電機原理及拖動清華大學彭鴻才版.ppt

電機原理及拖動 茂名學院自動化系葉偉 國家規(guī)劃教材 東北大學彭鴻才主編 機工板 3 學習方法 要注意它既有基礎理論的學習 又有結合工程實際綜合應用的性質(zhì) 要逐漸地培養(yǎng)學員的工程觀點 掌握工程問題的處理方法 本課程的性質(zhì) 任務及學習方法 1 性質(zhì) 在工業(yè)電氣自動化專業(yè)中 電機原理及拖動 是一門十分重要的專業(yè)基礎課或稱技術基礎課 2 任務 我們所從事的專業(yè)決定了我們是從使用的角度來研究電機的 因此 我們著重分析各種電機的工作原理和運行特性 而對電機設計和制造工藝涉及得不多 但對電機的結構還要有一定深度的了解 目錄 第一章直流電機原理第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎第三章直流電動機的電力拖動第四章變壓器第五章三相異步電動機原理第六章三相異步電動機的電力拖動第七章同步電動機第八章控制電機第九章電力拖動系統(tǒng)中電動機的選擇 第一章直流電機原理1 1直流電機的用途 結構及工作原理 一 直流電機的用途 1 直流電動機的用途 在工業(yè)生產(chǎn)中 利用電動機的軸上轉(zhuǎn)矩拖動生產(chǎn)機械 對產(chǎn)品進行加工 2 直流發(fā)電機的用途 作為電源設備 二 直流電機的結構 1 靜止部分 1 主磁極 由極身和極掌組成 固定在磁軛 機座 上 在磁極上套入激磁繞組 線圈 主磁極總是偶數(shù) 且N極和S極相間出現(xiàn) 極掌對激磁繞組起支撐作用 且使磁通在氣隙中有較好的分布波形 2 換向極 它位于相鄰兩主磁極之間 構造與主磁極相似 其作用是為了消除在運行過程中換向器產(chǎn)生的火花 3 機座 一般把厚鋼板彎成圓筒形 然后再焊成機座 也可采用鑄鋼件 其作用一方面是作為各磁極間的磁路 故又稱為磁軛 另一方面機座作為電機的機械支架 主磁極和換向極就固定在磁軛上 4 端蓋 附有軸承的端蓋安裝在機座上以支持電樞 它可以保持電樞表面和極掌表面相隔一個氣隙 使電樞可以自由旋轉(zhuǎn) 5 電刷裝置 電刷是由石墨做成的導電塊 將它套入刷握內(nèi) 用彈簧以一定壓力將電刷壓在換向器的表面上 在電樞旋轉(zhuǎn)時可以保持電刷固定不動 電刷的作用是使電樞繞組和外電路接通 同時通過換向器進行電流的換向 2 轉(zhuǎn)動部分 1 電樞鐵心 電樞鐵心由0 5毫米厚且沖有齒和槽的硅鋼片迭成 鐵心鋼片沿軸向迭裝 以降低電樞鐵心在磁場中旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗 從而提高電機的效率 電樞鐵心一方面作為電機磁路的一部分 另一方面便于將電樞繞組安裝在電樞鐵心的槽內(nèi) 起著固定電樞繞組的作用 2 電樞繞組 電樞繞組是電機產(chǎn)生感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的重要部件 繞組是由絕緣的圓形或矩形銅線繞成 嵌放于電樞鐵心的槽中 必須采用層間絕緣和繞組與鐵心槽避之間的槽絕緣 3 換向器 其作用是使電樞繞組的繞組元件中的電流進行方向的交換 起著電流換向作用 電樞繞組元件的引線就焊在換向片上 3 氣隙在極掌和電樞之間有一空氣隙 氣隙是電機的重要組成部分 它的大小和形狀對電機性能有很大的影響 1 轉(zhuǎn)軸和軸承 轉(zhuǎn)子必須有轉(zhuǎn)軸 以便電機和生產(chǎn)機械或原動機進行聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩和功率 中小型電機一般采用滾動軸承 大容量電機 采用支架式滑動軸承 4 其他部分 2 通風裝置 作用是冷卻電機 為了說明方便 作下列規(guī)定 1 N導體和S導體 在N極下的導體稱為N導體 在S極下的導體稱為S導體 2 符號和符號 導體中電勢 電流 的方向進入紙面時用表示 導體中電勢 電流 的方向由紙面出來時用表示 三 直流電機的基本工作原理 1 直流發(fā)電機的基本工作原理 基本原理 由于導體切割了磁力線 因而在導體內(nèi)將產(chǎn)生感應電動勢 根據(jù)右手定則 N導體中電勢方向為 而S導體中電勢方向為 即二者方向相反 N導體和S導體在交換 a和b位置 但是 b1和b2極性是恒定的 即b1恒為正 b2恒為負 故在電刷兩端輸出脈動的直流電壓 綜上所述 線圈中的交變電勢已變成刷間直流電壓 通過換向器使電刷b1僅能接通S導體 而S導體的電勢方向恒為故電刷b1的極性恒為正 同理電刷b2的極性恒為負 2 直流電動機的基本工作原理 通過換向器的作用 使與電源負極相接的電刷僅能接通S導體 故S導體中的電流方向恒為流出紙面 而與電源正極相接電刷僅能接通N導體 電流流入紙面 故電機恒逆轉(zhuǎn) a b導體中電流方向如左所示 由左手定則可知S導體和N導體受力均為逆時針方向 因而使電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn) 發(fā)電機 由主磁極產(chǎn)生的氣隙磁通與電樞繞組切割而產(chǎn)生電勢 電動機 電樞電流與氣隙磁通相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 1 2直流電機的空載磁場 wf 一個主磁極上激磁繞組的匝數(shù) If 激磁繞組中的激磁電流 Rm 該段的磁組 磁通量 主磁通 所經(jīng)磁路 兩個氣隙 兩個電樞齒 一個電樞軛 兩個主磁極鐵心和一個主磁極軛等五段 由磁路中的歐姆定律 wfIf Rm 說明 當I較小時磁路的磁阻為氣隙磁阻且為常數(shù) 故If與 是線性的If較大時鐵心飽和 磁阻加大 增加變慢If與 為非線性關系 電機的飽和程度對電機的性能有很大的影響 氣隙磁密的概念 是指穿過氣隙進入電樞表面或由電樞表面出來的磁通 因而氣隙磁密實際上是指電樞表面的磁通密度 氣隙磁密 主磁極作用產(chǎn)生部分 電樞磁勢作用部分主磁極磁勢單獨作用 電樞電流為零時 氣隙在極掌下大致是均勻的 但在極尖以外時 主磁通所經(jīng)氣隙加大 磁密減小 并在兩主磁極中間的幾何中線上下降為零 二 主磁極磁勢產(chǎn)生的氣隙磁密在空間的分布 一 概述電機的電樞繞組是電機的主要組成部件 電機必須通過電樞繞組與氣隙磁場相互作用才能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換 繞組類型 1 單迭繞組 2 復迭繞組 3 單波繞組 4 復波繞組 5 混合繞組 其中 單迭和單波繞組是最基本的直流電樞繞組 是了解其他繞組的基礎 二 單迭繞組1有關技術名詞 1 極軸線 它是將主磁極平分為左右兩部分的直線 1 3直流電機的電樞繞組 2 極距 它是相鄰兩主磁極極軸線之間的距離 在相鄰主磁極之間 與上述距離大小相等的距離 也叫極距 3 幾何中線 是在相鄰兩極軸線之間并且與這兩極軸線等距離的直線 兩相鄰主磁極以幾何中線為軸作位置上的對稱分布 以n n表示 2 單迭繞組元件單迭繞組由迭繞組元件按一定規(guī)律排列聯(lián)接而成 繞組元件實際上是一個線圈 可以是多匝 也可以的單匝的 繞組元件結構原理 a1b1及a2b2部分稱為元件邊 