直流电机的电力拖动.ppt

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1、直流电机的电力拖动,以电动机为原动机，按人们所给定的规律来带动生产 机械， 称为电力拖动。,皮带、齿轮等,2-1 电力拖动的运动方程式,另外，还有单机多轴系统（抽油机）和多机多轴系统（轧钢机）,单机单轴系统：单台电动机直接与生产机械同轴联接，简称为单轴系统。,单轴系统的运动方程式：,说明：1.在电力拖动系统中，通常称Tz为生产机械的总负载转矩， 即：Tz=T2+T0,T2为生产机械的转矩，T0为电动机本身的空载转矩。,正方向的规定：首先规定电动状态下n的方向为系统旋转的正 方向，电磁转矩T的实际方向与n相同则为正，相反则为负； 负载转矩Tz的实际方向与n相同则为负，相反则为正。,2. J为整个

2、系统的转动惯量，包括电动机、传动机构和生产机械。 工程上，通常用飞轮矩GD2来表征转动物体的惯性作用，GD2和 J的关系为:,GD2为电动机转子、传动机构和生产机械转动部分的飞轮矩之 和，单位为Nm2，一般可以查到。是一个完整的符号，不是 G和D2的乘积，g为重力加速度，9.8m/s2。,T=Tz时，n=常数。是使系统稳定的先决条件。 TTz时，n升高，系统加速。 TTz时，n降低，系统减速。,3.转矩单位为Nm，转速单位为是r/min，时间为s，飞轮矩 为Nm2，如果从产品目录上查出飞轮矩以kgm2为单位，则必须 乘以9.8m/s2。,在大多数的电力拖动系统中，控制转速是我们的目标，抽油机、

3、 风扇、空调、洗衣机、电动车等等。根据运动方程，系统的 转速n与T和Tz有关，要控制n必须要知道Tz与n 、 T与n之间的 关系。即要知道负载的转矩特性n=f(Tz)和n=f(T)电动机的机械 特性。即本章第二节和第三节的内容。,2-2 生产机械的负载转矩特性,根据n与Tz的关系，可以分为三种类型的负载特性： 恒转矩负载、恒功率负载、风机泵类负载,一、恒转矩负载,转速变化时，负载转矩的大小保持不变，称为恒转矩负载， 可分为两类：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。,该负载的大小与转速无关，方向始终与转向相反，属于 这类负载的生产机械有机床的平移机构等。,1.反抗性恒转矩负载,生产机械工作机构中

4、具有位能部件，其转矩具有固定 方向，不随转向的改变而改变，如起重机系统。,2.位能性恒转矩负载,为简单起见，在今后的分析中， 除非特别说明，位能性负载都 采用理想特性。,恒功率负载是指负载的功率为常数，不随转速变化。,二.恒功率负载特性,恒功率负载的转矩与转速成反比。,对于通风机、水泵及油泵等生产机械，其负载是介质对 机器叶片的阻力产生的阻转矩，基本上与转速的平方成 正比，即：,三.通风机负载特性,实际生产机的负载特生，往往是上述 几种典型特性的组合。例如，考虑空 载转矩，实际鼓风机的负载特性如图 中的虚线所示。,2-3 他励直流电动机的机械特性,电磁转矩：,感应电动势：,电枢回路电势平衡式：

5、,电动机转速特性：,机械特性一般表达式：,一、直流电动机机械特性的一般形式,电动机的机械特性与端电压U、主磁通及电枢回路外 接电阻R有关，励磁方式不同时，主磁通与电磁转矩的 关系是不同的，机械特性也不同。但上式是通用的。,二、他励直流电动机的固有机械特性,n0理想空载转速,N固有机械特性的斜率,额定负载时的转速降为：,n,0,T,n0,TN,nN,由于电枢回路电阻Ra很小，固有 机械特性是一条的斜率很小的直线， 可通过直线上的两个点来确定。 通常取理想空载点和额定点来确定 固有机械特性。,额定负载时的转速降落很小，他励直流电动机的固有机械特性较“硬”。,例2-2 某他励直流电动机数据如下：PN

