直流电动机拖动系统

11.如果直接起动起动时U=UN，Rs=0，称为直接起动；起动初瞬，电枢电流为：

电枢电阻较小，起动时电枢电流很大，可达到10～20IN所以直接起动会造成很大的起动电流和起动转矩第1页/共72页第一页，共73页。2直接起动存在的问题：起动电流太大，换向恶化，出现强烈的火花或环火，烧坏换向器，电枢绕组产生很大的电磁力而损坏绕组；过大的起动电流还会引起电网电压下降，影响同一电网上其他设备的运行；如保持主磁通为额定值，此时的电磁转矩T也将达到额定值的10～20倍，造成机械碰撞或冲击强烈，从而损坏电枢绕组和传动机构。所以，一般不允许直接起动。第2页/共72页第二页，共73页。32.起动要求一般直流电动机拖动负载顺利起动的要求是：

1)起动电流限制在一定范围内，即Ist≤（1.8～2.5）IN，

=1.8～2.5为电机的过载倍数；

2)足够大的起动转矩，Tst≥（1.1～1.2）TN；

3)起动设备简单、可靠。第3页/共72页第三页，共73页。43.起动方法关键是限制起动电流（1）降压起动（必须有电压可调的直流电源）（2）电枢回路串电阻起动第4页/共72页第四页，共73页。5[例题]某他励直流电动机的铭牌数据为：

拖动额定大小为恒转矩负载TL运行，忽略T0，（1）若采用降压起动，起动电流IS＝2IN,电压应该降为多少？此时起动转矩是多少？（2）若采用电枢回路串电阻起动，IS＝2IN，求串入的电阻和起动转矩。第5页/共72页第五页，共73页。64.电枢回路串一个电阻的缺点起动过程变慢，稳态速度降低所以，随着转速上升，应该让所串电阻逐渐下降，让电枢电流始终保持在较大的数值；方法：串电阻分级起动第6页/共72页第六页，共73页。7二、串电阻分级起动特性图电路图首先假设：忽略电枢电感，电枢电流可以突变转速n不能突变（机械惯性）（一）起动过程分析（以二级起动为例）第7页/共72页第七页，共73页。8第8页/共72页第八页，共73页。9说明：求切换转矩T2的原则：既要使电动机能够带动负载，又要保证在切换时的加速度转矩T-TL不过于小；综合考虑：选T2＝（1.1～1.3）TLI2＝（1.1～1.3）IL串电阻分级起动方法，电流不超过限值，起动过程中，起动转矩的大小、起动速度、起动平稳度决定于所选择的起动级数，级数多，平稳度好，但是设备复杂，投资高。一般空载起动，取级数m＝1～2，重载取m＝3～4第9页/共72页第九页，共73页。10（二）、他励直流电动机起动电阻的计算解析法Ra+Rst1+Rst2+Rst3Ra+Rst3Ra+Rst2+Rst3Ra称为起动电流比第10页/共72页第十页，共73页。11用解析法求Rs，存在两种情况：1.起动级数m已知，先求2.m不确定，则先取I1和I2的值，求出M一般不是整数，取最接近的整数作为实际的起动级数重新求出=I1/I2第11页/共72页第十一页，共73页。12[例2－1]一台他励直流电动机的铭牌数据为：IL=IN

试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。解已知起动级数m=4

选择各分段电阻如下：第12页/共72页第十二页，共73页。13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、转矩等参量的突变，而必须是个连续变化的过程。过渡过程：电力拖动系统中，转矩平衡方程式一旦被破坏，系统从一种稳定状态向另一种稳定状态过渡时所经历的过程。研究过渡过程的意义：减小过渡过程的持续时间，提高生产率，减小过渡过程损耗的功率，提高电机利用率和力能指标，改善系统动态或稳态运行品质，使设备安全可靠运行。第四节直流拖动系统的过渡过程第13页/共72页第十三页，共73页。14电力拖动系统中一般存在三种惯性导致过渡过程：1．机械惯性

——反映在系统的飞轮惯量和飞轮力矩上，它使转速n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。(对过渡过程影响较小，经常忽略）3．热惯性