用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2將元件邊聯(lián)結起來 使兩元件邊中電勢在元件中迭加 端線c1d1及c2d2稱為引線 d1為元件的首端 d2為末端 元件的首端和末端分別焊接在不同的換向上 a1b1稱為第一元件邊 右邊a2b2稱為第二元件邊 3 單迭繞組展開圖 圖中四個方框代表四個主磁極 相同極性的兩個電刷均用導線并聯(lián)后引往出線端 四個電刷均安放在相應的四個主磁極的極軸線處的換向片上 電刷寬度等于一個換向片寬 電樞鐵心槽數(shù) 元件數(shù)以及換向片數(shù)均相等且為16 元件的第一元件邊嵌在槽的上層 上層邊 而元件的第二元件邊總是嵌在槽的下層 下層邊 上層邊用實線表示 下層邊用虛線表示 以元件上層邊所在槽的號碼作為該元件的號碼 元件聯(lián)接次序表 123456789101112131415161 號碼上打 的 表示被電刷短路的元件 當元件的兩元件邊的距離恰是一個極距時 由于電刷放在極軸線處的換向片上 故被電刷短接的元件的兩個元件邊正處在兩相鄰幾何中線上 4 繞組電路分析 元件2 3 4電勢方向相同組成一個支路 元件6 7 8電勢方向相同組成一個支路 但方向與2 3 4組成支路電勢相反 元件10 11 12與2 3 4支路電勢方向相同故將電刷A1 A2接在一起 14 15 16與6 7 8支路電勢方向相同故將B1 B2接在一起 引出正 負兩個電極 并聯(lián)支路圖 每個主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路 共有四條并聯(lián)支路a b p 輸出電流Ia 2aia a為并聯(lián)支路數(shù) ia為去路電流 p為主磁極對數(shù) b為電刷對數(shù) 電樞反應 電樞磁動勢對主磁極所建立的氣隙磁場的影響 電樞磁動勢不僅與電樞電流大小有關 它還受電刷位置的影響 一 電樞磁動勢與電樞磁場二極直流電機電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布圖 幾點說明 1 因電刷接觸的換向片與幾何中性線處的導體相連 故把電刷畫在幾何中性線處的導體上 2 繞組只畫一層 都在電樞表面上 3 電流方向以電刷為分界線 4 電樞磁場以電刷為極軸線 電刷處磁勢最強 主磁極的極軸線處電樞磁勢為零 電樞磁勢與主磁極磁勢正交 稱交軸電樞磁勢 1 4直流電機的電樞反應 把電樞圓周從電刷處切開展成直線并以主磁極軸線與電樞表面的交點為空間坐標的起點 這點的電樞磁動勢為零 電樞磁動勢沿空間的分布 電樞線負荷 電樞圓周表面單位長度上的安培導體數(shù) A 應用全電流定律 有 Hl 2Ax認為總磁勢全部降在兩段氣隙上2Fax 2Ax即Fax Ax磁密Bax 0Hax 0Fax Nia D 二 電刷位于幾何中性線上時的電樞反應此時電樞磁動勢剛好與主磁極磁動勢正交 故稱這電樞反應為交軸電樞反應 電機合成磁場B x B0 x Bax正方向規(guī)定 磁力線進入轉(zhuǎn)子為負 出來為正 所以 主磁極磁通密度在N極下為負 在S極下為正 可知 磁場波形發(fā)生了畸變 1 發(fā)電機 前極尖增磁 后極尖去磁 2 電動機 前極尖去磁 后極尖增磁 如不考慮磁路飽和 則增去磁量相等總磁通量不變 3 物理中線移到m m 當磁路飽和時因磁勢和磁通密度之間不再成線性關系在磁場相加的區(qū)域磁密下降 所以交軸電樞反應總有一些去磁作用 三 電機上偏離幾何中性線時的電樞反應電樞磁勢分為兩部分 交軸磁勢和順軸磁勢 Fa Faq Fad當發(fā)電機順旋轉(zhuǎn)方向移動電刷或電動機逆移時順軸電勢Fad去磁 反之順軸電勢助磁 右圖為發(fā)電機電刷順移或電動機電刷逆移后的電樞反應 一 直流電機的電樞電動勢電樞電勢是指電機正常工作時電樞繞組切割氣隙磁通產(chǎn)生的刷間電動勢 刷間電動勢等于其中一條支路的電動勢 推導過程 設繞組為整距元件 電刷在幾何中線上 如電樞繞組總導體數(shù)為N 并聯(lián)電路數(shù)為2a則繞組每條支路的導體數(shù)為N 2a 如每根導體的平均電動勢eav 則支路電動勢即刷間電動勢 N一根導體的平均電動勢為eav BavlVBav 為一個極下的平均磁密 Bav Ea 1 5直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 導體切割磁場的速度v用每分鐘轉(zhuǎn)速表示有V 2p n 60所以 Ea N 2a 2p n 60 pN 60a n Ce n這是一個十分重要的公式 式中Ce pN 60a 為電動勢常數(shù) 是一個決定于電機結構的參數(shù) 電樞電動勢與每極磁通成正比 與轉(zhuǎn)速正比 B wb 韋伯 n r min 每分鐘 轉(zhuǎn) Ea V 伏特 二 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 電樞導體在磁場中受力所形成的總轉(zhuǎn)矩 先求每根導體平均受力fav Bav ia 導體有效長度ia 導體電流每根導體平均轉(zhuǎn)矩為Tav Bav iaD 電樞直徑電樞總轉(zhuǎn)矩為T N CT IaIa為電樞電流ia Ia 2a 單位為A 安培 CT pN 2 a 是與電機結構有關的常數(shù) 稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù) 單位Nm CT 9 55Ce D2 Ia 一 直流發(fā)電機的分類1 他勵直流發(fā)電機 勵磁電流由另外的獨立直流電源供給 2 自勵直流發(fā)電機 它用自已發(fā)出的電給自已的勵磁繞組勵磁 1 并勵發(fā)電機 它的勵磁繞組跨接在電樞兩端 與電樞并聯(lián) 2 串勵發(fā)電機勵磁繞組與電樞串聯(lián) 勵磁電流就是電樞電流 3 復勵發(fā)電機 既有并勵繞組又有串勵繞組 勵磁消耗的功率一般只占直流發(fā)電機額定功率的1 3 1 6直流發(fā)電機 二 直流發(fā)電機的基本方程式三大平衡方程式 電壓平衡 轉(zhuǎn)矩平衡 功率平衡 一 電壓平衡方程式U Ea IaRaU 電樞電壓Ra 電樞回路總電阻 二 轉(zhuǎn)矩平衡方程式Ia方向和Ea一致 當發(fā)電機穩(wěn)定運行時T1 T T0T1為原動機拖動轉(zhuǎn)矩 T為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩 T0為空載轉(zhuǎn)矩 三 功率平衡方程式P1 PM p0P1為原動機從軸上送入直流發(fā)電機的機械功率 PM為電磁功率 P0空載損耗功率 P0 pm pFe pspm 機械摩擦損耗pFe 鐵損耗ps 附加損耗電磁功率多數(shù)轉(zhuǎn)為電功率P2因PM T CT Ia P2 PM pCu即電樞輸出功率P2為電磁功率PM減去電樞回路的電阻銅損耗pCu 由電壓平衡方程U Ea IaRa得UIa EaIa I2aRa即綜合后得P1 P2 pCu pm pFe ps P2 p直流發(fā)電機功率流程圖注 沒有把勵磁功率計算在P1之內(nèi) P2 PM pCu 三 他勵直流發(fā)電機特性研究條件 