电机及拖动第二章.

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1、电机与拖动 第一节 电力拖动系统的运动方程 一运动方程 该式中：J为转动惯量 d/dt是角加速度，m G是 旋转部分的质量（kg）和重量（N） D分别是惯性 半径和直径（米） 为电动机转子与生产机械转动部分的 飞轮矩（牛.米2） 飞轮矩是用来表征转动体的惯性作用的。 第二章 直流电动机的电力拖动 电机与拖动 由 ： 及 得： 所以，旋转运动的运动方程式为： 电机与拖动 二运动方程式符号的确定 转矩Tem 和TZ是具有方向性的，在各种不同的运转 状态下， Tem 及TZ的大小要变化，方向也要变化。 因此，运动方程式可表示为： 正负号的取法： Tem ：当Tem 与规定的转速正方向一致取正，反之取

2、负； TZ ：当TZ与规定的转速正方向一致取负，反之取正。 , 电机与拖动 第二节 生产机械的负载转矩特性 负载转矩特性：是指生产机械的负载转矩与转速的 关系。即：n=f (TZ) 一负载的类型 1反抗性负载：负载转矩TZ总与n的方向相反。 如：摩擦、叶片拨动空气等 2位能性负载：负载转矩TZ的方向总是不变的。 如：提升重物。 二负载转矩特性 1恒转矩负载特性：其TZ大小与n无关，TZ=常数。 电机与拖动 特点：TZ大小与n无关，TZ方向始终与n相反。 （1）反抗性恒转矩负载特性 位能性恒转矩负载特性 如：摩擦转矩 特点：TZ大小与n无关，且TZ具有固定的方向。 TZ n TZ n （2）位能

3、性恒转矩负载特性 反抗性恒转矩负载特性 电机与拖动 2恒功率负载特性 特点：n不论为何值时，PZ=常数，即输出功率为定值。 由于PZ=C, 所以：TZn=Pz=C，即：TZ与n的关系为 双曲线。 TZ n 3通风机负载特性 特点：负载转矩TZ的大小正比与转速的平方。 即：TZ=Cn2 n TZ 电机与拖动 第三节 他励直流电动机的机械特性 一. 机械特性的概念 电动机的机械特性指：电压、磁通、电枢回路总电 阻均为常数，Tem与n的关系，即n=f(Tem).有固有特性和人 为特性两种。 上 下 结束 由 ： 得 ： n Tem 0 n0 TN nN 电机与拖动 二.固有特性和人为特性 （一）固有

4、机械特性 定义：在UUN，N，电枢电路没有附加（外加 电阻的条件下所测得的n=f(Tem)。 固有机械特性方程： 固有特性曲线： n T 两个特殊点： 理想空载点（0，n0） 额定工作点（TN，nN ） (TN, nN) 电机与拖动 （二）人为机械特性 定义：人为地改变电动机的一个或二个运行参数所得 到的机械特性，称为人为机械特性。 1.电枢串电阻所得到的人为机械特性 特性方程为： n T 0 n0 TN nN 固有特性 特性曲线： 电机与拖动 2改变电压所得到的人为机械特性 机械特性方程： 特性曲线： n T 0 n0 TN nN 固有特性 降低U ， n0减小, K 不变，特性向下平移 电

5、机与拖动 3减小磁通时的人为机械特性 机械特性方程: 机械特性曲线： n T 0 n0 TN nN 固有特性 减小， n0和K都增加， 特性上移，且变软 弱磁可以升速 电机与拖动 三机械特性的绘制 1.固有机械特性的绘制 通过固有机械特性上的两个特殊点：理想空载点、 额定工作点来绘制。 （1）理想工作点（0，n0）坐标的确定 ： 由 求得 （2）额定工作点（TN，nN ）坐标的确定 ： nN 已知 电机与拖动 2. 人为特性的绘制 通过（0，n0）和（TN，n ）来绘制 四. 电力拖动系统稳定运行的条件 稳定运行必须满足Tem=TZ，且能抗干扰。 0 n T n0 TZ A 负载瞬间波动 B

