直流电机启动与调速制动
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（3）电动机带动反作用负载，从
n 500 r/min 进行能耗制动，若其
最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。
解
（1）
U N I N Ra 440 76.2 0.393 Ce 0.39 nN 1050
440 60 0.393 r/min 1190 r/min 0.39
他励电动机降压、减速 过程中回馈制动特性
电动机的数据如下：
Ra 0.393 Ω
（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下 放， I a 60A ，求电动机反向下放转速。 （2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， I a 50A 时，转 速 n 600 r/min ，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的 功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。
n U0 R Ra 0 T 2 Ce CeCT
晶闸管整流器供电 的直流调速系统
降低电源电压调 速时的机械特性
三、弱磁调速
小容量系统
弱磁调速电路示意图
较大容量系统
弱磁调速时，机械特性方程式是 ：
Ra U n T 2 Ce CeCT
减弱磁通的人 为机械特性
弱磁调速的优点是， 在功率较小的励磁电 路中进行调节，控制 方便，能量损耗小， 调速的平滑性较高。 由于调速范围不大， 常和额定转速以下的 降压调速配合应用， 以扩大调整范围。
电动机回馈制动电 路图(带位能负载)
（二）他励电动机改变电枢电压调速 在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来 不及变化时，就会发生 Ea U 的情况，亦即出现了回馈制动状 态。
[例9-4]一台他励直流
PN 29kW U N 440V
I N 76.2A
nN 1050 r/min
ni vi ni 1 vi 1
值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续
可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。 4．调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）
容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上 所能输出的功率和转矩。
（二）调速的经济指标
调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费 用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。
T Δn n0 n R 2 CeCT
R1 Ra nec nhe
R 2 Ra nca nhe
（二）解析法
在b点
U Eb I2 R2
在c点
U Ec I1 R1
两级起动时
I 1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 / I 2 称为起动电流比 R1 Ra R2 R1 Ra 2 Rm 1 Rm 2 Ra m 1 m Rm Rm 1 Ra
[例9-2]
R 1 R1 Ra ( 1) Ra
一台他励直流电动机的铭牌数据为： PN 29kW U N 440V I N 76A nN 1000 r/min
Ra 0.377 试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。
已知起动级数m=4 选择
解
I1 2I N 2 76A 152A
机械特性和容 许输出转矩
容许输出转 矩和功率
第三节 他励直流电动机的制动
1）电动运转状态——电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时 电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。
2） 制动运转状态——电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电 动机吸收机械能并转化为电能。
一、能耗制动
电动状态 能耗制动
电动机反向下放转速
U N I N Ra n CN
（2）电枢电路总电阻 U N Cen 440 0.39(600 ) R Ra RΩ Ω 13 .48Ω Ia 50 RΩ R Ra 13.48Ω 0.393Ω 13.077Ω 电枢串接电阻 电网输入功率
电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：
1．机械惯性 ——反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不 能突变。
2．电磁惯性 ——反映在电枢回路电感及励磁回路电感上， 它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不 能突变。
3．热惯性 ——它使电动机的温度不能突变。
电力拖动的过渡过程一般分为两种： 1）机械过渡过程—— 它只考虑机械惯性，忽略影响较小 的电磁惯性。
电枢串联 电阻调速
低速静差率
（2）
二、降低电枢端电压调速
（一）电枢串联电阻
分析电枢串接电阻调速的经济性：
2 P UI E I I 1 a a a aR
效率
n0 n n P 1 P 1 P n0 n0 1
（二）降低电源电压 降低电源电压的调速系统的机械特性 方程式为
D
nmax nmax nmax nmax nmax Δ n ΔnN ΔnN nmin n0 (1 N ) n0 (1 ) ΔnN (1 ) n0
nmax ΔnN D(1 )
允许的转速降
3．平滑性
在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。
（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率
；