保持轉(zhuǎn)速n不變且等于額定轉(zhuǎn)速nN 三個物理量 電樞電壓U 電樞電流Ia 勵磁電流If 一 空載特性U f If n c Ia 0因Ea Ce n Ce和n為常數(shù) 所以Ea與 成正比 即U f If 曲線與磁化曲線 f If 形狀相同 U 發(fā)電機的額定電壓工作點一般選在開始飽和的彎曲處C點 當If 0時 U 0 這是剩磁所致稱為剩磁電壓Us 2 4 UN 二 外特性U f Ia n c nN常數(shù)If 常數(shù)調(diào)勵磁If和負載Ia 使U UN 電機工作在額定狀態(tài)調(diào)Ia測U得外特性U f Ia 曲線是一條略微向下傾斜的曲線U Ea IaRaUIaIaRaU國家標準規(guī)定 用發(fā)電機由額定狀態(tài)過渡到空載時的電壓升高對額定電壓的比率表示電壓變化率 U U 5 10 常數(shù) 四 并勵直流發(fā)電機 一 并勵直流發(fā)電機的自勵條件 1 發(fā)電機必須有剩磁 如果無剩磁 必須用另外的直流電源充磁 2 勵磁繞組并聯(lián)到電樞兩端 線端的接法應與旋轉(zhuǎn)方向配合 以使勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向與剩磁的磁場方向一致 3 勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻 在建立正常電樞電壓的過程中 勵磁電流If一直在上升勵磁回路電壓平衡方程為 Uo 在A點之前Uo Rfif 0if當達到A點時 U0 RfIf Lfdif dt 0 If不再變化 電壓穩(wěn)定在A點 發(fā)電機能建立起正常電壓 二 外特性n 常數(shù) 勵磁回路總電阻不變時U f I 關系曲線 并勵比它勵電機外特性下降得快原因有三 1 電阻壓降 2 電樞反應去磁 3 UIf磁路退飽和 導致勵磁電流下降電壓降低 使負載電流不再增加反而減小 1 7直流電動機一 直流電機的可逆原理一臺直流電機 在滿足一定條件下它可以作發(fā)電機運行 也可以作為電動機運行 稱為可逆性原理 過程分析 發(fā)電機狀態(tài)到電動機狀態(tài)的過渡 假設開始時發(fā)電機向直流電網(wǎng)供電 電網(wǎng)電壓U恒定不變 各量方向如圖所示 發(fā)電機中電流與電勢方向一致 電機的電磁轉(zhuǎn)矩T為順時針方向 與原動機拖動轉(zhuǎn)矩T1方向相反 U穩(wěn)定運行時T1 T T0電動勢Ea U電流順電動勢方向流向電網(wǎng) 能量關系 T1 EaIaUia機械功率電功率輸出電功率 當撤掉原動機后nEaIaT穩(wěn)定運行時T T0 Tm反電勢Ea UU Ea IaRa能量關系IaUEaIaT2 電機從電網(wǎng)電磁功率輸出機械功率吸收電功率 二 直流電動機基本方程式 一 電壓平衡方程式U Ea IaRaEa 反電動勢Ia 電樞回路電流Ra 電樞回路電阻 二 轉(zhuǎn)矩平衡方程式當電機穩(wěn)定運行時T T0 T2或T T0 Tm當T2 Tm時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 三 功率平衡方程式P1 Pm pcuUIa EaIa I2aRa 電機從電網(wǎng)吸收的電功率P1 UIa減去電樞繞組銅損Pcu I2aRa余下的為電樞的電磁功率PM EaIa 而PM EaIa T T0 T2 p0 P2所以P1 Pcu p0 P2功率流程圖 三 他勵直流電動機特性目的 為正確使用電動機 幾種靜特性 1 轉(zhuǎn)速特性 2 轉(zhuǎn)矩特性 3 效率特性 4 機械特性從使用電動機的角度 機械特性是電動機最重要的一種特性 一 轉(zhuǎn)速特性U UNIf IfN電樞無外串電阻即R Ra因Ea UN IaRa Ce n所以 二 轉(zhuǎn)矩特性T CT Ia為一過原點直線Ia 0時n n0為理想空載轉(zhuǎn)速 n Ia IaRa Ce 為轉(zhuǎn)速降 所以 機械特性為略微向下傾斜的一條直線 三 效率特性當U UN If IfN 電樞無外串電阻 即R Ra時效率特性 f Ia 令d dIa 0可求得效率最高條件當電動機中不變損耗等于可變損耗時 效率最高 且通常出現(xiàn)在Ia 75 100 區(qū)域內(nèi) 四 機械特性U 常數(shù) If 常數(shù) R Ra Rc 常數(shù)時 n f T 變化關系 當U UN If IN Ra 0時 稱n f T 為自然機械特性 否則 稱為人造機械特性 由直流電動機電壓平衡方程可知 U Ea Ia Ra Rc Ea Ce nT CT ia聯(lián)解得 人造特性 自然特性 n 機械特性上的兩個特殊點 1 理想空載點T 0 n n0 2 額定工作點T TN n nN 電動機工作在額定狀態(tài)時 轉(zhuǎn)速降為一般根據(jù)額定時的數(shù)據(jù) UN IN nN Ra 求出Ce N和CT N 進而對工作點進行計算 四 串勵直流電動機及復勵直流電動機串勵直流電動機的勵磁電流就是電樞電流 它隨負載的變化而變化 復勵電動機是并勵直流電動機和串勵直流電動機的結合 它兼有兩者的特點 一 串勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩特性n f Ia 經(jīng)變換得分磁化曲線的不飽和和飽和兩部分討論 1 Ia較小 磁路不飽和磁通與電流成正比 R0為電樞回路總電阻 一條非線性曲線 將 K1Ia代入后得為一條雙曲線當電動機空載 電流很小時 可能引起 飛車 事故 所以串勵直流電動機不允許空載運行 也不允許用皮帶傳動 2 當Ia較大 磁路飽和時 K2為一常數(shù) 這時為一條稍有下降的直線 但轉(zhuǎn)速降比他勵直流電動機稍大 如特性1 二 串勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩特性T f Ia 由轉(zhuǎn)矩公式T CT Ia 及磁化曲線 f Ia 非線性 1 Ia較小 磁路不飽和時 K1Ia 與Ia成正比 T CTK1Ia2 拋物線 2 Ia很大 磁路飽和時 K2為一常數(shù)與Ia無關 T CTK2Ia 為一直線特性如曲線2所示 串勵直流電動機適用于起動比較困難 且不空載的生產(chǎn)機械 如電力機車 三 串勵直流電動機的機械特性n f T 一般表達式 機械特性曲線如右圖1所示 特點 1 輕載時特性軟 重載時為一條略微下傾的直線 2 輕載時轉(zhuǎn)速很高 曲線與縱坐標軸無交點 串勵電動機不允許空載運行 四 復勵直流電動機的機械特性復勵 既有并勵繞組又有串勵繞組 復勵電動機兼有并勵和串勵兩種電動機的優(yōu)點 串勵繞組使起動轉(zhuǎn)矩增加 并勵繞組使復勵電動機可以輕載運行和空載運行 不存在 飛車 的問題 機械特性介于并勵和串勵之間 如圖2所示 第八節(jié)直流電機換向簡介換向 直流電機在運行過程中 旋轉(zhuǎn)的電樞繞組中一些元件從一條支路經(jīng)過電刷進入另一條支路 在這一過程中 元件電流改變方向 這一過程稱為換向 換向的過程正是元件被電刷短路的過程 元件短路過程結束就是換向結束 這時元件完全進入另一條支路 