第二章6_直流電機的電機拖動

1、1. 電力拖動的動力學基礎；2. 他勵電動機的機械特性；3. 他勵直流電動機的起動；4. 他勵直流電動機的制動；5. 他勵直流電動機的調速；直流電機的電機拖動電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎以電動機作為原動機，按人們所給定的規(guī)律來帶動生產機械， 稱為電力拖動。電 源控制設備電動機傳動機構工作機構電力拖動系統(tǒng)的構成基礎 運動方程：dtdnGDdtdJMMZ375260/2ngGDDgGmJ4)2(222g： 重力加速度， 9.8米/秒2；GD2：系統(tǒng)的飛輪矩（牛米2）；n： 轉速（轉/分）；M、MZ：轉矩（牛米）注意：GD2是一個完整的符號;M、MZ具有方向性， 與轉速方向一致為正。多軸系統(tǒng)的運動方程系

2、統(tǒng)中具有兩根或兩根以上不同轉速的轉軸， 稱為多軸系統(tǒng)。對多軸系統(tǒng)的分析，通過把多軸系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)，進行簡化。按單軸系統(tǒng)的運動方程進行簡化。折算原則：保持系統(tǒng)的功率傳遞關系及系統(tǒng)儲存的動能不變。 負載轉矩、飛輪矩、阻力、質量等負載轉矩的大小與速度無關，但其方向始終與轉向相反MZn0負載轉矩特性反抗性恒轉矩負載位能性恒轉矩負載恒功率負載通風機型負載轉矩具有固定的方向，不隨轉速方向的改變而改變nMZ0負載的功率為常數，不隨轉速的變化而改變負載的轉矩與轉速的平方成正比MZn0MZn0Mn穩(wěn)定運行條件電機的機械特性需要與負載特性同時存在。 分析拖動系統(tǒng)運行時，在同一坐標圖上，兩特性的交點是系統(tǒng)

3、的平衡點。平衡點穩(wěn)定點？穩(wěn)定點：在受到外界擾動后， 仍能還原的點。穩(wěn)定點的條件：dndMdndMZem他勵直流電動機的機械特性直流電動機的基本方程式：電磁轉矩：aMemICM感應電動勢：nCEEa電樞回路電勢平衡式：aaaRIEU電動機轉速特性：EaCRIUn機械特性一般表達式：emMeeMCCRCUn2n0Mem他勵直流電動機的固有機械特性當UUN， N，電樞回路無外接電阻時，轉速與轉矩之間的關系,稱為固有機械特性。emNMeaNeNMCCRCUn2n0Mem0n0MemNnN分析：1. 電磁轉矩越大， 轉速越低， 機械特性是一條下斜直線；固有機械特性分析2. 當轉矩等于零點， 為理想空載轉

4、速。此時Ia0， EaUN， 是一種理想工作狀態(tài)。NeNCUnn03. n0為電動機的實際空載轉速， 比n0略低。對應于空載轉矩。emNMeaMCCRnn2004 為機械特性斜率。增大， 也增大。 通常稱小的機械特性為硬特性，大的機械特性為軟特性。2NMeaCCRnn0Memn0Mem0n0MemNnN固有機械特性分析5. 額定轉速變化率 ，表示電機額定負載時的轉速比n0降落的程度。%n%100%100%0NNNNnnnnnn6. nn0時為發(fā)電機狀態(tài)，此時 EaU, Ia反向， Ea與Ia同向， 向電網送出電功率。7.堵住點。 此時電樞電流： 為短路電流；電磁轉矩： 為電機堵轉轉矩。0, 0

5、nCeEanNkaNaIRUIemkkNMemMICMn0Memn0Mem0n0MemNnN人為機械特性分析根據轉速、轉矩公式emMeeMCCRCUn2人為地改變電動機參數U、R或得到的機械特性，稱為人為機械特性。有三種人為機械特性：（1）電樞回路串電阻的人為機械特性；（2）改變端電壓時的人為機械特性；（3）減弱電動機主磁通時的人為機械特性；Mem0n電樞回路串電阻的人為機械特性保持UUN 及 N 不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的nf（Mem）關系。ememNMecaNeNMnMCCRRCUn02對于給定的Rc，為常數。Ra+Rc1Ra+Rc2人為Rc2Rc1固有Ran0電樞回路串電阻的

6、人為機械特性電樞串電阻人為特性的特點： （1）理想空載轉速n0與固有機械特性的n0相同；（2）斜率 ，特性變軟，在同一個轉矩下，轉速下降更多。NNMecaCCRR2Mem0n改變端電壓時的人為機械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變電樞電壓時的機械特性。表達式：emNemNMeaNeMnMCCRCUn02一般都為降低的電壓。人為UNU1U2固有UNn0U1U2改變端電壓時的人為機械特性改變端電壓人為特性的特點： （1）理想空載轉速比固有特性的理想空載轉速低。端電壓下降越多，其理想空載轉速越低。（2）端電壓不同，但人為特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各條特性彼此

