《电力拖动与控制 第2版 教学课件 ppt 作者 李 岚 第二章》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电力拖动与控制 第2版 教学课件 ppt 作者 李 岚 第二章(234页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、电力拖动与控制,第二章,直流电动机的电力拖动,他励直流电动机的机械特性 电力拖动系统稳定运行的条件 他励直流电动机的起动 他励直流电动机的制动 直流电动机电力拖动系统的动态特性 他励直流电动机的调速 串励直流电动机的电力拖动 复励直流电动机的机械特性,主要内容,第一节 他励直流电动机的机械特性,机械特性是电动机的主要特性,是分析电动机起动、制动、调速等问题的重要工具。 他励直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流、电枢总电阻均为常数的条件下,电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线:n=f(T) 。,一、机械特性方程式,如图,忽略电枢反应时,根据图中给出的正方向,可列出电压平衡方程及机械特性方
2、程:,图2-1 他励直流电动机拖动系统,当U、Ra+Rc都保持为常数时,上式表示的就是他励直流电动机的机械特性方程式。,由电机学知:,因此得出:,还可写成如下形式:,用曲线表示,如图2-2。,式中,n0理想空载转速,n0=U/Ce 机械特性斜率, =(Ra+Rc)/CeCT2,图 2-2 他励直流电动机的机械特性,在A点: T=0, Ia=0 ; 电枢压降Ia(Ra+Rc)=0 ; 电枢电动势Ea=U ; 电动机的转速n=n0=U/Ce。,1理想空载点,实际空载转速n0为,A点即为理想空载点。,2堵转点,在B点:n=0 ,因而Ea=0 ; 电枢电流Ia称为堵转电流Ik ; 与Ik 对应的电磁转
3、矩称为堵转转矩。,B点为堵转点。,二、固有机械特性,电动机本身固有的特性称为固有机械特性。它应具备的条件是:, 电源电压 U=UN, 励磁磁通, 电枢所串电阻Rc=0,固有机械特性方程式:,在固有机械特性上,额定转速:,额定转速降:,理想空载转速:,斜率:,固有机械特性也可表示为:,图 2-3 他励直流电动机的固有机械特性,三、人为机械特性,固有特性有三个条件:U=UN,=N, Rc=0 改变其中任何一个条件,都会使电动机的机械特性发生变化。 人为机械特性共有三种,现分述如下:,1.电枢回路串接电阻的人为机械特性,图 2-4 电枢串接电阻时的原理图和机械特性,电枢回路串接电阻Rc,如图2-4a
4、 。,电枢回路总电阻为 :,人为机械特性为 :,人为机械特性曲线如图2-4b 。当Rc为不 同值时,可得到不同的特性曲线。,电枢串接电阻时,人为机械特性的特点: (1) 理想空载转速n0不变,与电枢回路电阻 无关。 (2) 转速降n(或)则随Ra+Rc成正比地 增大。在相同转矩下,Rc 越大,n越 大,特性越软。,电枢串电阻时的人为机械特性可用于直流 电动机的起动及调速。,2.改变电源电压的人为机械特性,改变电动机供电电压时,电动机电枢回路 的原理如图2-5a 。,机械特性的条件是:U可调、=N、Rc=0,与固有特性相比,只是U改变,因此机械特 性方程式变成:,人为机械特性曲线如图2-5b ,
5、当U为不同值时,可得到不同的特性曲线。,(1)理想空载转速n0与U成正比变化。,(2)转速降n不变,此时n等于额定转速 降nN,或者说不变,各条特性均与 固有特性相平行。,改变电枢电压的人为机械特性常用于需要 平滑调速的情况。,改变电源电压时,人为机械特性的特点:,图 2-5 改变电源电压的原理图和机械特性,3.改变磁通的人为机械特性,改变磁通实际上只能是减弱磁通。减弱电动机磁通时的线路原理如图2-6a 。,机械特性的条件是:U=UN 、Rc=0、可调。,人为机械特性曲线如图2-6b 。,与固有特性相比,只是 改变,因此机械特性方程式变成:,当为不同值时,可得到不同的特性曲线。,图 2-6 减
