第2章直流电机的电力拖动.

出版社理工分社电机及拖动基础1第2章直流电机的电力拖动用各种原动机带动生产机械的工作机构运转以完成一定的生产任务称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力拖动电力拖动系统一般由电动机，生产机械的工作机构，传动机构，控制设备及电源5部电动机作为整个系统的动力，拖动生产机械的工作机构传动机构用以变速或变换运动方式控制设备用以控制电动机的运动控制设备和电动机均需有电源出版社理工分社电机及拖动基础22.3负载的机械特性2.1电力拖动系统的运动方程式2.4他励直流电动机的机械特性目录2.2工作机构的转矩，飞轮矩和质量的折算2.5他励直流电动机的启动2.6他励直流发电机的过渡过程2.7他励直流电动机的调速2.8他励直流电动机的制动出版社理工分社电机及拖动基础3电力拖动系统工作时，有些部件是做直线运动的，例如：直线电动机，起重机的吊钩，电梯的轿厢；有些部件是做旋转运动的，例如：旋转电动机，齿轮机构及各种作旋转运动的工作机构。因此，运动方程式有两种不同形式：（1）直线运动方程式1.1直流电机的工作原理2.1电力拖动系统的运动方程式F:作用在直线运动部件上的拖动力FL:作用在直线运动部件上的阻力出版社理工分社电机及拖动基础4电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。（2）旋转运动方程式MemTnLTU根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：emLdΩTTJdt其中为系统的惯性转矩。dtdΩJ出版社理工分社电机及拖动基础5T:电磁转矩，单位为N.M；TL:负载转矩；J:转动部分的转动惯量：转动部分的机械角速度；出版社理工分社电机及拖动基础6运动方程的实用形式：2375emLGDdnTTdt系统旋转运动的三种状态：1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。LemTT0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。LemTT0dtdn常把或称为动负载转矩,把称为静负载转矩.dtdnGD2375)T(TLemLT出版社理工分社电机及拖动基础7首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。emTn（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。LTnemTLT(3)惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。dtdnGD2375出版社理工分社电机及拖动基础82.3负载的机械特性生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n的关系称为负载的机械特性恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。nLT1.反抗性恒转矩负载TLn2.3.1恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特点是大小恒定不变，方向与运动方向相反；总在第一或第三象限；机床刀架的平移运动，行车的行车机构等都为反抗性恒转矩负载nLT出版社理工分社电机及拖动基础92.位能性恒转矩负载负载转矩大小恒定，而且方向不变，不随转速方向改变而改变，即n0时，TL0，负载转矩为制动转矩；n0时，TL0，负载转矩为拖动转矩；这种负载称为位能性恒转矩负载，总在第一象限或第四象限起重机类机械提升和下放重物时产生的负载转矩是典型的位能性恒转矩负载TLn出版社理工分社电机及拖动基础102.3.2、泵与风机类机械特性负载的转矩基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。工业上常用的风机，水泵，油泵都属于泵类负载LTnTLn理想的通风机特性实际通风机特性TL0出版社理工分社电机及拖动基础112.3.3恒功率负载特性恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即与成反比，特性曲线为一条双曲线。金属切削机床是典型的恒功率负载TLn出版社理工分社电机及拖动基础122.4他励直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系n=f(T).它是机械性能的主要表现2.4.1机械特性方程式(1)转速特性方程：(2)机械特性方程：Rsa:电枢回路串接的附加电阻n0:理想空载转速：机械特性的斜率出版社理工分社电机及拖动基础13图2.8他励直流电动机的机械特性(1)no是理想空载转速,只有T=0时的转速no称为理想空载转速，是机械特性与纵坐标交点处的转速。(2)是机械特性的斜率，向下倾斜的程度和成正比。通常称大的为软特性。小的为硬特性出版社理工分社电机及拖动基础142.4.2固有机械特性电源U=UN，气隙每极磁通=N，电枢回路不串附加电阻即RSa=0时的机械特性称为固有机械特性。因为Ra一般很小，所以N较小，所以他励直流电动机的固有机械特性为硬特性，负载变化时，电动机的转速变化不大出版社理工分社电机及拖动基础152.4.3人为机械特性使用直流电动机时，其固有特性往往不能满足要求，这时可改变电源电压U，每极磁通和电枢回路串接的附加电阻Rsa三个量中的某个量，从而改变电动机的机械特性，这样得到的机械特性称为人为机械特性。(1)电枢回路串接电阻时的人为U=UN,=N,电枢回路串接电阻）串接的附加电阻Rsa越大，则越大，机械特性越软，转速变化越大电枢回路串接电阻时的人为机械特性emNTeSaNeNTΦCCRRΦCUn2特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。0nββ出版社理工分社电机及拖动基础16(2)降低电压时的人为机械特性=N（If=IfN),Rsa=0，降低电压U可得降低电压时的人为机械特性，特性方程为不同电压时的人为机械特性为一组平行于固有机械特性的平行线。