直流電氣傳動

1、Page 1第 八 章 直 流 電氣傳動Page 2本章教學基本要求1. 掌握他勵直流電動機的機械特性，能繪制固有機械特性曲線和人為機械特性曲線；2. 掌握他勵直流電動機的串電阻啟動方法，并能設(shè)計與計算啟動電阻；3. 掌握他勵直流電動機的制動和調(diào)速方法；4. 掌握電氣傳動系統(tǒng)機械過渡過程的基本概念，基本原理和方程；5. 理解單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理。Page 3重點 他勵直流電動機拖動系統(tǒng)的啟動、制動、調(diào)速運行基本規(guī)律。 Page 43.1他勵直流電動機的機械特性 機械特性表達式 (3-1) Page 53.1他勵直流電動機的機械特性 機械特性表達式 式中為T=0 時的轉(zhuǎn)速， 稱為理想

2、空載轉(zhuǎn)速； 2F+=TeaCCRRb 是機械特性的斜率。 Page 63.1他勵直流電動機的機械特性 他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩T的增大而降低。即負載時轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速n0，負載時轉(zhuǎn)速下降的數(shù)值稱為轉(zhuǎn)速降，用n表示為 Page 73.1他勵直流電動機的機械特性 顯然，n與成正比，當越大，n就越大。通常稱值大的機械特性為軟特性，即在電力拖動系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速 產(chǎn)生影響大，那么系統(tǒng)抗干擾能力弱； 值小的機械特性為硬特性，即在電力拖動系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速 產(chǎn)生影響小，那么系統(tǒng)抗干擾能力強。對于一個恒速運行的系統(tǒng)，我們

3、總希望值越小越好。 Page 8固有機械特性 當電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時，即 , , 這種情況下的機械特性，稱為固有機械特性。其表達式為 (3-2) ， ， ， Page 9固有機械特性 圖3-1他勵直流電動固有機械特性 他勵直流電動機固有機械特性是一條下斜直線，特性較硬。機械特性只表征電動機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，是電動機本身的能力體現(xiàn)，至于電動機具體運行狀態(tài)，還要看拖動什么樣的負載。 Page 10人為機械特性 圖3-2電樞串電阻人為機械特性 他勵直流電動機的參數(shù)如電壓、勵磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機械特性稱為人為機械特性。主要人為機械

4、特性有三種。 1.電樞回路串電阻的人為機械特性(3-3) 電樞加額定電壓UN，每極磁通為額定值FN，電樞回路串入電阻R后，機械特性表達式為Page 11人為機械特性圖3-3 改變電樞電壓人為機械特性 2改變電樞電壓的人為機械特性(3-4) 保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，只改變電樞電壓時，機械特性表達式為Page 12人為機械特性圖3-4 減少每極磁通人為機械特性 3 .減少氣隙磁通量的人為機械特性 電樞電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻時，僅改變每極磁通的人為機械特性表達式為(3-5) Page 13根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)繪制機械特性 1.固有機械特性的繪制(1)估算或?qū)崪yRa；(2

5、)計算CeFN；(3)求n0；(4)計算TN 。 在坐標紙上標出(0, n0)，(TN , nN)兩點，過此兩點聯(lián)成直線，即為該直流電動機的固有機械特性。Page 14根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)繪制機械特性 2.人為機械特性的繪制 各種人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)代入相應(yīng)的人為機械特性方程式即可。 Page 153.2他勵直流電動機的啟動 系統(tǒng)啟動的要求 他勵直流電動機啟動時，為了產(chǎn)生較大的啟動轉(zhuǎn)矩及不使啟動后的轉(zhuǎn)速過高，應(yīng)該滿磁通啟動，即勵磁電流為額定值，每極磁通為額定值。因此啟動時勵磁回路不能串電阻。而且絕對不允許勵磁回路出現(xiàn)斷路。 Page 16啟動方法 圖3-6 電樞回路串電阻

6、啟動1電摳回路串電阻啟動電摳回路串電阻R，啟動電流為Page 17電摳回路串電阻啟動1) 分級啟動電阻的計算點點點點點點設(shè)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2和n3時，電動勢分別為Ea1、Ea2和Ea3、則有： Page 18電摳回路串電阻啟動2) 計算各級啟動電阻的步驟 （1）估算或測出電樞回路電阻Ra；（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的最大電流I1；（3）選取啟動級數(shù)m；（4）計算啟動電流比： , m取整數(shù)；（5）計算轉(zhuǎn)矩：T2=T1/校驗T2（1.11.2）TL ；如果不滿足，應(yīng)另選T1或值m并重新計算，直到滿足該條件為止；（6）計算各級啟動各級電阻和分段電阻。Page 19降電壓啟動 圖3-7 降

