第九-直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)課件

1、1理想空載轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降 電樞反應(yīng)對機(jī)械特性的影響當(dāng)電樞電流較大時(shí)，由于飽和的影響，產(chǎn)生去磁作用。磁通降低，轉(zhuǎn)速就要回升，機(jī)械特性在負(fù)載大時(shí)呈上翹現(xiàn)象。2二、固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性 當(dāng)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電壓及磁通均為額定值時(shí)，電樞沒有串聯(lián)電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。 （一）電樞串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性電樞串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性321FFFN（二）改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性 電壓不同時(shí)的人為機(jī)械特性（三）減弱電動(dòng)機(jī)磁通時(shí)的人為機(jī)械特性 4三、機(jī)械特性的繪制（一）固有機(jī)械特性的繪制其中 固有機(jī)械特性是一條直線，

2、只要求出線上兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就可繪出這條直線。一般選擇理想空載及額定運(yùn)行兩點(diǎn)較為方便。理想空載點(diǎn)IN， UN及nN 為已知，Ra 可以估算額定運(yùn)行點(diǎn)5（二）人為機(jī)械特性的繪制 各種人為機(jī)械特性的計(jì)算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)值代入相應(yīng)的人為機(jī)械特性方程式即可。 例9-1 一臺(tái)Z2 型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：試計(jì)算其機(jī)械特性。 解理想空載點(diǎn)額定點(diǎn)6四、電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件 現(xiàn)在討論：生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性與電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性這兩種特性的配合問題。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性負(fù)載特性負(fù)載特性在電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式中已指出，當(dāng)轉(zhuǎn)矩T 與Tz 方向相反，大小相等而相互平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速為某一穩(wěn)定值，拖動(dòng)系統(tǒng)處于穩(wěn)

3、態(tài)，或稱靜態(tài) 兩種特性有交點(diǎn)僅是穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件是：如果電力拖動(dòng)系統(tǒng)原在交點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行，由于出現(xiàn)某種干擾作用（如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的微小變化等），使原來兩種特性的平衡變成不平衡，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速便稍有變化，這時(shí)，當(dāng)干擾消除后，拖動(dòng)系統(tǒng)必須有能力使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來交點(diǎn)處的數(shù)值。電力拖動(dòng)系統(tǒng)如能滿足這樣的特性配合條件，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的。 7穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)8第二節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法如直接加額定電壓起動(dòng)，Ia 可能突增到額定電流的十多倍 特性圖電路圖9二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電阻的計(jì)算（一）圖解解析法1繪制固有機(jī)械特性 2選取起動(dòng)

4、過程中的最大電流 I1與電阻切除時(shí)的切換電流 I2 （或T1 與T2）3畫出分級起動(dòng)特性圖 10（二）解析法在b點(diǎn) 在c點(diǎn) 兩級起動(dòng)時(shí) 推廣到m級起動(dòng)的一般情況 稱為起動(dòng)電流比11例9-2一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為： 試用解析法計(jì)算四級起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電阻值。 解已知起動(dòng)級數(shù)m=4 選擇12各分段電阻如下 ：則各級起動(dòng)總電阻如下： 13三、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過渡過程 在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，一些電氣參數(shù)（如電壓、電阻等）與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突然變化，會(huì)引起過渡過程，但由于慣性，這些變化卻不能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩及磁通等參量的突變，而必須是個(gè)連續(xù)變化的過程 。電力拖動(dòng)系統(tǒng)中一般存在以下三種慣性：1機(jī)

5、械慣性 反映在系統(tǒng)的飛輪慣量上，它使轉(zhuǎn)速不能突變。 2電磁慣性 反映在電樞回路電感及勵(lì)磁回路電感上，它們分別使電樞電流和勵(lì)磁電流不能突變，從而使磁通不能突變。 3熱慣性 它使電動(dòng)機(jī)的溫度不能突變。 14電力拖動(dòng)的過渡過程一般分為兩種：1）機(jī)械過渡過程 它只考慮機(jī)械慣性，忽略影響較小的電磁慣性。2）電氣一機(jī)械過渡過程 它同時(shí)考慮機(jī)械與電磁兩種慣性。（一）起動(dòng)時(shí)的機(jī)械過渡過程 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串固定電阻全壓起動(dòng)1電樞串固定電阻起動(dòng)的過渡過程 15負(fù)載轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的負(fù)載電流，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完畢后，保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的電樞電流 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，是表征機(jī)械慣性的一個(gè)非常重要的物理量 其解為為電流的起