7、平行。Mem0n減弱電機主磁通的人為機械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變勵磁電流的機械特性。表達式：emNemMeaeNMnMCCRCUn 02額定時，接近飽和，一般都為減弱的磁通。N N固有Nn0人為N減弱電機主磁通的人為機械特性減弱電機主磁通人為特性的特點： （1）由于If2從兩個穩(wěn)定點P、Q對應轉速說明減小勵磁可以使轉速升高。弱磁調速的過程If減小瞬間速度不變減小nCEea If1If2PQIf1If2MemnaaREUIaMemICM ZemMM機組加速nEaIaMemMemMZ新的平衡，新的Ia和n弱磁調速調速前后的量：（1）假定負載轉矩不變， 221

8、1aMaMemICICM1221aaII (2)假定磁路不飽和，不計電樞反應和IaRa的變化1212212211 ,ffIInnnCenCeE（3） 恒轉矩負載， ， 基本不變nPIUPa21弱磁調速特點 優(yōu)點優(yōu)點：設備簡單，調節(jié)方便，能耗小。 缺點缺點： 單方向調節(jié)，轉速調得過高，勵磁過弱， 電樞電流變大， 換向變壞， 出現不穩(wěn)定。改變端電壓調速 保持電動機的 N不變且無外接電樞電阻， 僅降低施加于電動機電樞兩端電壓U達到調速的目的， 稱為降壓調速。MemnU1U1U2U3U2U3PQ電壓越低， 轉速越低， 調速方向從基值往下調。調節(jié)過程: (留為作業(yè)）（1）降壓的人為特性是一簇與固有特性平

9、行的直線， 無論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調速效果。（2）由于人為特性硬度不變，低速時由于負載變化引起的轉速波動不大。靜態(tài)穩(wěn)定性好， 調速范圍大。（3）可平滑調節(jié)端電壓， 使轉速平滑調節(jié)，實現無級調速。（4）調節(jié)過程能量損耗小。調壓調速的特點：改變電樞回路電阻調速 保持UUN且 N不變，電樞回路中串入調速電阻Rc，使同一個負載得到不同轉速的方法， 稱為電樞串電阻調速。串入電樞回路的電阻越大， 轉速越低。R2R1PQR1R2R3MemnR3電機運行于固有機械特性上的轉速稱為基速。 電樞回路串電阻調速的方法， 只能從基速往下調。串電樞電阻調速該調速的特點：（1）設備簡單、操作方便。（2）低速時

10、， 機械特性很軟， 當負載變化時， 轉速波動很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差 調速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調節(jié)， 因此速度調節(jié)不平滑， 屬有級調速。 （4）電樞電流在Rc上消耗的能量大， 調速時效率低。 效率與轉速成正比。 調速性能指標（1）調速范圍：電動機在額定負載轉矩下調速時， 最高轉速與最低轉速之比。用D表示。（2）靜差率（相對穩(wěn)定性：也稱轉速變化率。指電動機由理想空載到額定負載時轉速的變化率。 靜差率越小， 轉速的相對穩(wěn)定性越好。（3）調速的平滑性：無級調速平滑性最好， 有級調速由相鄰兩級轉速中， 高一級轉速與低一級轉速之比。 （4）調速時電動機的容許輸出：電動機在不同轉速時軸上輸出的功率和

11、轉矩。不同的調速方法允許的輸出不同。（5） 經濟性電動機調速時的容許輸出在某轉速下， 電機即能充分利用， 又能安全運行時輸出的功率和轉矩稱為， 調速時的允許輸出功率和轉矩。 (1)調壓調速的允許輸出降壓調速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。95501000emNemMemNMMPIaCM在整個調速范圍允許輸出轉矩為常數，恒轉矩調速方式。允許輸出功率與轉速成正比。 nKnMnMPKMICMiNiiNNNMi95509550保持I不變弱磁調速時的允許輸出弱磁調速時，保持電流IINnKnCRIUeaNN2433295509550KnnKnTPnKInKCICTiiNMNMi弱磁調速時， 在整個

12、調速范圍內的允許輸出功率為常數， 是恒功率調速方式。 其允許輸出轉矩與轉速成反比。 負載類型與調速方式的配合恒轉矩負載恒轉矩調速方式：使電機在任何轉速下都滿載運行， 能得到充分利用。恒功率調速方法，在nnmin時，電動機的轉矩及功率比負載需要的轉矩和負載大得多， 電動機沒充分利用，造成浪費。maxmax9550LNNNNLNPnMPnnMMLLLNNNLLNNDMnnMnPnPMnMPPnnminmaxminmaxmaxmaxmin955095509550恒轉矩調速方式弱磁控制maxminmaxmin95509550LLNNNLNNTnPnPMPPnn恒功率負載與調速方式的配合恒功率負載恒轉矩

