.2

電力拖動系統(tǒng)動力學(xué)

2.2.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式電力拖動是指使用電動機帶動生產(chǎn)機械運動,以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、生產(chǎn)機械、傳動機構(gòu)、控制設(shè)備及電源5大部分組成。電力拖動系統(tǒng)的組成如圖2-11所示。圖2-11電力拖動系統(tǒng)組成

一、電力拖動系統(tǒng)運動方程式

1.選定正方向

在電力拖動系統(tǒng)中,由于生產(chǎn)機械負載類型的不同,電動機的運行狀態(tài)也不同。也就是說,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩并不都是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩也并不都是抑制轉(zhuǎn)矩,它們的大小和方向都可能隨系統(tǒng)運動狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。

如圖2-12所示,電力拖動系統(tǒng)正方向的規(guī)定:先規(guī)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的正方向,然后規(guī)定電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的正方向相同,規(guī)定負載轉(zhuǎn)矩T2-的正方向與n的正方向相反。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的正方向一般選實際轉(zhuǎn)向。圖2-12-電力拖動系統(tǒng)示意圖

2.運動方程式

對于圖2-12所示的旋轉(zhuǎn)運動,由物理學(xué)中牛頓運動第二定律可知,當(dāng)物體運動時,其以轉(zhuǎn)矩表示的運動方程式為

在實際工程計算中,經(jīng)常用轉(zhuǎn)速n代替角速度來表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動速度;用飛輪矩GD2代替轉(zhuǎn)動慣量J表示系統(tǒng)的機械慣性。ω與n、J與GD2-的關(guān)系為

將式(2-9)、式(2-10)代入式(2-8)中,并忽略電動機的空載轉(zhuǎn)矩(空載轉(zhuǎn)矩占額定負載轉(zhuǎn)矩的百分之幾,在工程計算中是允許的),即認(rèn)為TZ≈T2。經(jīng)整理,可得出單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程的實用表達式為

二、電力拖動系統(tǒng)運行狀態(tài)分析

由式(2-11)可將電力拖動系統(tǒng)分為以下3種狀態(tài):

(1)當(dāng)T>T2-時,即dn/dt>0,系統(tǒng)處于加速狀態(tài);

(2)當(dāng)T>T2-時,即dn/dt<0,系統(tǒng)處于減速狀態(tài);

(3)當(dāng)T>T2-時,即dn/dt=0(n=0或n=常數(shù)),系統(tǒng)處于勻速狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

由此可見,只要dn/dt≠0,系統(tǒng)就處于加速或減速狀態(tài),即運動狀態(tài);當(dāng)dn/dt=0時,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運動狀態(tài)。

2.2.2-多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

實際的電力拖動系統(tǒng)大多數(shù)是電動機通過傳動機構(gòu)與生產(chǎn)機械相連的。因為在實際應(yīng)用中,許多生產(chǎn)機械為滿足其工藝過程的要求,需要較低速度,而電動機大多都具有較高的速度。此時,生產(chǎn)機械和電動機之間必須裝設(shè)減速機構(gòu),如減速齒輪箱、蝸輪蝸桿或皮帶等傳動裝置,從而構(gòu)成所謂的多軸電力拖動系統(tǒng)。

一、轉(zhuǎn)矩的折算

多軸傳動系統(tǒng)如圖2-13所示,設(shè)T2-為從動軸上的負載轉(zhuǎn)矩,T'2為折算到主動軸(電動機軸)上的負載轉(zhuǎn)矩,Ωd、ΩL分別為主、從動軸旋轉(zhuǎn)機械角速度。在圖2-13(b)中,R為卷筒半徑,GL、m分別為升降重物的重量和質(zhì)量,且GL=mg。根據(jù)能量守恒定律,折算到電動機軸上的負載功率等于工作機構(gòu)的負載功率加上傳動機構(gòu)中的損耗,即折算的負載功率等于實際負載功率除以傳動效率η。

