《电机应用技术 教学课件 ppt 作者 徐虎 吴加国 第二章直流电机的应用816》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机应用技术 教学课件 ppt 作者 徐虎 吴加国 第二章直流电机的应用816（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 直流电机的应用,课件制作 吴加国,第二章 直流电机的应用,凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成，如图2-1所示。,图2-1,电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械执行某一生产任务；控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控制器等组成，用以控制电动机的运动，从而对生产机械的运动实现自动控制；电源的作用是向电动机和其它电气设备供电。,第一节 生产机械的负载转矩特性,电力拖动系统的负载就是电动机转轴上拖动的机械负载。由运动方程式可知，拖动系统的运行状况除受
2、电动机的机械特性（下一节讨论）影响外，也与负载的转矩特性有关，负载转矩特性（简称负载特性）是指电力拖动系统的转速n与负载转矩TL之间的函数关系n=f(TL)。各种生产机械的负载特性大致可分为以下三种类型。,一、恒转矩负载特性,二、恒功率负载特性,三、通风机型负载特性,一、恒转矩负载特性,恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种。,1反抗性恒转矩负载,反抗性恒转矩负载的特点是，负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的作用方向也随之改变，永远是阻力
3、矩。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床的平移机构等。特性曲线如图2-2所示。,图2-2,2位能性恒转矩负载,这种负载的特点是负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻力矩，其作用方向与电动机旋转方向相反，当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。特性曲线如图2-3所示。,图2-3,二、恒功率负载特性,恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值：,常数,就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大（TL大），用低速档；精加
4、工时，切削量小（TL小），用高速档。恒功率负载特性曲线如图2-4所示。,图2-4,三、通风机型负载特性,通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比。即,TL=kn2,式中，k是比例常数。,常见的这类负载如鼓风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图2-5所示。,必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩。所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。,图2-5,第二节 他励直流电动机的机械特性,直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的
5、转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，利用机械特性和负载特性可以确定系统的稳态转速及起动、制动、调速等运行性能；在一定近似条件下还可以利用机械特性和运动方程式分析电力拖动系统的动态运行情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。,一、他励直流电动机的机械特性,按图2-6,可以列出他励直流电动机的电动势平衡方程式：,式中，Rpa是电枢回路外串电阻 。,因为,，所以经整理得：,图2-6,根据,，得,，,则机械特性方程式为,当U、R、的数值不变时，而Ce、CT是由电动机结构决定的常数，则转速n与电磁转矩T为线性关系。机械特性曲线如图
6、2-7所示。,图2-7,n=n0 T=n0 n,则式,还可以写成,式中，n0是电磁转矩T=0时的转速，称为理想空载转速n0=U/(Ce)。电动机实际上空载运行时，由于T=T00，所以实际空载转速略小于理想空载转速n0。,是机械特性的斜率， ，在同样的理想空载转速下，值较小时，直线倾斜不大，即转速随电磁转矩的变化较小，称此机械特性曲线为硬机械特性，值越大，直线倾斜越厉害，机械特性为软机械特性。,n是转速降，,当机械负载变化时，例如TL从零逐渐增大，则电动机的电磁转矩T由零逐渐增大，电动机的转速从n0逐渐下降，下降数值是n。斜率越大，转速下降越快,。,电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性
7、。,1他励电动机的固有机械特性,当他励电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性。将上述条件 代入式 ，得到固有机械特性方程式为,由于电枢回路没有串联电阻Rpa，而电枢绕组的电阻Ra阻值很小，=N数值最大，所以特性曲线斜率最小，固有机械特性曲线为硬特性。,2他励电动机的人为机械特性,如果人为地改变式 中的U、R、等参数 后得到的机械特性称为人为机械特性。,（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性 保持U=UN、=N不变，只在电枢回路中串入电阻Rpa时的人为机械特性方程式为,图2-8是不同Rpa时的一组人为机械特性。,图2-8,观察图2-8的一组人为机械
8、特性曲线可知，改变电阻Rpa的大小，可使电动机的转速发生变化。因此电枢回路串电阻的方法可以用于调速。,与固有机械特性相比，电枢回路串电阻的人为机械特性的特点是：,1）理想空载转速n0保持不变；,2）斜率随Rpa的增大而增大，转速降n增大，特性曲线变软。,（2）改变电源电压时的人为机械特性 当=N，电枢回路不串联电阻（Rpa=0），改变电源电压的人为机械特性方程式为,由于受到绝缘强度的限制，电压只能从额定值UN向下调节。与固有机械特性相比，改变电源电压的人为机械特性的特点是：,1）理想空载转速n0正比于电压U，U降低时，理想空载转速成比例减小；,2）特性曲线斜率不变。,图2-9是调节电压的一组人
