第二章_直流电动机的电力拖动.ppt

2021/3/2,1,第二章直流电动机的电力拖动,2-2生产机械的负载转矩特性,2-3他励直流电动机的机械特性,2-4他励直流电动机的起动,2-5他励直流电动机的制动,2-6他励直流电动机的调速,2-1电力拖动系统的动力学,第二章直流电动机的电力拖动,2-2生产机械的负载转矩特性,2-3他励直流电动机的机械特性,2-4他励直流电动机的起动,2-5他励直流电动机的制动,2-6他励直流电动机的调速,2-1电力拖动系统的动力学,本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,2,,,,电力拖动系统的动力学,本章基本要求,1.掌握电力拖动系统的运动方程式，生产机械的负载转矩特性；电力系统稳定运行的条件。,2.熟练掌握直流电动机的机械特性及机械特性的绘制。,3.掌握电动机的起动、制动和调速方法。,4.了解工作机构（力、飞轮距、质量、转矩）的折算和调速时的允许输出。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,3,电力拖动系统的动力学,,,,2-1电力拖动系统的动力学,1.运动方程的形式,一、电力拖动系统的运动方程式,式中TZ-总阻转矩;,J-转动惯量;,-机械角速度;,运动方程的实用表达式,GD2-飞轮矩，单位N.m2,所以,因为,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,4,,,,电力拖动系统的动力学,2.系统旋转运动的三种状态,当TMTZ或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,5,,,,电力拖动系统的动力学,首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定,二、运动方程式中转矩正、负号的规定,电磁转矩TM与转速n的正方向相同时为正，相反时为负。,负载转矩TZ与转速n的正方向相同时为负，相反时为正。,惯性转矩的大小和正负号由TM和TZ的代数和决定。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,6,,,,电力拖动系统的动力学,三、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为工作机构转矩Tz，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还要把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,7,,,,电力拖动系统的动力学,1.工作机构转矩Tz的折算,折算的原则是系统的传送功率不变,式中，j电动机轴与工作机构轴间的转速比,如果传动机构为多级齿轮或皮带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,8,,,,电力拖动系统的动力学,2.工作机构直线作用力的折算,根据传送功率不变,3.传动机构与工作机构飞轮矩的折算,,根据折算前后动能不变的原则,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,9,,电力拖动系统的动力学,4.工作机构直线运动质量的折算,折算的原则是转动惯量Jz中及质量mz中储存的动能相等，即,所以,因为,,,折算到电机轴上的飞轮矩为,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,10,,,,电力拖动系统的动力学,,例刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n420r/min，其转子（或电枢）的飞轮矩GDd2110.5N.m2，工作台重G112050N，工件重G217650N，各齿轮齿数及飞轮矩见表。,齿轮8的节距t825.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮矩。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,11,,,,电力拖动系统的动力学,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,12,,,,电力拖动系统的动力学,齿轮8转速,2）直线运动部分,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,13,,,,电力拖动系统的动力学,工作台速度,3）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,14,,,,电力拖动系统的动力学,四、考虑传动机构损耗的简化方法,（一）工作机构转矩Tz的简化折算,1.电动机工作在电动状态,2．电动机工作在发电制动状态,使用多级传动时,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,15,,,,电力拖动系统的动力学,（二）工作机构直线作用力的简化折算,1.电动机工作在电动状态,2.电动机工作在发电制动状态,在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率与提升传动效率之间有下列关系。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,16,,,电力拖动系统的动力学,2-2生产机械的负载转矩特性,1.恒转矩负载,恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩Tz与转速n无关的特性。,,,一、按照负载转矩的大小与转速的变化规律分,2.恒功率负载特性,恒功率负载特点是负载转矩与转速的乘积为一常数，即TZ与n成反比，特性曲线为一条双曲线。,3.通风机负载特性,Tz,n,,,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,17,,,,电力拖动系统的动力学,1.反抗性恒转矩负载,,,2.位能性恒转矩负载,,,负载的转矩Tz基本上与转速n的平方成正比。负载特性为一条抛物线。