直流电气传动

Page1第八章直流电气传动Page2本章教学基本要求1.掌握他励直流电动机的机械特性，能绘制固有机械特性曲线和人为机械特性曲线；2.掌握他励直流电动机的串电阻启动方法，并能设计与计算启动电阻；3.掌握他励直流电动机的制动和调速方法；4.掌握电气传动系统机械过渡过程的基本概念，基本原理和方程；5.理解单、双闭环调速系统的基本工作原理。Page3重点他励直流电动机拖动系统的启动、制动、调速运行基本规律。Page43.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式TnTCCRRCUCRRIUnTeaeeaa02)((3-1)Page53.1他励直流电动机的机械特性机械特性表达式式中为T=0时的转速，称为理想空载转速；2TeaCCRR是机械特性的斜率。eCUn00TPage63.1他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的转速n随转矩T的增大而降低。即负载时转速低于理想空载转速n0，负载时转速下降的数值称为转速降，用△n表示为nTnnn0Page73.1他励直流电动机的机械特性显然，△n与β成正比，当β越大，n就越大。通常称β值大的机械特性为软特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响大，那么系统抗干扰能力弱；β值小的机械特性为硬特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速产生影响小，那么系统抗干扰能力强。对于一个恒速运行的系统，我们总希望值β越小越好。nnPage8固有机械特性当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，即,,这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。其表达式为(3-2)NUU，，，N0RTCCRCUnNTeaNeN2Page9固有机械特性图3-1他励直流电动固有机械特性他励直流电动机固有机械特性是一条下斜直线，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力体现，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。Page10人为机械特性图3-2电枢串电阻人为机械特性他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。主要人为机械特性有三种。1.电枢回路串电阻的人为机械特性TCCRRCUnNTeaNeN2(3-3)电枢加额定电压UN，每极磁通为额定值N，电枢回路串入电阻R后，机械特性表达式为Page11人为机械特性图3-3改变电枢电压人为机械特性2．改变电枢电压的人为机械特性TCCRCUnNTeaNe2(3-4)保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为Page12人为机械特性图3-4减少每极磁通人为机械特性3.减少气隙磁通量的人为机械特性电枢电压为额定值不变，电枢回路不串电阻时，仅改变每极磁通的人为机械特性表达式为TCCRCUnTeaeN2(3-5)Page13根据电机的铭牌数据绘制机械特性1.固有机械特性的绘制(1)估算或实测Ra；(2)计算CeN；(3)求n0；(4)计算TN。在坐标纸上标出(0,n0)，(TN,nN)两点，过此两点联成直线，即为该直流电动机的固有机械特性。Page14根据电机的铭牌数据绘制机械特性2.人为机械特性的绘制各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数代入相应的人为机械特性方程式即可。Page153.2他励直流电动机的启动系统启动的要求他励直流电动机启动时，为了产生较大的启动转矩及不使启动后的转速过高，应该满磁通启动，即励磁电流为额定值，每极磁通为额定值。因此启动时励磁回路不能串电阻。而且绝对不允许励磁回路出现断路。Page16启动方法图3-6电枢回路串电阻启动1．电抠回路串电阻启动电抠回路串电阻R，启动电流为RRUIaNsPage17电抠回路串电阻启动1)分级启动电阻的计算b123aNEUIRc112aNEUIRd222aNEUIRe311aNEUIRf321aNEUIRg31aNaEUIR点点点点点点设对应转速n1、n2和n3时，电动势分别为Ea1、Ea2和Ea3、则有：Page18电抠回路串电阻启动2)计算各级启动电阻的步骤（1）估算或测出电枢回路电阻Ra；（2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；（3）选取启动级数m；（4）计算启动电流比：,m取整数；（5）计算转矩：T2=T1/β校验T2≥（1.1~1.2）TL；如果不满足，应另选T1或值m并重新计算，直到满足该条件为止；（6）计算各级启动各级电阻和分段电阻。maNRIU1Page19降电压启动图3-7降压启动降低电源电压到U，启动电流为asRUI负载为巳知，根据启动条件的要求，可以确定电压的大小。有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到UN。Page203.3他励直流电动机的电动与制动(1)电动机稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在工作点恒速运行。(2)电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电磁转矩与负载转矩不相等系统处于加速或减速的过渡过程。(3)他励直流电动机的固有机械特性与各种人为机械特性，分布在机械特性的四个象限内。(4)生产机械的负载转矩特性，有反抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载转矩持性，也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，他们分布在四个象限之内。Page21他励直流电动机的电动图3-8他励直流电动机电动运行1.正向电动运行他励直流电动机工作点在第Ⅰ象限时，如图3-8所示的A点和B点，电动机电磁转矩T﹥0，转速n﹥0，这种运行状态称为正向电动运行。Page22他励直流电动机的电动图3-8他励直流电动机电动运行2.