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1、第四章直流电动机的电力拖动 电力拖动系统的运动方程式工作机构转矩 力 飞轮矩和质量的折算生产机械的负载转矩特性电力拖动系统静态稳定运行的条件他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的起动他励直流电动机的制动他励直流电动机的调速 江南大学物联网于力革 电力拖动就是利用电动机把电能转换成机械能 使各种类型的生产机械按人们所给定的规律运动 研究电动机带上负载后的各种运转状态 起动 制动 调速 反转及其它们的过渡过程 电动机的机械特性 系统的基本运动方程式和生产机械的机械特性这三者是研究的基础 它们决定了电力拖动系统稳态运行及其过渡过程中的工作特性 4 1电力拖动系统的运动方程式 4 1 1生产机械的种
2、类和典型单轴拖动系统 摩擦类负载 它是由多根转动轴组成的旋转运动系统 电动机 生产机械 减速器 位能类负载 电动机 它的特点是 位能负载为主 还包括有少量的摩擦负载 卷扬系统 3 鼓风机类负载 电动机 它的特点是 阻转矩随着转速的升高而不断地增大 分析电力拖动系统运动规律是建立在古典动力学的理论基础之上的 将各种类型生产机械运动系统折算为等效的典型的一根旋转轴的单轴拖动系统 叶片 联轴器 4 1 2单轴拖动系统运动方程式 电动机的电磁转矩T与负载转矩TL的方向是互不关联的 T和TL起主导作用 而处于从属地位 依照动力学定律 电动机的电磁转矩T除克服运动系统的负载转矩TL T2 T0之外 还使整
3、个系统沿着电动机电磁转矩的方向产生角加速度 而的大小与旋转体的转动惯量J成正比 即 4 1 3拖动系统运动方程式的实用表达式 在工程计算中 表示转动快慢用转速n 而不用角速度 表示旋转物体的惯性用飞轮矩GD2 而不用转动惯量J 注意 GD2这个物理量是表示整个旋转系统的飞轮矩 它是各个旋转部件飞轮矩折算到电动机轴上的总和 无论是计算或书写GD2时 总应写在一起 是一个完整的符号 而绝对不能分开 所以 电力拖动系统的基本运动方程式为 电动机的电磁转矩T和负载转矩TL构成运动系统的一对主要矛盾 不管是n 还是n 电力拖动系统的转速都处于变化过程中 所以称这种工作状态为过渡过程或动态 T与TL不平衡
4、是系统运转速度n产生变动的原因 当转速不变时 系统的工作状态称为稳定状态或静态 应用运动方程式 通常以电动机轴为研究对象运动方程式写成下列一般形式 运动方程式中转矩的正负号分析 对公式中T与TL前带有的正负符号 作如下规定 预先规定某一旋转方向为正方向 则 1 转矩T方向如果与所规定的旋转正方向相同时T前取正号 相反时取负号 2 阻转矩TL方向如果与所规定的旋转正方向相同时TL前取负号 相反时取正号 3 加速转矩 GD2 375 dn dt 的大小及正负符号由转矩T及阻转矩TL的代数和来决定 end 4 2工作机构转矩 力 飞轮矩和质量的折算 4 2 1多轴旋转系统的折算 等效折算是指拖动系统
5、在折算前和折算后其动力学性能保持不变 即保持系统的功率传递及储存的动能均不变 1 负载转矩Tz的折算 首先 不考虑传动系统中功率损耗情况 由折算前后负载功率不变 得 Tz z TL 折算前 折算后 电动机轴到生产机械轴的传动比 也就是传动机构的总传动比 又称为速比 多轴旋转系统转矩 飞轮矩的折算 然后 考虑传动系统中功率损耗情况 用传动机构的传动效率来表示 即 注意 功率传递的方向不同 负载转矩的折算公式略有不同 当电动机工作在电动状态时 功率由电动机轴传向生产机械轴 传动损耗由电动机承担 故 当电动机工作在制动状态时 功率由生产机械轴传向电动机轴 传动损耗由生产机械承担 故 各种传动机构的传