二、飛輪矩的折算

設(shè)電動機的轉(zhuǎn)動慣量為Jd(飛輪矩為GD2d),負載軸的轉(zhuǎn)動慣量為JL(飛輪矩為GD2L),電動機軸上等效的轉(zhuǎn)動慣量為J(飛輪矩為GD2)。根據(jù)動能守恒定律可知,折算后等效系統(tǒng)存儲的動能應(yīng)該等于實際系統(tǒng)的動能。

因此,對于雙軸傳動系統(tǒng)有

所以

由式(2-18)可以看出,減速傳動j>1,電動機軸上轉(zhuǎn)動慣量Jd是總轉(zhuǎn)動慣量中的主要部分,而其他軸上的慣性折算值在總轉(zhuǎn)動慣量中占次要成分,因此工程上常用近似計算,即

式中,δ=0.2~0.3

對于兩級以上的多級傳動,應(yīng)按上述原理將轉(zhuǎn)矩和飛輪矩折算到同一軸上(電動機軸)。

2.2.3負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

一、負載的轉(zhuǎn)矩特性

負載的轉(zhuǎn)矩特性表示同一轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系,即n=f(T2)。大多數(shù)生產(chǎn)機械的負載特性可分為3類,即恒轉(zhuǎn)矩負載特性、恒功率負載特性和通風(fēng)機類負載特性。

1.恒轉(zhuǎn)矩負載特性

1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載

反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩大小恒定不變,轉(zhuǎn)矩的方向總是與轉(zhuǎn)速的方向相反。這類負載是由摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,不管運動方向是怎樣的,其負載轉(zhuǎn)矩始終阻礙運動。屬于這一

類的生產(chǎn)機械有起重機的行走機構(gòu)、皮帶運輸機等。如圖2-14(a)所示為橋式起重機行走機構(gòu)的行走車輪,它在軌道上的摩擦力總是與其運動方向相反;如圖2-14(b)所示為對應(yīng)的機械特性曲線,顯然反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位于第Ⅰ象限和第Ⅲ象限內(nèi)。轉(zhuǎn)速n為正,負載轉(zhuǎn)矩T2-為正,反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位于第Ⅰ象限;轉(zhuǎn)速n為負,負載轉(zhuǎn)矩T2-為負,反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位于第Ⅲ象限。圖2-14反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載

2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載

位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩大小恒定不變,而且負載轉(zhuǎn)矩的方向也恒定不變,其方向不會隨著轉(zhuǎn)速方向的改變而改變。這類負載是由物體的重力、彈性物體的壓縮力、張力和扭

力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,它們的作用力并不隨運動方向的改變而改變。屬于這一類的生產(chǎn)機械如起重機的提升機構(gòu)。

圖2-15(a)所示為起重機提升機構(gòu),無論是提升或下放重物,重力作用方向恒定不變。在提升時,載荷的重力作用與運動方向相反,是阻礙運動的抑制轉(zhuǎn)矩;在下放時,載荷的重力方向與運動方向相同,為促進運動的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。如圖2-15(b)所示為機械特性曲線,位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位于第Ⅰ與第Ⅳ象限內(nèi)。圖2-15位能性恒轉(zhuǎn)矩負載

2.恒功率負載特性

恒功率負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為常數(shù),負載功率P2=T2ω=2πnT2/60=常數(shù),由此可見,負載轉(zhuǎn)矩T2-與轉(zhuǎn)速n成反比,T2-=K/n。屬于這一類的生產(chǎn)機械有車床、刨床等。在機械加工中,車床在粗加工時,切削阻力大,此時低速運行;在精加工時,切削量比較小,切削阻力小,此時高速運行。在不同運行情況下,負載功率基本保持不變。它的機械特性曲線是一條雙曲線,如圖2-16所示。圖2-16恒功率負載機械特性曲線

3.通風(fēng)機類負載特性

通風(fēng)機類負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比,即

式中,K是比例常數(shù)。

通風(fēng)機類負載有通風(fēng)機、水泵、油泵、螺旋槳等。這類機械的負載特性曲線是一條拋物線,通風(fēng)機類負載的機械特性曲線如圖2-17所示。圖2-17通風(fēng)機類負載機械特性曲線