反向电动运行若拖动反抗性负载，正转时电动机工作点在第Ⅰ象限，反转时，电动机工作点则在第Ⅲ象限，如图3-8所示的C点，这时电动机电源电压为负值。在第Ⅲ象限运行时，电磁转矩T0，转速n0,T与n仍同方向，T仍为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行完全相同，这种运行状态称为反向电动运行。他励直流电动机的电动他励直流电动机的制动制动：指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.他励直流电动机的制动实现制动方法有：机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。他励直流电动机的制动电气制动方法分：能耗制动，反接制动，再生制动。直流电机正常工作时，出现制动状态情况分析如下：(1)要求停车切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中：在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过制动状态。他励直流电动机的制动(3)提升机构下放重物提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态。(4)反转电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而以。Page28他励直流电动机的制动图3-9能耗制动过程1.能耗制动1)能耗制动过程(dynamicbrakingprocess)他励直流电动机的制动特性方程及制动电阻:特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻Rc。ICRRnTCCRRnUecaTeca,02或他励直流电动机的制动Rc越大，特性越斜，Rc越小，特性越平，但Rc不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(2~2.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。aBBcRIERPage31功率流程图(a)电动运行(b)能耗制动(c)倒拉反转和反接制动(d)回馈制动图3-10他励直流电动机各种运行状态下功率流程图Page32能耗制动运行图3-11能耗制动运行他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采用能耗制动。能耗制动运行能耗制动能耗制动特点:(i)制动时U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rc).(ii)制动时，n与T成正比,所以转速n下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rc，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0时T=0,可实现准确停车。能耗制动应用能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。反接制动过程1.电压反接的反接制动(1)方法：将正在运行的电机电枢串入制动电阻Rc，且电枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线路适合大容量的电动机采用。Page37反接制动过程图3-12他励直流电动机反接制动过程反接制动停车是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电抠回路串入限流的反接制动电阻R来实现的。Page38反接制动接着反向启动图3-13反接制动接着反向启动的机械特性他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行反接制动的机械持性如图3-13所示。反接制动反接制动方程式为：特性BC段为电压反接制动机械特性曲线。TCCRRCUnTecaeN2反接制动制动电阻Rc的计算aNNaNaNcRIURIEUR2反接制动2.倒拉反转运行Page43倒拉反转运行图3-14倒拉反转运行他励直流电动机如果拖动位能性负载运行，电枢回路串入电阻时，转速n下降，但是如果电阻值大到一定程度后，见图3-14所示，就会使转速n0，工作点在第Ⅳ象限，电磁转矩T0，与n方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行。反接制动电阻计算aLaNcRIEUR反接制动(1)电压反接制动时说明从电源吸收电能说明电动机从负载吸收机械能使电机处于发电状态，将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。00,0aaUIIU00,00aaaaIEIEn反接制动(2)电动势反接制动时说明从电源吸收电能说明从负载吸收机械能上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，其能量关系同电压及制动时一样。00,0000,0aaaaaaIEIEnUIIUPage47回馈制动运行图3-15降压调速时的回馈制动过程（1）正向回馈制动运行图3-15所示为他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低调节的过程。Page48回馈制动运行图3-16正向回馈制动运行如图3-16所示。负载机械特性为曲线1和曲线2。这样走平路时电动机则运行在正向电动运行状态，工作点为固有机械待性与曲线1的交点A；走下坡路时电动机则运行在正向回馈运行状态，工作点为固有机械特性与曲线2的交点B。Page49反向回馈制动运行图3-17反向回馈制动运行如果他励直流电动机拖动位能性负载，当电源电压反按时，工作点在第Ⅳ象限，见图3-17(a)所示的B点，这时电磁转矩T0，转速n0，T与n反方向，称为反向回馈制动运行。Page503.4他励直流电动机的调速图3-18电枢回路串电阻调速21RR他励直流电动机的调速方法1．电枢串电阻调速Page51降低电源电压调速图3-19降压电源电压调速保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压可调节转速，使电动机拖动负载运行于不同的转速上，如图3-19所示。Page52弱磁调速图3-20弱磁调速保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电