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电机直流
《电力拖动基础(双语)》第二章直流电机的电力拖动
教学目标:
1、了解直流电机的基本结构、工作原理
2、掌握直流电动机拖动系统的机械特性和动态特性
3、掌握两种直流电动机起动方式;
4、掌握直流电动机三种调速方式;
5、他励直流电动机的制动方法有三种:
能耗制动、反接制动和回馈制动;
6、运用机械特性和运动方程式分析各种运转状态的过渡过程。
2.1ElementarydcmachineandItsApplications
1.BasicPrinciple
Adcmachineisconsistedofseveralarts:
carbonbrushesairgap
coppercommutatorsegments
armaturewindings(coils)
armatureiron(rotor)
mainpole(statorissalientpole)
2.Applications
hoists,fans,pumps,calendars
punch-presses,andcars
specialapplications:
steelmills,mines,electrictrains
2.2他励直流电动机的机械特性
机械特性的一般表达式
他励直流电动机机械特性是指电动机加上一定的电压U和一定的励磁电流If时,电磁转矩与转速之间的关系,即n=f(T)。
固有机械特性
他励直流电动机固有机械特性是一条斜直线,跨三个象限,特性较硬。
机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系,是电动机本身的能力,至于电动机具体运行状态,还要看拖动什么样的负载。
固有机械特性是电动机最重要的特性,在它的基础上,很容易得到电动机的人为机械特性。
人为机械特性
他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后,其机械特性称为人为机械特性。
o电枢回路串电阻的人为机械特性
o改变电枢电压的人为机械特性
o减少气隙磁通量的人为机械特性
减小气隙每极磁通的方法是减小励磁电流来实现的。
电机磁路接近于饱和,增大每极磁通是难以做到的,改变磁通,都是减少磁通。
2.3串励和复励直流电动机
串励直流电动机的机械特性
把励磁绕组串联在电枢回路就是串励直流电机,其正方向仍用电动机惯例
特点:
是一条非线性的软特性;
当电磁转矩很小时,转速n很高;
电磁转矩T与电枢电流Ia的平方成正比,因此起动转矩大,过载能力强。
复励直流电动机的机械特性
如果并励与串励两个励磁绕组的极性相同,叫积复励;极性相反,叫差复励。
积复励具有串励电动机的起动转矩大,过载能力强的优点,而没有空载转速很高的缺点。
应用广泛,如无轨电车的拖动。
2.4tartingofD.C.motor
1.Referringfirsttotheshuntmotor,eqnshowsthatthedownwardsslopofthespeed/torquecurveisdirectlyproportionaltothearmatureresistancewithconstantfluxandvoltage.
Tobringamotorrestuptospeedfromaconstantsupplyvoltageisaspecialcaseofspeedcontrolinwhichthearmature-circuitresistanceisvaried.Atstandstillthee.m.f.iszerosothearmatureresistancealonelimitsthestatingcurrentandtorque.Withavalueofsay0.05p.u.,thestartingcurrentatfullvoltagewouldbe1/0.05=20p.u.Extraresistanceisthereforerequired,andisconnectedinserieswiththearmature.
2.Byincreasingtheresistance,thecharacteristicwillcutzero-speedaxistogivealower,thoughadequatestartingtorqueandareasonablestartingcurrent.
3.Foraseriesmotor,theeffectsoftheadditionalcircuitresistancecaneasilybecalculatedusingthetabularmethodandatypicalsetofcurvesisshownonFig.Ratherfewerstepsofstartingresistancearenecessaryduetotheshapeofthecharacteristics.
Example
Ashuntmotorrotatingat1500r/minisfedbya120Vsource.Thelinecurrentis51Aandtheshunt-fieldresistanceis120Ω.Ifthearmatureresistanceis0.1Ω,calculatethefollowing:
a.Thecurrentinthearmature
b.Thecounter-emf
c.Themechanicalpowerdevelopedbythemotor
Solution:
a.Thefieldcurrentis
Im=120V/120Ω=1A
Thearmaturecurrentis
Ia=51-1=50A
b.
ThevoltageacrossthearmatureisU=120V
VoltagedropduetoarmatureresistanceisIaRa=50×0.1=5V
Thecemfgeneratedbythearmatureis
Ea=120-5=115V
c.Thetotalpowersuppliedtothemotoris
Pi=UI=120×51=6120W
Powerabsorbedarmatureis
Pa=UIa=120×50=6000W
Powerdissipatedinthearmatureis
PR=IaRa2=502×0.1=250W
Mechanicalpowerdevelopedbythearmatureis
Pm=6000-250=5750W
(equivalentto5750/746=7.7hp)
1、Theactualmechanicaloutputisslightlylessthan5750Wbecausesomeofthemechanicalpowerisdissipatedinbearingfrictionlosses,inwindagelosses,andinarmatureironlosses.