一 換向過程 分三個階段 1 開始 電刷與1號換向片完全接觸 元件1和元件2屬右面支路 電流為 ia 2 電刷同時與換向片1和2接觸 元件1被電刷短路 元件1中的電流在從 ia向 ia變化 3 電刷完全與換向片1脫離 完全與換向片2接觸 元件1完全進入左支路 電流為 ia 二 直線換向 延遲換向與超越換向 一 直線換向直線換向是一種最基本的換向過程 換向元件中的電流按直線規(guī)律變化 條件 換向元件中無電勢 且只考慮電刷接觸電阻 特點 1 在換向過程中 電刷下不會產(chǎn)生火花 因為換向元件中的電流由 ia連續(xù)變化至 ia 沒有換向電流必須通過空氣而造成火花 2 在換向過程中 電刷兩左右兩側電流密度是均勻的 故電刷左右兩側發(fā)熱也是均勻的 二 延遲換向電機正常運行時換向元件中產(chǎn)生以下幾種電勢使 e 0 1 自感電動勢eL換向元件中電流變化時產(chǎn)生的eLeL Ldi dt 2 互感電動勢eM同時換向的幾個元件之間產(chǎn)生的互感電動勢eM Mdi dt稱er eL eM為電抗電勢 其方向與 ia相同 3 電樞反應電勢ea換向元件切割電樞磁場產(chǎn)生的感應電勢 其方向與er一致 也是反對換向電流變化的 結果使電流不能隨時間成線性關系變化且變化較慢 曲線2所示 稱之為延遲換向 延遲換向使電刷的前刷邊電流密度小 后刷邊電流密大 因此后刷邊出現(xiàn)較大的火花 三 改善換向的方法方法 在換向元件中產(chǎn)生與er和ea方向相反的電勢ek 方法一 在主磁極的幾何中性處加一換向磁極 極性與電樞磁場的極性相反 其繞組一般與電樞繞組串聯(lián)方法二 移刷改善換向 發(fā)電機順移 電動機逆移 移動的角度 物理中線與幾何中線之夾角 四 火花 環(huán)火及補償繞組換向不良電刷下產(chǎn)生火花 嚴重時影響電機工作 環(huán)火是處于最大磁密處的元件電壓出現(xiàn)最大值 在元件連接的兩個換向片間產(chǎn)生電弧短路而形成環(huán)火 補償繞組與電樞繞組串聯(lián)以消除電樞反應進而消除環(huán)火 第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎 第一節(jié)典型生產(chǎn)機械化的運動形式及轉(zhuǎn)矩一 電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動 以電動機為原動機拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的拖動方式 電力拖動系統(tǒng) 由電動機 機械傳動機構 生產(chǎn)機械的工作機構 電動機的控制設備以及電源等五部分組成的綜合機電裝置 二 典型生產(chǎn)機械的運動形式和轉(zhuǎn)矩 一 運動形式1 單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征 電動機的轉(zhuǎn)子與負載軸通過聯(lián)軸器連接在一起 所有運動運動部分均以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 如通風機 2 多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征 各軸轉(zhuǎn)速不同 主軸轉(zhuǎn)速比電動機轉(zhuǎn)速低 電動機轉(zhuǎn)子通過皮帶輪和減速機與主軸相連接 如車床 3 多軸旋轉(zhuǎn)和平移運動系統(tǒng)特征 負載既有旋轉(zhuǎn)運動又有平移運動 如起重機的起重小車 4 多軸旋轉(zhuǎn)和升降運動系統(tǒng)特征 負載既有旋轉(zhuǎn)又有升降運動 如起重機的提升機構 二 生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩性質(zhì)兩種類型 1 摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 反抗性轉(zhuǎn)矩特點 轉(zhuǎn)矩方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反 2 重力作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 位能性轉(zhuǎn)矩特點 作用方向與生產(chǎn)機械的旋轉(zhuǎn)方向無關電力拖動系統(tǒng)的運動規(guī)律的分析主要研究作用在電動機軸上的轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)速變化之間的關系n f T 分析方法 先對單軸運動系統(tǒng)進行分析 得出一般規(guī)律對多軸運動系統(tǒng) 則通過折算等效成單軸運動系統(tǒng)后再運用單軸運動系統(tǒng)的規(guī)律 第二節(jié)電力拖動系統(tǒng)和運動方程式一 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式作用在電機軸上的轉(zhuǎn)矩 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T電動機的空載轉(zhuǎn)矩T0生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)矩TmT0 Tm TL為電動機的負載轉(zhuǎn)矩 為軸的角速度 J為對轉(zhuǎn)軸的總轉(zhuǎn)動慣量J JR Jm 根據(jù)力學剛體轉(zhuǎn)動定律及各量參考方向得轉(zhuǎn)動方程式 轉(zhuǎn)矩單位為Nm J為Kgm2 為rad s該式是研究電力拖動系統(tǒng)各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎 在工程計算中 常用n代替 用飛輪力矩GD2代替J 其關系為m 轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量 kg G 轉(zhuǎn)動部分的重力 N 轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)半徑 m D 回轉(zhuǎn)直徑 m g 重力加速度 取g 9 81m s2運動方程式變?yōu)閷嵱眯问紾D2總飛輪慣量T TL Td為動態(tài)轉(zhuǎn)矩 Td 0 dn dt 0 電動機以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或靜止不動 稱靜止狀態(tài) Td 0 dn dt 0 系統(tǒng)處于加速狀態(tài)Td 0 dn dt 0 系統(tǒng)處于減速狀態(tài)稱動態(tài)或過渡狀態(tài) 規(guī)定n及T的參考方向 對觀察者而言逆時針為正 反之為負 TL的參考方向 順 二 電力拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量及飛輪力矩飛輪慣量GD2GDR2 電機轉(zhuǎn)子部分 