6、始值 其中或16起動(dòng)過程中電樞電流的變化曲線或 過渡過程開始時(shí)轉(zhuǎn)速的起始值當(dāng)起動(dòng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)機(jī)械特性上負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （或負(fù)載電流 ）對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即過渡過程結(jié)束時(shí)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速的上升曲線17求出過渡過程中某一段的時(shí)間 或或2電樞串多級電阻起動(dòng)的過渡過程 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)二級起動(dòng)的電路及特性 第一級起動(dòng)時(shí) 18轉(zhuǎn)速變化曲線機(jī)械特性曲線電流變化曲線1920例9-3一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)為： 已知四段起動(dòng)電阻為： 電樞電阻系統(tǒng)飛輪慣量求分級起動(dòng)總的起動(dòng)時(shí)間。解： 21設(shè) =(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s 22理想的起動(dòng)電流變

7、化規(guī)律3加快起動(dòng)過程的途徑 1）減小系統(tǒng)的飛輪慣量，以減小機(jī)電時(shí)間常數(shù)，從而降低系統(tǒng)的慣性 2）在設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，盡可能設(shè)法改善起動(dòng)過程中電樞電流的波形 （二）電樞電路電感對起動(dòng)過程的影響 電磁時(shí)間常數(shù)為 式中，La 為電樞電路的總電感 當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)時(shí)，則過渡過程分兩階段：第一階段，電樞電流從零增加到Iz 之前，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零。式中23第二階段，過了tz 后，電動(dòng)機(jī)開始加速，機(jī)械慣性與電磁慣性同時(shí)存在 或該方程的解為式中24考慮電樞電感時(shí)，無振蕩情況下的變化曲線其中c1及c2積分常數(shù)，由初始條件決定 1）當(dāng) 時(shí)，1和2為負(fù)實(shí)數(shù)252）當(dāng) 時(shí)，1和2為負(fù)共軛復(fù)數(shù)考慮電樞電感時(shí)，有振蕩情

8、況下的變化曲線式中式中26第三節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1）電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相同，此時(shí)電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能，并變?yōu)闄C(jī)械能以帶動(dòng)負(fù)載。 2） 制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，此時(shí)，用電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能。 一、能耗制動(dòng) 電動(dòng)狀態(tài)能耗制動(dòng)27能耗制動(dòng)時(shí)機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速及電流變化曲線28能耗制動(dòng)機(jī)械特性方程式 如果按最大制動(dòng)電流不超 過來選擇 則電動(dòng)機(jī)帶位能負(fù)載時(shí)的能耗制動(dòng)電路圖當(dāng) 時(shí)能耗制動(dòng)時(shí)間為 29二、反接制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)帶位能負(fù)載時(shí)的能耗制動(dòng)電路圖反接制動(dòng)可用兩種方法實(shí)現(xiàn)，即轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）與電樞反接（一般用于反作用負(fù)載）。（一）轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng) 轉(zhuǎn)

9、速反向的反接制動(dòng)機(jī)械特性轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)特性方程式為 電樞電路的電壓平衡方程式變?yōu)?30上式表明， 與 兩者之和消耗在電樞電路的電阻 上。 （二）電樞反接的反接制動(dòng) 斷開 和 ， 接通 和電樞反接的反接制動(dòng)電路圖最大電流也不超過 31（三）電樞反接時(shí)的過渡過程電樞反接時(shí)的人為機(jī)械特性和轉(zhuǎn)速及電流變化曲線1反作用負(fù)載 反抗性負(fù)載終止在D點(diǎn)位能性負(fù)載終止在E點(diǎn)2位能負(fù)載 32 三、回饋制動(dòng)（或稱再生制動(dòng)） （一）位能負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)電路圖(帶位能負(fù)載)這時(shí)位能負(fù)載帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電樞將軸上輸入的機(jī)械功率變?yōu)殡姶殴β?后，大部分回饋給電網(wǎng)（ ），小部分變?yōu)殡姌谢芈返你~耗 。電動(dòng)機(jī)變?yōu)橐慌_(tái)