,,Tz,n,,,,1,2,Tz0,二、按照负载转矩的方向是否随转速方向的变化分,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,18,2-3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,由电动机的电势平衡方程式、电枢电势和电磁转矩的公式，得机械特性的表达式,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,19,,,,他励直流电动机的机械特性,n0称为理想空载转速。,实际空载转速,n0－βTMn0－△n,特性曲线的斜率,转速降△n,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,20,,,二、固有机械特性,当UUN，N，RRa时的机械特性称为固有机械特性。,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。,他励直流电动机的机械特性,,n0,,N,,nN,TN,N点额定状态。,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,21,,,,他励直流电动机的机械特性,三、人为机械特性,当认为地改变电机参数或电枢电压得到的机械特性称为人为机械特性。,1.电枢串接电阻时的人为特性,保持UUN，ΦΦN不变，只在电枢回路中串入电阻Rpa的人为特性,,RaRpa,Ra＋Rpa,→,→,即机械特性变软。,特点理想空载转速不变，斜率增加,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,22,,,,他励直流电动机的机械特性,2.降低电枢电压时的人为特性,保持RRa，ΦΦN不变，只改变电枢电压U的人为特性,Ua↓,→n0↓,但β不变,→机械特性的硬度不变。,,n01,U1,U1U，电枢电流反向，电磁转矩反向，由驱动变为制动。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,50,,,,他励直流电动机的制动,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,稳定运行有两种情况,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；,发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况,降压调速时产生回馈制动,增磁调速时产生回馈制动,从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,51,平地或上坡行驶时工作在a点。下坡行驶时TZ反向→TZ2→n＞n0→E＞Ua→Ia＜0→T＜TZ2→b点（TZ2T）。,n＞n0→电动机处于发电状态，→动能转换为电能回馈电网。,回馈制动的特点,→E＞Ua,1正向回馈制动电车下坡,,,,他励直流电动机的制动,→n,→n,,a,b,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,52,电动状态,下坡,n→E→IaT→nn0,EUa,T0,制动状态,n→E＞Ua→IaT＜0→|T|,,,他励直流电动机的制动,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,53,2反向回馈制动下放重物,他励直流电动机的制动,,a,c,b,d,e,a点,,改变Ua极性n不能跃变,c点,b点,,反接制动,d点,,反向起动,e点，TTZ。,,电压反向反接制动过程,反向起动过程,回馈制动过程,回馈制动运行,,,T＜TZ回馈制动,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,54,2反向回馈制动下放重物,电压反向,他励直流电动机的制动,电动状态,制动过程,反向起动,,,n→n0n→E＞Ua→IaT反向,制动状态,Ia的方向,T的方向,作用,限制Iamax,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,55,,,他励直流电动机的制动,制动效果,→下放速度。,2Rp小,,Rp大,Rp的选择（各量取绝对值）,,Rp,→特性2斜率,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,56,校验（各量取绝对值）,制动瞬间b点的E,,,他励直流电动机的制动,电压反接后瞬间,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,57,在降低电枢电压调速过程中,,＞,,,他励直流电动机的制动,,a,c,b,d,回馈制动过程,在增加励磁电流调速过程中,,＞,,a,c,b,d,工作点跳到何处,回馈制动过程,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,58,他励电动机在四象限中的运行状态,1.电动状态,,,他励直流电动机的制动,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,59,2.制动状态,,,,他励直流电动机的制动,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,60,2-6他励直流电动机的调速,,,,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。,改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；,改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,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。,调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,61,,,,他励直流电动机的调速,他励直流电动机的转速为,弱磁调速。,一、调速指标,1.调速范围,生产机械要求的调速范围D代表机械可能进行的最大转速nman与最小转速nmin之比，或最大与最小线速度之比。