GDm2 生產(chǎn)機械部分 轉(zhuǎn)動慣量JJ m 2 查表實際計算時由GD2 4gJ 4gm 2 4G 2求出J或GD2 三 功率平衡方程式運動方程式兩端同乗 即得功率平衡方程式判斷電動機是輸出機械功率還是從拖動系統(tǒng)中吸收功率 完全取決于電磁轉(zhuǎn)矩T和速度 的方向 T與 同方向時T 0 電動機輸出功率 T與 反方向時T 0 生產(chǎn)機械從拖動系統(tǒng)中吸收能量 反之表示放出機械功率給系統(tǒng) 第三節(jié)多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算一 多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩及飛辦力矩的折算 一 負載轉(zhuǎn)矩的折算折算的原則 保持折算前后系統(tǒng)傳遞的功率不變 設折算前多軸系統(tǒng)中負載功率為Tm m 折算后等效單軸系統(tǒng)的功率為Tmeq 則有Tm m Tmeq 故Tmeq j m n nm 傳動機構的總速比 j為各級速比積 j j1j2實際中考慮傳動效率 c時 c為各級傳動效率之積 二 飛輪力矩的折算折算原則 折算前后系統(tǒng)總動能不變 方程式得單軸系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量Jeq 即 上式兩邊同乗以4g得折算到電動機軸上的飛輪力矩GD2eq 即兩個中間軸 n個中間軸 主體部分占比重很小故有估算公式 1 1 1 25 多軸系統(tǒng)折算到電動機軸上時的等效單軸系統(tǒng)的運動方程式可寫成TL T0 Tmeq二 平移運動系統(tǒng)的折算橋式起重機的起重小車 龍門刨床等 其工作機構作平移運動 一 阻力Fm的折算折算原則 折算前后功率不變 切削時切削功率為Pm FmvmFm反映到電動機軸上 表現(xiàn)為負載轉(zhuǎn)矩Tmeq 電動機軸上的切削功率為Tmeq 不考慮傳動機構的損耗時 可得Tmeq Fmvm考慮傳動機構的損耗時Fm為平移部件的阻力 單位為N 二 平移運動部件質(zhì)量的折算折算原則 折算前后系統(tǒng)貯存動能不變 運動部件的動能為折算到電動機軸上后 等效飛輪力矩為GD2meq 其動能為另上二式相等得 注意 求總飛輪力矩時還需計算傳動機構各旋轉(zhuǎn)軸飛輪力矩的折算值 方法與多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)飛輪力矩折算方法同 三 工作機構為升降運動時轉(zhuǎn)矩與飛輪力矩的折算等效負載轉(zhuǎn)矩和等效飛輪力矩 第四節(jié)負載的機械特性負載的機械特性 生產(chǎn)機械工作機構的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關系 一 恒轉(zhuǎn)矩負載特性 一 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特點 轉(zhuǎn)矩由摩擦力產(chǎn)生的 它的絕對值大小不變 但作用方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反 是阻礙運動的制動轉(zhuǎn)矩 二 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載由重力作用產(chǎn)生 特點 是工作機構的轉(zhuǎn)矩絕對值大小恒定不變 而且作用方向也保持不變 特性位于第一 第四象限且與縱軸平行的直線 二 風機 泵類負載機械特性1均為流體機械 其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比 只能單方向旋轉(zhuǎn) 三 恒功率負載機械特性2常數(shù) 第三章直流電動機的電力拖動 第一節(jié)他勵直流電動機的機械特性一 他勵直流電動機機械特性的一般概念條件 電源電壓U 氣隙磁通 電樞回路總電阻R 均為常數(shù) 電動機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之關系n f T 推導過程 由電樞回路電壓平衡方程式將Ea Ce n T CT Ia代入后得 特性曲線兩個特殊點 A點 T 0 n n0 U Ce 理想空載轉(zhuǎn)速B點 n 0 T Tk CT Ik U Ra Rc 堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩在A點和B點 因電動機的電磁功率PM EaIa 0 無能量轉(zhuǎn)換 第一象限內(nèi) T 0 n 0方向一致 T為拖動轉(zhuǎn)矩 Tn n原因U Ra Rc均為常數(shù)條件下 TIa T CT 在第二象限內(nèi) n 0 且n n0 所以Ea 0 且Ea U 電樞電流成為阻礙運動的制動轉(zhuǎn)矩 Ia與Ea方向一致 電機輸出能量 電源吸收能量 在第三象限內(nèi) n 0 電機反轉(zhuǎn) Ea 0 變?yōu)榕cU同方向二 固有機械特性及人為機械特性 一 固有機械特性條件 U UN N R Ra即為額定參數(shù)時 表達式如T TN時nN n0 nN稱 nN為額定轉(zhuǎn)速降因電樞電阻Ra很小 所以 nN很小故固有特性屬于硬特性 為一條略微向下傾斜的直線 二 人為機械特性當人為改變參數(shù)U 電樞外串電阻Rc時的機械特性三種人為機械特性 1 電樞串電阻的人為機械特性 外串電阻的機械特性方程式特點 理想空載轉(zhuǎn)速不變且與外串電阻無關 外串電阻越大特性斜率越大 特性越軟 2 改變電源電壓的人為機械特性R Ra N 調(diào)U UN 只能在額定電壓以下調(diào)節(jié) 特點 理想空載轉(zhuǎn)速與電源電壓成正比 各條特性相互平行 If 機械特性方程式3 減弱氣隙磁通的人為機械特性U UN R Ra 調(diào) N 弱磁 機械特性方程式減磁時理想空載轉(zhuǎn)速升高 斜率增大 特性變軟 三 電樞反應對機械特性的影響電樞電流較大時 電樞反應加大 使氣隙磁通下降較多電動機轉(zhuǎn)速升高 機械特性上翹 防翹辦法 在主磁極加穩(wěn)定繞組使其磁勢與主磁極方向相同 四 他勵直流電動機機械特性的繪制公式計算固有機械特性的步驟 1 計算Ra 2 計算Ce N3 求n0 UN Ce N4 計算TN 9 55Ce NIN人為機械特性的繪制 求出n0 再求出穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 五 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件穩(wěn)定含意 當電力拖動系統(tǒng)在工作點上穩(wěn)定運行時 若突然出現(xiàn)了于攏 使軸上轉(zhuǎn)矩失去平衡 電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時 系統(tǒng)仍能在新的工作點上穩(wěn)定運行 于攏消失后 系統(tǒng)又能回到原來的工作點穩(wěn)定運行 