直流电动机的电力拖动-课件

第8章直流电动机的电力拖动§8-1他励直流电动机的机械特性§8-2他励直流电动机的起动§8-3他励直流电动机的制动§8-4他励直流电动机的调速§8-5他励直流电动机过渡过程的能量损耗1ppt课件机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系n=f(T)，其中：T是指电磁转矩。机械特性是电动机机械性能的主要表现。电动机工作在电动状态时T=T2＋T0。电机工作在发电状态时T1=T＋T0在运动方程式T-Tz=JdW/dt中，T应为电动机的输出转矩T2

，但一般情况下，空载转矩T0占转矩T或T2的比例较小，所以可忽略不计，认为T2=T，或认为Tz为负载转矩与空载转矩之和。电动机转速n与电枢电流Ia的关系曲线n=f(Ia)称为转速特性。§8-1他励直流电动机的机械特性2ppt课件在直流电动机中：电磁转矩：感应电动势：电枢回路电动势平衡方程式：电动机转速特性：一、机械特性基本方程式他励直流电动机的电路原理如图所示。电动机机械特性：3ppt课件机械特性方程：Ce=pN/(60a)；CT=pN/(2pa)=9.55Ce写成理想空载转速实际空载转速电动机带负载后的转速降b：机械特性斜率，b=R/(CeCTF)；越大，Δn越大，机械特性就越“软”，通常称大的机械特性为软特性。反之，称机械特性为硬特性。4ppt课件额定转速变化率国产Z系列他励直流电动机的DnN%一般为10%～18%，大容量电动机为3%～8%。电枢反应对电动机机械特性的影响当电枢电流较大时，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。电枢反应对机械特性的影响5ppt课件当他励电动机电压及磁通均为额定值、电枢回路不串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。二、固有机械特性额定磁通是指电机加额定电压，轴上输出额定功率，电枢回路中流过的电流为额定电流，电机转速为额定转速时所对应的磁通为额定磁通。

固有机械特性方程：速度特性方程：6ppt课件三、人为机械特性人为机械特性是人为地改变电动机电路参数或电枢电压而得到的机械特性，即改变机械特性中的参数所获得的机械特性。由

一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个，因此他励电动机有三种人为机械特性：电枢串电阻的人为机械特性改变电源电压的人为机械特性减弱电机磁通的人为机械特性7ppt课件固有机械特性电枢串联电阻时的人为机械特性1、电枢回路串电阻时的人为机械特性条件：U=UN、Φ=ΦN、电枢回路总电阻为Ra+RΩ时的机械特性机械特性方程：特点：是一组通过n0但具有不同斜率的、位于固有特性之下直线，电阻越大，特性越软。堵转转矩：8ppt课件固有特性电枢串联电阻时的人为特性速度特性方程：特点：是一组通过n0但具有不同斜率的、位于固有特性之下直线，电阻越大，特性越软。堵转电流：9ppt课件2、改变电枢电压时的人为机械特性条件：U可变、Φ=ΦN、电枢不串电阻，即RΩ=0时的机械特性机械特性方程：特点：斜率不变（硬度不变）是一组位于固有特性之下并与之平行的直线，电压越小，特性越低。堵转转矩：固有机械特性电压不同时的人为机械特性UN>U1>U210ppt课件速度特性方程：特点：斜率不变（硬度不变）是一组位于固有特性之下并与之平行的直线，电压越小，特性越低。堵转电流：11ppt课件3、减弱气隙磁通时的人为机械特性条件：U=UN、Φ可变、电枢回路不串电阻，即RΩ=0时的机械特性机械特性方程：特点：磁通减弱时，特性上移，n0增大，斜率增大，特性变软。堵转转矩：21F>F>FN12ppt课件速度特性方程：特点：磁通减弱时，特性上移，n0增大，斜率增大，特性变软。磁通越小，特性越软。堵转电流：13ppt课件他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，因此只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点(T=0，n=n0)和额定运行点(T=TN，n=nN)数据。四、机械特性的绘制1、固有机械特性的绘制理想空载点其中UN、IN和nN为已知，Ra可实测，也可通过下式估算。额定工作点14ppt课件各种人为机械特性的绘制也较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式，用二点法即可求取。2、人为机械特性的绘制理想空载点额定工作点速度特性曲线的求取与之相同Eg:一台Z2型他励直流电动机的铭牌数据为：PN=22kW,UN=220V,IN=116A,nN=1500rpm。试绘制其机械特性。15ppt课件五、电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行是拖动系统的必要条件。稳定运行是指系统原来处于某一转速下运行，由于受到外界某种扰动，如负载的突然变化或电网电压的波动等，导致系统的转速发生变化而偏离了原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当外界扰动消失后能自动恢复到原来的转速下继续运行，则称该系统是稳定的；如果当外界扰动消失后系统的转速或无限制地上升，或一直下降至零，则称该系统是不稳定的。系统能够稳定运行，首先要有稳态工作点。假定电动机能以某一恒定速度n运转，根据运动方程，电动机产生的电磁转矩T必定和负载转矩Tz相平衡，即T和Tz两条特性有交点。此时，T=Tz称为系统稳态运行点（平衡运行点）。16ppt课件A、B二点都是稳态工作点，但A点和B点在扰动到来后的工作状态是不一样的：A点能够稳定运行，B点则不能够稳定运行。可见电力拖动系统的稳定运行条件就是研究生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。17ppt课件通过以上分析可知，电力拖动系统的稳态工作点在电动机机械特性与负载特性的交点上，但并非所有的交点都是稳定工作点。也就是说，T=TZ仅仅是系统稳定运行的一个必要条件，而不是充分条件。要实现稳定运行，还需要电动机机械特性与负载转矩特性在交点处的配合。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件又是什么呢？这就要看如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便会有变化，当干扰消除后，拖动系统是否有能力使转速恢复到原来交点处的数值。如果电力拖动系统能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。18ppt课件以恒转矩负载为例：A为稳定工作点稳定运行于A时因负载扰动n下降到B负载扰动消失后，因B点电动机转矩大于负载转矩，电动机加速，工作点可回到A。即扰动使∆n<0时，若T>Tz,可返回；若因负载扰动n上升到C，扰动消失后，因C点电动机转矩小于负载转矩，电动机减速，工作点也可回到A。即载扰动使∆n>0时，若T<Tz,可返回。A为不稳定工作点因负载扰动n下降到B。负载扰动消失后，因B点电动机转矩大于负载转矩，电动机加速，工作点背离A，越升越高；即负载扰动使∆n>0时，若T>Tz,不可返回；若因负载扰动n上升到C，扰动消失后，因C点电动机转矩小于负载转矩，电动机减速，工作点也背离A。即扰动使∆n<0时，若T<Tz,不可返回19ppt课件由以上分析，可得出如下结论：若两条特性曲线有交点（必要条件），且在工作点上满足（充分条件）则系统能稳定运行。对恒转矩负载,dTZ/dn=0,则dT/dn<0,即电磁转矩的变化与转速的变化要异号,图示则为电动机的机械特性曲线往下倾斜的,能稳定运行，反之则不能稳定运行。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：20ppt课件直接起动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的起动方式，如图所示。起动时，先合Q1建立磁场，然后合Q2全压启动。他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。§8-2他励直流电动机的起动一、起动方法1、起动电动机带上一定的负载接通电源后，由静止加速到与负载相应的稳定转速运转的这个过程称为起动过程。2、直接起动21ppt课件

