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04--01 第4章 直流电动机(zh).ppt

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资源描述

1、4.1 直流电动机的启动及改变转向,4.2 他励直流电动机的工作特性,4.3 他励直流电动机的机械特性,本章主要介绍直流电机及其电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。,4.4 串励直流电动机的机械特性,4.5 复励直流电动机的机械特性,4.6 负载的机械特性,4.7 电动机稳定运行的条件,4.8 他励直流电机调速的方法,4.9 直流电动机的制动,4.10 直流电机的换向,4.1 直流电动机的启动及及改变转向,启动过程的含义,要求: 1、启动转矩足够大; Tst 的指标 2、启动电流不要太大。Ist 的指标 3、启动设备简单、经济、可靠,直

2、接启动电流:Ist=U/Ra,1020倍IN,问题:电源电流有限制、电机换向困难,一般直流电动机瞬时过载电流不得超过(1.52)IN,4.1.0 全压直接启动,加全压启动,启动电流,达十倍以上额定电流,仅用于小型电机。 优点:操作简单,不需启动设备。 缺点:冲击电流太大 1、对电网电压影响 2、对电机本身影响 只适用于小型电动机启动,4.1.1 电枢回路串电阻启动,为限制启动电流,在启动时将启动电阻串入电枢回路,待转速上升后,再逐级将启动电阻切除。,只要 选择适当,能将启动电流限制在允许范围内,随n的上升可切除一段电阻。,串入变阻器时的启动电流为:,采用分段切除电阻,可使电机在启动过程中获较大

3、加速,且加速较均匀,缓和有害冲击。,切除可手动完成,也可自动完成。 优点:启动设备简单,操作方便。 缺点:电能损耗大,设备笨重,4.1.2 降低电枢电压启动,开始启动时将低电压,则,,并使,采用降压启动时,需专用调压电源,直流发电机, 或可控硅整流电源。 用发电机,调节励磁达到调压; 用可控硅整流电源,用触发号控制输出电压。 优点:启动电流小,能量损耗小, 缺点:设备投资大。,限制在一定范围内。,4.1.3 改变直流电动机转向的方法,影响转矩符号的因素: 1、磁通 2、电枢电流,4.2 他励直流电动机的工作特性,工作特性:U=UN,If=IfN,电枢回路不串电阻的情况下,负载P2变化时,电机的

4、转速n、转矩T、效率分别随输出功率P2变化的关系曲线。,4.2.1 转速特性,n=f(P2),U = Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa) / (Ce),影响转速n的因素有: 1)电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大,使转速趋于下降; 2)电流增大时,电枢反应的去磁作用使得磁通下降,使转速趋于上升。,一般电阻压降的影响较大,所以随着电流的增大,电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小,所以转速下降比较平缓。电流增大,电压恒定时意味着P2增大,所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线(硬特性)。,4.2.2 转矩特性,T = f (P2),T=T2+T0=P2/(2n/60)

5、+ T0,他励直流电动机在负载变化时,转速变化很小,可以近似认为T0=常数。,如果不考虑转速的变化,则T=f (P2)为一条直线,考虑到转速略有下降,所以T=f (P2)为一条略微上翘的曲线。,4.2.3 效率特性, = f (P2),参见一般直流电机效率曲线 ,不变损耗与可变损耗相等时有最大值。,他励电动机工作特性,4.3 他励直流电动机的机械特性,机械特性:n=f(T)是指U=UN,If=IfN时,改变负载的过程中,转速n随电磁转矩T变化的函数关系。,4.3.1 机械特性方程,n=f(T),U=Ea+Ia(Ra+ Rp),按电动机惯例,列写回路电压方程:,Rp: 电枢回路串入的电阻,用电枢

6、回路总电阻考虑电刷接触压降。,n=U-(Ra+Rp)Ia/(Ce) (来自于电压平衡方程),Ia=T/(CT),n=U/(Ce)-(Ra+Rp)/(CeCT2)T = n0L-kT,其中,n0=U/(Ce)为理想空载转速,而k=(Ra+Rp)/(CeCT2)为机械特性的斜率 。,一般写法:,称为理想空载转速。,实际空载转速,4.3.2 固有机械特性方程,改变三个量U、Rp 中任意一个,可以改变机械特性曲线形状。,U=UN, =N, Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为 :,4.3.3 人为机械特性,改变三个量U、Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。,1、电枢回路串电阻时的人为

7、机械特性,对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。,特点:1) 不变, 变大; 2) 越大,特性越软。,2、改变电枢电压的人为机械特性,特点:1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,2、减少气隙磁通的人为机械特性,特点:1)弱磁, 增大; 2)弱磁, 增大,4.4 串励直流电动机的机械特性,串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联,所以Ra是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流 I = Ia,故T=CTIa=CT K Ia2, 解出Ia并带入上式可得:,出发点:,电压不变时,n与sqrt(T)反比,当负载转矩增大时,转速n下降很快。(软特性) 上述结论是在负载较小、电流较小电机

