电机与拖动基础课件第二章直流拖动

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1、第一节：电力拖动系统的运动方程 第二节：电力拖动系统的负载转矩特性 第三节：他励直流电动机的机械特性 第四节：他励直流电动机的启动 第五节：他励直流电动机的制动 第六节：他励直流电动机的调速,第二章 直流电动机的电力拖动运行,1.拖 动：原动机带动生产机械运转 2.电力拖动：电动机 + 负载 3.电力拖动系统,问题：,1、电力拖动系统指的是什么？主要的拖动方式有哪些？,2、机械特性方程式是如何推到出来的？依据特性方程式研究几种常见的电动机调速问题？,3、拖动系统稳定运行的必要和充分条件是什么？,4、电动机的起动需要考虑哪些问题？,5、电动机的制动方法有哪些？我们研究的是哪一种？,6、电动机调速

2、性能的好坏用哪些指标来衡量？,7、电力拖动系统中常用的调速方法有哪些？我们研究的是哪一种？,8、对于电力拖动系统，哪些性质的负载可分别在一、二、三、四象限内稳定运行？,第一节 电力拖动系统的运动方程式,直线运动系统,旋转运动系统：,工程上常用的实用公式,TTL 加速 T= TL 匀速,动态、过渡过程,静态、稳定过程,正方向的确定 以n为参考方向 Tem与n同方向取；TL与n反向取,第二节 电力拖动系统的负载转矩特性,负载转矩特性: n=f(TL ),一、恒转矩负载特性,二、恒功率负载特性,TL=K/n TL与n成反比,机床刀具多属于恒功率负载,三、通风机负载特性:,TL=Cn2 通风机负载属于

3、反抗性负载,实际的负载是几种典型负载的综合 通风机：TL=T0+Cn2,一、机械特性方程:,（一）电枢加正向电压时,或 n=n0-Tem,第三节 他励直流电动机的机械特性,n=f(Tem),理想空载转速,机械特性的斜率,转速降落,实际空载时: Tem=T0 n0（实际）n0（理想）,一般nN*=318%之间,（二）电枢两端加反向电压时,从机械特性方程可知，改变方向n0=U/Ce 改变方向 从电机原理的分析可知，改变方向a改变方向em改变方向 则反电动的机械特性在第三象限与第一象限的特性对称0点,说明：工程分析时，在时，可用,代替,二、他励直流电动机的固有机械特性,（一）固有机械特性方程,（二）

4、固有机械特性的绘制,（一）电枢串电阻时的人为机械特性,特点（）n0不变 （）n与成正比 Radnn 特性曲线为通过n0点的射线,U=UN，=N，R=Ra+Rad,Rad1Rad2Rad3,三、他励直流电动机的人为机械特性,（二）改变电枢电压时的人为机械特性,Ra =N,特点：（）n0U （）n与无关 Un0n 一组平行线,U1U2U3U4,Ik=UN/Ra=C Ik-堵转电流,2 1 N,（三）减弱磁通时的人为机械特性,UN Ra,N 1 2,一般TLTNTk n,Tk=CTUN/Ra Tk-堵转转矩,四、电力拖动系统稳定运行条件,稳定运行： Jd/dt=0 即 Tem=TL .下降机械特性：

5、 系统原稳定在点，TL=TL1=Tem,TL=TL2TL1， 由于惯性不变TemTL2n（减速）EaIa Tem 当Tem=TL 系统稳定,.上翘的机械特性 若系统原工作在点，TL=TL1=Tem,TL=TL2TL2n（加速）Tem n系统无法达到新的稳定状态,用数学方法表示：Tem/n0 或 dTem/dn0 恒转矩负载 dTL/dn=0 推广到一般负载 dTem/dndTL/dn 系统稳定,第四节 他励直流电动机的起动,重点：起动的定义 起动电流的大小 减小起动电流的措施 过渡过程的分析方法,起动：从静止到稳定运行， 从到n=nL 起动要求: 起动电流不能太大 Ist=UN/Ra 起动转矩