,电气调速方法,调压调速；,电枢串电阻调速；,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,62,,,,他励直流电动机的调速,例车床D20120，龙门刨床D1040，机床的进给机构D5200,轧钢机D3120，造纸机D320等。,电动机的最高转速受电机的机械强度、换向等方面的限制。一般在额定转速的范围，是不能太高的。,不同的生产机械要求的调速范围是不同的，D是指生产机械总的调速范围。,要扩大调速范围，必须设法尽可能地提高最高转速与降低最低转速；,降低最低转速受低速运行时的相对稳定性限制。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,63,,,,他励直流电动机的调速,相对稳定性是指负载转矩变化时转速变化的程度，变化的越小，相对稳定性就越好，能得到最低转速越小，D也越高。,生产机械对机械特性相对稳定性的程度是有要求的，显然若低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化时，电动机的转速可能变的接近于零，甚至可能使生产机械停下来，因此必须设法得到低速硬特性的扩大调速范围。,2.静差率（相对稳定性）,指负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，稳定性好。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,64,,,,他励直流电动机的调速,δ越小，相对稳定性越好；δ与机械特性硬度和n0有关。,D与δ相互制约δ越小,D越小，相对稳定性越好；,调速范围与静差率的关系,在保证一定的δ指标的前提，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,65,,,,他励直流电动机的调速,3.调速的平滑性,越接近1，平滑性越好，当1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,4.调速的经济性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,66,,,,他励直流电动机的调速,二、他励直流电动机的调速,,RaRa＋Rpa,,b,c,n0,,a,未串电阻时的工作点,串电阻Rpa后,工作点由a→b→c,1.改变电枢电阻调速,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,67,a,他励直流电动机的调速,b,c,,b,c,,a,RaRpa→n，RaRpa→n。,→β,→δ,→低速的稳定性变差。,③调速范围受稳定性影响，D较小。,,,,②调速的稳定性,RaRpa,①调速方向在nN以下调节。,串电阻调速的特点,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,68,④调速的平滑性,电枢电路总电阻,PCuRIa2UaIa－EIaUaIa1－E/UaUaIa1－n/n0,低速效率低。,⑤调速的经济性P1UaIaEIa＋RIa2,,,他励直流电动机的调速,,取决于Rpa的调节方式，一般为有级调速。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,69,,,,他励直流电动机的调速,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,,,,,,,,t,tt0,n2,n1,Ia1,ia,n,ia,n,他励电动机改变电枢回路电阻的调速过程中电流和转速的变化规律（设带恒转矩负载）,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,70,结论,1调速方法简单，控制设备不复杂。,,,他励直流电动机的调速,,2调速的经济性很差。,一般用于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,71,2.减弱磁通调速,Tz,,,n不能跃变ECeΦn,,,他励直流电动机的调速,＞,,Φ2Φ1,,b,c,,a,n0“,If→Φ,E,→Ia,→TM,→n,连续调节Uf（或Rf）可实现无级调速。,,→E下降至某一最小值后回升,→Ia和TM上升至某一最大值后下降,→TTz，nnc。,①调速方向,在nN以上（IfN以下）调节。,②调速的平滑性,n0,减弱磁通调速的特点,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,72,Φ,→n，n0,→变化小，,稳定性较好。,,,,他励直流电动机的调速,,调节Uf则需要专用直流电源。,调节Rf比较经济；,⑤调速的经济性,普通MD2，特殊设计的MD4。,受机械强度（nmax）的限制，D不大。,④调速范围,③调速的稳定性,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,73,,,,他励直流电动机的调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,,,,,,,,,改变励磁电流调速时电流和转速的变化过程（设带恒转矩负载）,n1,n2,Ia1,Ia2,tt0,t,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,74,应用不经常逆转的重型机床；如国产C660、C670等机床；重型龙门刨床的主传动在高速区的调速。,,,他励直流电动机的调速,,结论磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,75,3.改变电枢电压调速,＞,,,他励直流电动机的调速,,UaUa“,,b,c,n0n0“,,a,Ua→n，Ua→n。,→不变，,但,→稳定性变差。,,①调速方向,⑤调速的经济性需要专用直流电源。,④调速范围D不大（D≤8）。,改变Ua,③调速的稳定性,连续调节Ua，可实现无级调速。,②调速的平滑性,在UN（或nN）以下调节。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,76,,,,他励直流电动机的调速,用他励发电机与他励电动机组成G－M系统，如课本中图2-25所示。