8、不饱和的情况下得出的。 并励电动机的n = f (T) 是斜率很小的一次曲线。(硬特性) 当负载转矩很小时,T也很小,n会达到危险的高值,所以串励电动机不允许空载启动和运行。,串励机械特点:,同样大的起动电流时,串励电动机能产生更大的启动转矩,常用于启动较为困难的场合。 串励电动机转矩增大时转速在减少,功率增加缓慢,故该电机过载能力较强。,4.5 复励直流电动机的机械特性,复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。 如果并励绕组起主导作用,则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用,则接近串励电动机。 复励电动机空载时,由于有并励绕组接通,所以空载转速不会太

9、高。,4.6 负载的机械特性,负载的转矩特性,就是负载的机械特性,简称负载特性。,一、恒转矩负载特性,恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。,1.反抗性恒转矩负载,2.位能性恒转矩负载,二、恒功率负载特性,恒功率负载特点是:负载转矩与转速的乘积为一常数,即 与 成反比,特性曲线为一条双曲线。,三、泵与风机类负载特性,负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。,四、拖动系统的运动方程式,根据如图给出的系统(忽略空载转矩),可写出拖动系统的运动方程式:,其中 为系统的惯性转矩。,系统旋转运动的三种状态,1)当 或 时

10、,系统处于静止或恒转速运行状态,即处于稳态。,2)当 或 时,系统处于加速运行状态,即处于动态。,3)当 或 时,系统处于减速运行状态,即处于动态。,4.7 电动机稳定运行的条件,处于某一转速下运行的电力拖动系统,由于受到某种扰动,导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态,如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态,或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行,则系统是稳定的,否则系统是不稳定的。,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是:,1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在,2.充分条件: 在交点 处满足 。 或者说,在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。,4.

11、8 他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。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。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性,使工作点发生变化,转速发生变化。调速前后,电动机工作在不同的机械特性上,如果机械特性不变,因负载变化而引起转速的变化,则不能称为调速。,4.8.1调速指标:,一、调速范围:,二、静差率(相对稳定性):,%越小,相对稳定性越好;%与机械特性硬度和n0有关。,指负载变化时,转速变化的程度

12、,转速变化小,稳定性好。,D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,三、调速的平滑性,越接近1,平滑性越好,当 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。,四、调速的经济性,在一定的调速范围内,调速的级数越多,调速越平滑。相邻两级转速之比,为平滑系数 :,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,4.8.2调速方法,一、电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻Rs1后,工作点由AAB,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,结论:带恒转矩负载时,串电阻越大

13、,转速越低。,优点:电枢串电阻调速设备简单,操作方便。,2)低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差;,3)轻载时调速范围小,额定负载时调速范围一般为D2;,4)损耗大,效率低,不经济。对恒转矩负载,调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变,输入功率不变,输出功率却随转速的下降而下降,减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点:1)由于电阻只能分段调节,所以调速的平滑性差;,二、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似,调速过程中转速和电枢电流(或转矩)随时间变化的曲线也相似。,二、降低电源电压调速,优点: 1)电源电压能够平

14、滑调节,可实现无级调速。,2)调速前后的机械特性的斜率不变,硬度较高,负载变化时稳定性好。,3)无论轻载还是负载,调速范围相同,一般可达 D=2.512。,4)电能损耗较小。,缺点: 需要一套电压可连续调节的直流电源。,三、减弱磁通调速,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论:磁场越弱,转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,优点:由于在电流较小的励磁回路中进行调节,因而控制方便,能量损耗小,设备简单,调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大,电动机的输入功率增大,但由于转速升高,输出功率也增大,电动机的

15、效率基本不变,因此经济性是比较好。,2)转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制,升速范围不可能很大,一般 D2;,为了扩大调速范围,通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来,在额定转速以上,采用弱磁调速,在额定转速以下采用降压 调速。,缺点:1)机械特性的斜率变大,特性变软;,4.8.4 调速方式与负载类型的配合,容许输出: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。,充分利用:指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值,即电枢 电流达到额定值。,当电动机调速时,在不同的转速下,电枢电流能否总保持为额定值,即电动机能否在不同转速下都得到充分利用,这个问题与调速方

16、式和负载类型的配合有关。,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件,他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,电动机的容许输出功率与转速成正比,而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。,电枢串电阻调速和降压调速时,磁通 保持不变,若在不同转速下保持电流 不变,即电机得到充分利用,容许输出转矩和功率分别为:,电动机的容许输出转矩与转速成反比,而容许输出功率为恒值-恒功率调速。,减弱磁通调速时,磁通 是变化的,在不同转速下若保持电流 不变,即电机得到充分利用,容许输出转矩和功率别为:,为了使电动机得到充分利用,拖动恒转矩负载时,应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时,恒功率调速方式。对风机类负载

17、,三种方式都不是十分适合,但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。,4.9 直流电动机的制动,一、能耗制动,二、反接制动,1、电压反接制动,2、倒拉反转反接制动,三、回馈制动,回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况: 1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限; 2、当电车下坡时,运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限。,回馈制动状态下瞬态过程有以下两种情况: 1、降压调速过程中; 2、弱磁状态下增磁调速过程中。,降压调速时产生的回馈制动,增磁调速时产生的回馈制动,4.10 直流电机的换向,直流电机小结,本章例题,本章习题: 4-4 , 4-6 , 4-7 , 4-8,本章思考题: 4-12 , 4-13 , 4-17 , 4-18 4-21,认真阅读本章内容,

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