9、为机械特性曲线，它是一组平行直线。降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。,图2-9,（3）改变磁通时的人为机械特性 保持电动机的电枢电压U=UN，电枢回路不串接电阻（Rpa=0），改变磁通的人为机械特性方程式为,由于电机设计时，N处于磁化曲线的膝点，接近饱和值，因此，磁通一般从额定值N减弱。可调节励磁回路串接的可变电阻Rpf使其增大来实现。与固有机械特性相比，弱磁的人为机械特性的特点是：,1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通，n0升高；,2）斜率与磁通二次方成反比，弱磁使斜率增大。,图2-10是弱磁人为机械特性曲线。它是一组随减弱，理想空载转速升高，曲线斜率变大的直线。若将此法应用于调
10、速时，则一般越弱，转速越高。,图2-10,二、电力拖动系统稳定运行的条件,前面分析了生产机械的负载转矩特性n=f(TL)和电动机的机械特性n=f(T)，把两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。,所谓稳定运行，就是指电力拖动系统在某种外界因素的扰动下，离开原来的平衡状态，当外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。这里的“扰动”一般是指电网电压波动或负载的微小变化。电动机在电力拖动系统中运行时，系统会出现稳定运行和不稳定运行两种情况。,如图2-11 a所示,图2-11,此时电动机产生的电磁转矩TTL2，系统开始加速，随着n的上升，电枢感应电动势E
11、a=CenN也上升，电枢电流Ia=(UNEa)/Ra将减小，直流电动机产生的电磁转矩T=CTNIa也将减小，当电磁转矩减小到 T=TL2时，系统进入新的较高转速的稳定点运行，即图2-11a）中的B点，此时T=TL2，n= 。如TL恢复到TL1，系统将恢复到A点运行。,当负载由TL1减小为TL2时，在负载减小开始时刻，由于机械惯性，转速n和电磁转矩T（因Ia不能突变）不能突变，,图2-11 b中的情况就不同了，机械特性上翘。当负载由TL1减小到TL2时，在负载减小时，由于存在惯性，转速n和电磁转矩不能突变，此时电动机的电磁转矩TTL2，系统仍加速运行，而从机械特性上看到，转速越高，电磁转矩越大，
12、系统不可能到达B点稳定运行，而是越过B点不断加速，导致电机或系统损坏。因而图2-11b为不稳定运行情况。,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在T=TL处的机械特性与负载特性的交点之上，应该保证TTL。,第三节他励直流电动机的起动和反转,电动机工作时，转子总是从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的，由静止状态到稳定运行状态的过程称为起动过程或简称起动，电动机在起动过程中，电枢电流Ia、电磁转矩T、转速n都随时间变化，是一个过渡过程。开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为起动电流，用Ist表示；对应的电磁转矩称为起动转矩，用Tst表示。,生产机械对直流电动机的起动有
13、下列要求：,1）起动转矩足够大（TstTL，电动机才能顺利起动）。,2）起动电流不可太大。,3）起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。,一、起动方法,1全压起动,全压起动就是将直流电动机的电枢上直接加以额定电压的起动方式。如图2-12所示。,图2-12,起动时，先合Q1建立磁场，然后合上Q2全压起动。,起动开始瞬间，由于机械惯性的影响，电动机转速n=0，电枢绕组感应电动势Ea=Cen=0，由电动势平衡方程式U=Ea+IaRa可知起动电流及起动转矩分别为：,Tst=CTIst,例2-1 一台Z2-61他励直流电动机，PN=10kW，UN=220V，nN=1500r/min，IN=53
14、.8A，Ra=0.286，计算：,1）直接起动时的起动电流。,2）在额定磁通下起动的起动转矩。,解 1）求起动电流,起动电流是额定电流的14.3倍。,2）求起动转矩,额定负载时的电磁转矩,不考虑电枢反应去磁的影响，则TstIst，所以,从上例可以看出，由于电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的（1020）倍。起动转矩也很大，过大的起动电流将引起电网电压的下跌，影响其他用电设备的正常工作，而对电动机自身的换向器也将产生剧烈的火花。同时很大的起动转矩可能会使轴上受到直流电动机一般不允许的机械冲击，严重时将损坏电力拖动系统中的传动装置。所以全压起动只限用于容量很小
15、的直流电动机。,对于常规的他励电动机，为了限制起动电流，可以采用减压起动和电枢回路串联电阻的起动方法。起动前，应将励磁回路的可变电阻调至零，使励磁电流最大，以保证励磁磁通为最大值，这样在电枢电流不太大时能产生足够大的起动转矩。,2减压起动,减压起动即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流Ist，为了获得足够的起动转矩（TstTL），起动时电流通常限制在（1.52）IN内，则起动电压应为,Ust=IstRa=(1.52)INRa,随着转速n的上升，反电动势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，起动转矩也减小。为使Ist保持在（1.52）IN范围，即保证有足够大的起动转矩，起动过程中电
16、压U必须不断升高，直到电压升至额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。,随着电力电子技术的发展，目前多用晶闸管整流装置自动控制起动电压。,3电枢回路串电阻起动,电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻Rst，达到限制起动电流的目的。由电动势平衡方程式可知，在起动时，Ea= 0，则,例2-2 例2-1中的电动机若限制起动电流不超过100A，求：,1）采用减压起动，起动电压是多少？,2）采用电枢回路串电阻起动，则起动开始时应串入多大电阻？,解,1）求起动电压,2）求起动电阻,串入一个不到2的电阻，就可将电流从769.2A降至100A，限流效果十分明显。,起动过程中，由于nEaIstTst，所以电动机的加速作用也逐渐减小，致使转速上升缓慢，起动过程延长。要想在起动过程中保持加速度不变，必须要求电动机的电枢电流
