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第二章直流电机的电机拖动

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1. 电力拖动的动力学基础; 2. 他励电动机的机械特性; 3. 他励直流电动机的起动; 4. 他励直流电动机的制动; 5. 他励直流电动机的调速; 直流电机的电机拖动 电力拖动系统的动力学基础 以电动机作为原动机,按人们所给定的规律来带动生产 机械, 称为电力拖动。 电 源 控制设备电动机传动机构工作机构 电力拖动系统的构成 基础 • 运动方程: g: 重力加速度, 9.8米/秒2;GD2:系统的飞轮矩(牛·米2) ; n: 转速(转/分);M、MZ:转矩(牛·米) 注意:GD2是一个完整的符号;M、MZ具有方向性, 与转 速方向一致为正。 多轴系统的运动方程 系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴, 称 为多轴系统。 对多轴系统的分析,通过把多轴系统折算为等效的 单轴系统,进行简化。按单轴系统的运动方程进行 简化。 折算原则:保持系统的功率传递关系及系统储 存的动能不变。 负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等 负载转矩的大小 与速度无关,但 其方向始终与转 向相反 MZ n 0 负载转矩特性 反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载 恒功率负载通风机型负载 转矩具有固定的 方向,不随转速 方向的改变而改 变 n MZ 0 负载的功率为常 数,不随转速的 变化而改变 负载的转矩与 转速的平方成 正比 MZ n 0 MZ n 0 M n 稳定运行条件 电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析 拖动系统运行时,在同一坐标图上,两特性的交点 是系统的平衡点。 平衡点=稳定点? 稳定点:在受到外界扰动 后, 仍能还原的点。 稳定点的条件 : 他励直流电动机的机械特性 直流电动机的基本方程式: 电磁转矩 : 感应电动势: 电枢回路电势 平衡式: 电动机转速特性 : 机械特性一般表达式 : n 0Mem 他励直流电动机的固有机械特性 当U=UN,= N,电枢回路无外接电阻时,转 速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。 n0 Mem0 n’0 MemN nN 分析: 1. 电磁转矩越大, 转速越低, 机械特性是一条下斜直线; 固有机械特性分析 2. 当转矩等于零点, 为理想空载转速。 此时Ia=0, Ea=UN, 是一种理想工作状态。 3. n0’为电动机的实际空载转速, 比n0略低。对应于 空载转矩。 4 为机械特性斜率。ß增大, 也增大。 通 常称ß小的机械特性为硬特性,ß大的机械特性为软特性。 n 0 Mem n0 Mem0 n’0 MemN nN 固有机械特性分析 5. 额定转速变化率 ,表示电机额定负载 时的转速比n0降落的程度。 6. nn0时为发电机状态,此时 EaU, Ia反向, Ea 与Ia同向, 向电网送出电功率。 7.堵住点。 此时 电枢电流: 为短路电流; 电磁转矩: 为电机堵转转矩。 n 0 Mem n0 Mem0 n’0 MemN nN 人为机械特性分析 根据转速、转矩公式 人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性,称为 人为机械特性。 有三种人为机械特性: (1)电枢回路串电阻的人为机械特性; (2)改变端电压时的人为机械特性; (3)减弱电动机主磁通时的人为机械特性; Mem 0 n 电枢回路串电阻的人为机械特性 保持U=UN 及= N 不变而在电枢回路中串入电阻 Rc,所得的n=f(Mem)关系。 对于给定的Rc,,为常数。 Ra+Rc1 Ra+Rc2 人为 Rc2Rc1 固有 Ra n0 电枢回路串电阻的人为机械特性 电枢串电阻人为特性的特点: (1)理想空载转速n0’与固有机械特性的n0相同 ; (2)斜率 ,特性变软, 在同一个转矩下,转速下降更多。 Mem 0 n 改变端电压时的人为机械特性 保持每极磁通为额定值不变,电枢回路不串电 阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。 表达式: 一般都为降低的电压。 人为 UNU1U2 固有 UN n0 U1 U2 改变端电压时的人为机械特性 改变端电压人为特性的特点: (1)理想空载转速比固有特性的理想空载转速 低。端电压下降越多,其理想空载转速越低。 (2)端电压不同,但人为特性的斜率跟固有 特性的斜率相等,因此各条特性彼此平行。 