03-1直流电动机的起动、调速和制动

第3章直流电动机的起动、调速和制动3.1第3章直流电动机的起动、调速和制动第3章直流电动机的起动、调速和制动3.2本章内容•直流电动机的起动•直流电动机的调速•直流他励电动机的各种工作状态分析•本章小结•习题与思考题第3章直流电动机的起动、调速和制动3.33.1直流电动机的起动一、对直流电动机起动性能的基本要求aaaUEIr(3.1)把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程为起动过程。电动机起动时，必须先保证有磁场(即先通励磁电流)，而后加电枢电压。由于直流电动机带动生产机械起动，因此生产机械根据生产工艺的特点，对起动过程会有不同的要求。例如，对于无轨电车的直流电动机拖动系统，起动时要求平稳慢速起动，因为起动过快会使乘客感到不舒适。而对于一般的生产机械则要求有足够的起动转矩，这样可以缩短起动时间，从而提高生产效率。最简单的起动方法是全压起动。但必须指出，除了容量很小的电动机外，直流电动机是不允许全压起动的。因为当忽略电枢电感时，电枢电流为电动机在刚起动时，转速n=0，反电动势Ea=0，电动机的电枢绕组电阻很小，如直接加额定电压起动，电枢电流会很大，可能突增到额定电流的4～7倍。这种情况下电动机的换向情况恶化，在换向器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及拖动系统是第3章直流电动机的起动、调速和制动3.43.1直流电动机的起动有害的。因此在起动时，必须设法限制电枢电流。为了限制起动电流，一般采取两种方法：一种方法是在电枢电路内串入适当的外加电阻，来限制起动瞬时的过大的起动电流，待电动机转速逐渐升高，反电动势增大，电枢电流相对减小后再逐级切除外加电阻，直到电动机达到要求的转速。这种电阻专为限制起动电流用，又称为起动电阻。对这种起动方法的基本要求是：从技术上，起动电阻的计算应当满足起动过程的要求，主要是要保证必需的起动转矩。一般希望平均起动转矩大些，这样可以缩短起动时间。但起动转矩也不能过大，因为电动机允许的最大电流，通常都是由电动机的无火花条件和生产机械的允许强度所限制，一般直流电动机的最大起动电流按规定不得超过额定电流的1.8~2.5倍。从经济上要求起动设备简单、经济和可靠。为满足这样的要求，希望起动电阻的级数越少越好，但起动电阻过少会使起动过程的快速程度和平滑性变差。因此为了保证在不超过最大允许电流的条件下尽可能满足平滑性和快速起动的要求，各级起动电阻都要对应相同的最大电流和切换电流，这在下面的起动过程介绍中会提到。另一种方法是降低电枢电压的降压起动。这种起动方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小，使外加电源电压很低，这样可防止产生过大的第3章直流电动机的起动、调速和制动3.53.1直流电动机的起动二、直流他励电动机的串电阻起动起动电流。待电动机转速升高后，反电动势增大，电流降低，这时再逐渐增加电枢两端的外加电压，直到电动机达到要求的转速。若采用手工调节电压U时，U不能升得太快，否则电流还会发生较大的冲击。为了保证限制电枢电流，手工调节必须小心地进行。在自动化的系统中，电压的调节及电流的限制靠一些环节自动实现，较为方便。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的。当没有可调电源时，为了使起动过程平稳，则宜采用上面介绍的串电阻起动方法。上述两种起动方法都需要一套起动设备，这主要是因为直流电动机起动时，必须合理地控制起动电流，使它满足不同的生产机械对起动过程的要求。在生产实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。下面以直流他励电动机电枢回路串联电阻二级起动为例说明起动过程。第3章直流电动机的起动、调速和制动3.63.1直流电动机的起动1.起动过程分析K1K2RRa1aK1K2RrRR1a1aK1K2UUIRrRR(3.2)(a)电路图(b)特性图图3.1直流他励电动机分二级起动的电路和特性与起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图3.1(b)中的曲线1所示。如图3.1(a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。触点KM1、KM2均断开，电枢串入了全部附加电阻，电枢回路总电阻为。这时起动电流为第3章直流电动机的起动、调速和制动3.73.1直流电动机的起动LddTTJt(3.3)ddJtK1RK1Ra2aK2RrRK1Ra2RK1RbnK1RK1R根据电力拖动系统的基本运动方程式式中T——电动机的电磁转矩；TL——由负载作用所产生的阻转矩；——电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。由于起动转矩T1大于负载转矩TL，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。在图3.1(b)上，由a点沿曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻。b点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。切除后，电枢回路总电阻为。这时电动机对应于由电阻所确定的人为机械特性，见图3.1(b)中曲线2。在切除起动电阻的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。适当地选择所切除的电阻值，使切除后的电枢电流刚好等于I1，所对应的转矩为T1，即在曲线2上的c点。又有T1T2，电动机在加速转矩作用下，由c点沿第3章直流电动机的起动、调速和制动3.83.1直流电动机的起动K2RLgTTnn，2.起动电阻的计算在图3.1(b)中，对a点，有即1a1UIR(3.4)a11URI(3.5)a1aK1K2RrRRa2aK2RrRK1RbcnnbcEE曲线2上升到d点。控制点KM2闭合，又切除一切起动电阻。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固有机械特性上。