起动开始瞬间，由于机械惯性，电动机转速n=0，电枢绕组感应电动势Ea=0，由电动势平衡方程式:

可知起动电流

起动转矩显然直接起动时起动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；起动转矩也很大，造成机械冲击，易使设备受损。因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不容许直接起动的。22ppt课件3、起动条件起动转矩足够大（Tst>TZ电动机才能顺利启动）。起动电流Ist要限制在一定的范围内。起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。4、起动方法由起动电流Ist=U/(Ra+RΩ)，从限制起动电流出发，起动方法有：电枢回路串电阻起动和降压起动。3、起动条件起动转矩足够大（Tst>TZ电动机才能顺利启动）。起动电流Ist要限制在一定的范围内。起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。23ppt课件起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流Ist

，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速，其接线原理和启动工作特性如图所示。较早采用发电机-电动机组实现电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种起动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小，起动转矩容易控制，起动平稳，起动能耗小，是一种较好的起动方法。二、降压起动24ppt课件起动时在电枢回路串入电阻，以减小起动电流Ist,电动机起动后，再逐渐切除电阻，以保证足够的起动转矩Tst。图为三级电阻起动控制接线和起动工作特性示意图。三、电枢回路串电阻起动RΩ1RΩ

2RΩ

31、起动方法及过程25ppt课件他励直流电动机串电阻分级起动时，起动电阻一般可采用图解法和解析法两种方法进行计算。图解法首先绘出他励直流电动机串电阻分级起动时，机械特性图，过程如下：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、T2）。一般取I1=(1.5~2)IN，I2=(1.1~1.2)IN或I2=(1.2~1.5)IZ。2、特点及使用电枢串电阻起动设备简单，操作方便，但能耗较大，它不宜用于频繁启动的大、中型电动机，可用于小型电动机的起动。3、起动电阻的计算26ppt课件0nn0h3）绘制分级起动特性图a）在图中横坐标上截取I1及I2两点，并分别向上作垂直线；b）作人为机械特性n0a，n0a交I2的垂直线于b点；c）过b点作水平线bc交I1的垂直线于c点；d）作人为机械特性n0c，n0c交I2的垂直线于d点；e）过d点作水平线de交I1的垂直线于e点；最后，当末段电阻切除时所画的水平线与I1的垂直线交点正好落在固有机械特性上。II2IzI1R1RaR2R3abcdefg27ppt课件4）分级电阻计算计算根据：同理28ppt课件解析法c点存在解析法可直接计算分级电阻的数值，如左图所示：b点存在三级起动时，Ec=Eb推广到m级起动设I1/I2=b，b为起动电流比，则式中，m为起动级数29ppt课件每级的分段电阻值为：-解析法求起动电阻，可能有两种情况：起动级数m未定：初选T1（或I1）及T2（或I2）

