电力拖动与控制第二章.ppt

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1、电力拖动与控制,李岚梅丽凤,第二章直流电动机的电力拖动,在现代工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用各种各样的生产机械。而拖动各种生产机械运转，可以采用气动、液压传动和电力拖动方式。由于电力拖动具有控制简单、调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械均采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。本章重点介绍直流电动机的电力拖动。,第一节他励直流电动机的机械特性第二节电力拖动系统稳定运行的条件第三节他励直流电动机的起动第四节他励直流电动机的制动第五节直流电动机电力拖动系统的动态特性第六节他励直

2、流电动机的调速第七节串励直流电动机的电力拖动第八节复励直流电动机的机械特性,第二章直流电动机的电力拖动,一、机械特性方程式二、固有机械特性三、人为机械特性四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,定义：在U、If、Ra为常数的条件下，的关系曲线定义为机械特性。,一、机械特征方程式,电枢感应电动势：,电磁转矩：,电枢电路电压平衡方程：,电机转速特征方程：,电机机械特征方程：,因为,第一节 他励直流电动机的机械特性,由,得,第一节 他励直流电动机的机械特性,图2-2 他励电动机的机械特性,1.理想空载点,图2-2中的A点即为理想

3、空载点。在A点：T=0，Ia=0，电枢压降Ia(Ra+RC)=0，电枢电动势Ea=U，电动机的转速n=n0=U/(Ce)。,第一节 他励直流电动机的机械特性,1.理想空载点,理想空载转速和实际空载转速是不同的。由电机学我们知道：T=T2+T0，电动机在实际的空载状态下运行时，虽然轴输出转矩T2=0，但由于空载转矩T0不为零，使得电动机的电磁转矩T0，所以实际空载转速n0为n0=n0-T0,图2-2 他励电动机的机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,2.堵转点,图2-2的B点即为堵转点。在B点，n=0，因而Ea=0。由于U=Ea+Ia(Ra+RC)，所以电枢电流Ia=U/(Ra+RC)=I

4、k，称为堵转电流，与Ik相对应的电磁转矩Tk=CTIk称为堵转转矩。,第一节 他励直流电动机的机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,二、固有机械特性,当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻，固有机械特性方程式为：,图2-3 他励直流电动机的固有特性,三.人为机械特性,(1)电枢回路串电阻的人为机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,(2)改变电枢电压的人为机械特性,1)理想空载转速n0与U成正比变化。2)转速降n不变，此时n等于额定转速降nN，或者说不变，各条特性均与固有特性相平行。,第一节 他励直流电动机的机械特性,减小气隙每极磁通量 的方法是通过减小励磁

5、电流,(3)改变磁通的人为机械特性,图2-6 减弱磁通时的原理图和机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,1)理想空载转速n0与成反比变化，因此减弱磁通会使n0升高。2)特性的斜率(或n)与2成反比，因此减弱磁通会使斜率(或n)加大，特性变软。3)特性曲线是一簇直线，既不平行，又非放射。,图2-6 减弱磁通时的原理图和机械特性,第一节 他励直流电动机的机械特性,四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制机械特性,为了绘制这一机械特性，不论是固有机械特性，还是人为机械特性，只要知道两点就可以了。为此需要知道电动机的参数，例如 等。而这些参数又和电动机绕组结构参数P、N等有关，要把所有的参数都查清楚不

6、太容易，特别是这些参数在电动机铭牌上更是不会标出的。,在设计时，往往根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。对计算有用的数据一般是。下面介绍固有机械特性与人为机械特性的计算机绘制方法。,第一节 他励直流电动机的机械特性,1.固有机械特性的计算与绘制,直流他励电动机的固有机械特性可以方便地由理想空载点(0、)和额定工作点()决定。由固有机械特性方程，理想空载转速 式中额定电压可由电动机的铭牌数据取得。而 可由额定状态下电枢回路的电压平衡方程式求出，即,第一节 他励直流电动机的机械特性,上式是一个经验公式，认为在额定负载下，电枢铜损耗占电动机总损耗的1/22/3。求出电枢电阻Ra，然

