《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
