第3章 直流电机的电力拖动(合并版).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,*,第,3,章 直流电机的电力拖动,梁云朋,河南科技大学电信学院,电力拖动系统的基本问题，包括：电力拖动的动力学方程式及相关问题、电力拖动系统的稳定运行条件；,各类典型机械的负载转矩特性；,由他励直流电动机组成电力拖动系统的起动、制动与调速方法及分析。,主要内容,一,.,电力拖动系统的动力学方程式,二,.,各类生产机械的负载转矩特性,三,.,电力拖动系统的稳定运行条件,四,.,直流电拖系统动态过程的分析与计算,五,.,直流电动机的起动,六,.,直流电动机的调速,七,.,直流电动机的制动,八,.,直流拖动系统的四象限运行分析,具体章节,典型电力拖动系统的组成框图,调速器直流调速器如,AD590,、四门子,6RA70,交流驱动器如四门子,6RS70,等,一,.,电力拖动系统的动力学方程式,1.,单轴,电力拖动系统的动力学方程式,单轴电力拖动系统的示意图,动力学方程式,转动惯量,正负号的选取惯例：,（,1,）首先取转速的方向为正方向；,（,2,）对于电磁转矩，若与相同，则取“,+”,；反之，若与方,向相反，则取“,-”,；,（,3,）对负载转矩而言，若与方向相反，则取“,+”,；方向相,同则取“,-”,；,提升重物,重物下放,依据动力学方程式拖动系统存在,三种运行状态,：,1.,若 时，则,=,常值，系统稳态运行；,2.,若 时，则 ，电机处于加速状态；,3.,若 时，则 ，电机处于减速状态。,2,、多轴电力拖动系统的折算,a,、折算的概念,(,了解）,多轴电力拖动系统的简化,折算的原则是：确保折算前后系统所,传递的功率,或,系统储存的动能,不变。,b,、折算的方法,机械机构的转矩折算（传递功率保持不变）,折算时需考虑电动机和生产机械的工作状态。,（,1,）,当电动机驱动机械负载时,，传动机构的损耗是,由电动机承担的,折算后的负载转矩,式中，为传动机构总的转速比；为工作机构输出轴的机械角速度；为工作,机构的实际负载转矩；为传动机构的总效率。,（,2,）,当生产机械驱动电动机时,，传动机构的损耗是,由生产机械承担的,。,折算后的负载转矩,2,）直线作用力的折算（传递功率保持不变）,折算时同样应考虑功率的流向问题。,电机拖动起重机负载,实现升降运动的示意图,（,1,）当重物提升时，传动机构的损耗自然由电动机承担。于是有：,，则上式变为：,（,2,）当重物下放时，传动机构的损耗由工作机构承担。于是有：,式中，为重物提升时传动机构的效率。,将角速度与转速的关系代入上式得：,式中，为重物下放时传动机构的效率。,重物下放时传动机构的效率 与同一重物提升时传动机构的效率 之间满足下列关系式：,3,）,惯量与飞轮矩 的折算（储存的动能保持不变）,则折算后的转动惯量,将 代入上式，则折算后的飞轮矩为即：,4,）直线运动的质量折算,（储存的动能保持不变）,将 ，代入上式，则有：,通过上述折算，便可以将多轴拖动系统（包括旋转及直线运动）折算为单轴拖动系统。然后借助于单轴拖动系统的动力学方程式对多轴拖动系统的静、动态问题进行分析研究。,二,.,各类生产机械的负载转矩特性,定义：,生产机械的负载转矩与转速之间的关系 即为生产机械的负载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。,大多数生产机械可归纳为：,1,、恒转矩负载的转矩特性,特点：,负载转矩不受转速变化的影响。在任何转速下，负载转矩总是保持恒定或大致恒定。,反抗性恒转矩负载的转矩特性,反抗性恒转矩负载的转矩与转速的方向总是相反，亦即负载转矩总是阻碍电机的运动。,位能性恒转矩负载的转矩特性,位能性恒转矩负载的转矩不随转速方向的改变而改变。无论电机正、反转，负载转矩始终为单一方向。