——电动机的温度不能突变。（温度的变化一般也不考虑）

第14页/共72页第十四页，共73页。15一.他励直流电动机拖动恒转矩负载过渡过程的数学分析1.研究前提：只考虑机械过渡过程，忽略电枢电感（n不能突变）电源电压在过渡过程中恒定不变磁通恒定，忽略电枢反应的去磁效应第15页/共72页第十五页，共73页。162.以电枢回路串电阻调速为例：过渡过程：在机械特性上表现为：电动机的运行点从起始点B开始，沿着机械特性2向着稳态点C的变化过程。起始点B：过渡过程开始的点;结束点C：过渡过程结束的点，有时不一定是稳态点第16页/共72页第十六页，共73页。173.定量分析从B到C点沿曲线进行的过渡过程：三要素：起始值稳态值时间常数——电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量第17页/共72页第十七页，共73页。184.过渡过程的时间计算或或第18页/共72页第十八页，共73页。191．电枢串固定电阻Rs起动的过渡过程

利用三要素法分析：二.他励直流电动机起动的过渡过程第19页/共72页第十九页，共73页。20或或起动过程中转速的上升曲线起动过程中电枢电流的变化曲线第20页/共72页第二十页，共73页。212．电枢串多级电阻分级起动的过渡过程他励电动机二级起动的机械特性：第一级起动时第21页/共72页第二十一页，共73页。22转速变化曲线机械特性曲线电流变化曲线第22页/共72页第二十二页，共73页。23第23页/共72页第二十三页，共73页。24[例题]一台他励直流电动机铭牌数据为：已知四段起动电阻为：电枢电阻系统飞轮惯量求分级起动总的起动时间。解：

第24页/共72页第二十四页，共73页。25设=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)×1.61s+4×0.0306s=0.922s第25页/共72页第二十五页，共73页。26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。电力拖动系统中通常采用两种调速方法：机械调速：电动机的转速不变，通过改变机械传动机构（如齿轮等）的速比，实现调速；电气调速：通过改变电动机的参数调节电动机的转速。第二节他励直流电动机的调速第26页/共72页第二十六页，共73页。27调速和因负载变化而引起的转速变化是不同的：调速：改变电机参数，电机运行在不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度；负载变化：电动机在同一条机械特性上发生转速变化。第27页/共72页第二十七页，共73页。28一、他励直流电动机的调速方法

（一）电枢串联电阻分析电枢串接电阻调速的经济性：

效率电枢串联电阻调速第28页/共72页第二十八页，共73页。29串电阻调速特点：串电阻的方法只能是基速（电动机运行于固有机械特性上的转速）向下调；如果拖动恒转矩负载，电动机运行于不同的转速，电枢电流大小变化吗？转速越低，损耗越大；该方法稳定性能差，低速运行时，负载在不太大的范围内变化，就会引起较大的转速变化；空载或轻载时，调速范围小，调速效果不明显，但设备简单，易于操作。总之，该方法，损耗大，低速时调速不稳定。第29页/共72页第二十九页，共73页。30例题2－2第30页/共72页第三十页，共73页。31（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第31页/共72页第三十一页，共73页。32降压调速特点：恒转矩负载，电枢电流也是恒值；降压调速，机械特性硬度不变（斜率不变），稳定性较好，可以在低速范围内运行；降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可以实现转速的平滑调速，即无级调速。第32页/共72页第三十二页，共73页。33（三）、弱磁调速弱磁调速电路示意图较大容量系统小容量系统弱磁调速时，机械特性方程式是：第33页/共72页第三十三页，共73页。34弱磁调速特点：一般用于升速，从基速向上调；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。第34页/共72页第三十四页，共73页。35第35页/共72页第三十五页，共73页。36不同机械特性下的静差率1．静差率（或称相对稳定性）电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。二、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调速指标是决定电动机选择哪一种调速方法的依据。（一）调速的技术指标第36页/共72页第三十六页，共73页。37相对稳定性：指负载转矩变化时，转速变化的程度，转速变化越小，相对稳定性越高；静差率与机械特性的硬度又有区别；若对应于最低转速的机械特性能满足静差率的要求，则其他情况也能满足。第37页/共72页第三十七页，共73页。382.调速范围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等调速范围D与低速静差率%间的关系：允许的转速降第38页/共72页第三十八页，共73页。39说明：若最大转速和转速降一定，则对要求越高，小，调速范围D也越小；如果选定了调速方法，则低速机械特性已定，在一定的转速降下，可以计算D，以校验是否满足生产机械工艺对D的要求。允许的转速降第39页/共72页第三十九页，共73页。40例题2－3第40页/共72页第四十页，共73页。413．平滑性相邻两极转速的接近程度。在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。平滑系数：

值愈接近于1，则平滑性愈好。等于1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。第41页/共72页第四十一页，共73页。42（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。[例

