直流电动机的电力拖动.pptx

=dndTRaCECT2=1 机械特性的硬度3、理想空载点、堵转点OTnTAnTkn0BC第1页/共67页4.固有特性 OTnn0Nn=f(T)UaN,IfN,RanNTNMnMTM N 点：额定状态。M 点：临界状态。5.人为特性(1)增加电枢电路电阻 时的人为特性 n=TUNCENRaRr CECTN2 OTnn0RaRa(RaRr)即机械特性变软。第2页/共67页(2)降低电枢电压时的人为特性n=Ua CEN Ra CECTN2 T n0n0Uan0 但、不变机械特性的硬度不变。OTnUaUa(3)减小励磁电流时的人为特性n=UN CE Ra CECT2 T OTnn0n0IfIfIf n0 、机械特性变软。第3页/共67页6、机械特性计算已知额定功率PN，额定电压UN，额定电流IN，额定转速nN,计算和绘制机械特性。（1）固有机械特性计算（2）人为机械特性计算第4页/共67页 【例2.1.1】一台他励直流电动机，PN=10 kW，UaN=220 V，IaN=210 A，nN=750 r/min，求固有特性。解：忽略 T0，则509.55210=2.426 TNIaNCT=2200.254=r/min=866.25 r/min 602 PNnNTN=606.2840103750=Nm=509.55 Nm 2 60CE=CT 6.2860=2.426=0.254 UaNCE n0=连接 n0 和 N(TN，nN)两点即可得到固有特性。第5页/共67页2.2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 起动性能 起动电流 Ist 起动转矩 Tst。直接起动 起动瞬间：n=0，E=0，Ist=UaRa对于他励电机 =(10 20)IN 换向决不允许!T=Tst=CT Ist=(10 20)TN 1.降低电枢电压起动 需要可调直流电源。第6页/共67页OT(Ia)n2.电枢串联电阻起动T1(I1)TL(IL)T2(I2)abdMIfIa Uf Rst1cefghw UN Rst2Rst3RaR1R2R3KM1KM2KM3R1=Ra+Rst1 R2=Ra+Rst1+Rst2 R3=Ra+Rst1+Rst2+Rst3 T1=(1.52)TN T2=(1.11.2)TN 第7页/共67页OT(Ia)n2.电枢串联电阻起动(续)T1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2(1)起动过程 串联(Rst1+Rst2)起动：R2=RaRst1Rst2 起动转矩(电流)：T1(I1)=(1.5 2)TN(IaN)切除 Rst2：R1=RaRst1 切换转矩(电流)：T2(I2)=(1.1 1.2)TL(IL)b2b1MIfUaIaUfRst1 Rst2TMba第8页/共67页OT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1TMba 切除 Rst1：R0=RaMIfUaIaUfRst1 Rst2起动 a1 点a2 点 加速瞬间 n 不变 b1 点 cc1c2p切除Rst1b2 点 加速切除Rst2 c1 点 c2 点 加速p 点。加速瞬间 n 不变 第9页/共67页 起切电流（转矩）比：求出电枢电路电阻 Ra(2)起动级数未定时的起动电阻的计算 确定起动电流 I1 和切换电流 I2 I1(T1)=(1.5 2.0)IaN(TN)I2(T2)=(1.1 1.2)IL(TL)=I1I2 Ra=UaN IaN IaN PN 22第10页/共67页求出起动时的电枢总电阻 Rm 确定起动级数 mm=RmRa lg lgRm=UaN I1第11页/共67页nb2=nc1 即：Eb2=Ec1 UaNR1I2=UaNR0I1 R1I2=R0I1 R1=R0同理，由 na2=nb1 可得 R2=R1对于 m 级起动，有 Rm=mR0 重新计算 ，校验 I2 是否在规定的范围内=2R0 OT(Ia)nT1(I1)TL(IL)T2(I2)a1a2b2b1bacc1c2p =RmRam第12页/共67页 确定各段总电阻值和各段电阻值 各段总电阻值：R1=R0=Ra R2=R1=2Ra R3=R2=3Ra Rm=Rm1=mRa各段电阻值：Rst1=R1Ra Rst2=R2R1 Rst3=R3R2 Rstm=RmRm1第13页/共67页(3)起动级数已定时的起动电阻的计算 选择起动电流 I1。测出或由铭牌数据估算出 Ra。计算Rm。计算 。计算切换电流 I2，并校验之。