7、壓啟動降低電源電壓到U ，啟動電流為 負載為巳知，根據(jù)啟動條件的要求，可以確定電壓的大小。有時為了保持啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大及電樞流一直較小，可以逐漸升高電壓U，直至最后升到UN。Page 203.3他勵直流電動機的電動與制動 (1)電動機穩(wěn)態(tài)工作點是指滿足穩(wěn)定運行條件的那些電 動機機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性的交點，電動機在工作點恒速運行。(2)電動機運行在工作點之外的機械特性上時，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩不相等系統(tǒng)處于加速或減速的過渡過程。(3)他勵直流電動機的固有機械特性與各種人為機械特性，分布在機械特性的四個象限內(nèi)。(4)生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性，有反抗性恒轉(zhuǎn)矩、位能性恒轉(zhuǎn)矩、泵類等典型負載轉(zhuǎn)矩

8、持性，也有由幾種典型負載同時存在的各種負載轉(zhuǎn)矩特性，他們分布在四個象限之內(nèi)。 Page 21他勵直流電動機的電動 圖3-8 他勵直流電動機電動運行1. 正向電動運行 他勵直流電動機工作點在第象限時，如圖3-8所示的A點和B點，電動機電磁轉(zhuǎn)矩T0，轉(zhuǎn)速n0，這種運行狀態(tài)稱為正向電動運行。 Page 22他勵直流電動機的電動 圖3-8 他勵直流電動機電動運行2. 反向電動運行 若拖動反抗性負載，正轉(zhuǎn)時電動機工作點在第象限，反轉(zhuǎn)時，電動機工作點則在第象限，如圖3-8所示的C點，這時電動機電源電壓為負值。在第象限運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T0，轉(zhuǎn)速n0,T與n仍同方向，T仍為拖動性轉(zhuǎn)矩，其功率關(guān)系與正向電動運行

9、完全相同，這種運行狀態(tài)稱為反向電動運行。他勵直流電動機的電動他勵直流電動機的制動制動： 指通過某種方法產(chǎn)生一個與拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相反的阻轉(zhuǎn)矩以阻止系統(tǒng)運動的過程。制動作用： 它可以維持受位能轉(zhuǎn)矩作用的拖動系統(tǒng)恒速運動，如起重類機械等速下放重物。列車等速下坡等。也可以用于使拖動系統(tǒng)減速或停車.他勵直流電動機的制動實現(xiàn)制動方法有： 機械制動，即剎車，它是用磨擦力產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)制動的。其特點是損耗大，多用于停車制動，如起重類機械的抱閘；電氣制動，是使電動機變直流發(fā)電機將系統(tǒng)的機械能或位能負載的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，消耗在電樞電路的總電阻或回饋電網(wǎng)。他勵直流電動機的制動電氣制動方法分： 能耗制動，反接制動，再生

10、制動。直流電機正常工作時，出現(xiàn)制動狀態(tài)情況分析如下：(1)要求停車 切斷電樞電源，自由停車，或小容量電機切斷電源，機械抱閘，幫助停車。(2) 降速過程中： 在降壓調(diào)速幅度比較大時，降速過程中要經(jīng)過制動狀態(tài)。他勵直流電動機的制動(3) 提升機構(gòu)下放重物 提升機構(gòu)下放重物時，電動機要處于制動狀態(tài)。(4) 反轉(zhuǎn) 電動機從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，首先要制動停車，然后才能反向起動，從上面分析可見，制動不能簡單地理解為停車，停車只是制動過程中的一種形式而以。Page 28他勵直流電動機的制動 圖3-9 能耗制動過程 1.能耗制動1) 能耗制動過程(dynamic braking process)他勵直流電動機的制動

11、特性方程及制動電阻: 特性是一條過原點的直線，在第二象限，特性斜率取決于能耗制動電阻 Rc。他勵直流電動機的制動 Rc越大，特性越斜， Rc越小，特性越平，但Rc不能太小，否則在制動瞬間會產(chǎn)生過大的沖擊電流，取IB=(22.5) IN，IB為制動瞬間的電樞電流，設(shè)制動瞬間電勢為EB ，有： 當制動時轉(zhuǎn)速大于或等于nN時，認為EB與U近似相等。Page 31功率流程圖(a)電動運行 (b)能耗制動 (c)倒拉反轉(zhuǎn)和反接制動 (d)回饋制動圖3-10 他勵直流電動機各種運行狀態(tài)下功率流程圖Page 32能耗制動運行 圖3-11 能耗制動運行 他勵直流電動機如果拖動位能性負載，本來運行在正向電動狀態(tài)