]有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，高速机械特性的理想空载转速如果额定负载下低速机械特性的转速，而相应的理想空载转速。（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？第42页/共72页第四十二页，共73页。43解：（1）低速静差率（2）不能满足原有调速范围的要求第43页/共72页第四十三页，共73页。44三、调速方式与负载类型的配合

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：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。式中通常用于电动机带恒转矩负载。第44页/共72页第四十四页，共73页。45弱磁调速：容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式通常用于电动机带恒功率负载。第45页/共72页第四十五页，共73页。46机械特性和容许输出转矩容许输出转矩和功率第46页/共72页第四十六页，共73页。47制动的目的：迅速停车；获得稳定的下放速度；电气制动方式：能耗制动，反接制动，回馈制动。第三节他励直流电动机的制动运行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、概述第47页/共72页第四十七页，共73页。48二、能耗制动电动状态能耗制动第48页/共72页第四十八页，共73页。49能耗制动机械特性方程式:1.能耗制动用于快速停车第49页/共72页第四十九页，共73页。50制动过程中的几点说明：能耗制动，转速下降，造成能量损耗；系统的动能，一部分转化为输出的机械能（电动机仍然带负载）；另一部分转化为电动机和所串电阻上的损耗。第50页/共72页第五十页，共73页。51[例2-5]一台他励直流电动机的铭牌数据如下：电枢电流最大允许值为2IN,求能耗制动时电枢回路所应串接的电阻值。第51页/共72页第五十一页，共73页。522.能耗制动用于恒速下放重物反抗性负载：负载转矩的方向总是和转速的方向相反，即负载转矩的性质总是起反抗运动的作用；位能性负载：由拖动系统中的某些具有位能的部件构成，（如起重类型负载中的重物），特点：负载转矩具有固定的方向，不随转速的方向而改变。第52页/共72页第五十二页，共73页。53电动机带位能负载时的能耗制动电路图第53页/共72页第五十三页，共73页。54能耗制动时电流与转速的关系：第54页/共72页第五十四页，共73页。55[例2-6]一台他励直流电动机的数据如下：在能耗制动状态下以500r/min的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路内应串接的电阻值，并计算这时的电磁转矩。第55页/共72页第五十五页，共73页。56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）。三、电压反向的反接制动电压反向的反接制动电路图1.接线第56页/共72页第五十六页，共73页。57断开和，接通和2.电路第57页/共72页第五十七页，共73页。58BC段就是反接制动过程；如果制动的目的是为了使系统停车，则到了C点必须采取措施，否则，电机会沿着机械特性自行反转，反向加速并到达新的稳态点。位能性负载终止在E点反抗性负载终止在D点3.机械特性第58页/共72页第五十八页，共73页。594.电枢反接时的过渡过程电枢反接时的人为机械特性和转速及电流变化曲线1．反作用负载2．位能负载第59页/共72页第五十九页，共73页。60第60页/共72页第六十页，共73页。61[例2-7]一台他励直流电动机的铭牌数据如下：电枢电流最大允许值为2IN,求电压反向的反接制动时电枢回路所应串接的电阻值。第61页/共72页第六十一页，共73页。62说明：在电枢电流允许的最大值相同时，电压反向的反接制动电枢回路所串电阻几乎是能耗制动所串电阻的两倍；特点：平均制动转矩较大，制动效果好；能量消耗大，经济效率差；转速为0时，如果不断开电源，有可能反向起动；适用于要求快速停车的生产机械；对要求快速停车，随后立即反向起动的生产机械更为合适。第62页/共72页第六十二页，共73页。63电动机带位能负载时的转速反向制动电路图四、转速反向的反接制动转速反向的反接制动机械特性转速反向的反接制动特性方程式为电枢电路的电压平衡方程式变为第63页/共72页第六十三页，共73页。64上式表明，与两者之和消耗在电枢电路的电阻上。

转速反向反接制动的特点：设备简单，操作方便，电枢回路所串电阻较大，机械特性软，能量消耗大，不经济；适用场合：适用于低速下放重物。第64页/共72页第六十四页，共73页。65[例2-8]一台他励直流电动机的铭牌数据如下：该电动机工作于倒拉反转状态，电枢电流为额定值,以转速600r/min恒速下放重物，求这时电枢回路所应串接的电阻值。第65页/共72页第六十五页，共73页。66

三、回馈制动（或称再生制动）（一）位能负载拖动电动机电动机回馈制动电路图(带位能负载)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后，大部分回馈给电网（），小部分变为