（2）如果生产工艺要求静差率 ≤20%，则此时额定负载下能达到 的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？
解
（1）
nmax 900 D 9 nmin 100
200 100 100 % 50% 200 900 0.2 D 2.25 不能满足原有调速范围的要求 100(1 0.2)
P2 P2 ΔP
[例9-5 ]一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额 定转速 nN 900r/min ，高速机械特性的理想空载转速 n0 1000 r/min 如果额定负载下低速机械特性的转速 nmin 100r/min ，而相应的理想空 r/min。 载转速 n N 200
R4 R3 1.6641.736 2.889
各分段电阻如下 ：
R1 R1 Ra 0.627 0.377 0.250
R2 R2 R1 1.043 0.627 0.416
R3 R3 R2 1.736 1.043 0.693
（三）电枢反接
时的过渡过程
1．反作用负载
GD2 dn T Tz 375 dt
反抗性负载 终止在D点
位能性负载 终止在E点
2．位能负载
电枢反接时的人为机械特 性和转速及电流变化曲线
三Hale Waihona Puke Baidu回馈制动（或称再生制动）
（一）位能负载拖动电动机 这时位能负载带动电动机，电枢将轴 上输入的机械功率变为电磁功率Ea I后， a 大部分回馈给电网（ UI a ），小部分 2 I ) 变为电枢回路的铜耗 a ( Ra RΩ。电动 机变为一台与电网并联运行的发电机。
二、他励直流电动机起动电阻的计算
（一）图解解析法 1．绘制固有机械特性 2．选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电 流 I2 （或T1 与T2） 3．画出分级起动特性图
R n n0 T 2 CeCT
R1 Ra RΩ1 nhc nhe nec R2 Ra nhe nhe
U a 440 Rm R4 Ω 2.895Ω I1 152
R4 2.895 1.664 Ra 0.377
4
4
则各级起动总电阻如下：
R1 Ra 1.664 0.377 0.627
R2 R1 1.664 0.627 1.043
R3 R2 1.6641.043 1.736
转速反向的反接 制动机械特性
电枢电路的电压平衡方程式变为
I a ( Ra RΩ ) U (Ea ) U Ea
转速反向的反接制动特性方程式为
Ra RΩ n n0 T 2 CeCT
2 Ia ( Ra RΩ ) UIa Ea I a
上式表明，UI a 与 EI a 两者之和消耗在电枢电路的电阻 Ra RΩ 上。
不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D＝20～120，龙门刨床D＝ 10～40，机床的进给机构D＝5～200，轧钢机D＝3～120，造纸机D＝3～20等
2．静差率（或称相对稳定性）
不同机械特性 下的静差率
nN n0 nN 100% 100% n0 n0
电动机的机械特性愈硬，则静差 率愈小，相对稳定性就愈高。 调速范围D与低速静差率%间的关系
（二）电枢反接的反接制动
断开 K1 和 K 2 ， 接通 K 3 和 K 4
U Ea U Ea Ia Ra RΩ Ra RΩ
电枢反接的反 接制动电路图
GD2 dn T Tz 375 dt
Ra RΩ n n0 T 2 CeCT
最大电流也不超过 2 I N UN ≥ Ra RΩ IN
减弱磁通时的电枢电流、 转速、磁通变化曲线
四、调速时的功率与转矩
在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长 时运行，其发热不会超过容许的限度。 对于他励直流电动机， 转矩与功率的关系为：
T CTI a
TΩ T 2πn Tn P ( ) 1000 1000 60 9550
2）电气一机械过渡过程 —— 它同时考虑机械与电磁两种 惯性。
第四节 他励直流电动机的调速 采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生 产的需要，这种方法通常称为调速。 一、调速指标
调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标 （一）调速的技术指标
1. 调速范围
nmax vmax D nmin vmin
R4 R4 R3 2.889 1.736 1.153
三、他励直流电动机起动的过渡过程 在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等） 与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性， 这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等 参量的突变，而必须是个连续变化的过程 。
能耗制动时机械特 性和转速及电流变 化曲线
能耗制动机械特性方程式
Ra Rz n T 2 CeCT
EN U N R R 2 I 如果按最大制动电流不超 N过来选择 a z≥ 2I N 2I N UN 则 Rz ≥ 电动机带位能负载时 Ra 2I N 的能耗制动电路图
GD2 ( Ra Rz ) dn Tz ( Ra Rz ) n 2 CeCT 2 375CeCT dt
降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调 速方式。而容许输出功率则正比于转速。 TN n P C1 n 式中 C T / 9550 1 N 9550 弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式
C3 C3 Tn n P 常数 9550 n 9550 9500
当
T
时 T
z
Tz ( Ra Rz ) nz CeCT 2
I st I z tT TtM ln Iz
能耗制动时间为
nst n z tT TtM ln nz
二、反接制动
反接制动可用两种方法实现，即转 速反向（用于位能负载）与电枢反 接（一般用于反作用负载）。
（一）转速反向的反接制动 电动机带位能负载时 的能耗制动电路图
Rm Rm1 I1 R2 R1 I 2 Rm1 Rm2 R1 Ra
Rm Ra m lg lg
m
Rm Ra
