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1、第二章直流电机的电机拖动第1页，本讲稿共54页电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，称为电力拖动。电 源控制设备 电动机 传动机构 工作机构电力拖动系统的构成第2页，本讲稿共54页基础 运动方程：g：重力加速度，9.8米/秒2；GD2：系统的飞轮矩（牛米2）；n：转速（转/分）；M、MZ：转矩（牛米）注意：GD2是一个完整的符号;M、MZ具有方向性，与转速方向一致为正。第3页，本讲稿共54页多轴系统的运动方程系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴，称为多轴系统。对多轴系统的分析，通过把多轴系统折算为等效的单轴系统，进行简化。按单轴系统的运动方程进行简化。
2、折算原则：保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变。负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等第4页，本讲稿共54页负载转矩的大小与速度无关，但其方向始终与转向相反MZn0负载转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变nMZ0负载的功率为常数，不随转速的变化而改变负载的转矩与转速的平方成正比MZn0MZn0第5页，本讲稿共54页Mn稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。平衡点稳定点？稳定点：在受到外界扰动后，仍能还原的点。稳定点的条件：第6页，本讲稿共54页他励直流
3、电动机的机械特性直流电动机的基本方程式：电磁转矩：感应电动势：电枢回路电势平衡式：电动机转速特性：机械特性一般表达式：第7页，本讲稿共54页n0 Mem他励直流电动机的固有机械特性当UUN，N，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。n0Mem0n0MemNnN分析：1.电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；第8页，本讲稿共54页固有机械特性分析2.当转矩等于零点，为理想空载转速。此时Ia0，EaUN，是一种理想工作状态。3.n0为电动机的实际空载转速，比n0略低。对应于空载转矩。4 为机械特性斜率。增大，也增大。通常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性
4、。n0Memn0Mem0n0MemNnN第9页，本讲稿共54页固有机械特性分析5.额定转速变化率，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。6.nn0时为发电机状态，此时 EaU,Ia反向，Ea与Ia同向，向电网送出电功率。7.堵住点。此时电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。n0Memn0Mem0n0MemNnN第10页，本讲稿共54页人为机械特性分析根据转速、转矩公式人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为人为机械特性。有三种人为机械特性：（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；（2）改变端电压时的人为机械特性；（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；第1 1页，本讲稿共54
5、页Mem0n电枢回路串电阻的人为机械特性保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的nf（Mem）关系。对于给定的Rc，为常数。Ra+Rc1Ra+Rc2人为Rc2Rc1固有Ran0第12页，本讲稿共54页电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点：（1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；（2）斜率，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。第13页，本讲稿共54页Mem0n改变端电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。表达式：一般都为降低的电压。人为UNU1U2固有UNn0U1U2第14页，本讲稿共5
6、4页改变端电压时的人为机械特性改变端电压人为特性的特点：（1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。第15页，本讲稿共54页Mem0n减弱电机主磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。表达式：额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。N N固有Nn0人为N第16页，本讲稿共54页减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于 N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。（2）人为机械特性的斜率比固有机械特
7、性大，即人为特性比固有特性软。第17页，本讲稿共54页人为特性的几点补充（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，MemN)（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性第18页，本讲稿共54页他励直流电动机的起动直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。第19页，本讲稿共54页（1）他励直流电机直接起动：将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大，引起换向困难，
8、产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。第20页，本讲稿共54页Mn0将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。（2）电枢回路串变阻器起动R1R2R3R1+R2+R3R1+R2R1第21页，本讲稿共54页电枢回路串变阻器起动起动电流将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:（1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra；（2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻；（3）决定起动电阻级数（4）计算起动电流比。第22页，本讲稿共54页降压起动开始时，降低端电压，使Ia(1.52.0)IN,Mem=(1.52.0）Mem。随着转速的上升，逐步提高电
9、枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。第23页，本讲稿共54页直流电动机的调速改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速。人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电气调速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。第24页，本讲稿共54页直流电动机调速直流电动机的转速公式：直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压U；（3）改变串入电枢
10、回路的调节电阻；第25页，本讲稿共54页Memn改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持UUN，Rj0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。If1PIf2QIf1If2从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。第26页，本讲稿共54页弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变减小If1If2PQIf1If2Memn机组加速nEaIaMemMemMZ新的平衡，新的Ia和n第27页，本讲稿共54页弱磁调速调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化（3）恒转矩负载，基本不变第28页，