6、动效率可以查阅机械手册 2 飞轮矩的折算 对于每一个旋转部件 都具有飞轮矩 都要折算到同一根轴上 设等效的单轴旋转系统总转动惯量为Jr 相应的飞轮矩为GDr2 由折算前后系统动能不变 得 根据GD2 4gJ有 从电动机轴到第i根轴传动轴的传动比 将上式推广到一般情况 有 4 2 2直线运动系统的折算 刨床电力拖动示意图 1 直线作用力F折算为阻转矩TL 当电动机工作在电动状态时 由折算前后功率保持不变 得 各物理量的单位 当电动机工作在制动状态时 若采用齿轮齿条机构或提升机组成的系统 则上述折算公式可以变成另一种较为直观的形式 设末级齿轮的节圆半径OP RP 旋转角速度为 P 则有v vp P
7、RP 从电动机轴到末级齿轮的传动比 2 直线运动部件的质量m 或重量G 折算为等值飞轮矩GDs2 直线运动部件具有的动能为 旋转部件具有的动能为 现将直线运动部件的质量m 或重量G 折算到电动机轴上 设等值旋转部件的转动惯量为Js 相应的飞轮矩为GDs2 按折算前后动能保持不变的原则 有 对于由齿轮齿条组成的直线运动系统 有v vp PRP 则 G 直线运动部件的总重量 单位 N v 直线运动部件的线速度 单位 m s DP 末级齿轮的节圆直径 单位 m n 电动机转速 单位 r min 对于具有直线运动的系统 因为包含有两种运动形式 在折算时分别对旋转部分和直线部分进行折算 然后再将两个部分
8、的飞轮矩相加 就得到系统总的飞轮矩 4 2 3提升或下放位能负载时的传动效率 对于起重机匀速提升或下放重物时 它的传动效率与传递功率的大小及方向有关 起重机电力拖动示意图 设重物的重量为G 卷筒半径为RP 则提升重物时折算到电动机轴上的等值负载转矩TL为 在下放重物时 折算到电动机轴上的等值负载转矩TL 为 设在提升和下放同一重物时 传动机构的损耗转矩 T相等 则提升时 下放时 故 在提升和下放同样负载时 下放时的传动效率总是小于提升时的传动效率 即 当时 对应提升或下放重载 当时 说明在提升时 电动机输出功率有一半消耗在传动机构中 另一半传递到负载 用于克服重力做功 在下放时 重力做功全部消
9、耗在传动机构中 没有传递给电动机 当时 对应提升或下放空钩或轻载 说明单靠重力作用已不足以克服传动机构的摩擦力 要想下放物体 电动机必须输出一定的功率 帮助物体下放才行 end 4 3生产机械的负载转矩特性 4 3 1恒转矩机械特性 生产机械的机械特性n f TL 是指生产机械所表现的转矩TL与转速n之间的关系 TL是折算到电动机轴上的等值转矩 特点 这类生产机械的转矩TL的大小不随转速的变化而改变 1 反抗性恒转矩特性 转矩总是阻碍运动的 当转动方向改变时 负载转矩的方向也随之改变 如 金属的压延 机床的平移机构等 反抗性恒转矩特性 恒值转矩TL总是反对运动方向 2 位能性恒转矩特性 它是受
10、重力作用而产生的转矩 如起重类型负载中的重物 当转动方向改变时 位能性转矩仍保持其原来的作用方向 位能性恒转矩特性 即 转矩TL具有固定的方向 不随转速方向改变而改变 4 3 2变转矩类机械特性 特点 这类生产机械的转矩TL的大小随着转速的变化而改变 通风机型机械特性 直线型机械特性 此类负载有通风机 水泵 油泵等 恒功率型机械特性 车床在粗加工时 切削量大 切削阻力大 开低速 精加工时 切削量小 切削力小 开高速 负载转矩基本上与转速成反比 而功率基本上保持不变 4 实际负载特性 实际生产机械的负载转矩特性是以上几种典型特性的综合 end 4 4电力拖动系统静态稳定运行的条件 分析生产机械负
11、载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题 4 4 1负载变化时电动机转矩分析 他励直流电动机带恒转矩负载时的特性 4 4 2稳定运行的概念 当系统在某一工作点稳定运行时 扰动作用会导致系统的转速发生变化 如果在扰动持续期间 系统能在新的条件下达到新的平衡 在新的工作点稳速运行 而且在扰动消失后能够自动回到原来的工作点稳速运行 这样的系统是稳定的 否则 系统是不稳定的 稳定的直观解释 4 4 3电力拖动系统稳定运行的条件 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 1 T TL 只有在两条机械特性的交点处 才能实现转矩平衡 该点称为工作点 2 在工作点 或者说 在交点所对应得转速之上应保证TTL 简便判
