电机及电力拖动系统(直流部分).

电机及电力拖动基础朱志峰2019/12/21电气信息学院第一章电力拖动系统的动力学基础本章要求：1.电力拖动系统的组成及运动方程式（理解）2.生产机械转矩及飞轮矩的折算方法（了解）3.生产机械特性曲线（理解）4.电力拖动稳定的条件（理解）第一节直流电机的基本工作原理和结构一.直流电机的主要结构主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。定子转子电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承二、直流电动机工作原理把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。二.电力拖动系统组成电机：直流，交流（同步，异步）工作机构：生产设备控制机构：各种控制器（PLC,单片机等）传动机构：减速机第二节电力拖动系统运动方程式二.电力拖动系统的运动方程式1.方程式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。参数:(注意参考方向）dtdJTTLgGDmJ4/2260/2ndtdnGDTTL3752MTnLTU2.分析动态：TTL=dn/dt0，系统加速（动态）TTL=dn/dt0，系统减速（动态）稳态：T=TL=dn/dt=0，恒速或静止（静态）T:电磁转矩m：质量TL:负载转矩G：重量J:转动惯量ρ：半径n:转速（角速度ῼ）D：直径dῼ/dt=ῳ角加速度GD2=4gJ：飞轮矩第三节工作机构的转矩和飞轮矩的折算一.单轴系统与多轴系统单轴系统：电机直接带动负载多轴系统：电机通过减速机带动负载关系：多轴系统可以等效成单轴系统（能量守恒原理）两级传动速比：j1=n/n1，j2=n1/n2两级传动效率：η1，η2转矩折算：'LT飞轮矩折算：LLTT'22212,,GDGDGDGDLd：电机侧折算负载转矩LT：工作机构负载转矩以三轴拖动系统为例：n为电机转速，n1中间级转速，n2为负载侧转速二旋转运动1.转矩折算（能量守恒）a)不考虑传动损耗LLLTP''LLTPLLPP''''1LLLLLLTjnnTTTb)考虑传动损耗cLLCLLjTTPP11''其中：2121,jjjc2.飞轮矩折算（能量守恒）动能：22112221212121LLdJJJJ两边乘以得：2g221221212211LLdjjGDjGDGDGD近似计算：221dGDGD第四节生产机械的典型负载转矩的特性一.恒转矩负载特性（TL大小恒定)1.反抗性恒转矩负载定义：TL的实际方向与转速的实际方向相反参考方向规定:TL的正方向与n的正方向相反=TL0,n0orTL0,n0TLn2.位能性恒转矩负载（TL大小方向恒定）起重机提升：TL的实际方向与转速的实际方向相反且参考方向相反=TL0,n0下降：TL的实际方向与转速的实际方向相同且参考方向相反=TL0,n0TLn二.恒功率负载（某些机床）55.955.9602knTnTTPLLLL常数TLn三.通风机型负载特性2knTL02TknTLTLnTL0理想的通风机特性实际通风机特性第五节电力拖动系统稳定运行的条件一.他励直流电动机的机械特性机械特性：U电枢电压，励磁电流If和电枢电阻Rs为恒定的条件下，电机转速n与电磁转矩T的关系曲线n=f(T)。)(RsRaIaEaUnCeEaIaCtT电枢回路感应电动势电磁转矩TCeCtRsRaCeUn2aNPCe60aNPCt2CeCt55.9与电机参数有关0'n0nNnnTNT0T实际空载转速:020TΦCCRΦCUnTee理想空载转速:ΦCUne0令U=UN,Φ=ΦN,RS=0得固有机械特性曲线：(1)理想空载转速：T=0,n=n0=UN/CeΦNTnTCeCtRaCeUnNNN02(2)额定转速：T=TN,n=nN=n0-△nN1.固有机械特性曲线不改变电机回路的参数(3)固有特性：n=n0-ßt,ß=Ra/(CeCtΦN2)ß大=△nN上升=曲线陡=特性软，反之特性硬由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。(4)空载时，n’0=n0-ßT0(5)转速特性：Φ不变=Ia与T正比（线性关系）得IaCeRannN0机械特性(1)电枢串电阻时的人为机械特性，既串Rsß改变，n0不变TCeCtRsRannN20SaRR0nnaRT特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。0nββ2.人为机械特性曲线改变电机回路的参数:U,If,Rs(2)改变U，ß不变，no与U成正比TCeCtRaCeUnNN21UNUU101n0nnNUemT特点：1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUUβ保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：NaΦΦ,RRTCeCtRaCeUnN2Φ下降-n0上升Φ下降=ß上升特性上移，变软(3)改变励磁电流If特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0nβ保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：NaUU,RRSfR01n1Φ1kT2Φ02n2kTNΦn0nemTkTNΦΦΦ12机械特性求取一、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)~(R3221(2)计算:ΦCΦCNTNe和NNNNNenPIUΦCNeNTΦCΦC9.55(3)计算理想空载点：NeNemΦCUn,T00(4)计算额定工作点：NNNTNnn,IΦCT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Rs或U或Φ变化，重新计算n0和β,然后得到人为机械特性方程式。