12、，突然采用能耗制動。 能耗制動運行能耗制動能耗制動特點:(i) 制動時 U=0，n0=0 ，直流電動機脫離電網(wǎng)變成直流發(fā)電機單獨運行，把系統(tǒng)存儲的動能，或位能性負載的位能轉(zhuǎn)變成電能( EaIa)消耗在電樞電路的總電阻上I2(Ra+Rc).(ii) 制動時， n與T成正比 ,所以轉(zhuǎn)速n 下降時，T也下降，故低速時制動效果差，為加強制動效果，可減少Rc，以增大制動轉(zhuǎn)矩T ，此即多級能耗制動(iii) 實現(xiàn)能耗制動的線路簡單可靠，當n=0 時T=0 ,可實現(xiàn)準確停車。能耗制動應(yīng)用 能耗制動多用于一般生產(chǎn)機械的制動停車，對于起重機械，能耗制動可使位能性負載的恒低速下放，確保生產(chǎn)安全，對反抗性負載能確保

13、停車。反接制動過程1.電壓反接的反接制動(1)方法： 將正在運行的電機電樞串入制動電阻 Rc，且電樞兩端電壓極性改變。要實現(xiàn)反接制動電路有兩種，一種手動適合小容量電動機，另一種是自動線路適合大容量的電動機采用。Page 37反接制動過程 圖3-12 他勵直流電動機反接制動過程 反接制動停車是把正向運行的他勵直流電動機的電源電壓突然反接，同時在電摳回路串入限流的反接制動電阻R來實現(xiàn)的。 Page 38反接制動接著反向啟動圖3-13 反接制動接著反向啟動的機械特性 他勵直流電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載進行反接制動的機械持性如圖3-13所示。 反接制動反接制動方程式為：特性BC段為電壓反接制動機械特性

14、曲線。反接制動制動電阻Rc的計算反接制動2.倒拉反轉(zhuǎn)運行Page 43倒拉反轉(zhuǎn)運行圖3-14 倒拉反轉(zhuǎn)運行 他勵直流電動機如果拖動位能性負載運行，電樞回路串入電阻時，轉(zhuǎn)速n下降，但是如果電阻值大到一定程度后，見圖3-14所示，就會使轉(zhuǎn)速n0，與n方向相反，是一種制動運行狀態(tài)，稱為倒拉反轉(zhuǎn)運行或限速反轉(zhuǎn)運行。反接制動電阻計算反接制動( 1 ) 電壓反接制動時 說明從電源吸收電能 說明電動機從負載吸收機械能使電機處于發(fā)電狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。 上述兩部分能量加在一起消耗在電樞回路的電阻上。反接制動( 2 )電動勢反接制動時 說明從電源吸收電能 說明從負載吸收機械能上述兩部分能量全部消耗在電樞回

15、路的電阻上，其能量關(guān)系同電壓及制動時一樣。Page 47回饋制動運行 圖3-15 降壓調(diào)速時的回饋制動過程（1）正向回饋制動運行 圖3-15所示為他勵直流電動機電源電壓降低，轉(zhuǎn)速從高向低調(diào)節(jié)的過程。 Page 48回饋制動運行圖3-16 正向回饋制動運行 如圖3-16所示。負載機械特性為曲線1和曲線2。這樣走平路時電動機則運行在正向電動運行狀態(tài)，工作點為固有機械待性與曲線1的交點A ；走下坡路時電動機則運行在正向回饋運行狀態(tài)，工作點為固有機械特性與曲線2的交點B。 Page 49 反向回饋制動運行 圖3-17 反向回饋制動運行 如果他勵直流電動機拖動位能性負載，當電源電壓反按時，工作點在第象限

16、，見圖3-17(a)所示的B點，這時電磁轉(zhuǎn)矩T0，轉(zhuǎn)速n1 ，顯然，調(diào)速的級數(shù)越多， k 越接近于1，調(diào)速的平滑性越好。當k=1 時，稱為無級調(diào)速。調(diào)速的性能指標4.經(jīng)濟性 在考慮技術(shù)指標的同時，還應(yīng)考慮設(shè)備投資、電能消耗、運行費用等。匹配問題調(diào)速時允許輸出的轉(zhuǎn)矩和功率： 電動機在額定轉(zhuǎn)速下容許輸出的功率主要取決于電機的發(fā)熱，而發(fā)熱又主要取決于電樞電流在調(diào)速過程中，只要在不同轉(zhuǎn)速下電流不超過額定值IN，電機長時間運行，其發(fā)熱不會超過允許的限度，因此，額定電流是電機長期工作的利用限度。電機在調(diào)速過程中，如在不同轉(zhuǎn)速下都能保持電流Ia=IN，則電機利用充分，運行安全。從合理使用電動機的角度考慮，提

