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第一节他励直流电动机的机械特性一、机械特性的方程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:)(emTfnememTeeTnTCCRCUn02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二、固有机械特性和人为机械特性1、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性:aNNRRUU,,emNTeaNeNTCCRCUn22、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。(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,SRemNTeSaNeNTCCRRCUn2SaRR0nnaRemT特点:1)不变,变大;2)越大,特性越软。0n(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,UemNTeaNeTCCRCUn21UNUU101n0nnNUemT特点:1)随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。0nUU(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,SfRemTeaeNTCCRCUn201n11kT202n2kTNn0nemTkTN12特点:1)弱磁,增大;2)弱磁,增大0n三.机械特性的绘制根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。从电动机铭牌获得的数据一般是PN、UN、IN和nN(一)固有机械特性的绘制估算电枢绕组电阻Ra求取CeFN求取CTFN得固有机械特性方程式n=f(T)任意给出两点如T=0(空载点)和T=TN通过这两点得连线即为固有机械特性(二)人为机械特性的绘制各种人为机械特性的计算较为简单,把相应的参数值代入对应的人为机械特性方程式即可。四.电力拖动系统稳定运行的条件我们的任务是什么?分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题1.稳态时电动机电流由负载大小决定(1)转矩平衡当他励电动机机械特性n=f(T)为3,恒转矩负载特性n=f(TZ)为1因转矩T与TZ方向相反、大小相等而相互平衡时,转速为某一稳定值,拖动系统处于稳态(2)稳态运行两个特性的交点A,转速都是nA,电磁转矩等于负载转矩(=TZ1)交点A表明电力拖动系统的某一稳态运行点(3)负载发生变化如负载增大,负载转矩特性由1变为2。转速开始时仍为nA,电磁转矩T还是由A点决定,因为T=TZ1TZ2所以dn/dt0,系统进入动态减速过程1,2—两种不同负载的n=f(TZ)3-n=f(T)(4)动态减速过程随着n的下降,Ea(=Cen)不断下降,电枢电流Ia(=(U-Ea)/Ra)则不断提高,所以T=CTIa增加(5)新的稳态工作点:一直过渡到特性3与2的交点B点,T=TB=TZ2减速过程结束,系统又转化为稳态(6)结论:稳态下电动机发出转矩的大小是由负载转矩的数值所决定的2.电力拖动的稳态运行问题(1)稳态运行的必要条件电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有交点(2)稳态运行的充分条件如果电力拖动系统原在交点处稳定运行,由于出现某种干扰作用使原来转矩T与TZ的平衡变成不平衡,电动机转速便稍有变化,当干扰消除后,拖动系统有能力使转速恢复,回到干扰作用出现前原来交点处的数值第二节他励直流电动机的起动一.他励直流电动机的起动方法他励直流电动机起动时,必须先保证有磁场(即先通磁电流),而后加电枢电压。电枢电流Ia为:刚起动时,转速n=0,Ea=0,因为电动机的电枢绕组电阻Ra很小,所以直接加额定电压起动,Ia可能突增到额定电流的十多倍1.直接加额定电压起动后果(1)换向情况恶化,产生严重的火花(2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构因此在起动时,必须设法限制电枢电流aaaREUI2.限制起动电流的措施(1)降压起动:适用于电动机的直流电源是可调的(2)电枢电路中串联电阻:当没有可调电源时,可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流在起动过程中并将起动电阻逐步切除3.他励电动机分二级起动时的电路图他励电动机二级起动电路图(图9-10)分级起动时,可将每一级的I1(或T1)与I2(或T2)取得大小一致,以使电动机有比较均匀的加速度,这能改善电动机的换向情况,缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击二.他励直流电动机起动电阻的计算1.关于起动电阻计算的分析设最大电流为I1,切换电流I2,由于切除电阻进行很快,可忽略电感的影响。设I1/I2=(或T1/T2=),称为起动电流比m级起动时,总电阻分别为:则有:推广到m级起动一般情况:当知道最大起动总电阻时可确定起动电流比:若给出起动电流比时,可求得起动级数2.分析法计算起动电阻的步骤1)算出电机电枢电阻Ra2)根据电机容量和工艺要求(1)直接计算根据选择的起动级数m和最大起动电流I1,计算最大起动电阻和计算起动电流比(2)间接计算选择最大电流:切换电流:初定:再对m'取整,由步骤(1)确定起动电流倍数3)求出各级起动时总的电枢回路电阻Rm......R14)求出各级电阻RW1,RW2......三.他励直流电动机起动的过渡过程1)什么叫电力拖动过渡过程指电力拖动系统,由一个稳态工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程例如起动、制动、反转、调速、负载突变等过程2)负载图过渡过程中,n、T、Ia及P均为时间的函数,其变化规律称为电力拖动运行的负载图负载图是正确选择与校验电动机功率的依据3)研究过渡过程的意义研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程的时间,从而提高生产率,探讨减小过渡过程损耗的途径,提高电动机的利用率还可以研究如何改善电力拖动的运行情况,使设备能安全进行4)电力拖动系统中存在的惯性电力拖动系统中一般存在以下三种惯性:(1)机械惯性:体现在飞轮矩GD2上,它使转速n不能突变(2)电磁惯性:体现在电枢回路电感La及励磁回路电感Lf上,使电枢电流和励磁电流不能突变(3)热惯性:使温度不能突变5)我们将要研究的电力拖动过渡过程(1)机械过渡过程(2)电气---机械过渡过程(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(1)直流电动机起动原理图直流电动机起动原理图(图9-11)(2)直流电动机的几个基本公式(8-19)(8-20)(8-21)IZ--负载转矩对应的负载电流,保持稳定转速运行时的电枢电流(3)电力拖动系统的机电时间常数(8-22)TtM称为电力拖动系统的机电时间常数(4)反映过渡过程中电枢电流的微分方程(8-23)如何解上述微分方程?