电气传动自动控制系统第2章01

电力传动自动控制系统2020-08-01—15—第2章直流电动机传动基础直流电动机是电力传动系统的主要传动元件之一，它具有良好的起动和调速性能。直流电动机按励磁方式可分为：他励(Separatelyexcited)、并励(Shunt)、串励(Series)、复励(Compound)(积复励、差复励)。本章主要研究直流他励电动机的运行问题，诸如机械特性及其计算；各种工作状态及其计算；调速特性及其计算等。2.1直流他励电动机的机械特性在“电机学”中，注重电机的结构与原理，主要研究的是电机在进行能量转换时其内部的电磁过程；而“电力传动”，则注重的是电动机的使用，主要研究的是电机的外特性。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。电动机的机械特性(Speed-TorqueCharacteristics)，是电动机产生的转矩(电磁转矩)T与其转速n之间的关系，即n=f(T)。电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。电动机的机械特性在很大程度上决定了电力传动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。因而，电动机机械特性的研究是“电力传动”课程的核心内容。2.1.1直流他励电动机的机械特性方程式直流他励电动机的基本接线图如图2-1所示。UfIfrfraRfadIERadU++M电枢回路励磁回路图2-1直流他励电动机的接线图电枢回路包括电枢绕组、电刷、换向极绕组和补偿绕组(若存在的话)，其总电阻称为电枢内阻ra。电枢回路还串有附加电阻Rad，则电枢回路电阻总值为Ra=ra+Rad。励磁回路的电源Uf与U无关(他励)，励磁回路包括励磁绕组，其电阻为rf，还有附加电阻Rfad。假设：电源电压为恒值，磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应，电枢回路电阻为恒值。对大多数电机，在机械特性的工作范围内，以上假设所带来的误差是不大的。电枢回路的电压平衡方程式为：U=E+IRa(2-1)式中：U——电动机的电枢电压(V)；E——电动机电枢绕组的感应电势(电枢电势)(V)；I——电枢电流(A)；Ra——电枢回路总电阻()，Ra=ra+Rad。直流电机的电枢电势公式为：E=Cen(2-2)第2章直流电动机传动基础—16—式中：Ce——电势常数，apNCe60;p——电机极对数；N——电枢绕组的有效导体数；a——电枢绕组的并联支路对数；——每极磁通(Wb)；n——电动机转速(r/min)。直流电机的电磁转矩公式为：T=CTI(2-3)式中：CT——转矩常数，apNCT2；则有：eeTC.CC559260(2-4)T——电磁转矩(Nm)。把式(2-2)代入式(2-1)，得：U=Cen+IRaICRCUneae(2-5)由式(2-3)可得：TCTI，代入式(2-5)得：TCCRCUnTeae2(2-6)式(2-6)就是直流他励电动机的机械特性方程式。在前面的假设条件下，即电源电压U、磁通、电枢回路电阻Ra皆为恒值，式(2-6)可写成：n=n0-bT(2-7)则转速与电磁转矩之间的关系是直线关系，如图2-2所示。n'0n0T0T0n图2-2直流他励电动机的机械特性式(2-7)中，eCUn0称为理想空载转速。这是由于n0是在理想空载T=0时电动机的转速。当U和恒定时，n0是个常数。电机在实际空载时，存在空载转矩T0，所以电机的实际空载转速n'0比理想空载转速n0略低，即n'0n0是，如图2-2所示。式(2-7)中，2TeaCCRb为直线的斜率。当Rad或改变时，特性的斜率也随之改变；bT是速度降落(转速降)n，即第2章直流电动机传动基础—17—TCCRbTnTea2(2-8)当电动机有输出转矩时，即带负载的情况下，就存在转速降落，就会引起速度下降。