1、电机与拖动基础,范国伟安徽工业大学,第3章 直流电动机的电力拖动,电力拖动系统的基本概念 由原动机带动生产机械运转称为拖动。 以电动机为原动机带动生产机械运转的拖动方式称为电力拖动。电力拖动系统的组成：,电源,电动机,控制,设备,传动机构,工作机构,21电力拖动系统运动方程式,单轴电力拖动系统 ：电动机转轴直接拖动生产机械运转的系统 三部分在同一轴线上 三部分转速相同 一般指风机、水泵等,电动机,传动装置,（连接器）,生产机械,T,TL,系统运动方程式,在上图的单轴电力拖动系统中若Td=TL说明系统静止、匀速运动 加速度Td TL说明系统加速(产生加速度) 加速度系统运动方程式：在工程上往往不
2、用转动惯量，而用飞轮矩GD2表示旋转体的惯性。()回转直(半)径，与物体的半径不同，详见专表。,各物理量正方向的规定,转速n规定某一旋转方向为正，反之为负； T与n正方向相同为正，反之为负； TL与n正方向相反为正，反之为负。 例,22多轴电力拖动系统简化,在实际应用中： 为了满足生产工艺的要求，生产机械的运行速度一般很低； 而电动机为了合理经济地使用材料，制造较高转速的电机。 电机的 P = 2Tn/60 即 P Tn 在P一定时 n T 或 n T而电机的mIs 若使 T (或Is) 电机体积增大 因此电动机不直接与生产机械联接(单轴系统)而 需在两者之间加减速机构如减速齿轮箱,蜗轮蜗杆
3、或皮带轮等传动装置构成多轴系统.,多轴电力拖动系统,由于不同转轴上具有不同的转动惯量和转速, 因而不可能用一个运动方程式来描述整个系统 原则上可列出每根轴自身运动方程式，再列出各轴间互相联系的方程式，最后把这些方程式联立求解，才能分析研究整个系统的运动状况为了方便起见：我们力图用某一轴的运动来代表整个系统的运动 在工程应用中：通常是把整个系统折算电动机轴上，用电动机轴的运动代表整个系统的运行,一、负载转矩的折算,折算的实质：把系统各个部件的参数折算电动机轴上 折算的原则：要求折算前后系统在能量关系和动力学性能方面是等效的 一、负载转矩的折算 （原则：传送功率不变） 设TL折算到电机轴的等效负载
4、转矩Tdx 则：TdxdTLL/ cTdx=TL L d c=TL / j c c为整个系统的传动效率，且为各传动部件的传动效率之积c j为系统的传动比，且为各传动部件的转速比之乘积 j = j1 j2 j3 j n,二、转动惯量的折算,原则：系统的动能不变 系统总的折算到电动机的动能dxd2/ 2此总的动能应为各部件动能之和：工程上用近似计算(认为电机和负载的动能大)若生产机械负载的飞轮矩也未知,则更简单:,电机轴,第一轴,第二轴,负载轴,且,代入上式化简为：,取1.11.25,=1.151.3,23负载的转矩特性,负载的转矩特性描述的是负载的转矩随转速变化TL=f(n)关系。 包括恒转矩、
5、恒功率、风机类。 1. 恒转矩负载特性 包括反抗性和位能性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载 又称摩擦转矩、反作用转矩 特点：转矩的方向总是阻碍运动方向，当运动方向改变时，反抗性转矩的方向随之改变；但大小（绝对值）不随转速变化；当n=0时，反抗性转矩的大小、方向是不确定的；机械特性位于、 象限，且与纵轴平行的直线。,n,T,-TL,+TL,n,TD,n,23负载的转矩特性,位能性负载特性 特点： 由重力作用产生的； 转矩的大小恒定不变； 作用方向也保持不变,当n0时TL0 为阻碍运动的制动转矩，当n0为帮助运动的拖动转矩； 机械特性是穿过、象限的直线。 起重机的提升机构、矿井卷扬机等。,n,TL,T
6、L,TL,n,n,23负载的转矩特性,2. 恒功率负载 当n变化时,从电动机吸收的功率基本不变。KTL = - n 即：P = T 常数 3. 风机类负载 鼓风机、水泵、输油泵等。其转矩与转速的 二次方成正比。即 TL n2 写为：TL=K n2 实际负载可能是几种典型的综合,如实际风机。,n,n,T,T,电力拖动系统稳定运行的条件,电动机的机械特性与负载转矩特性在 Tn 平面上有相交点，是电力拖动系统可能稳定的必要条件；（但不够充分）稳定运行充分条件：若电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于某种干扰使转速变化，可达到新的平衡。干扰消除后，可回到原来的平衡点位置，则称此系统是稳定的。,电力拖动系
