电气传动自动控制系统第2章03.docx
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电气传动自动控制系统第2章03
2.4调速系统的基本指标与直流电机的基本调速方法
许多生产机械的运行速度,随其具体工作情况而不同。
例如:
车床切削工件时,精加工用高转速,粗加工用低转速;龙门刨床刨切时,刀具切入和切出工件用较低速度,中间一段切削用较高速度,工作台返回时用高速度。
这就是说,传动系统的运行速度需要根据生产机械的工艺要求而人为调节。
调速即是速度调节的简称。
调速可分为机械调速和电气调速两类。
改变传动机构速比的调速方法称为机械调速。
而通过改变电动机相关参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。
在电力传动系统中研究的调速,一般是指电气调速,即指在某一不变负载条件下,人为地改变电路的参数,而得到不同的速度。
调速与由其他因素(如负载变化)引起的速度变化不同,后者称为速度变化。
生产机械的调速是工业生产的实际需要。
大量的生产机械都需要调速。
可调速电力传动是现代电力传动的特点之一。
正确地选择可调速电力传动系统,可以保证工艺过程的顺利实现和完成,可以达到提高生产质量和增加产量的目的。
同时,在很多情况下,可以简化机械结构。
2.4.1调速系统的基本指标
如何选择和评价一个调速系统?
应考虑以下指标(技术指标和经济指标):
调速范围、调速的稳定性和相对稳定性(即静差率)、调速的平滑性、调速的负载能力以及调速的经济性。
2.4.1.1调速范围——D
电力传动系统的调速范围,是指系统所能给出的最高转速nmax与最低转速nmin的比值,即
(2-52)
电力传动系统的调速范围,一般是机械调速和电气调速配合起来实现的。
所以,系统的调速范围应为机械调速范围与电气调速范围的乘积。
这里,主要研究电气调速范围。
在决定调速范围时,一般取额定转矩下的最高转速与最低转速的比值,即
最高转速受电动机的换向和机械强度的限制;
最低转速受生产机械对转速相对稳定性(静差率)要求的限制。
一般,金属切削机床主传动系统的调速范围为4~100,辅助传动系统可达1000;轧钢工业中的热轧机传动调速范围为3~10,而冷轧机可达20以上;造纸机传动系统调速范围为10~20。
2.4.1.2调速的稳定性和静差率s
调速的稳定性是表示负载转矩在给定范围内变化时所引起的速度变化。
它决定于机械特性的斜率。
斜率大的机械特性在发生负载波动时,引起的速度变化也大,如图2-26所示。
这会影响到加工质量和生产效率。
只用机械特性的斜率来表示调速的稳定性很不确切,需要引入新的概念来表示调速的相对稳定性——静差率。
静差率是指电机由理想空载到满载(额定负载)时的转速落差与理想转速的比值,即
<1
一般,取额定转矩下的转速落差nN,即有额定静差率
由上式可知,当n0相同时,斜率愈大,静差率愈大,调速的相对稳定性愈差;当机械特性的斜率相同时,n0愈低,静差率愈大,调速的相对稳定性愈差。
下面,讨论静差率s与调速范围D的关系。
如图2-27所示,直线1代表固有特性,直线2代表人工特性。
图2-26机械特性的斜率与稳定性的关系图2-27电枢串接电阻时的人工机械特性
在额定转矩下,最高转速等于额定转速,即
nmax=nN
最低转速为
nmin=narN
调速范围为
(2-30)
对固有特性——高速特性,其额定静差率为
则
nN=n0(1-sN)(2-31)
人工特性——低速特性的静差率为
则
narN=n0(1-sarN)(2-32)
则
(2-33)