6、弱磁通时的原理图和机械特性,减弱磁通时,人为机械特性的特点: (1)理想空载转速n0与成反比变化,因此减 弱磁通会使n0升高。,(2)特性的斜率 (或n)与2成反比,因 此减弱磁通会使斜率(或n)加大, 特性变软。,(3)特性曲线是一簇直线,即不平行,又非放 射。减弱磁通时,特性上移而且变软。,减弱磁通可用于平滑调速。 由于磁通只能减弱,所以只能从额定转速向上调速。 受到电动机换向能力和机械强度的限制,向上调速的范围是不大的。,电枢反应对机械特性的影响 :,当电刷放在几何中性线上,而电枢电流不大时,电枢反应可以忽略不计。但是当电枢电流较大时,由于磁路饱和的影响,电枢反应会产生明显的去磁作用,使
7、每极磁通量略有减小,结果使转速n上升,机械特性呈上翘 现象,如图2-7。这对电动机的运行稳定性不利。,图2-7 电枢反应对机械 特性的影响,为了避免机械特性的上翘,往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组,用串励绕组的磁势抵消电枢反应的去磁作用。这时电动机实质上已变为积复励电动机,但是由于所加绕组磁势较弱,一般仍可将它视为他励电动机。,四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制 机械特性,电动机的铭牌上给出电机的额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN和额定转速nN等数据。由这些已知数据,可计算和绘制机械特性。,1.固有机械特性的绘制,他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性都是直线,两点可以确定一条
8、直线,只要找出特性上任意两点,就可以绘制这条直线。,通常选择以下两个特殊点:,(2)额定工作点: ,,(1)理想空载点 : ,,这两点中只有n0 和TN是未知的。,首先求n0 :,电机的总损耗为:,电机的额定铜损耗为:,其中仅 Ra未知。根据铭牌数据估算Ra 的值,估算的依据是:普通直流电动机在额定状态下运行时,额定铜耗约占总损耗的1/22/3 。,则估算电枢电阻的公式为:,额定转矩的计算公式为:,固有机械特性方程式:,固有机械特性也可表示为:,其中:,综上所述,根据铭牌数据计算固有特性的步 骤如下:,(2)按式(2-12)计算CeN ;,(3)求 n0=UN/CeN ;,在坐标纸上标出(n0
9、 , 0) , (nN , TN) 两点,过这两点连成一条直线,即为固有机械特性曲线。,(1)根据UN 、PN 、IN 估算Ra ;,(4)按式(2-14)计算TN 。,2. 各种人为机械特性的绘制,(1) 电枢串电阻人为机械特性的绘制,选择两个特殊点:,理想空载点:n=n0 , T=0,额定工作点: n=nRN , T=TN,求出Ra 、CeN 后,绘制各种人为机械特性。,与固有特性相比,理想空载点没变,额定工作点却由于电枢外串电阻Rc而发生了变化,在额定负载转矩下,对应的电动机转速为,计算出n0 后,过(n0 ,0),(nRN ,TN)两点连一条直线,即得到电枢串电阻的人为机械特性曲线。,
10、(2) 降低电源电压人为机械特性的绘制,选择两个工作点:,理想空载点:n=n0 ,,T=0,额定工作点:n=nN , ,T=TN,降低电源电压时,理想空载转速随之降低:,对应额定转矩下的电机转速变为:,计算出n0、nN 后,过(n0,0),(nN ,TN)两点连一条直线,即得到降低电压的人为机械特性曲线。,(3) 减弱磁通人为机械特性的绘制,选择两个工作点:,理想空载点: ,,额定工作点: ,,减弱磁通时,理想空载转速随之升高:,计算出n0 、nN 后,过(n0, 0) 、( nN, TN )两点连一条直线,即得到减弱磁通的人为机械特性曲线。,必须注意: 减弱磁通时,T=TN 这点所对应 的电