2、Tobringamotorrestuptospeedfromaconstantsupplyvoltageisaspecialcaseofspeedcontrolinwhichthearmature-circuitresistanceisvaried.
3、保持电源电压不变,则电动机的起动就是改变电枢回路电阻调速的一个特例。
4、Referringfirsttotheequationoftheshuntmotorshowsthatthedownwardsslopofthespeed/torquecurveisdirectlyproportionaltothearmatureresistancewithconstantfluxandvoltage.
5、并励电动机(机械特性)方程表明:
若磁通和电压恒定,则向下倾斜的转矩/速度曲线的斜率是直接与电枢电阻成正比的。
6、Byincreasingtheresistance,thecharacteristicwillcutzero-speedaxistogivealower,thoughadequatestartingtorqueandareasonablestartingcurrent.
7、随着电阻的增加,机械特性将在起动点(n=0)处获得较低的、但又是足够的起动转矩和允许的起动电流。
2.5他励直流电动机的调速
调速方法
电枢串电阻调速
他励直流电动机拖动负载运行时,保持电源电压及磁通为额定值不变,在电枢回路中串人不同的电阻时,电动机运行于不同的转速。
调速方向是指调速结果,其转速与基速相比。
只要电枢回路串电阻,无论电阻多大,电动机运行的转速都比不串电阻运行在基速上要低,就称为调速方向是从基速向下调。
电枢回路串电阻,所串电阻上会产生很大的损耗,转速越低,损耗越大;
串入的电阻越大,机械特性越软,在低速运行时,转速稳定性较差;
由于电枢电流较大,调速电阻的容量也较大,较笨重,不易做到电阻值的连续调节,因而电动机转速也不能连续调节,一般最多分为六级。
o降低电源电压调速
保持他励直流电动机磁通为额定值不变,电枢回路不串电阻,降低电枢的电源电压为不同大小时,电动机拖动者负载运行于不同的转速上。
降低电源电压,电动机机械特性的硬度不变。
这样,比起电枢回路串电阻调速使机械特性变软这一点,降低电源电压可以使电动机在低速范围运行时,转速随负载变化而变化的幅度较小,转速稳定性要好得多。
当电源电压连续变化时,转速的变化也是连续的,这种调速称为无级调速,与串电阻调速(有级调速)相比,这种速度调节要下滑得多,并且还可以得到任意多级的转速。
因此降低电源电压从基速向下调速的调速方法,在直流电力拖动系统中被广泛采用。
o弱磁调速
保持他励直流电动机电源电压不变,电枢回路也不串电阻,在电动机拖动的负载转矩不过分大时.降低他励直流电动机的磁通,可以使电动机转速升高。
他励直流电动机,正常运行情况下,励磁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调速电阻时电阻消耗的功率小得多;而且由于电阻的容量很小,控制很方便,可以连续调节电阻值,实现转速连续调节的无级调速。
减弱磁通升高转速的转速调节,电动机转速最大值受换向能力与机械强度的限制,一般约为(1.2~1.5)nN特殊设计的弱磁调速电动机,可以得到(3~4)nN的最高转速。
调速的性能指标
o调速范围与静差率
调速范围是指电动机在额定负载转矩调速时,其最高转速与最低转速之比,用D表示为
最高转速受电动机的换向及机械强度限制,最低转速受生产机械对转速相对稳定性要求的限制。
静差率或转速变换率,是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率,
静差率越小,转速的相对稳定性越好,负载波动时,转速的变换也越小。
静差率的相关因素:
当n0一定时,机械特性越硬,额定转矩时的转速降落△n越小,静差率越小。
当机械特性硬度一定时,理想空载转速n0越高,静差率越小。
调速范围与静差率相互制约,采用同一种方法调速时,静差率数值越大,则可以得到较高的调速范围;如果静差率一定,采用不同的调速方法,其调速范围D不同
o恒转矩调速方式和恒功率调速方式
电动机运行时内部有损耗,这些损耗最终都变成热能,使电动机温度比周围环境温度要高。
若损耗过大,长期运行时由于电动机温度太高会损坏电动机的绝缘,从而损坏了电动机。
电动机损耗有不变损耗与可变损耗。
