《电机与电器控制 教学课件 ppt 作者 冯晓 刘仲恕编 第七节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与电器控制 教学课件 ppt 作者 冯晓 刘仲恕编 第七节（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第七节 直流电动机的拖动,本节首先介绍生产机械的负载转矩特性nf（TL）及他励直流电动机的机械特性nf（Tem），然后着重阐述他励直流电动机的起动、制动、调速和拖动系统的过渡过程等问题；同时，对串励与复励直流电动机的电力拖动问题作简要介绍；最后分析晶闸管控制直流电动机开环、闭环和PWM脉宽调制调速系统。,第二章第七节（续1） 负载的转矩特性,第二章第七节（续1） 负载的转矩特性,恒功率负载 某些生产工艺过程，要求具有恒功率负载特性。例如车床的切削，粗加工时需要较大的吃力量和较低的转速，精加工时需要较小的吃力量和较高的转速；又如轧钢机轧制钢板时，小工件需要高速度低转矩，大工件需要低速度高转
2、矩，这些工艺要求都是恒功率负载特性。,第二章第七节（续1） 负载的转矩特性,泵与风机类负载 水泵、油泵、通风机和螺旋桨等机械的负载转矩基本上与转速的平方成正比，即TLkn2，其中k是比例常数。,第二章第七节（续1） 负载的转矩特性,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,机械特性方程 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：n=f(Tem)。 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：,称为理想空载转速。,固有机械特性 当他励直流电动机端电压额定(UUN)，每极气隙励磁磁通额定(=N)，电枢
3、回路不串外接电阻(Rst0)时，其机械特性称为固有机械特性。,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,机械特性特点,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,他励直流电动机的固有机械特性是一条下倾的直线，特性较硬。它表征电动机转速与电磁砖矩之间的函数关系，是电动机本身固有的，因此也称为自然机械特性。掌握了他励直流电动机固有机械特性，就容易学习人为机械特性。,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,人为机械特性 若改变参数如电源电压U、励磁磁通、电枢回路外接电阻Rst等，其机械特
4、性部会发生变化，这种改变参数后形成的机械特性称为人为机械特性。在固有机械特性的基础上，主要分析由独立改变电枢回路串接电阻Rst，改变端电压U和改变励磁磁通三种情况下的人为机械特性。,电枢回路串接电阻Rst的人为机械特性 保持U=UN、= N 不变，只在电枢回路中串入电阻Rst的人为特性,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,特点:1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。,改变电枢电压的人为机械特性 保持R=Ra、= N 不变，只改变电枢电压U时的人为特性：,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,特点:1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,改变气隙磁通
5、的人为机械特性 保持R=Ra、= N 不变，只改变励磁回路调节电阻R而改变励磁电流的人为特性：,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,根据电机铭牌数据估算机械特性 在设计电力拖动系统时，应知道选用电机的机械特性曲线。但是，电机的铭牌数据中只给出额定转速nN，额定电压UN和额定电流IN，而理想空载转速n0和额定电磁转矩TemN却是末知的，因此不能直接根据电机机械特性方程绘制特性曲线。利用电机学知识，只要能知道额定电枢电动势EN，或者知道电枢回路电阻Ra，便可算出额定励磁时的CeN来，从而求得理想
6、空载转速和额定电磁转矩，并进一步画出固有机械特性。,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,额定电枢电动势的估计 我国目前设计的直流电动机，额定电枢电动势Ea与额定电压UN有一定比值，约为EN=(0.930.97)UN，其中小容量电机取较小的系数，中等容量电机的系数约为0.95左右。,第二章第七节（续2） 他励直流电动机的机械特性,实测电枢回路电阻Ra 由于电刷与换向器表面接触电阻是非线性的，电枢电流很小时，表面的接触电阻值很大，不能直接用万用表测正负电刷之间的电枢电阻。一般用压降法测量，即在励磁绕组开路，转子电枢堵转，并通以额定电流的情况下，用低量程电压表测量正负电刷间的压降，再除以
7、电枢电流，即为电枢回路总电阻(包括电枢回路电阻和外接限流电阻)。改变电刷位置进行多次测量，然后取平均值。这种实测电枢回路电阻的办法只适用于小容量直流电机。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,他励直流电动机起动时，必须先加额定励磁电流建立磁场，然后加电枢电压。当不计及电枢电感时，电枢起动电流 Ist=U/(Ra+Rst)。若采用全压直接起动(U=UN，Rst=0)，则起动电流将大大超过额定电流，甚至超过电动机允许的瞬时过载电流，便电机过热以致烧坏电机，这是不允许的。因此常用降压起动和电枢回路串电阻起动两种方法。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,降压起动 当直流电源电压可调时，可
8、采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,电枢回路串电阻起动 起动过程：三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为,起动时，开关Q1，Q2和Q3均打开，分级电阻全部接入电枢回路，起动转矩Tem1，电机自a点沿机械特性ab加速，电磁转矩减小。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,当达到b点
