第三章直流电动机的启动制动

第三章直流电动机的启动制动第1页，课件共74页，创作于2023年2月3.1直流电动机的起动3-23.1.1直接起动3.1.2电枢回路串电阻起动3.1.3降电压起动电动机接上电源后，转速从零到达稳定转速的过程称为起动过程起动的原则：1）起动转矩足够大；2）起动电流小；3）起动设备简单，可靠，经济。第2页，课件共74页，创作于2023年2月3.1.1直接起动3-3不采取任何限流措施，直接加额定电压的起动称直接起动直接起动的优点:起动转矩很大，不需另加起动设备，操作简便。缺点：起动电流很大，一般可达额定的10～20倍。n=0,Ea=CeΦn=0,Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra结论：1)换向情况恶化，产生严重的火花,损坏换向器2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构3)因此在起动时，除低压、小容量外，DCM一般不容许直接起动。必须设法限制电枢电流。4）DCM起动和运行中须保证励磁始终正常。

simulation第3页，课件共74页，创作于2023年2月3.1.2电枢回路串电阻起动3-4最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst)最初起动转矩：Tst=CTΦIst

为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst也会逐步减小。为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。第4页，课件共74页，创作于2023年2月3.1.2电枢回路串电阻起动3-5分级起动时可将每一级的I1（或T1）与I2(或T2)取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击simulation动画来自/kejian/caisong/第5页，课件共74页，创作于2023年2月3.1.2降电压起动3-6对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流,适用于电动机的直流电源是可调的第6页，课件共74页，创作于2023年2月3.2直流电动机的调速3-73.2.1电枢串电阻调速3.2.2改变电枢电源电压调速3.2.3弱磁调速3.2.4调速的性能指标拖动一定的负载运行，其转速由工作点决定。如果调节某些参数，则可以改变转速。n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0-βT

实质上都是改变了电动机的机械特性，使之与负载机械特性的交点改变，达到调速的目的。第7页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.1电枢串电阻调速3-8调节电阻Rp增大时，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的交点也会改变，达到调速目的。优点：设备简单、操作简单。缺点：只能降速，低转速时变化率较大，电枢电流较大，不易连续调速，有损耗。simulation第8页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.2改变电枢电源电压调速3-9因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高30%，实际上改变Ua应用在降压的方向，即从额定转速向下调速。降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。第9页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.2改变电枢电源电压调速3-10电枢由晶闸管整流供电的直流调速晶闸管装置调节发电机励磁的发电机-电动机机组调速优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。

缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）第10页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.3弱磁调速3-11减少励磁电流时，磁通Φ减少，电动机机械特性n0点和斜率增大。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速，一般可以使转速从额定值向上调节第11页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.3弱磁调速3-12优点：对功率较小的励磁电路进行调节;控制方便;能量损耗小;调速的平滑性较高。常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围缺点：只能上调。第12页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-131调速范围D电动机在额定负载下，最大转速nmax与最小转速nmin之比，对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算第13页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-141调速范围D不同生产机械要求的调速范围生产机械类型调速范围车床20--120龙门刨床10--40机床的进给机构5--200轧钢机3--120造纸机3--20第14页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-152静差率δ相对稳定性的程度用静差率δ来表示，是电动机在同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与该机械特性的理想空载转速N0之比。表明负载变化引起转速变化的大小程度，静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统可能达到最低速nmin决定于低速特性的静差率调速范围D与低速静差率δ间的关系。第15页，课件共74页，创作于2023年2月0TeNTen0an0bab∆

nNa

∆

nNb

nO不同转速下的静差率静差率与机械特性硬度的区别然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。3.2.4调速的性能指标第16页，课件共74页，创作于2023年2月例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。

因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率与机械特性硬度的区别3.2.4调速的性能指标3-17第17页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为

nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即调速范围、静差率和额定速降之间的关系3-18第18页，课件共74页，创作于2023年2月表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，

nN

值一定，由式可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。3.2.4调速的性能指标结论

一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。3-19第19页，课件共74页，创作于2023年2月例题3-1某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降nN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s≤20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？3.2.4调速的性能指标3-20第20页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3.2.4调速的性能指标3-21第21页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-223调速的平滑性调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数φ，即相邻两级转速后线速度之比来衡量j

=1时称为无级调速，此时转速连续可调。第22页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-234调速时的容许输出调速运行中在额定电流状态下，电动机轴上输出转矩与输出功率。1）恒转矩调速方式2）恒功率调速方式第23页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-244调速时的容许输出3）恒转矩调速的配合恒转矩负载时，按电动机在D范围内任何n下都可带额定负载。恒功率负载时仍须按D的D范围内任何n下实际需要输出功率若选择调压调速，电动机须按

选择。

选择电动机，造成浪费，第24页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-254调速时的容许输出4）恒功率调速的配合电动机在D范围内任何n下都可带额定负载。恒转矩负载时，按恒功率负载时电动机工作在nmin时，电动机的功率比负载大D倍。第25页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-265调速的经济性1)设备投资2)运行费用运行费用决定于调速过程的损耗，用效率h来说明第26页，课件共74页，创作于2023年2月3.2.4调速的性能指标3-27调速方法电枢串电阻改变电枢电压弱磁调速方向基速以下基速以下基速以上静差率大小较小调速范围小较大(4~8)较小(1.2~4)调速平滑性差好好适应负载类型恒转矩负载恒转矩负载恒功率负载设备投资少多较小电能损耗大小小调速性能比较第27页，课件共74页，创作于2023年2月3.3直流电动机的制动3-283.3.1能耗制动3.3.2反接制动3.3.3倒拉反转制动运行3.3.4回馈制动制动运转状态

