第二章电力拖动系统的运动方程式(新)

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与直线运动时相似,做旋转运动的拖动系统的
运动平衡方程式为 式中
d
Tem TL J dt
(2-1)
Tem ——电动机的拖动转矩(电磁转矩)(N·m)
TL ——生产机械的阻力矩(负载转矩)(N·m)
——拖动系统的旋转角速度(rad/s)
J——拖动系统的转动惯量(kg·m2)
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2.拖动系统的运动状态 运动方程式中正、负号的规定
为了使系统能稳定运行,电动机的机械特性和 负载的转矩特性必须配合得当,这就是电力拖动系 统稳定运行的条件。
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为了分析电力拖动系统稳定运行的问题,将电动机的机 械特性和负载的转矩特性曲线画在同一张坐标图上,如图 2.16所示。图(a)和图(b)表示了电动机的两种不同的机
械特性。
(a)稳定运行
(b)不稳定运行
设有一电力拖动系统,原来匀速运行于某一转 速,由于受到外界某种短时的扰动,如负载的突然 变化或电网电压波动等(注意:这种变化不是人为 的控制调节),而使电动机转速发生变化,离开了 原平衡状态,当外界的扰动消失后,系统能恢复到 原来的转速,或在新的条件下达到新平衡状态,就 称该系统能稳定运行,否则就称为不稳定运行。显 然,稳定运行是拖动系统所必须满足的条件。
矩转实现方即T法可em 有改两变种方:向。在控制时,通常直流电动机的反 (1)改变励磁电流方向
保持电枢两端电压极性不变,将励磁绕组反接,使
励磁电流反向,磁通 即改变方向。
(2)改变电枢电压极性 保持励磁绕组两端的电压极性不变,将电枢绕组反

2 60
TLn

常数
即负载转矩与转速成反比。例如,
一些机床切削加工,车床粗加工时,
切精削加量工大时(,切削大量)小T,L(用低小速)挡, 用;高图2.5 恒功率负载特性曲线 速T挡L 。
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三、 通风机型负载特性
通风机型负载的方向
特点是属于反抗性负载; 大小特点是负载转矩的 大小与转速n的平方成正 比,即
机的转速n 与电磁转矩Tem的关系 n f (Tem ,)后者
也就是转速调整特性。由于转速和转矩都是机械 量,所以把它称为机械特性。
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一. 机械特性
根据电动势方程式 ;
U Ea Ia (Ra Rs ) Ea IaR
和 Ea Ce n Tem CT Ia 可以求得机械特性方程式;
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•启动电流大,将出现强烈的换向火花,造成 换向困难。 •可能引起过流保护装置的误动作或引起电网 电压的下降,影响其他用户的正常用电; •启动转矩也很大,造成机械冲击,易使设备 受损。 •为了限制启动电流,可以采用电枢回路串联 电阻或降低电枢电压启动的启动方法。
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2 降低电枢电压启动(减压启动)

R
CeCT 2
Tem

Tem
n
式中 ——机械特性曲线的斜率。
越大,n 越大,机械特 性就越“软”, 越小,n 越
小,机械特性就越“硬”。
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固有机械特性和人为机械特性
1.固有机械特性
固有机械特性是指当电动机的电 枢工作电压和励磁磁通均为额定值、 电枢回路中没有串入附加电阻时的 机械特性,其方程式为;
• 降低电枢电压启动,即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电 压降低,以减小启动电流 Ist (一般限制在1.5~2IN),启动转矩足
够大Tst > TL ,电动机启动后,再逐渐提高电源电压,使启动电磁
转矩维持在一定数值,保证电动机按需要的加速度升速。 • 需要专用电源,投资较大,但启动电流小,启动转矩容易控制,
n UN
CeN