I1=(1.5~2.0)IN，I2=(1.1~1.2)IN

求β=I1/I2值，用公式m=lg(Rm/Ra)/lgβ,Rm=UN/I1求出起动级数m，取最接近的整数；用m的整数值带入求新的β值，将新的β值带入I2=I1/β，检验是否>IZ,条件满足则可用，求出起动各级电枢电路总电阻或各分段电阻。30ppt课件例题：一台他励直流电动机的铭牌数据为：型号Z-290，PN=29kW，UN=440V，IN=76A，nN=1000rpm，Ra=0.377W。试用解析法求四级起动时的起动电阻值。

起动级数m已定：初选T1（或I1）

I1=(1.5~2.0)IN,或[T1=(1.5~2.0)TN]Rm=UN/I1，将m和Rm代入，求β将β值带入I2=I1/β，检验是否>IZ,条件满足则可用，求出起动各级电枢电路总电阻或各分段电阻。31ppt课件电力拖动的过渡过程是指电力拖动系统由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程，如起动、制动、反转、调速和负载突变等。研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程时间，提高生产率；探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机利用率；研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全运行。由于过渡过程中转速n、转矩T、电流Ia、功率P都随时间变化，它们随时间变化的曲线n=f(t)、T=f(t)、Ia=f(t)和P=f(t)为负载图。四、他励直流电动机起动的过渡过程1、电力拖动系统的过渡过程32ppt课件过渡过程中，由于存在惯性的作用，使得一些参量不能突变，如电动机的转速、电流、转矩及磁通等，它们需要是一个连续变化的过程；电力拖动系统中一般存在三种惯性：机械惯性、电磁惯性、热惯性。机械惯性—反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。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。热惯性—它使电动机的温度不能突变。由于温度的变化比转速、电流等参量的变化慢的多，一般不考虑热惯性的影响。2、电力拖动系统中的惯性33ppt课件因此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。2）电气－机械过渡过程—

它同时考虑机械与电磁两种惯性。他励直流电动机起动的过渡过程，首先应分析起动时的机械过渡过程，再分析电枢回路电感对起动过渡过程的影响34ppt课件其中：3、电枢回路串电阻起动的机械过渡过程忽略电枢反应的影响，则Φ为常数，电动机转矩T与电枢电流Ia成正比，因此过渡过程中电枢电流Ia=f(t)的变化规律就代表了电动机转矩T=f(t)的变化规律。（1）Ia=f(t)35ppt课件IZ—负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流TM—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其中：Ist为电流的起始值或36ppt课件或或（2）n=f(t)电流和转速变化规律曲线，适合电力拖动系统的其它过渡过程，如制动、反转、调速及负载突变等各个过渡过程，使用时注意起始值及稳态值就可以了。37ppt课件(3)起动过程的n=f(t)动态特性电动机从静止起动，即t=0时，n=0代入式中电动机从某一转速起动，即t=0时，n=nst，有38ppt课件电力拖动系统在负载恒定的情况下起动时，其转速随时间按指数规律增长。当39ppt课件(4)起动过程的Ia=f(t)动态特性电动机从静止起动，即t=0时，I=I1代入式中电动机从某一转速起动，t=0时，仍有I=I1，故40ppt课件(5)机电时间常数TtM的物理意义41ppt课件(6)过渡过程时间42ppt课件(7)动态特性与稳态特性关系电力拖动系统静态特性与静态特性间存在对应关系动态特性n=f(t)起始点n=0和稳定点nZ正好对应静特性上转速两个稳定工作坐标。T=f(t)亦然。过渡过程时间长短与TtM有关。43ppt课件动态特性起始点、终点可由静特性求出。计算TtM也可转换为静特性的相关数据。消去时间坐标，即取某一时间t从转矩、转速动态特性T、n，可得到静特性一点。44ppt课件以串两级电阻起动为例第一级起动时4、电枢串多级电阻起动的机械过渡过程第二级起动时45ppt课件末级起动时总起动时间46ppt课件例题：一台他励直流电动机铭牌数据为：PN=29kW，UN=440V，IN=76A，nN=1000r/m，Ra=0.377W，已知四段起动电阻为：RW1=0.212W，RW2=0.405W，RW3=0.695W，RW4=1.158W。GD2=49.05N·m2。求分级起动总的起动时间tst。47ppt课件5、加快起动过程的途径起动过程延缓的原因系统本身的机械惯性，惯性（GD2）越大，转速上升越慢；起动电流随时间呈指数规律衰减，使系统的加速度在起动过程中不断衰减。-针对上述两个原因，加快起动过程的措施设法减小系统的飞轮转矩GD2以减小机电时间常数；电动机电枢的飞轮转矩占整个系统飞轮转矩的主要部分，应设法减小电动机电枢的飞轮转矩，如采用双电机拖动；在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形，理想的起动电流波形如图所示。48ppt课件在晶闸管整流电路向直流电动机供电时，通常在电动机电枢回路中串电感。这时，电感引起的电磁惯性不能忽视，电磁时间常数为6、电枢回路电感对过渡过程的影响当电动机带负载起动时，则过渡过程分两阶段：（1）第一阶段，电枢电流从零增加到Iz

