电机拖动课件 第3章 直流电机的电力拖动

第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.2他励直流电动机的起动本章主要介绍直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。3.3他励直流电动机的制动3.4他励直流电动机的调速3.5串励直流电动机的电力拖动第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.1机械特性的表达式直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：)(emTfnememTeeTnTCCRCUn02由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：0'n0nNnnemTNT0T0n称为理想空载转速。实际空载转速020TCCRCUnTee第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：aNNRRUU,,emNTeaNeNTCCRCUn2二、人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。UaR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。第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.2固有机械特性和人为机械特性1、电枢串电阻时的人为特性保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性NNUU,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR0nnaRemT特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。0n第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.2固有机械特性和人为机械特性2、降低电枢电压时的人为特性保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：NaRR,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU101n0nnNUemT特点：1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUU第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.2固有机械特性和人为机械特性3、减弱励磁磁通时的人为特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：NaUURR,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkT21N特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0n第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.3机械特性求取一、固有特性的求取),0(0nnTem),(NNemnnTT已知，求两点:1）理想空载点和额定运行。NNNNnIUP,,,具体步骤：（1）估算:aR2)32~21(NNNNaIPIUR（2）计算:NTNeCC和NNNeNNUIRCnNeNTCC55.9（3）计算理想空载点：NeNemCUnT0,0（4）计算额定工作点：NNNTNnnICT,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。emTnn0SRU0n第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.4电力拖动系统稳定运行条件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。nAemTLTAn0An在点，系统平衡ALemTT扰动使转速有微小增量，转速由上升到，，扰动消失，系统减速，回到点运行。AAnAnLemTT扰动使转速由下降到，，扰动消失，系统加速，回到点运行。AAnAnLemTTAn第三章直流电动机的电力拖动3.1他励直流电动机的机械特性3.1.4电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：nBemTLTBn0在点，系统平衡BLemTT1.必要条件:电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在LemTTBn扰动使转速由下降到，系统将一直减速，不可能回到点运行。BBnBnLemTTnBemTLTBn0Bn扰动使转速由上升到，若扰动消失，系统也将一直加速，不能回到点运行。BBnBnLemTTnBemTLTBn03.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。LemTTdndTdndTLemLemTTLemTT第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。aNststTstRUIICT起动瞬间，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。0n起动时由于转速，电枢电动势，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。0aEaR第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动一、起动过程3.2.1电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算3.2.1电枢回路串电阻起动设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()1()1(stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算3.2.1电枢回路串电阻起动（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；aR1T1I（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；m（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：maNRIU1取整数m（5）计算转矩:12TT，校验：LTT)3.1~1.1(2如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤：第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动3.2.2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。第三章直流电动机的电力拖动3.2他励直流电动机的起动3.2.3他励直流电动机起动的过渡过程电力拖动过程中一般存在以下三种惯性：1）机械惯性。2）电磁惯性。3）热惯性。电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程。2）电气-机械过渡过程。第三章直流电动机的电力拖动一、起动的机械过渡过程1.电枢串固定电阻起动的过渡过程原理图见9-11aTzaeaaICdtdnGDTTRInCRIEU3752第三章直流电动机的电力拖动由式子：eaCRIUn得dtdITIdtdICCRGDCTIatMZaTeTZa22375将其改成微分方程的标准形式：其解为：tMTtzatMztMaaKeIITITIdtdI第三章直流电动机的电力拖动此为他励直流电动机过渡过程中电枢电流(转矩)的变化规律,呈指数规律变化。将K代入得：或tMtMtMTtstTtzaTtzstZaeIeIIeIIII)1()((9-25)第三章直流电动机的电力拖动再看转速变化的规律:将式(9-25)带入aeUIRnCIa=Iz时zeUIzRnCIa=Ist时steUIstRnC考虑到得()MtTstzzUIRUIRUIRneCeCeCe即()(1)MMMtttTTTzstzzstnnnnennene或第三章直流电动机的电力拖动可见,过渡过程中转速的变化规律也是一条指数曲线。适用于电力拖动的起动制动反转调速及负载突变等各种过程，使用时只需注意起始值及稳定值的不同特点。以串电阻起动为例，0,(1)MtTststzUnInneR有起动过程中的加速度为0()zMMztMndnteTdtTndndtT特别是t=0处的加速度第三章直流电动机的电力拖动机电时间常数的物理意义：如果电动机速度一直按最大加速度直线上升，达到稳定转速的时间就是机电时间常数。过渡过程的时间:stststlnlnlnzxMxZzxMxZzxMxZIItTIInntTnnTTtTTT第三章直流电动机的电力拖动3.电枢串多级电阻起动的过渡过程见图9-14在第一级第三章直流电动机的电力拖动1111122121)1()1(375)(tMtMzatMzTeatMTteITteIITtennCCRRRGDT3.电枢串多极电阻起动的过渡过程第一级进行的时间1112lnzMZIItTII以后各级与此类同.第三章直流电动机的电力拖动结论:1.不同加速级的机电时间常数是不同的3.不同加速级的起始转速与稳定转速也都不同3.各级起始电流均为I1,终了电流均为I2,稳定电流和转矩不变4.各级起动时间的计算5.总的起动时间为各级起动时间之和第三章直流电动机的电力拖动3.加快起动过程的途径:其一设法减小系统的飞轮力矩以减小机电时间常数,降低系统的惯性.其二设法改善起动过程中电枢电流的波形.二电枢电路电感对起动过程的影响电感不仅使电流与转速上升延迟,而且使起动产生振荡过程.第三章直流电动机的电力拖动3.3他励直流电动机的制动当与的方向相同时，电机运行于电动机状态，当与方向相反时，电机运行于制动状态。emTemTnn3.3.1能耗制动U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关S投向制动电阻上即可。BR由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。aEaEaBIaIemBTemT制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。第三章直流电动机的电力拖动3.3他励直流电动机的制动3.3.1能耗制动能耗制动时的机械特性为：ememNTeBaTTCCRRn02BaRRCBn0naRA0LTemT电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点第三章直流电动机的电力拖动3.3.1能耗制动能耗制动时的机械特性：第三章直流电动机的电力拖动3.3他励直流电动机的制动3.3.1能耗制动但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是NBaaaBIIRREI)5.2~2(max能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放