第06章-直流电动机的电力拖动.ppt

-1-,,第6章直流电动机的电力拖动,,电机及拖动基础,,6.1他励直流电动机的机械特性,6.2他励直流电动机的起动,6.3他励直流电动机的调速,6.4他励直流电动机的制动,6.5串励和复励直流电动机的电力拖动*,-2-,,引言原动机为直流电动机的电力拖动系统称为直流电力拖动系统，在此系统中有他励、串励和复励三种直流电动机，其中应用最多的是他励直流电动机，因此本章重点介绍由他励直流电动机组成的直流电力拖动系统，对串励、复励直流电动机的电力拖动只作简要介绍。,,第6章直流电动机的电力拖动,,-3-,,,,,6.1他励直流电动机的机械特性,,,,,6.1.1机械特性的一般形式他励式直流电动机的电路图如右图所示，电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特性，即nf（Te）。为了推导机械特性公式的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻R。由转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为,,（6-1）,第6章直流电动机的电力拖动,-4-,,6.1.2固有机械特性直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图6-2所示，曲线满足如下公式,,,,,（6-2）,第6章直流电动机的电力拖动,-5-,,,,,,固有机械特性的主要特点为1Te0时，nn0是理想空载转速，这时Ia0，UNEa。2机械特性呈下倾的直线，转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率较小，转速变化较小，所以又称为硬特性。3电动机起动时n0，感应电动势Ea0，这时电枢电流为起动电流IaIstUN/Ra；电磁转矩为起动转矩TeTstCTΦIst；又因为电枢电阻Ra很小，在额定电压的作用下，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流，会烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全电压直接起动。4若转矩TeTst，n0，则特性曲线在第二象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。,第6章直流电动机的电力拖动,-6-,,6.1.3人为机械特性由公式（6-1）可知，当改变电动机的参数电枢电压Ua、励磁电流If、电枢外接电阻R，可改变电动机的机械特性，这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。,,,,,,,,,1.改变电枢电压电动机励磁电流为额定值，使每极磁通为N并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压Ua，可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改变Ua，可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想空载转速大小不同，如图6-3所示。,,第6章直流电动机的电力拖动,-7-,,2.减小每极气隙磁通当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc，使励磁电流If减小，由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。根据机械特性公式可知,,,,,,,,,,,,,当磁通减小后，理想空载转速n0升高，而斜率增大，使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上，如图6-4所示。,,第6章直流电动机的电力拖动,-8-,,3.电枢回路串接电阻当保持电枢回路电压Ua，励磁电流If不变，改变电枢回路的串接电阻R，电动机的理想空载转速n0不变，但机械特性的斜率增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性如下图所示。,,,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-9-,,6.2他励直流电动机的起动所谓起动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。他励直流电动机当忽略电枢电感时，电枢电流Ia为,,,,,,,,,,,,,（6-6）,在起动瞬间，电动机的转速n0，反电动势Ea0，电枢回路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的电磁转矩为起动转矩Tst，并有,,,（6-7）,（6-8）,第6章直流电动机的电力拖动,-10-,,,,,,,,,,,,由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流IstIN（约为10～20倍的IN），这么大的起动电流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此一般直流电机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是1起动电流限制在一定范围内，即Ist≤IN，为电机的过载倍数；2足够大的起动转矩，Tst≥（1.1～1.2）TN；3起动设备简单、可靠。如何限制起动时的电枢电流呢由IstUN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。,第6章直流电动机的电力拖动,-11-,,,,,,,,,,,6.2.1电枢回路串电阻起动在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。图6-6a为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。,,第6章直流电动机的电力拖动,-12-,,6.2.2降压起动当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。在起动瞬间，电动机的转速n0，反电动势Ea0，降低电源电压U，将起动电流限制在允许的范围内。,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-13-,,6.2.3他励直流电动机起动的过渡过程在第4章的第4节中，已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理论分析，并得出了转速动态方程（4-20）、转矩动态方程（4-22）及过渡过程时间计算式（4-27）和式（4-28）。,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-14-,,下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步分析。图6-8a为他励直流电动机串固定电阻起动的机械特性曲线，其中S为起动过程开始的点（即起始点），对应的转矩为TeTst，转速为n0；A点为起动过程结束的点（即稳态点），对应的转矩为TeTL，转速为nnA。将S点与A点的具体数据代入式（4-20）及式（4-22），便可得到起动过程中的转速及转矩表达式,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-15-,,,,,,,,,,当采用电枢串多级电阻起动时，其过渡过程如何呢图6-9给出了他励直流电动机二级起动的起动过程。