电压一般不允许超过额定值，因此只能降低电压。2aemeNeTNRUnTCΦCCΦ特点：1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUUβ出版社理工分社电机及拖动基础17(3)减弱每极磁通的人为机特性U=UN,Rsa=0，减小每极磁通时可得减弱每极磁通时的人为机械特性，特性方程为01n1Φ1kT2Φ02n2kTNΦn0nemTkTNΦΦΦ12特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0nβ2aNemeeTRUnTCΦCCΦ对于一般电机，此路已经饱和，所以只能减弱磁通。出版社理工分社电机及拖动基础182.4.4机械特性的绘制一、固有特性的求取)nn,(Tem00)nn,T(TNNem已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。NNN,Nn,IU,P具体步骤：(1)估算:Ra2NNNNaIPIU)21~31(R(2)计算:ΦCΦCNTNe和NNNNenIUΦCaRNeNTΦCΦC9.55(3)计算理想空载点：NeNemΦCUn,T00(4)计算额定工作点：NNNTNnn,IΦCTem出版社理工分社电机及拖动基础19二、人为特性的求取在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。em0βTnnSRUΦ0nβ1)绘制电枢回路串接附加电阻Rsa时2)绘制降低电压时的人为机械特性3)出版社理工分社电机及拖动基础20nAemTLTAn0在点，系统平衡ALemTTAn扰动使转速有微小增量，转速由上升到，。AnAnLemTTA扰动消失,系统减速，回到点运行。LemATT,n扰动使转速有微小下降，由下降到。AnA扰动消失,系统加速，回到点运行。An2.4.5电力拖动系统稳定运行的条件前面分别分析了负载的机械特性和电动机的机械特性。当将电动机与负载机械构成电力拖动系统时就有一个两者机械特性的配合问题，配合恰当，才处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的出版社理工分社电机及拖动基础21电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：BnnBemTLTBn0Bn在点，系统平衡BLemTT扰动使转速有微小增量，转速由上升到，,系统加速。BnBnLemTTB即使扰动消失,也不能回到点运行。LemBTT,n扰动使转速有微小下降，由下降到,系统减速。BnB即使扰动消失,也不能回到点运行。(1)必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点,即存在LemTT(2)充分条件:在交点处,满足:。或者说,在交点的转速以上存在在交点的转速以下存在dndTdndTLemLemTTLemTT出版社理工分社电机及拖动基础222.5他励直流电动机的启动所谓电动机的起动，是指电动机接通电源后，转速由零上升到稳定转速的过程。对直流电动机起动的要求是，要在保证起动转矩足够大的前提下，Tst=(1.1-1.2)TL;尽量减小起动电流，Ist=(2.0-2.5)IN,同时启动设备与控制装置简单，可靠，经济，操作方便。他励直流电动机启动的方法有三种：（1）直接启动（2）电枢回路串电阻启动（3）降压启动出版社理工分社电机及拖动基础232.5.1直接起动先加足励磁，再将额定电压直接加至电枢两端进行启动，称为直接启动。启动瞬间，转速n=0时，电动势Ea=0stTstNstaTCΦIUIR原理：起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。出版社理工分社电机及拖动基础242.5.2电枢回路串电阻起动——起动时在电枢回路串入起动电阻Rst原理：在电枢回路中串入电阻，可减小起动电流，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，随着转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩，加速电动机的起动过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。适用场合：由于能量损耗大，经济性差，常用于容量不大，对启动调速性能要求不太高的场合。staaNstRREUI出版社理工分社电机及拖动基础25图2.18电枢串电阻三级启动电路图出版社理工分社电机及拖动基础26上一页下一页返回2.5.3降压启动原理：启动时，先加足励磁，再给电枢回路施加低电压，使得Ist=U/Ra=2IN,随着转速的上升，电动势的不断增大，相应的不断升高电枢端电压，使得启动电流和启动转矩基本不变。启动快而平稳。•降压起动的优点是既限制了起动电流，起动过程又平稳、能量损耗小。缺点是必须有单独的可调压直流电源、起动设备复杂、初期投资大•适用场合：多用于要求经常起动的场合和大中型电动机的起动，实际使用的直流伺服系统多采用这种起动方法。。出版社理工分社电机及拖动基础272.7他励直流电动机的调速电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为aaseUI(RR)nCΦ电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。大量生产机械例如各种金属切削机床、轧钢机、电动车、电梯、纺织机械等，它们的工作机构的转速要求能够用人为的方法进行调节，以满足生产工艺过程的需要。出版社理工分社电机及拖动基础282.7.1调速的技术指标和经济指标（1）调速的技术指标1、调速范围:minmaxnnD2、静差率（相对稳定性）δ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。%nΔn%nnn%δNN100100000指负载变化时，转速变化的程度，转