二、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

系統(tǒng)在運行中總是受到外界干擾作用,如果在外界干擾作用下,系統(tǒng)雖然偏離了原來的平衡狀態(tài),但能達到新的平衡狀態(tài),或者在外界干擾作用消失后,系統(tǒng)又重新回到原來的平衡狀態(tài),稱系統(tǒng)能穩(wěn)定運行,對應(yīng)運行點為穩(wěn)定運行點。

假設(shè)給某一個電力拖動系統(tǒng)一個外界非人為的短暫擾動,如電網(wǎng)電壓的波動,此時,電動機離開了原平衡狀態(tài),使得轉(zhuǎn)速發(fā)生突變。若此系統(tǒng)在突變后的環(huán)境下能達到新的平衡,或者當(dāng)外界的擾動消失后,系統(tǒng)能恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速,則稱該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行;若此系統(tǒng)在突變后的環(huán)境下不能達到新的平衡,或者即使外界的擾動已經(jīng)消失,系統(tǒng)速度也會無限制地上升或者下降,直到停止運行,則稱該系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。

1.電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行分析

由電力拖動系統(tǒng)運動方程式T-T2=(GD2/375)(dn/dt)可知,當(dāng)dn/dt=0,T=T2時,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。為使電力拖動系統(tǒng)能穩(wěn)定運行,電動機機械特性和生產(chǎn)機械的負載特性應(yīng)符合一定要求。

如圖2-18所示,設(shè)某電力拖動系統(tǒng)在A點穩(wěn)定轉(zhuǎn)動,突然電網(wǎng)電壓降低,隨之電動機的機械特性曲線由直線a變?yōu)橹本€b。圖2-18穩(wěn)定系統(tǒng)

如圖2-19所示,設(shè)某電力拖動系統(tǒng)在A點運行,突然電網(wǎng)電壓降低,隨之電動機的機械特性曲線由直線a變?yōu)橹本€b。圖2-19不穩(wěn)定系統(tǒng)

2.電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件

通過以上分析,可得出電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要和充分條件是:

(1)電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性有交點,即存在T=T2;

(2)在交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上(Δn>0),應(yīng)保證T<T2(使電動機減速),在這一轉(zhuǎn)速之下(Δn<0),則要求T>T2(使電動機加速)。多數(shù)情況下,只要電動機具有下降的機械特性,就能滿足穩(wěn)定運行條件(個別情況除外,如通風(fēng)機類負載)。

小結(jié)

本小節(jié)介紹了直流電機電力拖動系統(tǒng)的組成及表達方程式,并通過分析轉(zhuǎn)矩特性,進而分析了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件。

電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、生產(chǎn)機械、傳動機構(gòu)、控制設(shè)備及電源5大部分組成。電力拖動系統(tǒng)的運動方程的實用表達式為T-T2=(GD2/375)(dn/dt),根據(jù)運動方程式可判斷系統(tǒng)所處的運動狀態(tài);生產(chǎn)機械的負載特性可分恒轉(zhuǎn)矩負載特性、恒功率負載特性和通風(fēng)機類負載特性;通過判斷電機機械特性與負載特性的關(guān)系,可以判斷出該系統(tǒng)是否為穩(wěn)定系統(tǒng)。

2.3直流電動機

2.3.1直流電動機的基本方程式一、規(guī)定正方向并勵直流電動機原理如圖2-21所示。U是電源的輸入電壓,I是輸入電流,Ea是感應(yīng)電動勢,Ia是電樞電流,If是勵磁電流,T是電磁轉(zhuǎn)矩,T2-是負載轉(zhuǎn)矩,T0是空載轉(zhuǎn)矩。圖2-21并勵直流電動機原理

正方向的規(guī)定如下:

(1)電動機的感應(yīng)電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia相反,為反電動勢;

(2)電磁轉(zhuǎn)矩T與n同方向,是驅(qū)動性轉(zhuǎn)矩;

(3)軸上機械負載轉(zhuǎn)矩T2-及空載轉(zhuǎn)矩T0與n相反,是制動性轉(zhuǎn)矩。

二、電動勢平衡方程式

直流電動機電樞回路的電動勢平衡方程式為

式中,Ra為電樞回路的總電阻,包括電樞繞組、換向器、補償繞組的電阻,以及電刷與換向器間的接觸電阻等。

電源電壓U決定了電樞電流Ia的方向。對于并勵直流電動機,電樞電流滿足:

式中,I為輸入電動機的電流;If為勵磁電流,Rf

是勵磁回路的電阻,If=U/Rf。

直流電動機勵磁回路滿足:

三、功率平衡方程式

并勵直流電動機從電源輸入的電功率為圖2-22

并勵直流電動機的功率流程

直流電動機的效率為

四、轉(zhuǎn)矩平衡方程式

在直流電動機的拖動系統(tǒng)中,任何瞬間都必須保持轉(zhuǎn)矩平衡。由直流電動機的工作原理可知,電磁轉(zhuǎn)矩T是由電樞電流Ia與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,它必須與軸上負載制動轉(zhuǎn)矩T2-和空載制動轉(zhuǎn)矩T0相平衡。因此,轉(zhuǎn)矩平衡方程為

功率除以角速度可得轉(zhuǎn)矩,由此可得

【例2-2】一臺并勵直流電動機,額定電壓UN=220V,IN=80A,電樞回路總電阻Ra=0.036Ω,勵磁回路總電阻Rf=110Ω,附加損耗pad=0.01PN,ηN=0.85。試求:

(1)額定輸入功率;

(2)額定輸出功率;

(3)總損耗;

(4)空載損耗。

2.3.2-直流電動機的機械特性

n=f(T)稱為電動機的機械特性,即當(dāng)電動機的電樞電壓U、勵磁電流If、電樞回路電阻Ra為恒定值時,電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系曲線是電動機機械性能的主要表現(xiàn),是電動機最重要的特性。

一、機械特性的一般表達式

以他勵直流電動機為例,其原理如圖2-23所示。在他勵直流電動機上加上一定的電壓U及勵磁電流,此時電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可表示為n=f(T)。圖2-23他勵直流電動機原理

由電磁轉(zhuǎn)矩公式(2-7)、感應(yīng)電動勢公式(2-6)、電樞回路電動勢平衡方程式(2-22)可知

可得他勵直流電動機機械特性的一般表達式為

二、固有機械特性

他勵直流電動機的固有機械特性是指當(dāng)U=UN、Φ=ΦN、R=Ra時,電動機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。此時得到固有機械特性為

如圖2-24所示,因為電樞電阻很小,特性斜率很小,故他勵直流電動機的固有機械特性屬硬特性。機械特性中有4個特殊點,A為理想空載點,B為實際空載點,C為額定轉(zhuǎn)速點,D為堵轉(zhuǎn)點或起動點。圖2-24他勵直流電動機固有機械特性

三、人為機械特性

根據(jù)機械特性一般表達式人為地改變電動機參數(shù)U、Ra或者Φ,得到的機械特性稱為人為機械特性。

1.電樞回路串電阻時的人為機械特性

保持U=UN、Φ=ΦN不變,在電樞回路中串入電阻Rst時的人為機械特性方程為

電樞回路串電阻時的人為機械特性曲線如圖2-25所示。圖2-25電樞回路串電阻時的人為機械特性

如圖2-25所示,與固有特性相比,電樞回路串電阻的人為機械特性特點如下:

(1)理想空載轉(zhuǎn)速n0不變,機械特性為經(jīng)過理想空載點的一組直線;

(2)機械特性的斜率β隨Ra+Rst的增大而增大;

(3)電樞串電阻越大,即電樞回路總電阻越大,機械特性越軟;

(4)對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速n隨Rst的增大而減小。

2.降低電樞電源電壓時的人為機械特性

在實際運用中,電動機只能采用降壓而不能采用升壓,以免損壞電動機。保持Φ=ΦN、R=Ra(電樞繞組不外接電阻)不變,降低電樞電源電壓時的人為機械特性方程為

降低電樞電源電壓時的人為機械特性曲線如圖2-26所示。與固有機械特性相比,降低電樞電源電壓的人為機械特性特點如下:

(1)斜率β不變,即機械特性硬度不變;

(2)理想空載轉(zhuǎn)速n0與電樞電壓U成正比,

n0隨著U減小而減小;

(3)對應(yīng)不同電樞電壓時的人為特性是一簇低于固有特性的平行線;