7、统稳定运行的条件,例1:如右图他励直流电机拖动恒转矩 负载时受到电网电压的变化干扰：原稳定工作在A点 当电网电压U下降，使机械特性偏 移到B点,TTL系统加速， 沿DA上升，恢复到A点稳定工作。此系统属稳定系统。 UTB点T TLnEa Ia=UEa/RT=CTIa T = TL稳定在A点。,T,TL,n,n0,n0,A,B,C,D,判断稳定的方法,不稳定运行的系统 例2：图示差复励电动机机械特性原在A点平衡运转，因电网电压扰动引起机械特性变化,平衡点离开A点：UBT TLnT TLn飞车 UCT TL时系统稳定,或,在 T TL处：,T,TL,n,A,B,C,怎样判断稳定？,例3. 试判断下
8、例系统是否稳定?(a)表示电动机机械特性T的硬度为负值,而负载转矩TL硬度为正值； (b)表示电动机机械特性T和负载转矩TL硬度都为正值； (c)表示电动机机械特性T和负载转矩TL硬度都为负值； 上三系统的交点转速之上：T TL 所以系统不稳定。,(a),(b),(c),(d),(e),(f),T,T,T,T,T,T,TL,TL,TL,TL,TL,TL,M,n,2 4 他励直流电动机的启动,一、直接起动 电枢电流 Ia = (UEa) / Ra 将停转的直流电机直接通入额定电压，瞬间 n =o, Es=o 起始电流 Ia= Ua / Ra =(1020)IaN 由于绕组Rs很小，起动电流很大带
9、来的影响为： 巨大电磁力损坏绕组； 保护装置动作无法起动； 电网电压波动影响其他设备； 换向恶化； 冲击力大，损坏传动装置。 因此，直流电动机是不允许直接起动。,他励直流电机的起动方法,在直流电机起动时：电枢的电流起动时若降低启动电流,需降压或加大Ra降低电枢电压；增加电枢回路电阻电枢中串电阻。,起动方法, 降压起动,同步上升,Ia,2IL,IL,实际,n,n0,T,TL,2TL,U Ra,电机启动时降低供给电枢起始电压，可防止过大起动电流； 随电机转速升高，反电势Ea亦上升，逐渐同步增加电压，可保证起动过程中电枢电流不超过允许值。, 串电阻起动（串一级电阻起动）,Ia= UNRa+R 在电枢
10、回路串电阻后能降低起动电流，但串一级 电阻往往不能在限定电流条件下切换到固有特性。 问题：、串电阻值小，启动电流仍很大；、串电阻值大,升速慢,切换后电流仍很大；一般采用多级电阻起动。,n,T,TL,T1,固有,三、串多级电阻起动的计算,一般选 T1= TN（ = 1.52.5)T2 = (1.11.2) TL ; 使用电机时选= (1.11.2) TL 先选择起动级数m , 再计算:（其中Rm=Ue1） R1= a 每段所串电阻 1=R1RS R2= 2a 2=R2R1 Rm= ma m=RmRm-1,U,Rs,R2,R1,R3,R1,R2,R3,1C,2C,3C,n,A,T,T1,T2,TL
11、,计 算 题,例1、一台直流电机PN=10KW，UN=220V，nN=1500r/min，IN=53.8A。试求：直接起动时的Ia；限制Ia100A应串最小电阻值? TL=TN恒转矩负载、降压起动时最初起动电流Ist=?最小电压Umin=?,解：,估算,分 析 题,例2、一台他励直流电机,起动前励磁绕组断线。 但末发现空载起动和满载起动各会产生什么后果？ （原因励磁回路通电后，没注意观察有否电流，就合电枢回路电源） 解： 空载时起动会导致飞车,剩磁 愈小特性愈陡n愈大； TL=TN时起动不了,停转时通 电时间长了会烧坏绕组。,n,n0,n0,T,T0,固,弱磁人为特性,TN,2 5 他励直流电
12、动机的调速,根据直流电机转速方程： 式中 n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ce 由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻 R。,电力拖动系统的调速指标,机械调速有级调速,需停机不方便电气调速无级调速,易实现自动化 1调速范围相对稳定性：指负载转矩变化下转速变化的程度.转速变化愈小,相对稳定性愈好. 不同生产机械对D的要求是不同：车床D20120；龙门 刨床D20120；造纸机D320；轧钢机D3120。,