,3,、恒功率负载的转矩特性,图,3.9,恒功率负载的转矩特性,2,、风机与泵类负载的转矩特性,实际通风机的转矩特性,三,.,电力拖动系统的稳定运行条件,1,、电力拖动系统的稳态运行点,将电动机的机械特性与负载的转矩特性绘制在同一坐标平面上，则两条曲线的交点为电力拖动系统的稳态运行点。,电力拖动系统的稳态运行点,2,、电力拖动系统的稳定运行条件,对于稳态运行的电力拖动系统，若受到外部扰动（如电网电压的波动，负载转矩的变化等）后系统偏离原来的稳态运行点。一旦干扰消除，系统能够恢复到原来的稳态运行点，则称,系统是稳定的,；否则，,系统是不稳定的,。,在稳态运行点,A,处可以稳定运行,在稳态运行点,A,处不能稳定运行,电力拖动系统稳定运行的条件为：,物理意义,:,当在,A,点处于稳定运行系统受到外部扰动使得转速增加时，负载转矩的增加应大于电磁转矩的增加，系统才能够减速，回到原来的运行点。此时，系统在,A,点处是稳定运行的。,四,.,直流电拖系统动态过程的分析与计算,动态过程,(,或过渡过程,):,电力拖动系统从一种稳态向另一种稳态转换的过程,(,如起动、调速与制动），称为动态过程。,对电力拖动系统动态过程的主要研究内容：,这些规律是正确选择或校验电机及其定额的依据。,1.,电力拖动系统的动态数学模型,A,、,直流电动机的微分方程式,图,3.14,他励直流电动机的动态等效电路,根据他励直流电动机的动态等效电路图,3.14,和,KVL,，写出电枢回路的微分方程式为：,（,3-16,）,励磁回路的微分方程式为：,（,3-17,）,机械系统的动力学方程式为：,（,3-18,）,B,、直流电动机的传递函数模型,对微分方程式（,3-16,）和式（,3-18,）取拉氏变换，可得直流电动机的传递函数：,（,3-19,）,（,3-20,）,考虑到激磁电流固定，上式中的 和 为常数。,由此获得直流电动机的传递函数框图如图,3.15,所示。,图,3.15,直流电机的传递函数框图（电枢控制方式）,根据图,3.15,可分别求出传递函数为：,（,3-21,）,（,3-22,）,若忽略粘性阻尼系数，则式（,3-21,）和（,3-22,）可进一步简化为：,（,3-23,）,（,3-24,）,其中，为电枢回路的电磁时间常数；定义 为电力拖动,系统的机电时间常数。,忽略磁路饱和，则可利用叠加原理求得系统总的响应为：,（,3-25,）,C,、,直流电动机的状态空间模型,取 和 为状态变量，则将微分方程式写成如下矩阵方程形式，即可获得他励直流电动机的状态空间描述：,（,3-26,）,矩阵方程（,3-26,）可用下面标准形式表示为：,（,3-27,）,其中，为状态变量为输入矢量。,2.,直流电力拖动系统动态过程的分析计算,A,、直流电动机动态过程的一般分析计算,电力拖动系统存在下列两个时间常数：,（,1,）电磁时间常数：；（,2,）机电时间常数：,在对电力拖动系统进行分析时，可根据实际系统按下列两种情况进行分析：,1,）忽略电磁时间常数（即仅考虑机械惯量）的过渡过程分析,在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：,（,3-28,）,现假定系统由某一稳态,A,向另一稳态,B,过渡（见图,3.16a,），要求计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律，即：与 。,（,1,）,电枢电流的变化规律,由式（,3-28,）中的第,1,个方程得：,（,3-29,）将其代入式（,3-28,）的第,2,个方程得：,（,3-30,）,其中，为对应于 （即,B,点）的稳态负载电流；,图,3.16,他励直流电动机的过渡过程曲线,式（,3-30,）可整理为：,利用三要素法便可求得电枢电流的变化规律为：,（,3-31,）,式（,3-31,）可用图,3.16b,所示曲线表示之。,（,2,）,转速的变化规律,将式（,3-31,）代入式（,3-29,）得：,即,:,（,3-32,）,式（,3-32,）可用图,3.16c,所示曲线表示之。