10、與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。 （二）他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速 在降低電壓的降速過程中，當(dāng)突然降低電樞電壓，感應(yīng)電動(dòng)勢還來不及變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生 的情況，亦即出現(xiàn)了回饋制動(dòng)狀態(tài)。 33他勵(lì)電動(dòng)機(jī)降壓、減速過程中回饋制動(dòng)特性例9-4一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)如下：（1）電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)位能負(fù)載，在固有特性上作回饋制動(dòng)下放， ，求電動(dòng)機(jī)反向下放轉(zhuǎn)速。（2）電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)位能負(fù)載，作反接制動(dòng)下放， 時(shí)，轉(zhuǎn)速 ，求串接在電樞電路中的電阻值、電網(wǎng)輸入的功率、從軸上輸入的功率及電樞電路電阻上消耗的功率。 （3）電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)反作用負(fù)載，從 進(jìn)行能耗制動(dòng)，若其最大制動(dòng)電流限制在100A，試計(jì)算串接在電樞電路中的電阻值。 34

11、解 （1）電動(dòng)機(jī)反向下放轉(zhuǎn)速 （2）電樞電路總電阻 電樞串接電阻 電網(wǎng)輸入功率 電樞電路電阻上消耗的功率 35軸上功率（為負(fù)值，表示從軸上輸入功率） （3）能耗制動(dòng)時(shí)最大電流出現(xiàn)在制動(dòng)開始時(shí)，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢為 電樞電路總電阻 電樞電路串接電阻 36第四節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 采用一定的方法來改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，以滿足生產(chǎn)的需要，這種方法通常稱為調(diào)速。 一、調(diào)速指標(biāo) 調(diào)速方法最主要的有兩大指標(biāo)：即技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo) （一）調(diào)速的技術(shù)指標(biāo) 1. 調(diào)速范圍 不同生產(chǎn)機(jī)械要求的調(diào)速范圍是不同的，例如車床D20120，龍門刨床D1040，機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)D5200，軋鋼機(jī)D3120，造紙機(jī)D320等

12、 37不同機(jī)械特性下的靜差率 2靜差率（或稱相對穩(wěn)定性） 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性愈硬，則靜差率愈小，相對穩(wěn)定性就愈高。 調(diào)速范圍D與低速靜差率%間的關(guān)系允許的轉(zhuǎn)速降 383平滑性 在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)愈多則認(rèn)為調(diào)速愈平滑。 值愈接近于1，則平滑性愈好。時(shí)稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，級數(shù)接近無窮多，此時(shí)調(diào)速的平滑性最好。 4調(diào)速時(shí)的容許輸出（或調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)矩）容許輸出是指電動(dòng)機(jī)在得到充分利用的情況下，在調(diào)速過程中軸上所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。 39（二）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用，而運(yùn)行費(fèi)用又決定于調(diào)速過程的損耗，它可用設(shè)備的效率來說明。 例9-5 一

13、直流調(diào)速系統(tǒng)采用改變電源電壓調(diào)速，已知電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 ，高速機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速 如果額定負(fù)載下低速機(jī)械特性的轉(zhuǎn)速 ，而相應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速 。（1）試求出電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行的調(diào)速范圍D和靜差率 ；（2）如果生產(chǎn)工藝要求靜差率 20%，則此時(shí)額定負(fù)載下能達(dá)到的調(diào)速范圍是多少？還能否滿足原有的要求？ 40電樞串聯(lián)電阻調(diào)速解 （1）低速靜差率 （2）不能滿足原有調(diào)速范圍的要求二、降低電樞端電壓調(diào)速 （一）電樞串聯(lián)電阻分析電樞串接電阻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性： 效率41（二）降低電源電壓 降低電源電壓的調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為晶閘管整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)降低電源電壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性42減弱磁通的人為機(jī)

