直流电动机拖动解读

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1、本章主要内容 直流电动机的机械特性 直流他励电动机的起动 直流他励电动机的制动 直流他励电动机的调速,电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。 电动机的机械特性在很大程度上决定了电力传动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。 电动机机械特性的研究是“电力拖动”的核心内容。,电动机的机械特性： 电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T),假设：1. 电源电压为恒值； 2. 磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应；3. 电枢回路电阻为恒值,当U=UN、If =IfN 时的： n = f (Tem ) 表达式：,1 直流电动机的机械特性

2、,1.1他励直流电动机的固有机械特性,机械特性为线性,理想空载转速,转速降,1 直流电动机的机械特性,1.1他励直流电动机的固有机械特性,机械特性特点 一条下倾的直线； 当电动机有输出转矩(带负载)时，转速下降； 斜率愈大，速度降落愈大，特性向下倾斜就愈明显，即称为机械特性愈“软”；反之，特性愈平坦，机械特性愈“硬”。,额定转速降nN0.05n0,起动电流Ist =UN/Ra ； 启动转矩Tst=CTNIst,1 电枢回路串R,1 直流电动机的机械特性,1.1他励直流电动机的人为机械特性,电枢回路串R、改变、改变U,一组相交线 斜率增大机械特性变软 截距不变,注意！ R只能串在电枢回路，因此n

3、 只能减小 R上由Ia产生消耗电功率，整个系统效率降低,一组平行线 斜率不变特性硬度不变 截距不同 注意！只能降低电压,1 改变端电压U,1 直流电动机的机械特性,1.1他励直流电动机的人为机械特性,注意！只能减小磁通 理想空载转速n0增大 斜率增大特性变软 Ia增大,1 改变磁通,1 直流电动机的机械特性,1.1他励直流电动机的人为机械特性,2 他励直流电动机的启动,起动电流Ist =UN/Ra 尽量小 Ist(22.5)IN 启动转矩Tst=CTNIst 足够大 Tst(1.11.2)TN,起动过程：电机从静止加速到某一稳定运行速度的过程。,直流电动机启动基本要求：,不采取任何措施，把直流

4、电动机的电枢直接投入额定电压的起动，称为直接起动。 直流电动机一般不允许直接起动！ (小容量直流电机由于Ra大,可以直接起动)。,设一台直流电动机， 其电枢电压Ua=110 V， Ra=50 ， 空载时的电枢电流Ia0 =0.062 A， 负载后， 当Ia=0.4 A时其转速n=3600 r/min。 若励磁回路断开后剩磁下降为正常磁通的 0.04， 问励磁回路断开后将会产生什么后果?,1）启动时要使励磁磁通最大；,2）切勿使励磁回路断开。,若励磁磁通小，则Tst变小，Ist持续时间加长，发热严重；,启动前，励磁回路断开，无法启动。 运行中，若励磁回路断开, 后果很可怕！,注意！,2 他励直流

5、电动机的启动,1) 当电机加负载时(设负载转矩不变) 根据转矩平衡关系， Tem=TL+T0不变， 故励磁回路断开前后的电磁转矩应不变， 即 T=CTIa=CTIa,但这台电机由电源所能产生的最大电枢电流为,IaIa， TemTL+T0,电机转不动。此时电机虽有电磁转矩， 但带不动负载而被卡住， 这种情况称为堵转状态。 电动机堵转时的电枢电流称为堵转电流。 长期通过堵转电流将使电机绕组过热而损坏！,2) 当电机空载时 Tem=T0基本不变, 因此励磁回路断开前后电磁转矩应相等， CTIa0 =CTIa0 励磁回路断开后的空载电枢电流,励磁回路断开后的转速对断开前的负载转速之比为,即电机的转速n