因此，直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线，斜率愈大，速度降落愈大，特性向下倾斜就愈明显，即称为机械特性愈“软”；反之，特性愈平坦，机械特性愈“硬”。机械特性分为固有机械特性和人工机械特性两种。2.1.2直流他励电动机的固有机械特性当电动机电枢接额定电压，正常接线，磁通为额定磁通，电枢回路无附加电阻时，电动机的机械特性称为固有机械特性。把上述额定条件：U=UN，=N，Rad=0，Ra=ra代入式(2-6)，即得固有机械特性方程式为：TCCrCUnNTeaNeN2(2-9)固有机械特性曲线如图2-3所示。TstnNn0TNT0nNIIIIVIII图2-3直流他励电动机的固有机械特性直流他励电动机固有机械特性具有以下几个特点：1.其电磁转矩T越大，转速n越低，机械特性是一条下斜直线。原因是：T增大，电枢电流I与T成正比，I也增大，电枢电势E=CeNn=UN-Ira，E则减小，转速n则降低。即：nEITnEIrUEITaN2.当T=0时，NeNCUnn0为固有机械特性的理想空载转速。此时I=0，E=UN。3.固有机械特性的斜率为：2NTeaCCrb，转速降为：TCCrbTnNTea2。由于电枢回路中没有附加电阻，即Rad=0，则斜率b的分子ra很小，因而斜率b的值很小，特性较平，习惯上称为硬特性，转矩变化时，转速变化较小。而反之，当斜率b较大时则称为软特性。4.当T=TN额定值时，n=nN，N点为额定工作点，是一个稳定运行的工作点。对应的转速降是额定转速降nN=n0nN=bTN。一般，nN0.95n0，而nN0.05n0，这是硬特性的数量体现。5.当n=0，即电动机起动时，E=CeNn=0，此时电枢电流staaIrUrEUI，称为起动电流；电磁转矩T=CTNIst=Tst，称为起动转矩。由于电枢内阻ra很小，Ist和Tst都比额第2章直流电动机传动基础—18—定值大很多。若nN=0.05n0，又NeNNNeaNNTeaNNCU.ICrTCCrbTn0502，即raIN=0.05UN，staNNI.rU.I050050；那么起动电流Ist=20IN，起动转矩Tst=20TN。这样大的起动电流和起动转矩会烧坏换向器。以上的分析是特性在第I象限的情况，在第I象限中，0TTst，n0n0，UNE0。属于电动工作状态。6.TTst，n0。当TTst，则IIst，即aNstaNrUIrEUI，UNEUN，则E0，也就是n0，机械特性在第IV象限。属于制动工作状态。7.T0，nn0。这种情况是电磁转矩的实际方向与转速相反了，由传动性质变为制动性质，这时由于T0，则I0，因此E=UN-IraUN，则nn0，机械特性在第II象限。实际上这时直流他励电动机的电磁功率Pem=EI=T0，输入功率P1=UNI0，变成了发电机，运行在发电状态。属于回馈制动状态，符合“电机的可逆性原理”。综上可知，直流他励电动机的固有机械特性是一条向下倾斜的直线，横跨I、II、IV三个象限，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。固有机械特性是电动机最重要的特性，在此基础上，很容易得到电动机的人工机械特性。2.1.3直流他励电动机的人工机械特性仅一条固有机械特性不能满足生产机械不同的工作要求。改变某些参数所得到的机械特性，称为人工机械特性。主要有以下三种人工机械特性：1.电枢串接电阻时的人工机械特性电枢串接电阻时，Rad0，电枢回路总电阻Ra=ra+Rad。电源电压U=UN，磁通=N，此时的人工机械特性方程式为：TCCRCUnNTeaNeN2(2-10)与固有机械特性相比，由于电源电压和磁通没有变化，因此人工机械特性的理想空载转速与固有机械特性的相同；由于电枢串接附加电阻Rad，特性斜率b加大，而且Rad愈大，斜率b愈大。