6、足够大 起动方法: 全压起动 减压起动 增加电枢电阻起动 （电枢串电阻）,一、直接起动,UN，=N，Ra n=0Ea=0 Ist=(UN-Ea)/Ra =UN/RaIN Tst=CTIstTLn Ia=(U-Ea)/Ra Tem=TL 直接起动的缺点：起动电流太大 几百瓦的电机可以直接起动,起动电流的大小与什么因素有关 ？ TL=TN，TL=1/2TN时，起动电流是否一样？,二、降压起动：,电枢由专用的可调直流电源供电 Ist1(1.52)IN Tst1TLnIaTemU IaTemn 直至U=UNn=nN为止，系统稳定 在整个起动过程中，采用自动控制 的方法增加,三、电枢回路串电阻起动：,为

7、防止二次冲击电流，一采用串多级起动电阻 Ist=I1=(1.52)IN 切换电流 I2=(1.1 1.2)IN,起动瞬间Ea=0Ist=U/R1 Tst1TLnEaIaTem切除一级电阻IaTemn 直至电阻全部切除n=nL为止直至电阻全部切除,四、他励直流电动机起动 的过渡过程,过渡过程：从一种稳定状态 另一种稳定状态的过程。 n、Ea、Ia、Tem 均发生变化 为简化分析：假设(1)U=UN=C 无波动 (2)=C不考虑电枢反应 (3)TL=C,（一）过渡过程方程式：,.电枢电流Ia=f(t),-机电时间常数,查数学手册，解得 Ia=IL+Ce-t/Tm t=0 Ia=Ist 则C=Ist

8、-IL Ia=IL+(Ist-IL)e -t/Tm 当 t=0 Ia=Ist, t IaIL 指数降特性,2.转矩Tem=f(t),Tem=CTIa，将Ia=f(t)两边同乘以CT Tem=TL+(Tst-TL)e -t/Tm 其过渡过程特性曲线与电流特性完全一样。,.转速n=f(t),将Ia=IL+(Ist-IL)e-t/Tm代入,n=nL+(nst-nL)e -t/Tm 起动瞬间 nst=0，则 n=nL-nLe -t/Tm=nL(1-e-t/Tm) t=0 n=0 ，t n=nL指数升特性,（二）过渡过程时间计算：,从Ia=IL+(Ist-IL)e-t/Tm中得,也可表示为,或,（三）机

9、电时间常数Tm,对,微分,也可表示为,第五节 他励直流电动机的制动,电动： Tem与同向 制动：Tem与反向 在电动运行状态下进入制动，可以改变电磁转矩的方向，也可以改变电机旋转方向。通常改变电磁转矩的方向。,当磁场方向不变时，只需改变电枢电流的方向。,一、能耗制动,.能耗制动的实现方法： 保持If不变，将电枢从电网断开，并接上 Rad，U，不变（惯性）,Ea不变Ia=-Ea/(Ra+Rad)0 Tem反向Tem与n的方向相反制动 制动时，动能电能消耗在电枢回路上能耗制动,.能耗制动时的机械特性,（）方程 Un0=0 （）特性：与Tem方向相反，特性位于二、四象限,斜率与电枢串电阻的人为特性相

10、同 特性曲线通过0点与电枢串电阻的人为特性平行 Ra+Rad=Ea/(22.5)IN （）应用： 反抗性负载：停车 位能性负载：稳定下放重物 .能耗制动的特点： 线路简单可靠 反抗性负载可以可靠停车,二、倒拉反接制动（适于位能性负载）,三、电源电压反接制动,特性：反电动机械特性在第 二象限的延伸 应用： .反抗性负载 TLTc, 在Tc的作用下， 电机反向运行； TLTc，停转。 b.位能性负载,四、回馈制动-再生发电制动,nn0 . 回馈制动的实现方法 （）位能性负载拖动电动机 nn0EaU Ia=(U-Ea)/Ra制动 （）调速过程中的回馈制动 U或不变（惯性）EaU不变回馈制动 .回馈制

