电机与拖动(二).ppt

1、电机与拖动,电气维修技师 (二),（ 电机与拖动 ）电子教案,第三节 直流电机的感应电动势和电磁转矩,一感应电动势 电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。如图1.23所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为,图1.23气隙合成磁场磁密的分布,因而，一根导体感应电动势的平均值,设电枢绕组总的导体数为N，支路数为a，则每一条并联支路总的串联导体数为N/2，因而电枢绕组的感应电动势为

2、：,式中 对已经制造好的电机，是一个常数，故称直流电机的电动势常数. 例：1-3 书19页,二、电磁转矩 电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图1.23所示。一根导体所受电磁力的大小为：,如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值Bav表示，则每根导体所受电磁力的平均值为：,一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为：,总电磁转矩为：,式中 对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。,电枢电动势 和电磁转矩 是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ca和转矩常数C

3、t之间具有确定的关系： 或者,第四节 直流电机的工作特性,一基本方程 电动机的基本方程式包括电压平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式,反映了电动机内部的电磁过程和电能转换关系.以他励机为例进行分析如图2-24所示。 电压方程,忽略电刷压降，则,图124 直流电动机物理量的正方向与等效电路 (a)物理量的参考正方向；(b)等效电路,转矩方程,功率方程,1）机械损耗：磨擦产生的损耗。 2）铁心损耗：涡流损耗和磁滞损耗。 3）铜损耗：绕组的损耗。 4）附加损耗：,图2-25 直流电动机的功率流程图,例1-5 1-6 书23页,二工作特性 转速特性：在额定电压、额定励磁电流时，转速与电 流之间的

4、关系。,定义：当,时,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图2-26所示的曲线 1所示。,2、转矩特性：在额定电压、额定励磁电流时，电磁转矩 与电枢电流的关系。 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。,3、效率特性:在额定电压、额定励磁电流时，效率与电流之间的关系。,第二章 直流电动机的电力拖动,第一节 电力拖动系统的运动方程,拖动系统的运动方程式是指电动机稳定运行时，应用动学平衡条件建立系统的运动方程式。 一拖动系统运动方程 直线运动中力的平衡方程式为: F-FL=mdv/dt 转矩平衡方程式为: T-TL=Jd/dt J为转动惯量:

5、J=m2=GD2/4g T-TL=GD2/375*dn/dt =2n/60 系统运行状态:TTL 时系统加速 TTL 时系统减速 T=TL时静止或匀速,二运动方程式中各转矩正负号确定的规则。 1、当电磁转矩方向与转速方向相同时电磁转矩为正，反之为负。 2、当负载转矩的方向与转速相反时负载转矩取正，反之取负。 3、惯性转矩的方向取决于电磁转矩和负载转矩的代数和。,(a)反抗性 (b)位能性,图2.1 恒转矩负载特性,2). 位能性恒转矩负载 这种负载的特点是不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升或下放重物时，由于重力所产生的负载转矩的大小和方向均不改变。其

6、负载转矩特性在第一和第四象限，如图2.2所示。,第二节生产机械的负载转矩特性,生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩TL之间的关系 各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。 1 恒转矩负载 所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL的大小不随转速n而改变的负载。按负载转矩TL与转速n之间的关系又分为 反抗性负载,位能性负载,1）. 反抗性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩TL的大小不变，但方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之

7、改变，其特性在第一和第三象限，如图2.1所示。属于这类特性转矩如摩擦转矩等。,2、恒功率负载 恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，即即负载转矩TL与转速n成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大(TL大)，阻力大，转速低；精加工时，切削量小(TL小)，转速高。恒功率负载特性曲线如图2.2所示。,3、通风机类负载 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的平方成正比，即常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图2.3所示。,图2.2 恒功率负载特性曲线,图2.3 通风机负载特性曲线,第三节 直流电动机的机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转

8、速n与其转矩(电磁转矩) T之间的关系，即 曲线。 *机械特性中的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一个空载转矩T0。只是由于在一般情况下，空载转矩T0与电磁转矩或负载转矩TL相比较小，在一般工程计算中可以略去T0，而粗略地认为电磁转矩T与轴上的输出转矩T2相等。,一、固有机械性 1、机械特性的表达式 直流他励电动机的基本接线图如图2.4所示。由图可知电枢回路的电压平衡方程式为,图2.4直流他励电动机接线,又已知直流电动机的电枢电势及电磁转矩分别为： 电动机的速度特性方程为：,由于：,可得机械持性主程为：,*电动机的实际空载转速n0比n0略低，如图2.5所示。这是因为

9、电动机空载转起后，因为有空载转矩T0存在，所以电磁转矩T不可能为零，必须等于T0，即电动机必须克服空载损耗转矩T0。此时电动机实际空载转速n0为 ：,图2.5 直流他励电动机 的机械特性,为直线的斜率。,一般直流他励电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。,2 、固有机械特性 当直流他励电动机端电压 ，磁通 ， 电枢回路附加电阻 时的机械特性称为固有机械特性。 此时的机械特性方程式为：,固有机械特性的特性曲线如图2.6中曲线1所示，其特点是(1) 对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条； (2) 由于 ，特性曲线的斜率较小，n较小，特性较平坦，属于硬特性。,（1）、固有特性的计