13、調速方式：高速時電動機需要輸出的轉矩小于額定轉矩， 電流小于額定電流， 電動機沒有被充分利用。恒功率調速方法，在整個調速范圍內，做到額定轉矩輸出， 電機安全且充分利用。LLNNNNLLNDPnMnMPnnMMM95509550maxmaxmaxmax恒轉矩調速方式恒功率控制通風機負載與調速方式的配合MnUNUnmaxnminMNMLnMnmaxnminNML恒轉矩控制恒功率控制兩種調速方式，在整個調速范圍內，除nnmax外所有的轉速點，輸出轉矩多小于允許輸出，速度越低， 電機越不能充分利用。 相比通風機負載采用恒轉矩調速方式比弱磁調速造成浪費小一些。直流電動機的制動直流電動機的兩種運轉狀態(tài)：（

14、1）電動運轉狀態(tài)：電動機的電磁轉矩方向與旋轉方向相同 ，此時電網向電動機輸入電能， 并轉變?yōu)闄C械能帶動負載。（2）制動運轉狀態(tài)：電動機的電磁轉矩方向與旋轉方向相反，此時電動機吸收機械能轉變?yōu)殡娔堋?電動機很快停車，或者由高速運行很快進入低速， 要求制動運行。直流電動機的制動斷開電源抱閘能耗制動反接制動回饋制動機械制動電氣制動自由停車能耗制動的方法和原理保持勵磁電流If的大小及方向不變， 將開關接至RT， 電樞從電網脫離經制動電阻RT閉合。參數特點： N， U0， 電樞回路總電阻RRaRT實際上是一臺他勵直流發(fā)電機。軸上的機械能轉化成電能， 全部消耗于電樞回路的電阻上， 所以稱為能耗制動。IfU

15、NRTEaIanMn固有能耗制動時的機械特性emNMeTaMCCRRn2能耗制動的參數代入機械特性的一般表達式，得到能耗制動時的機械特性：制動過程：串電阻反抗性負載停車位能性負載穩(wěn)速下放能耗制動的特點能耗制動的特點：（1）操作簡單，停車準確（2）能耗制動產生的沖擊電流不會影響電網；（3）低速時制動轉矩小，停轉慢；（4）動能大部分都消耗在制動電阻上。制動初瞬的最大電流：TaANBRRnCeI制動電阻：aNNTRIUR2反接制動反接制動轉速反向（用于位能負載）電樞反接（用于反抗性負載）（電動勢反向）（電壓反向）轉速反向的反接制動If及端電壓UN不變， 僅在電樞回路串入足夠大的制動電阻RT，使該人為

16、特性與負載轉矩特性的交點處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩(wěn)定轉速。nMem0nABCDAnD電壓平衡式：EUEURRITaa)()(機械特性：LNeTaLNMeTaICRRnMCCRRnn020轉速反向的反接制動能量關系：aaaTaaIEIURRI)(2U及Ia的方向與電動狀態(tài)相同，UIa表示由電網輸入的功率；Ea 的方向與電動狀態(tài)時相反， EaIa表示輸入的機械功率在電樞內變成電磁功率；UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻RaRT上。電樞反接的反接制動保持If不變， 將開關向下合閘， 使電樞經制動電阻RT而反接于電網上。參數特點： N， UUN。 R=Ra+RT.IfUNRTE

17、aIanMemnAABCDE電動下固有不串RT串RTnE電樞反接的反接制動機械特性：LNeTaemNMeTaNeNICRRnMCCRRCUn02能量關系：)(2TaaaaaNRRIIEIU從電網吸收的電能和軸上輸入的機械能都消耗在電樞回路的電阻上。 電壓平衡式：TaNeNTaaNaTaaaNRRnCURREUIRRIEU)(（Ia反向）電樞反接的反接制動特點：（1）可以很快使機組停機。（2） 需要加入足夠的電阻， 限制電樞電流；（3）轉速至零時， 需切斷電源。Memn0電動下固有AnA回饋制動當轉速高于某一數值時，電樞電動勢大于端電壓， 電機進入發(fā)電狀態(tài)， 電磁轉矩起制動作用， 限制轉速上升， 位能轉換為電能， 回饋到電網。 (分反向和正向回饋制動）（1）電壓反向的反接制動（2）反向電動狀態(tài)（3）回饋制動EnEBCD串RTn0反向回饋制動反向回饋時， 電機實際轉速方向與電壓反向后的理想空載轉速方向一致，00 ,nCUnCEnnNeNe