《电机与拖动》,第2章直流电机电力拖动

2 1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 2 2他励直流电动机的机械特性 2 3他励直流电动机的起动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程式 负载转矩特性 直流电动机的机械特性 起动 制动 调速等方法和物理过程 2 4他励直流电动机的制动 2 5他励直流电动机的调速 2 6串励直流电动机的电力拖动 思考题与习题 2 1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 2 1 教学内容 2 1 1电力拖动系统的运动方程式 2 1 2负载的转矩特性 教学目的与要求 1熟练掌握电力拖动系统的运动方程式 2掌握电磁转矩和负载转矩的正方向规定 3掌握负载的转矩特性及曲线 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态 系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩 2 1 1电力拖动系统的运动方程式 一 运动方程式 根据如图给出的系统 忽略空载转矩 可写出拖动系统的运动方程式 其中为系统的惯性转矩 2 1 1 运动方程的实用形式 系统旋转运动的三种状态 1 当或时 系统处于静止或恒转速运行状态 即处于稳态 2 当或时 系统处于加速运行状态 即处于动态 3 当或时 系统处于减速运行状态 即处于动态 常把或称为动负载转矩 把称为静负载转矩 2 1 1 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向 然后规定 二 运动方程式中转矩正 负号的规定 1 电磁转矩与转速的正方向相同时为正 相反时为负 2 负载转矩与转速的正方向相同时为负 相反时为正 3 惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定 2 1 1 2 1 2负载的转矩特性 一 恒转矩负载特性 负载转矩的大小恒定不变 而负载转矩的方向总是与转速的方向相反 即负载转矩总是阻转矩 由摩擦力产生转矩的机械属于反抗性恒转矩负载 例如 皮带运输机 轧钢机等 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性 分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种 1 反抗性恒转矩负载 2 1 2 负载的转矩特性 就是负载的机械特性 简称负载特性 2 位能性恒转矩负载 负载转矩的大小和方向均恒定不变 3 恒转矩负载的特点 转矩的特点 在不同的转速下 负载的阻转矩基本恒定 即负载转矩的大小与转速无关 功率的特点 负载功率与速度成反比 4 恒转矩负载 1 传送带 搅拌机 挤压机等摩擦类负载 2 起重机 提升机等重力负载 提升和下降重物时 负载转矩的方向不变 3 空气压缩机 罗茨鼓风机 球磨机 注塑机 往复式注塞泵等 二 恒功率负载特性 恒功率负载特点是 负载转矩与转速的乘积为一常数 即与成反比 负载功率与转速无关 特性曲线为一条双曲线 例如 轧钢机轧制钢板时 小工件需高速度低转矩 大工件需要低速度高转矩 车床的切削 1 粗加工时需要较大的进刀量和较低的转速 2 精加工时需要较小的进刀量和较高的转速 三 泵与风机类负载特性 负载的转矩基本上与转速的平方成正比 负载特性为一条抛物线 2 1 2 例如 水泵 油泵 通风机 螺旋桨等 实际的负载特性可能很复杂 是几种特性的结合 例如 通风机 轴承上还存在摩擦转矩 2 1 教学重点 1 电力拖动系统的实用运动方程式 2 负载转矩特性及其曲线形状 教学难点 负载转矩正方向的确定 作业 P91 2 4 小结 负载转矩特性的特点 P92 2 25 2 2他励直流电动机的机械特性 2 2 教学内容 2 2 1机械特性的表达式 2 2 2固有机械特性和人为机械特性 2 2 3机械特性的求取 教学目的与要求 1熟练掌握直流电动机的机械特性 2掌握机械特性的求取 3熟练掌握电力拖动系统稳定运行的条件 2 2 4电力拖动系统稳定运行条件 2 2 1机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压 励磁电流 电枢回路电阻为恒值的条件下 即电动机处于稳态运行时 电动机的转速与电磁转矩之间的关系 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式 称为理想空载转速 实际空载转速 2 2 1 2 2 2固有机械特性和人为机械特性 一 固有机械特性 当时的机械特性称为固有机械特性 二 人为机械特性 当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性 由于电枢电阻很小 特性曲线斜率很小 所以固有机械特性是硬特性 2 2 2 1 电枢串电阻时的人为特性 保持不变 只在电枢回路中串入电阻的人为特性 特点 1 不变 变大 2 越大 特性越软 2 2 2 2 降低电枢电压时的人为特性 保持不变 只改变电枢电压时的人为特性 特点 1 随变化 不变 2 不同 曲线是一组平行线 2 2 2 3 减弱励磁磁通时的人为特性 保持不变 只改变励磁回路调节电阻的人为特性 特点 1 弱磁 增大 2 弱磁 增大 2 2 2 2 2 3机械特性求取 一 固有特性的求取 已知 求两点 1 理想空载点和额定运行 具体步骤 1 估算 2 计算 3 计算理想空载点 4 计算额定工作点 二 人为特性的求取 在固有机械特性方程的基础上 根据人为特性所对应的参数或或变化 重新计算和 然后得到人为机械特性方程式 2 2 3 或求出 扰动使转速有微小下降 由下降到 2 2 4电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统 由于受到某种扰动 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态 如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态 或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行 则系统是稳定的 否则系统是不稳定的 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 扰动消失 系统减速 回到点运行 扰动消失 系统加速 回到点运行 2 2 4 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 系统加速 即使扰动消失 也不能回到点运行 扰动使转速有微小下降 由下降到 系统减速 即使扰动消失 也不能回到点运行 1 必要条件 电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点 