一般,sN很小,可忽略,则有
(2-34)
由上式可知,当要求静差率sarN小的时候,调速范围D不可能大。
例如,当sarN=0.3时,电枢回路串电阻调速的调速范围D=1.4,D很小。
可见,静差率s与调速范围D是两个互相制约的指标。
如果在电枢串电阻调速时,所串电阻Rad最大的一条人工机械特性,即低速特性的静差率s满足要求,则其他各条特性上的静差率就都能满足要求。
这条串电阻值Rad最大的人工机械特性上对应T=TL时的转速,就是串电阻调速时的最低转速,因此,称为低速特性。
而电动机的nN是最高转速nmax,则固有特性称为高速特性。
系统的最低转速受低速特性的静差率的限制。
调速范围与静差率存在这样制约的关系,因此对于需要调速的生产机械,必须同时提出静差率与调速范围这两项指标,以便选择合适的调速方法。
例如,普通车床调速要求为s30%,D=10~40。
龙门刨床调速要求为s10%,D=10~40。
高级造纸机调速要求为s0.1%,D=3~20。
等等。
2.4.1.3调速的平滑性
调速的平滑性,是指在一定的调速范围内,相邻两级速度变化的程度,用平滑系数表示有
(2-35)
式中ni和ni-1——相邻两级(即i级与i-1级)的速度。
平滑系数K愈接近愈1,则速度跃变愈小,调速愈平滑。
根据系统调速的平滑性,调速可分为有级调速和无级调速,平滑性最好的调速为无级调速,无级调速时,当i,K1,可以实现连续平滑调节。
2.4.1.4调速的经济性
在设计和选择调速系统时,不仅要考虑技术指标,还要考虑其经济指标,即调速的经济性问题。
调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时的电能损耗以及运行费用等。
在初投资中,除了设备费用外,有时还需要考虑安装费用、占地面积、对厂房的要求等项目。
在运行费用中,包括能量消耗、工资、设备折旧(包括大修费用)、一般维修费用等项目。
在比较简单的情况下,可以只计算电能的损耗P,或者是设备的总效率,即
式中P2-—设备的有效功率。
在全面评价调速的经济性时,就需综合考虑初投资和运行费用。
还有一个调速的技术指标,即电动机调速时的负载能力及其与负载性质的配合,将在2.4.3中专门讨论。
在具体技术指标方面,有时个别的指标会成为决定调速系统方案的重要因素,例如调速的灵活性和快速性。
2.4.2直流他励电动机的基本调速方法及其调速性能
由直流他励电动机的机械特性方程式
可知,直流他励电动机的调速方法有三种:
电枢回路串接电阻调速,降低电源电压调速和弱磁调速。
这与直流他励电动机的三种人工机械特性相对应。
2.4.2.1电枢回路串接电阻调速
直流他励电动机电枢回路串接电阻不能改变理想空载转速n0,只能改变机械特性的硬度(即斜率b)。
如图2-28所示,所串附加电阻Rad愈大,斜率b愈大,特性愈软,在一定负载转矩TL下,转速也就愈低。
图2-28电枢串接电阻调速时的机械特性
调速方向:
由基速(额定转速nN)向下调速
调速范围:
在一定静差率的要求下是有限的(约为2),尤其在轻载时,调速范围更小
调速的稳定性:
差(负载变化引起的速度变化决定于斜率)。
低速时转速不稳定。
调速的平滑性:
有级调速。
由于电枢回路的电流较大,串接的附加电阻Rad的容量也较大,较笨重,不易做到电阻值的连续调节,因此转速也不能连续调节,一般最多为六级。
调速的经济性:
电能损耗:
大(电枢电流I较大,则I2Ra较大)
设备初投资:
少
优点:
方法比较简单。
应用场合:
应用在电动机容量不大,低速工作时间不长,调速范围较小的场合。
2.4.2.2弱磁调速