可使用三要素法:初始值:Xi稳态值:Xf时间常数:T(6)电枢电流、转速过渡过程解(8-25)(8-26)启动时电枢电流过渡过程(图9-12)启动时转速上升过渡过程(图9-13)(7)结论请看下表:可以看出:理论上,只有当时间n趋于无穷时,转速才能达到稳态值,但实际上,由于当t=(3~4)TtM时,系统转速已达到稳定运行转速nz的95%~98%所以,一般可认为经过3~4个时间常数,转速便达到稳定值,过渡过程结束时间t转速nTtM63.2%nZ2TtM86.4%nZ3TtM95.0%nZ4TtM98.2%nZ无穷大nZ2.电枢串多级电阻起动的过渡过程以直流电动机串两级电阻起动为例进行分析1)电枢串多级电阻起动的电路电枢串多级电阻起动的电路(图8-10)2)起动的过程起动过程中转速与电流的变化(图9-14)第三节他励直流电动机的制动1.直流电动机的两种运转状态(1)电动运转状态电动机转矩T的方向与旋转方向相同,电网向电动机输入电能(2)制动运转状态转矩T与转速n的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能2.电气制动方法1)能耗制动2)反接制动3)回馈制动(或称再生制动).应用上述三种电气制动方法,使电动机生产一个负的转矩(即制动转矩),以增加减速度,使系统较快地停下。也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度一.能耗制动1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点他励电动机能耗制动电路原理(图9-18)能耗制动时的机械特性为:ememNTeBaTTCCRRn02BaRRCBn0naRA0LTemT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2.能耗制动机械特性方程式制动电阻Rz愈小,则机械特性愈平,T1绝对值愈大,制动愈快(8-47)能耗制动过渡过程(图9-19)3.制动电阻选择按最大制动电流不超过2IN来选择RZ,可近似为(8-48)4.能耗制动的用途除利用制动实现降速外,电动机带动位能负载时,可利用能耗制动实现等速下放能耗制动实现稳速下放(图9-20)耗制动时的过渡过程曲线起始电流Ia,起始转速n1,稳态电流Iz,稳态转速nz能耗制动过渡过程(图9-19)必须指出,在一定转速下进行能耗制动时电枢必须串联电阻Rz,否则电枢电流将过大,在高速时甚至接近短路电流的数值二.反接制动转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放电枢电压反向反接制动一般用于反作用负载刹车(一)转速反向的反接制动1.转速反向反接制动的电路及特点这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来说明反接制动方法(图9-21)位能负载倒拉电动机,转速n逆转矩T的方向旋转,和正常电动状态时相比,E的方向变反2.机械特性转速反向的反接制动特性方程式为与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式上是相同的(8-52)反接制动机械特性(图9-22)倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。BaRRCBn0naRA0LTemTBTDKT电枢回路串入较大电阻后特性曲线BR正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点3.制动过程中的功率平衡问题对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以Ia,得(8-53)表示由电网输入的功率和输入的机械功率之和消耗在电枢的电阻Ra+RW上(二)电枢反接的反接制动1.反接制动电路及特点为了使工作机械迅速停车或反向,突然断开触点K,并接通触点F,把电枢电源反接,电枢电路中要串入电阻RW电枢反接的反接制动(图9-23)电枢反接制动电路的特点:U为负一、电压反接制动机械特性为:ememNTeBaNeNTnTCCRRCUn02曲线如图中所示。BCBaRRCBn0naRA0LTemTLT0nD工作点变化为:。CBA制动过程中,、、均为负,而、为正。UaIemTnaE01aUIP022WWemTTP0aaemIEP,表明电机从电源吸收电功率;,表明电机从轴上吸收机械功率;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。2.机械特性机械特性的方程式为(8-56)制动过程中n为正,在第二象限机械特性曲线第二象限的一段BC,即为反接制动特性如果反接制动时最大电流不超过2IN,则应使这时机械特性特性比能耗制动陡得多,在整个降速范围制动转矩始终存在并保持为一较大值,因此比能耗制动作用更强烈,制动更快3.制动过程中的功率平衡问题功率平衡问题同转速反向反接制动类似三、回馈制动回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机,在某种条件下会出现情况,此时,反向,反向,由驱动变为制动。从能量方向看,电机处于发电状态——回馈制动状态。0nnUEaaIemT稳定运行有两种情况:Bn0nA0LTemTLT0n当电车下坡时,运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限三.回馈制动回馈制动特点:转速高于理想空载转速,转速高于理想空载转速,EaU(一)位能负载拖动电动机1.回馈制动状态当EaU时,电流由电枢向电源之正端流出,具有向
本文标题:他励直流电动机的机械特性
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