,2,）同时考虑机械惯量和电磁时间常数的过渡过程分析,在这种情况下，电力拖动系统的微分方程式变为：,（,3-36,）,现计算过渡过程中转速与电枢电流随时间的变化规律：，。,由式（,3-36,）的第,2,式可得：,（,3-37,）,将式（,3-36,）的第,1,式减去稳态电势平衡方程式：得：,将式（,3-37,）代入上式并整理得：,（,3-38,）,式（,3-38,）即为他励直流电动机拖动系统的一般微分方程。,式（,3-38,）对应的特征方程为：,相应的特征根为：,根据时间常数的大小，现分两种情况进行讨论：,（,i,）当 时，为一对相异的负实根，则微分方程（,3-38,）的一般解可表示为：,（,3-39,）,根据上式绘出过渡过程中曲线如图图,3.17a,所示。,图,3.17,他励直流电动机的过渡过程曲线,（,ii,）当 时，为一对具有负实部的共轭实根：，其,中，。,此时，微分方程（,3-38,）的一般解可表示为：,根据上式绘出过渡过程中的曲线 如图图,3.17b,所示。,（,3-43,）,五,.,直流电动机的起动,1.,对,直流电动机起动过程的一般要求,起动转矩应足够大；,起动电流要小；,起动设备简单、经济与可靠。,起动时转速,起动时要求满足：,起动电流,2.,他励,直流电动机的常用的起动方法,为了获得足够大的起动转矩的同时降低起动电流，起动时一般应按照如下步骤进行：,（,1,）,首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场；（全磁起动）,（,2,）待主磁场建立之后再加入电枢电压。,A,、电枢回路串电阻起动,他励直流电动机采用两级电阻起动时的电路图和相应的机械特性。,直流电动机人工起动器的电气原理图,B,、,降压起动,他励直流电动机的降压起动过程,降压起动的优点是，起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少，因而在直流电力拖动系统中得到广泛采用。,六,.,直流电动机的调速,1.,与调速有关的性能指标,A,、,调速范围,D,：,B,、,静差率,（,3-47,）,C,、,调速的平滑性,D,、原始投资与运行成本,2.,他励直流电动机常用的调速方法,A.,降低电枢电压调速,B.,弱磁升速,3.,调速方式与负载类型的配合,1.,与调速有关的性能指标,A,、,调速范围,D,：,B,、,静差率,他励直流电动机的调速范围与静差率之间的关系,他励直流电动机的固有机械特性,电枢回路串电阻的人工机械特性,降低电枢电压的人工机械特性,1),当,n,0,一定时，机械特性越硬，由空载到负载的转速变化越小，则静差率越小。,2),对于实际拖动系统而言，如果最低速度,n,min,（电枢回路串电阻最大或者降压调速时最小电压）时的静差率,满足要求，最高速,n,max,的静差率,自然满足要求,。,以低速时的静差率核算：,上式表明，若低速时 的满足要求，低速时的 越大则调速范围 越小；,例题：,某直流调速系统要求调速范围,D=5,，静差率,max,=20%,，在电动机额定功率及额定转速都满足要求的条件下，请问这台它励直流电动机采用降压调速的方法是否满足调速要求,?,电动机数据为：,=,因为对最低转速也有要求,则调速范围,不满足要求。,由于静差率和调速范围有关系，并且相互制约，调速范围是在具体的静差率限定下才有意义；否则电动机本身带负载可以使最低速到零，这样将毫无意义，在一定的静差率的限定下的调速范围的扩大，主要靠提高机械特性的硬度。因此需要调速的生产机械必须同时提出静差率和调速范围这两项指标，以便选择合适的调速方法。,一般车床调速要求为,龙门刨床调速要求：,高级造纸机调速要求：,就它励直流电动机本身而言，提高机械特性硬度的余地不大，因此电力拖动系统常采用电压或者转速负反馈等闭环控制来提高机械特性硬度，扩大调速范围。,C,、调速的平滑性,平滑系数。