减弱磁通时,在电枢电压为额定电压及电枢回路不串接附加电阻(U=UN,Ra=ra,Rad=0)的条件下,理想空载转速升高,特性斜率加大,如图2-29所示。
一般,负载转矩不过大时,弱磁使转速升高,否则,会出现“反调速”现象。
图2-29弱磁调速时的机械特性
调速方向:
由基速向上调速
调速范围:
普通非调磁直流他励电动机D是有限的,D=1.2~2。
专门设计的调磁电动机,D=3~4。
由于最高转速受换向能力与机械强度的限制。
调速的稳定性:
较好(尽管斜率b加大,但理想空载转速n0升高)。
调速的平滑性:
无级调速。
弱磁的实现方法是在励磁回路串接可调的电阻Rfad。
由于励磁回路电阻的容量很小(为额定功率的1%~5%),控制很方便,可以做到电阻值的连续调节,从而实现转速连续调节的无级调速。
调速的经济性:
电能损耗:
少(励磁回路电流比电枢电流要小很多,因此励磁回路中所串的调速电阻消耗的功率要比电枢回路串电阻调速时电阻消耗的功率小很多)
设备初投资:
较多(专门设计的调磁电动机成本较高)。
弱磁调速一般要配一可调压电源,但容量较小,成本不算高。
优点:
能量损耗小,控制比较容易,可平滑调速。
应用场合:
应用广泛。
2.4.2.3降低电枢电压调速
降低电枢电压时,理想空载转速降低,但机械特性斜率不变,如图2-30所示。
图2-30降低电枢电压调速时的机械特性
调速方向:
由基速向下调速
调速范围:
较宽
调速的稳定性:
好(斜率不变)
调速的平滑性:
无级调速。
电枢电压可实现连续调节,因此转速的变化也是连续的。
调速的经济性:
电能损耗:
较少
设备初投资:
多
优点:
稳定性好,可实现无级平滑调速。
应用场合:
应用广泛。
降低电枢电压调速需要独立可调的大功率直流电源,有两种系统:
一是用单独的发电机供电的发电机—电动机系统(发电机—电动机组);另一个是晶闸管整流装置供电的直流调速系统。
2.4.3电动机调速时的负载能力及其与负载性质的配合
2.4.3.1电动机调速时的负载能力
电动机的负载能力是指在合理运用电动机的前提条件下,电动机所能输出的转矩和功率的大小。
合理运用电动机,是指运用电动机时既能充分发挥其有限的能力,又要使其安全可靠。
要保证这一点,主要取决于电动机的发热。
即在充分利用电动机能力的基础上,电机长期运行时,发热不超过容许的限度。
电机的发热是由电机的损耗决定的。
电机的损耗可分为不变损耗和可变损耗,不变损耗与负载无关,可变损耗与负载电流的平方成正比,即I2。
因此可以认为损耗是由电流决定的。
所以,在调速过程中,在不同速度下电动机的电流只要为额定电流值,就可实现电机的合理利用。
电机电流的上限值就是额定电流IN。
则充分利用电动机,就是使其工作在I=IN的条件下。
下面以直流他励电动机为例,研究其不同调速方法的负载能力:
1.电枢回路串电阻调速的负载能力
U=UN,=N,Ra=ra+Rad,Rad0。
欲合理使用电动机,在调速过程中,应使I=IN。
则电动机的电磁转矩为
T=CTNIN=TN=constant
输出功率为
由以上两式可知,电枢串电阻调速,电动机负载能力的变化规律为:
电动机的转矩是常数,保持为额定转矩TN不变,而输出功率P正比与转速n,即T=const,Pn。
在调速过程中这种调速方式称为恒转矩调速方式。
2.降低电枢电压调速的负载能力
