第三章直流電動機的啟動制動

第三章直流電動機的啟動制動第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1直流電動機的起動3-23.1.1直接起動3.1.2電樞回路串電阻起動3.1.3降電壓起動電動機接上電源后，轉速從零到達穩(wěn)定轉速的過程稱為起動過程起動的原則：1）起動轉矩足夠大；2）起動電流??；3）起動設備簡單，可靠，經(jīng)濟。第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1直接起動3-3不采取任何限流措施，直接加額定電壓的起動稱直接起動直接起動的優(yōu)點:起動轉矩很大，不需另加起動設備，操作簡便。缺點：起動電流很大，一般可達額定的10～20倍。n=0,Ea=CeΦn=0,Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra結論：1)換向情況惡化，產(chǎn)生嚴重的火花,損壞換向器2)過大轉矩將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構3)因此在起動時，除低壓、小容量外，DCM一般不容許直接起動。必須設法限制電樞電流。4）DCM起動和運行中須保證勵磁始終正常。

simulation第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電樞回路串電阻起動3-4最初起動電流：Ist=U/(Ra+Rst)最初起動轉矩：Tst=CTΦIst

為了在限定的電流Ist下獲得較大的起動轉矩Tst,應該使磁通Φ盡可能大些，因此起動時串聯(lián)在勵磁回路的電阻應全部切除。有了一定的轉速n后，電勢Ea不再為0，電流Ist會逐步減小，轉矩Tst也會逐步減小。為了在起動過程中始終保持足夠大的起動轉矩，一般將起動器設計為多級，隨著轉速n的增大，串在電樞回路的起動電阻Rst逐級切除，進入穩(wěn)態(tài)后全部切除。起動電阻Rst一般設計為短時運行方式，不容許長時間通過較大的電流。第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電樞回路串電阻起動3-5分級起動時可將每一級的I1（或T1）與I2(或T2)取得大小一致，以使電動機有比較均勻的加速度，這能改善電動機的換向情況，緩和轉矩對傳動機構與工作機械的有害沖擊simulation動畫來自/kejian/caisong/第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2降電壓起動3-6對于他勵直流電動機，可以采用專門設備降低電樞回路的電壓以減小起動電流,適用于電動機的直流電源是可調的第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2直流電動機的調速3-73.2.1電樞串電阻調速3.2.2改變電樞電源電壓調速3.2.3弱磁調速3.2.4調速的性能指標拖動一定的負載運行，其轉速由工作點決定。如果調節(jié)某些參數(shù)，則可以改變轉速。n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0-βT

實質上都是改變了電動機的機械特性，使之與負載機械特性的交點改變，達到調速的目的。第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1電樞串電阻調速3-8調節(jié)電阻Rp增大時，電動機機械特性的斜率增大，與負載機械特性的交點也會改變，達到調速目的。優(yōu)點：設備簡單、操作簡單。缺點：只能降速，低轉速時變化率較大，電樞電流較大，不易連續(xù)調速，有損耗。simulation第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2改變電樞電源電壓調速3-9因為，提高電動機電樞端電壓受到繞組絕緣耐壓的限制所以，根據(jù)規(guī)定電樞電壓只容許比額定電壓提高30%，實際上改變Ua應用在降壓的方向，即從額定轉速向下調速。降低電樞電壓時，電動機機械特性平行下移。負載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2改變電樞電源電壓調速3-10電樞由晶閘管整流供電的直流調速晶閘管裝置調節(jié)發(fā)電機勵磁的發(fā)電機-電動機機組調速優(yōu)點：調速后，轉速穩(wěn)定性不變、無級、平滑、損耗小。

缺點：只能下調，且專門設備，成本大。（可控硅調壓調速系統(tǒng)）第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3弱磁調速3-11減少勵磁電流時，磁通Φ減少，電動機機械特性n0點和斜率增大。負載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。因為，一般電動機的額定磁通已設計得使鐵心接近飽和，所以，改變磁通一般應用在弱磁的方向，稱為弱磁調速，一般可以使轉速從額定值向上調節(jié)第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3弱磁調速3-12優(yōu)點：對功率較小的勵磁電路進行調節(jié);控制方便;能量損耗小;調速的平滑性較高。常和額定轉速以下的降壓調速配合應用，以擴大調速范圍缺點：只能上調。第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-131調速范圍D電動機在額定負載下，最大轉速nmax與最小轉速nmin之比，對負載很輕的生產(chǎn)機械，可用實際負載下的最高與最低轉速來計算第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-141調速范圍D不同生產(chǎn)機械要求的調速范圍生產(chǎn)機械類型調速范圍車床20--120龍門刨床10--40機床的進給機構5--200軋鋼機3--120造紙機3--20第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-152靜差率δ相對穩(wěn)定性的程度用靜差率δ來表示，是電動機在同一條機械特性上額定負載時轉速降落Δn與該機械特性的理想空載轉速N0之比。表明負載變化引起轉速變化的大小程度，靜差率與調速范圍是互相聯(lián)系的兩項指標，系統(tǒng)可能達到最低速nmin決定于低速特性的靜差率調速范圍D與低速靜差率δ間的關系。第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO不同轉速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的區(qū)別然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。3.2.4調速的性能指標第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉動，轉速全部降落完了。