(4)對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速n隨U的減小而減小。圖2-26降低電樞電源電壓時的人為機械特性

3.減弱電動機氣隙磁通時的人為機械特性

一般電動機在額定磁通下運行時,磁路已接近飽和,只能減弱磁通。保持U=UN、R=Ra(電樞繞組不外接電阻)不變,減弱磁通時的人為機械特性方程為

減弱電動機氣隙磁通時的人為機械特性曲線如圖2-27所示。圖2-27減弱電動機氣隙磁通時的人為機械特性

如圖2-27所示,與固有機械特性相比,減弱電動機氣隙磁通時的人為機械特性特點如下:

(1)特性曲線不是平行直線,也不是放射性直線;

(2)弱磁后n0增大(起點升高);

(3)弱磁后β增大(機械特性變軟);

(4)對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速n隨著Φ的減小而增大;

(5)磁通不可太小,否則理想空載轉(zhuǎn)速太高,電動機的換向能力和機械強度承受不了。

2.3.3直流電動機的起動和改變轉(zhuǎn)向的方法

一、直流電動機的起動

直流電動機接通電源后,轉(zhuǎn)速從靜止達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程,它是一個動態(tài)過程。電動機在起動瞬間的電樞電流稱為起動電流,用I表示;起動瞬間產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩,用Tst表示。

直流電動機起動的基本要求如下:

(1)起動轉(zhuǎn)矩要足夠大,要能克服起動時的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩,否則電機起動不起來(Tst>T2)。

(2)起動電流不要太大,避免對電機和電源產(chǎn)生危害。一般限制在允許范圍內(nèi),為(1.5~2)IN。

(3)起動時間短,符合生產(chǎn)機械的要求。

(4)起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠、操作簡便。

1.直接起動

直接起動的優(yōu)點:操作簡單,不需要起動設(shè)備,起動轉(zhuǎn)矩大(磁通一定時,起動轉(zhuǎn)矩與起動電流成正比)。

直接起動的缺點:

(1)出現(xiàn)換向困難,產(chǎn)生強烈火花或環(huán)火,以至燒壞換向器;

(2)產(chǎn)生過大的起動轉(zhuǎn)矩,對傳動機構(gòu)產(chǎn)生強烈沖擊,導(dǎo)致?lián)p壞;

(3)起動電流過大,會損壞電樞繞組,同時引起繞組發(fā)熱,導(dǎo)致絕緣損壞;

(4)過大的起動電流會造成電網(wǎng)電壓波動,影響其他設(shè)備的正常運行。

2.電樞回路串電阻起動

電樞回路串電阻起動,即當(dāng)電動機起動時在電樞回路串入起動電阻,待轉(zhuǎn)速上升后,再逐級將起動電阻切除。起動電路如圖2-28(a)所示。

如果在電樞回路中串入電阻Rst,電動機接到電源后,起動電流為

由式(2-39)可知,串入的電阻越大,起動電流越小。只要Rst選擇適當(dāng),能將起動電流限制在允許范圍內(nèi)。當(dāng)電機開始轉(zhuǎn)動后,隨著轉(zhuǎn)速升高,反電動勢不斷增大,起動電流逐步減小,起動轉(zhuǎn)矩也隨之減小。為了在整個起動過程中保持一定的起動轉(zhuǎn)矩,加速電動機起動過程,可將起動電阻一級一級逐步切除,最后電動機進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。其機械特性曲線如圖2-28(b)所示。圖2-28直流電動機三級電阻起動

電樞回路串電阻起動的優(yōu)點:能有效地限制起動電流,起動設(shè)備簡單及操作簡便,廣泛應(yīng)用于各種中、小型直流電動機。

電樞回路串電阻起動的缺點:在起動過程中能量消耗大,不適用經(jīng)常起動的大、中型直流電動機。

3.降壓起動

由式Ist=U/Ra可知,降低電壓可有效地減小起動電流。當(dāng)直流電源的電壓能調(diào)節(jié)時,可以對電動機進行降壓起動。剛起動時,起動電流較小。隨著電機轉(zhuǎn)速的升高,反電動勢逐漸加大,這就需要逐漸升高電源電壓,保持起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值基本不變,使電動機轉(zhuǎn)速按需要的加速度上升,滿足起動時間的需要。降壓起動機械特性曲線如圖2-29所示。