U 同前,也是恒转矩调速。 3.弱磁调速的负载能力 U=UN, 欲合理使用电动机,在弱磁调速过程中,应使I=IN。 则电动机的电磁转矩为 T=CTIN=C2,C2=CTIN 此时, ,C3=(UN-raIN)/Ce 则 则 ,C4=C2C3 输出功率为 =const 由以上两式可知,弱磁调速,电动机负载能力的变化规律为: 电动机的转矩与转速的倒数成比例,而输出功率P为一恒值,即T1/n,P=const。 在调速过程中这种调速方式称为恒功率调速。 直流他励电动机调速时的负载能力如图2-31所示。 图2-31直流他励电动机调速时的负载能力 2.4.3.2直流他励电动机基本调速方法的调速性能 直流他励电动机三种调速方法的调速性能对比见表2-3。 表2-3直流他励电动机三种调速方法的调速性能对比 调速方法 电枢串电阻调速 降低电枢电压调速 弱磁调速 调速方向 由基速(nN)向下调速 由基速(nN)向下调 由基速(nN)向上调 调速范围 (一定静差率s下) 约2 约10~12 1.2~2 或3~4(采用调磁电机) 调速的稳定性 差 好 较好 调速的平滑性 有级调速 无级调速 无级调速 调速的 初投资 少 多 较多 经济性 电能损耗 多 较少 少 调速的负载能力 恒转矩 恒转矩 恒功率 直流他励电动机的电力传动系统中,广泛采用降低电源电压向下调速以及弱磁向上调速的双向调速方法。 这样,可以得到很宽的调速范围,可以在调速范围内的任何需要的转速上运行,而且调速时损耗较小,运行效率较高,因此,能很好地满足各种生产机械对调速的要求。 2.4.3.3电动机调速时的负载能力与负载性质的配合 电动机调速时容许输出的转矩和功率,表示的是电机的负载能力,但并不是电机实际输出的转矩和功率。 电机的实际输出要取决与负载性质。 调速方式不同,电机的负载能力也不同。 这里再强调一下,调速方式是指在I=IN不变的前提下,表征电动机采用某种调速方法时的负载能力(或容许输出的力能指标)。 在不同的调速方式下,从合理使用电机负载能力的角度出发,存在着负载能力与负载性质相互匹配的问题,即调速方式与负载性质相互匹配的问题。 如果在某种调速方式下,电机所具备的负载能力,即容许输出与由负载性质决定的电机实际输出相等,则电机得到了合理利用。 显然,电动机采用恒转矩调速方式时,若拖动恒转矩负载运行,并且使电动机额定转矩与负载转矩相等,即TN=TL,则不论运行在什么转速上,电动机的电枢电流I=IN保持不变,电动机得到充分利用。 则称恒转矩调速方式与恒转矩负载相匹配。 电动机采用恒功率调速方式时,若拖动恒功率负载运行,并且使电动机电磁功率Pem=TNN保持不变,则不论运行在什么转速上,电动机的电枢电流I=IN保持不变,电动机得到充分利用。 则称恒功率调速方式与恒功率负载相匹配。 那么,恒转矩调速方式与恒功率负载是否相匹配? 恒功率调速方式与恒转矩负载是否相匹配? 答案是否定的。 恒转矩调速方式(电枢串电阻、降压调速)传动恒功率负载时,如图2-32所示,恒功率负载的功率为 =const 选用恒转矩调速方式(如降压),电动机额定转矩按最大负载转矩TLb选取(否则不能带动负载,或对电机不利),即 TN=TLb 由于为降压调速,调速方向是由额定转速(基速)向下调速,所以电动机的额定转速应按负载的最高转速nmax选取,即 nN=nmax 则电动机的额定功率为 (2-36) 式中PL——负载功率(kW); D——调速范围 由式(2-36)可知: 恒转矩调速方式拖动恒功率负载时,电动机的额定功率为负载功率的D倍,产生虚容量,所以不匹配。 图2-32恒功率负载与恒转矩调速方式的配合 恒功率调速方式(如弱磁调速)拖动恒转矩负载时,如图2-33所示。 电动机的额定转速应按负载的最高转速nmax选取,即 nN=nmax 而电动机的转矩必须这样考虑,在最高转速时的电动机转矩与负载转矩相等,那么电动机的额定功率为 当n 图2-33恒功率负载与恒转矩调速方式的配合 对通风机负载,它既不是恒转矩负载,也不是恒功率负载,则对于采用恒转矩调速方式或恒功率调速方式时,无论怎样都不能做到调速方式与负载性质的匹配。 