9、，电磁转矩Tem2(1.11.3)TL时，开关Q3合上，切除电阻Rst3，因转子存在机械惯性，转速来不及变化，电磁转矩又增大至Tem1，电机工作点由b跳变至c点，并沿新的机械特性cd加速至d点。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,再合上开关Q2切除电阻Rst2，此后电机沿机械特性ef加速至f点，最后合上开关Q1将Rst1切除，使电机沿固有机械特性运行至稳定工作点N，电磁转矩与负载转矩相平衡，起动过程结束。,第二章第七节（续3） 他励直流电动机起动,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,直流电机的运行状态主要分为电动和制动两大类。电动状态运行时，电磁转矩与电枢转向一致，电机从电源吸收
10、电功率，机械特性处在第、象限内。制动状态运行时，电磁转矩与电枢转向相反，电机的机械特性处在第和第象限内。制动状态又可分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。,能耗制动 右图为能耗制动原理图。在励磁电流不变的条件下，电机由电动状态切换到能耗制动状态。即由原先常开触点闭合，常闭触点断开的电动状态，使电接触器KM1失电，电枢脱离电网，同时KM2触点闭合，使电,作用，电机处在制动状态。电机转速降低。随着转速下降，反电动势不断减小，电枢电流和电磁转矩相应减小，转子动能均转换为电枢回路电阻和制动电阻上的热能消耗掉，因此这种制动方式称为能耗制动。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,枢与外接制动电阻
11、Rb形成闭合回路。由于电枢存在机械惯性，使转速和转向不能突变，电枢电动势方向维持不变，但电枢电流由电动势产生，电流流向与电动状态相反，电磁转矩也相应改变方问。由于电磁转矩与转向相反起制动,能耗制动时机械特性方程式,但当系统拖动恒转矩位能性负载时，系统将在转速下降到零后继续在负载转矩的作用下反向拖动转子加速。此时反电动势改变方向，电枢电流和电磁转矩又与电动状态时的方向一致，最终稳定在机械特性的C点，此时负载位能的减少完全转化为电枢电阻及制动电阻的热能消耗掉。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,由上式可以看出，能耗制动机械特性是一条经过原点、位于第、象限的直线，如右图所示。当系统拖动摩擦性
12、负载转矩时，电机由电动状态的A点进入能耗制动机械特性的B点，然后制动减速，最终稳定在坐标原点的静止状态。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,能耗制动过程中，起始制动转矩的大小与外接制动电阻Rb的大小有关。外接制动电阻越大制动转矩越小，制动过程越缓慢，但电机不易过热；反之外接电阻越小，则制动转矩越大，制动过程越快速。但制动电阻的最小值受电机电枢电流过载能力的限制，通常要求制动时电枢电流不超过二倍额定电流。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,反接制动 他励直流电动机反接制动主要有正压反转和反压正转两种，即电枢电压极性不变，转速反向和转速正向，改变电枢电压极性两种反接制动运行方式，其
13、特点是电机运行转速与理想空载转速相反。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,正压反转的反接制动（倒拉反接） 他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时。电枢回路串接较大电阻，致使机械特性起动转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第象限运行，如下图所示。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,由于电枢串入大电阻，电流和电磁转矩减小，电机在负载转矩作用下制动。转速不断降低，电动势随转速下降而减小，电流和转矩开始上升。当转速为零时，电磁转矩仍小于负载转矩。电机反向起动，电流和电磁转矩继续增大，直至电磁转矩与负载转矩相等。从机械特性可以发现，串入电阻越大，稳定反向转速
14、越高。正压反转反接制动过程中。电网输入的电能与电机轴端输入的机械能之和除了转子加速存储动能之外，其余能量完全消耗在电枢回路的电阻和外接电阻上，因此经济性较差。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,反压正传反接制动（电枢反接） 当电机由正向电动状态改变电枢端电压极性便电机制动的过程称为反压正转反接制动。如下图所示接触器KMl和KM2是互锁的，当接触器KM1通电，则KM2不通电，电机处于电动状态。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,为使工作机械快速停车或反向工作，在释放接触器KM1后，立即使触点KM2接通，使电枢接入限流电阻Rb后与电源反接，此时机械特性变为,第二章第七节（续4） 他
15、励直流电动机制动,显然电源反接后电磁转矩变负，起制动作用。使电机转速迅速降低，实现反压正转反接制动过程：直至转速为零制动过程结束。若负载为摩擦性转矩，且数值小于反向起动转矩，则电机会反问起动而进入第象限电动状态运行，直至稳定。若负载为位能性转矩，则电机反向转速不断升高，超过理想空载转速，电枢电动势大于端电压，电枢电流反向，电机进入回馈制动状态。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,回馈制动 位能性负载拖动电机高于空载转速运行 反压正转反接制动方式下，带位能性负载的他励直流电动机的转速下降至零并反向加速，其工作点达到理想空载转速时，电磁转矩为零，在负载转矩作用下转速持续上升，直至稳定运行。
16、在此过程中，电磁转矩为正，电枢电流为正，端电压和电动势均为负，电机向电网回馈电功率，故称为回馈制动。为节能并获得较低的稳定下放速度，一般迸入回馈制动时切除限流电阻。,降压回馈制动 当电机工作在电动状态下突然降低端电压，使端电压稍低于电动势的方式运行，这时电机处于降压回馈制动状态。降压回馈制动的机械特性如右图所示。当电压降低时，工作点由A点转移到B点，电枢电流和电磁转矩反向，电机处于发电机状态，,转子转速不断降低，到达理想空载转速C点时，负载转矩继续使转速下降，但电动势低于端电压，电流与电磁转矩又变正，直至稳定工作点D。若电机在降压回馈制动过程中维持EU常数，则可实现恒电流降压回馈制动。,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,第二章第七节（续4） 他励直流电动机制动,他励直流电动机制动运行从机械特性及运行点来看，