7、后将 值代入)求出。再将 带入，求出理想空载转速，这样，理想空载点(0、)即可确定。对于额定工作点，由式 知 按上式求出额定转矩，额定工作点()即可确定。有了额定工作点和理想空载点，就可以绘出固有机械特性。,第一节 他励直流电动机的机械特性,各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。例如，电枢串联电阻 的人为机械特性可用式求得，式中 为已知，与 的计算方法相同。根据串联电阻 的数值，假定一个转矩T值(一般用)，用式求出 值，这样得出人为机械特性上的一点，连接这点与理想空载点，即得电枢串联电阻的人为机械特性。用类似的方法，可绘出改变电压U及减弱磁通时的人

8、为机械特性。,2.人为机械特性的计算与绘制,第一节 他励直流电动机的机械特性,第二节 电力拖动系统稳定运行的条件,电力拖动系统受外界某种短时扰动离开原平衡状态，当外界扰动消失，系统恢复到原转速，或在新条件下达到新平衡状态，电力拖动就称该系统能稳定运行，否则就称为不稳定运行。为使系统能稳定运行，电动机的机械特性和负载的转矩特性必须配合得当，这就是电力拖动系统稳定运行的条件。,第二节电力拖动系统稳定运行的条件,图2-9 稳定运行和不稳定运行时电动机的机械特性,一、稳定运行的必要条件 在T=TL处,图2-10稳定运行充分条件的判定1电动机的机械特性2鼓风机的机械特性,二、稳定运行的充要条件,第二节电

9、力拖动系统稳定运行的条件,1)电动机的机械特性与负载转矩特性必须有交点，在交点处 T=TL；2)在交点附近应有。,第二节电力拖动系统稳定运行的条件,即电磁转矩的变化与转速的变化要异号,图示则为电动机的机械特性曲线应是往下倾斜的。,结论：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件,起动：指电动机从静止状态转动起来。起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程叫起动过程。,第三节 他励直流电动机的起动,一、系统对起动的要求 不同的生产机械对起动有不同的要求。例如，无轨电车要求起动慢些平稳些，但一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间 tst小些，则起动转矩Tst大些。,第三节 他励直流电动机的起动,（

10、1）起动转矩足够大，电动机才能顺利起动）。（2）起动电流要限制在一定的范围内（3）起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。起动时n=0 Tst=CTNIst,第三节 他励直流电动机的起动,Ist为起动电流，也称为堵转电流(在起动瞬间n=0)。从式T=CTIa可知，当一定时，T与Ia成正比。Ist越大，Tst也越大。但起动电流不能太大。否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。Ist不能太大，一般为（1.52）IN，因为 T大小是受机械强度限制，T太大，突然加到传动机构上，会损坏机械部件的薄弱部分，例如传动齿轮的轮齿等。,第三节 他励直流电动机的起动

11、,限制起动电流的措施：一是降低电源电压，二是加大电枢回路电阻。,二、降压起动,起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低，可把电源电压降低到 U=(1.5-2.0)INRa，随着转速n的上升，电势Ea也逐渐增大，Ia 相应减小，此时电压U必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持在(1.5-2.0)IN范围内，直到电压升到额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小。,第三节 他励直流电动机的起动,二、降压起动,第三节 他励直流电动机的起动,图2-11 降低电源电压起动时的接线及机械特性,三、电枢回路串电阻起

12、动,电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使,第三节 他励直流电动机的起动,2-12 电枢串电阻三级启动的接线图及机械特性,第三节 他励直流电动机的起动,电枢回路串电阻起动接线图及机械特性,为了在起动过程中使电枢和转矩被限制 在允许的范围之内，采用分级起动。,电枢回路串电阻起动,第三节 他励直流电动机的起动,起动瞬间，电枢回路总电阻为起动电流或起动转矩为,第三节 他励直流电动机的起动,求切换转矩的原则：既要使电动机能够带动负载起动，又要保证在切换时的加速度转矩(T2和TL之差)不过小。过大，加速转矩大，可满足快速起动的要求，但是起动级数增多，过小，延缓起动过程。综合考虑，选