降壓起動的優(yōu)點:起動平穩(wěn),能量損耗小。

降壓起動的缺點:系統(tǒng)復(fù)雜,需要一套可以調(diào)節(jié)電壓的直流電源,增加設(shè)備投資。圖2-29降壓起動機械特性曲線

二、改變轉(zhuǎn)向

在電力拖動裝置工作過程中,由于生產(chǎn)的要求,電動機作正、反轉(zhuǎn)運行,如起重機的提升和下放重物、軋鋼機對工件的來回碾壓、直流電動機拖動龍門刨床的工作臺往復(fù)運動、礦井卷揚機的上下運動等。要改變直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向,就需要改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向。由電動機電磁轉(zhuǎn)矩的表達式T=CTΦIa可知,電磁轉(zhuǎn)矩由主極磁通和電樞電流

相互作用產(chǎn)生。所以,改變電動機轉(zhuǎn)矩方向有以下兩種方法:

(1)改變電樞電流方向,即改變電樞電壓極性;

(2)改變勵磁電流(主極磁場)方向,即改變勵磁電壓的極性。

2.3.4直流電動機的調(diào)速與制動

一、直流電動機的調(diào)速

為了提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量,并符合生產(chǎn)工藝,要求生產(chǎn)機械在不同的情況下有不同的工作速度,這種人為地改變和控制機組轉(zhuǎn)速的方法叫作調(diào)速。例如,車床在工作

時,低轉(zhuǎn)速用來粗加工工件,高轉(zhuǎn)速用來進行精加工;又如電車進出站時的速度要慢,正常行駛時的速度要快。

值得注意的是,由負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化和調(diào)速是兩個不同的概念。負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是自然進行的,直流電動機工作點只在一條機械特性曲線上變化。而調(diào)速是人為地改變電氣參數(shù),使電機的運行點由一條機械特性轉(zhuǎn)變到另一條機械特性上,從而在某一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速,以滿足生產(chǎn)需要。所以,調(diào)速方法就是改變電動機機械特性的方法。由電動機的機械特性方程

1.調(diào)速的評價指標(biāo)

1)調(diào)速范圍

調(diào)速范圍是指電動機在額定負載下可能運行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比,通常用D表示,即

2)靜差率

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時,電動機由理想空載增加到額定負載時的轉(zhuǎn)速變化率,稱作靜差率,用δ表示,即

靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度的。如圖2-30所示,圖中有3條機械特性曲線,1為固有機械特性曲線,2可看作串電阻時的人為機械特性曲線,3為降電壓時的人為機械特性曲線。當(dāng)n0不變時,比較1和2,由于ΔnN1<ΔnN2,則δ1<δ2;當(dāng)n0不同時,比較1和3,此時nN1=ΔnN3,則δ1<δ3。由此可知,當(dāng)機械特性硬度相同時,n0越低,δ越大;當(dāng)n0相同時,機械特性越硬,δ越小,轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度越高。圖2-30電動機的機械特性曲線

調(diào)速范圍與靜差率這兩項指標(biāo)是相互制約的,二者之間關(guān)系如下:

【例2-3】某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min,額定速降ΔnN=115r/min,求:

(1)當(dāng)要求靜差率為30%時,允許多大的調(diào)速范圍?

(2)如果要求靜差率為20%,則調(diào)速范圍是多少?

(3)如果希望調(diào)速范圍達到10,所能滿足的靜差率是多少?