6、判断电力拖动系统稳定工作 点的条件：1）电动机的机械特性 与负载机械特性的交点；2）在交 点处必须满足: 电机与拖动 第四节 他励直流电动机的起动 一、直流电动机的起动及起动要求 电动机的起动:指接通U N ，转速从n=0到n=nN 起动要求：1） Tst大2） Ist小 满足Tst足够大的条件下，尽量减少Ist 全压Ist： 上 下 结束 起动电流太大将会造成一定影响。 电机与拖动 直接起动Ist太大，须限制Ist=(1.52)IN 限制Ist的方法有：降压起动；电枢回路串电阻起 动。 (一） 电枢回路串电阻起动 1 概念 ： 串电阻Rst起动时，使得起动电流为 ： 上 下 串的电阻是分级的

7、。 结束 电机与拖动 电枢回路串电阻起动电路图 rst1 k1 rst2 k2 rst3 k3 U + - Rst3=rst3+rst2+rst1+Ra Rst2=rst2+rst1+Ra Rst1=rst1+Ra n T TzT2T1 Ra Rst3 Rst2 Rst1 A a b c de f g k3k2k1 上 下 电机与拖动 2 起动电阻的计算 计算原则:保持起动最大电 流I1和切换电流I2不变 取I1=(1.52) IN,I2=(1.11.2) IN n T TzT2T1 Ra Rst3 Rst2 Rst1 A a b c de f g I2I1 图中bc两点电压方程为: UN=E

8、ab+I2Rst3 UN=Eac+I1Rst2 nb=nc, Eab=Eac I2Rst3=I1Rst2 于是:Rst3=Rst2 同理:d,e点有Rst2=Rst1同理:f,g点有Rst1=Ra 上 下 结束 电机与拖动 结论:若起动级数为m,则 上 下 n T TzT2T1 Ra Rst3 Rst2 Rst1 A a b c de f g I2I1 结束 电机与拖动 (二)降压起动 U Uf Ea Ia Rr If K2 K1 Rc 需要可调压的电源 起动过程:先建立励磁,再给电 枢加低压且RC=0,并随转速逐 渐加大U. n T 0 TN 特点:能耗小,起动平滑;但设备复杂,维修不便 上

9、 下 结束 电机与拖动 二 他(并)励直流电动机的反转 电动机生产机械 T n Tz Tem=CTIa 改变(If)或Ia(U)的方向,可改变转向 K正 K正 K反 K反 +- K正 K正 K反 K反 + - 上 下 启动特性仿真 结束 电机与拖动 第五节 他励直流电动机的制动 电动机生产机械 T n Tz 电动机生产机械 T n Tz 电动状态 制动状态 电动机制动的目的：停车；限速 电动机制动的方法有：机械制动；电磁制动 电磁制动分类：能耗制动；回馈制动；反接制动 上 下 电磁制动的概念：让电动机产生一个与旋转方 向相反的电磁力矩来实现制动。 结束 电机与拖动 一、能耗制动 1. 进行方式

10、 U Ea Rr Uf If Rc C1C1 C2C2 生产负载 U Ea Rr Uf If Rc C1C1 C2C2 生产负载 T n TL Ia 能耗时U=0 Tem与Tz都为制动转矩，加快停车 U Ea Rr Uf If Rc C1C1 C2C2 生产负载 T n Tz Ia 当n=0时，Tem=0 上 下 结束 电机与拖动 2. 机械特性： 由: 得 ： n AB Tz TB n T (1.52.0)IN C Ra Ra+RC Ra+RZ T TL 机械特性曲线过原点位于2 、4象限。 电机与拖动 U Ea Rr Uf If Rc C1C1 C2C2 T n Tz L Ia 重物 上

11、下 结束 3. 能量转换关系 电动运转： EaIa 0 ， 表示电动机从电网 吸收电功率转换为 机械功率。 制动运转：EaIa 0 , 表示电动机从轴上吸收 （输入）械功率而转换为电功率。 电动机靠系统的动能发电，转化为发电机，把动能（机械能）转化 为电能，消耗在电枢电路的电阻上，因此称之为能耗制动。 电机与拖动 二、反接制动 （一）电压反接制动 C1 U Ea Rr Uf If Rc C1 C2C2 T n Tz Ia 重物 电压反接瞬间n不变，Ea U, Ia很大， 因此需串大电阻以限制电流 U Ea Rr Uf If Rc C1C1 C2C2 T n Ia 重物 上 下 结束 1. 进行