11、本讲稿共54页弱磁调速特点 优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。第29页，本讲稿共54页改变端电压调速 保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。MemnU1U1U2U3U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。调节过程:(留为作业）第30页，本讲稿共54页（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。（3）可平滑
12、调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。调压调速的特点：第31页，本讲稿共54页改变电枢回路电阻调速 保持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大，转速越低。R2R1PQR1R2R3MemnR3电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。第32页，本讲稿共54页串电枢电阻调速该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有
13、级调速。（4）电枢电流在Rc上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。第33页，本讲稿共54页调速性能指标（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，最高转速与最低转速之比。用D表示。（2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。静差率越小，转速的相对稳定性越好。（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好，有级调速由相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比。（4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。（5）经济性第34页，本讲稿共54页电动机调速时的容许输出在某转速下，电机即能充分利用，又能安
14、全运行时输出的功率和转矩称为，调速时的允许输出功率和转矩。(1)调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。保持I不变第35页，本讲稿共54页弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流IIN弱磁调速时，在整个调速范围内的允许输出功率为常数，是恒功率调速方式。其允许输出转矩与转速成反比。第36页，本讲稿共54页负载类型与调速方式的配合恒转矩负载恒转矩调速方式：使电机在任何转速下都满载运行，能得到充分利用。恒功率调速方法，在nnmin时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，电动机没充分利用，
15、造成浪费。恒转矩调速方式弱磁控制第37页，本讲稿共54页恒功率负载与调速方式的配合恒功率负载恒转矩调速方式：高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流，电动机没有被充分利用。恒功率调速方法，在整个调速范围内，做到额定转矩输出，电机安全且充分利用。恒转矩调速方式恒功率控制第38页，本讲稿共54页通风机负载与调速方式的配合MnUNUnmaxnminMNMLnMnmaxnminNML恒转矩控制 恒功率控制两种调速方式，在整个调速范围内，除nnmax外所有的转速点，输出转矩多小于允许输出，速度越低，电机越不能充分利用。相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些。第39页，本
16、讲稿共54页直流电动机的制动直流电动机的两种运转状态：（1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同，此时电网向电动机输入电能，并转变为机械能带动负载。（2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，要求制动运行。第40页，本讲稿共54页直流电动机的制动断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车第41页，本讲稿共54页能耗制动的方法和原理保持励磁电流If的大小及方向不变，将开关接至RT，电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。参数特点：N，U0，电枢回路总电阻RRaRT实际上是一台他励直流发
17、电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。IfUNRTEaIan第42页，本讲稿共54页Mn固有能耗制动时的机械特性能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：制动过程：串电阻反抗性负载停车位能性负载稳速下放第43页，本讲稿共54页能耗制动的特点能耗制动的特点：（1）操作简单，停车准确（2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；（3）低速时制动转矩小，停转慢；（4）动能大部分都消耗在制动电阻上。制动初瞬的最大电流：制动电阻：第44页，本讲稿共54页反接制动反接制动转速反向（用于位能负载）电枢反接（用于反抗性负载）（电动势反向）（电压反向）第
18、45页，本讲稿共54页转速反向的反接制动If及端电压UN不变，仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的RT，可得到不同的稳定转速。nMem0nABCDAnD电压平衡式：机械特性：第46页，本讲稿共54页转速反向的反接制动能量关系：U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；Ea 的方向与电动状态时相反，EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻RaRT上。第47页，本讲稿共54页电枢反接的反接制动保持If不变，将开关向下合闸，使电枢经制动电阻RT而反接于电网上。参数特点：N，UUN
19、。R=Ra+RT.IfUNRTEaIanMemnAABCDE电动下固有不串RT串RTnE第48页，本讲稿共54页电枢反接的反接制动机械特性：能量关系：从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上。电压平衡式：（Ia反向）第49页，本讲稿共54页电枢反接的反接制动特点：（1）可以很快使机组停机。（2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流；（3）转速至零时，需切断电源。第50页，本讲稿共54页Memn0电动下固有AnA回馈制动当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压，电机进入发电状态，电磁转矩起制动作用，限制转速上升，位能转换为电能，回馈到电网。(分反向和正向回馈制动）（1）电压反向的
20、反接制动（2）反向电动状态（3）回馈制动EnEBCD串RTn0第51页，本讲稿共54页反向回馈制动反向回馈时，电机实际转速方向与电压反向后的理想空载转速方向一致，Ia与Ea方向一致。电机呈发电机状态。回馈制动的下放速度：能量关系：电磁功率PemEaIa0，电机从轴上输入机械功率转变为电功率;输入功率P1UIa0；回馈给电网的功率;电枢回路能量损耗为Ia2(Ra+RT);系统储存的位能转换成电能送回电网。第52页，本讲稿共54页正向回馈制动（1）电车下坡（2）过渡回馈制动过程（降压运行）MemnABML-MLn0CD点A 点B点A 点C 点D第53页，本讲稿共54页回馈制动回馈制动过程中，有功功率U Ia回馈电网。从电能消耗看，回馈制动是最经济的一种制动方式。转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。第54页，本讲稿共54页