,,第6章直流电动机的电力拖动,-16-,,6.3他励直流电动机的调速为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械往往需要在不同速度下运行。例如，车床切削工件时，精加工用高速，粗加工用低速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，须用不同的轧制速度。这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。故所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。但必须注意这和由于负载变化，引起的速度变化是截然不同的概念。调速可用机械调速（改变传动机构速比进行调速的方法）、电气调速（改变电动机参数进行调速的方法）或二者配合起来调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-17-,,为生产机械选择调速方法，必须在技术和经济两方面进行比较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢6.3.1调速指标1.调速范围调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比，通常用D来表示，即,,,,,,,,,,（6-24）,调速范围反映了生产机械对调速的要求，不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求，例如车床D20120，龙门刨床D1040，轧钢机D3120，造纸机D320等。对于一些经常轻载运行的生产机械，可以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围D。,第6章直流电动机的电力拖动,-18-,,2.静差率静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为,,,,,,,,,,（6-25）,静差率δ反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的，例如普通车床δ≤30，而精度高的造纸机则要求δ≤0.1。静差率δ值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。当理想空载转速n0一定时，机械特性越硬，额定速降ΔnN越小，则静差率越小。而且，调速范围D与静差率δ两项性能指标是互相制约的。在同一种调速方法中，δ值较大即静差率要求较低时，可得到较宽的调速范围。,第6章直流电动机的电力拖动,-19-,,,,,,,,,,,,,,,ρ越接近于1，则系统调速的平滑性越好。当ρ1时，称无级调速，即转速可以连续调节，采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。4.经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。,3.平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比,,（6-26）,第6章直流电动机的电力拖动,-20-,,6.3.2他励直流电动机的调速方法前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性，因而他励直流电动机有三种调速方法，下面分别介绍。1.串电阻调速他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图6-10a示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为,,,,,,,,,,,,,,（6-27）,他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图6-10b所示，是一组过理想空载点n0的直线，串入的电阻越大，其斜率越大。,第6章直流电动机的电力拖动,-21-,,,,,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-22-,,电枢回路串电阻调速的特点是1）实现简单，操作方便；2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D≤2；4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-23-,,2.调电压调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持励磁电流（磁通）额定，电枢回路不串电阻，改变电枢两端的电压，可以得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制，其电枢电压不允许超过额定电压，只能在额定电压UN以下进行，因此，调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。调压调速的原理图如图6-7a所示，其机械特性方程式为,,,,（6-28）,调压调速的特点是1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；,第6章直流电动机的电力拖动,-24-,,3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达1020；4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；5）需要一套可控的直流电源。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。,,,第6章直流电动机的电力拖动,-25-,,3.弱磁调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理图如图6-12所示。弱磁调速时，机械特性方程式为,,,,（6-29）,弱磁调速的特点是1）由于励磁电流IfU，向电源回馈电能，运行经济。由于其功率关系与直流发电机一样，故又称为再生发电制动。,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-56-,,,,6.4.5他励直流电动机的四象限运行现将直流电动机四个象限运行的机械特性画在一起，如右图所示。可见，电动机运行状态分成两大类，Te与n同方向时为电动运行状态，Te与n反方向时为制动运行状态。,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,例6-3,例6-4,,-57-,,,,6.5串励和复励直流电动机的电力拖动*6.5.1串励直流电动机的电力拖动1.串励直流电动机的机械特性串励式直流电动机的电路连接如图6-25a所示。其连接特点是电枢电流等于励磁电流，也等于总电流，即IaIfI，UUaUfIR，若电动机在磁通未饱和状态，每极磁通应与电路电流成线性正比，即,,,,,,,,,（6-51）,当电动机带负载运行时，电枢电流是变化的，这将引起串励电动机磁通的变化，此时串励电动机的转速公式为,,（6-52）,式中Ces串励电动机电势系数，且CesCeKf；,第6章直流电动机的电力拖动,-58-,,,,电磁转矩公式为,,,,,,,,,（6-53）,式中CTs串励电动机电磁转矩系数，且CTsCTKf。,,,第6章直流电动机的电力拖动,-59-,,,,这样，机械特性公式为,,,,,,,,（6-54）,上述公式用曲线表示如图6-25b所示。