Mem 0 n 减弱电机主磁通的人为机械特性 保持端电压为额定值不变,电枢回路不串电阻 (Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。 表达式: 额定时,接近饱和,一般都 为减弱的磁通。 N N’ 固有 N n0 人为 N’ 减弱电机主磁通的人为机械特性 减弱电机主磁通人为特性的特点: (1)由于’If2 从两个稳定点P、Q对应转速说 明减小励磁可以使转速升高。 弱磁调速的过程 If减小瞬 间 速度不变 减小 If1 If2 P Q If1If2 Mem n 机组加速 nEa Ia Mem Mem=MZ 新的平衡,新的Ia和n 弱磁调速 调速前后的量: (1)假定负载转矩不变, (2)假定磁路不饱和,不计电枢反应和IaRa的变化 (3) 恒转矩负载, , 基本不变 弱磁调速特点 § 优点:设备简单,调节方便,能耗小。 § 缺点: 单方向调节,转速调得过高,励磁过弱, 电枢电 流变大, 换向变坏, 出现不稳定。 改变端电压调速 保持电动机的= N不变且无外接电枢电阻, 仅降 低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的, 称为降压调速。 Mem n U1 U1U2U3 U2 U3 P Q 电压越低, 转速越低, 调速 方向从基值往下调。 调节过程: (留为作业) (1)降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线 , 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果 。 (2)由于人为特性硬度不变,低速时由于负载变化 引起的转速波动不大。静态稳定性好, 调速范围大 。 (3)可平滑调节端电压, 使转速平滑调节,实现无 级调速。 (4)调节过程能量损耗小。 调压调速的特点: 改变电枢回路电阻调速 保持U=UN且= N不变,电枢回路中串入调 速电阻Rc,使同一个负载得到不同转速的方法 , 称为电枢串电阻调速。 串入电枢回路的电阻越大, 转 速越低。 R2 R1 P Q R1R2R3 Mem n R3 电机运行于固有机械特性上的转 速称为基速。 电枢回路串电阻调 速的方法, 只能从基速往下调。 串电枢电阻调速 该调速的特点: (1)设备简单、操作方便。 (2)低速时, 机械特性很软, 当负载变化时, 转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。 (3)由于电阻的不连续调节, 因此速度调节不 平滑, 属有级调速。 (4)电枢电流在Rc上消耗的能量大, 调速时 效率低。 效率与转速成正比。 调速性能指标 (1)调速范围:电动机在额定负载转矩下调速时, 最 高转速与最低转速之比。用D表示。 (2)静差率(相对稳定性:也称转速变化率。指电动 机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越 小, 转速的相对稳定性越好。 (3)调速的平滑性:无级调速平滑性最好, 有级调速 由相邻两级转速中, 高一级转速与低一级转速之比。 (4)调速时电动机的容许输出:电动机在不同转速时 轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不 同。 (5) 经济性 电动机调速时的容许输出 在某转速下, 电机即能充分利用, 又能安全运行时输 出的功率和转矩称为, 调速时的允许输出功率和转矩 。 (1)调压调速的允许输出 降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。 在整个调速范围允许输出转矩为常数,恒转矩调速方式 。 允许输出功率与转速成正比。 保持I不变 弱磁调速时的允许输出 弱磁调速时,保持电流I=IN 弱磁调速时, 在整个调速范围内的允许输出功率为常 数, 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比。 负载类型与调速方式的配合 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。 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。 恒转矩调速方式 弱磁控制 恒功率负载与调速方式的配合 恒功率负载 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。 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。 恒转矩调速方式 恒功率控制 通风机负载与调速方式的配合 M n UN U ’ nmax nmin MN ML n M nmax nmin N  ’ ML 恒转矩控制恒功率控制 两种调速方式,在整个调速范围内,除n=nmax外所有的转速点, 输出转矩多小于允许输出,速度越低, 电机越不能充分利用。 