【培训课件】电机学课件--直流电动机的电力拖动

直流电动机的电力拖动
§1 电力拖动系统的运动方程式和负载的转矩 特性 §2 他励直流电动机的机械特性 §3 他励直流电动机的起动 §4 他励直流电动机的制动 §5 他励直流电动机的调速
§1
§1.1 电力拖动系统的运动方程式 §1.2 负载的转矩特性
§1.1 电力拖动系统的运动方程式
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用 各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机来拖动， 这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系 统。
1．反抗性恒转距负载特性 特点：TL的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。负
载转矩特性在第一和第三象限，如图1所示，例如 金属的压延，机床的平移机构等。
n
TL
2、位能性恒转矩负载特性 特点：TL的大小和方向均与转速无关，不随机变化。
其负载转矩特性在第一和第四象限，如图 所 示，例如重物的提升与下放等。
再将机械角速度用转速n表示 可得：
Tem
TL
GD2 375
•
dn dt
3、系统旋转运动的三种状态
1)当Tem 或TL
时dn,系 0统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。 dt
2)当Tem 或TL
时dn,系 0统处于加速运行状态，即处于动态。 dt
3)当Tem 或TL 时dn,系 0统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
制动的方式有三种：能耗制动、反接制动、回馈制动。
§4.1 能耗制动
1、实现能耗制动的方法
将电枢从电源上断开，通
过制动电阻RB闭合。电枢电流
Ia变为由Ea产生，与原来方向
相反，电磁转矩 随之反向，
Tem与n反向，进入制动状态， 制动过程中，电动机靠系统的
Ia
动能发电，消耗在电枢回路的
电阻上，故称为能耗制动。
U
电动
S
RB 制动 IaB
Ea
M
Tem n TemB
If
2、能耗制动时的机械特性
n
B
n0
A
Ra
B
0
Ra RB
TL
Tem
C 从机械特性曲线看制动过程（A、B、C、三点）
4、选择RB的原则
因为
IaB
Ea Ra RB
I max
(2 2.5)IN
所以
RB
Ea (2 2.5)IN
Ra
5、能耗制动的优点
§5
§5.1 评价调速的指标 §5.2 调速方法 §5.3 调速方式与负载类型的配合
调速：为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机 械在工作过程中都需 要调速。
电力拖动系统的调速可以采用： 机械调速：改变传动机构速比。 电气调速：改变电动机参数。即人为的改变电 动机的机械特性。
注：由负载变化引起的电机速度变化不称为速度调节， 而称为速度变化。
§4.2 反接制动
一、电压反接制动 1、实现方法
如图所示，使k断开、F闭 合，使电枢电源反接的同时串 入一个制动电阻RB,这时由于U 反向,反向的电枢电流很大， 产生很大的反向Tem，从而产 生很强的制动作用，进入制动 状态。 2、制动电阻
U
电动
S
制动
Ia
IaB
RB
Ea
M
Tem n
TemB
If
二、解决方法 1、对直流电机起动的要求：足够大的Tst ， Ist要限制在一定的范围内，起动设 备要简单可靠。 2、限制Ist的方法：电枢回路串电阻起动，降低电枢电压起动。 无论哪种方法都应保证电动机的磁通达到最大值。
§3.1 电枢回路串电阻起动
一、起动过程
U
n
nn0N
Tnem3 I
n1
S
S1 S2 S3
§4
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
能耗制动 反接制动 回馈制动 直流电动机的反转
制动的概念：从某一稳定转速开始减速到停止或限 制位能负载下降速度的一种运行过 程。
电机的两种运行状态：
制动状态：电磁转矩Tem的方向与转速n的方向相反。 电动状态：电磁转矩Tem的方向与转速n的方向相同。
大电阻，使n=0时的电磁转矩（起动转矩）小于负载
转矩TL 。
n
2、机械特性
n0 B
A
方程：
Ra
n
n0
Ra RB Ce CT ΦN2
TL
0
0 TB
C TK TL
Tem
D Ra RB
3、从机械特性曲线看制动过程