平滑系数定义为相邻两级的转速比，即：,D,、原始投资与运行成本,调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运行费用。运行费用主要是指调速过程中的损耗，通常用效率来衡量，即：,2.,他励直流电动机常用的调速方法,电枢回路串电阻情况下的人工机械特性和负载特性,结论：,随着电枢回路电阻的增加，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软，导致转速下降。因此，电枢回路串电阻只能在额定转速（又称为基速）以下调速。,A.,降低电枢电压调速,（,1,）电枢回路串电阻降压调速,可见，随着转速的下降，电动机的运行效率降低。,电枢回路串电阻调速的经济性指标,忽略机械耗和铁耗，并根据上式得电动机的总损耗为：,它励直流电动机的输入功率,1),调速设备简单。,2),转速越低，效率越低。,3),低速时速度稳定性差。,4),有级调速。,电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不高，而且不经常调速的设备。如起重机、运输及牵引机械中。,电枢回路串电阻调速的特点：,（,2,）降低电源电压降压降速,降低电源电压情况下的人工机械,特性和负载特性,结论,：,随着外加电源电压的降低，电动机的转速下降。调压调速时的特点是：,1,）其机械特性的硬度保持不变，从而确保了这种调速方法具有更宽的调速范围。,2,）无级调速。,如何得到可调节的直流电源？,旋转变流机组供电（,G-M,系统）,V-M,系统,直流斩波或脉宽调制变换器,结论：,随着励磁电流的减小，电动机的转速升高。为了确保电机的磁路不至于过饱和，通常，弱磁调速一般在基速（额定转速）以上进行。,B.,弱磁升速,图,3.26,他励直流电动机弱磁升速的过渡过程,为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速与额定转速以下的降压调速配合使用。,弱磁调速时的过渡过程,3.,调速方式与负载类型的配合,调速系统须满足下列两个准则：,（,1,）在整个调速范围内电机不至于过热，要求：；,（,2,）电动机的负载能力要尽可能得到充分利用。,A.,调速方式,电力拖动系统的调速方式主要分为两大类：,（,1,）,恒转矩调速方式,：在保持 不变的前提下，保持不变；,（,2,）,恒功率调速方式,：在保持 不变的前提下，保持不变。,负载能力是指在调速过程中，在确保电枢电流 的前提下，电动机长期运行所能输出的最大转矩或功率。其并不代表电动机的实际输出转矩和功率，反映了其输出的容许值。,（,1,）对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：,由于调速过程中，保持不变，故电磁转矩为：,电机轴上的输出功率为：,结论：,电枢回路串电阻与减低电源电压的降压调速均属恒转矩调速方式，其轴上,容许,的输出功率与转速成正比。,（,2,）对于弱磁调速方式,由于调速过程中，保持 不变，于是有：,将上式代入电磁转矩表达式得：,于是有：,结论：,弱磁调速属于恒功率调速方式，其,容许的输出转矩与转速成反比。,结论：,基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式，而基速以上，则采用恒功率调速方式。,图,3.27a,、,b,分别给出了他励直流电动机在整个调速过程中的机械特性与负载能力曲线。,图,3.27,他励直流电动机调速过程中,所容许的转矩和功率,B.,调速方式的选择,考虑到生产机械可大致分为恒转矩负载和恒功率负载两种类型，为了确保电机在,不过热的前提下负载能力得到充分发挥,，调速方式应根据下列准则选择：,（,1,）对于恒转矩负载应选择具有恒转矩调速方式；,（,2,）对于恒功率负载应选择具有恒功率调速方式；,否则，会造成不必要的转矩和功率浪费。