Ra
CeCT
2 N
Tem
固有机械特性曲线如图所示,
由于 Ra 较小,则 n 也较小,所
以他励直流电动机的固有机械特性
是比较“硬”的。
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2.人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个
参数或电动机的电枢电压值,而得到的机械特性,即
改变式的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特
图 电力拖动系统稳定运行条件
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第四节 他励直流电动机的启动和反转
电动机转子从静止状态开始转动,转速逐渐上升, 最后达到稳定运行状态的过程称为启动。电动机在启动 过程中,电枢电流 I a 、电磁转矩Tem 、转速n都随时间变 化这时,的是电一枢个电过流渡称过为程启。动开电始流启Tst,动用的一瞬表间示I st,,转对速应等的于电零磁, 转矩称为启动转矩,用 表示。一般对直流电动机的启 动有如下要求。
TL Kn2
式中 K——比例常数
常见的这类负载如 风机、水泵、油泵等。
图2.10 通风机负载特性曲线
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第三节、 他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机在电 枢电压、励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时,
电动机在稳定运行状态下,电动机的转速n与电
流 Ia 之间的关系,即 n f (Ia ),或者说电动
势 Ea Ce n 0, 由电动势平衡方程

U Ea Ia Ra
可知 启动电流
I st
UN Ra
启动转矩 Tst CT Ist
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图2.17 全压启动
例1、一台他励直流电动机,计算其启动电流和启动转矩
PN 10kW,U N 220V , nN 1500 r / min, IN 53.8A, Ra 0.286
矩特性来表征,即生产机械的转速n与负载转矩 TL 之间
的关系 n f (TL ) 。各种生产机械特性大致可归纳为以 下3种类型。
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一、恒转矩负载特性
生产机械的负载转矩的大小不随 转速n变化,这种特性称为恒转 矩负载特性。根据负载转矩的方 向特点又分为反抗性和位能性负 载两种。 1.反抗性恒转矩负载
的 称交为点理为想空T载em 的 转0 时速的。转速n0 ,
U n0 Ce
图2.8他励直流电动机的机械特性
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存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩T0,电动机实际空载
转速 n0 将低于理想空载的转速 n0 。由此可见式(2-4)的右边
第二项即表示电动机带负载后的转速降,用 表示,则;
n
2
一、运动方程式
根据牛顿第二定律,物体做直线运动时,作用 在物体上的拖动力F总是与阻力以及速度变化时产 生的惯性力ma所平衡,其运动方程式为
式中FLF——拖F动力FL(Nm)a ——阻力(N)
F

FL

m
dv dt
m——物体的质量(kg)
a——物体获得的加速度(m/s2)
上式也可写成
式中 v——物体运动的线速度(m/s)
当 Tem TL时,系统处于加速或减速运动状 态,其加速度或减速度d n/d t与飞轮力矩GD2 成反比。飞轮力矩GD2越大,系统惯性越大, 转速变化就越小,系统稳定性好,灵敏度低; 惯性越小,转速变化越大,系统稳定性差,灵 敏度高。
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第二节、 生产机械的负载转矩特性
生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。 不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同,用负载转
启动平稳,启动能耗小,是一种较好的启动方法。
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3 电枢回路串电阻启动
电枢回路串电阻启动即启动时在电枢回路串入电阻,以
减小启动电流 I st ,电动机启动后,再逐渐切除电阻,以保
证足够的启动转矩。图2.18为三级电阻启动控制接线和启动
工作特性示意图。电动机启动前,应使励磁回路附加电阻为
零,以使磁通达到最大值,能产生较大的启动转矩。
(2)当 TemTL 加速状态 。
(3)当 Tem TL 减速状态。
时,d n/d t >0,电力拖动系统处于 时,d n/d t <0,电力拖动系统处于
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由此可知,系统在Tem TL 稳定运行时,一旦 受到外界的干扰,平衡被打破,转速将会变化。 对于一个稳定系统来说,要求具有恢复平衡状 态的能力。
反抗性恒转矩负载的特点是 负载转矩的大小不变,但负载转 矩的方向始终与生产机械运动的 方向相反,始终是阻转矩。 轧钢机和机床的平移机构等。
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图2.3 反抗性恒转矩负载 特性
2.位能性恒转矩负载
这种负载的特点是负载转矩
由重力作用产生,不论生产机
械运动的方向变化与否,负载 转矩的大小和方向始终不变。
起重设备提升重物时,负载转
矩为阻转矩,其作用方向与电
动机旋转方向相反,当下放重
物时,负载转矩变为驱动转矩,
其作用方向与电动机旋转方向
相同,促使电动机旋转。
图2.4 位能性恒转矩负载特性
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二、 恒功率负载特性
恒功率负载的方向特点是属于
反抗性负载;大小特点是当转速变
化时,负载从电动机吸收的功率为
恒定值:
PL

TL

TLБайду номын сангаас
2 n 60
Ce N

Ra Rpa
CeCT
2 N
Tem
b
c
与固有特性相比,a.理想空载
转速
n0

U
N
(Ce


N
不变,b.


