《电机及拖动基础 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第06章-直流电动机的电力拖动》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电机及拖动基础 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第06章-直流电动机的电力拖动(86页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、-1-,第6章 直流电动机的电力拖动,电机及拖动基础,6.1 他励直流电动机的机械特性,6.2 他励直流电动机的起动,6.3 他励直流电动机的调速,6.4 他励直流电动机的制动,6.5 串励和复励直流电动机的电力拖动*,-2-,引 言 原动机为直流电动机的电力拖动系统称为直流电力拖动系统,在此系统中有他励、串励和复励三种直流电动机,其中应用最多的是他励直流电动机,因此本章重点介绍由他励直流电动机组成的直流电力拖动系统,对串励、复励直流电动机的电力拖动只作简要介绍。,第6章 直流电动机的电力拖动,-3-,6.1 他励直流电动机的机械特性,6.1.1 机械特性的一般形式 他励式直流电动机的电路图如
2、右图所示,电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线 便是 电动机的机械特性,即n=f(Te )。 为了推导机械特性公式的一般形式,在电枢回路中串入外接电阻R。 由转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为,(6-1),第6章 直流电动机的电力拖动,-4-,6.1.2 固有机械特性 直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值,电枢外串电阻为零时所得的机械特性称为固有的机械特性。特性曲线如图6-2所示,曲线满足如下公式:,(6-2),第6章 直流电动机的电力拖动,-5-,固有机械特性的主要特点为: 1) Te = 0时,n=n0是理想空载转速,这时Ia=0,UN = Ea 。 2) 机械特性呈下倾
3、的直线,转速随转矩增大而减小。因为下倾的斜率 较小,转速变化较小,所以又称为硬特性。 3) 电动机起动时n = 0,感应电动势Ea=0,这时电枢电流为起动电流Ia=Ist=UN/Ra;电磁转矩为起动转矩Te=Tst=CTIst ; 又因为电枢电阻Ra 很小,在额定电压的作用下, 起动电流将非常大,远远超过电动机所允许的最大电流, 会烧坏换向器,因此直流电机一般不允许全电压直接起动。 4) 若转矩TeTst ,n 0,则特性曲线在第二象限,电磁转矩与转速方向相反,形成制动转矩,电机处于发电状态。,第6章 直流电动机的电力拖动,-6-,6.1.3 人为机械特性 由公式(6-1)可知,当改变电动机的
4、参数电枢电压Ua、励磁电流I f 、电枢外接电阻R,可改变电动机的机械特性,这种人为改变参数引起的机械特性又称人为机械特性。,1. 改变电枢电压 电动机励磁电流为额定值,使每极磁通为N 并保持不变,电枢回路不外接电阻,改变电动机的电枢电压Ua ,可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改变Ua ,可得到一组平行曲线,特性曲线的硬度均相同,仅理想空载转速大小不同,如图6-3所示。,第6章 直流电动机的电力拖动,-7-,2. 减小每极气隙磁通 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc , 使励磁电流I f 减小,由于磁通与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比,所以主极磁通减小了。根据机械特性公
5、式可知:,当磁通减小后,理想空载转速n0升高,而斜率 增大, 使特性曲线倾斜度增加,电动机的转速较原来有所提高,整个特性曲线均在固有机械特性之上,如图6-4所示。,第6章 直流电动机的电力拖动,-8-,3. 电枢回路串接电阻 当保持电枢回路电压Ua,励磁电流If 不变,改变电枢回路的串接电阻R,电动机的理想空载转速n0 不变,但机械特性的斜率 增大,特性曲线倾斜度增加,且串入电阻越大,曲线越倾斜,其人为机械特性如下图所示。,第6章 直流电动机的电力拖动,-9-,6.2 他励直流电动机的起动 所谓起动就是指电动机接通电源后,由静止状态加速到某一稳态转速的过程。他励直流电动机起动时,必须先加额定励
6、磁电流建立磁场,然后再加电枢电压。 他励直流电动机当忽略电枢电感时,电枢电流Ia为,(6-6),在起动瞬间,电动机的转速n= 0,反电动势Ea = 0,电枢回路只有电枢绕组电阻Ra,此时电枢电流为起动电流Ist,对应的电磁转矩为起动转矩Tst,并有,(6-7),(6-8),第6章 直流电动机的电力拖动,-10-,由于电枢绕组电阻Ra很小,因此起动电流IstIN(约为1020倍的IN),这么大的起动电流使电机换向困难,在换向片表面产生强烈的火花,甚至形成环火;另外,由于大电流产生的转矩过大,将损坏拖动系统的传动机构,这都是不允许的。因此一般直流电机都不允许直接起动。这样,就需要增加起动设备和采取
7、措施来控制电机的起动过程。 一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是: 1) 起动电流限制在一定范围内,即Ist IN, 为电机的过载倍数; 2) 足够大的起动转矩,Tst (1.11.2)TN ; 3) 起动设备简单、可靠。 如何限制起动时的电枢电流呢?由Ist =UN/Ra可知,限制起动电流的措施有两个:一是增加电枢回路电阻,二是降低电源电压,即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。,第6章 直流电动机的电力拖动,-11-,6.2.1 电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下,电枢回路串入分级起动电阻Rst,在起动过程中将起动电阻逐步切除。 图6-6a为他励直流电动机三级起动时的电气原理图
8、。,第6章 直流电动机的电力拖动,-12-,6.2.2 降压起动 当直流电源电压可调时,可以采用降压方法起动。在起动瞬间,电动机的转速n = 0,反电动势Ea = 0,降低电源电压U , 将起动电流限制在允许的范围内。,第6章 直流电动机的电力拖动,-13-,6.2.3 他励直流电动机起动的过渡过程 在第4章的第4节中,已对电力拖动系统的机械过渡过程作了理论分析, 并得出了转速动态方程(4-20)、 转矩动态方程(4-22)及过渡过程时间计算式(4-27)和式(4-28)。,第6章 直流电动机的电力拖动,-14-,下面对他励直流电动机串电阻起动的机械过渡过程作进一步分析。图6-8a为他励直流电