em0βTnn二.电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行：电力拖动系统在系统的某种干扰作用下，离开了平衡位置，在新的条件下达到新的平衡，并在扰动消失后，还能回到原来的位置。分析负载为恒转矩负载时的情况结论：对恒转矩负载，电机的机械特性曲线斜率向下则稳定，反之不稳定。推广1：在T与TL的交点处（平衡点），转速之上TTL,同时在交点处转速之下TTL，则稳定。推广2：在T=TL处，dT/dndTL/dn第二章直流电动机拖动系统起动：降压起动，电枢回路串电阻分级起动调速：电枢回路串电阻，降压，弱磁制动：能耗制动，反接制动，回馈制动第一节他励直流电动机的起动一·起动要求分析定义：电动机通电后开始旋转且转速不断增加，最终达到稳定状态的过程。要求：起动时间短-加速度大-电磁转矩大-电枢电流大-换向困难，火花大，产生机械撞击。加额定电压后，起动瞬间的起动转矩和起动电流分别为：stTstNstaTCΦIUIR起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流和起动转矩将达很大值。起动时间和起动电流要达到平衡。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。方法1：电枢回路串电阻Ia=(U-E)/(Ra+R)=U/(Ra+R)，改变R使得Ia（1.8～2.5）In方法2：降压起动，U由低到高，使得Ia（1.8～2.5）InIa=(U-E)/Ra=U/Ra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。二·串电阻分级起动1.实现起动过程电气线路MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S2.起动过程I1:电机最大允许电流I2:切换电流,I2大则起动级数多I1I2IL，I2=(1.1~2.2)ILa-b-c-d-e-f-g-h-i33st2st1staRRRRRLLIT2IT21IT1IT0nabn1122aststRRRRbncd211astRRRef3aRNnghfnUN-CeΦnb=I2(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)b点UN-CeΦnc=I1(Ra+Rst1+Rst2)c点nb=nc3.起动电阻计算(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)/(Ra+Rst1+Rst2)=I1/I2=λ(1)同理对d,e点和f,g点,得方程(2):(Ra+Rst1+Rst2)/(Ra+Rst1)=(Ra+Rst1)/(Ra)=I1/I2=λ由（1）（2）得Ra+Rst1+Rst2+Rst3=Raλ3(3)由a点得方程UN-CeΦna=I1(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)其中，na=0即，UN/I1=(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)(4)由（3）和（4）得31aNRIURa+Rst1=Raλ=Rst1=(λ-1)RaRa+Rst1+Rst2=Raλ2=Rst2=λRst1Ra+Rst1+Rst2+Rst3=Raλ3=Rst3=λRst2一般情况：Rst1=(λ-1)Ra，Rst2=λRst1,…,Rstm=λRst(m-1)maNRIU1由方程式（2）得：求解步骤：(1)已知级数m求得：Rst1=(λ-1)Ra，Rst2=λRst1,…,Rstm=λRst(m-1)(2)已知I2，得取整后，由m重新按（1）求解，再验证I2=I1/λIL负载电流maNRIU1lglg121RaIUmIIN三降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。第二节他励直流电动机的调速定义：通过人为改变电动机的机械特性，根据生产需要调节转速一·他励直流电动机的调速方法机械特性曲线分析：改变：电阻Ra+Rs，电压U，磁通Φ=调节nTCeCtRsRaCeUn21·电枢回路串电阻•原理由电机数学方程分析（以速降为例）稳态分析：T不变-Ia不变R上升，U不变,Ia不变-则E下降-n下降LTIaCtTIaRUE未串电阻时的工作点串电阻后,工作点由A→A’→B0aRn0nNnLTTASaRR1nAB由机械特性曲线分析动态分析：电机状态：A-A’-B稳定优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。)(LTTTIEnTIR2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围D一般≦24）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；•调速性能1.损耗大，电阻发热功率损耗2.空载或轻载时，调速范围小3.低速时，特性变软，稳定性差4.为有级调速5.实现简单•改进方法：电枢并电阻，特性硬，稳定性好2.降压调速•原理：由电机数学方程分析稳态分析：LTIaCtTIaRUET不变-Ia不变U下降，R不变,Ia不变-则E下降-n下降动态分析：电机状态：A-A’-B稳定LTIaCtTIaRUE)(LTTTIEnTIUT0nnNUT