直流电动机运行与电力拖动

第3章12020/4/17第3章直流电动机的运行与电力拖动直流电动机的机械特性3.1直流电动机的起动3.2直流电动机的调速3.3直流电动机的制动3.4第3章22020/4/17本章重点1.直流电动机机械特性和起动、制动的过渡过程特性；2.调速性能指标和调速方法。第3章32020/4/173.1.1直流电动机的机械特性1、机械特性的一般表达式0aΩ2eeTR+RUn=-T=-βTCΦCnCΦ3.1直流电动机的机械特性IaURaEaRΩRfIfUfrΩ图3-1他励直流电动机的电路原理图aTICTnCEeaaaaU=E+IR+R（）特点：①他励直流电动机的转速n随转矩T的增大而降低。②β表示机械特性的斜率，β越大，Δn就越大，机械特性越软。指电动机的转速n与电磁转矩T的关系n=f(T)下页上页返回他励直流电动机的机械特性第3章42020/4/17△nNnNn0n0T0TNT图3-2他励直流电动机的机械特性n＝f(T)1、理想空载转速eCUn02、电动机实际空载转速0200TCCRnnTe3、电动机带负载后的转速降02eTRn=n-n=T=βTCCΦ4、当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。下页上页返回第3章52020/4/172、固有机械特性特点：①T=0时，n为理想空载转速n0，这时Ia=0，UN=Ea；②βN通常较小，固有机械特性较硬；③额定转速变化率ΔnN%通常较小，中小型他励直流电动机为10%～15％，大容量电动机为3％～8％；④电动机起动时，n=0，感应电势Ea=CeΦNn=0，这时的电枢电流为起动电流即Ia=UN/Ra=Ist；电磁转矩为起动转矩T=CTΦNIa=Tst=CTΦNIst。U=UN，Φ=ΦN，RΩ=0时的机械特性称为固有机械特性。下页上页返回0%100%100%NNNNNnnnnnn2NNNTaeeRnTCUCC第3章62020/4/173、人为机械特性特点：①理想空载转速n0不变；②特性斜率β增大，人为机械特性的硬度降低；③一簇放射性特性。（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性TCCRRCUnNTeaNeN2}人为固有Ｒ１＜Ｒ２ＲａＲａ＋Ｒ１Ｒａ＋Ｒ２nn00T指改变电机参数，即改变U、变R、变Φ得到机械特性。下页上页返回第3章72020/4/17特点：①斜率不变，与固有机械特性平行；②负载转矩一定时，电压越低，转速越低。（2）改变电枢电压时的人为机械特性nn00T图３－4　他励电动机改变电枢电压的人为机械特性UNU１U２n01n02U2＜U1＜UN2aeNeTNRUn=-CΦCCΦT下页上页返回第3章82020/4/17（3）减弱磁通时的人为机械特性nn00T图３－５　他励电动机减弱磁通时的人为机械特性Φ２Φ１ΦＮn01n02Φ2＜Φ1＜ΦN下页上页返回特点：1）弱磁，增大；2）弱磁，增大0nN2aeeTURn=-TCΦCCΦ第3章92020/4/174、固有机械特性的绘制只要求出理想空载（T=0，n0）及额定运行(TN，nN)两个点的数据即可。NeNCUn0Na0.07)R~(0.03RNNTNICTNeNT9.55CC下页上页返回NNNNaIPIUR2)31~21(NNNIUR1、理想空载点2、额定运行点NNNNnIUP,,,已知NNNNNNaeEUIRCnn第3章102020/4/17NaeNCRT，，计算方法同前5、人为机械特性的绘制绘制人为机械特性时仍然选择以下两点1、理想空载点（T=0，n0）2、额定负载点（TN，n）0eUnCU注意：此时要代入相应的，进行计算注意：此时的转速并非是额定转速aΩN2eeTR+RUn=-TCΦCCΦ第3章112020/4/17■他励直流电动机的起动要求：(1)起动过程中起动转矩Tst足够大；(2)起动电流的起始值Ist不能太大；(3)起动设备与控制装置简单、可靠、经济、操作方便。■直流电动机的起动方法：1.直接起动2.降压起动3.电枢回路串电阻起动3.2直流电动机的起动下页上页返回起动：直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程，是一动态过程。第3章122020/4/171、直接起动（1）起动电流为astRUI（2）直接起动特点：不需要任何起动设备，操作简便，但起动电流太大。（3）适用场合：通常只有功率很小的电动机采用直接起动。例如家用电器采用的某些直流电动机，相对来说Ra较大，Ist较小，再加上电机惯性小，起动快，可以采用直接起动；一般工业用他励直流电动机则不允许直接起动。下页上页返回nn0A1OTTL图3-6直接起动时的机械特性曲线TstnA如直接加额定电压起动，Ia可能突增到额定电流的十多倍第3章132020/4/17nAOTTLT2图3-8降压起动的机械特性Tst调压电源ＵIaＴLＴnEaΦ图3-7降压起动原理图2、降电压起动特点：起动性能好、升速平滑、损耗小，可实现无级调压调速，容易实现自动控制，但起动设备复杂、投资大、运行费用高。适用场合：多用于要求频繁起动的场合和大中型直流电动机的起动。下页上页返回第3章142020/4/17缺点：起动时间tst较长，稳态转速ns低，长期串入电阻不经济。1）串入恒值电阻起动UfNIfNRfEanT电枢串入固定电阻起动的接线图RRa3、电枢回路串电阻起动nT0TLn0电枢串入固定电阻特性曲线nAA下页上页返回第3章152020/4/173、电枢回路串电阻起动下页上页返回a1233RrrrRLLIT22IT11ITITem0nabn1a122RrrR1ncd2a11RrR2nef3aRNngh3n三级起动为例ij起动电流切换电流忽略电枢绕组的电感，电枢电流在切换电阻瞬间突变，而在切换电阻瞬间，由于机械惯性的作用，转速n不变，Ea不变第3章162020/4/17切换电流或切换转矩求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩(T2和TL之差)不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。