14、械特性三、弱磁調(diào)速 弱磁調(diào)速電路示意圖較大容量系統(tǒng)小容量系統(tǒng)弱磁調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性方程式是 ：43 弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是，在功率較小的勵(lì)磁電路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制方便，能量損耗小，調(diào)速的平滑性較高。由于調(diào)速范圍不大，常和額定轉(zhuǎn)速以下的降壓調(diào)速配合應(yīng)用，以擴(kuò)大調(diào)整范圍。 減弱磁通時(shí)的電樞電流、轉(zhuǎn)速、磁通變化曲線44四、調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)矩 在調(diào)速過程中，只要在不同轉(zhuǎn)速下電流不超過額定值，電動(dòng)機(jī)長時(shí)運(yùn)行，其發(fā)熱不會(huì)超過容許的限度。 對于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系為： 降壓調(diào)速時(shí)，從高速到低速，容許輸出轉(zhuǎn)矩是常數(shù)，稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。而容許輸出功率則正比于轉(zhuǎn)速。式中弱磁調(diào)速時(shí)的容許輸出功率為常數(shù)，稱為恒功

15、率調(diào)速方式； 45機(jī)械特性和容許輸出轉(zhuǎn)矩容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率46第五節(jié) 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電流連續(xù)時(shí)的整流電壓的平均值 三相半波零式晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主電路負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)的整流電壓波形對于三相零式晶閘管整流電路式中， 一逆變角。 47電流不連續(xù)時(shí)整流電壓與電流波形電流不連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性48反并聯(lián)連接的兩組晶閘管裝置向直流電動(dòng)機(jī)供電晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：改變控制角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓或勵(lì)磁電流，從而達(dá)到平滑調(diào)速的目的。其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高；調(diào)速范圍大，平滑性高，質(zhì)量小，占地面積小，運(yùn)行效率高，設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用都較低，而且快速響應(yīng)控制準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)是：1）由于電樞電流為脈沖波 ，電

16、流的有效值較高，增加電樞的銅耗，引起電動(dòng)機(jī)效率下降。 2）當(dāng)調(diào)速范圍較大時(shí)，功率因數(shù)較低 。3）晶閘管整流裝置整流變壓器一次電流中的諧波成分會(huì)造成種種不良影響 。49第六節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗 一、空載起動(dòng)的能量損耗 空載起動(dòng)時(shí) 起動(dòng)時(shí)由電源輸向電動(dòng)機(jī)的能量為 可見，電源輸入電動(dòng)機(jī)兩倍于系統(tǒng)儲(chǔ)存動(dòng)能的能量，其中一半為拖動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能，另一半為起動(dòng)損耗。50二、空載能耗制動(dòng)的能量損耗損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)所儲(chǔ)存的動(dòng)能。 三、空載反接制動(dòng)的能量損耗 空載反接制動(dòng)的能量損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能儲(chǔ)存量的三倍 。51四、空載反轉(zhuǎn)過程的能量損耗空載反轉(zhuǎn)過程的能量損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能儲(chǔ)存量的四倍 。五

17、、減少他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過渡過程能量損耗的方法 （一）減少拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能儲(chǔ)存量 1、通常設(shè)計(jì)成細(xì)而長的形狀。2、也可采用雙電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，它由兩臺(tái)一半功率的電動(dòng)機(jī)組成，這時(shí)即相當(dāng)于電樞的等效長度增加，而直徑減小。52（二）合理選擇電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)方式 比較二級與一級起動(dòng)時(shí)的損耗可見，前者僅為后者的一半。同理，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) m 級改變電壓起動(dòng)（如發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組）時(shí)，能量損耗可大大減小，為一級起動(dòng)時(shí)的 1/m 。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)串并聯(lián)兩級起動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)一級起動(dòng)53串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性第七節(jié) 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng) 一、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 磁路未飽和時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路圖54串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓時(shí)的人為機(jī)械特性勵(lì)磁繞組并分路電阻的電路圖（一）降低電源電壓 （二）勵(lì)磁繞組并分路電阻 55電樞并分路電阻的電路圖串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性勵(lì)磁繞組并分路電阻時(shí)的人為特性電樞并分路電阻時(shí)的人為特性（三）電樞并分路電阻 56二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)只有兩種制動(dòng)狀態(tài)，