,（1）机械特性和调速特性,在电动机和发电机的电枢回路中，电动机的电枢电动势,在轧钢机，龙门刨和起重机设备中常用G－M系统。,如果调节电动机的励磁电流和调节电枢电压相结合，则G－M系统的调速范围可进一步扩大，速比可达251。,利用G－M系统，调节发电机的励磁电流使能任意改变加于电动机电枢电压，因而能在极限的范围内平滑地调速。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,77,,,,他励直流电动机的调速,式中Eaf发电机的电枢电动势；Raf发电机的电枢电阻；Rad电动机的电枢电阻；Φd电动机的每极磁通。,所以，电动机的机械特性方程式为,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,78,,,,他励直流电动机的调速,改变电动机的磁通调速,,,,,,,,,,,,G-M系统机械特性,T,d1d2d3,d3,d2,d1,Eaf常数,Eaf1EafN,Eaf1Eaf2Eaf3,d常数,n,Eaf2,Eaf3,电动机的理想空载转速,转速降,G-M系统的调速方法,改变发电机电动势调速,改变发电机的磁通即可改变发电机的电势。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,79,,,,他励直流电动机的调速,起动,（2）起动和制动,要使电动机停转，只要将开关断开，电动机就能获得电气制动而迅速停下来。,制动,发电机的感应电动势从零逐渐升高，不会发生起动电流过大造成对电动机的冲击，保证了电动机能平稳起动，而不需要在电枢电路中串接起动电阻。,首先必须使电动机励磁，并调节励磁电流达到额定值，然后再使发电机励磁。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,80,,,,他励直流电动机的调速,要实现电动机反转，只要将开关投到相反位置即可。,三、调速方式与负载类型的配合,电动机在额定负载转速下容许的输出功率主要取决于电机的发热功率，而发热又主要取决于电流。,1.电动机的允许输出与调速方法,容许输出电动机的允许输出是指在一定转速下，电机长期工作所能输出的最大转矩和功率。,反向时不会产生很大的冲击电流，电动机能够实现比较平稳的反转。,反转,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,81,充分利用指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。,当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,在调速过程中，如果电机在不同转速下，电枢电流不超过额定值，电机便能够长期可靠地工作，不致因过热而损坏，因此电枢电流等于额定值是从发热观点充分利用电动机的条件。,他励直流电动机的调速,,,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,82,,,,他励直流电动机的调速,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值----恒转矩调速。,电枢串电阻调速和降压调速时，磁通N保持不变，若在不同转速下保持电流IaIaN不变，即电动机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为,2.恒转矩调速方法,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,83,,,,他励直流电动机的调速,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值----恒功率调速。,减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流IaIaN不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为,3.恒功率调速方法,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,84,,,,他励直流电动机的调速,对风机类负载，两种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。,4.调速方法与负载的配合,,,恒转矩调速方式,恒转矩负载,,（1）恒转矩负载与调速方法的配合,为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。,拖动恒功率负载时，采用恒功率调速方式。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,85,,,,他励直流电动机的调速,,,恒功率调速方式,恒转矩负载,,,恒功率调速方法在n＝nmin时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，电动机没充分利用，造成浪费。,结论对恒转矩负载,恒转矩调速方式使电机在任何转速下都满载运行，能得到充分利用。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,86,,,,他励直流电动机的调速,,,（2）恒功率负载与调速方式的配合,恒功率负载,,恒转矩调速方法,恒功率调速方法,恒功率负载,,,,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,87,,,,他励直流电动机的调速,恒转矩调速方式高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流，电动机没有被充分利用。,结论对恒功率负载,恒功率调速方法在整个调速范围内，做到额定转矩输出，电机安全且充分利用。,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,88,容许输出转矩和功率,,,,他励直流电动机的调速,2009年2月16日星期一,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,89,,,,本章结束,