由于转速与转矩的开方成反比，转矩增大，转速迅速减小；而转矩减小，则转速很高。理想状态下Te0，n0→∞。特性曲线是一条非线性的软特性。串励电动机实际运行时，当电动机电流趋于零时，电动机尚存剩磁，理想空载转速不会无穷大，但转速还是很高的，所以一般串励电动机不允许空载运行。若电动机磁通处于饱和状态，其磁通为额定值常数，电磁转矩为,,,（6-55）,第6章直流电动机的电力拖动,-60-,,,,可见，串励电动机轻载时，磁动势较小，磁通处于不饱和状态，电磁转矩与电机电流的平方成正比；随着负载的增加，磁动势增大，磁通呈饱和状态，电磁转矩仅与电流成正比，且电动机能拖动大负载低速运行，电动机具有起动转矩大，过载能力强的特点。2.串励电动机的起动与调速串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流也就是励磁电流，即IaIf。主磁通Φ是电枢电流Ia的函数，其机械特性方程可表示为,,,,,,,,,由上式可知，串励直流电动机起动时也会出现起动电流过大的问题，所以为了限制起动电流，可以采用电枢串电阻或降低电源电压的方法。,第6章直流电动机的电力拖动,（6-56）,-61-,,,,串励直流电动机的调速方法也分为电枢串电阻、降压、弱磁三种。调速原理如图6-26所示，当接触器KM1、KM2释放打开时，改变电枢串接电阻Rvs的大小可改变电动机的转速，这种串电阻调速方法常用在电车上；,,,,,,,,,当接触器KM1释放打开，KM2合上，励磁绕组并联电阻Rfp时，在相同的电枢电流下，励磁电流减小，即可弱磁升速；当接触器KM2释放打开，KM1合上，电枢绕组并联电阻Rap时，可使加于电枢的电压降低，转速下降，实现调压调速。对于串励电动机，常用23台电动机串联及并联联接法以降低电压。,第6章直流电动机的电力拖动,-62-,,,,3.串励电动机的制动串励电动机的制动状态有能耗制动、反接制动与倒拉反转运行。由于电动机的反电势Ea无法超过U，因此在串励电动机中不能得到回馈制动。,,,,,,,,,1能耗制动串励电动机正常运行时，若把电枢脱离电源，并接至制动电阻Reb，励磁绕组可以采用他励或自励方式，由于串励绕阻电阻很小，当接成他励时，必须在励磁回路中串入较大的限流电阻Rfs，如图6-27所示。,第6章直流电动机的电力拖动,-63-,,,,2反接制动串励电动机进行反接制动时，并不是将电源电压反接，因为这样会使Ia和If同时改变方向，电磁转矩方向不变，起不到制动作用。因此，只能将电枢两端反接，励磁绕组接法不变，如下图所示。,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-64-,,,,3倒拉反转运行当串励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入大电阻Rrb时，电动机将运行于倒拉反转状态。其接线图和机械特性如下图所示。,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-65-,,,,串励电动机的接线简单，工作可靠，因而适用于要求有较大起动转矩，较大过载能力，工作要求可靠的起重运输机械上。注意串励电动机不允许空载或轻载运行。6.5.2复励电动机的电力拖动复励直流电动机的接线图如图6-30所示，若并励与串联两个绕组的极性相同，形成积复励，反之为差复励。积复励直流电动机的机械特性介于并励（他励）和串励式电动机特性之间。若以并励磁动势为主，则特性曲线接近并励电动机；若以串励磁动势为主，则特性曲线接近串励电动机。特性曲线如图6-30b所示，可见，它具有起动转矩大，过载能力强的优点，又没有空载转速很高的缺点，被广泛应用。,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,例6-5,-66-,,,,复励电动机既具有串励电动机的起动转矩大，过载能力强等优点，又因为有并励绕组，使得理想空载转速不至于太高，因而避免了“飞车”的危险。这种电机的用途也很广泛，例如无轨电车就是由积复励直流电动机拖动的。,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-67-,,,,小结本章依据直流电动机的机械特性方程式与直流电力拖动系统的运动方程式，详细讨论了直流电动机的起动、调速及制动这三个电力拖动系统运行的主要方式。直流电动机起动时，由于其本身的电枢电阻很小，直接起动会产生很大的起动电流。为了限制过大的起动电流，通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压的方法来起动直流电动机。直流电动机的调速方法有电枢串电阻调速、降压调速和弱磁调速，其中串电阻调速和降压调速属于恒转矩调速方式，弱磁调速属于恒功率调速方式。直流电动机的制动方法有能耗制动、反接制动（包括倒拉反转运行）和回馈制动。本章从制动方法的实现、制动时的机械特性、制动的过程和运行、制动时的能量关系、每种制动的特点和应用等方面进行了分析和研究。,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动,-68-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-1,-69-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-1,-70-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-1,-71-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-1,,-72-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-2,-73-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-2,-74-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-2,,-75-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-3,-76-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-3,-77-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-3,-78-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-3,-79-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-3,,-80-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-4,-81-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-4,-82-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-4,-83-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-4,-84-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-4,,-85-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-5,-86-,,,,,,,,,,,,,第6章直流电动机的电力拖动例6-5,,