之前，电动机转速为零。这时式中短路电流第一阶段持续时间tz称滞后时间49ppt课件（2）第二阶段，过了tz

后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在。50ppt课件

c1及c2—积分常数，由初始条件决定式中当TtM>4Tta时，α1和α2为负实数根据第二阶段起始条件（t=0时，n＝0，Ia=Iz）可计算出c1、c2

51ppt课件TtM>4Tta时，起动过程转速、电流变化曲线如下图所示。当TtM<4Tta时，α1和α2为复数式中式中52ppt课件起动过程，转速与电流变化均具有振荡性质，振荡频率为w，振荡周期为T电感的存在，不仅使电流和转速上升延迟，还有可能引起系统的过渡过程振荡。TtM>4Tta时，起动过程转速、电流变化曲线如右图所示。53ppt课件根据电磁转矩T和转速n方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当T与n同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态；当T与n反方向时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩；制动状态时，电磁转矩为制动转矩。§8-3他励直流电动机的制动一、制动的概念1、制动制动是指电磁转矩与转速方向相反，位于机械特性的二、四象限。54ppt课件2、制动目的

一是使拖动系统迅速减速停车，这时的制动是指电动机从某一转速迅速减速到零的过程（包括只降低一段转速的过程），在制动过程中电动机的电磁转矩T起着制动的作用，从而缩短停车时间，以提高生产率；二是限制位能性负载的下降速度。这时的制动是指电动机处于某一稳定的制动运行状态，此时电动机的电磁转矩T起到与负载转矩相平衡的作用。上述两种情况中，前者属于过渡过程，故称为“制动过程”，后者属于稳定运行，则称为“制动运行”55ppt课件3、制动方法（1）自由停车：是最简单的方法，给电动机断电后，靠摩擦阻力矩使之停转。这种方法耗时较长。（2）机械制动：为加快停车，可采用机械抱闸的方法（3）电气制动：就是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩T，起到阻碍运动的作用。这里只讨论电气制动。他励直流电动机的电气制动方法有：能耗制动、反接制动和回馈制动等，下面分别讨论。56ppt课件能耗制动的电路图如图所示。电动状态运行时，电枢电流Ia、电枢电动势Ea、转速n与电磁转矩Tem的方向相同。当需要制动时，将制动开关投向制动电阻RZ上，主开关断开，电动机便进入能耗制动状态。二、能耗制动1、原理图57ppt课件2、制动过程初始制动时，因为磁通保持不变，电枢存在惯性，其转速n不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和Ea的方向均不改变。但是，由Ea在闭合的回路内产生的电枢电流Ia与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，由此而产生的电磁转矩Tem也与电动状态时Tem的方向相反，变为制动转矩，于是电机处于制动运行。制动运行时，电机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在电阻(Ra+RZ)上，直到电机停止转动。所以这种制动方式称为能耗制动。58ppt课件能耗制动时，U=0、Φ=ΦN、R=Ra+RZ，故机械特性方程为能耗制动的机械特性是一条过坐标原点的直线，斜率为3、机械特性转速特性为与电枢回路串接电阻RZ的人为机械特性平行。59ppt课件曲线A点处，其n>0，T>0，T为驱动转矩。开始制动时，因n不能突变（能量不能突变），工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点，n>0，T<0，电磁转矩为制动转矩，于是电动机开始减速，工作点沿BO方向移动。若电动机拖动反抗性负载，则工作点到达O点时，n=0，T=0，电机便停转。从能耗制动开始到拖动系统迅速减速及停车的过渡过程就叫做“能耗制动过程”。60ppt课件