在设计调速系统时,应尽可能使二者匹配。 2.5直流串励和复励电动机的机械特性 2.5.1直流串励电动机的机械特性 直流串励电动机的基本接线方式如图2-34所示。 图中ra为电枢电阻,rf为串励励磁绕组的电阻,Rad为附加电阻。 图2-34直流串励电动机的接线图 直流串励电动机的基本特点: 励磁绕组串接在电枢回路中,电枢电流就是励磁电流。 所以磁通与电枢电流I有关,即=f(I),如图2-35所示,实际上即为电动机的磁化曲线。 图2-35直流串励电动机的磁化曲线 直流串励电动机的基本方程式为 电压平衡方程式 U=E+I(ra+rf+Rad)(2-37) 电枢电势公式 E=Cen(2-38) 电磁转矩公式 T=CTI(2-39) 将式(2-38)、(2-39)代入式(2-37),得串励电动机的机械特性方程式 (2-40) 式中磁通是与电枢电流有关的,是图2-31所示的非线性关系。 下面对其机械特性进行定性分析: 1.当I=If较小时,磁路不饱和,可以认为磁通与电流(励磁电流即为电枢电流)成正比I,即=C1I,则T=CTI=CTC1I2,得 。 又有=T/CTI,则 。 代入式(2-75)得 (2-41) 可见,当磁路未饱和时,直流串励电动机的机械特性为类似双曲线性质。 如图2-36曲线的 段。 2.当I=If较大时,磁路饱和,此时可以认为磁通不变,即=constant。 此时直流串励电动机的机械特性与他励电动机的类似。 如图2-32曲线的 段。 图2-36直流串励电动机的机械特性曲线 由以上分析可知,直流串励电动机的机械特性具有以下特点: 是一条非线性的软特性。 即负载转矩增加时,转速迅速降落。 当转矩T很小时,转速n很高。 在理想情况下,当T=0时,n=。 实际运行时,当I=0时,电机还有剩磁,n不会达到无穷大,但非常高。 因此,直流串励电动机不允许空载运行,否则,会产生“飞车”现象。 磁路未饱和时,TI2,则串励电动机的起动转矩大,过载能力强。 应用场合: 适用于负载转矩经常变化的场合,如电车,起重机构等。 2.5.2直流复励电动机的机械特性 复励电动机的励磁绕组包括并励和串励两部分。 当这两部分绕组产生相加的磁势时称为积复励;当这两部分磁势相减时称为差复励。 为避免运行时产生不稳定现象,实际上多为积复励电动机。 复励电动机的基本接线方式如图2-37所示。 图2-37直流复励电动机的接线图 由于具有两个励磁绕组,所以复励电动机的机械特性介于他励电动机和串励电动机之间,如图2-38所示。 图2-38直流复励电动机的机械特性曲线 复励电动机具有串励电动机起动转矩大,过载能力强的优点,而没有空载转速过高的缺点。 应用很广泛。 小结 一、直流他励电动机的机械特性 1.机械特性方程式: 2.固有和人工机械特性,及其计算与绘制 二、直流他励电动机的起动 不能直接起动: 起动方法 1.电枢串电阻起动: 分析法: 计算(m已知或m未知) 2.降压起动 三、直流他励电动机的各种工作状态 电动状态 制动状态: 回馈、反接、能耗 四象限运行状态,方程式、实现方法、功率关系、特点等。 四、直流他励电动机的调速 了解调速的基本指标: 技术、经济 调速方法: 电枢串电阻调速、降低电枢电源调速、弱磁调速 不同调速方法调速性能的对比 负载能力(调速方式)与负载性质的配合 五、直流他励电动机的过渡过程 过渡过程的基本概念 机电时间常数 起动过渡过程 各种制动过渡过程
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