13、I2=（1.11.2）ILmax，则切换转矩T2=（1.11.2）TLmax。电阻分三次切除称三级起动，起动级数m=3，一般选m=34，级数多，起动快，但同时也使设备增多，线路复杂。运行不可靠性增大。,第三节 他励直流电动机的起动,b点,d点,f点,e点,c点,g点,设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Eb、Ec,Ed、Ee,Ef,Eg，则有：,比较以上各式得：,第三节 他励直流电动机的起动,起动电阻的计算,起动电阻的计算,在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:,第三节 他励直流电动机的起动,如已知，侧,每级分段电阻为：,第三节 他励直流电动机的起动,起动级数m 未

14、定 此时应先初步选定I1(或T1)及I2(或T2)，即初选 值，然后用式(2-18)求出m；若m为分数值，则取稍大于计算值的整数，再把此 m 值代入式(2-17)，求出新的值。计算转矩:校验：如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。将此值代入式(2-16)可算出各级起动总电阻；值代入式(2-19)，可算出各级分段电阻。,第三节 他励直流电动机的起动,(2)起动级数m已定 这时只要先选定I1(或T1)的数值，算出Rm=UN/I1，再将 Rm 和 m 的数值代入式(2-17)，算出值，按式(2-16)，可算出各级起动总电阻；按式(2-19)，可算出各级分段电阻,第三节 他励直流电

15、动机的起动,1.电动状态 特点：转速n与转矩T方向相同，T为拖动转矩，Ia 与Ea 方向相反，输入电能，输出机械能，机械特性在直角坐标的第一、三象限。2.制动状态 特点：转速n与转矩T方向相反，Ia 与Ea 方向相同，电机工作在发电状态。,第四节 他励直流电动机的制动,电动状态与制动状态,直流电机拖动系统示意图,第四节 他励直流电动机的制动,制动的概念,制动：指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的阻转矩以阻止系统运动的过程。制动作用：它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也可以用于使拖动系统减速或停车.,第四节 他励直流电动机的制动,实现制动

16、方法有：机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动，如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。,第四节 他励直流电动机的制动,电气制动方法分：能耗制动，反接制动（倒拉制动），回馈制动。直流电机正常工作时，何时出现制动状态情况？(1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断 电源，机械抱闸，帮助停车。(2)降速过程中：在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过 制动状态。,第四节 他励直流电动机的制动,（3）提升机构下放重物 提升机构下放重物时，电动机要处于制动状

17、态。（4）反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然后才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地理解为停车，停车只是制动过程中的一种形式而已。,第四节 他励直流电动机的制动,一、能耗制动,(1)实现方法：a.电动状态开关QS向上，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电动机运行在A点。b.能耗制动开关QS向下(电动机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R形成回路。,图2-13能耗制动过程a)原理图b)机械特性,1.能耗制动实现及机械特性,第四节 他励直流电动机的制动,（2）能耗制动分析,U=0,由于电机惯性，n0，Ea0，在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向，电动机的转矩也

18、反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的IA 方向相反，TB反向，与n相反,转速下降，当n=0，停车。,第四节 他励直流电动机的制动,（3）能耗制动特性,nc,第四节 他励直流电动机的制动,（4）特性方程及制动电阻,特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻 Ra。,第四节 他励直流电动机的制动,分析,R越大，特性越斜，R越小，特性越平，但R不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。,第四节 他励直流电动机的制动,2.能耗制动运行,

19、第四节 他励直流电动机的制动,3.能耗制动特点,(1)制动时 U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I 2(Ra+R)。(2)制动时，n与T 成正比,所以转速n 下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少R，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动。(3)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0,可实现准确停车。,第四节 他励直流电动机的制动,4.应用,能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停

20、车。,第四节 他励直流电动机的制动,5.功率流程图,图2-14 能耗制动过程功率流程图,第四节 他励直流电动机的制动,例2-2一台他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，电枢内阻Ra=0.07。试求(1)在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时，电枢应外接多大电阻？(2)求出它的机械特性方程式。(3)如果电枢直接短接，制动电流应多大？(4)当电动机拖动位能负载，TL=0.8TN，要求在能耗制动中以800r/min的稳定转速下放重物，求电枢回路中应串接的电阻值。,第四节 他励直流电动机的制动,二、反接制动,反接制动时,电压

