第三章--直流电动机的电力拖动课件.ppt

1、第三章 直流电动机的电力拖动中南大学信息院自动化专业 目录第一节 他励直流电动机的机械特性第二节 他励直流电动机的起动和反转第三节 他励直流电动机的调速第四节 他励直流电动机的制动第五节 电力拖动系统的过渡过程作业第一节 他励直流电动机的机械特性一.一般概念()acnf TURRTn电动机的机械特性是在：常数、常数、常数的条件下 产生的电磁转矩 与转速 的关系曲线。2002aceeTeaceTRRUnTCC CnTUnCRRC C电动机的机械特性方程：（3-1）（3-2）式中：理想空载转速 机械特性斜率第一节 他励直流电动机的机械特性()nf T他励直流电动机的机械特性图：n-TnT-nTkT

2、BTT0T0n,0nn0AAn第一节 他励直流电动机的机械特性000,000,000,(0)0,()aeaekkATIUnnCUECnATTnnTnnBnTT T在图中：理想空载点：实际空载点：显然 堵转点：堵转力矩 0,0,aakacMaaUEIIRRA BPE IA B 在两点，电磁功率 所以在两点处电机无能量转换。第一节 他励直流电动机的机械特性02I00aceTacaeacaTnTnnnTRRTC CRRICnRRI 在第 象限内：、且方向一致 是拖动力矩 电机处于电动状态 由上式可见，产生转速降的原因是 电阻压降（）第一节 他励直流电动机的机械特性000()0aaaacnETTUEI

3、RR 在第IV象限内：电机反转 是制动力矩 电机处于制动状态00000aaTaannnEUUEITCIRRTnT在第II象限内：、且 ,与 方向相反是制动力矩 电机处于再生发电制动状态第一节 他励直流电动机的机械特性02aeTRRC C特性斜率：大软特性小硬特性TnTn硬特性的特点是当 变化时 变化小(小)软特性的特点是当 变化时 变化大(大)dTdn 机械特性的硬度在电动机机械特性工作段内，某点的转矩对该点转速的导数。即硬度与斜率的关系：1大，硬度小，特性软小硬度大，特性硬第一节 他励直流电动机的机械特性二.固有机械特性和人为机械特性2()NNNaeNeTNUnf TURnTCC C在、电枢

4、无外串电阻的条件下，获得的机械特性。(3-4)1.固有机械特性（或称自然机械特性）自然机械特性如下图：00NNNNNNNnnTnnnT 图 中 在 额 定 点：称 为 额 定 转 速 降第一节 他励直流电动机的机械特性()URnf T 在机械特性方程中，人为改变，或 三参数中的一个参数而获得的特性。2.人为机械特性1.变电压人为特性2.变电阻人为特性3.变磁通人为特性三种人为机械特性1）电枢串电阻的人为机械特性200NNacNaceNTeNcUURRRURRnTCC CnnRRn 、特 点：不 变（与无 关）增 加增 加特 性 变 软第一节 他励直流电动机的机械特性变电阻人为机械特性：第一节

5、他励直流电动机的机械特性2）改变供电电压的人为特性NU在电 枢 不 外 串 电 阻 下，改 变第一节 他励直流电动机的机械特性图a：发电机G向电动机M供电，改变发电机励磁，即可调节电动机的供电电压。图b：可控硅整流装置向电动机供电改变可控硅的触发脉冲角度即可调压。20,aeNeTNRUnTCC CnUUn机 械 特 性 方 程 式：特 点：随变 化 调 节其不 变，即 特 性 硬 度 不 变 （调 压 的 特 性 平 行 于 自 然 特 性）第一节 他励直流电动机的机械特性2NaeeTURnTCC C特 性 方 程 式：弱磁特性:3）弱磁人为特性NNUU在电 枢 不 外 串 电 阻 下，调 节