相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些 。 直流电动机的制动 直流电动机的两种运转状态: (1)电动运转状态:电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相同 ,此时电网向电动机输入电 能, 并转变为机械能带动负载。 (2)制动运转状态:电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相反,此时电动机吸收机械能转变 为电能。 电动机很快停车,或者由高速运行很快进入低速, 要求制动运行。 直流电动机的制动 断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 机械制动 电气制动 自由停车 能耗制动的方法和原理 保持励磁电流If的大小及方向不变, 将开关接至RT , 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。 参数特点:= N, U=0, 电枢回路总电阻R=Ra+RT 实际上是一台他励直流发电机。 轴上的机械能转化成电能, 全 部消耗于电枢回路的电阻上, 所以称为能耗制动。 If UN RT Ea Ia n M n 固有 能耗制动时的机械特性 能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式,得到能耗 制动时的机械特性: 制动过程: 串电阻 反抗性负载停车 位能性负载稳速下放 能耗制动的特点 能耗制动的特点: (1)操作简单,停车准确 (2)能耗制动产生的冲击电流不会影响电网; (3)低速时制动转矩小,停转慢 ; (4)动能大部分都消耗在制动电阻上。 制动初瞬的最大电流 : 制动电阻: 反接制动 反接制动 转速反向(用于位能负载) 电枢反接(用于反抗性负载) (电动势反向) (电压反向) 转速反向的反接制动 If及端电压UN不变, 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻 RT,使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。 不同的RT,可得到不同的稳定转速。 n Mem 0 nA B C D A nD 电压平衡式: 机械特性: 转速反向的反接制动 能量关系: U及Ia的方向与电动状态相同,UIa表示由电网输入的功率; Ea 的方向与电动状态时相反, EaIa表示输入的机械功率在 电枢内变成电磁功率; UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻Ra+RT上。 电枢反接的反接制动 保持If不变, 将开关向下合闸, 使电枢经制动电阻RT 而反接于电网上。 参数特点:= N, U=-UN。 R=Ra+RT. If UN RT Ea I a n Mem nA A B C D E 电动下固有 不串RT 串RT nE 电枢反接的反接制动 机械特性: 能量关系 : 从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电 枢回路的电阻上。 电压平衡式 : (Ia反向) 电枢反接的反接制动 特点: (1)可以很快使机组停机。 (2) 需要加入足够的电阻, 限制电枢电流; (3)转速至零时, 需切断电源。 Mem n0 电动下固有 A nA 回馈制动 当转速高于某一数值时,电枢电动势大于端电压, 电机进 入发电状态, 电磁转矩起制动作用, 限制转速上升, 位 能转换为电能, 回馈到电网。 (分反向和正向回馈制动) (1)电压反向的反接制动 (2)反向电动状态 (3)回馈制动 E nE B C D 串RT n0’ 反向回馈制动 反向回馈时, 电机实际转速方向与电压反向 后的理想空载转速方向一致, Ia与Ea方向一致。 电机呈发电机状态。 回馈制动的下放速度: 能量关系 : •电磁功率Pem=EaIa0,电机从轴上输入 机械功率转变为电功率; •输入功率P1=UIa0;回馈给电网的功率; •电枢回路能量损耗为Ia2(Ra+RT); 系统储存的位能转换成电能送回电网。 正向回馈制动 (1)电车下坡 (2)过渡回馈制动过程(降压运行 ) Mem n A B ML-ML n0 C D 点A 点B 点A 点C 点D 回馈制动 回馈制动过程中,有功功率U Ia回馈电网 。从电能消耗看, 回馈制动是最经济的 一种制动方式。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状 态的重要特点。
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