4、功率关系
5、适用场合 设备简单，操作方便，适用于低速匀
速下放重物。这种反转制动主要是位能负 载的倒拉作用，因此得名。
Tem
二、人为机械特性
1、电枢串电阻时的人为机械特性
保持U U N ,Φ不变Φ,N只在电枢回路中串入电阻 的人为R特S 性
n
n0
n
UN CeΦN
Ra RS
C
e
CT
Φ
2 N
Tem
Ra
是一族通过理想空载点并 具有不同斜率的人为特性。
Ra RS Tem
2、降低电枢电压时的人为机械特性 保持R Ra ,Φ不变Φ，N 只改变电枢电压时的人为特性：
4、使用场合 用于高速匀速下放重物和降压、 增加磁通调速过程中自动加快减 速过程。
n A
n0
TL 0 n0
Tem TL
B
§4.4 直流电动机的反转
许多生产机械要求电动机做正、反转运行，直流电机的转向由电枢 电流方向和主磁场方向确定。
故方法有两种： 一是改变电枢电流方向 (即改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接。） 二是改变励磁电流的方向（很少采用）
n
Ea
Ce
U IaR
Ce
U
Ce
R
Ce
Ia
U
Ce
R
CeCT 2
n0
T
其中：
n0
U
Ce
称为理想空载转速
R CeCT 2
称为机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性
n T R T CeCT 2
称为负载时的转速降
机械特性曲线：当U、R、为常数时，为一条向下倾斜的直线。 电枢反应对机械特性的影响，可能使特性在T 较
二、稳定运行的条件
（1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点， 即存在Tem=TL
(2)充分条件：在交点的转速以上存在Tem＜TL，而在交点的转速以 下存在Tem＞TL
n
nA
A
Tem
0
TL
稳定运行
n
nB
B
Tem
0
TL
不稳定运行
§3
§3.1 电枢回路串电阻起动 §3.2 降压起动
（3）计算理想空载点
（4）计算额定工作点数据
二、人为机械特性的的求取
在固有机械特性 方程 n n0 的βT基em础 上，根据人为特性所 对应的参数 或 或RS变
化，U 重Φ新计算 和 ， 然后n得0 到人β 为机械特
性方程式。
§4 电力拖动系统稳定运行条件
一、稳定运行的概念
电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，但 仍能在新的条件下达到平衡状态，或者在扰动消失后仍能自动恢 复原平衡状态，则该系统是稳定的。
理想的通风 机特性
实际通风 机特性
TL0
TL
实际生产机械的负载转矩特 性可能是以上几种典型特性的综 合。
§2
§1 机械特性的表达式 §2 固有机械特性和人为机械特性 §3 机械特性的求取 §4 电力拖动系统稳定运行条件
§1 机械特性的表达式
机械特性：电动机处于稳定运行状态时，电动机的电磁转矩Tem 与转速n的关系曲线称为电动机的机械特性。 （ Tem与n 都是机械量）
nN (1 ) nN (1 )
可见：生产机械允许的最低转速时的静差率越大，电动机允 许的调速范围D越大。
n
TL
二、恒功率负载特性 特点：TL的大小基本上与转速n成反比，即负载功率为常数，故
称恒功率负载特性。如图 所示，是一条双曲线。切削机 床属于此类。
n
TL
三、泵与风机类负载特性
特点：TL的大小基本上与转速n的平方成正比。 其特性如图 所示，在第一，三象限，是一条抛
物线。例如风机、水泵、油泵等。
n
Rst1 (β 1 ) Ra Rst 2 (β 1 ) βRa βRst1 Rst 3 (β 1 ) β 2 Ra βRst 2 Rstm (β 1 ) β m1 Ra βRstm1
计算各级起动电阻的步骤：
（1）求Ra
（2）根据过载倍数求T1,I1
(3) 选取m
（4）计算
（5）求
3、机械特性
n UN CeΦN
Ra RB CeCT ΦN2
Tem
n0 βTem
B
n n0 A
4、从机械特性曲线看制动 过程
5、功率关系
Ra
TL
C D
0
TL
Tem
6、优点 设备简单，操作方便。
n0
Ra RB
一、倒拉反转反接制动 （只适用于位能性恒转矩负载）
1、实现方法
他励电动机拖动位能性负载，电枢回路串入较
§5.1 评价调速的指标
调速指标：为了评价各种调速方法的优缺点，对调速
方法提出的一定的技术经济指标。
1、调速范围
D nmax nmin
2、静差率
% nN 100% n0 nN 100%