6、（内 部 调 节）0nn特点：减弱、特性变软 （弱磁特性在自然特性之上）第一节 他励直流电动机的机械特性三.电枢反应对机械特性的影响（自学）四.他励直流电动机机械特性的绘制1.自然机械特性的绘制：32()1012()()2312eNTNaNNaeNNNNNaNNCCRUIRCnUIPRPKWI根 据 铭 牌 上 的 数 据 计 算和是 （一 般 取即 可）第一节 他励直流电动机的机械特性 机 械 特 性 是 直 线，通 常 只 计 算 两 点 即 可 绘 制。n0nNT0T额定点理想空载点00NeNTUnnC.理想空载点9.55NNeNNnnTTCI.额定点然后将此两点连成直线即可。2.人为机

7、械特性的绘制（自学一类同自然特性的绘制）P56 例3-9（课外自学）第一节 他励直流电动机的机械特性五.电力拖动系统稳定运行的条件电动机机械特性与负载特性的配合：21()2()A00ALnf Tnf TdnTTdt在图中：直线 是恒转矩负载特性 直线 是电动机机械特性 两特性交于 点（称平衡点）在A点即在 点上 稳定运行。稳定运行的特征：系统在平衡状态时，受干扰影响暂时离开平衡点，进入新的平衡状态，干扰消除后，系统回到平衡点。第一节 他励直流电动机的机械特性eBeDLUUABTnCUUCDTT 例 如：当系 统 偏 离点 到点 在 直 线 三 上 直 到点（新 平 衡 点）。当系 统 从点 到

8、 点直 至 回 到 原 平 衡 点。平衡不稳定特性的分析:LAALBALBATTTTTnATnT 在图中：设原平衡于 点，当负载减到时，离开 点且 系统不可有平衡点。此系统是不稳定的系统第一节 他励直流电动机的机械特性1()()2LLnf Tnf TdTdTdndn可以证明：拖动系统稳定运行的充要条件是：（见电力拖动基础，秦建球编）与两特性有交点 在交点外：第二节 他励直流电动机的起动和反转一.起动：起动将静止的直流电动机接通电源后，拖动负载运转到所需的稳定速度。0,0(10 20)eeaaNaUUnEIIR 直 接 起 动 的 危 险 性：直 接 起 动是 指 在 电 动 机 电 枢 两 端

9、 直 接 在起 动。直 接 起 动 瞬 间：,123aaarrIdiIeLdt 起动电流很大，造成如下危害：换向困难，产生环火 大大 机械冲击大，有损传动机构 影响电网电压，影响在同一电网下的其他设备正常运行。第二节 他励直流电动机的起动和反转起动要求：TaTCI根据(1.5 2.5)aNNII限制起动电流：有足够大的起动力矩（在下满磁起动）起动方法：12电枢串电阻起动电枢降压起动第二节 他励直流电动机的起动和反转1.降压起动第二节 他励直流电动机的起动和反转1123UNaLaacaLaaUUUaITTnRbUEcITTTRnEd 开始起动时：先励磁，使，调节低压起动 在 点：加速到 点，再升

10、压到 在 点:,电机继续加速，为保证有足够加速度到 点，NUU 切换继续升压，此过程直至 ，起动完毕。第二节 他励直流电动机的起动和反转2.电枢串电阻起动设起动级数m=3（四段运行）第二节 他励直流电动机的起动和反转11123112213()()NstastststKMKMIURRIrrrTITI 图中是接触器的触点为限制最大起动电流为允许值外串总电阻：最大起动力矩切换转矩第二节 他励直流电动机的起动和反转1331231333(0bstastststeLdstaastnKMKMRRrrrUITTTnRnEIbKMr 起动过程：第一段：0 全部打开）电机起动，且加速 随着的上升使加速度下降，到

11、点闭 合，切除段电阻。11222eacdaststUEnnIITTdRKMr 第二段：,电机继续加速直到 点，闭合，切除段电阻。11eaefastUEnnIfRKM 第三段：电机再升速，直到 点，闭合，外串电阻全部切除。,gwnnW 第四段：在自然特性上加速，直达到稳定运行点起动完毕。第二节 他励直流电动机的起动和反转3.起动电阻的计算1212IITT通常取、（或、）为：121.521.11.2NNIIII12II令：起动电流比231213222211abacNststststststststabcEEUUI RI RIRRRIRRRR对于、两点:、不变 同理可得：,mstmastmmaRRR