6、=8n3600=28800 r/min。n导致尖锐噪声， “飞车”,a,b,A,n n0 n2 n1 0,TL=T2 T1 Tst T,2 他励直流电动机的启动,给定Ua ，由电压平衡方程式有 Ua =Ea +IaRa =Cen+IaRa 电磁转矩 Tem=CTIa 稳态时， Tem=TL，当TL，不变时，升高Ua 电动机有惯性， 转速不能马上跟上！,降压启动,过渡过程转矩平衡（忽略T0）,2 他励直流电动机的启动,电枢回路串电阻启动,2 他励直流电动机的启动,电枢回路串电阻启动,3 他励直流电动机的调速,生产机械的调速是工业生产的实际需要 调速可分为机械调速和电气调速两类。 改变传动机构速比

7、的调速方法称为机械调速。 通过改变电动机相关参数而运行转速的方法称为电气调速。 在电力传动系统中研究的调速，一般是指电气调速。 调速系统指标（技术指标和经济指标）： -调速范围；D=nmax /nmin -调速的稳定性和相对稳定性（即静差率）； -调速的平滑性； -调速的负载能力； -调速的经济性。,Ua,Ra,可变,3 他励直流电动机的调速,1) 降低端电压Ua (Ra,不变) Ua=Ea+IaRa,调速方向：由基速向下调速 调速范围：较宽 调速的稳定性：好（斜率不变） 调速的平滑性：无级调速。 调速的经济性：电能损耗较少 设备初投资：多 应用场合：频繁启动、调速性能要求高的大型设备。,C,

8、A,n n0 n1 n2 n3 0,TL T,B,恒转矩调速,UC,UB,UA,3 他励直流电动机的调速 2)电枢回路串电阻(Ua,不变),调速范围：向下调速，调速范围较小；轻载时几乎没法调速 调速的稳定性：差。低速时转速不稳定，静差率大。 调速的平滑性：有级调速，转速不能连续调节。 调速的经济性：电能损耗大，系统效率降低，设备初投资少 优点：方法比较简单。 应用场合：1.电动机容量不大 2.低速工作时间不长 3.调速范围较小的场合。,恒转矩调速,C,A,B,3 他励直流电动机的调速 3)减弱磁通调速(Ua,Ra不变，减小If),调速方向：由基速向上调速 调速范围：受nmax限制，调速范围有限

9、。 调速的稳定性：较好。 调速的平滑性：无级调速。 调速的经济性：电能损耗少， 但设备初投资：较多 优点：能量损耗小，控制比较容易，可平滑调速。 应用场合：应用广泛。,恒功率调速,例 他励直流电动机额定数据：PN5.6kW，UN220V，IN30A，nN1000r/min, 电枢回路总电阻Ra0.4, TZ=0.8TN。 试求： （1）如果电枢中串入电阻Rj0.8, 求稳定后的转速和电流； （2）采用降压调速使转速降为500 r/min, 端电压应降为多少？稳定后电流为多少？ （3）如将磁通减少15， 稳定后的转速与电流是多少？,3 他励直流电动机的调速,解题要点 （1）利用电势公式和转矩公式

10、系数相同，互相转换 （2）根据负载变化否确定电流的大小，再求其它量 （3）如果有调速的问题，调速瞬间转速不能突变， 电流可以变化很大,3 他励直流电动机的调速,3 他励直流电动机的调速,3 他励直流电动机的调速,电磁转矩T与转速n 同方向 负载转矩TL与转速n 反方向,4 电力拖动系统动力学 4.1 电力拖动系统运动方程,采用牛顿第二定律（旋转运动） J转动惯量，kg m2 GD2飞轮矩/飞轮惯量，N m2,4 电力拖动系统动力学 4.1 电力拖动系统运动方程,当TTL时，即速度导数0，电力传动系统处于恒速运行的平稳状态(或静止)； 当TTL时，即速度导数0，电力传动系统处于加速运行的过渡过程

11、； 当TTL时，即速度导数0，电力传动系统处于减速运行的过渡过程。,4 电力拖动系统动力学 4.1 电力拖动系统运动方程,负载转矩的符号 负载转矩与运动正方向相反的为正， 负载转矩与运动正方向相同的为负。,注意！,负载的转矩特性可以归纳为以下三种典型类型： 1.恒转矩负载 2.恒功率负载 3. 通风机负载,4 电力拖动系统动力学 4.2 电力拖动系统的机械特性,1）生产机械的机械特性 生产机械的负载转矩与转速之间的关系TL=f(n)，称为负载的转矩特性，也称为生产机械的机械特性,4 电力拖动系统动力学 4.2 电力拖动系统的机械特性,1）生产机械的机械特性负载的转矩特性 A 恒转矩负载负载转矩