若电动机拖动位能性负载，则工作点到达O点时，虽然n=0，T=0，但在位能负载的作用下，电机将反转并加速，工作点将沿特性曲线OC方向移动。此时Ea的方向随n的反向而反向，即n和Ea的方向均与电动状态时相反，而Ea产生的Ia方向却与电动状态时相同，随之T的方向也与电动状态时相同，即，n<0，T>0，电磁转矩仍为制动转矩。随着反向转速的增加，制动转矩也不断增大，当制动转矩与负载转矩平衡时，电机便在某一转速下处于稳定的制动状态运行，即均速下放重物，如图中的C点，这时电动机处于制动运行状态。61ppt课件改变制动电阻Rz的大小，可以改变能耗制动特性曲线的斜率，从而可以改变起始制动转矩的大小，以及下放位能负载时的稳定速度。Rz越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，使下放位能负载的速度越小。减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成制动电流过大，通常限制最大制动电流不超过（2～2.5）倍的额定电流。若取最大制动电流为2IN，制动前电动机的转速为n，对应的电动势为Ea=CeΦn，选择的制动电阻为：即4、制动电阻RZ62ppt课件式中Ea为制动瞬间(制动前电动状态时)的电枢电动势。如果制动前电机处于额定运行，则 。则

电动时，5、能量关系

电源能量：从电网吸收电能

机械能量：从轴上输出机械能

功率平衡：63ppt课件6、能耗制动时的机械过渡过程

能耗制动时，

电源能量：跟电网没有能量转换或传递

机械能量：从轴上吸收机械能

功率平衡：吸收的能量消耗在电阻上（1）位能性恒转矩负载64ppt课件65ppt课件66ppt课件（2）反抗性恒转矩负载在未达到原点之前，两者完全相同。当转速制动到0时，n=0,T=0，能耗制动到此结束，但在整个过渡过程的计算中，必须仍以C点为稳定点。因为稳定点是机械特性与负载特性的交点，但这时两者没有交点，为找到过渡过程中n、T随时间变化规律，所以假想将两条曲线延长交于一点，这点恰是C点。故认为C点为虚拟稳定点。67ppt课件68ppt课件

优点：接线简便，操作简单，在制动过程中电动机从电网断开不需要从电网输入电功率，因而比较经济。缺点：制动强度不同，因为其转矩随转速降低而减少，因而在低速时的制动作用较弱，拖长制动时间7、特点69ppt课件三、反接制动1、转速反向的反接制动（带位能性负载）（1）原理图及制动过程他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第四象限运行，如图所示，这一制动方式被称为转速反向的反接制动，又称倒拉反接制动或电势反接的反接制动。70ppt课件（2）机械特性与电枢回路串电阻时的人为机械特性相同，这时所串的电阻阻值较大，使n<0，位于第四象限部分。（3）电阻选择在电枢回路串入不同的电阻RΩ，可得到不同的下放速度，所串电阻越大，下放速度越高。而对应某一给定的下放速度nD，所串电阻的大小为：71ppt课件（4）能量关系

制动时，

电源能量：从电网吸收电能

机械能量：从轴上吸收机械能

功率平衡：吸收的能量消耗在电阻上（5）机械过渡过程72ppt课件

在D点稳定运行的特点：电动机转矩仍和负载转矩相平衡，即T=Tz速度为负电动机电磁转矩方向与转速方向相反反电势与外加电压方向相同。73ppt课件2、电枢反接的反接制动（1）原理图及制动过程K1K2K4K3RΩ+-制动前，接触器的常开触头K1、K2闭合，另一个接触器的常开触头K3、K4断开，假设此时电动机处于正向电动运行状态，电磁转矩T与转速n的方向相同，即电动机的U、Ia、Ea、n均为正值。在电动运行中，断开K1、K2

，闭合K3、K4使电枢电压反向并串入电阻RΩ

，则进入制动。74ppt课件反接制动时，加到电枢两端的电源电压为反向电压-UN

，同时接入反接制动电阻RΩ

。反接制动初始瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势也保持原来的大小和方向，而电枢电流变为：（2）机械特性TZTZRΩ+

Ra

位于第二象限。75ppt课件

电动状态时，电枢电流的大小由UN与Ea之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由UN与Ea之和决定，因此反接制动时电枢电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RΩ。RΩ的大小应使反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许电流Imax<2IN，因此应串入的制动电阻值为：（3）制动电阻TZTZRΩ+

Ra

76ppt课件（4）能量关系TZTZRΩ+

Ra

制动时，

电源能量：从电网吸收电能

机械能量：

从轴上吸收机械能

功率平衡：吸收的能量消耗在电阻上77ppt课件（5）机械过渡过程拖动反抗性负载TZTZRΩ+

Ra

分两个阶段：在到达n=0之前，T<0,n>0，电机处于反接制动阶段（B-C）；当n=0后，若|Tc|>|TZ|,电机反转，电机处于反向电动运行阶段（C-D）；反接制动阶段（B-C）:当转速制动到0时，无论电机是否进入反向电动运行，在过渡过程的计算中，必须仍以E点为稳定点。这是一个虚拟稳定点。78ppt课件TZTZRΩ+

Ra

E79ppt课件反向电动阶段（C-D）:若电机可进入反向电动运行，此时因为负载转矩的方向发生了改变相当与从n=0，T=Tc的状态开始，到电机的稳定状态n=nD，T=TD，以D点为稳定点。TZTZRΩ+