RΩ2 R2 R1 ( 2 ) Ra RΩ1 RΩm 1 Rm 1 Rm 2 RΩm 2 m 2 RΩ1 m 1 RΩm Rm Rm 1 RΩm 1 RΩ1
n 500 r/min 进行能耗制动，若其
最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。
解
（1）
U N I N Ra 440 76.2 0.393 Ce 0.39 nN 1050
440 60 0.393 r/min 1190 r/min 0.39
他励电动机降压、减速 过程中回馈制动特性
电动机的数据如下：
Ra 0.393 Ω
（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下 放， I a 60A ，求电动机反向下放转速。 （2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， I a 50A 时，转 速 n 600 r/min ，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的 功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。
n U0 R Ra 0 T 2 Ce CeCT
晶闸管整流器供电 的直流调速系统
降低电源电压调 速时的机械特性
三、弱磁调速
小容量系统
弱磁调速电路示意图
较大容量系统
弱磁调速时，机械特性方程式是 ：
Ra U n T 2 Ce CeCT
减弱磁通的人 为机械特性
弱磁调速的优点是， 在功率较小的励磁电 路中进行调节，控制 方便，能量损耗小， 调速的平滑性较高。 由于调速范围不大， 常和额定转速以下的 降压调速配合应用， 以扩大调整范围。
电动机回馈制动电 路图(带位能负载)
（二）他励电动机改变电枢电压调速 在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来 不及变化时，就会发生 Ea U 的情况，亦即出现了回馈制动状 态。
[例9-4]一台他励直流
PN 29kW U N 440V
I N 76.2A
nN 1050 r/min
ni vi ni 1 vi 1
值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续
可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。 4．调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）
容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上 所能输出的功率和转矩。
（二）调速的经济指标
调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费 用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。
T Δn n0 n R 2 CeCT
R1 Ra nec nhe
R 2 Ra nca nhe
（二）解析法
在b点
U Eb I2 R2
在c点
U Ec I1 R1
两级起动时
I 1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 / I 2 称为起动电流比 R1 Ra R2 R1 Ra 2 Rm 1 Rm 2 Ra m 1 m Rm Rm 1 Ra
[例9-2]
R 1 R1 Ra ( 1) Ra
一台他励直流电动机的铭牌数据为： PN 29kW U N 440V I N 76A nN 1000 r/min
Ra 0.377 试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。
已知起动级数m=4 选择
解
I1 2I N 2 76A 152A
机械特性和容 许输出转矩
容许输出转 矩和功率
第三节 他励直流电动机的制动
1）电动运转状态——电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时 电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。
2） 制动运转状态——电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电 动机吸收机械能并转化为电能。
一、能耗制动
电动状态 能耗制动
电动机反向下放转速
U N I N Ra n CN
（2）电枢电路总电阻 U N Cen 440 0.39(600 ) R Ra RΩ Ω 13 .48Ω Ia 50 RΩ R Ra 13.48Ω 0.393Ω 13.077Ω 电枢串接电阻 电网输入功率
电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：
1．机械惯性 ——反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不 能突变。
2．电磁惯性 ——反映在电枢回路电感及励磁回路电感上， 它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不 能突变。
3．热惯性 ——它使电动机的温度不能突变。
电力拖动的过渡过程一般分为两种： 1）机械过渡过程—— 它只考虑机械惯性，忽略影响较小 的电磁惯性。
电枢串联 电阻调速
低速静差率
（2）
二、降低电枢端电压调速
（一）电枢串联电阻
分析电枢串接电阻调速的经济性：
2 P UI E I I 1 a a a aR
效率
n0 n n P 1 P 1 P n0 n0 1
（二）降低电源电压 降低电源电压的调速系统的机械特性 方程式为
D
nmax nmax nmax nmax nmax Δ n ΔnN ΔnN nmin n0 (1 N ) n0 (1 ) ΔnN (1 ) n0
nmax ΔnN D(1 )
允许的转速降
3．平滑性
在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。
（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率
；
（2）如果生产工艺要求静差率 ≤20%，则此时额定负载下能达到 的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？