13、生产机械速度调节,受机械强度、换向等限制,受相对稳定性的限制。,电力拖动系统的调速指标,2、静差率（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。 固有特性 串电阻人为特性 均不相同 变电压人为特性 1= (800-700)800 = 0.175 2= (200-100)200 = 0.5 3= (800-100)800 = 0.875 结论：静差率越小，相对稳定性越高；低速特性的大于高速特性,因此只要低速时稳定,高速时一定是稳定的； 一般设备 0.5、机床 0.7、要求最高的是造纸机 0.01,800,400,200,电力拖动系统的调速指标,、平滑性：在一定调速范围,调速
14、的级数愈多则认为调速愈平滑 值愈接近时，则平滑性愈好。 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。,电力拖动系统的调速指标,、调速时功率与转矩的配合（或调速时的容许输出） 允许输出的功率与转矩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。例：一台直流电机,当= e,Is=Ie,在此条件下允许输出的转矩Me=Cme Ie；允许输出的功率(n=ne)Pe=Me e，以上为电机长期工作的允许值。、调速的经济指标（设备投资、运行费用、能量损耗、维修费用）电动机轴上功率 调速时的损耗功率,他励直流电动机的调速,一、电枢串电阻调速 工作条件： 保持励磁
15、= N ；保持电压 U =UN ； 调节过程：增加电阻 Ra RR n ，n0不变； 此方法：调速指标不高 调速范围不大(空载时调速作用小低速时特性软)； 调速的平滑性不高,为有级调速； 大量电功率消耗在所串电阻上； 此调速方法属恒转矩调速。 优点是：方法简单,控制设备不复杂,n,nN,n1,n2,T,TN,T0,Rs,R1,R2,他励直流电动机的调速,二、降低电枢电压调速 工作条件： 保持励磁 = N ；保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN UU n ， n0 降压调速的特点： 低速与高速相同，但变大； D大调速范围宽； 无级调速，平滑性好； 恒转矩调速（同串电阻）； 能耗小，
16、初投资，不易维护。 此种调速被认为是直流电机的最佳方式,n,nN,n1,n2,T,TN,他励直流电动机的调速,三、弱磁调速 调节励磁电流 改变 当减弱时，n0n 从而达到调节电动机的转速目的。弱磁调速的特点： 调速范围不大,一般,特殊设计的调磁直流电机的34； 弱磁调速时n0增大,n亦有所增大,静差率基本保持不变,稳定性好。 励磁电流可连续调节，平滑性好，可无级调速。 调速时允许的Is不变，允许输出的转矩T=CT Ia随磁通减少，而转速升高；PTN则基本不变，故属恒功率调速。 弱磁调速只能将转速向上调，而转速的上升受换向和机械强度限制,n,nN,n1,n2,T,TN,固,2,1,N,N12,三
17、种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,26 他励直流电机的制动运行,
18、什么叫制动？制动包括哪几种情况？所谓制动：就是使拖动系统从某一稳定转速减速或至停止；或者限制位能性负载的速度（吊车下放重物，电机车下坡行驶等）使其在某一转速下稳定运行。 当电动机拖动的生产机械需减速停车时,需要产生一个与旋转方向相反的转矩来进行制动机械制动利用机械摩擦获得制动转矩(抱闸)。电气制动使电机的电磁转矩与旋转方向相反,而成为制动转矩。 电气制动没机械磨损，容易实现自动控制，应用广泛主要介绍。,制动方法,制动的特点和分类,电动机制动运行的主要特点是电磁转矩的方向与转速方向相反。T T 能耗制动 制动方法 反接制动 回馈制动,电动状态,制动状态,同方向,反方向,电压反接制动 转速反转反接
19、制动,一、能耗制动,能耗制动:指运转的电机断开电源后, 将系统的动能消耗在电阻上,同时产生 制动转矩使电机尽快地停转。 能耗制动的开始,K接触器 线圈失电,常开触点打开(断开 UN),常闭触点闭合,由于断电 瞬间不能突变,旋转的电枢 绕组切割主极磁场,产生感应 电势Ea,通过Rn构成闭合回路的电流IA,消耗系统的动能。 此时Ia与原接通N时的Ia方向相反，产生制动转矩T与方向相反而成为制动转矩，使电机很快停车。,能耗制动的分析,机械特性方程变成：T (Ra+Rn)/CeCm2为通过原点位于二、 四象限的直线。直线斜率决定于串接Rn的大小 制动电流决定于串接Rn的大小,TN,n,A,T,Mfz,