Ra

E80ppt课件拖动位能性负载TZTZRΩ+

Ra

分三个阶段：在到达n=0之前，T<0,n>0，电机处于反接制动阶段（B-C）；当n=0，且|-n|<|-n0|段，T<0，n<0，电机处于反向电动运行阶段（C-(-n0)）；当|-n|>|-n0|段，T>0，n<0，电机处于反向回馈制动阶段。81ppt课件TZTZRΩ+

Ra

E整个过程中，均是以E点为稳态工作点，E点为实际的稳态工作点，以B点为起始点，因此各方程与拖动反抗性负载时BC段相同。82ppt课件83ppt课件（6）特点与能耗制动相比，消耗能量大能耗制动能准确停车，反接制动准确性差一些；从技术角度看，反接制动在n=0时，还有一个很大的堵转转矩，快速性好；可以自然反转。若只要求准确停车的系统，反接制动不如能耗制动方便。84ppt课件四、回馈制动（再生发电制动）1、回馈制动

电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动车辆下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流Ia反向，电磁转矩Te方向也随之改变，由拖动性转矩变成制动性转矩，即Te与n方向相反。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机械能变成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性位于第二象限，反向回馈制动时的机械特性位于第四象限。85ppt课件能量关系

制动时，

电源能量：向电网回馈电能

机械能量：从轴上吸收机械能

功率平衡：86ppt课件

(1)在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程，如下图所示。

系统稳定运行于D点。2、正向回馈制动

(2)在弱磁调速系统中，当他励直流电动机增加磁通（当磁通未达到额定值时）的降速过程中，会出现电动机经过第二象限的减速过程，系统稳定运行于D点。这二种回馈制动状态，都是一个过渡过程，不能稳定运行。87ppt课件(3)电车下坡时如图所示，用他励直流电动机驱动一辆电动车，当电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行。回馈制动运行时的功率关系与回馈制动过程时相同，只是机械功率是由电动车减少位能储存来提供的。B点为稳态运行点。88ppt课件3、反向回馈制动

他励直流电动机拖动位能性负载（如起重机的提升机构），可以出现反向回馈制动运行，如图。

回馈制动的重要特点是：n>

n0

，Ea

>U，向电源回馈电能，运行经济。由于其功率关系与直流发电机一样，故又称为再生发电制动。89ppt课件

Eg:一台他励直流电动机数据为PN=29kw,UN=440V，IN=76.2A，nN=l050r/min，Ra=0.393Ω。（1）电动机带一个位能性负载，在固有机械特性上作回馈制动下放，Ia=60A，求电动机反向下放速度。（2）电动机带一个位能性负载，作反接制动下放，Ia=60A时，转速n=-600r/min，求串入电枢电路中的电阻值、电网输入功率，轴上输入功率及电枢电路电阻上消耗的功率。（3）电动机带反作用性负载，从n=500r/min进行能耗制动，若最大的制动电流限制在100A，试计算电枢回路应串入的制动电阻值。90ppt课件

速度调节是指人为地改变电动机参数，使电力拖动系统运行于不同特性上，从而在相同负载下，得到不同的运行速度。度调节和速度变化的概念是不同的。速度变化是指电动机工作在同一特性上，由负载变化引起的速度改变。

可见，在调速前后，电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起电动机转速的改变不能称为调速。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合起来调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速方法。§8-4他励直流电动机的调速91ppt课件根据他励直流电动机的转速公式可知，当电枢电流Ia不变时(即在一定的负载下)，只要改变电枢电压U，电枢回路串联电阻RS(即改变R=Ra+RS)及励磁磁通Φ三者之中的任意一个量，就可改变转速n。因此，他励直流电动机具有三种调速方法：调压调速；电枢串电阻调速和调磁调速。为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，称为调速指标。92ppt课件调速范围是指电动机在额定负载下可能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比，通常用D表示，即不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围，必须尽可能地提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受到电动机的机械强度、换向条件、电压等级等方面的限制，而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。一、调速指标1、调速的技术指标（1）调速范围D93ppt课件

转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率δ％表示。静差率的定义：当电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载增加到额定负载，电动机的转速降落与理想空载转速n0之比，就称为静差率，用百分数表示（2）静差率δ％（相对稳定性）显然，电动机的机械特性越硬，其静差率越小，转速的相对稳定性就越高。但是静差率的大小不仅仅是由机械特性的硬度决定的，还与理想空载转速的大小有关。94ppt课件

如图。图中的两条相互平行的机械特性曲线2、3，它们的硬度相同，额定转速降也相等，即Δn2=Δn3，但由于它们的理想空载转速不等，n02>n03，所以它们的静差率不等，δ2％<δ3％。可见，硬度相同的两条机械特性，理想空载转速越低，其静差率越大。

可见，静差率与调速范围两个指标是相互制约的，若图中曲线1和曲线4为电动机最高转速和最低转速时的机械特性，则电动机的调速范围D与最低转速时的静差率δ关系可推导如下。95ppt课件