综合考虑：选I2=（1.1-1.2）IL，则切换转矩T2=（1.1-1.2）TL。电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=3-4，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。下页上页返回第3章182020/4/17（2）解析法：a1233RrrrRLLIT22IT11ITITem0nabn1a122RrrR1ncd2a11RrR2nef3aRNngh3nijb点23-bUEIRc点122--cbUEUEI==RR2321RRII1221RRIIaRRII121aRRRRRRII1122321推广到m级起动的一般情况11212121mmmmaRRIRRIRRRR三级起动时，可得下页上页返回第3章192020/4/1711111222111212211)()1(rrRRrrrRRrrRRRrRRRrmmmmmmmmmmaaa起动电流比(或起动转矩比)()21/II21/TT则可得m级起动时各级总电阻计算公式为12211121aammmammmaRRRRRRRRRRR各分段电阻计算公式a1233RrrrRLLIT22IT11ITITem0nabn1a122RrrR1ncd2a11RrR2nef3aRNngh3nij11212121mmmmaRRIRRIRRRR下页上页返回第3章202020/4/173、电枢回路串电阻起动用解析法计算分级起动电阻的计算步骤：下页上页返回1)起动级数m已确定：a.选择I1(或T1)的数值，I1=（1.5～2）INb.计算Rm的数值，Rm=U1/I1c.计算λ值d.校验切换电流I2的值，I2=I1/λ，I2=（1.1～1.2）IN或I2=（1.2～1.5）ILe.计算各级电阻或各分段电阻。mamRR2)起动级数m未确定：a.选择I1(或T1)的数值，I1=（1.5～2）INb.初定I2(或T2)的数值，c.计算Rm的数值，d.初定起动电流比，e.计算起动级数mf.修正切换电流I2的数值g.算出各级及各分段电阻。lglgamRRm第3章212020/4/17调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。3.2直流电动机的调速调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比来改变电动机转速的方法。特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数来改变电动机转速的方法。特点是：在运行中便可以调速，可实现无级调速，易于实现电气控制自动化，但是电气系统较复杂。3.电气——机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）下页上页返回第3章222020/4/17下页上页返回调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。注意他励直流电动机的转速为esaaCRRIUn)(电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。第3章232020/4/173.3.1调速指标：1.调速的技术指标(1)调速范围minmaxnnD(2)静差率%100%100%000nnnnnNN说明2、生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率δ%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床δ≤30%;起重类机械δ≤50%;；精密机床δ≤1%～５%;精度高的造纸机δ≤0.1%1、静差率δ%与机械特性硬度的区别。下页上页返回nn0AOTTN图3-13降压调速时的情况nmax△nNUN△nNU1n01nminA第3章252020/4/17相互联系、相互依存的；相互制约、相互限制的。1、当调速方法相同时，δ数值越大，调速范围越广。下页上页返回maxminnDn2、D与δ%相互制约：δ越小,D越小,相对稳定性越好;3、在保证一定的δ指标的前提下，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。max0minNnnnmaxNNnnnmax1(1)Nnn第3章262020/4/17(3)平滑性1iinn1时称无级调速，此时调速的平滑性最好。值越接近于1，则平滑性越好。-1|＜0.06时，转速可视为连续可调；当|下页上页返回第3章272020/4/17主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2、调速的经济性下页上页返回3、调速时电动机的容许输出指在电动机允许工作的情况下，在调速过程中所能输出的功率与转矩。1、恒转矩调速方式忽略空载转矩，电动机允许输出的最大转矩是恒定的。2、恒功率调速方式电动机允许输出的最大功率是恒定的第3章282020/4/173.3.2电枢回路串电阻调速保持电源电压U=UN，励磁磁通Φ=ΦN不变，调节电枢回路串入的电阻RΩ即可调节转速。机械特性方程式为TnTCCRRCUnNTeaNeN02nTemTLRan0n1A0BCn2Ra+RΩ1未串电阻时的工作点串电阻RΩ1后,工作点由A→B→C下页上页返回第3章292020/4/17适用范围：适用于容量不大，低速运行时间不长，对于调速性能要求不高的设备，例如用于电车和中小型起重机械等，现在已不多见。电枢回路串电阻调速的特点：1）属于恒转矩调速方式。2）控制设备简单，操作方便。3）低速时，Ra＋RΩ增大，机械特性变软，转速降ΔnN增大，静差率变大，相对稳定性变差。4）调速范围较小，一般情况D=2.5—2。5）由于电阻分级切除，只能实现有级调速，调速的平滑性差。6）由于串接的电阻要消耗电功率，所