12、R广而言之：第二节 他励直流电动机的起动和反转112211133332(1)(1)(1)(1)ststaastststststststststststmst mrRRRrRRRrrRRRrrr各段电阻的计算：.二.他励直流电动机的反转（自学）第三节 他励直流电动机的调速一.基本概念 调速指拖动系统在负载不变的条件下，根据生产 机械的要求，人为改变电动机的转速。nAnBnABLTT第三节 他励直流电动机的调速 速度波动指负载变化引起的速度变化。n0nAnBnBLTLTTLLABTTnn增加到 使速度由 波动 调速到目的依据产生工艺的要求，调节速度，提高生产效率，改善产品质量。第三节 他励直流电动

13、机的调速NNNnnnnn 有级调速只有有限的几个速度等级无级调速速度连续可调（无穷级）基速指额定转速基速以上调速：调速后基速以下调速：调速后第三节 他励直流电动机的调速二.调速方法2aceeTRRUnTCC C根据机械特性方程式：三种调速方法123Nn 电枢串电阻调速调压调速励磁调速以上调速Nn在 以下调速1.NNNaceNeTNUURURRnTCC C电枢串电阻调速 在、下，调节电枢电阻 其特性方程：第三节 他励直流电动机的调速()nf T曲线：10.,caadaaBBAaBaAABLAREI TTnEI TBnnnnIITTT 调速过程：设原点稳定于 点，突加后，因机械惯性 瞬时不变 直到

14、 点，且，即第三节 他励直流电动机的调速LaAaBTNTNLLNaAaBNTTIICCTTITI调速前后稳态电流：常数 若则21100100%100%100%100%100%a NMNNeNeNacPPE IPPU ICnnCnnRR调速系统的效率：说明转速调低后，下降，输入功率消耗在上。第三节 他励直流电动机的调速2.调压调速NNUU在，电阻无外串电阻下，调节（在以下调节）1234Nn 特点：属于恒转矩调速法 特性变软（影响调速范围）平滑特性差（只能有级），设备简单 在 以下调节此法一般用于要求不高中，小功率电动机。第三节 他励直流电动机的调速0.,LaaaadaaNaAaBABLATUEU

15、nEIRTTn EI TBUUIITTT 调速过程：设原稳定运行于 点，是恒转矩负载 后，瞬时不变，不变 直到 点（）（）稳定运行。LNaTNLLNaNTICTTII调电枢电压时：不变，稳定后，常数 若，则不变。0()aI Tnnn调速前后：不变（恒转矩负载）不变（变，斜率 不变，不变）1 特性硬度不变（=）第三节 他励直流电动机的调速123456Nn 特点：属恒转矩调速法 特性硬度不变，调速范围大 平滑特性好，可实现无级调速 能耗小 设备复杂，投资大 在 以下调速第三节 他励直流电动机的调速3.弱磁调速02NNNaeeTUUURnTnnCC C在，电枢无外串电阻下，调节（在 以下弱磁）.ae

16、aLaaLBAaBaAAECnITTnEI TTTBnnII 调速过程：设原来带恒转矩负载运行于 点 直到 稳定运行于 点，11LTNaATaBLNaBaATCICITII在常数条件下（恒转矩负载下）调速前后 调速后：说明在恒转矩负载下，弱磁调速后电枢电流与磁通成反比变化。第三节 他励直流电动机的调速1NaAaNaBaABeNeUI RUI RnnCC调速前的转速：调速后的转速：11()()NNaBaNBaBaaAaANaAaUI RnI RI RnUI R 工程上可略去和说明弱磁调速其转速与磁通成近似反比。661234563 2NnP 特点：属于恒功率调速 特性软，调速范围不大 平滑性好，可

17、无级调速 能耗小 设备简单，投资小 在 以上调速思考题：例第三节 他励直流电动机的调速三.调速的性能指标1.调速范围maxminmaxminLNT TnDnnn在额定负载下调速，其最高转速与最低转速之比：受机械强度、换向的限制受工艺对静差度要求的限制第三节 他励直流电动机的调速2.静差率00%100%nnn电动机从理想空载到额定负载时转速的变化率：静差率越小，负载波动时速度变化越小，相对稳定性越好。静差率的实质12 生产机械对拖动系统静差率的要求 是指系统低速时应保证的静差率。离开静差率来谈调速范围是无意义的。第三节 他励直流电动机的调速maxmax0min0maxmax0000(1)(1)N