因此，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別3.2.4調速的性能指標3-17第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標設：電機額定轉速nN為最高轉速，轉速降落為

nN，則按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系3-18第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月表示調壓調速系統(tǒng)的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，

nN

值一定，由式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。3.2.4調速的性能指標結論

一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。3-19第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3-1某直流調速系統(tǒng)電動機額定轉速為，額定速降nN=115r/min，當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調速范圍是多少？如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？3.2.4調速的性能指標3-20第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3.2.4調速的性能指標3-21第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-223調速的平滑性調速的級數(shù)愈多則認為調速愈平滑，用平滑系數(shù)φ，即相鄰兩級轉速后線速度之比來衡量j

=1時稱為無級調速，此時轉速連續(xù)可調。第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-234調速時的容許輸出調速運行中在額定電流狀態(tài)下，電動機軸上輸出轉矩與輸出功率。1）恒轉矩調速方式2）恒功率調速方式第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-244調速時的容許輸出3）恒轉矩調速的配合恒轉矩負載時，按電動機在D范圍內任何n下都可帶額定負載。恒功率負載時仍須按D的D范圍內任何n下實際需要輸出功率若選擇調壓調速，電動機須按

選擇。

選擇電動機，造成浪費，第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-254調速時的容許輸出4）恒功率調速的配合電動機在D范圍內任何n下都可帶額定負載。恒轉矩負載時，按恒功率負載時電動機工作在nmin時，電動機的功率比負載大D倍。第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-265調速的經(jīng)濟性1)設備投資2)運行費用運行費用決定于調速過程的損耗，用效率h來說明第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調速的性能指標3-27調速方法電樞串電阻改變電樞電壓弱磁調速方向基速以下基速以下基速以上靜差率大小較小調速范圍小較大(4~8)較小(1.2~4)調速平滑性差好好適應負載類型恒轉矩負載恒轉矩負載恒功率負載設備投資少多較小電能損耗大小小調速性能比較第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3直流電動機的制動3-283.3.1能耗制動3.3.2反接制動3.3.3倒拉反轉制動運行3.3.4回饋制動制動運轉狀態(tài)