11、枢电流 Ia大于额定电流IN 。,例2-1:一台他励直流电动机,铭牌数据如下: PN=40kW,UN=220V,IN=210A, nN=750 r/min。 试计算并绘制: (1)固有机械特性; (2)RC=0.4的人为机械特性; (3)U=110V的人为机械特性; (4)=0.8N的人为机械特性。,解:(1)固有机械特性,估算电枢电阻Ra :,计算CeN :,理想空载转速n0 :,额定电磁转矩TN :,根据理想空载点( )及额定运行点( )绘出固有机械特性,如图2-8中直线1所示。,图 2-8 机械特性曲线图,理想空载转速n0 不变,T=TN 时电机的转速nRN :,(2)R =0.4的人为
12、机械特性,通过( )及( ),两点连一直线,即得到Rc=0.4的人为机械特性,如图2-8中直线2所示。,(3)U=110V的人为机械特性,计算理想空载转速 :,T=TN时的转速为:,通过( )及( ),两点连一直线,即得到U=110V的人为机械特性,如图2-8中直线3所示。,(4)=0.8N的人为机械特性,计算理想空载转速 :,T=TN时的转速 :,通过( )及( ),两点连一条直线,即得到=0.8N的人为机械 特性,如图2-8中直线4所示。,必须注意:在( )点,电枢,第二节 电力拖动系统稳定运行的条件,一、稳定运行的必要条件,为便于分析电力拖动系统的运行情况,可把电动机的机械特性和负载特性
13、画在同一个直角坐标系中,如图2-9。,图a中,两条机械特性相交于A点,在A点: TA=TL , dn/dt=0,所以系统以n的转速恒速运 行。A点被称为工作点,也称为平衡状态。,当外界扰动使负载特性由TL变成TL时,,由于惯性,n不能突变,转矩T因U、Ia及Ea均未突变仍为Ta,由运动方程可知系统开始减速。随着n的下降,转矩T增大,在转速下降至n=nA时,转矩TA=TL,系统获得新的平衡状态,以nA的转速恒速运行;当外界扰动消失负载转矩恢复为TL时,因TATL,系统将加速,随着n上升,转矩减小,在转速升至nA时TA=TL,系统恢复到原平衡状态A点工作,所以A点为系统的稳定运行点。,图 2-9
14、稳定运行和不稳定运行,在图b中,A点虽然也是平衡状态,系统也以 n的转速恒速运行,但是当负载特性由TL变成TL时,由于TATL系统将开始减速。随着n的下降,电磁转矩T也相应减小,促使转速加速下降直至n=0,显然系统在扰动作用下不能获得新的平衡状态,因而无法正常工作。所以A点不是稳定运行点。,可见, T=TL只是系统稳定运行的必要条件。,系统稳定运行的充要条件是:系统在某种外界扰动下离开原来的平衡状态,在新的条件下获得新的平衡;或当扰动消失后系统能自动恢复到原来的平衡状态。满足上述要求,系统就是稳定的,否则系统就是不稳定的。,二、稳定运行的充要条件,图2-10为他励直流电动机拖动一泵类负载运行的
15、情况,两条机械特性交于A点,并在转速nA下稳定运行。,图 2-10 稳定运行充要条件的判定,设在某种干扰下使转速变化一个增量n, 此时T与TL都将产生对应的增量T与TL。 当干扰使转速的增量为正值,转速增加 n=n+n,对应此转速,T=T1,增量为-T, TL=TL1,增量为+TL ,干扰消失后,由于 惯性原因,n不能突变,则T1-TL10,使 dn/dt0,导致系统减速,直到转速重新降回 到nA,T与TL恢复到T=TL时,系统又在A点稳 定运行了。,同理可分析,当干扰使转速的增量为负 值,经过动态过程,系统又恢复到A点稳定 运行。因此说, A点为稳定运行点 。,或写为,从而可得出稳定运行的充要条件为: 在该点附近,对于一个电力拖动系统,稳定运行的充分必要条件是:,电机的机械特性与负载转矩特性必须有 交点,在交点处T=TL,在交点附近应有,第三节 他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动,电动机接通电源后,转速从n=0上升到稳定负载转速nL的过程称为起动过程或称起动。,起动转矩就是电机在起动瞬间(n=0)所产生的电磁转矩 ,也称堵转转矩。,式中,Ist称为起动电流,它是n=0时的电枢 电流,也称堵转电流。,起动开始瞬间,Ist=UN/Ra 因电枢电阻