21、U与电枢电势Ea同方向。所以实现反接制动有两种方法，即转速反向的反接制动和电压反接的反接制动,1.转速反向的反接制动,(1)制动原理这种制动方法一般发生在拖动位能性负载由提升重物转为下放重物的情况，其原理和机械特性如图2-15所示。,第四节 他励直流电动机的制动,图2-15转速反向的反接制动线路图及机械特性,第四节 他励直流电动机的制动,(2)机械特性方程转速反向的反接制动状态，只是电枢回路串入了大电阻Rf，其他条件都没有变。,第四节 他励直流电动机的制动,(3）特性分析,从C点至D点为电动减速状态，从D点至B点为发电状态。倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载,倒拉反转机械特性,第四节 他

22、励直流电动机的制动,，故n为负,(4）串入电阻值,第四节 他励直流电动机的制动,说明从电源吸收电能 说明从负载吸收机械能。上述两部分能量全部消耗在电枢回路的电阻上，,(5)能量关系,第四节 他励直流电动机的制动,图2-16 电压反接的反接制动功率流程图,(6）功率流程图,第四节 他励直流电动机的制动,图2-17 电压反接制动原理图及机械特性,2.电压反接的反接制动,(1)制动原理图2-17a为电压反接的反接制动原理图。,第四节 他励直流电动机的制动,（3）机械特性曲线,特性BC段为电压反接制动机械特性曲线，由于制动状态到n=0 告终，所以只有实线部分为反接制动特性。,（2）机械特性方程,第四节

23、 他励直流电动机的制动,（5）制动电阻的比较,当制动初始转速nLnN，可用近似公式计算，即：反接制动电阻比能耗制动电阻几乎大一倍。,（4）制动电阻Rf 的计算,第四节 他励直流电动机的制动,(6)电压反接制动时的能量关系,说明从电源吸收电能 说明电动机从负载吸收机械能并将机械能转化为电能。上述两部分能量加在一起消耗在电枢回路的电阻上。,第四节 他励直流电动机的制动,*两种反接制动的异同点,共同点：能量关系相同。不同点：电压反接制动特性位于第二象限，制动转矩大，制动效果好，倒拉反转特性位于第四象限，机械能来自负载的位能，不能用于停车。转速反向的反接制动（倒拉反转），可应用于位能负载，一般可在n

24、n0 的条件下稳速下降。电压反接制动，宜用于要求迅速停车和反转，要求较强烈制动的场合，如反抗性负载，但采用电压反接制动停车时，当制动到n=0 时，应迅速切断电源，否则有反向起动的可能性。,第四节 他励直流电动机的制动,三、回馈制动,1.特点：nn0 则 EaU，Ia与Ea同方向，T 与 n 方向相反，回馈能量给电源，电机工作在发电状态回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,第四节 他励直流电动机的制动,1.正向回馈制动,降低电源电压时,第四节 他励直流电动机的制动,2.反向回馈制动,图2-19 位能性负载时电机回馈制动机械特性,电压反接制动带位能性负载下放重物时,第四节 他励

25、直流电动机的制动,3.回馈制动时的功率流程,回馈制动过程中的功率流程图,第四节 他励直流电动机的制动,4.应用,回馈制动多用于电力机车高速下坡或起重类机械高速下放重物的场合。在调速的过程中也会出现回馈制动。注意：回馈制动只有在|n|n0|时才会出现，故不能用于停车制动中。,第四节 他励直流电动机的制动,他励直流电动机的四个象限上的运行,电动状态：特性在第一，三象限，其中第 一象限是正向电动状态，第三象限是反向电动状态。制动状态：特性在第二，四象限，其中第二象限是正向能耗，正向回馈制动，电压反接制动。第四象限是反向能耗，反向回馈制动，转速反向反接制动，处在反向电动状态时进行电压反接的电压反接制动

