第二章直流电动机拖动系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,第二章 直流电动机拖动系统,重点：他励直流电动机的起动、调速、制动、过渡过程。,第一节 他励直流电动机的起动,对起动的要求和起动过程分析,电动机的起动：,指电动机通电后旋转且转速不断增加，直至稳态运行。,起动步骤：,先通励磁电流，建立磁场；然后加电枢电压。,运动方程：,2,1.,如果直接起动,起动时,U,=,U,N,，,Rs,=0,，称为,直接起动,；,起动初瞬，电枢电流为：,电枢电阻较小，起动时,电枢电流很大,，可达到,10,20I,N,所以直接起动会造成,很大的起动电流和起动转矩,3,直接起动存在的问题：,起动电流太大，换向恶化，出现强烈的火花或环火，烧坏换向器，电枢绕组产生很大的电磁力而损坏绕组；,过大的起动电流还会引起电网电压下降，影响同一电网上其他设备的运行；,如保持主磁通为额定值，此时的电磁转矩,T,也将达到额定值的,10,20,倍，造成机械碰撞或冲击强烈，从而损坏电枢绕组和传动机构。,所以，一般不允许直接起动。,4,2.,起动要求,一般直流电动机拖动负载,顺利起动的要求,是：,1),起动电流限制在一定范围内，即,I,st,（,1.8,2.5,）,I,N,，,=1.8,2.5,为电机的过载倍数；,2),足够大的起动转矩，,T,st,（,1.1,1.2,）,T,N,；,3),起动设备简单、可靠。,5,3.,起动方法,关键是限制起动电流,（,1,）降压起动（必须有电压可调的直流电源）,（,2,）电枢回路串电阻起动,6,例题,某他励直流电动机的铭牌数据为：,拖动额定大小为恒转矩负载,T,L,运行，忽略,T,0,，,（,1,）若采用降压起动，起动电流,I,S,2I,N,电压应该降为多少？此时起动转矩是多少？,（,2,）若采用电枢回路串电阻起动，,I,S,2I,N,，求串入的电阻和起动转矩。,7,4.,电枢回路串一个电阻的缺点,起动过程变慢，稳态速度降低,所以，随着转速上升，应该让所串电阻逐渐下降，让电枢电流始终保持在较大的数值；,方法：串电阻分级起动,8,二、串电阻分级起动,特性图,电路图,首先假设：忽略电枢电感，电枢电流可以突变,转速,n,不能突变（机械惯性）,（一）起动过程分析（以二级起动为例）,9,10,说明：,求切换转矩,T,2,的原则：既要使电动机能够带动负载，又要保证在切换时的加速度转矩,T-T,L,不过于小；,综合考虑：选,T,2,（,1.1,1.3,）,T,L,I,2,（,1.1,1.3,）,I,L,串电阻分级起动方法，电流不超过限值，起动过程中，起动转矩的大小、起动速度、起动平稳度决定于所选择的起动级数，级数多，平稳度好，但是设备复杂，投资高。,一般空载起动，取级数,m,1,2,，重载取,m,3,4,11,（二）、他励直流电动机起动电阻的计算,解析法,Ra+R,st1,+R,st2,+R,st3,Ra+R,st3,Ra+R,st2,+R,st3,Ra,称为起动电流比,12,用解析法求,Rs,，存在两种情况：,1.,起动级数,m,已知，先求,2.m,不确定，则先取,I,1,和,I,2,的值，求出,M,一般不是整数，取最接近的整数作为实际的起动级数,重新求出,=I,1,/I,2,13,例,2,1,一台他励直流电动机的铭牌数据为：,I,L,=I,N,试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。,解,已知起动级数,m,=4,选择,各分段电阻如下：,14,在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却,不能导致,电动机的转速、电流、转矩等参量的,突变,，而必须是个,连续变化,的过程。,过渡过程：,电力拖动系统中，转矩平衡方程式一旦被破坏，系统从一种稳定状态向另一种稳定状态过渡时所经历的过程。,研究过渡过程的意义：减小过渡过程的持续时间，提高生产率，减小过渡过程损耗的功率，提高电机利用率和力能指标，改善系统动态或稳态运行品质，使设备安全可靠运行。,第四节 直流拖动系统的过渡过程,15,电力拖动系统中一般存在三种惯性导致过渡过程：,1,机械惯性,反映在系统的飞轮惯量和飞轮力矩上，它使转速,n,不能突变。,2,电磁惯性,反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。,(,对过渡过程影响较小，经常忽略）,3,热惯性,电动机的温度不能突变。（温度的变化一般也不考虑）,16,一,.,他励直流电动机拖动恒转矩负载过渡过程的数学分析,1.,研究前提：,只考虑机械过渡过程，忽略电枢电感（,n,不能突变）,电源电压在过渡过程中恒定不变,磁通恒定，忽略电枢反应的去磁效应,17,2.,以电枢回路串电阻调速为例：,过渡过程：,在机械特性上表现为：电动机的运行点从起始点,B,开始，沿着机械特性,2,向着稳态点,C,的变化过程。,起始点,B,：,过渡过程开始的点,;,结束点,C,：,过渡过程结束的点，有时不一定是稳态点,18,3.,定量分析从,B,到,C,点沿曲线进行的过渡过程：,三要素：起始值,稳态值,时间常数,电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量,19,4.,过渡过程的时间计算,或,或,20,1,电枢串固定电阻,Rs,起动的过渡过程,利用三要素法分析：,二,.,他励直流电动机起动的过渡过程,21,或,或,起动过程中转速的上升曲线,起动过程中电枢电流的变化曲线,22,2,电枢串多级电阻分级起动的过渡过程,他励电动机二级起动的机械特性：,第一级起动时,23,转速变化曲线,机械特性曲线,电流变化曲线,24,25,例题,一台他励直流电动机铭牌数据为：,已知四段起动电阻为：,电枢电阻,系统飞轮惯量,求分级起动总的起动时间。