确定各段总电阻值和各段电阻值。第14页/共67页 【例2.2.1】一台 Z4 系列他励直流电动机，PN=200 kW，UaN=440 V，IaN=497 A，nN=1 500 r/min，Ra=0.076，采用电枢串电阻起动。求起动级数和各级起动电阻。解：(1)选择 I1 和 I2 I1=(1.5 2.0)IaN=(745.5 994)A I2=(1.1 1.3)IaN=(546.7 596.4)A取 I1=840 A，I2=560 A。(2)求出起切电流比 (3)求出起动时的电枢总电阻 Rm840560=1.5 =I1I2 第15页/共67页(4)求出起动级数 m取 m=5。(5)重新计算 ，校验 I2 440840=0.524 Rm=UaN I1m=RmRa lg lg=4.76 0.5240.076 lg1.5 lg =RmRam0.524 0.076=1.47 58401.47=A=571 A I2=I1 (在规定的范围内)第16页/共67页(6)求出各段总电阻值和各段电阻值 R1=RaR2=2RaR3=3RaR4=4Ra R5=5RaRst1=R1RaRst2=R2R1Rst3=R3R2Rst4=R4R3Rst5=R5R4=1.470.076 =0.11=1.4720.076 =0.16 =1.4730.076 =0.24 =1.4740.076 =0.35=1.4750.076 =0.52 =(0.110.076)=0.034 =(0.160.11)=0.05 =(0.240.16)=0.08 =(0.350.24)=0.11 =(0.520.35)=0.17 第17页/共67页2.3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动制动的目的：快速停车、匀速下放重物等。制动方法：机械制动电气制动 电气制动特点：电磁转矩与转速方向相反！能耗制动反接制动回馈制动电压反接制动电势反接制动正向回馈制动反向回馈制动第18页/共67页1.能耗制动 电动状态nTMEUaIaUfMUfRbIaTnE制动状态能耗制动时：动能转换成电能，被电阻消耗掉。第19页/共67页制动前：特性 1。制动开始后：Ua=0，n0=0 特性 2 n=RaRb CECT2 T制动过程bOTn 1n0TLaTL(1)能耗制动过程 迅速停机 a 点b 点，Ia 反向(Ia0)制动开始n=0，E=0 na=nb，Ea=Eb T 反向(T0)，T 和 TL的共同作用 Ia=0，T=0，n O 点 自动停车。2第20页/共67页 Tb Tb 制动效果 Rb 2(Rb大)bOTn1TLa2(Rb小)bIa|Tb|制动快，停车迅速。Ia =Eb RaRb Iamax 切换点（b 点）Rb 的选择 RaRb EbIamaxMUfRbIaTnE第21页/共67页(2)能耗制动运行 下放重物 bOTn 1n0TLa2ca 点b 点O 点 T=0，TL0n 反向起动(n0)E 反向(E0)Ia 再次反向(Ia0)T 再次反向(T0)，n T 反向起动制动过程能耗制动运行 E Ia T=TL (c 点)。nTTL第22页/共67页MUf RbIaTnE制动过程电动状态nTMEUaIaUfTLTL反向起动TMUf RbTLnEIa能耗制动运行第23页/共67页nLnL2 bOTn1TLac 制动效果 2(Rb小)bTT Rb 特性 2 斜率 下放速度|nL|。Rb 的选择（各量取绝对值）RaRb=EcIac=CE nL T/CT 校验 RaRb Eb Iamax=CE CT2 nL Tc(Rb大)=CE CT2 nL TLT0稳定运行 c 点的 E 和 Ia（对切换点 b 点电流的限制）第24页/共67页 【例2.3.1】一台他励电动机，PN=22 kW，UaN=440 V，IaN=65.3 A，nN=600 r/min，Iamax=2IaN，T0 忽略 不计。试求：(1)拖动 TL=0.8 TN 的反抗性恒转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动 TL=0.8 TN 的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以 300 r/min 的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？