9、动机串固定电阻起动的机械特性曲线,其中S为起动过程开始的点(即起始点),对应的转矩为Te=Tst,转速为n=0;A点为起动过程结束的点(即稳态点),对应的转矩为Te=TL,转速为n=nA。将S点与A点的具体数据代入式(4-20)及式(4-22),便可得到起动过程中的转速及转矩表达 式,第6章 直流电动机的电力拖动,-15-,当采用电枢串多级电阻起动时,其过渡过程如何呢?图6-9给出了他励直流电动机二级起动的起动过程。,第6章 直流电动机的电力拖动,-16-,6.3 他励直流电动机的调速 为了提高生产率和满足生产工艺的要求,生产机械往往需要在不同速度下运行。例如,车床切削工件时,精加工用高速,粗
10、加工用低速;轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时,须用不同的轧制速度。这些事例说明,生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。故所谓调速,就是根据生产机械工艺要求人为地改变速度。但必须注意:这和由于负载变化,引起的速度变化是截然不同的概念。 调速可用机械调速(改变传动机构速比进行调速的方法)、电气调速(改变电动机参数进行调速的方法)或二者配合起来调速。本节只讨论他励直流电动机的调速性能和几种常用的电气调速方法。,第6章 直流电动机的电力拖动,-17-,为生产机械选择调速方法,必须在技术和经济两方面进行比较。那么评价调速方法的主要指标是什么呢? 6.3.1 调速指标 1. 调速范围 调速范
11、围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比,通常用D来表示,即,(6-24),调速范围反映了生产机械对调速的要求,不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求,例如车床D=20120,龙门刨床D=1040,轧钢机D=3120,造纸机D=320等。对于一些经常轻载运行的生产机械,可以用实际负载时的最高转速和最低转速之比来计算调速范围D。,第6章 直流电动机的电力拖动,-18-,2. 静差率 静差率是指在同一条机械特性上,从理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。用百分比表示为,(6-25),静差率反映了拖动系统的相对稳定性。不同的生产机械,其允许的静差率是不
12、同的,例如普通车床30%,而精度高的造纸机则要求0.1%。 静差率值与机械特性的硬度及理想空载转速n0有关。 当理想空载转速n0一定时,机械特性越硬,额定速降nN 越小,则静差率越小。 而且,调速范围D与静差率 两项性能指标是互相制约的。 在同一种调速方法中,值较大即静差率要求较低时,可得到较宽的调速范围。,第6章 直流电动机的电力拖动,-19-,越接近于1,则系统调速的平滑性越好。当 =1时,称无级调速,即转速可以连续调节,采用调压调速的方法可实现系统的无级调速。 4. 经济性 主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。,3. 平滑性 在一定的调速范围内,调速的级数越多
13、,则认为调速越平滑。平滑性用平滑系数来衡量,它是相邻两级转速之比,(6-26),第6章 直流电动机的电力拖动,-20-,6.3.2 他励直流电动机的调速方法 前面曾介绍过他励直流电动机具有三种人为的机械特性,因而他励直流电动机有三种调速方法,下面分别介绍。 1. 串电阻调速 他励直流电动机拖动生产机械运行时,保持电枢电压额定,励磁电流(磁通)额定,在电枢回路串入不同的电阻时,电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图6-10a示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为,(6-27),他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图6-10b所示,是一组过理想空载点n0的直线,串
14、入的电阻越大,其斜率越大。,第6章 直流电动机的电力拖动,-21-,第6章 直流电动机的电力拖动,-22-,电枢回路串电阻调速的特点是: 1)实现简单,操作方便; 2)低速时机械特性变软,静差率增大,相对稳定性变差; 3)只能在基速以下调速,因而调速范围较小,一般D 2; 4)由于电阻是分级切除的,所以只能实现有级调速,平滑性差; 5)由于串接电阻上要消耗电功率,因而经济性较差,而且转速越低,能耗越大。 因此,电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合,如过去的起重机、电车等,现在已不多见。,第6章 直流电动机的电力拖动,-23-,2. 调电压调速 他励直流电动机拖动负载运行时,保持励
15、磁电流(磁通)额定,电枢回路不串电阻,改变电枢两端的电压,可以得到不同的转速。由于受电机绝缘耐压的限制,其电枢电压不允许超过额定电压,只能在额定电压UN以下进行,因此,调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。 调压调速的原理图如图6-7a所示,其机械特性方程式为,(6-28),调压调速的特点是: 1)由于调压电源可连续平滑调节,所以拖动系统可实现无级调速; 2)调速前后机械特性硬度不变,因而相对稳定性较好;,第6章 直流电动机的电力拖动,-24-,3)在基速以下调速,调速范围较宽,D可达1020; 4)调速过程中能量损耗较少,因此调速经济性较好; 5)需要一套可控的直流电源。 调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上,如机床、轧钢机、造纸机等。,第6章 直流电动机的电力拖动,-25-,3. 弱磁调速 他励直流电动机拖动负载运行时,保持电枢电压额定,电枢回路不串电阻,改变励磁电流(磁通),可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时,磁路已接近饱和,因此改变磁通调速,实际上是减弱磁通,所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理图如 图6-12所示。弱磁调速时,机械特性方程式为,(6-29),弱磁调速的特点是: 1)由于励磁电流I f Ia ,因而