解
（1）
nmax 900 D 9 nmin 100
200 100 100 % 50% 200 900 0.2 D 2.25 不能满足原有调速范围的要求 100(1 0.2)
P2 P2 ΔP
[例9-5 ]一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额 定转速 nN 900r/min ，高速机械特性的理想空载转速 n0 1000 r/min 如果额定负载下低速机械特性的转速 nmin 100r/min ，而相应的理想空 r/min。 载转速 n N 200
R4 R3 1.6641.736 2.889
各分段电阻如下 ：
R1 R1 Ra 0.627 0.377 0.250
R2 R2 R1 1.043 0.627 0.416
R3 R3 R2 1.736 1.043 0.693
（三）电枢反接
时的过渡过程
1．反作用负载
GD2 dn T Tz 375 dt
反抗性负载 终止在D点
位能性负载 终止在E点
2．位能负载
电枢反接时的人为机械特 性和转速及电流变化曲线
三Hale Waihona Puke Baidu回馈制动（或称再生制动）
（一）位能负载拖动电动机 这时位能负载带动电动机，电枢将轴 上输入的机械功率变为电磁功率Ea I后， a 大部分回馈给电网（ UI a ），小部分 2 I ) 变为电枢回路的铜耗 a ( Ra RΩ。电动 机变为一台与电网并联运行的发电机。
二、他励直流电动机起动电阻的计算
（一）图解解析法 1．绘制固有机械特性 2．选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电 流 I2 （或T1 与T2） 3．画出分级起动特性图
R n n0 T 2 CeCT
R1 Ra RΩ1 nhc nhe nec R2 Ra nhe nhe
U a 440 Rm R4 Ω 2.895Ω I1 152
R4 2.895 1.664 Ra 0.377
4
4
则各级起动总电阻如下：
R1 Ra 1.664 0.377 0.627
R2 R1 1.664 0.627 1.043
R3 R2 1.6641.043 1.736
转速反向的反接 制动机械特性
电枢电路的电压平衡方程式变为
I a ( Ra RΩ ) U (Ea ) U Ea
转速反向的反接制动特性方程式为
Ra RΩ n n0 T 2 CeCT
2 Ia ( Ra RΩ ) UIa Ea I a
上式表明，UI a 与 EI a 两者之和消耗在电枢电路的电阻 Ra RΩ 上。
不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D＝20～120，龙门刨床D＝ 10～40，机床的进给机构D＝5～200，轧钢机D＝3～120，造纸机D＝3～20等
2．静差率（或称相对稳定性）
不同机械特性 下的静差率
nN n0 nN 100% 100% n0 n0
电动机的机械特性愈硬，则静差 率愈小，相对稳定性就愈高。 调速范围D与低速静差率%间的关系
（二）电枢反接的反接制动
断开 K1 和 K 2 ， 接通 K 3 和 K 4
U Ea U Ea Ia Ra RΩ Ra RΩ
电枢反接的反 接制动电路图
GD2 dn T Tz 375 dt
Ra RΩ n n0 T 2 CeCT
最大电流也不超过 2 I N UN ≥ Ra RΩ IN
减弱磁通时的电枢电流、 转速、磁通变化曲线
四、调速时的功率与转矩
在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长 时运行，其发热不会超过容许的限度。 对于他励直流电动机， 转矩与功率的关系为：
T CTI a
TΩ T 2πn Tn P ( ) 1000 1000 60 9550
2）电气一机械过渡过程 —— 它同时考虑机械与电磁两种 惯性。
第四节 他励直流电动机的调速 采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生 产的需要，这种方法通常称为调速。 一、调速指标
调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标 （一）调速的技术指标
1. 调速范围
nmax vmax D nmin vmin
R4 R4 R3 2.889 1.736 1.153
三、他励直流电动机起动的过渡过程 在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等） 与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性， 这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等 参量的突变，而必须是个连续变化的过程 。
能耗制动时机械特 性和转速及电流变 化曲线
能耗制动机械特性方程式
Ra Rz n T 2 CeCT
EN U N R R 2 I 如果按最大制动电流不超 N过来选择 a z≥ 2I N 2I N UN 则 Rz ≥ 电动机带位能负载时 Ra 2I N 的能耗制动电路图
GD2 ( Ra Rz ) dn Tz ( Ra Rz ) n 2 CeCT 2 375CeCT dt
降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调 速方式。而容许输出功率则正比于转速。 TN n P C1 n 式中 C T / 9550 1 N 9550 弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式
C3 C3 Tn n P 常数 9550 n 9550 9500
当
T
时 T
z
Tz ( Ra Rz ) nz CeCT 2
I st I z tT TtM ln Iz
能耗制动时间为
nst n z tT TtM ln nz
二、反接制动
反接制动可用两种方法实现，即转 速反向（用于位能负载）与电枢反 接（一般用于反作用负载）。
（一）转速反向的反接制动 电动机带位能负载时 的能耗制动电路图
Rm Rm1 I1 R2 R1 I 2 Rm1 Rm2 R1 Ra
Rm Ra m lg lg
m
Rm Ra
RΩ2 R2 R1 ( 2 ) Ra RΩ1 RΩm 1 Rm 1 Rm 2 RΩm 2 m 2 RΩ1 m 1 RΩm Rm Rm 1 RΩm 1 RΩ1