18、nnDnnnnnnnnnnnDDD调速范围与静差率的关系：低速特性的理想空载转速 上式说明：与 相互制约，即允许静差率大（对 要求不高时）可得到较大调速范围。反之，则 小3.调速的平滑性11iinKnK相邻两级速度之比：无级调速（平滑性好）4.经济指标：投资费用，能耗等第三节 他励直流电动机的调速四.调速时的允许输出aNNNIITPnn 调速时的允许输出：指电动机调速时保持 电动机能输出的 和功率。允许输出的变化规律：以下采用串电阻，调电压调速 以上采用弱磁调速1.恒转矩调速法（串电阻，调电压）09550NaNTNNNIITCITT nPC n，保持不变时 电动机允许输出力矩：不变 允许输出功

19、率：第三节 他励直流电动机的调速09550NTCPn，即 称串电阻和调电压调速为恒转矩调速法2.恒功率调速法（弱磁调速）11NaNNNaeNNaeUUIInUI RCCnnUI RCC弱磁调速时：无外串电阻，保持不变。磁通 与 的关系：式中：为常数第三节 他励直流电动机的调速221TnTNTnTCICCCC InTn转矩 与 的关系：为常数转矩 与 成反比。2195509550CTnPnn功率：常数 弱磁调速属恒功率调速。()Mf n()Pf nNnNTTn第三节 他励直流电动机的调速五.电动机的调速方法与负载类型的配和1.LTN aLaTTCITI 恒转矩调速法用于恒转矩负载 稳态时：常数

20、常数 常数 说明调速过程中，稳态电流不变，电机能充分利用（合理）2.9759751NLNTN aaaPTTnPCInIInn 恒转矩调速法用于恒功率负载 即 （与 成反比）第三节 他励直流电动机的调速在选择电动机时aNaNIIII若在高速时：选则在低速时：（过载）aNaNIIII若在低速时：选则在高速时：（欠载）电机不能充分利用，不匹配12223.975NLaaPTTnInIn 11恒功率调速法用于恒功率负载 稳态时：设调速前：磁通为，电流为，转速为 调速后：磁通为，电流为，转速为第三节 他励直流电动机的调速1112221 12 212975975NTaNTaaaPCInPCInnnII调速前

21、：调速后：上两式相比，同时注意到：得到：说明能保持调速前后电流不变，电机能充分利用。4.1TaLaCIII 恒功率调速法用于恒转矩负载 常数 第三节 他励直流电动机的调速在选择电机时aNaNIIII在低速时，选则在高速时，（过载）aNaNIIII在高速时，选则在低速时，（欠载）电机不能充分利用（不合理)第四节 他励直流电动机的制动一.基本概念所谓制动：是指拖动系统从某一稳定速稳定速度开始减速到停车，或者减速到某一速度稳定运行，即电动机产生的转矩T与n方向相反。Tn制动的目的：快速停车或稳速下放重物。第四节 他励直流电动机的制动制动的方法：TaaaaaaTnTCIITnUEIIR因为 与 方向相

22、反才为电磁制动，所以根据（不变时），改变 的方向，使 与 方向相反。（改变 方向的方法就是制动方法）制动的方法有1.能耗制动2.反接制动3.回馈制动A.电压反接B.电势反接第四节 他励直流电动机的制动二.制动过程cR设电机原运行在电动状态，切断电枢电流的同时电枢立即接入电阻1.制动过程第四节 他励直流电动机的制动LT设负载 为反抗性恒力矩负载,其能耗制动机械特性：0000.00,0,0NcaadacaaaMa aacURABEITTRRnEITnITPE IRR 断开电源，同时接入从 点跳到 点，（反向）直到，反抗性负载不停车。在制动过程中：说明电机处于 发电状态，全部能量消耗在 上第四节 他