6、=40kW，UN=220V， IN=210A，nN=750r/min，试计算其固有机械特性。,要求：,已知：UN，IN，PN，nN,须先求出：CeN或CMN，Ra,Ra可由估算公式估算出，然后利用电动势平衡方程式可 求出CeN,三、他励直流电动机的人为机械特性,1、电枢回路串入电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻 ，所得的nf（T）关系。,对于给定的 ，为常数。,2、改变端电压时的人为机械特性,保持 N 不变而且电枢回路中串入电阻为零 ，改变电动机的端电压U所得的nf（T）关系。,电动机受耐压限制而不能在过电压状态下运行，所以一般只能使UUN,改变端电压人为特性的

7、特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。,（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。,3、减弱磁通时的人为机械特性,保持U=UN不变而且电枢回路中串入电阻为零 ，改变电动机的励磁电流If，使IfIfN，所得的nf（T）关系。,如何改变励磁电流？,改变励磁回路的调节电阻（小容量电机）； 改变励磁电压（大容量电机）,为何励磁电流只能在额定值以下调？,往上调没有效果，因为磁路已饱和。,弱磁,N N,减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。,（2）人为机械特性的斜率比固有机

8、械特性大，即人为特性比固有特性软。,四、电力拖动系统的稳定运行条件,1. 电力拖动系统的平衡状态,电动机机械特性与负载转矩特性交点处，电磁转矩与总的负载转矩相等，转速不变，电枢电流不变，称该系统处于平衡状态。,2. 电力拖动系统的稳定平衡状态,系统原来处于平衡状态，如果由于某种原因（电压的波动、 负载的变化或电动机参数的正常调节），使系统离开了原来 的平衡状态，但能够在新的条件下自动地达到新的平衡； 或者在外界扰动消失后能够恢复到原来的平衡状态，则称 该拖动系统原来的运行状态是稳定平衡状态。,如不能达到新的平衡或在外界扰动消失后不能够恢复到原来的 平衡状态，则称该拖动系统原来的状态不是稳定平衡

9、状态。,他励直流电动机带 恒转矩负载端电压 突然下降，然后 又恢复到原来电压 的动态过程。,到达B点是什么意思？,TBTz，系统转速下降，最后到达C点（新的平衡点）,在C点，当电机端电压恢复时，到达D点，转矩为TD，TDTz， 系统转速上升，最后到达A点，外界扰动消失后又恢复到原来的 平衡状态。,电动机运行于红线上，此时转速不变，对应的转矩为TB,A点到B点，TBTz， 转速上升？下降？,上升，无休止地上升 不能平衡。,假设到达D点，外部 扰动消失，能否再返 回到A点？,原来的平衡状态A不是稳定的平衡状态,分析电力拖动系统的动态过程方法总结： 电磁量变化的时间常数非常小，认为在瞬间完成。 而在

10、此时转速没来得及改变，但电动机的机械特性 发生改变，即此时电磁转矩改变，负载的转矩特性 不变，新的电磁转矩与负载转矩不相等，于是就 有了转矩差，有了转速变化率，转速开始变化。可以 根据转速变化的方向，确定系统是否能达到新的平衡。,判断稳定平衡点的方法： 1. 利用公式； 2. n法。,有一个扰动，使系统的转速有一个微小的变化n，系统能否 恢复到原来的平衡状态，如能，则为稳定平衡状态，不能，则 不是稳定平衡状态。,练习：课后习题,本节要点,他励直流电机的固有机械特性 他励直流电机的三种人为机械特性及各自特点 稳定运行条件及判断方法，电力拖动系统动态过程分析方法。,2-4 他励直流电动机的起动,一

11、、直接起动存在的问题,将一台电动机接上电源，使之从静止状态开始旋转直至稳定运 行，这个过程称为起动过程。如果起动时U=UN，R=0，称为 直接起动。其起动初瞬，电枢电流为：,电枢电阻较小，起动时电枢电流很大，可达到1020IN,直接起动存在的问题：,1.换向恶化，出现强烈的火花或环火，烧坏换向器，电枢绕 组产生很大的电磁力而损坏绕组,2.如保持主磁通为额定值，此时的电磁转矩T也将达到额定值 的1020倍，从而损坏传动机构。,3.过大的起动电流会引起电网的供电波动，影响同一电网上 其他设备的运行。,总之，直接起动“害己、害人”，不能去做。,我们期望的起动过程是：起动快而又没有电流和转矩冲击。,起