,(1),假若恒转矩负载选择恒功率调速方式,为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足：,根据图,a,，显然，电动机的转矩应按照高速数值选择，即：,低速时，有：,浪费的转矩为：,浪费的功率为：,结论：,恒转矩负载不宜采用恒功率调速方式。,电动机的容许输出转矩,（,2,）,假若恒功率负载选择恒转矩调速方式,为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须 ，根据图,(b,电动机的转矩应按照低速数值选择，即：。,高速 时，有：,浪费的功率为：,浪费的转矩为：,结论：,恒功率负载不宜采用恒转矩调速方式。,电动机的容许输出功率,调速方法,电机类型,控制装置,D,转速,变化率,特点,适用场合,电枢回路串电阻,他励、复励、串励,接触器和电阻,2,：,1,大,有级调速，恒转矩,频繁起动、制动短时低速如起重机、电动车辆,降压,调速,G-M,他励,交流发电机,-,直流电动机组和发电机励磁及系统调节装置,100,：,1,（闭环）,小,恒转矩，无级调速，机组变流效率低。,被,V-M,系统替代。,V-M,他励,晶闸管变流装置和系统调节装置,150,：,1,（闭环）,小,恒转矩，无级调速，效率比机组高，体积小，噪音小。,应用广泛,斩波器,他励、,串励,直流恒压电源。斩波器和系统调节装置,100,：,1,（闭环）,小,恒转矩，无级调速，,用于公共直流电源或恒压直流电源场合，地铁、工业用电动车辆,变磁通,并励、,他励,变流机组、励磁调节装置或,SCR,变流、励磁调节装置,2,：,1,3,：,1,较小,恒功率，无级调速，,要求高速恒功率调速的机械，如轧钢机，提升机等。,直流电动机几种调速方式的特点,调速方法,电枢串电阻,降电源电压,弱磁,调速方向,向下调,向下调,向上调,50,的调速范围,2,1012,1.22,一定调速范围内转速稳定性,差,好,较好,负载能力,恒转矩,恒转矩,恒功率,调速平滑性,有级调速,无级调速,无级调速,设备及投资,少,多,较多,电能损耗,多,较少,少,直流电动机的调速方法的比较,广义的制动是电磁转矩 与转速 方向相反的一种运行状态。,1.,能耗制动,能耗制动是指将机械轴上的动能或势能转换而来的电能通过电枢回路的外串电阻发热消耗掉的一种制动方式。,七,.,他励直流电动机的制动,把电机从电源脱开,(K,1-1,和,K,1-2,断开），然后在电枢回路串一个合适的电阻（,K,1-3,闭合）。,A,.,能耗制动原理图,制动后，直流电机的电枢电流方向改变，因此，,改变方向，由驱动性变为制动性的电磁转矩，即从而电机处于,发电制动状态。,B.,能耗制动时电动机的机械特性与制动电阻的计算,他励直流电机的机械特性方程式可表示为：,(3-61),（,1,）对于反抗性负载,能耗制动时他励直流电机的机械特性,是一条通过原点且位于第,II,象限的直线。,（,2,）对于位能性负载,C,能耗制动时的制动电阻决定了制动转矩的大小，为防止制动电流过大一般按照下列规则选择，即：,制动电阻,由此求出制动电阻为：,C.,能耗制动时他励直流电动机的的过渡过程分析,（,1,）对于反抗性负载：,能耗制动时拖动系统的基本关系式可由下式给出：,将方程组中的第,1,式代入第,2,式，并整理得：,式中，机电时间常数 。,（,2,）对于位能性负载：,当 时，故有：,将上式代入（,3-64,）得：,（,3-65,）,解上式得：,（,3-66,）,同理，,（,3-67,）,根据上述关系式，便可绘出 以及 如图,3.30,所示。,2.,反接制动,反接制动是指外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向的一种制动方式。,反接制动,电枢反接的反接制动,转速反向的反接制动,B.,转速反向的反接制动,对于位能性负载当重物提升时，电机工作于电动机状态下运行，若希望重物稳定下放，则可以通过在电枢回路串较大电阻实现。