解：由额定数据求得 PN IaN E=22103 65.3=V=336.91 V Ra=UaN IaN PN IaN=1.58 440 65.3 22103 34.4第25页/共67页(1)迅速停机时 TL=0.8TN =0.8350.32 Nm=280.256 Nm CT=9.55 CE=9.550.562=5.365 602 PNnNTN=606.28 22103 600=Nm=350.32 Nm 336.91 600=0.562 CE=EnN 280.256 5.365=A=52.24 A Ia=TL CT E=UaNRa Ia =(4401.5852.24)V=357.46 V（切换点 b 点的 Eb）第26页/共67页Rb Ra Eb Iamax(2)下放重物时 357.46 265.3=1.58 =1.16 Rb=Ra CE CT2 nL TL=0.5625.365300 280.2561.58 =1.65 该值大于 1.16，故满足 Iamax 的要求。第27页/共67页MUf2.反接制动 1.电压反向反接制动 迅速停机 Rb电动状态nTMEUaIaUfTLIaTnE制动状态 Ua电枢反接时：动能、电源电能均被 Rb 消耗掉。TL 作用？限制 Iamax Ia 的方向？T 的方向？第28页/共67页2n0 OTn1n0 TL 制动前：特性1 n=Ua CE Ra CECT2 T制动开始后：特性2 制动过程 TL n=Ua CE RaRb CECT2 Tbacda 点b 点，Ia 反向(Ia0)T 和 TL 的共同作用 n=0，T 0，na=nb，Ea=Eb，T 反向(T0)，n 立刻断电，未断电，反向起动 制动开始；c 点 停机。d 点，反向电动运行。立刻 断电第29页/共67页制动瞬间b 点的 ERaRb Ua Eb Iamax 制动效果 2(Rb小)bT T Rb 特性 2 斜率 制动转矩 制动快。Rb 的选择 （各量取绝对值）2(Rb大)n0n0 bOTn1TLaMUfRbIaE Ua第30页/共67页MUfUaTL(2)电动势反向反接制动 下放重物 电动状态nTMEUaIaUfTLRbIaT制动状态电枢接入 Rb 瞬间 Ia T TTL n E Ia T ,TTL n=0，TTL 反向起动 n0|n|E|Ia T T=TL。nEIa 的方向？T 的方向？第31页/共67页OTn 1n0TLa2c 制动运 行状态制动前：特性 1 n=Ua CE Ra CECT2 T制动开始后：特性 2n=Ua CE RaRb CECT2 Tbd Ia 和 T 始终没有改变方向。第32页/共67页2dn0bOTn1TLa 制动效果 Rb 特性 2 斜率 下放速度 。2(Rb大)dnL nL(Rb小)UaEd IadRaRb=Rb 的选择(各量取绝对值)=UaCE nL T/CT=(UaCE nL)CT TLT0MUfUaRbIaE稳定运行 d 点的 E 和 Ia第33页/共67页 【例2.3.2】例 2.3.1 中的他励电动机，迅速停机和下放重物的要求不变，但改用反接制动来实现，试求电枢电路应串联的制动电阻值。解：(1)迅速停机在例 2.4.1 中已求得切换点的电动势，由公式可得 Rb Ra Ua Eb Iamax 440357.46 265.3=1.58 =4.526 第34页/共67页(2)下放重物时（忽略 T0）Rb=(UaCE n)Ra CT TL 5.365 280.256=(4400.562300)1.58 =10.07 第35页/共67页 平地或上坡行驶时工作在 a 点。下坡行驶时 TL 反向TL2 nn0 EUa Ia0 T0 b 点（TL2=T）。n n0 电动机处于发电状态，动能转换为电能回馈电网。3.回馈制动 特点：EUa OTn1n0(1)正向回馈制动 电车下坡 TL12TL23n n ab第36页/共67页电动状态nTMEUaIaUfTLMUfUaTLIaTnE下坡n E Ia(T)n=n0,E=Ua,T=0nMUfUaTLE制动状态n E (Ua)Ia(T)0|T|MUfUaTLnEIaT第37页/共67页TL 在降低电枢电 压调速过程中 TLOTnUa1n01Ua2n02acbd 回馈制 动过程 在增加励磁电 流调速过程中 OTnIf1n01If2n02acbd 工作点 跳到何处？回馈制 动过程 第38页/共67页MUfnE UaTL(2)反向回馈制动 下放重物 电压反向电动状态nTMEUaIaUfTLRbIaT制动过程反向起动MUfRb UaTLIaTnE n n0 n EUaIa(T)反向制动状态MUfRb UaTLnEIaTIa 的方向？T 的方向？作用？限制 Iamax 第39页/共67页(2)反向回馈制动 下放重物 OTn1n0TL2n0acbd e a 点改变Ua极性n不能跃变c 点b 点反接制动d 点反向起动e 点，T=TL。