第二章直流电机电力拖动.

第2章直流电机的电力拖动电气控制设备要按一定规律控制电动机使电机按预定的要求运行深入研究电力拖动系统的运动规律、运行特性建立电力拖动的运动方程式第2章内容(5)2-1电力拖动系统的运动方程式2-2生产机械的负载转矩特性2-3他励直流电动机的机械特性2-4他励直流电动机的起动2-5他励直流电动机的制动2-6他励直流电动机的调速2-1电力拖动系统的运动方程式概念1.单机单轴系统（单轴系统）最简单的系统，单台电动机直接与生产机械同轴联接3.多机系统少数场合，还有两台或多台电动机来带动一个或多个工作机构，称之为多电动机拖动系统2.单机多轴系统（多轴系统）电动机必须通过传动机构（如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆等）多根转轴的传动才能带动生产机械运动。n较低，或直线运动部件单轴系统的运动方程式2-1总负载转矩空载转矩生产机械的转矩总负载转矩，考虑的量电动机上有两个量电磁转矩T负载转矩Tz驱动性质制动性质若T≠Tz，n≠c，产生角加速度2-1---------------------------------(1)J：单轴系统的转动惯量，它用来衡量惯性作用的一个物理参数包括电动机本身的转动惯量及生产机械的转动惯量2-1工程中，用飞轮矩GD2来表征转动体的惯性作用，它与转动惯量之间的关系-------------(2)GD2----电动机与负载之和，在产品目录中查得------------------------------------(3)2-1把(2)、(3)代入(1)-------------------(4)电力拖动系统的基本方程式，表征了电力拖动系统运动的普遍规律，是研究电力拖动系统各种运动状态的理论基础。方程注意：A.式中飞轮矩GD2是一个完整的符号，表征整个旋转系统惯性的一个物理量，不能理解为G与D2的积。B.转矩单位为Nm；转速用r/min；飞轮矩GD2单位为Nm2。若产品目录中查得的飞轮矩以kgm2为单位，则必须乘以9.82-1C.转矩T和Tz具有方向性，正负号取法如下：电动状态：规定某一电动状态时n的方向为系统的旋转正方向转矩T的实际方向与n相同时，T为正号；相反则为负号；转矩Tz的实际方向与n相反时，Tz为正号；Tz相反则为负号。2-12-2生产机械的负载转矩特性单轴或多轴系统，运动方程式电动机的机械特性生产机械的负载转矩特性一、恒转矩负载特性若n发生变化，Tz的大小保持不变（Tz=c)，称为恒转矩负载特性D1反抗性恒转矩负载大小与速度无关，方向始终于转向相反n为正，Tz为正，一象限n为负，Tz为负，三象限2位能性恒转矩负载某些生产机械工作机构中具有位能部件（如起重机重物），Tz具有固定的方向（与n无关)电动机状态，n向上为正，Tz始终为正（与n方向相反）实际情况下：同一重物G下放时折算到电动机轴上的Tz比提升时小理想情况下：相同2-2二、恒功率负载特性2-2三、通风机负载特性鼓风机、水泵及油泵一般负载：两种或几种典型特性的组合2-2具有这种关系的负载特性，称为通负机型负载转矩特性还有其他类型的负载特性2-3他励直流电动机的机械特性一、直流电动机机械特性的一般形式n=f(T)有关与RUTfn,,的关系不相同与不同afiTI,机械特性不相同二、他励直流电动机的固有机械特性是不变的且忽略电枢反应只要cIcTf,TfnRIIUUfNfNN0)(,且理想空载转速固有机械特性的斜率nT0nNTNnNn下降不多的“硬”特性，负载变化时转速变化很小与负载转矩特性的配合，决定电力拖动系统的稳定运行和过渡过程。