电枢电流又由I2突增到I1，相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1TL，沿固有特性加速到g点，电动机稳定运行，起动过程结束。在分级起动过程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T1)及切换电流I2(或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。当从曲线1(对应于电枢电路总电阻)转换得到曲线2(对应于总电阻)时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻进行很快，如忽略电感的影响，可假定，即电动势，这样在点有第3章直流电动机的起动、调速和制动3.93.1直流电动机的起动2a1bUEIR(3.6)1a2cUEIR(3.7)bcEEa112a2RIIR(3.8)a212aRIIr(3.9)a1a212a2aRRIIRr(3.10)a(1)a1a2a12a2a3aammmRRRRIIRRRr(3.11)式中为最大起动电流I1与切换电流I2之比，称为起动电流比(或起动转矩比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。在c点两式相除，考虑到，得同样，当从d点转换到e点时，得这样，如图3.1所示的二级起动时，得推广到m级起动的一般情况，得第3章直流电动机的起动、调速和制动3.103.1直流电动机的起动由式(3.11)可以推出式中m为起动级数。由上式得如给定，求m，可将式(3.12)取对数得由式(3.11)可得每级电枢回路总电阻a1amRr(3.12)a1amRr(3.13)a1alnlnRrm(3.14)a1a2a2a3a(1)aaammmRRRRRRRr(3.15)第3章直流电动机的起动、调速和制动3.113.1直流电动机的起动各级起动电阻为K1a1a2K2a2a3K3a3a4K(1)a(1)aKaammmmmRRRRRRRRRRRRRRr(3.16)式(3.13)、式(3.15)、式(3.16)为计算起动电阻的依据。起动最大电流I1及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般及电动机相应的转矩1N2N(1.5~2)(1.1~1.2)IIII(3.17)1N2N(1.5~2)(1.1~1.2)TTTT(3.18)第3章直流电动机的起动、调速和制动3.123.1直流电动机的起动ara1Rara1Ra1R那么值可由I1、I2按式(3.11)求出，从而可按式(3.15)求出各级起动电枢回路总电阻值。综上所述，用解析法计算分级起动电阻，可能有下列两种情况：(1)起动级数m未定，此时可先按电动机的铭牌数据，求出电动机的电枢电阻；再根据式(3.17)、(3.18)初步选定I1(或T1)及I2(或T2)，即初选了值。用式(3.14)求出起动级数m，其中的可由式(3.5)求得。如求得的m为小数值，则将其加大到相近的整数值，然后将m的整数值代入式(3.13)，求出新的值。将新的值代入式(3.15)或式(3.16)，就可算出起动各级电枢电路总电阻或各级起动电阻。(2)起动级数m已定，此时比较简单，但仍需先按电动机的铭牌数据，求出电动机的电枢电阻。根据式(3.17)初步选定I1(或T1)的数值，再代入到式(3.5)算出。将m及的数值代入式(3.13)，算出值。同样，利用式(3.15)或式(3.16)，就可算出起动各级电枢电路总电阻或各级起动电阻。第3章直流电动机的起动、调速和制动3.133.2直流电动机的调速为了使产生机械以最合理的高速进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，大量的生产机械(如各种机床，轧钢机、造纸机、纺织机械等)要求在不同的情况下以不同的速度工作。这就需求采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。调速是速度调节的简称，是指在某一不变的负载条件下，人为地改变电路的参数，而得到不同的速度。调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。调速是主动的，它需要人为的改变电气参数，因而转换机械特性。负载变化时的转速变化则不是自动进行的，是被动的，且这时电气参数未变。调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法。在用机械方法调速的设备上，速度的调节是用改变传动机构的速度比来实现，但机械变速机构较复杂。用电气方法调速，电动机在一定负载情况下可获得多种转速，电动机可与工作机构同轴，或其间只用一套变速机构，机械上较简单，但电气上可能较复杂；在机械电气配合的调速设备上，用电动机获得几种转速，配合用几套(一般用3套左右)机械变速机构来调速。究竟用何种方案，以及机械电气如何配合，要全面考虑，有时要进行各种方案的技术经济比较，才能决定。本节只讨论直流他励电动机的调速方法及其优缺点。第3章直流电动机的起动、调速和制动3.143.2直流电动机的调速一、调速指标maxnminnmaxminnDn(3.19)在选择和评价某种调速系统时，应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等。1.技术指标1)调速范围调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速与最小转速之比，即近代机械设备制造的趋势是力图简化机械结构，减少齿轮变速机构，从而要求拖动系统能具有较大的调速范围。不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D=20～120，龙门刨床D=10～40，机床的进给机构D=5～200，轧钢机D=3～120，造纸机D=3～20等。电力拖动系统的调速范围，一般是机械调速和电气调速配合起来实现的。那么，系统的调速范围就应该是机械调速范围与电气调速范围的乘积。在这里，主要研究电气调速范围。在决定调速范围时，需要使用计算负载转矩下的最高和最低转速，但一般计算负载转矩大致等于额定转矩，所以可取额定转矩下的最高和最低速度的比值作为调速范围。第3章直流电动机的起动、调速和制动3.153.2直流电