11、动的机械特性： n0与n的方向相同 n= n0+n,.回馈制动的特点： 实现容易 将能量馈送电网,五、四象限运行及电动机的 各种运行状态,（一）电动运行状态 Tem与同方向，特性曲线在 第一、 三象限 （二）制动运行状态 Tem与反向，特性曲线在第二、四 象限。同一条特性曲线，所处的位 置不同，电动机的运行状态不同,第六节 他励直流电动机的调速,重点：三种调速方法 调速系统电机的选择 调速：TL=C，人为改变电机的有关参数， 使电机的速度变化。 调速方法：机械调速 电气调速 电气机械调速 n=U/Ce-(Ra+Rad)Ia/Ce 减压 电枢串电阻 弱磁,一、调速指标,.静差率 （相对稳定性）

12、=n/n0100% 机械特性越硬，静差率 越小，但硬度相同，静 差率不同。静差率指 系统低速运行时的值。 一般设备3050% 精密机床13%,2.调速范围,越小D越小，实际希望 小，D大。,.调速的平滑性：,越接近,平滑性越好,无级调速 .调速的经济指标： 初投资大小： 运行费用：能耗、维护费用,5. 适应负载的特点,二、电枢回路串电阻调速,（一）调速方法原理和方法 =N U=UN Ra瞬间Ia、Tem、n、Ea都要发生变化。,调速过程中，哪些物理量变化，怎样变？电枢串电阻Ia=(U-Ea)/Ra TemTL nEaIa Tem=TL=C,（二）调速性能 调速小，静差率大，平滑性差 负载小时，

13、调速不明显 P1=UNIa不变，但 P2=TLn/9.55不经济,若TL=C不变，则Rn Ia=C 过渡过程曲线：,.方法：,U=UN R=Ra,调节Rfad If Ia,三、弱磁调速,Ia Tem TLn Ea IaTem=TL新的平衡,.原理：,弱磁后： n Ia1IaN,3.调速的机械特性: n n 在一定的转矩范围内，n0 n,5.调速性能： nmax受限，D2 调速经济性，平滑性好，投资少,1.减压调速方法与调速原理 =N R=Ra U瞬间Ia、Tem、n、Ea都要发生变化。,调速过程中，哪些物理量变化，怎样变？U机械特性下移Ia=(U-Ea)/Ra TemTL n EaIa Tem

14、=TL=C,四、降低电枢电压调速,调速结束后，Ia、Tem、n、Ea 怎样变化？ 若TL=C不变，则UnIa=C 过渡过程曲线：,2.方法,（）整流装置:改变触发角或改变导通时间,（）系统,3.减压调速的机械特性,U0：空载电压 0：整流装置内阻 对晶闸管调速系统， TL很小a很小时, 电流不连续特性曲线如图,4.调速性能,1.调速范围大稳定性好。 2.调速平滑性好，无级调速。 3.初投资大。,五、电动机调速时允许的输出与负载的配合,（一）允许输出 IaIN，充分利用电机Ia=IN .电枢串电阻调速和减压调速 =NIa=IN不变 Tem=CTNIN=TN 与转速无关 Pem=Temn/9.55=TNn/9.55n 恒转矩调速,.弱磁调速,若保持Ia=IN不变 则 =(UN-INRa)/(Cen)=EaN/(Cen) Tem=CTIN=CTEaN/(Cen)IN =9.55PemN/n 1/n Pem=Temn/9.55=PemN=C-恒功率调速,P2,（二）调速方法与负载的配合,（分析额定负载的情况） .恒转矩调速 （）恒转矩负载： TN=TL=C nN=nmax PN=TNnN/9.55=TLnmax/9.55 在任何转速下，Ia=IN，电机充分利用。 （）恒功率负载：PL=C nN=nmax TLmax=9.55PL/nmin