转矩T与转速n的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能使电动机生产一个负的转矩(即制动转矩)，以增加减速度，1）使系统较快地停下。2）使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度第28页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.1能耗制动3-291.能耗制动的原理电路特点U=0，制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动实现：U＝0，电枢回路串入电阻第29页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.1能耗制动3-30simulation制动电阻Rz愈小，则机械特性愈平，T1绝对值愈大，制动愈快2.能耗制动的机械特性对于位能性负载，将实现反转，即能耗制动运行。第30页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.1能耗制动3-313.能耗制动电阻的计算制动电阻Rc愈小，则机械特性愈平，T1绝对值愈大，制动愈快，但Ia将超过电动机最大允许电流。制动电阻Rc通常可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出。第31页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.2反接制动3-321.反接制动的原理实现：电枢电压或电动势极性突然改变（励磁反向）·电枢电压和电动势顺极性串联；反接时必须采取限制电枢电流的措施。功率平衡：轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻第32页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.2反接制动3-332.反接制动的机械特性simulation反接制动适合要求频繁正、反转的系统。第33页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.2反接制动3-343.反接制动电阻的计算制动电阻Rc也可由制动初始所要求的最大制动转矩或者电流求出。第34页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.3倒拉反转制动运行3-351.倒拉反转制动原理他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。电枢支路突然传入较大的电阻，则工作点A→B→C→D，D点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。电动机的电磁转矩起制动作用，限制了重物的下放速度。轴上机械功率通过电机转换为电磁功率后，连同电网输入功率全部消耗于电阻第35页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.3倒拉反转制动运行3-362..倒拉反转制动的机械特性动画来自/kejian/caisong/根据下放速度的要求，求出制动电阻Rc的数值。或者也可以根据制动电阻Rc的数值，求出下放速度。simulation第36页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.4回馈制动3-371.回馈制动的原理第37页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.4回馈制动3-382.回馈制动的机械特性simulation第38页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.4回馈制动3-393.正向回馈制动他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第II象限，如图中的BC段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。在这一过程中，由于电源电压下降，使得Ea>U,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，超过U以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。第39页，课件共74页，创作于2023年2月3.3.4回馈制动3-403.反向回馈制动他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在D点，电动机的转速高于理想空载转速，Ea>U，电流流向电源，属于反向回馈制动。反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。为了限制高速下放速度，一般在回魁制动时，将电枢回路串联的电阻切除。第40页，课件共74页，创作于2023年2月3.4直流电动机的各种运行状态3-413.4.1电动运行状态3.4.2制动运行状态电动机运行状态是指稳定的运行状态，也就是电动机机械特性和负载转矩特性交点所对应的工作状态。第41页，课件共74页，创作于2023年2月3.4.1电动运行状态3-42电动机转矩T的方向与旋转方向相同,电网向电动机输入电能正向电动反向电动第42页，课件共74页，创作于2023年2月3.4.2制动运行状态3-43转矩T与转速n的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能第43页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-44从A点串电阻启动到nN；在弱磁升速；强磁降速到nN；反接或者能耗准确在B点停车第44页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-45第45页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-461电机启动加速第46页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-472弱磁升速第47页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-483强磁降速第48页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-494反接制动第49页，课件共74页，创作于2023年2月三、恒转矩负载四象限运行分析3-505能耗制动第50页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-51第51页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-52第52页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-531提升过程第53页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-542重物下放第54页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-553空钩提升第55页，课件共74页，创作于2023年2月四、位能负载四象限运行分析3-564下放空钩第56页，课件共74页，创作于2023年2月3.5电力拖动系统的过渡过程3-57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，例如起动、制动、反转、调速、负载突变等过程。过渡过程中，n、T、Ia及P均为时间的函数，其变化规律称为电力拖动运行的负载图，负载图是正确选择与校验电动机功率的依据。研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；探讨减小过渡过程损耗的途径，提高电动机的利用率；还可以研究如何改善电力拖动的运行情况，使设备能安全进行。电力拖动系统的运行状态可分为稳态和动态。第57页，课件共74页，创作于2023年2月3.5电力拖动系统的过渡过程3-583.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3.5.2他励直流电动机起动的过渡过程3.5.3他励直流电动机反接制动的过渡过程3.5.4缩短拖动系统过渡过程时间的措施第58页，课件共74页，创作于2023年2月3.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3-59电力拖动系统中一般存在以下三种惯性:1)机械惯性体现在飞轮矩GD2上，它使转速n不能突变2)电磁惯性体现在电枢回路电感La及励磁回路电感Lf上，使电枢电流和励磁电流不能突变3)热惯性使温度不能突变电力拖动过渡过程1)机械过渡过程2)电气---机械过渡过程第59页，课件共74页，创作于2023年2月3.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3-601)数学解析2)图解3)计算机仿真分析4)实验第60页，课件共74页，创作于2023年2月3.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3-611.电枢电流Ia的变化规律第61页，课件共74页，创作于2023年2月3.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3-621.电枢电流Ia的变化规律第62页，课件共74页，创作于2023年2月3.5.1电力拖动系统过渡过程的分析3-632.转矩T的变化规律第63页，课件共74页，创作于2