,解：,26,设,=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s,27,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,。,电力拖动系统中通常采用两种调速方法：,机械调速,：电动机的转速不变，通过改变机械传动机构（如齿轮等）的速比，实现调速；,电气调速：,通过改变电动机的参数调节电动机的转速。,第二节 他励直流电动机的调速,28,调速和因负载变化而引起的转速变化是不同的：,调速：,改变电机参数，电机运行在不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度；,负载变化：,电动机在同一条机械特性上发生转速变化。,29,一、他励直流电动机的调速方法,（一）电枢串联电阻,分析电枢串接电阻调速的经济性：,效率,电枢串联电阻调速,30,串电阻调速特点：,串电阻的方法只能是基速（电动机运行于固有机械特性上的转速）向下调；,如果拖动恒转矩负载，电动机运行于不同的转速，电枢电流大小变化吗？,转速越低，损耗越大；,该方法稳定性能差，低速运行时，负载在不太大的范围内变化，就会引起较大的转速变化；,空载或轻载时，调速范围小，调速效果不明显，但设备简单，易于操作。,总之，该方法，损耗大，低速时调速不稳定。,31,例题,2,2,32,（二）降低电源电压,降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为,晶闸管整流器供电的直流调速系统,降低电源电压调速时的机械特性,33,降压调速特点：,恒转矩负载，电枢电流也是恒值；,降压调速，机械特性硬度不变（斜率不变），稳定性较好，可以在低速范围内运行；,降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可以实现转速的平滑调速，即无级调速。,34,（三）、弱磁调速,弱磁调速电路示意图,较大容量系统,小容量系统,弱磁调速时，机械特性方程式是：,35,弱磁调速特点：,一般用于升速，从基速向上调；,在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。,由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。,36,37,不同机械特性下的静差率,1,静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,二、调速指标,调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标,调速指标是决定电动机选择哪一种调速方法的依据。,（一）调速的技术指标,38,相对稳定性：指负载转矩变化时，转速变化的程度，转速变化越小，相对稳定性越高；,静差率与机械特性的硬度又有区别；,若对应于最低转速的机械特性能满足静差率的要求，则其他情况也能满足。,39,2.,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,调速范围,D,与低速静差率,%,间的关系：,允许的转速降,40,说明：若最大转速和转速降一定，则对,要求越高，小，调速范围,D,也越小；,如果选定了调速方法，则低速机械特性已定，在一定的转速降下，可以计算,D,，以校验是否满足生产机械工艺对,D,的要求。,允许的转速降,41,例题,2,3,42,3,平滑性,相邻两极转速的接近程度。,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,平滑系数：,值愈接近于,1,，则平滑性愈好。等于,1,时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,4,调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）,容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。,43,（二）调速的经济指标,调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。,例,有一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速 ，高速机械特性的理想空载转速,如果额定负载下低速机械特性的转速 ，而相应的理想空载转速 。,（,1,）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围,D,和静差率 ；,（,2,）如果生产工艺要求静差率 ,20%,，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？,44,解：,（,1,）,低速静差率,（,2,）,不能满足原有调速范围的要求,45,三、调速方式与负载类型的配合,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。