26、。,第四节 他励直流电动机的制动,直流电动机各种运行状态示意图,第四节 他励直流电动机的制动,例2-3一台他励直流电动机的铭牌数据为PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min,Ra=0.1，最大允许电流Iamax2IN，原在固有特性上运行，负载转矩TL=0.9TN，试计算：(1)电动机拖动反抗性恒转矩负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的最小电阻为多少？(2)电动机拖动反抗性恒转矩负载，采用电源反接制动停车，电枢回路应串入的最小电阻为多少？(3)电动机拖动位能性恒转矩负载，例如起重机。当传动机构的损耗转矩T=0.1TN时，要求电动机以n=-200r/min恒速下

27、放重物，采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大电阻？该电阻上消耗的功率是多少？(4)电动机拖动同一位能性负载，电动机运行在n=-1000r/min，恒速下放重物，采用转速反向的反接制动，电枢回路应串入多大电阻？该电阻上消耗的功率是多少？(5)电动机拖动同一位能性负载，采用反向回馈制动下放重物，稳定下放时电枢回路中不串电阻，电动机的转速是多少？,例 题,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,一、电机拖动系统动态过程的基本概念二、他励直流电动机的动态特性三、他励直流电动机起动过程的动态特性四、他励直流电动机制动过程的动态特性,一、电机拖动系统动态过程的基本概念,1.动态过程的基本概念,如果人为地

28、改变电机参数，或在生产过程中负载转矩发生变化，出现TTL时，n将发生变化，系统将加速或减速运行，此时系统为动态运行，系统将从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态，这样地动态运行过程称为过渡过程，即所谓的动态过程。,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,2.研究动态过程的目的,研究系统各个物理量随时间变化的规律，过渡过程时间的长短，过渡过程的品质受哪些因素的影响等。为正确选择电动机的容量，为设计电力拖动系统自动控制电路，正确选用控制电器提供必要的理论依据。,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,二、他励直流电动机的动态特性,只考虑机械惯性，并假设过渡过程中(1)电源电压U 恒定不变；

29、(2)磁通 恒定不变；(3)负载转矩TL 保持常数不变。,图2-20机械特性上AB的过渡过程,图中A点为起始点，B点为稳态点,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,图2-20机械特性上AB的过渡过程,1.转速n的变化规律n=f(t),第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,式中nL稳态点转速;Tm为机电时间常数,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,通解为,将初始条件,即过渡过程中转速n 随时间t 变化的一般公式,式(2-29),第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,图2-21过渡过程曲线a)n=f(t)b)T=f(t)c)Ia=f(t),过渡过程曲线,第五节 直流电动机电力拖动

30、系统的动态特性,2.转矩T的变化规律T=f(t),由图2-20可得,代入式(2-29)得,式(2-31),即过渡过程中转速T 随时间t 变化的一般公式,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,3.电枢电流Ia的变化规律Ia=f(t),代入式(2-31)得,式(2-33),即过渡过程中转速Ia 随时间t 变化的一般公式,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,4.过渡过程时间,理论上需要t=，但实际上当t=（34)Tm时，各量已达9598的稳态值，这时就可认为动态过程已经结速。工程上取t=4Tm，即Tm决定过渡过程时间长短。若求到达某一数值所经历的时间，如图2-21中nnx，所需时间 tx，

31、X点对应的转速nx，转矩Tx，电枢电流为I x，计算tx时，,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,则,若已知n=f(t)及X 点的转速nx，可通过式（229)计算。,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,若已知T=f(t)及X点的转矩Tx，则,若已知Ia=f(t)及X点的电流Ix，则,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,上面所求的三个动态方程式一般式，即式（2-29）、式（2-31）、式（2-33），不仅适用于起动过程，也适用于制动过程、调速及负载突变等所有在一条机械特性上变化的各种过渡过程。在应用上述公式时，主要应掌握三个要素：初始值、稳态值与机电时间常数，只要确定了这三个要