轉矩T與轉速n的方向相反,電動機吸收機械能并轉化為電能使電動機生產(chǎn)一個負的轉矩(即制動轉矩)，以增加減速度，1）使系統(tǒng)較快地停下。2）使位能負載的工作機構獲得穩(wěn)定的下放速度第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-291.能耗制動的原理電路特點U=0，制動過程中，電動機靠系統(tǒng)的動能發(fā)電，轉化成發(fā)電機工作狀態(tài)，把動能變成電能，消耗在電樞回路的電阻上，因此稱為能耗制動實現(xiàn)：U＝0，電樞回路串入電阻第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-30simulation制動電阻Rz愈小，則機械特性愈平，T1絕對值愈大，制動愈快2.能耗制動的機械特性對于位能性負載，將實現(xiàn)反轉，即能耗制動運行。第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-313.能耗制動電阻的計算制動電阻Rc愈小，則機械特性愈平，T1絕對值愈大，制動愈快，但Ia將超過電動機最大允許電流。制動電阻Rc通?？捎芍苿映跏妓蟮淖畲笾苿愚D矩或者電流求出。第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-321.反接制動的原理實現(xiàn)：電樞電壓或電動勢極性突然改變（勵磁反向）·電樞電壓和電動勢順極性串聯(lián)；反接時必須采取限制電樞電流的措施。功率平衡：軸上機械功率通過電機轉換為電磁功率后，連同電網(wǎng)輸入功率全部消耗于電阻第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-332.反接制動的機械特性simulation反接制動適合要求頻繁正、反轉的系統(tǒng)。第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-343.反接制動電阻的計算制動電阻Rc也可由制動初始所要求的最大制動轉矩或者電流求出。第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3倒拉反轉制動運行3-351.倒拉反轉制動原理他勵電動機拖動位能性恒轉矩負載運行。電樞支路突然傳入較大的電阻，則工作點A→B→C→D，D點位于第iv象限，轉速為負，電磁轉矩為正，屬于制動運行。在C點后，負載轉矩大于電磁轉矩，轉速反向，感應電勢也反向，所以稱為電勢反接制動。這種運行方式通常用在起重設備低速下放物體的場合。電動機的電磁轉矩起制動作用，限制了重物的下放速度。軸上機械功率通過電機轉換為電磁功率后，連同電網(wǎng)輸入功率全部消耗于電阻第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3倒拉反轉制動運行3-362..倒拉反轉制動的機械特性動畫來自/kejian/caisong/根據(jù)下放速度的要求，求出制動電阻Rc的數(shù)值。或者也可以根據(jù)制動電阻Rc的數(shù)值，求出下放速度。simulation第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-371.回饋制動的原理第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-382.回饋制動的機械特性simulation第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-393.正向回饋制動他勵直流電動機通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點經(jīng)過第II象限，如圖中的BC段，轉速為正而電磁轉矩為負，電動機運行于制動狀態(tài)。在這一過程中，由于電源電壓下降，使得Ea>U,電流方向改變，電能從電動機回饋到電源。在電力機車下坡時，由于重力作用使得電動機轉速高于原來的空載轉速，Ea增大，超過U以后，電流也會反向，進入正向回饋制動狀態(tài)。第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-403.反向回饋制動他勵電動機拖動位能性恒轉矩負載運行。反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點將會穩(wěn)定在第iv象限。在D點，電動機的轉速高于理想空載轉速，Ea>U，電流流向電源，屬于反向回饋制動。反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機轉速。為了限制高速下放速度，一般在回魁制動時，將電樞回路串聯(lián)的電阻切除。第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4直流電動機的各種運行狀態(tài)3-413.4.1電動運行狀態(tài)3.4.2制動運行狀態(tài)電動機運行狀態(tài)是指穩(wěn)定的運行狀態(tài)，也就是電動機機械特性和負載轉矩特性交點所對應的工作狀態(tài)。第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1電動運行狀態(tài)3-42電動機轉矩T的方向與旋轉方向相同,電網(wǎng)向電動機輸入電能正向電動反向電動第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2制動運行狀態(tài)3-43轉矩T與轉速n的方向相反,電動機吸收機械能并轉化為電能第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-44從A點串電阻啟動到nN；在弱磁升速；強磁降速到nN；反接或者能耗準確在B點停車第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-45第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-461電機啟動加速第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-472弱磁升速第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-483強磁降速第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-494反接制動第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉矩負載四象限運行分析3-505能耗制動第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-51第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-52第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-531提升過程第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-542重物下放第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-553空鉤提升第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負載四象限運行分析3-564下放空鉤第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5電力拖動系統(tǒng)的過渡過程3-57指電力拖動系統(tǒng)由一個穩(wěn)定工作狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程，例如起動、制動、反轉、調速、負載突變等過程。過渡過程中，n、T、Ia及P均為時間的函數(shù)，其變化規(guī)律稱為電力拖動運行的負載圖，負載圖是正確選擇與校驗電動機功率的依據(jù)。研究過渡過程可以分析如何縮短過渡過程的時間，從而提高生產(chǎn)率；探討減小過渡過程損耗的途徑，提高電動機的利用率；還可以研究如何改善電力拖動的運行情況，使設備能安全進行。電力拖動系統(tǒng)的運行狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)。第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5電力拖動系統(tǒng)的過渡過程3-583.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3.5.2他勵直流電動機起動的過渡過程3.5.3他勵直流電動機反接制動的過渡過程3.5.4縮短拖動系統(tǒng)過渡過程時間的措施第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-59電力拖動系統(tǒng)中一般存在以下三種慣性:1)機械慣性體現(xiàn)在飛輪矩GD2上，它使轉速n不能突變2)電磁慣性體現(xiàn)在電樞回路電感La及勵磁回路電感Lf上，使電樞電流和勵磁電流不能突變3)熱慣性使溫度不能突變電力拖動過渡過程1)機械過渡過程2)電氣---機械過渡過程第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-601)數(shù)學解析2)圖解3)計算機仿真分析4)實驗第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-611.電樞電流Ia的變化規(guī)律第61頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-621.電樞電流Ia的變化規(guī)律第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-632.轉矩T的變化規(guī)律第63頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2