2-3分析与设计时，必须有电动机的机械特性可实测求得也可根据额定数据计算得到理想空载点（n=n0,T=0)额定工作点（n=nN,TN)由铭牌数据估算额定工作点时，不变损耗=可变损耗2-32-31.电枢回路串电阻时的人为机械特性人为机械特性关系即电枢回路串电阻得到在电枢回路中串入电阻不变及保持TfnRIIUUfNfNN,,)(,固有的机械特性人为机械特性三、特点：理想n0跟固有机械特性相同下降更多在同一负载转矩下特性变软nN,,,nT0nNTNnNn1n2n1R2R12RR2-32-32.改变端电压时的人为机械特性为机械特性关系即改变端电压的人得到改变电动机的不变且保持TfnURIIfNfN,,0)(2-3nT0nNTNnNn1n2n1U2U21UUUN固有机械特性人为机械特性特点：n0’比固有机械特性低，且电压越低，n0’越低。是一组相互平行的直线斜率相同不同,,U2-3３.减弱电动机主磁通的人为机械特性机械特性关系即减弱磁通的人为得到从而使改变电动机的且保持TfnIIIRUUNfNffN,,,0,2-3特点：n0’比固有机械特性高，且磁通越低，n0’越高。特性越软越大越小斜率不相同不同,,,nT0nNTNnNn1n2n1221N固有机械特性人为机械特性2-3nT0nzTAnA他励直流电动机带恒转矩负载四、电力拖动系统的稳定运行条件平衡状态：cIcna,AznntnTT0dd稳定平衡状态：在平衡状态时某种原因离开平衡状态时新的条件扰动消失达到新的平衡状态恢复到原来的平衡状态则原先的状态称为稳态平衡状态稳定平衡状态：平衡状态2-3nT0nzTAnA他励直流电动机带恒转矩负载四、电力拖动系统的稳定运行条件平衡状态：cIcna,AznntnTT0dd2-3稳定平衡状态：在平衡状态时某种原因离开平衡状态时新的条件扰动消失达到新的平衡状态恢复到原来的平衡状态则原先的状态称为稳态平衡状态稳定平衡状态：平衡状态2-3举例1baU变为机械特性由%1zbTTTBAnU此时工作点不变变化瞬间,,,.1处于新的平衡状态不变点到系统减速ntnTTTCTtnzc0dd,,0ddnT0nzTAnC他励直流电动机带恒转矩负载abBAbTDE),(,.2AzznnTTATTEnUDn点加速工作点变为不变恢复点的过程中若2-3结论图示的机械特性与负载转矩特性的配合，系统在原先的状态A点运行，是处于稳态平衡状态nT0nzTAnC他励直流电动机带恒转矩负载abBAbTDE2-3举例2baU变为机械特性由%1zbTTTBAnU此时工作点不变变化瞬间,,,.1结论图示的机械特性与负载转矩特性的配合，电力拖动系统是不能稳定平衡运行的。达不到新的平衡状态越来越快系统加速nTtn0ddzTbTnT0nAnabBADE态不能恢复原来的平衡状加速工作点变为不变恢复点的过程中若zTTEnUDn,.22-3结论图示的机械特性与负载转矩特性的配合，电力拖动系统是不能稳定平衡运行的。zTbTnT0nAnabBADE稳定运行条件原来平衡状态A点外界扰动2-3),,(zAAATTn工作点移动n扰动消失回到原工作特性nnnnABC当QntA,0,点时设离开若回到原来平衡点zACzABTTTTTT,0nTfnzTfnACnTBBCnAnATTzT原来平衡点扰动消失后2-3tnnGDTTTTAzzAAd)d(375)()(20dd3752tnGDTTAzAA2-3tnGDTTzdd3752tnnGDnTnTzdd3752tnnGDnTnTzdd375dddd2nTnTdd,各增量很小结论2-3Qnnt,0tGDnTnTQzenn2375dddd0ddddnTnTz0nnTnTnTnTzzdddd0dddd:稳定平衡运行条件机械特性具有下降特性（他励、并励），带T=c，P=c，通风机等不同性质的负载都稳定运行，其交点就是平衡运行点。