电压反向反 接制动过程 反向起动过程 回馈制动过程 回馈制 动运行 T TL回馈制动第40页/共67页OTn1n0TL2n0acbd e 制动效果 Rb 特性 2 斜率 下放速度 。2(Rb小)enL nL(Rb大)EeUa IaeRaRb=Rb 的选择 （各量取绝对值）=CE nLUa T/CT=(CE nL Ua)CT TLT0MUfUaRbIaE稳定运行 e 点的 E 和 Ia第41页/共67页 校验 （各量取绝对值）RaRb UaEb IamaxOTn1n0TL2n0acbd e 2(Rb小)enL nL(Rb大)b制动瞬间b 点的 EMUfUaRbIaE电压反接后瞬间第42页/共67页 电压反向反接制动与反向回馈制动的比较 电压反向制动过程 回馈制动状态 电动状态nTMEUaIaUfTLMUfRbIaTnE UaTLMUfRbIaTnE UaTL第43页/共67页 【例2.3.3】例 2.3.1 中的他励电动机，改用回馈制动下放重物。在电压反接瞬间，电枢电路串联较大的制动电阻，以保证 IaIamax；当转速反向增加到 n0 时，将制动电阻减小，使电动机以 1 000 r/min 下放重物。试求这时的制动电阻值。解：根据例 2.4.1 求得的数据，可得 RaRb=(CE n Ua)CT TLT0 Rb=(CE nUa)Ra CT TL 5.365 280.256 Rb=(0.5621 000440)1.58 =0.755 第44页/共67页2.4 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速1.调速概念为满足生产机械工艺的速度要求，通过改变电机参数使电机转速发生改变，称为电气调速。区别两个概念：调速、速度变化2.调速指标调速范围、调速的静差率、调速平滑性、经济性、容许输出第45页/共67页 调速范围指电动机在额定负载时所能达到的最高转速与最低转速之比。例如：车床D=2120，龙门刨床D=1040，造纸机D=120，轧钢机D=3120D=nmaxnmin第46页/共67页 调速的静差率指在同一条机械特性上，额定负载时的转速降与理想空载转速之比。机械特性越硬，n愈小，静差率就愈小，转速相对稳定性就愈好。普通车床要求%30%，龙门刨床小于10%，高精度的造纸机要求小于0.1%=nn0X100%=n0-nn0X100%OTnRaTNbn0an第47页/共67页 调速平滑性指相邻两级转速之比，用系数表示。调速经济性 容许输出比值越接近于1，调速平滑性越好。一定范围内调速级数越多，平滑性越好。=nini-1指调速设备的初期投资、运行效率、维护费用等。指电机在得到充分利用时，调速过程所能输出的功率和转矩。稳态时，电机的实际输出由负载决定，应使调速方法适应负载的要求。第48页/共67页n=CEUaRaCECT2TUaRa3.调速方法OTnMIfUaIaUfRc RaRaRCTLbcn0a4.改变电枢电阻调速三种方法：电枢串电阻调速、降压调速、减弱磁通调速第49页/共67页aOTnRaRaRc n0TLTLbcOTnRaRaRc n0bca 调速方向：在 nN 以下 调节。(Ra+Rc)n ，(Ra+Rc)n 。调速的稳定性 (Ra+Rc)稳定性变差。调速范围：受稳定性影响，D 较小。第50页/共67页 调速的平滑性 电枢电路总电阻PCu =R Ia2 =Ua Ia E Ia =Ua Ia(1 E/Ua)=Ua Ia(1 n/n0)=P1PP1=nn0 低速效率低。调速时的允许负载 T=CTN IaN 恒转矩调速。取决于 Ra 的调节方式，一般为有级调速。调速的经济性 P1=Ua Ia=E IaR Ia2第51页/共67页 结论：(1)优点：设备简单，初期投资少。(2)缺点：轻载时，调速范围小(3)低速时，效率低，电能损耗大(4)低速时，转速稳定性差(5)一般用于对调速性能要求不高的场合：串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械。第52页/共67页 【例2.4.1】一台他励电动机，PN=4 kW，UaN=160 V，IaN=34.4 A，nN=1 450 r/min，用它拖动恒转矩负载运行。现采用改变电枢电路电阻调速。试问要使转速降低至 1 200 r/min，需在电枢电路串联多大的电阻 Rr？