第三章直流電動機的啟動制動

第三章直流電動機的啟動制動第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1直流電動機的起動3-23.1.1直接起動3.1.2電樞回路串電阻起動3.1.3降電壓起動電動機接上電源后，轉(zhuǎn)速從零到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程起動的原則：1）起動轉(zhuǎn)矩足夠大；2）起動電流??；3）起動設(shè)備簡單，可靠，經(jīng)濟。第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1直接起動3-3不采取任何限流措施，直接加額定電壓的起動稱直接起動直接起動的優(yōu)點:起動轉(zhuǎn)矩很大，不需另加起動設(shè)備，操作簡便。缺點：起動電流很大，一般可達(dá)額定的10～20倍。n=0,Ea=CeΦn=0,Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra結(jié)論：1)換向情況惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,損壞換向器2)過大轉(zhuǎn)矩將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)3)因此在起動時，除低壓、小容量外，DCM一般不容許直接起動。必須設(shè)法限制電樞電流。4）DCM起動和運行中須保證勵磁始終正常。

simulation第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電樞回路串電阻起動3-4最初起動電流：Ist=U/(Ra+Rst)最初起動轉(zhuǎn)矩：Tst=CTΦIst

為了在限定的電流Ist下獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩Tst,應(yīng)該使磁通Φ盡可能大些，因此起動時串聯(lián)在勵磁回路的電阻應(yīng)全部切除。有了一定的轉(zhuǎn)速n后，電勢Ea不再為0，電流Ist會逐步減小，轉(zhuǎn)矩Tst也會逐步減小。為了在起動過程中始終保持足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，一般將起動器設(shè)計為多級，隨著轉(zhuǎn)速n的增大，串在電樞回路的起動電阻Rst逐級切除，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后全部切除。起動電阻Rst一般設(shè)計為短時運行方式，不容許長時間通過較大的電流。第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電樞回路串電阻起動3-5分級起動時可將每一級的I1（或T1）與I2(或T2)取得大小一致，以使電動機有比較均勻的加速度，這能改善電動機的換向情況，緩和轉(zhuǎn)矩對傳動機構(gòu)與工作機械的有害沖擊simulation動畫來自/kejian/caisong/第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2降電壓起動3-6對于他勵直流電動機，可以采用專門設(shè)備降低電樞回路的電壓以減小起動電流,適用于電動機的直流電源是可調(diào)的第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2直流電動機的調(diào)速3-73.2.1電樞串電阻調(diào)速3.2.2改變電樞電源電壓調(diào)速3.2.3弱磁調(diào)速3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)拖動一定的負(fù)載運行，其轉(zhuǎn)速由工作點決定。如果調(diào)節(jié)某些參數(shù)，則可以改變轉(zhuǎn)速。n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0-βT

實質(zhì)上都是改變了電動機的機械特性，使之與負(fù)載機械特性的交點改變，達(dá)到調(diào)速的目的。第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1電樞串電阻調(diào)速3-8調(diào)節(jié)電阻Rp增大時，電動機機械特性的斜率增大，與負(fù)載機械特性的交點也會改變，達(dá)到調(diào)速目的。優(yōu)點：設(shè)備簡單、操作簡單。缺點：只能降速，低轉(zhuǎn)速時變化率較大，電樞電流較大，不易連續(xù)調(diào)速，有損耗。simulation第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2改變電樞電源電壓調(diào)速3-9因為，提高電動機電樞端電壓受到繞組絕緣耐壓的限制所以，根據(jù)規(guī)定電樞電壓只容許比額定電壓提高30%，實際上改變Ua應(yīng)用在降壓的方向，即從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速。降低電樞電壓時，電動機機械特性平行下移。負(fù)載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2改變電樞電源電壓調(diào)速3-10電樞由晶閘管整流供電的直流調(diào)速晶閘管裝置調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁的發(fā)電機-電動機機組調(diào)速優(yōu)點：調(diào)速后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不變、無級、平滑、損耗小。