n0
n0
D nmax nmin
Fra Baidu bibliotek
nmax n0' nN
nmax
n0'
(1
nN n0'
)
nmax
nmax
T2
T1
检验是否满足T2≥(1.1—1.3)TL，若不满
足，另选T1或m值，直到满足条件。
三、三点起动器（简单了解） 人工手动办法起动
§3.2 降压起动 当直流电源电压可调时可采用降压起动方法。
发展：过去可调的直流电源采用直流的发电机-电动机 组，现在多用晶闸管整流电源代替。
优点：起动平稳，起动过程中能量损耗小。
h
f3 d2
b 1
M
g Ra
Ra Rst 1 Rst 2 Rst 3
e Ra Rst1 R1
c Ra Rst1 Rst 2 R2
a Ra Rst1 Rst 2 Rst 3 R3
TL IL
T2 I2
T1
Tem
I1
I
二、起动电阻的计算
在已知起动电流比β和电枢电
阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为:
§4.3 回馈制动
1、实现方法
他励直流电动机在电动状态下提升重物时，将电源反接， 电动机进入电压反接制动状态由于Ea>U，电流Ia与Ea同方向， 与U反方向，所以电动机将位能转换为电能回馈电网，故称回馈 制动。
2、机械特性 由上所述，可能在第四象限，也 可能在第二象限。
3、分析 回馈制动过程中，有功率UIa回 馈电网，能量损耗最少。
二、运动方程式中转矩正、负号的规定
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方 向，然后规定：
（1）电磁转矩Tem与转速 的n 正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩TL与转速 的n 正方向相同时为负，相反时为正。
(3)惯性转矩 GD2 的dn大小和正负号由
375 dt
和 T的em 代数TL和决定。
电力拖动系统的组成：电源、控制设备、电动机、传动和工作机构。
一、运动方程式
1、单轴系统
U
M
Tem
TL
J
d dt
Tem n
TL
2、实用表达式
通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系为 J=mp
式中 m与G－转动部分的质量与重量； p与D－惯性半径与直径（m）； g=9.81m/s2 －重力加速度；
起动过程：电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。 起动转矩Tst：电动机起动瞬间的电磁转矩。 起动电流Ist：起动瞬间的电枢电流。
一、一般直流电机不允许直接起动 从公式可以看出直接起动电流很大，能够达到10-20倍的额定电流。这将引起
严重的后果。应设法限制电枢电流的不超过额定电流的1.5~2倍。
大时上翘，如图所示 。
机械特性的硬度 :越大，特性越陡，称为软特性；
越小，特性越平，称为硬特性； 表明机械特性曲线的下垂程度。
§2 固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性 当 U U N ,Φ Φ时N ,的R 机 R械a特性称为固有机械特性：
其 方程式为：
n
UN CeΦN
Ra Ce CT ΦN2
§1.2 负载的转矩特性
负载转矩特性：负载转矩TL与转速n的关系用曲线表示称为生产 机械的负载转矩特性。
一、恒转距负载特性
所谓恒转距负载特性，是指生产机械的负载转矩TL的 大小与转速n无关的特性，即无论转速怎样变化，负载转矩 的大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关， 恒转矩负载又分为反抗性恒转距负载特性和位能性恒转矩 负载特性。
n U CeΦN
Ce
Ra CT ΦN2
Tem
是位于固有特性下方， 且与固有特性平行的一 组直线。
n n0
n01 U1 UN
UN U1
Tem
3、减弱磁通时的人为机械特性
保持R Ra ,U不变U N，只改变励磁回路调节电阻 的人R为Sf特性：
n UN CeΦ
Ra CeCT Φ2
Tem
n02 n
n01 Φ2
Φ1
n0
Φ2 Φ1 ΦN
ΦN
Tem
Tk 2 Tk 1 Tk
§3 机械特性的求取
一、固有机械特性的的求取
步骤：（1）估算 R a
Ra
(1 2
2)UN IN
3
I
2 N
PN
（2）计算
C e N
EN nN
UN
I N Ra nN
TN TCNTNCTINN IN 9.59.55C5CeeNN IINN