12、动时应限制起动电流，使之不超过1.52IN，且要使If=IfN， 即满励磁起动。为何要满励磁起动？,起动时，我们期望的是转矩在允许的限度内最大，这样才能使 转速尽快升起来。所在要满励磁起动。,如何来限制起动电流？,降压起动或电枢回路串电阻起动,二、他励直流电动机的起动方法,优点：起动平稳， 起动过程中能量损耗小,1. 降压起动 起动时降低端电压U，使 且 ， 在不大的起动电流下使系统顺利起动，随着转速升高， 反电动势 增大，电枢电流开始下降，这时 逐渐升高端电压，直到U=UN，则起动完毕。,2.电枢回路串电阻起动 将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。,R1+R2+R3,R

13、1+R2,R1,N,课堂练习：习题2-9、11,本节要点,理解他励直流电动机起动存在的问题 掌握他励直流电动机起动的方法,2-5 他励直流电动机的制动,直流电动机的两种运行状态：,（1）电动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同。,（2）制动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反。,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。,分析运行状态，关键有两点： T与n的关系，能量流动关系,直流电动机的制动方法,一、能耗制动的方法和原理,参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRz,实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所

14、以称为能耗制动。,能耗制动时的机械特性,机械特性的一般表达式,思考：哪一条线串的电阻大？哪一条线电机停车更快,位能性负载稳速下放,mg,mg,n,T,mg,n,T,如果要放慢下放速度，该 减少还是增加串入电阻？ 最小的下放速度是多少？,下放转度：,不计传动机械的损耗，则下放时稳态电枢电流与提升时相同,能耗制动的特点,能耗制动的特点：,例25（不计空载损耗）,他励直流电动机额定数据：UN=220V， IN=12.5A，nN=1500r/min，Ra=0.8 且=N，试求：,（1）当n=1000r/min时系统转入能耗制动，要 求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大 电阻？,分析：已知电流和

15、电枢电阻，如能求出Ea，即可求出Rz,如何求出Ea?转速有了，如有CeN，则可求。,关键在于CeN，根据已知条件，有：,使Tz=0.8TN的位能性负载以最低的速度稳速下放，则应 串入制动电阻大小为？最低的转速为？,最低下放转速对应最小电阻，最小的 电阻即Ra。,此时电枢电流可求，整个回路的感应电动势可求，转速可求。,或者直接利用机械特性来求。,二、反接制动的方法和原理,能耗制动为何停机慢？,随着转速降低，感应电动势减小，电枢 电流也减少，所以产生制动转矩也减少。,如何实现快速停机？,使其低速下仍然有较大的反向的 电枢电流产生制动转矩，所以需 要在电枢回路中再串入反向电压。 这就是电压反向的反接

16、制动。,C,对于相同的起始制动电流值， 电压反向的反接制动所需的 制动电阻约为能耗制动的2倍,在转速接近于零时，仍然有较 大的电磁转矩。制动效果比能 耗制动好，可用于快速停机。,能量流动关系：U与Ia同向，电 源输出电能，Ea与Ia同向，电 机向外输出电能，即动能转换为 电能，这些电能消耗在电枢电阻 和制动电阻上。,如果仅要求制动停机，应在转 速降到零时立刻切断电源，否 则系统有可能反向起动。,对于反抗性负载，会稳定运行于 D点，此时电机处于反向电动状 态，T与n都小于零，但方向相同,对于位能性负载，会进入第四象限， T0，n0且大于理想空载转速，电机 处于发电状态，此时电源输出还是 吸收电能

17、？能量流动情况？,电压反向的反接制动的特点,（1）可以很快使机组停机。 （2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流； （3）如需停机，则转速至零时， 需切断电源。 （4）转速与理想空载转速方向相反 （5）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,2.电动势反向的反接制动,在机械特性的第四象限，系统处于电动势反向的反接制动状态 电机运行于发电状态，电源处于何种状态？此时能量流动关系？,因为电枢电流仍为正（为什么？），电枢端电压为正，故电源 仍然输出电功率。电机发的电和电源输出的电功率均消耗在电 枢电阻和制动电阻上。,转速与理想空载转速相反。,最低的下放转速为多少？,接近于零。可以以极低的稳