電網(wǎng)電壓波動時穩(wěn)定分析 右圖1為負載機械特性 2 3為電壓波動前后的電動機機械特性 原在A點運行 轉(zhuǎn)速為nA在A點T TL無加速轉(zhuǎn)矩dn dt 0 系統(tǒng)在A點穩(wěn)定運行 如電源電壓突然升高 瞬間AB nA nBIa U Ea RaT TLnIa T 當上升到C點時T TL達到新的平衡 此時n nc當于攏消失 系統(tǒng)將由C到DA回到原工作點 故該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行 A點是穩(wěn)定的工作點 可以證明 一個電力拖動系統(tǒng)能穩(wěn)定運行的充分必要條件是 1 電動機的機械特性與負載的機械選擇性必須相交 在交點處T TL 實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩平衡 2 在交點處 dT dt dTL dt 0不符合第二個條件 系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行 如負載減小轉(zhuǎn)速增加 T增加最終損壞電機 第二節(jié)他勵直流電動機的起動和反轉(zhuǎn)一 他勵直流電動機的起動起動電動機時 應當先給電動機的勵磁繞組加入額定勵磁電流 以便在氣隙中建立額定磁通 然后再接通電樞回路 電動機一般不允許把電樞直接接到額定電壓的電源上即直接起動 以防電機燒壞和機械損壞 IN 故必須把起動電流限制在允許范圍之內(nèi) 一般最大允許電流為 1 5 2 IN 間接起動的兩種方法 1 降壓起動 2 串電阻起動 一 降壓起動降壓起動方法在起動過程中能量損耗小 起動平穩(wěn) 便于實現(xiàn)自動化 但需要一套直流電源 增加了設備投資 二 電樞回路串電阻起動串電阻是為了限制起動電流不超過允許值 以Rst或rst表示 電樞回路中應串入的起動電阻值為 起動過程中應分段逐步切除起動電阻 最終全部切除Rst 電動機運行在自然特性上 三 起動電阻的計算各級起動電阻的計算 應以在起動過程中最大起動電流I1及切換電流I2不變?yōu)樵瓌t 常取令I1 I2 稱為起動電流比 因切換前后瞬間電樞電阻壓降相等 即I2RST3 I1Rst2或Rst3 Rst2I2Rst2 I1Rst1Rst2 Rst1I2Rst1 I1RaRst1 Ra 推廣到一般情況 如起動級數(shù)為m 則計算起動電阻時可能有以下兩種情況 1 起動電阻級數(shù)m尚未確定步驟 1 根據(jù)電動機銘牌數(shù)據(jù)估算Ra 2 根據(jù)生產(chǎn)機械對起動時間 平穩(wěn)性以及電動機的最大允許電流 確定I1及I2并計算Rstm及 要求起動時間短時 取較大的I1 要求起動轉(zhuǎn)矩平穩(wěn) 起動沖擊小時 需要較多的起動級數(shù) 這時應取較小的 值 3 由Ra Rstm及 按下式計算起動級數(shù) 4 由m 求出新的 5 計算各段起動電阻rst1 Rst1 Ra Ra Ra 1 Rarst2 Rst2 Rst1 Rst1 Rst1 rst1 推廣到一般情況 2 起動級數(shù)m已知這時可根據(jù)電動機最大允許電流確定I1并計算 如I2過大或過小 說明級數(shù)m確定得不合理 應減小或增加級數(shù) 最后按第 5 計算各段起動電阻 二 他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)電動機反向運轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T必須反向 而T CT Ia故方法有二1 電樞反向接線圖2 機械特性3 機械特性方程式 第三節(jié)他勵直流電動機的調(diào)速一 電動機調(diào)速的基本概念調(diào)速機械調(diào)速 改變傳動機構的速比 屬有級調(diào)速電氣調(diào)速 人為地改變電動機的參數(shù)從機械特性上 改變工作點 電動機的轉(zhuǎn)速就能改變兩種情況 1 負載變但機械特性不變 2 負載不變而變電機參數(shù) 幾個術語 基速 電動機的額定轉(zhuǎn)速nN 上調(diào)速 額定轉(zhuǎn)速nN以上的調(diào)速 下調(diào)速 基速以下的調(diào)速 無級調(diào)速 電機的轉(zhuǎn)速可平滑地加以調(diào)節(jié) 有級調(diào)速 不能平滑調(diào)節(jié) 只能給出幾種速度 二 他勵直流電動機的調(diào)整方法由機械特性方程式 一 電樞串電阻調(diào)速U UN N調(diào)Rc特點 1 各條特性有相同的理想空載轉(zhuǎn)速n02 在額定負載下 能提供的最高轉(zhuǎn)速為額定nN故屬基速以下調(diào)節(jié) 且為有級調(diào)速 3 串電阻越大 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越低 4 若為恒轉(zhuǎn)矩負載 則穩(wěn)定運行時T TL電樞電流Ia T CT N 常數(shù) 即與轉(zhuǎn)速無關 缺點 1 不能實現(xiàn)無級調(diào)速 2 能耗大效率低 3 特性軟 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差 二 降低電源電壓調(diào)速Rc 0 N 調(diào)U UN機械特性方程式特點 1 各條特性互相平行 2 在負載相同時轉(zhuǎn)速降 n相同且均與固有特性相同 即3 對恒轉(zhuǎn)矩負載Ia C 與轉(zhuǎn)速無關 銅耗為與轉(zhuǎn)速無關且數(shù)值很小 故效率高 n 4 能實現(xiàn)平滑無級高速該調(diào)速方法是基速以下調(diào)速 能提供的最高轉(zhuǎn)速為電動機的額定轉(zhuǎn)速nN 由于能實現(xiàn)平滑無級調(diào)速 特性硬 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好 故是一種性能優(yōu)越的調(diào)速方法 廣泛應用于要求較高的系統(tǒng)中 三 減弱磁通調(diào)速U UN R Ra 調(diào) N減弱磁通 時 n0與 成反比地增加 n與 2成反比地增加 n0增加多 n增加少 轉(zhuǎn)速升高 升速過程 設原工作在B點 T TL 2現(xiàn)減小 1Ea Ce 1nB特點 1 弱磁調(diào)速只能在基速以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 即 nnN 2 在電流較小的勵磁回路內(nèi)進行調(diào)節(jié) 方便功耗小 3 便于實現(xiàn)無調(diào)速 4 由于轉(zhuǎn)速越高 電機換向困難 機械強度也不準許轉(zhuǎn)速太高 一般升到1 2 1 5nN 特殊電機3 4nN 在實際生產(chǎn)中 通常把降壓調(diào)速和弱磁調(diào)整結合起來使用 以實現(xiàn)雙向調(diào)速 擴大調(diào)速范圍 三 調(diào)速的性能指標用性能指標來比較各種調(diào)速方法的優(yōu)劣 