电枢串接电阻时的人工机械特性如图2-4所示。可见，电枢串接电阻时的人工机械特性是一组通过理想空载点的放射状直线。2.改变电源电压时的人工机械特性电枢不串接附加电阻，即Rad=0。磁通为额定磁通，即=N。只改变电源电压U。此时的人工机械特性的方程式为：TCCrCUnNTeaNe2(2-11)改变电源电压U时，U的绝对值大小不能高于额定值，否则绝缘承受不住，但是U可以改变方向。与固有机械特性相比，U改变时，理想空载转速随之成正比变化；而特性斜率b不变，都与固有机械特性的相同。因此，各条特性彼此平行。改变电源电压大小及方向时的人工机械特性如图2-5所示。可见，改变电源电压时的人工机械特性是一组斜率相同的平行直线。第2章直流电动机传动基础—19—n0raT0nRa1=ra+Rad1Ra2=ra+Rad2Rad1Rad2n0UNT0nUNU1U2U1U2U=0U=-UN-n0能耗制动电枢反接制动图2-4电枢串接电阻时的人工机械特性图2-5改变电源电压时的人工机械特性3.减弱电动机磁通时的人工机械特性改变励磁回路的附加电阻Rfad，即可改变励磁电流If，从而使磁通改变。一般，电机在额定磁通下工作时，磁路已接近饱和，所以只能是减弱磁通。弱磁时，电枢回路没有附加电阻，即Rad=0，电源电压不变，即U=UN。此时的人工机械特性方程式为：TCCrCUnTeaeN2(2-12)由式(2-12)知，理想空载转速10n，越小，n0越高；而斜率21b，越低，特性越倾斜。弱磁时的人工机械特性如图2-6所示，是一组既不平行也不呈放射状的直线。n02T0nn01n021NN12Tst2Tst1Tst图2-6弱磁时的人工机械特性一般，弱磁可以提高电动机的转速，但不是在所有情况下弱磁都可以提高转速。如图2-6所示，当负载转矩较大时，会出现“反调速”现象，即：弱磁不但不能提高转速，反而降低了转速。在实际中，由于负载有限，电动机不会工作在这个区段。以上三种人工机械特性，电枢串接电阻和弱磁时，机械特性都变软了。以上分析，都忽略了电枢反应的影响。实际上，由于电枢反应的去磁作用，使机械特性出现上翘现象，如图2-7所示。这当然不好，会造成不稳定运行。一般，对容量较小的直流电机，电枢反应的去磁作用不严重，对机械特性影响不大，就不必管它。对容量较大的直流电机，为补偿电枢反应的去磁作用，在主极上加一个绕组，称为补偿绕组(稳定绕组)，可以补偿电枢反应的去磁，使机械特性不出现上翘现象。第2章直流电动机传动基础—20—n0T0n图2-7电枢反应有去磁作用时的机械特性2.1.4直流他励电动机机械特性的计算和绘制在设计电力传动系统时，首先应知道所选择电动机的机械特性。我们已知直流他励电动机的机械特性是一条向下倾斜的直线，其方程式为TCCRCUnTeae2为了绘制其机械特性，不论是固有机械特性，还是人工机械特性，只需两点即可，即：“两点法”。计算这两点需要知道电动机的一些参数，电动机的有关参数可由电动机的铭牌数据和产品目录(PN、UN、IN、nN等)查得，也可以由实验测得。一、固有机械特性的计算和绘制直流他励电动机的固有机械特性可以由理想空载点(0，n0)和额定工作点(TN，nN)这两点来决定。1.首先确定理想空载点(0，n0)理想空载转速n0为NeNCUn0其中，额定电压UN由电动机的铭牌数据可得，而CeN可由额定状态下电枢回路的电压平衡方程式求出，即NaNNNNNenrIUnEC上式中额定电压UN、额定电流IN以及额定转速nN都是电动机的铭牌数据，而电枢电阻ra的值在产品目录中一般并不给出。我们可以通过实测得出电枢电阻ra的值，或可以按照电机工作时的铜损来估算。下面，我们给出电枢电阻ra的估算公式，即：认为在额定负载时，电枢电阻ra所引起的电枢铜损占电机全部损耗的一半到三分之二，故有NNaNUI~rI132212即NNaIU~r13221或第2章直流电动机传动基础—21—2310322