此时转速反向，感应电势,E,a,反向，电磁转矩,T,em,方向不变。（突串入一个大电阻，转速不能突变，由电压平衡方程式，电枢电流,I,a,迅速减小，电磁转矩,Tem,也随之减小，小于负载转矩，转速逐渐减小（电枢电流和电磁转矩开始增加），当转速减小至,0,，电磁转矩仍然小于负载转矩，转速,n,反向，,电磁转矩,Tem,与,n,方向相反是制动性转矩，,直至,电磁转矩,Tem=T,L,，达到新的平衡。）,1,）工作原理,当采用转速反向的反接制动时，他励直流电动机的机械特性可表示为：,2,）机械特性方程式和机械特性曲线,3,）制动电阻的计算,B.,电枢反接的反接制动,反接制动过程：把外加电源反接，同时在电枢回路中串入限流的反接制动电阻（,K,1-1,和,K,1-2,断开，,K,2-1,和,K,2-2,闭合），电枢电流,I,a,和电磁转矩,T,em,反向与转速,n,的方向相反，实现反接制动。,1),电枢反接的反接制动原理图,2,）,反接制动时电动机的机械特性,反接制动过程中电机的机械特性,反接制动时电机的机械特性是一条位于第,II,象限的直线。,反接制动过程分析,反接制动时电机的机械特性是一条位于第,II,象限的直线。,返 回,3,）反接制动时电动机制动电阻的计算,对制动机械特性曲线上,B,点应用电压平衡方程式,一般而言，我们需要限制最大制动电流即：,则,则,4,）,反接制动时他励直流电动机的的过渡过程分析,（,1,）对于反抗性负载：,根据图,3.33,可知,，,若希望系统在反接制动过程中最后停车，则电机的机械特性对应于,BC,段。对应于,BC,段的过渡过程曲线可采用三要素法并利用虚稳定点的概念获得，其表达式如下：,若反接制动在,C,点不停车，则电机将反转，系统工作点将沿,CD,移动并最终稳定运行在,D,点。,对应于,CD,段的过渡过程曲线可采用同样的方法求得，其表达式如下：,（,3-79,）,（,2,）对于位能性负载：,若仅考虑反接制动停车，则,BC,段的过渡过程与反抗性恒转矩负载情况完全相同（见图,3.33,）。,若反接制动在,C,点不停车，则由于整个制动过程包括,反接制动阶段（,BC,段）,、,反向电动机运行（,CF,段）,以及,回馈制动阶段（,FE,段），,跨越机械特性的第,II,、,III,、,IV,象限，如图,3.33,所示。采用三要素法便可获得相应的过渡过程曲线表达式为：,3.,回馈制动,回馈制动是电机的,实际转速超过理想空载转速,的运行状态。在这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制动又称为再生制动。,回馈制动时电机的接线同电动机运行状态完全相同，其机械特性的表达式也完全相同。所不同的是：电机的实际转速超过理想空载转速，导致外加电压低于感应反电势，即：。于是有：,回馈制动通常发生在下列三种情况下：,1.,重物下放过程中,2.,降压过程中,3.,增磁减速过程中,八,.,直流拖动系统的四象限运行分析,对于能够提供正、反转运行并能分别实现正、反转方向上的快速制动的拖动系统，由于其对应电机的机械特性分别位于四个象限，故又称为具有四象限运行的电力拖动系统,。,四象限运行的他励直流电机机械特性及其各种运行状态,图,3.43,一般电力拖动系统的四象限运行与各种运行状态示意图,两个实例：,（,1,）直流电机拖动反抗性负载,图,3.34,给出了一个直流电机拖动小车实现两点运行的电气控制电路图。图,3.45,为对应该方案的四象限运行时的机械特性。,图,3.44,电动小车拖动系统的电气控制电路图,图,3.45,电动小车四象限运行时的机械特性,（,2,）直流电机拖动位能性负载,图,3.46,吊车提升机构的示意图,图,3.47,提升机构的负载转矩特性,图,3.48,与图,3.49,分别给出了吊车提升机构的电气控制电路图和相应的四象限运行的机械特性。,图,3.48,吊车提升机构的电气控制电路图,图,3.49,位能性负载四象限运行的机械特性,