12、TL大小恒定,1.反抗性恒转矩负载 特点：负载转矩的大小不变，阻碍运动；制动转矩 n0时，TL0(常数)； n0时，TL0(常数)； TL的绝对值相等。 如：胶带运输机,2. 位能性恒转矩负载 特点：负载转矩的大小不变，且负载转矩方向也不变， n0时，TL0，转矩阻碍运动，制动转矩； n0时，TL0，转矩帮助运动，驱动转矩。 TL的绝对值相等。 如提升机,1）生产机械的机械特性负载的转矩特性 A 恒转矩负载负载转矩TL大小恒定,4 电力拖动系统动力学 4.2 电力拖动系统的机械特性,特点：负载转矩的与转速n成反比，即TL1/n， 双曲线； 如金属切削加工： 粗加工时，切削量大，切削阻力大，机床

13、开低速； 精加工时，切削量小，切削阻力小，机床开高速；,1）生产机械的机械特性负载的转矩特性 B 恒功率负载负载机械功率恒定PL=TL=常数,4 电力拖动系统动力学 4.2 电力拖动系统的机械特性,特点：抛物线， 如通风机，水泵，油泵,1）生产机械的机械特性负载的转矩特性 C 通风机负载负载转矩TL与转速n2成正比,4 电力拖动系统动力学 4.2 电力拖动系统的机械特性,实际的负载以某种典型为主或几种典型的结合。 例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。,稳定运行 系统匀速运行；T=TL 当系统受外部干扰使转速稍有变化时，在

14、外部扰动消失后系统能恢复到原来的稳定运行速度。,4 电力拖动系统动力学 4.3 电力拖动系统的稳定运行条件,工作点：电动机的机械特性与负载转矩特性的交点（T=TL）。 系统受到干扰后，若能回到原来工作点上继续稳定运行，则该工作点为稳定工作点。否则，为不稳定的工作点。,E,D,F,A工作点（稳定工作点） -外干扰使转速上升至B，干扰消失 - 外干扰使转速下降至C，干扰消失 D工作点（不稳定的工作点） -外干扰使转速上升至E，干扰消失 - 外干扰使转速下降至F，干扰消失,4 电力拖动系统动力学 4.3 电力拖动系统的稳定运行条件,C,A,n nB nA nC nE nD nF 0,TB TF TL

15、 TE TC T,B,5 他励直流电动机的制动,1）电动机的工作状态按拖动性能分为,电动运转状态电机转矩方向与转速方向相同。电能机械能 制动运转状态电机转矩方向与转速方向相反。 -实质是电动机作为发电机工作。 机械能电能 -目的：停车，降速等,2）电力拖动系统中有三种不同的制动状态,能耗制动：将机械能变成电能，把它们消耗在电枢（转子）回路的电阻中。 反接制动：电机同时吸收机械能和电能，把它们消耗在电枢（转子）回路的电阻中。 回馈制动：将电机轴上的机械能或拖动系统存储的动能，变成电能输送到电网。,第、III象限为电动工作状态； 第II、IV象限为制动工作状态。 在第象限，T与n同方向，电机作为电动机运行，发出机械功率，称为正向电动状态； 在第II象限， T与n反方向，功率是负的，电机正方向运行并发出阻碍系统运动的转矩，称为正向制动状态； 在第III象限，反向电动状态 在第IV象限，反向制动状态。,5 他励直流电动机的制动 电机的四象限运行状态,电机处于电动运行状态下，把电枢断开电源，接到制动电阻上。,5 他励直流电动机的制动 5.1 能耗制动,5 他励直流电动机的制动 5.1 能耗制动（反抗性负载）,能耗制动时的机械特性 电枢电