即存在 2 2 4 2 2 教学重点 1直流电动机的机械特性方程 2 电力拖动系统稳定运行的条件 教学难点 直流电动机机械特性的求取 作业 P91 2 4 2 9 2 25 小结 电力拖动系统稳定运行的判断 2 3他励直流电动机的起动 StartingofseparatelyexcitedDCMotor 2 3 教学内容 2 3 1电枢回路串电阻起动 2 3 2降压起动 教学目的与要求 1掌握对直流电机的起动要求 2熟练掌握直流电动机电枢回路串电阻起动过程 3了解直流电动机电枢回路串电阻起动分级电阻的计算 4掌握直流电动机的降压起动过程 2 3 0起动概述 1 定义 电动机的起动是指电动机接通电源后 由静止状态加速到稳定运行状态的过程 起动时由于转速为零 电枢电动势为零 而且电枢电阻很小 所以起动电流将达很大值 2 3 一 起动的定义 起动转矩和起动电流 3 起动电流 起动瞬间的电枢电流 2 起动转矩 起动瞬间的电磁转矩 为了限制起动电流 他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动 过大的起动电流将 1 引起电网电压下降 影响电网上其它用户的正常用电 二 对起动的基本要求 三 起动方法 2 使电动机的换向恶化 3 过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构 一般直流电动机不允许直接起动 4 起动设备简单 可靠 一 起动过程 2 3 1电枢回路串电阻起动 2 3 1 以三级电阻起动时电动机为例 1 起动时 励磁回路电阻放在最小位置 最大 最大 2 电枢回路电阻放最大位置 限制起动电流 起动完毕后 将起动电阻切除 二 分级起动电阻的计算 设对应转速n1 n2 n3时电动势分别为Ea1 Ea2 Ea3 则有 b点 c点 d点 e点 f点 g点 比较以上各式得 在已知起动电流比 和电枢电阻前提下 经推导可得各级串联电阻为 6 计算各级起动电阻 1 估算或查出电枢电阻 2 根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流 3 选取起动级数 计算各级起动电阻的步骤 2 3 1 2 3 2降压起动 当直流电源电压可调时 可采用降压方法起动 起动时 以较低的电源电压起动电动机 起动电流随电源电压的降低而正比减小 随着电动机转速的上升 反电动势逐渐增大 再逐渐提高电源电压 使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上 保证按需要的加速度升速 降压起动需专用电源 设备投资较大 但它起动平稳 起动过程能量损耗小 因此得到广泛应用 2 3 2 1 直流发电机 直流电动机组2 晶闸管整流电源 直流电动机组 2 3 教学重点 1 直流电动机的起动电流和起动转矩概念 2 直流电动机电枢串电阻起动的过程 3 直流电动机降压起动的特点 教学难点 直流电动机电枢回路串电阻起动分级电阻计算 作业 P92 2 27 小结 2 4他励直流电动机的制动 2 4 教学内容 2 4 1能耗制动 2 4 2反接制动 2 4 3回馈制动 教学目的与要求 1掌握制动的概念 2掌握能耗制动过程 3熟练掌握反接制动过程 4了解回馈制动特点 制动 当电磁转矩的方向与转速方向相同时 电机运行于电动机状态 当电磁转矩方向与转动速方向相反时 电机运行于制动状态 2 4 1能耗制动 电动状态 如图所示 将开关S投向制动电阻上即实现制动 制动运行时 电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电 将生产机械储存的动能转换成电能 消耗在电阻上 直到电机停止转动 2 4 1 一 制动的定义及方法 二 能耗制动时的机械特性 电动机状态工作点 制动瞬间工作点 制动过程工作段 电动机拖动反抗性负载 电机停转 若电动机带位能性负载 稳定工作点 2 4 1 三 能耗制动过程分析 能耗制动操作简单 但随着转速下降 电动势减小 制动电流和制动转矩也随着减小 制动效果变差 若为了尽快使电机停转 可在转速下降到一定程度时 切除一部分制动电阻 增大制动转矩 1 改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度 其中为制动瞬间的电枢电动势 2 4 1 4 选择制动电阻的原则 讨论 2 越小 特性曲线的斜率越小 起始制动转矩越大 而下放负载的速度越小 3 制动电阻越小 制动转矩大 制动时间短 工作效率高 但过小 使制动电流越大 2 4 2反接制动 1 定义 电压与电动势顺向串联 电压反接制动时接线如右下图所示 一 电压反接制动 开关S投向 电动 侧时 电枢接正极电压 电机处于电动状态 进行制动时 开关投向 制动 侧 电枢回路串入制动电阻后 接上极性相反的电源电压 电枢回路内产生反向电流 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩 从而产生很强的制动作用 电压反接制动 2 4 2 2 制动电阻的计算 3 电压反接制动时的机械特性 曲线如图中所示 工作点变化为 1 制动过程中 均为负 而 为正 表明电机从电源吸收电功率 表明电机从轴上吸收机械功率 表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率 2 反接制动时 从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上 2 4 2 4 制动过程 讨论 二 倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载 电枢回路串入较大电阻后特性曲线 正向电动状态提升重物 A点 负载作用下电机反向旋转 下放重物 电机以稳定的转速下放重物D点 在电枢回路中串联一个较大的电阻 即可实现制动 工作点由A B C D CD段为制动段 2 4 2 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程 由于串入电阻很大 有 倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分 倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同 思考题 位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动 0 2 4 2 2 4 3回馈制动 feedbackbraking 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同 电动状态下运行的电动机 在某种条件下会出现情况 此时 反向 反向 由驱动变为制动 从能量方向看 电机处于发电状态 回馈制动状态 稳定运行有两种情况 当电车下坡时 运行转速可能超过理想空载转速 进入第二象限 电压反接制动带位能性负载进入第四象限 2 4 3 发生在动态过程