23、励直流电动机的制动2.能耗制动运行第四节 他励直流电动机的制动,0000,00()0,0().NcaaacaLaacaaAUREABITRRnTEnTTIRRnEIT 设图中电机带位能负载在 点电动状态提升重物，断开电源接入 从 点跳到 点，在第二象限制动减速直到 此时采取机械抱闸，重物停在空中，若不抱闸，电机反转进入 第IV象限（制动力矩）是拖动力矩，（反向加速）maxminmaxminLaacaacTTCIERRIR直到，在 点稳速 下放重物。能耗制动电阻的计算：设能耗制动最开始电流（最大电流）为 则：电枢外串最小电阻第四节 他励直流电动机的制动1234accRRTnR 能耗制动的特点：制

24、动期间能量全部消耗在上制动力矩低速时制动效果差反抗性负载用能耗制动可准确停车越小，初始制动电流和转矩越大第四节 他励直流电动机的制动三.反接制动1.电压反接制动 电机在电动状态下，反接电枢电流：cR在图中，为了限制电流，电枢还串入。第四节 他励直流电动机的制动000,000NaaacNaLacLUEABITnRRUCnITTTCRRTT 电源反接时，从 点跳到 点，II象限制动减速到 点，若电机不能反转（堵转在 点），若电机反向起动，进第III象限的反转电动状态。在第II象限的制动过程能量关系：1202N aMaaPU IPTPE I 说明输入电功率电机轴吸收机械能转换为电能20(3 21)N

25、aceNeTNAURRnTCCCnT设电机原带反抗负载于 点电动运行.机械特性方程：第四节 他励直流电动机的制动acRR上述两部分能量全部消耗在电阻上maxminmaxmax2aNaNcaaaIUEURRII制动电阻的计算：设初始制动电流（最大制动电流）为 则电枢外串最小电阻为：第四节 他励直流电动机的制动123cR 特点：电机从电网吸收的电能和将系统转换后的电能全部消耗在电阻上。越小，初始制动电流和转矩越大 制动效果强烈2.电势反接制动（速度反接，倒拉反接）产生条件：在位能负载作用下，电枢串入足够大的电阻，重物迫使电机反转，进入制动第四节 他励直流电动机的制动0()001NaaacCLaNa

26、aacDLUEIIRRCTTnEUEIRRTDTT 在第 象限中：电动减速在 点：若满足（堵转力矩），则电机反转，进入制动。在第IV象限：制动状态 反向，反向 在 点：制动稳速下放重物：特点：）电机从电网吸收的电能和将位能转换成的电能全部消耗在电阻上 2eR）越大，稳定下放速度越高第四节 他励直流电动机的制动四.回馈制动（再生发电制动）1.回馈制动的概念022000aMa ann EUPTPE IUI 在外力作用下：使，电机向电网馈送能量，这种制动称回馈制动。回馈制动状态下：电机轴吸收机械功率 电机发出电功率 电机馈送电能第四节 他励直流电动机的制动回馈制动时的能流关系：0()annEU回馈制

27、动产生条件：当时电机进入回馈制动。第四节 他励直流电动机的制动2.降压过程中的回馈制动1011,0,0aBaaaAUABnUEnnEUITnTRCID 设电机原带恒转矩负载运行于 点，降压后从 点跳到 点（瞬时不变），此时（反向）与 方向相反，第II象限的回馈制动状态减速到 点，进入第 象限的电动减速状态，最终稳定运行于 点。第四节 他励直流电动机的制动NAU在图中 点是重物停在空中（可抱闸实现）现要求下放重物，除松闸外，还应该加电源反向起动电机。3.位能负载下的回馈制动第四节 他励直流电动机的制动007900003 5LaaNLTTnBnnITBnn EUTnTnTTP第三象限：反向电动加速 此时，、同方向。加速 点：，第四象限：过 点后 ，进入回馈制动 ，与 相反 制动转矩 拖动力矩思考题：例第四节 他励直流电动机的制动五.他励直流电动机四象限运行的分析IIIIIIIV 、象限电动状态、象限制动状态第五节 电力拖动系统的过渡过程（不讲授）第三章 直流电动机的电力拖动95P 习题：3-2、3-6、3-10、3-12、3-14、3-18、3-28、3-31、3-33、3-35、3-36、3-37、3-40