32、素，并注意它们的正负号，代入相应的公式，即可确定各量的数学表达式并绘出其变化曲线。,第五节 直流电动机电力拖动系统的动态特性,调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生产实际的需要。调速方法1.机械调速：指通过改变变速机构传动比以改变转速的方法。特点是：调速时必须停，多为有级调速，同生活中如变速自行车原理基本相似。,第六节 他励直流电动机的调速,2.电气调速：指通过改变电动机有关电气参数电动机转速的方法，特点是简化机械传动与变速机构，调速时不需停车，在运行中便可以调速，可实现无级调速，必要时还可采用各种反馈环节提高机械特性硬度，以便提高拖动系统静态与动态运行指标，易于实现电气控制自动

33、化。3.电气机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。（主要介绍电气调速）,第六节 他励直流电动机的调速,注意：调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。,第六节 他励直流电动机的调速,电枢串电阻调速,改变电枢电源电压调速,弱磁调速,转速下调,转速上调,转速下调,电气调速方法,第六节 他励直流电动机的调速,1.调速范围D：指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件

34、的限制，nmin受低转速时相对稳定性的限制。,一、调速的基本指标,第六节 他励直流电动机的调速,不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20120，龙门刨床：D=1040,机床进给机构：D=5200；轨钢机：D=3120;造纸机：D=320 等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。,第六节 他励直流电动机的调速,调速中的最低转速,(a)改变电压的最低转速,(b)改变电阻的最低转速,第六节 他励直流电动机的调速,2.静差率(或称相对稳定性)指同一条机械特性上额定负载时转速降落n与理想空载转速n0之比。定义为：,2.静

35、差率,第六节 他励直流电动机的调速,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性愈高。生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床30%;起重类机械 50%;；精密机床 1%;精度高的造纸机0.1%静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，1=2，但静差率不同。,第六节 他励直流电动机的调速,静差率比较,同样硬度的特性，转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要求。,不同机械特性对应的静差率,第六节 他励直流电动机的调速,3.平滑性,调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平

36、滑系数 表示，即,平滑系数 越接近1，说明调速的平滑性越好。如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，=1，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。,第六节 他励直流电动机的调速,4.经济性,在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、电能消耗、运行费用等。,5.调速时的允许输出,允许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，调速过程中所能输出的功率和转矩。在电动机稳定运行时，实际输出的功率和转矩由负载的需求来决定，故应使调速方法适应负载的要求,第六节 他励直流电动机的调速,例2-4一台他励直流电动机，铭牌数据为PN=60kW，UN=220V，Ia=350A，nN=1000r/min

37、,Ra=0.037，生产机械要求的静差率20%，调速范围D=4，最高转速nmax=1000r/min，试问采用哪种调速方法能满足要求?解计算电动机的CeN(1)电枢串电阻调速电枢串电阻调速时，n0保持不变，静差率=，若想保持20%，则(2)降压调速降压调速时，理想空载转速发生变化，额定转速降不变,例 题,1.电枢串电阻调速,他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，图中的负载为恒转矩负载。,二、调速的方法,图2-29 电枢串电阻调速时的机械特性,第六节 他励直流电动机的调速,电枢回路串接电阻调速方法的特点：优点：设

38、备简单，调节方便；缺点：调速范围小，电枢回路串入电阻后电 动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。,1.电枢串电阻调速,第六节 他励直流电动机的调速,2.改变电枢电源电压调速,他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。,图2-30降低电源电压时的机械特性,第六节 他励直流电动机的调速,优点：调速平滑性好，即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好；缺点：所需的可调压电源设备投资较高。这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。,2.改变电枢电源电压调速,第六节 他励直流电动机的调速,3.