2.調(diào)速的方法

1)電樞回路串電阻調(diào)速

電樞回路串電阻調(diào)速的工作條件是要保持額定勵磁及額定電壓,通過調(diào)節(jié)電樞繞組實現(xiàn)調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速的機械特性曲線如圖2-31所示。圖2-31電樞回路串電阻調(diào)速的機械特性曲線

電樞回路串電阻調(diào)速的優(yōu)點:電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡單,操作方便。

電樞回路串電阻調(diào)速的缺點:

(1)由于電阻只能分段調(diào)節(jié),所以調(diào)速的平滑性差;

(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,額定負載時調(diào)速范圍一般為D<2;

(4)損耗大,效率低,不經(jīng)濟。對恒轉(zhuǎn)矩負載,調(diào)速前、后因磁通不變而使T和Ia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。

2)降低電源電壓調(diào)速

降低電源電壓調(diào)速的工作條件是要保持額定勵磁及電樞電阻不變,通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)調(diào)速。降低電源電壓調(diào)速的機械特性曲線如圖2-32所示。圖2-32-降低電源電壓調(diào)速的機械特性曲線

降低電源電壓調(diào)速的缺點:需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源,設(shè)備復(fù)雜,投資大。

降低電源電壓調(diào)速的優(yōu)點:

(1)電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié),可以實現(xiàn)無級調(diào)速;

(2)調(diào)速前后機械特性的斜率不變,硬度不變,負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好;

(3)無論輕載或是重載,調(diào)速范圍相同,一般可達D=2.5~12;

(4)電源內(nèi)阻小,電能損耗小,效率高;

(5)可兼作起動裝置。

3)弱磁調(diào)速

弱磁調(diào)速的工作條件是要保持額定電壓及電樞電阻不變,

通過調(diào)節(jié)勵磁電流(磁通)實現(xiàn)調(diào)速。弱磁調(diào)速的機械特性曲

線如圖2-33所示。

弱磁調(diào)速的優(yōu)點:

(1)在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié),因而控制方便、能量損耗小、設(shè)備簡單,而且調(diào)速平滑性好;

(2)調(diào)速前后效率基本不變,所以也比較經(jīng)濟。

弱磁調(diào)速的缺點:

(1)機械特性的斜率變大,特性變軟;

(2)轉(zhuǎn)速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制,因此升速范圍不可能很大,一般D<2。圖2-33弱磁調(diào)速的機械特性曲線

【例2-4】一臺他勵直流電動機的額定值為UN=220V,IN=56A。電樞電阻Ra=0.45Ω。求:

(1)電動機直接起動時,起動電流的值。

(2)如采用串電阻起動,起動電流為1.5倍的額定電流,應(yīng)在電樞回路串入多大的電阻?

二、直流電動機的制動

1.能耗制動

1)能耗制動方法

他勵直流電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載運行時,

其能耗制動的接線如圖2-34所示。圖2-34能耗制動接線

2)能耗制動機械特性

能耗制動時的機械特性為U=0、Φ=ΦN、R=Ra+RB條件下的一條人為機械特性,即

可見,電動機能耗制動的機械特性曲線是一條必然經(jīng)過原點的直線,如圖2-35所示,根據(jù)負載的不同,存在以下兩種情況:

(1)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。當(dāng)電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載時,當(dāng)切除電源瞬間,電動機從運行點A過渡到能耗制動時的機械特性運行點B,B點的電磁轉(zhuǎn)矩TB為制動轉(zhuǎn)矩,使系統(tǒng)減速。在減速過程中,隨著動能的消耗,轉(zhuǎn)速下降,Ea逐漸下降,Ia及T逐漸增大(絕對值逐漸減小),電動機運行點沿著能耗制動時的機械特性下降直到原點O,電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都為0,系統(tǒng)停止轉(zhuǎn)動。

制動時回路中串入的電阻RB越小,能耗制動開始瞬間的制動轉(zhuǎn)矩和電樞電流越大。但電樞電流過大,則會導(dǎo)致?lián)Q向困難。因此能耗制動過程中電樞電流有上限,即電動機允許的最大電流Imax。由Imax可以計算出能耗制動過程中電樞回路串入制動電阻的最小值為

式中,Ea為能耗制動開始瞬間的電樞電動勢。

(2)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載。當(dāng)電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載時(如起重機吊起重物),如果采用能耗制動,系統(tǒng)就進入能耗制動過程,轉(zhuǎn)速逐步降到零,即運行點由A變到B再到O,此刻電磁轉(zhuǎn)矩為0,若不采取其他措施,其后由于負載轉(zhuǎn)矩的作用,系統(tǒng)將開始反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)