2-3ABC若由于电枢反应去磁机械特性上翘运行不稳定主磁极加一个匝数很少的串励绕组实际上为一台积复励电动机机械特性与不计电枢反应的电机相同，铭牌上仍称之为他（并）励电动机大型机称补偿绕组抵消电枢反应的去磁作用，使磁通恒定，下降特性，稳定运行，故常称为稳定绕组。2-4他励直流电动机的起动一、方法（他励直流电动机）刚起动时0,0,0afEnI建立RRURREUIaaaa直接起动：小容量电机允许直接起动NNaaTTIIR)20~10(,20~10,冲击电流很大倍的可达很小0,RUUNaNaRUI影响换向恶化，出现强烈火花甚至环火电枢受到电磁力而损坏绕组引起电网的电压波动，影响同一电网上其他电气设备的正常工作T过大，转矩冲击可能损坏拖动系统的传动机构2-4起动要求限制起动电流，一般要求起动初瞬的Ia，不超过IN的1.5~2.0倍。必须起动时的电磁转矩TTz而且足够大，使系统获得较大的a而顺利起动。)(称为满励磁起动先励磁fNfIIaMICTRUIa或串入2-4NaII0.2~5.1n优点：起动平稳，能量损耗小缺点：系统复杂1.降压起动方法F-DKZ-DaeaaaRnCUREUIUNaMNaaTICTIRUI0.2~5.10.2~5.1且nNaII0.2~5.12-42.电枢回路串电阻起动分级起动abcdefgh全部切除第三级起动321RRR33211RURRRRUINaN顺利起动NMTICT)0.2~5.1(11NII0.2~5.11nNII2.1~1.12)(TIa)(11TI)(22TInNII0.2~5.11NII2.1~1.12)(TIa)(11TI)(22TI3R3R1R1R2R2R第二级起动2211REURRREUIcNacN21RR第一级起动111REURREUIeNaeN1R2-4设计电阻保证切换时每一级的Imax为I1(T1),而切换电流均为I2(T2),使电机有较大而且较均匀的a，又不会因起动电流过大而造成危害。分段数m，I1及切换电流I2是根据生产过程与起动要求来选定的。NNTTII0.2~5.10.2~5.111NNTTII2.1~1.12.1~1.1222-4多但起动快且加速均匀大平均转矩脉动小且差距小与大mTIII,,,122控制方便小但起动慢且加速不均匀小平均转矩脉动大且差距大与小,,,,122mTIIInn)(TIa2-5他励直流电动机的制动最简单的办法：断开电枢电源，在总负载转矩下，转速渐停至停机，称为“自由停车”缺点：时间长（尤其是空载时）某些场合要求：快速停车（或降速)，或位能性负载以稳定的速度下放，这就要求在电机的轴上加一个与转向相反的制动转矩D1.最简单的办法：用机械动作刹车，依靠摩擦力2.抱闸制动，采用电磁制动器3.最好的办法：电气制动，依靠电动机本身产生一个与转向相反的电磁转矩2-5制动状态的运行特点轴上的机械能电能（消耗在电机内部或反馈电网）12T与n方向相反D制动状态时电磁参数之间的关系快速停车（降速):的方向改变方向与电动状态时相同aIn,2-5D的方向改变的方向改变TIICTaaM,cIcf位能性负载稳速下放:D的方向与电动时相同方向与电动状态时相反aIn,2-5D具体实现的方法：能耗制动反接制动回馈制动讨论前提：各制动方式的物理过程与运行特性，仍采用原电动机状态的正方向规定基本方程式与机械特性表达式，各物理量的大小及正负，根据实际情况而定例：位能性负载匀速下放0TPM0n电能机械能2-5一、能耗制动1.原理及方法励磁不变，把电动机的电枢脱离电网，而经过一个电阻Rz闭合运行：制动瞬间，n不变，Ia0，T0，系统在Tz与T共同制动下减速，直至停车制动过程中，实际上成为一台他励直流发电机，把机械能转化为电能，消耗在电枢回