17、出了調(diào)速方式與負載類型相配合的問題。匹配問題1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 調(diào)速過程中保持Ia=IN，=N=常數(shù)，則T=常數(shù)電動機允許輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方法稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 在實際調(diào)速時改變電動機供電電壓和改變電樞回路串入的電阻均屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電動機輸出功率P=TT=常數(shù) P ,即電動機轉(zhuǎn)速越低，輸出功率越小,P 。匹配問題允許輸出轉(zhuǎn)矩和功率匹配問題2. 恒功率調(diào)速 調(diào)速中，保持Ia=IN，若n，P =常數(shù)。 在保持電樞電流接近或等于額定值條件下，調(diào)速過程中電動機允許輸出功率不變的調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。如改變電動機主磁通 的調(diào)速方法就屬于恒功率調(diào)速方法。匹配問題說明： 在圖中， T=f（n）和 P=f（n）

18、曲線表示在保證電動機得到充分利用的條件下(即Ia=IN)，允許輸出的轉(zhuǎn)矩和功率，并不代表電動機實際輸出的轉(zhuǎn)矩和功率，電動機實際輸出的轉(zhuǎn)矩和功率要由它所拖動的負載轉(zhuǎn)矩和負載功率特性來決定。匹配問題 實際上，電動機在調(diào)速時實際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是多大，則要看電動機拖動是什么類型的負載。 如果配合適當，電機實際輸出即為允許輸出，電動機容量能充分利用，否則電機容量造成浪費。匹配問題3.調(diào)速方式與負載類型配合問題 調(diào)速方式與負載類型配合恰當，所選電動機的體積較經(jīng)濟。在不同轉(zhuǎn)速下，可較充分地利用，不致造成浪費(浪費是指電機的轉(zhuǎn)矩和功率選的過大)，或長時間運行而燒壞。(指轉(zhuǎn)矩及功率選的較小)匹配問題匹配： 最

19、好的配合方式為：恒功率負載，采用恒功率的調(diào)速方法。(弱磁調(diào)速)；恒轉(zhuǎn)矩負載，采用恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方法。(變電壓或變串入電阻調(diào)速)。 這樣匹配，使電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)容量能充分利用，且 Ia=IN 不變，電動機的調(diào)速轉(zhuǎn)矩與負載一致時，電機容量能充分利用。匹配問題調(diào)速方式與負載類型配合恰當匹配問題(1)恒功率負載與恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法配合匹配問題(2) 恒轉(zhuǎn)矩負載與恒功率調(diào)速方法配合他勵直流電動機的四個象限上的運行電動狀態(tài)： 特性在第一，三象限，其中第一象限是正向電動狀態(tài)，第三象限是反向電動狀態(tài)。制動狀態(tài)： 特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回饋制動，電壓反接制動。第四象限是反向能耗，反向回饋

20、制動，轉(zhuǎn)速反向反接制動，處在反向電動狀態(tài)時進行電壓反接的電壓反接制動。四象限運行分析電力拖動系統(tǒng)過渡過程過渡過程的概述1.穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))：指電動機轉(zhuǎn)矩T和負載轉(zhuǎn)矩TL相等。系統(tǒng)靜止不動或以恒速運動的狀態(tài)。2.動態(tài)：指 T與TL不相等，加速或減速狀態(tài)。即非平衡狀態(tài)dn/dt0，動態(tài)也稱過渡過程。 轉(zhuǎn)速由n=0升至某一轉(zhuǎn)速或從某一轉(zhuǎn)速升至另一轉(zhuǎn)速的變化過程均稱為過渡過程。產(chǎn)生過渡過程的原因外因： 例： TL變化，或電機參數(shù)變化，引起T變化。內(nèi)因：系統(tǒng)存在GD2，即機械慣性以及電磁慣性，即存在L(電感)。 GD2 的存在，使n不能突變。L的存在，使電流不能突變。若只考慮GD2影響，稱機械過渡過程；只考慮L的影響，稱電磁過渡過程；兩者都考慮稱機電過濾過程。過渡過程重點：機械過渡過程，因為較多的情況下，機械慣量的影響遠大于電磁慣量影響，為簡化分析，略去電磁慣量影響。 研究過渡過程的