18、定下 放速度下放重物。,反接制动的特点,（1）转速与理想空载转速方向相反 （2）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,更是能耗型制动方式，如何改进？,例2-6 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A， nN=1500r/min，Ra=0.8，且=N，,（1）当n=1000r/min时将电枢反接，使系统快速制动停机， 要求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大电阻？,（2）保持额定励磁不变，使Tz=0.8TN的位能性负载以20r/min 的速度稳速下放，应采用什么制动方式？串入多大的制动电阻？,关键仍然是,首先，排除电压反向的反接制动（为什么？），然后根据 例

19、2-5，排除能耗制动，只能采用电动势反向的反接制动， 实质上就是在电枢回路串一大电阻，使其机械特性很软， 与负载特性曲线交于第四象限。,有了转速，就有了感应电动势，注意此时 为负，有了电枢电流和电枢端电压，可求 出串入的电阻阻值。注意各量的符号。,三、回馈制动,电压反向的回馈制动，电压不反向的回馈制动。,（1）电机的转速方向与其理想空载转 速方向一致，且绝对值大。,（2）能量流动关系：电机运行于发电 状态，发出的电功率一部分消耗在电枢 回路电阻上，一部分回馈给电源，所以 称为回馈制动。,电车下坡,转速高于理想空载转速，且与其方向相同。电磁转矩为负，而转速 为正，电机运行于发电状态，电源吸收电能

20、（能否从等效电路解释？）。,降低端电压的降速过程,转速与理想空载转速方向 一致，而且高于理想空载 转速。电机发电，电源吸收 电功率。,降压降速或停机的过程可以节能。 如果快速调节电压，使电机始终运行于最大允许转矩下， 可加快停机速度。,电机在在主磁通不变情况下，不同条件下三条机械特性曲线， 哪一条电枢回路总电阻最大？为什么？,相同。根据机械特性的一般表达式,各段各运行于什么状态？ 能量流动是什么情况？,小结： 制动只是电机运行的一种状态。无论哪种制动，电机都运行于 发电状态。能耗制动和反接制动实际上都是能耗制动。前者不 接外电源，后者外电源也输出电功率。而回馈制动则是外电源 吸收电功率。 从转

21、速的角度来看：能耗制动的理想空载转速为零，反接制动 的实际转速与理想空载转速方向相反，回馈制动则方向相同， 但实际转速绝对值大于理想空载转速，正向和反向电动则转速 方向与理想空载转速相同，但绝对值小。,2-6 他励直流电动机的调速,一、调速方法,电枢回路串电阻调速、降低端电压调速、减弱主磁通调速,1.电枢回路串电阻调速,（1）空载或轻载时，调速效果不明显； （2）低速时，机械特性软，负载变化时，转速波动大 （3）电阻只能分段调节，有级调速，速度调节不平滑 （4）能耗大，效率低。,2.降低电枢端电压调速,（1）无论空载或满载，都有明显的 调速效果； （2）机械特性硬度不变，低速时由 负载变化引起

22、的转速波动不大； （3）可实现速度平滑调节，实现 无级调速； （4）调节过程能耗小，效率高。,3.减弱主磁通调速,（1）控制励磁回路，控制方便， 能量损耗小 （2）可实现速度平滑调节，实 现无级调速； （3）通常与调压调速配合来扩 大调速范围。,If,UN,Ea,Ia,n,例2-8 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A， nN=1500r/min，Ra=0.8，电枢反应去磁不计，不计空载 损耗。试求：,（1）保持U=UN且If=IfN不变，使Tz=0.8TN恒转矩负载转速 降为1000r/min，应在电枢回路串入的电阻是多少？,不计电枢反应，励磁电流等于额定励磁电流，则=N

23、； 不计空载损耗，则平衡时，T=Tz=0.8TN，此时电枢电流为0.8IN 如求出Ea，则电阻可求，如何求Ea？先求CeN。,U,（2）设该机带通风机负载Tz=kn2，原来运行于额定状态，现 通过降压调速使转速降为1300r/min，则端电压U为多少？稳定 后电流为多少？,U,要求电压，转速已知，Ea已知，如 求出电枢电流，即可求出端电压U。 如何求电枢电流？利用转矩平衡方 程式，知负载转矩可求电枢电流。,（3）系统带反抗性恒转矩负载Tz=TN，额定运行时突然励磁回路 断线，已知断线后的剩磁为0.04N，则断线后系统将加速还是 减速？稳定后的电流与转速各是多少？,断线瞬间，转速来不及变，但主磁