12、方式（原处 于电动运行状态 。） 断开c1，合上c2 电机与拖动 n= -U Ce Ra+ Rc CT Ce 2 T 2. 机械特性n TTz A n0 -n0 B 机械特性位于第二 、三象限 3. 能量转换关系 Pem=Tem0 从电网吸收电能 总铜耗 上 下 结束 电机一方面从电网吸收电能，一方面从轴上吸收 机械能转换成电能，都消耗在电枢电阻上。 电机与拖动 （二）电动势反接制动 U Ea Rr Uf If Rc T n Tz Ia 重物 用于下放重物 电源接线与正转电动一 样，但电枢串大电阻。 TstTz反向加速 n0, Ea 0,n0 3. 能量转换关系 Pem=T0 从电网吸收电能

13、总铜耗 n TTz A n0 B nBn0 , 由Ia=(U-Ea)/R，知：Ia0，即电枢电流改变 方向，所以电磁转矩M也改变方向，因此：电机进入制动运 行状态。 电机与拖动 2反向回馈制动 U Ea Rr Uf If Rc T n Tz Ia 重物 （1）进行方式 电动机带位能性负载处于电动运行时，忽 将电枢电压反接。电动机经过反接制动、反向 电动，最终进入反向回馈制动状态。 电机与拖动 UIa0 （U0 ）, 电动机向电网输送（回馈）电功率 EaIa 0 （Ea 0 ） , 从轴上吸收机械能转换成电能 电动机将轴上的机械能转换成电能，一部分消耗在电枢回路 的电阻上，另一部分回馈到电网。

14、A n T E D C B TZ n 0 -n 0 -TZ （2）机械特性 （3）能量转换关系 n= -U Ce Ra+ Rc CT Ce 2 T 电机与拖动 四、他励电动机四象限机械特性 URa+ Rc n= CeCT Ce 2 Tem n TTL A n0 -n0 电动运行 能耗制动运行 倒拉反转运行 发电制动运行 能耗制动 电压反接制动 上 下 制动和四象特性仿真 结束 电机与拖动 第六节 他励电动机的调速 电动机生产机械 T n TZ 一、 调速的基本概念 电动机转速由机械特性交点(工作点)决定 R3 n T TZ Ra R2 R1 A D C B 调速要求: 1)调速范围 D=nma

15、x/nmin大 2)调速平滑 3)能耗小 上 下 以恒转矩负载为例 结束 电机与拖动 二 他励电动机的调速方法 Tem不变时，改变U、电枢串电阻都可以调速 要求：1）计算转速 2）分析调速物理过程，计算 调速瞬间物理量 3）计算功率 上 下 结束 电机与拖动 （一）电枢串电阻调速 B n T TZ Ra R2 R1 A C D 物理过程分析: 串电阻瞬间n（Ea）不变, 但Ia = (U N - Ea )/ (Ra+RC ) Tem TZ n ,电机开始减速 . 随着n减小,Ea Ia Tem , U Uf Ea Ia Rr If Rc 上 下 直到Tem= TZ电机转速重新稳定 结束 电机与

16、拖动 n T TZ Ra R2 R1 A C D 调速后功率变化情况 TZ=Tem=CTIa不变调速前后 Ia不变 P1=UIa不变 P2 = TZ 特点：1）调速范围小，D=23；2）调速不 平滑；3）特性变软；4）能耗大；5）设备 简单 上 下 结束 电机与拖动 （二）降压调速 B 物理过程分析 降压瞬间n（Ea）不变, 但Ia = (U - Ea )/ Ra Tem TZ ， 电机开始加速 随着n（Ea）增加，Ia（T） 减小，直到Tem= TZ电机转 速重新稳定 n T TZ N 1 A C U Uf Ea Ia Rr If Rc 上 下 结束 电机与拖动 调速后功率变化情况 TZ=Tem=CTIa不变调速前后 CTIa = CT,Ia ，Ia ,/Ia= / , P1=U Ia P2= TZ 特点：1）调速范围小，D=1.12；2）调速 平滑；3）能耗小；4）设备投资小；5）n 只能调高 n T TLZ N 1 A C 上