缺點：只能下調(diào)，且專門設(shè)備，成本大。（可控硅調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)）第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3弱磁調(diào)速3-11減少勵磁電流時，磁通Φ減少，電動機機械特性n0點和斜率增大。負(fù)載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。因為，一般電動機的額定磁通已設(shè)計得使鐵心接近飽和，所以，改變磁通一般應(yīng)用在弱磁的方向，稱為弱磁調(diào)速，一般可以使轉(zhuǎn)速從額定值向上調(diào)節(jié)第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3弱磁調(diào)速3-12優(yōu)點：對功率較小的勵磁電路進(jìn)行調(diào)節(jié);控制方便;能量損耗小;調(diào)速的平滑性較高。常和額定轉(zhuǎn)速以下的降壓調(diào)速配合應(yīng)用，以擴大調(diào)速范圍缺點：只能上調(diào)。第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-131調(diào)速范圍D電動機在額定負(fù)載下，最大轉(zhuǎn)速nmax與最小轉(zhuǎn)速nmin之比，對負(fù)載很輕的生產(chǎn)機械，可用實際負(fù)載下的最高與最低轉(zhuǎn)速來計算第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-141調(diào)速范圍D不同生產(chǎn)機械要求的調(diào)速范圍生產(chǎn)機械類型調(diào)速范圍車床20--120龍門刨床10--40機床的進(jìn)給機構(gòu)5--200軋鋼機3--120造紙機3--20第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-152靜差率δ相對穩(wěn)定性的程度用靜差率δ來表示，是電動機在同一條機械特性上額定負(fù)載時轉(zhuǎn)速降落Δn與該機械特性的理想空載轉(zhuǎn)速N0之比。表明負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速變化的大小程度，靜差率與調(diào)速范圍是互相聯(lián)系的兩項指標(biāo)，系統(tǒng)可能達(dá)到最低速nmin決定于低速特性的靜差率調(diào)速范圍D與低速靜差率δ間的關(guān)系。第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的區(qū)別然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-17第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為

nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系3-18第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，

nN

值一定，由式可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)結(jié)論

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。3-19第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為，額定速降nN=115r/min，當(dāng)要求靜差率s≤30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-20第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-21第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-223調(diào)速的平滑性調(diào)速的級數(shù)愈多則認(rèn)為調(diào)速愈平滑，用平滑系數(shù)φ，即相鄰兩級轉(zhuǎn)速后線速度之比來衡量j

=1時稱為無級調(diào)速，此時轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-234調(diào)速時的容許輸出調(diào)速運行中在額定電流狀態(tài)下，電動機軸上輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率。1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式2）恒功率調(diào)速方式第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-244調(diào)速時的容許輸出3）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的配合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，按電動機在D范圍內(nèi)任何n下都可帶額定負(fù)載。恒功率負(fù)載時仍須按D的D范圍內(nèi)任何n下實際需要輸出功率若選擇調(diào)壓調(diào)速，電動機須按

選擇。

選擇電動機，造成浪費，第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-254調(diào)速時的容許輸出4）恒功率調(diào)速的配合電動機在D范圍內(nèi)任何n下都可帶額定負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，按恒功率負(fù)載時電動機工作在nmin時，電動機的功率比負(fù)載大D倍。第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-265調(diào)速的經(jīng)濟性1)設(shè)備投資2)運行費用運行費用決定于調(diào)速過程的損耗，用效率h來說明第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4調(diào)速的性能指標(biāo)3-27調(diào)速方法電樞串電阻改變電樞電壓弱磁調(diào)速方向基速以下基速以下基速以上靜差率大小較小調(diào)速范圍小較大(4~8)較小(1.2~4)調(diào)速平滑性差好好適應(yīng)負(fù)載類型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載設(shè)備投資少多較小電能損耗大小小調(diào)速性能比較第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3直流電動機的制動3-283.3.1能耗制動3.3.2反接制動3.3.3倒拉反轉(zhuǎn)制動運行3.3.4回饋制動制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)

轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向相反,電動機吸收機械能并轉(zhuǎn)化為電能使電動機生產(chǎn)一個負(fù)的轉(zhuǎn)矩(即制動轉(zhuǎn)矩)，以增加減速度，1）使系統(tǒng)較快地停下。2）使位能負(fù)載的工作機構(gòu)獲得穩(wěn)定的下放速度第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-291.能耗制動的原理電路特點U=0，制動過程中，電動機靠系統(tǒng)的動能發(fā)電，轉(zhuǎn)化成發(fā)電機工作狀態(tài)，把動能變成電能，消耗在電樞回路的電阻上，因此稱為能耗制動實現(xiàn)：U＝0，電樞回路串入電阻第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-30simulation制動電阻Rz愈小，則機械特性愈平，T1絕對值愈大，制動愈快2.能耗制動的機械特性對于位能性負(fù)載，將實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，即能耗制動運行。第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1能耗制動3-313.能耗制動電阻的計算制動電阻Rc愈小，則機械特性愈平，T1絕對值愈大，制動愈快，但I(xiàn)a將超過電動機最大允許電流。制動電阻Rc通?？捎芍苿映跏妓蟮淖畲笾苿愚D(zhuǎn)矩或者電流求出。第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-321.反接制動的原理實現(xiàn)：電樞電壓或電動勢極性突然改變（勵磁反向）·電樞電壓和電動勢順極性串聯(lián)；反接時必須采取限制電樞電流的措施。功率平衡：軸上機械功率通過電機轉(zhuǎn)換為電磁功率后，連同電網(wǎng)輸入功率全部消耗于電阻第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-332.反接制動的機械特性simulation反接制動適合要求頻繁正、反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2反接制動3-343.反接制動電阻的計算制動電阻Rc也可由制動初始所要求的最大制動轉(zhuǎn)矩或者電流求出。第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3倒拉反轉(zhuǎn)制動運行3-351.倒拉反轉(zhuǎn)制動原理他勵電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行。電樞支路突然傳入較大的電阻，則工作點A→B→C→D，D點位于第iv象限，轉(zhuǎn)速為負(fù)，電磁轉(zhuǎn)矩為正，屬于制動運行。在C點后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速反向，感應(yīng)電勢也反向，所以稱為電勢反接制動。這種運行方式通常用在起重設(shè)備低速下放物體的場合。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用，限制了重物的下放速度。軸上機械功率通過電機轉(zhuǎn)換為電磁功率后，連同電網(wǎng)輸入功率全部消耗于電阻第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3倒拉反轉(zhuǎn)制動運行3-362..倒拉反轉(zhuǎn)制動的機械特性動畫來自/kejian/caisong/根據(jù)下放速度的要求，求出制動電阻Rc的數(shù)值?；蛘咭部梢愿鶕?jù)制動電阻Rc的數(shù)值，求出下放速度。simulation第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-371.回饋制動的原理第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-382.回饋制動的機械特性simulation第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-393.正向回饋制動他勵直流電動機通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點經(jīng)過第II象限，如圖中的BC段，轉(zhuǎn)速為正而電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電動機運行于制動狀態(tài)。在這一過程中，由于電源電壓下降，使得Ea>U,電流方向改變，電能從電動機回饋到電源。在電力機車下坡時，由于重力作用使得電動機轉(zhuǎn)速高于原來的空載轉(zhuǎn)速，Ea增大，超過U以后，電流也會反向，進(jìn)入正向回饋制動狀態(tài)。第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4回饋制動3-403.反向回饋制動他勵電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行。反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點將會穩(wěn)定在第iv象限。在D點，電動機的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，Ea>U，電流流向電源，屬于反向回饋制動。反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機轉(zhuǎn)速。為了限制高速下放速度，一般在回魁制動時，將電樞回路串聯(lián)的電阻切除。第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4直流電動機的各種運行狀態(tài)3-413.4.1電動運行狀態(tài)3.4.2制動運行狀態(tài)電動機運行狀態(tài)是指穩(wěn)定的運行狀態(tài)，也就是電動機機械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性交點所對應(yīng)的工作狀態(tài)。第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1電動運行狀態(tài)3-42電動機轉(zhuǎn)矩T的方向與旋轉(zhuǎn)方向相同,電網(wǎng)向電動機輸入電能正向電動反向電動第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2制動運行狀態(tài)3-43轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向相反,電動機吸收機械能并轉(zhuǎn)化為電能第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-44從A點串電阻啟動到nN；在弱磁升速；強磁降速到nN；反接或者能耗準(zhǔn)確在B點停車第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-45第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-461電機啟動加速第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-472弱磁升速第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-483強磁降速第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-494反接制動第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載四象限運行分析3-505能耗制動第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-51第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-52第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-531提升過程第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-542重物下放第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-553空鉤提升第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位能負(fù)載四象限運行分析3-564下放空鉤第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5電力拖動系統(tǒng)的過渡過程3-57指電力拖動系統(tǒng)由一個穩(wěn)定工作狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程，例如起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、負(fù)載突變等過程。過渡過程中，n、T、Ia及P均為時間的函數(shù)，其變化規(guī)律稱為電力拖動運行的負(fù)載圖，負(fù)載圖是正確選擇與校驗電動機功率的依據(jù)。研究過渡過程可以分析如何縮短過渡過程的時間，從而提高生產(chǎn)率；探討減小過渡過程損耗的途徑，提高電動機的利用率；還可以研究如何改善電力拖動的運行情況，使設(shè)備能安全進(jìn)行。電力拖動系統(tǒng)的運行狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)。第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5電力拖動系統(tǒng)的過渡過程3-583.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3.5.2他勵直流電動機起動的過渡過程3.5.3他勵直流電動機反接制動的過渡過程3.5.4縮短拖動系統(tǒng)過渡過程時間的措施第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-59電力拖動系統(tǒng)中一般存在以下三種慣性:1)機械慣性體現(xiàn)在飛輪矩GD2上，它使轉(zhuǎn)速n不能突變2)電磁慣性體現(xiàn)在電樞回路電感La及勵磁回路電感Lf上，使電樞電流和勵磁電流不能突變3)熱慣性使溫度不能突變電力拖動過渡過程1)機械過渡過程2)電氣---機械過渡過程第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-601)數(shù)學(xué)解析2)圖解3)計算機仿真分析4)實驗第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-611.電樞電流Ia的變化規(guī)律第61頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-621.電樞電流Ia的變化規(guī)律第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電力拖動系統(tǒng)過渡過程的分析3-632.轉(zhuǎn)矩T的變化規(guī)律第63頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2