24、通已变为剩磁。电路已处于平 衡状态，所以可以用电动势平衡方程式求解。可得电枢电流。,由电枢电流，可求出此时电磁转矩，根据电磁转矩和负载转矩的 大小关系，判断系统加速还是减速。,系统将减速，速度减小，电流将增大，电磁转矩增大，即使速度为0，电磁转矩仍小于负载转矩，此时系统最终将停转。如带位能性恒转矩负载，将反转，电枢电流增大，直到转矩平。,二、调速指标 1、调速范围（D）： 指电动机在额定负载下调速时所能达到的最高与最低转速之比 2、静差度（相对稳定性）： 指电动机在某一条机械特性上运行时，额定负载时的转速降与其理想空载转速之比。与D是相互联系又相互制约的。 3、调速的平滑性： 用相邻两级转速之

25、比来表示。当1.06时，认为是无级调速。 4、调速的经济性 包含两个方面，一是调速设备投资及运行费用，另一个是电机能否得到充分利用。,2-8 串励和复励直流电动机,一、串励直流电动机的机械特性,磁路不饱和时,1、串励电动机固有机械特性,特点： (1)磁路不饱和时，为非线性的软特性。 (2)空载时，转速可达到56倍的nN所以，串励电机不允许空载运行。 (3)电磁转矩与电枢电流的平方成正比，起动和过载能力强。,只是说额定电压时不允许空载或轻载运行，当电压较小时，也可以轻载。,特点： a) 相当于他励直流电动机； b) 此时负载很大，转速下降减少，特性变硬，特性近似直线。,磁路饱和时情况：,2、串励

26、电动机人为机械特性,（1）电枢回路串电阻，磁路不饱和时,3,（2）降低端电压的人为特性,磁路不饱和时,当电压较小的时候，可否空载运行？,b)电枢绕组并联分流电阻 ：相当于增加了 ，增磁作用，曲线5。可进入第二象限。,（3）调节励磁电流,a)串励绕组并联分流电阻 ：相当于减小了 ，弱磁作用，对应曲线4,二、串励直流电动机的电力拖动,1.起动： （1）电枢回路串电阻分级起动； （2）降压起动,2.反转：只将电枢两端调换方向,3.调速： （1）电枢回路串电阻，使nnN。,4.制动,串励电动机的理想空载转速趋于无穷大，实际转速不可能超过 它，不可能实现回馈制动,a、反接制动 （1）电势反向的反接制动：

27、对于位能负载，在电枢串足够大电阻，可实现电势反向的反接制动，将重物匀低速下放；,（2）电压反向的反接制动：对于反抗性负载，将电枢电压反接的同时再在回路串电阻，可实现电压反接制动，使之快速停机。,停机后必须快速切断电源否则系统可能反向起动。,b、能耗制动,可以分为自励能耗制动与他励能耗制动两种。,自励能耗制动的接线特点： 切断外接直流电源，接入制动电阻形成回路； 励磁绕组反接。（为什么？）,此时电枢电流方向与原来方向相反，要形成制动转矩，必须保证磁通方向与原来相同，只有将励磁绕组反接才能做到。,自励能耗制动,自励能耗制动后期，转速下降，Ea下降，Ia下降，电磁转矩与Ia的平方成正比，下降得更多，制动效果差。但接线简单，可用于断电事故时安全制动。,为了加快可靠停车，通常采用他励能耗制动，电路特点： 将电机从电路中断开，用一个励磁限流电阻Rf取代； 电机通过制动电阻Rz形成回路。,他励能耗制动,EO段用于能耗制动停车， OF段可用于能耗制动使重物下放。,本章小结,系统运动方程式，正方向的规定 负载的转矩特性 他励直流电动机的机械特性，要求记住一般形式。 稳定平衡点的条件及判断方法，分析系统由动态过程的方法。 起动（中型以上电机不能直接起动） 制动（重点掌握能量流动关系及判断是何种制动方式） 调速（哪三种调速方式，各有何优缺点）,大作业,