式中，为最低转速机械特性上的转速降；δ—最低转速时的静差率，即系统的最大静差率。由式可知，若对静差率这一指标要求过高，即δ值越小，则调速范围D就越小；反之，若要求调速范围D越大，则静差率δ也越大，转速的相对稳定性越差。不同的生产机械，对静差率的要求不同，普通车床要求δ≤30％，而高精度的造纸机则要求δ≤0.1％。在保证一定静差率指标的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落，就是说，必须提高机械特性的硬度。96ppt课件

在一定的调速范围内，调速的级数越多，就认为调速越平滑。相邻两级转速之比称为平滑系数，表示为

φ值越接近1，则平滑性越好，当φ=l时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。（3）调速的平滑性97ppt课件允许输出是指电动机在得到充分利用情况下（Ia=IN），在调速过程中轴上能输出的功率和转矩。对于不同类型的电动机采用不同的调速方法时，容许输出的功率与转矩随转速变化的规律是不同的。恒转矩调速:在充分利用电机条件下，在整个调速范围内，调速前后电磁转矩不变，称为恒转矩调速。恒功率调速:在充分利用电机条件下，在整个调速范围内，调速前后输出功率不变，称为恒功率调速。（4）调速时的允许输出（功率与转矩）98ppt课件经济性包含两方面的内容：一是指调速设备的初投资，二是调速过程中的能量损耗、运行效率及维修费用等。运行费用可用设备的效率来说明在满足一定的技术指标下，确定调速方案时，应力求设备投资少，电能损耗小，而且维修方便。2、调速的经济指标EG：99ppt课件二、调速方法1、电枢回路串电阻调速n100ppt课件

电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。2、降低电枢电压调速n101ppt课件3、弱磁调速n

额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很大，磁通增加也很少。另外，从电机的性能考虑也不允许磁路过饱和，因此，改变磁通只能从额定值往下调，即进行弱磁调速。

102ppt课件

Eg:一台他励直流电动机的额定数据为UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r／min，Ra=0.4Ω，保持额定负载转矩不变，求：

(1)电枢回路串入1.65Ω电阻后的稳态转速；

(2)电源电压降为110V时的稳态转速；

(3)磁通减弱为90％ΦN时的稳态转速。

103ppt课件

电动机运行时，电机的实际输出是由负载决定的。电动机的允许输出是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。允许输出的大小主要决定于电机的发热，而电机的发热又主要决定于电枢电流。因此，在一定的转速下，对应额定电流时的输出转矩和功率便是电动机的允许输出转矩和功率。所谓电动机的充分利用，是指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到了它的允许输出值，即电枢电流达到了额定值。三、调速方式与负载类型的配合1、电动机的允许输出与充分利用的概念104ppt课件

以电机在不同转速下都能得到充分利用为条件(Ia=IN)，可以把他励直流电动机的调速分为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。电枢串电阻调速和降压调速属于恒转矩调速方式，而弱磁调速属于恒功率调速方式。

2、恒转矩与恒功率调速方式（1）功率与转矩105ppt课件

可见，串阻调速时，从高速到低速时，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速，而容许输出的功率则正比于转速。（2）串电阻调速时的允许输出串电阻调速时，Φ=ΦN保持不变，若在调速过程中充分利用电机，即调速前后保持Ia=IN

，则不同转速下，电机电磁转矩和功率的大小表示为：106ppt课件

可见，调压调速时，从高速到低速时，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速，而容许输出的功率则正比于转速。与串电阻调速相同。（3）降低电压调速时的允许输出降低电压时，Φ=ΦN保持不变，若在调速过程中充分利用电机，即调速前后保持Ia=IN

，则不同转速下，电机电磁转矩和功率的大小表示为：107ppt课件

可见，弱磁调速时，从高速到低速时，容许输出功率转矩是常数，称为恒功率调速，而容许输出的转矩与转速成反比。（4）弱磁调速时的允许输出磁通减弱时，Φ是变化的，若在调速过程中充分利用电机，即调速前后保持Ia=IN

，则不同转速下，电机电磁转矩和功率的大小表示为：108ppt课件他励直流电动机调速时的允许输出

109ppt课件

此时负载转矩TL和电动机的允许输出转矩T均为常数，因此，只要选择电动机的允许输出转矩T(也就是额定转矩TN)与负载转矩TL相等，则负载转矩特性与电动机的允许输出转矩特性就完全重合，这样，在任何转速下均有T=TL，Ia=IN。此时，电动机既满足了负载的要求，又得到了充分利用。因此，恒转矩负载配恒转矩调速方式是一种理想的配合。我们称这种配合为调速方式与负载类型匹配。3、调速方式与负载类型的配合（1）恒转矩负载与恒转矩调速方式的配合110ppt课件此时负载功率PL和电动机的允许输出功率P均为常数，因此，只要选择电动机的允许输出功率(也就是额定功率PN)与负载功率PL相等，则负载转矩特性也与电动机的允许输出转矩特性完全重合，在任何转速下，也均有P=PL，Ia=IN，与第一种情况相同，电动机既满足了负载的要求，又得到了充分利用，这也是一种理想的配合。我们也称这种配合为调速方式与负载类型匹配。（2）恒功率负载配恒功率调速方式的配合111ppt课件