大,转速降n 增大,附加电阻 Rpa
越大,n 也越大,特性越“软”,
如图2.13中曲线1, 2所示。
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(2)改变电枢电压时的人为机械特性
当电动机的 Rpa 0 N 时,
改变电枢电压的人为机械特性的方程 a
式为;
n
U
Ce N

Ra
CeCT
2 N
Tem
b c
n0 与固有特性相比较,a. 机械特性
曲线的斜率 不变,b.理想的空载转
速 随电压减小成正比减小,改变电
压时的人为特性是一组与固有机械特 性平行的直线.
性;
n
U
Ce

R
CeCT
2
Tem
我们来研究只改变电枢电压、磁通或附加电阻的
一个参数,求出他励直流电动机有下列三种人为机械 特性。
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(1)电枢回路串电阻时的人为机械特性
当电动机的 U UN , N , R Ra Rpa 时,其人为机
械特性的方程式为;
a
n UN
U
R
n Ce CeCT 2 Tem
R为电枢回路总电阻。
图2.7 他励直流电动机电路原理图
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当电源电压U=常数,电枢 回路总电阻R=常数,励磁磁通
=常数时,根据2-4式,求出
他励直流电动机的机械特性曲 线,如图2.12所示,它是一条向 下倾斜的直线,这说明当加大 电动机的负载,就会使电动机 的转速下降.特性曲线与纵轴

UN

29
例2-2 P32
启动过程中 n Ea Ist Tst
电机加速作用逐渐减小,转速上身缓慢,启动过 程长,故采用逐步减小启动电阻方法
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二 他励直流电动机的反转
要使电动机反转,必须改变电磁转矩的方向,而电 磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定。所以,
只要将磁通 或 任I a意一个参数改变方向,电磁转
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(3)改变磁通时的人为机械特性
可以在励磁回路中串接上电
阻 Rpf ,或降低励磁电压 U f 来减弱
磁通,保持 U UN ,Rpa 0 时, 减弱磁通的人为特性方程式为;
n

UN
Ce

Ra
CeCT 2
Tem
由于磁通 的减少,使得理
想空载转速 n0 和机械特性斜率
TN
都增大,
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二 电力拖动系统稳定运行的条件
第二章、直流电动机的电力拖动
第一节 电力拖动系统的运动方程式
电力拖动系统是由电动机拖动生产机械系统,生产机械 称为电动机的负载。电力拖动系统一般由控制设备、电 动机、传动机构、生产机械和电源5部分组成。
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所谓单轴拖动系统是指电动机输出轴直接 拖动生产机械运转的系统,如图2.2所示。
图2.2 单轴电力拖动系统及轴上转矩
(1)启动转矩足够大(Tst > TL 电动机才能顺利启动)。 (2)启动电流 I st 要限制在一定的范围内。 (3)启动设备操作方便,启动时间短,运行可靠,成本
低廉。
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一 直接启动(全压启动)
启动时,先合Q1建立磁场,然后合Q2全 压启动。 启动开始瞬间,由于机械惯性,电
动机转速 n 0 ,电枢绕组感应电动
(1)首先选定顺时针或逆时针中的某 一个方向为规定正方向,为减少公式
中的负号,一般多以电动机通常处于 电动状态时的旋转方向为规定正方向。
(2)转速的方向与规定正方向相同时 为正,相反时为负。
(3)电磁转矩的方向与规定正方向相 同时为正,相反时为负。
(4)负载转矩与规定正方向相反时为
正,相同时为负,如图2.3所示。
图2.3 正方向规定
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一个电力拖动系统是处于静止或匀速,还是加速 或减速,可以从运动方程式来判定。
先按规定确定运动方程式各转矩转速的正负号, 再通过运动方程式来判断拖动系统的运动状态。
(1)当 Tem TL 时,d n/d t = 0,则n = 0或n=常数, 即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状 态。
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