主要的調(diào)速指標 1 調(diào)速范圍Dnmax nmin為在額定負載時的數(shù)值 2 靜差率 在某一調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速下 電動機從理想空載到額定負載時轉(zhuǎn)速的變化率 靜差率小 轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性好 D和 由生產(chǎn)加工部門提出具體要求 由于轉(zhuǎn)速越低 越大 所以 對 的要求也是對最低轉(zhuǎn)速的要求 確定了D也同時被確定下來了 三 調(diào)速系統(tǒng)的平滑性用調(diào)速時相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比來說明 即K值越接近1 調(diào)速的平滑性就越好 k 1時為無級調(diào)速 四 經(jīng)濟指標四 電動機調(diào)速時允許輸出的轉(zhuǎn)矩和功率表示電動機在調(diào)速時所具備的帶負載能力 它的前題條件是合理地使用電動機 合理意指保證電動機長期運行時Ia IN不變 一 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式指在某種調(diào)速方法中 若保持Ia IN不變時 電動機允許的轉(zhuǎn)矩也保持T TN不變 與轉(zhuǎn)速無關 電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速中 N 當Ia IN條件下 T Ce NIN TN也不變 與n無關 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 二 恒功率調(diào)速方式指在某種調(diào)速方法中 若保持Ia IN不變 則電動機允許輸出的功率也基本保持不變 與轉(zhuǎn)速無關 在他勵直流電動機弱磁調(diào)速方法中U UN 保持時 T C2 n 電動機輸出功率P Tn 9550與n無關 屬恒功率調(diào)速方式 Ia IN不變 五 電動機的調(diào)速方式與負載類型的配合當電動機的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載時 應采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式與其匹配 當電動機的負載為恒功率負載時 應采用恒功率調(diào)速方式與其匹配 第四節(jié)他勵直流電動機的制動一 制動的一般概念所謂制動 就是使拖動系統(tǒng)從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停車 或使其在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行 機械制動 機械抱閘屬外加力 制動電氣制動 使電動機產(chǎn)生與原轉(zhuǎn)動方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)制動 自由停車 拉斷電源靠摩擦使電機慢慢停車 在制動過程中電動機是吸收來自負載側的能量 此時電動機工作在發(fā)電機狀態(tài) 電動和制動狀態(tài)的判定 電動狀態(tài)T 0 輸出功率制動狀態(tài)T 0 吸收功率制動狀態(tài)在實際應用中有兩種情況 1 用于拖動系統(tǒng)的減速停車電動機的制動狀態(tài)僅出現(xiàn)在降速過程中 是一個過渡過程 常稱為制動過程 2 用于位能負載限速運行電磁轉(zhuǎn)矩T與靠重力使物體下放的負載轉(zhuǎn)矩相抗恒 當T TL時重物穩(wěn)速下放 稱之為制動運行 二 能耗制動 一 能耗制動過程K1閉合 K2斷開系統(tǒng)處于正轉(zhuǎn)電動運行當K1斷開 K2閉合時Ia反向 制動開始 nEa 0制動過程結束 n 0 Ia 0 T 0 能耗制動時的機械方程式U 0 N能耗制動過程的功率流程圖 電機從軸上輸入功率P2扣除空載損耗后轉(zhuǎn)為電功率PM 都消耗在電阻Ra Rc上 制動電流越大制動效果越好 但最大制動電流同時受換向條件和過載能力限制 由下式?jīng)Q定 Ea為制動開始時電動機的電樞電動勢 為了加快制動過程工程中常采用分級能耗制動 AB CD EF切換瞬間電動機轉(zhuǎn)速不變 每次切換后瞬間均應保證Ia Iamax使平均制動轉(zhuǎn)矩增加 制動時間縮短 二 能耗制動運行只能在拖動位能性負載時才可能發(fā)生 最終在C點穩(wěn)定運行n nc 0 反轉(zhuǎn)下放重物 電動機將位能轉(zhuǎn)化為電磁能并都消耗在電阻上 三 反接制動 一 電壓反接制動1 接線圖K1為正轉(zhuǎn)開關 K2為反轉(zhuǎn)開關Rc為限流電阻 2 機械特性方程式3 機械特性曲線 電壓反接制動時 U UN0 Ea 0 電樞電流由電樞回路電壓平衡方程式能量平衡關系 電網(wǎng)供給的電能UNIa 0 電功率PM EaIa T 0 說明電功率輸出 電動機軸上功率P2 T2 0 說明從軸上輸入功率 再扣除空載損耗P0即為PM UNIa和EaIa兩部分能量都消耗在回路電阻上 功率流程圖外串電阻Rc最小值的計算 約為能耗制動的2倍電壓反接制動當轉(zhuǎn)速降到零時如T TL則電動機要反方向啟動 故當轉(zhuǎn)速降到零時應拉斷電源 二 電勢反接制動只有他勵直流電動機拖動位能性負載時才會發(fā)生 1 電壓平衡方程式UN Ea Ia Ra Rc 在第一限內(nèi)為正轉(zhuǎn)電動停車過程ABC在第四限內(nèi)C點處因TL T故電動機開始反轉(zhuǎn) 直到TL T在D點穩(wěn)定運行 此時Ea以反向與UN共同產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩與TL相抗衡 由于電動勢反接制動可以在第四象限穩(wěn)定運行所以是制動運行狀態(tài) 主要用于起重機提升機構低速下放重物 電動勢反接制動時電動機輸入的機械能是由位能負載減少的位能提供 四 回饋制動 一 他勵直流電動機回饋制動的基本概念電動狀態(tài)時 電動機從電源輸入電功率UIa 0 即 電源輸出能量 電動機吸收能量 并供給機械負載 能量從電源側流向電動機 回饋制動狀態(tài)時 Ia改變方向 電磁轉(zhuǎn)矩也由原拖動轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩 UIa 0 即 電源從電機吸收能量并回送電網(wǎng) 能量從負載側流向電源側 平衡關系 電機軸上功率P2 T2 扣除穿載損耗p0后即轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β蔖M EaIa 其中一小部分消耗在電樞電阻上 其余大部分回饋電網(wǎng)此時電動機已成為與電網(wǎng)并聯(lián)運行的發(fā)電機 何時會出現(xiàn)回饋制動 二 降低電源電壓的回饋制動UU1 Ea U1 BC段 到C點時U1 Ea Ia 0回饋制動過程結束 