20、Rs,Rn2 Rn1 Rs,Rn2,Rn1,能耗制动的分析,带反抗性恒转矩负载的能耗制动（电机制动至n=0） nEaIaT0TL0 带位能性恒转矩负载的能耗制动（电机制动至nc） 从B点到原点同上,当T 而 TL为正 能耗电阻的计算 (=22.5)na INa INa,n=0 停车 (稳定在原点),n反向上升,直至稳定在nc,n,nc,T,TL,TL,TN,C,A,B,能耗制动的注意事项, 注意： 高速运行时进行能耗制动，电枢回路一定要串限流电阻Rn,否则电枢电流 IaIN(造成影响与直接起动相似) 为达到快速停车的目的，可采用两级能耗制动，即为特性上降到nB点时，为了再次增大制动转矩，减少所
21、串电阻Rn，使其转到特性加快制动至停止。,TL,T, TN,nB,A,TB,能耗制动的应用： 反抗性负载准确停车 位能性负载稳速下放,二、反接制动,、电压反接制动（将电枢电压 极性反向，而激磁电流不变）在电机电动运行状态时，改变 电枢所加电压极性,即变为负, 为了防过大电流,同时在电枢回路 中串入限流电阻Rf，此时： 电流变为负值,电磁转矩亦变为 负,与n转向相反,进入制动状态。 从机械特性方程上:,n,-n0,T,TL, TN,A,B,D,带不同负载的反接制动,带反抗性恒转矩负载的电压反接制动 制动至0或稳定至-nE若 -TD -TL反向起动至-nE带位能性恒转矩负载的电压反接制动(电机高速
22、下放重物）电机制动到n=0,-TD TL 反向起动; 到n=-n0,仍TD TL 被拖至-nc稳定运行制动电阻的计算,电机制动到n=0时,n,T,TN,TL,-TL,-TD,A,B,C,D,E, 一般取22.5,、转速反向反接制动 (电势反接制动 ),这种制动通常应用在起重机下放重物：电动机正向接通 电源，其转矩方向拟使重物提升, 但由于电枢串电阻R电 阻过大,使电机的起动转矩TstTL，被TL被倒拖向反转， 稳定运行于- nc。 此时T与电动状态相同为正,而n为 负-称区间为转速反向反接制动,n,T,TL,A,B,C,D,nc,电阻计算:,三、回馈制动,特点：除n与M反向,还nn0 可能出现
23、的情况: 降压调速过程中电机原带TL稳定工作在A点 (电动状态)电压的降落由于n 不能突变,从特性移到的 B点;此时nAn0且TB为负(BC区 间处回馈制动状态)。,n,n0,n0,T,TL,A,B,C,回馈制动出现情况,高速下放重物在上述电压反接制动(BD区间) 中,反向电动到-n0时TD-n0且TD 为正,故电机进入回馈制动。 回馈制动共同特点是：将机械能(动能和位能)变换为电能,同时消耗在电枢回路的电阻上和大部分回送电网。,n,-n0,T,TL,A,B,C,E,27 直流电力拖动系统的过渡过程,静态特性：同一时间里转矩（或电流）和转速相互关系：n=f(T) 亦称机械特性 动态特性：生产机
24、械及电动机的各量对时间的变化关系。 如：TD=f(t), TL=f(t), n=f(t), P=f(t), Ia=f(t), IL=f(t) 电力拖动系统的过渡过程是指电机在起动、制动、反转、调速及负载突变时，系统从一个稳态到另一稳态中的动态过程，研究各电量随时间变化的情况（规律）,一、电机起动时的机械过渡过程,1、串一级电阻起动的过渡过程（写出Ia的微分方程）机电时间常数 Tm= GD2R375CeCm2解的形式为：Ia IwKe-t/Tm 代入初始条件t=0 Ia=Iqs IaIw（Iqs-Iw)e-t/Tm (A)同理： nw（nqsnw）e -t/Tm T Tw（TqsTw）e -t/
25、Tm,t,t,n,Is,Iqs,Iw,nw,nqs,t0,t0,t0,、串多级电阻起动的过渡过程,t,n,n,T,T,TL,t,t1,t1,t2,t2,t3,t3,T1,T2,每一级起动的时间常数不同；起始值和稳定值不同，过渡过程的曲线具一定的特点。,二、电气机械过渡过程： 是二阶微分方程，根据特征方程根的不同：解的形式为二个不同时间常数的指数函数叠加或是衰减的指数函数。,t0,二、能耗制动时的过渡过程,n,n,t,t,t1,t1,nc,nc,T,T,TL,TL,TN,带不同负载转矩时能耗制动的结果不同。,C,A,B,二级能耗制动时的过渡过程,n,n,t,t,t1,t1,t2,t2,TN,T,T, TN,nB,A,能耗制动的不同结果 反抗性负载准确停车 位能性负载稳速下放,TB,电压反接制动时的过渡过程,n,n,T,T,TN,TL,-TML,-TD,t,t,A,B,C,D,E,nE,带不同负载转矩时电压反接制动的亦结果不同。,电势反接制动时的过渡过程,n,n,t,t,T,T,TL,A,B,C,D,nc,电势反接制动时的过渡过程为DC段,