39、弱磁调速,保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。,图2-31弱磁调速时机械特性,第六节 他励直流电动机的调速,优点：设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载；缺点：励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。,3.弱磁调速,第六节 他励直流电动机的调速,弱磁调速注意,弱磁调速不允许励磁回路断线，如果励磁回路断线此时的电枢电流很大，出现飞车现象可能将电枢损坏。,第六节 他励直流电动机的调速,三种调速方法,第六节 他励直流电动机的调速,

40、例2-5一台他励直流电动机，铭牌数据为PN=22kW，UN=220V，Ia=115A，nN=1500r/min，Ra=0.1，该电机拖动额定负载运行，要求把转速降低到1000r/min，不计电动机的空载转矩T0，试计算：(1)用电枢串电阻调速时需串入的电阻值，这时的静差率是多少？(2)用降压调速时需把电源电压降低到多少伏？此时的静差率是多少？(3)上述两种情况下拖动系统输入的电功率和输出的机械功率是多少？,例 题,三.调速时允许输出的转矩和功率,电动机在额定转速下容许输出的功率主要取决于电机的发热，而发热又主要取决于电枢电流在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值IN，电机长时间运行，其

41、发热不会超过允许的限度，因此，额定电流是电机长期工作的利用限度。电机在调速过程中，如在不同转速下都能保持电流Ia=IN，则电机利用充分，运行安全。从合理使用电动机的角度考虑，提出了调速方式与负载类型相配合的问题。,第六节 他励直流电动机的调速,恒转矩调速,调速过程中保持Ia=IN，=N=常数，则T=常数，电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=T，T=常数 P,即电动机转速越低，输出功率越小,P。,第六节 他励直流电动机的调速,恒功率调速,调速中，保持Ia=IN，若n，P=常数。在保持电枢电流接近或等

42、于额定值条件下，调速过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功率调速。如 改变电动机主磁通 的调速方法就属于恒功率调速方法。,第六节 他励直流电动机的调速,调速方式与负载类型配合问题,调速方式与负载类型配合恰当，所选电动机的体积较经济。在不同转速下，可较充分地利用，不致造成浪费(浪费是指电机的转矩和功率选的过大)，或长时间运行而烧坏(指转矩及功率选的较小)。,第六节 他励直流电动机的调速,(1)电动机拖动恒转矩负载这时，宜采用恒转矩调速方式，并选择电动机的额定转矩TN=TL，额定转速nN等于生产机械所要求的最高转速nmax。(2)电动机拖动恒功率负载这时，宜采用恒功率调速方式，并选择电动机

43、的额定功率PN=PL，恒功率调速方式是指弱磁调速，是从额定转速往上调速，因此选电动机的额定转速nN等于生产机械要求的最低转速nmin。,第六节 他励直流电动机的调速,第六节 他励直流电动机的调速,最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量能充分利用。,第六节 他励直流电动机的调速,第七节串励直流电动机的电力拖动,图2-33串励直流电动机的电路图,第七节串励直流电动机的电力拖动,图2-34串励直流电动机磁

44、化曲线,第七节 串励直流电动机的电力拖动,一、串励电动机的机械特性,当磁路不饱和时,当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。,磁路不饱和时的机械特性曲线AB段,磁路饱和时的机械特性曲线BC段,第七节 串励直流电动机的电力拖动,（3）由于，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。,固有特性是指当 时的特性，具有以下特点：,（2）空载时，为无穷大。实际上，空载时存在剩磁，为有限值，但值也很大“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。,一、固有特性,（1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；,第七节 串励直流电动机的电力拖动,二、人为

45、特性,1、电枢串电阻的人为特性,串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。,2、降低电压的人为特性,降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。,3、改变磁通的人为特性,改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。,第七节 串励直流电动机的电力拖动,串励直流电动机改变磁通调速的接线图,图2-37串励电动机改变磁通调速,第七节 串励直流电动机的电力拖动,二、串励直流电动机的起动

46、与调速,为了限制起动电流，串励电动机的起动方法与他励电动机一样，也采用电枢串电阻和降低电源电压起动。串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。,第七节 串励直流电动机的电力拖动,串励直流电动机调速的串并联接线图,图2-38两台电动机串并联的调速接线图,第七节 串励直流电动机的电力拖动,串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此不能有回馈制动。串励电动机的制动只有能耗和反接制动。能耗制动分他励磁式和自励式，反接制动分电压反接和倒拉反接制动。,三、串励直流电动机的制动,第七节 串励直流电动机的电力拖动,第八节复励直流电动机的机械特性,图2-39 复励直流电动机的原理图,第八节复励直流电动机的机械特性,