CD段又回到電動狀態(tài) D點為穩(wěn)定工作點 三 位能負載下放重物時的回饋制動被吊在空中的重物 在松開機械閘后反向起動電動機 五 他勵直流電動機四象限運行的分析方法電動機的固有機械特性及人為機械特性位于直角坐標的四個象限之中在 象限內(nèi)為電動狀態(tài) 象限內(nèi)為制動狀態(tài) A B C D E為電動機的工作點 新狀態(tài) 1 停車 2 在新的工作點上穩(wěn)定運行 第五節(jié)電力拖動系統(tǒng)的過渡過程一 電力拖動系統(tǒng)的過渡過程的一般概念電力拖動系統(tǒng)的過渡過程是指拖動系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)中間的過程 產(chǎn)生原因 系統(tǒng)中存在機械慣性和電磁慣性 即飛輪力矩和電感 電容儲能元件 研究的問題 求電力拖動系統(tǒng)的動態(tài)特性 即T n Ia等隨時間變化的規(guī)律 方法 建立系統(tǒng)的微分方程式并求解 直流他勵電動機微分方程組 為了滿足生產(chǎn)機械對過渡過程的不同要求 需要對電力拖動系統(tǒng)過渡過程的規(guī)律進行分析 以正確地選擇及合理使用電力拖動裝置 提高生產(chǎn)率 質(zhì)量 減輕勞動強 二 他勵直流電動機拖動系統(tǒng)過渡過程的數(shù)學分析 一 機械過渡過程的一般表達式1 轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律n f t 系統(tǒng)運動方程式為電動機的機械特性方程式 變?yōu)闃藴市?它的通解為C由初始條件確定 當t 0時 n ni得C ni ns代入后得n的解析式 2 電磁轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律T f t 3 電樞電流的變化規(guī)律Ia f t 由T CT Ia得 二 機械過渡過程解析式的討論1 n f t T f t Ia f t 三式具有相同的形式 都有兩個分量 即穩(wěn)態(tài)分量和自由分量 動態(tài)分量 按指數(shù)規(guī)律變化 起始于初始值 終止于穩(wěn)態(tài)值 2 過渡過程時間的長短取決于TM的大小 3 初始值 穩(wěn)態(tài)值和機電時間常數(shù)是決定機械過渡過程的三個要素 可由機械特性求得 再利用機械過渡過程的解析式計算過渡過程曲線 4 過渡過程時間的計算 達到穩(wěn)態(tài)值的時間 理論上為t 實算取t 4TM 達到某一數(shù)值時所需時間 n nx所需時間T Tx或Ia Ix時所經(jīng)時間或三 起動的過渡過程 一 起動過渡過程曲線的計算串電阻起動時 一級 初始轉(zhuǎn)速ni 0 初始轉(zhuǎn)矩Ti Tst 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ns na Ts TL機電時間常數(shù) 把三要素代入相關式得 三 逐級切除電阻時過渡過程的計算1 n f t 曲線的計算以三級起動為例第一級 初始轉(zhuǎn)速ni1 0 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為ns1斜率故機電時間常數(shù) 解析式第一級經(jīng)歷的時間為nx1為切除第一級起動電阻瞬間電動機的轉(zhuǎn)速 n T t t n tst1 tst2 tst3 tst tst1 tst2 tst3 tst ns ns2 ns1 nx1 nx2 任意級 轉(zhuǎn)速解析式各段時間通式 2 T f t 曲線的計算 四 能耗制動過渡過程 一 拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載能耗制動機械特性與負載機械特性交于C點視C點為假想的穩(wěn)定工作點 滿足了TL 常數(shù)的條件 實際能耗制動的起始點為B點 到坐標原點0結束 0 t0 起始值 ni nA Ti TB0 T 0 0C段并未出現(xiàn) 故對應的過渡過程用虛線表示 過渡過程時間t0的計算 將t0時n 0代入n f t 注意 利用以上公式計算時 nc及TB應代負值 二 拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載與反抗性負載相同 所需時間為t0 D點為穩(wěn)定工作點0D段的過渡過程初始值為n 0 T 0 穩(wěn)態(tài)值為n nD 0 T TL2 代入一般公式 C t0 TL2 TB B0 得到 注 上式中的時間t是從t t0算起的 所需時間為t 4TM 過渡過程總時間為兩段所需時間之和 即t t 4TM五 反接制動過渡過程 一 拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載1 如只用于停車而不需要反轉(zhuǎn) 當過渡過程進行到n 0時 應立即斷電抱閘 過渡過程為BE C 段 起始點 ni nA Ti TBC點為虛穩(wěn)定點 ns nC 0 Ts TC TL制動到n 0的時間 E C n t nD nc BE C ED t0 n 0 T TL t t0 2 如反接制動用于電動機反轉(zhuǎn)過渡過程分成兩段 第一段 BE 計算方法與反接制動停車同 第二段 ED D點為穩(wěn)定運行工作點 起始值ni 0 Ti TE 0 穩(wěn)態(tài)值ns nD Ts TL機電時間常數(shù)TM不變 式中時間t的起算點為t0總時間為 t0 4TM 解析式 二 拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載D點為穩(wěn)定運行工作點分兩段組成 1 從BE與反抗性負載反接制動停車時相同 2 從ED 初始點為E ni 0 Ti TE0 n A B E D C TL1 TL2 t0 n t BE ED 解析式 T的起始點為t0六 過渡過程中的能量損耗 一 過渡過程能量損耗的一般情況總損耗 p p0 pCua 其中銅損pCua Ia2RaIa在過渡過程中較大 故pCua占比重大可認為 p pCua 假定 1 N 2 U 常數(shù) 3 電樞回路總電阻為Ra1 Ra Rc 4 電動機為理想空載 即TL T0 Tm 0 在拖動系統(tǒng)的過渡過程中 電動機電壓方程電樞回路電感小可怱略故有 電磁功率EaIa T 輸入功率UIa 而T TL Jd dt TL 0 故電磁轉(zhuǎn)矩T Jd dt 于是有 設過渡過程從t1時刻到t2時刻 相應 由 1到 2 則該段的能量損耗為 表明 過渡過程中的能量損耗僅取決于J 0及開始和終了時的 1 2 與過渡過程的時間無關 二 理想空載起動過程中的能量損耗特性1 初始 1 0 終止 2 0能耗說明 輸入到電樞回路的能量J 02有一半消耗掉了 另一半轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的動能貯存起來 三 理想空載能耗制動過程的能量損耗 T 0 0 0 1 2 3 特性2 電機與電網(wǎng)沒有能量轉(zhuǎn)換關系A 0初始 1 0