,对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为：,降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为,恒转矩调速方式,。而容许输出功率则正比于转速。,式中,通常用于电动机带,恒转矩负载,。,46,弱磁调速：,容许输出功率为常数，称为,恒功率调速方式,通常用于电动机带,恒功率负载,。,47,机械特性和容许输出转矩,容许输出转矩和功率,48,制动的目的,：迅速停车；获得稳定的下放速度；,电气制动方式,：能耗制动，反接制动，回馈制动。,第三节 他励直流电动机的制动运行,1,）,电动,运转状态,电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2,）,制动,运转状态,电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,一、概述,49,二、能耗制动,电动状态,能耗制动,50,能耗制动机械特性方程式,:,1.,能耗制动用于快速停车,51,制动过程中的几点说明：,能耗制动，转速下降，造成能量损耗；,系统的动能，一部分转化为输出的机械能（电动机仍然带负载）；,另一部分转化为电动机和所串电阻上的损耗。,52,例,2-5,一台他励直流电动机的铭牌数据如下：,电枢电流最大允许值为,2I,N,求能耗制动时电枢回路所应串接的电阻值。,53,2.,能耗制动用于恒速下放重物,反抗性负载：,负载转矩的方向总是和转速的方向相反，即负载转矩的性质总是起反抗运动的作用；,位能性负载：,由拖动系统中的某些具有位能的部件构成，（如起重类型负载中的重物），特点：负载转矩具有固定的方向，不随转速的方向而改变。,54,电动机带位能负载时的能耗制动电路图,55,能耗制动时电流与转速的关系：,56,例,2-6,一台他励直流电动机的数据如下：,在能耗制动状态下以,500r/min,的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路内应串接的电阻值，并计算这时的电磁转矩。,57,反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。,三、电压反向的反接制动,电压反向的反接制动电路图,1.,接线,58,断开 和 ，接通 和,2.,电路,59,BC,段就是反接制动过程；,如果制动的目的是为了使系统停车，则到了,C,点必须采取措施，否则，电机会沿着机械特性自行反转，反向加速并到达新的稳态点。,位能性负载终止在,E,点,反抗性负载终止在,D,点,3.,机械特性,60,4.,电枢反接时的过渡过程,电枢反接时的人为机械特性和转速及电流变化曲线,1,反作用负载,2,位能负载,61,62,例,2-7,一台他励直流电动机的铭牌数据如下：,电枢电流最大允许值为,2I,N,求电压反向的反接制动时电枢回路所应串接的电阻值。,63,说明：,在电枢电流允许的最大值相同时，电压反向的反接制动电枢回路所串电阻几乎是能耗制动所串电阻的两倍；,特点：,平均制动转矩较大，制动效果好；,能量消耗大，经济效率差；,转速为,0,时，如果不断开电源，有可能反向起动；,适用于要求快速停车的生产机械；,对要求快速停车，随后立即反向起动的生产机械更为合适。,64,电动机带位能负载时的转速反向制动电路图,四、转速反向的反接制动,转速反向的反接制动机械特性,转速反向的反接制动特性方程式为,电枢电路的电压平衡方程式变为,65,上式表明，与 两者之和消耗在电枢电路的电阻 上。,转速反向反接制动的特点：,设备简单，操作方便，电枢回路所串电阻较大，机械特性软，能量消耗大，不经济；,适用场合：适用于低速下放重物。,66,例,2-8,一台他励直流电动机的铭牌数据如下：,该电动机工作于倒拉反转状态，电枢电流为额定值,以转速,600r/min,恒速下放重物，求这时电枢回路所应串接的电阻值。,67,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,电动机回馈制动电路图,(,带位能负载,),这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 后，大部分回馈给电网（），小部分变为电枢回路的铜耗 。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,68,（二）电车下坡,69,（三）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生 的情况，亦即出现了回馈制动状态。,70,第二章 习题课,71,例,1,一台他励直流电动机的数据如下：,忽略空载转矩,T,0,，电动机带动额定恒转矩负载运行时，要求把转速降到,1000r/min,，计算：,（,1,）采用,电枢串电阻，需串接的电阻值。,（,2,）采用降低电压调速需要把电压降到多少？,（,3,）上述两种调速方法，电动机的输入功率与输出功率各是多少？,72,例,2,某台他励直流电动机的数据如下：,在电动机额定运行时制动停车，制动时的起始电流是,2IN,试就反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种情况，求：,（,1,）能耗制动的时间；,（,2,）电枢反接制动的时间（转速制动到,0,）；,（,3,）整个电枢反接过程中,