12、定法 做一条水平直线于工作点上方 分别与两条机械特性相交 比较两个转矩的增量 若dT dTL 则系统稳定 否则 系统不稳定 在工作点上方做一条水平直线 分别交T n曲线于A点 TL n曲线于B点 若A点在B点左侧 则系统稳定 否则 系统不稳定 end 4 5他励直流电动机的机械特性 1 他励直流电动机电路原理图 4 5 1机械特性方程式 2 他励直流电动机的参数关系通过他励直流电动机的参数关系 电磁转矩感应电动势电枢电路电动势平衡方程式转速特性并考虑到可获得他励直流电动机机械特性方程式 电动机的机械特性中 当U 和 Ra R 一定时 转速n与电磁转矩T为一次函数 当T 0时 称为理想空载转速
13、k值小 机械特性较平 称为硬特性 k值大 机械特性较斜 称为软特性 转速降 nN 为额定转速变化率 3 机械特性图 4 5 2固有 自然 机械特性 称为固有 自然 机械特性 额定转速降 固有 自然 机械特性 4 5 3人为机械特性 改变电压 电阻 磁通当中一个或几个就得到人为机械特性 1 电枢回路串电阻R 的人为机械特性 方程式为 特点 理想空载转速n0同固有特性 当R 时 k 特性越软 曲线越陡 特性曲线是通过理想空载转速点的一族放射性直线 用途 起动 调速 制动 电枢串联电阻时的人为机械特性 2 改变供电电压U的人为机械特性 方程式为 特点 斜率同固有特性 同一转矩对应的转速降相等 理想空
14、载转速与供电电压成正比变化 特性曲线是一组平行于固有特性的直线 当采用晶闸管整流装置时 可以实现无级调速 注意 实际上只能降压 而不能升压 以免损坏电动机 用途 起动 调速 制动 改变供电电压U的人为机械特性 3 减弱磁通 的人为机械特性 方程式为 特点 理想空载转速点上移 斜率增大 特性曲线即不是平行线 也不是放射性直线 用途 调速 若励磁电流可以连续调节 则可以得到平滑调速 弱磁调速一般不单独使用 往往同降压调速配合使用 可使调速范围变宽 注意 磁通不可太小 否则理想空载转速太高 电动机的换向能力和机械强度承受不了 减弱电动机磁通时的人为机械特性 end 4 6他励直流电动机的起动 起动就
15、是使原来静止的电动机通电旋转起来 并达到所要求的转速的整个过程 起动应满足的要求 应有足够的起动转矩 应把起动电流限制在安全范围内 起动设备简单 可靠 起动中存在的问题 由于电动机的电枢电阻很小 而电感又可以忽略不计 所以电枢压降只占5 U 一般情况下电枢电流很大 不能全压直接起动 起动转矩太大 容易损坏传动机构 换向情况恶化 产生严重的火花 起动电流太大 对电网不利 起动电流太大 在电枢绕组中产生过大的电动应力 对电机不利 因此在起动时 必须设法限制电枢电流 起动方法 首先要加励磁 并使磁通达到最大 然后给电枢加适当的电压 电动机就可以起动了 限制起动电流的措施 1 降压起动适用于电动机的直
16、流电源是可调的 2 电枢电路中串联电阻当没有可调电源时 可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流 在起动过程中将起动电阻逐步切除 4 6 1直接起动 直接起动就是不采用任何限制起动电流的措施 把电枢直接接到额定电压的电源上进行起动 通电瞬间n 0 Ea 0 又 Ra很小 Ist很大 Tst Ist也很大 一般为额定值的10 20倍 随着n Ea Ia T 工作点沿着机械特性曲线上升 直到电动机的机械特性与负载的机械特性的交点处 T TL 电动机以转速nA稳定运行 起动过程结束 直流电动机直接起动操作简单 但起动电流Ist太大 对于大多数电动机要采取一些措施来限制起动电流Ist 在加速转矩 Tst TL 作用下 电动机开始转动 并且加速 4 6 2电枢回路串电阻起动 在电枢电路中串联电阻以限制起动电流 在起动过程中并将起动电阻逐步切除 1 他励电动机多级起动时的电路图 他励电动机分二级起动时的电路图 他励电动机分三级起动时的电路图 起动过程中转速与电流的变化 2 串多级电阻起动过程 串电阻起动可以限制起动电流 根据电动机容量可以采用一级或多级起动电阻 3 起动电阻的计算 起动电阻的计算的主要