可变损耗主要取决于电枢电流的大小,电枢电流大,损耗就大;电枢电流小,损耗也小。
为了不致损坏绝缘而损坏电动机,对电枢电流就要有个上限规定。
在长期运行的条件下,电枢电流规定的上限值就是电枢额定电流IN。
电枢电流小,电动机输出也小,其作用发挥不出来。
因此最充分使用电动机,就是让它工作在Ia=IN情况下。
电动机运行时,电枢电流Ia的实际大小取决于所拖动的负载,比如说他励直流电动机拖动恒转矩负载运行时,在磁通保持额定不变的情况下,TL越大,T越大,电枢电流Ia越大。
电力拖动系统中,负载有不同的类型,电动机有不同的调速方法,具体分析电动机采用不同调速方法拖动不同类型负载时电枢电流Ia的情况,对于充分利用电动机来说,就是十分必要的。
恒转矩调速方式:
在某种调速方法中,保持电枢电流Ia=IN不变,若该电动机电磁转矩恒定不变,则称这种调速方式为恒转矩调速方式。
他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降低电源电压调速就属于恒转矩调速方式。
恒功率调速方式:
在某种调速方法中,保持电枢电流Ia=IN不变,若该电动机电磁功率PM恒定不变,则称这种调速方法为恒功率调速方式。
他励直流电动机改变磁通调速就属于恒功率调速方式。
电动机采用恒转矩调速方式时,如果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TN=TL,那么不论运行在什么转速上,电动机的电枢电流Ia=IN不变,电动机得到了充分利用。
称这种恒转矩调速方式与恒转矩负载性质的配合关系为匹配。
电动机采用恒功率调速方式时,如果拖动恒功率负载运行,可以使电动机电磁功率PM不变,那么不论运行在什么转速上,电枢电流Ia=IN也不变,电动机被充分利用。
恒功率调速方式与恒功率负载相配合,也可以作到匹配。
电动机采用恒转矩调速方式,如果拖动恒功率负载运行,我们可以使电动机低速运行时,负载转矩等于电动机额定转矩,电动机的电流等于额定电流,电动机利用是充分的。
但是当系统运行在高速时,由于负载是恒功率的,高速时转矩小,低于额定转矩,因此电动机电磁转矩也低于额定转矩。
而恒转矩调速方式上磁通为额定不变,T减小,Ia也必然减小,结果Ia 这种情况,电动机调速方式与所拖动的负载不匹配。 拖动恒功率负载时,恒转矩调速方式的电动机,只能按低速运行转速选配合适的电动机,作到T=TN,而高速时电动机容量则有所浪费。 恒功率调速方式的电动机,若拖动恒转矩负载运行,可以使系统在高速运行时负载转矩等于电动机允许转矩,这时电动机电枢电流则等于额定电流IN,电动机得到充分利用。 当系统运行到较低速时,由于负载是恒转矩性质的,电动机的电磁转矩也不变,但是低速时的磁通比高速时数值要大,,因此电枢电流Ia变小了,Ia 这也是一种调速方式与负载性质不匹配的情况。 从上面分析看出,拖动恒转矩负载的电动机,若果用恒功率调速方式只能按高速运行转速选配合适的电动机,而低速时电动机容量则有所浪费。 对于泵类负载,既非恒转矩类型,也非恒功率类型,那么采用恒转矩调速方式或恒功率调这方式的电动机,拖动泵类负栽时,无论怎样都不能做到调速方式与负载性质匹配。 (1)恒转矩调速方式与恒功率调速方式部是用来表征电动机采用某种调速方法时的负载能力,不是指电动机的实际负载。 (2)应使电动机的调速方式与其实际负载匹配,电动机才可以得到充分利用。 从理论上讲,匹配时,可以让电动机的额定转矩或额定功率与负载实际转矩与功率相等,但实际上,即使电动机电枢电流尽量接近额定值,由于电动机容量分成若干等级,有时只能尽量接近而不能相等。 o调速的平滑性 无级调速的平滑性最好,有级调速的平滑性用平滑系数表示,其定义为: 相邻两极转速中,高一级n与低一级转速n之比,即 o调速的经济性 主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。 调速时电能的损耗除了要考虑电动机本身的损耗外,还要考虑供电电源的效率。 调速设备初投资应该考虑电动机和供电电源两方面: 专门设计的改变磁通调速的电动机成本较普通直流电机为高;降电枢电压调速的大功率可调压电源,成本也较高;调磁通调速一般也要专门配一可调压电源,但容量要小,成本也低些。 这样综合起来考虑,电枢串电阻调速设备成本最低,而改变电源电压调速设备成本最高。 2.6他励直流电动机的电动与制动运行 (1)电动机稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点,电动机在工作点恒速运行。 (2)电动机运行在工作点之外的机械特性上时,电磁转矩与负载转矩不相等,系统处于加速或减速的过渡过程。 (3)他励直流电动机的固有机械特性与各种人为机械特性,分布在机械特性的四个象限内。 (4)生产机械的负载机械特性,有反抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载机械特性,也有由几种典型负载同时存在的各种负载机械特性,也分布在四个象限之内。 电动运行 正向电动运行 电动运行时,电动机把电源送进电机的电功率,通过电磁作用转换为机械功率,再从轴上输出给负载。 在这个过程中,存在着电枢回路中的铜损耗和空载损耗。 o反向电动运行 正向电动运行与反向电动运行是电动机运行时最基本的运行状态。 实际运行的电动机除了运行于T与n同方向的电动运行状态之外,经常还运行在T与n反方向的运行状态。 T与n反方向意味着电动机的电磁转矩不是拖动性转矩,而是制动性阻转矩了,这种运行状态统称为制动状态,工作点显然是在第II、Ⅲ象限里。 能耗制动 能耗制动过程 生产机械工作完毕都需要停车,可以采用自由停车,即把电动机电源切除,靠系统的摩擦阻转矩使之慢慢停下不转。 若要加快停车过程缩短停车时间,除了使用抱闸(电磁制动器)等制动装置之外,还可以采用电气制动方法。 所谓电气制动方法,就是由电动机本身产生制动转矩来加快停车,就是一种电气制动方法。 能耗制动运行 能耗制动运行时的功率关系与能耗制动过程时是一样的,不同的只是能耗制动运行状态下,机械功率的输入是靠位能性负载减少位能贮存来提供。 反接制动过程 频繁正、反转的电力拖动系统,常常采用这种先反接制动停车、接着进行反向起动的运行方式,达到迅速制动并反转的目的。 要求准确停车的系统,采用能耗制动更为方便。 倒拉反转运行 他励直流电动机如果拖动位能性负载运行,电枢回路串入电阻时,转速n下降,但是如果电阻值大到一定程度后,就会使转速n<0,工作点在第Ⅳ象限,电磁转矩T>0,与n方向相反,是一种制动运行状态,称为倒拉反转运行或限速反转运行。 倒拉反转运行的功率关系与反接制动过程的功率关系一样,二者之间的区别仅仅在于反接制动过程中,向电动机输入的机械功率是负载释放的动能提供的,而倒拉反转运行中,是位能性负载减少位能提供的,或者说,是位能性负载倒拉着电动机运行,因此称为倒拉反转运行。 o正向回馈制动运行 把上述功率关系画出功率流程图与第3章所述直流发电机的功率流程一致,所不同的只是: (1)机械功率的输入不是原动机送进,而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动能所提供; (2)电功率送出不是给用电设备而是给直流电源。 这种运行状态称为正向回馈制动过程,“回馈”指电动机把功率回馈电源,“过程”指没有稳定工作点,而是一个变速的过程。 但该过程区别于能耗制动过程和反接制动过程,后两者都是转速从高速到n=0的停车过程,而回馈制动过程仅仅是一个减速过程,转速从高于n01的速度减到n=n01。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。 回馈制动运行状态的功率关系与发电机一致,因此又称为发电状态。 o反向回馈制动运行 如果他励直流电动机拖动位能性负载,当电源电压反接时,工作点在第IV象限,这时电磁转矩T>0,转速n<0,T与n反方向,称为反向回馈制动运行。 反向回馈制动运行的功率关系与正向回馈制动运行时是一样的。 正、反转的反抗性恒转矩负载,拖动它的电动机就应该运行在下面各种状态: 正向起动接着正向电动运行;反接制动;反向起动接着反向电动运;反方向的反接制动;回到正向起动接着正向电动运行……最后能耗制动停车。 因此,要想掌握他励直流电动机实际上是怎样拖动各种负载工作的,就必须先要掌握电动机的各种不同的运行状态以及怎样从一种稳定运行状态变到另一种稳定运行状态。 2.7电力拖动系统的过渡过程 他励直流电动机过渡过程的数学分析 条件: (1)电源电压在过渡过程中恒定不变; (2)磁通恒定不变; (3)负载转矩为常数不变。 过渡过程,在机械特性上表现为电动机的运行点从起始点开始沿着电动机机械特性曲线向着稳态点变化的过程。 起始点是机械特性上的一个点,对应着过程开始瞬间的转速;稳态点是过程结束后的工作点。 返回目录
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