10、算:根据名牌的PNnN 1)根据经验公式求得电枢电阻a,）由电枢回路电压平衡方程式求eN：,3) 由eN求N： NeN,）将a、eN、N代入固有特性曲线固可得固的特性方程,（2）、固有特性的绘制 1）理想空载点（T=0，n=n0）; 2) 额定工作点（T=TN，n=nN); 通过这两点就可画出机械特性曲线。 例题2-1书32页,二、人为机械特性 要根据需要将机械特性方程中 三个参数中，保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，从而得到不同的机械特性，使机械特性满足不同的工作要求。这样获得的机械特性，称为人为机械特性。直流他励电动机的人为机械特性有以下3种。 1. 电枢串接电阻时的人为机械特性 电

11、枢回路串接电阻 ，总电阻 。电源电压 ，磁通 ，此时的人为机械特性方程式,为：,其机械特性如图2.6所示。与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点： (1) 理想控制转速与固有特性时相同，且不随串接电阻 的变化而变化； (2) 随着串接电阻 的加大，特性的斜率加大，转速降落n加大，特性变软，稳定性变差。 (3) 机械特性由与纵坐标轴于一点(n= )但具有不同斜率的射线族所组成。 (4) 串入的附加电阻 越大，电枢电流流过 所产生的损耗就越大。,图2.6 直流他励电动机的固有机械特性及电枢串接电阻时的人为机械特性 1固有机械特性 2、3电枢串联电阻为及时的人为机械特性,2

12、. 改变电源电压时的人为机械特性 电枢回路附加电阻 ，磁通即 。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。 此时的人为机械的性方程式为： 其机械特性如图2.7所示。 与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为： (1) 特性斜率不变，转速降落n不变，但理想空载转速 降低； (2) 机械特性由一组平行线所组成； (3) 由于 ，因此其特性较串联电阻时硬。 (4) 当T常数时，降低电压，可使电动机转速n降低。,图2.7 直流他励电动机改变电 源电压时的人为机械特性 1 时 2、3 及 时,3. 改变电动机主磁通时的人为机械特性在励磁回路内串联电阻 ，并改变其大小，即能改变励磁电流，从而

13、使磁通改变(见图2.8)。此时的人为机械特性方程式为：,图2-8 为不同数值时的人为机械特性曲线,其特点为： (1) 理想空载转速 与磁通成反比，即当下降时， 上升； (2) 磁通下降，特性斜率上升，且与 成反比，曲线变软； (3) 一般下降，n上升，但由于受机械强度的限制，磁通不能下降太多。 在图2.8中， 分别为 时的短路(堵转) 转矩，由于 ，即 将随之减弱而降低。,2-2 书35页,三、电力拖动系统稳定运行的条件 1、必要条件 根据运动方程式可以知道，在电动机的机械特性与生产机械负载转矩特性的交点处，转矩M与ML大小相等，方向相反，相互平衡，此时的转速为某一稳定值，此交点称为运行工作点

14、。在工作点处，系统处于稳态。 *两个特性有交点是稳定运行的必要条件。 如图29所示，图中A点为他励直流电动机拖动恒转矩负载的一个稳定运行点。如负载转矩由MLl增加到ML2，则电动机转矩也相应增加，系统工作点从A点移到B点，又稳定运行于B点。,2-9 拖动系统稳定运行,（1） （2） 2-10 拖动系统稳定运行 （1）稳定 （2）不稳定,2充分条件 设拖动系统原来在某交点处稳定运行，由于受到外界的某种干扰作用，如电网电压的波动或负载的突然变化等，使电动机的转速发生变化，离开了原来的工作点。当干扰消除后拖动系统应有能力使转速恢复到原来交点处的数值，如能满足此条件，则系统是稳定的。现以图210所示的

15、特性为例进行分析 。 *当系统在运行中受到某种扰动时，具有在新的工作点稳定运行或在扰动消除后能自动恢复到原来工作点运行能力。,第四节 直流电动机的起动,一、对直流电动机起动性能的基本要求 把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程为起动过程。 1、起动电流不能太大 因过大的起动电流会使电动机的换向情况恶化，在换向器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及拖动系统是有害的因此在电动机起动时， 必须限制。 2、起动过程应有一定的起动转矩 因足够的起动转矩，这样可以缩短起动时间，从而提高生产效率。 二起动方法 （一）直接起动 把电动机的电枢绕组直接接到额定电压的电源上。 但必须指出，除了容量很小的电动机外，直流电动机是不允许,全压起动的。因为当忽略电枢电感时，电枢电流为 为了限制起动电流，一般采取两种方法： (一) 降低电压起动 这种起动方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小，使外加电源电压很低，这样可防止产生过大的起动电流。待电动机转速升高后，反电动势增大，电流降低，这时再逐渐增加电枢两端的外加电压，直到电动机达到要求的转速。 (二) 直流他励电动机的串电阻起动 在生产实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起