恒转矩负载，即负载转矩TL=常数；恒功率调速方式，即电动机的允许输出转矩T与转速n成反比变化。显然，此时的负载转矩特性TL=常数，与电动机的允许输出转矩特性T∝1/n不可能重合。为了满足负载转矩的需要，只能使电动机允许输出转矩的最小值(此时转速最高)等于恒定的负载转矩。（3）恒转矩负载配恒功率调速方式的配合可见，恒转矩负载配恒功率调速方式时，只有在最高转速这一点上才有T=TL，P=PL，Ia=IN，电动机才被充分利用。而在低于最高转速时，均出现TL<T，PL<P，Ia<IN，即电动机的实际输出小于允许输出，电动机没有充分利用。可以证明，在最低转速时，电动机的实际输出功率(负载功率)只是电动机额定功率的1/D。112ppt课件

因为负载所需要的最大功率应作为选择电动机额定功率的依据，所以电动机的额定功率

显然，这种配合是不好的，它将造成电动机容量的浪费。我们称这种配合为调速方式与负载类型不匹配。

113ppt课件可见，恒功率负载配恒转矩调速方式时，只有在最低转速时才有T=TL，P=PL，Ia=IN，电动机才被充分利用。而在高于最低转速时，均出现TL<T，PL<P，Ia<IN，即电动机不能被充分利用。可以证明，这种配合时，电动机的实际输出功率(恒定的负载功率)只是电动机额定功率的1/D。（4）恒功率负载配恒转矩调速方式的配合恒功率负载，其转矩与转速成反比变化，恒转矩调速方式时，电动机的允许输出转矩为常数。显然，此时的负载转矩特性与电动机的允许输出转矩特性T=常数，也是不能重合的。为了满足负载的需要，要使恒定的允许输出转矩T等于变化的负载转矩的最大值(此时转速最低)。114ppt课件恒功率负载的功率PL=常数，而恒转矩调速方式(电枢串电阻调速和降压调速)是在nN以下调速，所以nN=nmax，而电动机的额定转矩必须满足最大负载转矩的要求，即TN=TLmax，于是电动机的额定功率为显然，这种配合也是不好的，它将造成电动机容量的浪费。我们也称这种配合为调速方式与负载类型不匹配。

115ppt课件根据以上四种情况分析可得，调速方式与负载类型的适当配合是：

电枢串电阻调速和降压调速属于恒转矩调速方式，适用于恒转矩负载。

弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载。116ppt课件四、他励直流电动机的四象限运行电动：1，3制动：2，4正向：1，2反向：3，4稳态：暂态：117ppt课件Eg:一小车在A-B两点间往复运动,电机参数为:PN=12KW,UN=220V,IN=62A,nN=1340r/min,GD2=16.3Nm2,Ra=0.256欧,其运行规律如下(1-4阶段负载为额定负载,5-7阶段负载转矩为0.8额定负载),:1.小车采用串电阻起动,起动的最大转矩为2TN,起动的切换转矩为1.2TN左右,求各对应机械特性方程和动态特性方程,计算各段起动电阻的大小,求解起动时间.2.小车处于额定转速运行,绘制此时机械特性曲线.3.小车处于弱磁升速运行Φ=0.9ΦN,绘制此时机械特性曲线以及机械特性方程.118ppt课件§8-5他励直流电动机过渡过程的能量损耗一、空载时损耗的一般表达式只考虑铜耗。设他励直流电动机过渡过程中电枢回路所产生的损耗为ΔA，它与损耗功率Δp=Ia2R的关系为：空载时，TZ=0，119ppt课件与电网能量传递：与轴的能量传递：二、空载时各种过渡过程的能量损耗1、空载起动空载起动时：120ppt课件2、空载能耗制动空载能耗制动时：121ppt课件3、空载反接制动空载反接制动时：122ppt课件4、空载反转空载反转时：123ppt课件（1）减小拖动系统中的能量存储（2）合理选择起制动方式三、减小过渡过程的能量损耗方法124ppt课件一、串励直流电动机的电力拖动

1.串励直流电动机的机械特性串励式直流电动机的电路连接如图6-25a所示。其连接特点是电枢电流等于励磁电流，也等于总电流，即Ia=If=I，U=Ua+U

f+IR，若电动机在磁通未饱和状态，每极磁通应与电路电流成线性正比，即

当电动机带负载运行时，电枢电流是变化的，这将引起串励电动机磁通的变化，此时串励电动机的转速公式为式中Ces——串励电动机电势系数，且C