解：电枢电阻 116.31 1 450=0.080 2 CE=EnN Ra=UaN IaN PN IaN=1.27 160 34.4 4 000 34.4额定运行时 E=UaNRa IaN =(1601.2734.4)V=116.31 V 第53页/共67页CT=9.55 CE=9.550.080 2=0.766 602 PNnNTN=606.284 0001 450=Nm=26.36 Nm OTnRaRaRrTLbcn0a n=n0-n=795 r/min n0=UN/CEN=1995r/minRa+RrCECT2 nTN=Rr=n CECT2 TN-Ra=0.583第54页/共67页5.改变电枢电压调速OTnUaUaTLbcn0n0a 调速方向：在 UN（或nN）以下调节。Ua n ，Ua n 。调速的平滑性：连续调节 Ua，可实现无级调速。调速的稳定性：改变 Ua 调速范围：D 不大（D8）。调速的经济性：需要专用直流电源。调速时的允许负载:T=CTN IaN 不变，但 稳定性变差。恒转矩调速。第55页/共67页 【例2.4.2】例 2.3.1 中的他励电动机，拖动恒转矩负载运行，TL=TN。现采用改变电枢电压调速。试问要使转速降低至 1 000 r/min，电枢电压应降低到多少？解：已知 Ra=1.27，CE=0.080 2，CT=0.766，TN=26.36 Nm。=544.94 r/minn0=n n =(1 000544.94)r/min=1 544.94 r/min Ua=CE n0 =0.080 21 544.94 V=123.9 VRa CECT2 n=T1.27 0.080 20.766 =26.36 r/min 第56页/共67页6.改变励磁电流调速TLn不能跃变E=CE nOTn21 bcan0n0If E Ia T n E 下降至某一最小值后回升 Ia 和 T 上升至某一最大值后下降 T=TL，n=nc。调速方向 在 nN 以上（IfN 以下）调节。调速的平滑性 连续调节Uf（或Rf）可实现无级调速。第57页/共67页 调速的稳定性 调速范围 受机械强度（nmax）的限制，D 不大。普通 M：D=2，特殊设计的 M：D=4。调速的经济性 调节Rf 比较经济；调节Uf 则需要专用直流电源。调速时的允许负载 T ，n ，n ，n0 不变，稳定性好。P 基本不变，为恒功率调速。第58页/共67页 应用 不经常逆转的重型机床。如：国产 C660、C670 等机床，重型龙门刨床的主传动在高速区的调速。调压调速与调励磁电流调速配合，可扩大 D，实现双向调速。第59页/共67页 【例2.4.3】例 2.3.1 中的他励电动机，拖动恒功率负载运行，现采用改变励磁电流调速。试问要使转速增加至 1 800 r/min，CE 应等于多少？解：已知 Ra=1.27，TN=26.36 Nm。对于恒功率负载 T 1/n，若忽略 T0，则将已知数据代入机械特性方程，得 整理，得 1 800(CE)2160 CE 2.82=0 nN nT=TN1 450 1 800 =26.36 Nm=21.23 Nm 1 800=21.23 160 CE 1.27 CECT2 第60页/共67页CE=160 1602 41 8002.82 21 800=0.064 7 或 0.024 2 两个答案是否都合理？为什么出现两个答案？第61页/共67页7.调速时电机的容许输出电机的容许输出是指在不同的转速下，电机长期工作所能输出的最大转矩和功率。其大小由发热决定，而发热又取决于电枢电流。在调速范围内，不同转速下，电流都不超过额定电流IN，电机就不会过热而烧毁，就可长期运行。故额定电流是电机长期工作的利用限度。在不同转速，若电机都能保持额定电流运行，则电机得到充分利用，且可安全运行。第62页/共67页8.调速方式电枢串电阻调速、降低电枢电压调速为恒转矩调速方式；弱磁调速为恒功率调速方式9.调速方式与负载的配合恒转矩负载采用恒转矩调速方式恒功率负载采用恒功率调速方式第63页/共67页减小减小 If 的人为特性的人为特性 减小减小 If 的人为特性的人为特性 2.5 他励电动机在四象限中他励电动机在四象限中的运行状态的运行状态1.电动状态 正向固有特性正向固有特性 反向固有特性反向固有特性 增加增加 Ra 的人为特性的人为特性 增加增加 Ra 的人为特性的人为特性 降低降低 Ua 的人为特性的人为特性 降低降低 Ua 的人为特性的人为特性 OnT正向反向第64页/共67页2.制动状态 OnT正向回馈制动正向回馈制动 反向回馈制动反向回馈制动 能耗制动过程能耗制动过程 能耗制动运行能耗制动运行 电压反向反接制动电压反向反接制动 电动势反向反接制动电动势反向反接制动 第65页/共67页练练 习习 题题2-1 2-102-23 2-26 2-31第66页/共67页河南理工大学电气学院谢谢您的观看！第67页/共67页