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  他励直流电机的启动原理与运行_机械/仪表_工程科技_专业资料。他励直流电机的运行

  他励直流电机的运行 直流电动机的起动 电动机接到规定电源后,转速从 0 上升到稳态转速的过程称为起动过 程。 他励直流电动机起动时,必须先保证有磁场(即先通励磁电流),而 后加电枢电压。 合闸瞬间的起动电流很大应尽可能的缩短启动时间,环亚国际APP。减少能量损耗以 及减少生产中的损耗 起动电流大的原因: 1、起动开始时:n=0,Ea=CeΦn=0, 2、电枢电流:Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra 一般很小 这样大的起动电流会引起后果: 1、电机换向困难,产生严重的火花 2、过大转矩将损坏拖动系统的传动机构和电机电枢 3、供电线路产生很大的压降。变频器整流回路的启动电阻 结论:因此必须采取适当的措施限制起动电流,除容量极小的电机外,绝 不允许直接起动 起动方法: 电枢串电阻启动——起动过程中有能量损耗,现在很少用,在实验室中用 降压启动——适用于电动机的直流电源是可调的,投资较大,但启动过程 中没有能量损耗。 直流启动器 电枢串电阻起动: 最初起动电流:Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩:Tst=KTΦIst 启动电阻:Rst=(UN/λi IN)-Ra 为了在限定的电流 Ist 下获得较大的起动转矩 Tst,应该使磁通 Φ 尽可能大 些,因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。 有了一定的转速 n 后,电势 Ea 不再为 0,电流 Ist 会逐步减小,转矩 Tst 也会逐步减小。 为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩,一般将起动器设计为多 级,随着转速 n 的增大,串在电枢回路的起动电阻 Rst 逐级切除,进入稳 态后全部切除。 起动电阻 Rst 一般设计为短时运行方式,不容许长时间通过较大的电流。 降压起动: 对于他励直流电动机,可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动 电流。 起动时电压 Umin,起动电流 Ist: Ist= Umin/Ra λiIN 启动过程中 U 随 Ea 上升逐渐上升,直到 U=UN 串励电动机绝对不允许空载起动。 串电阻起动设备简单,投资小,但起动电阻上要消耗能量; 电枢降压起动设备投资较大,但起动过程节能。 直流电动机的调速 为提高产品质量和生产效率,工作机械的运行速不可能是单一的。按 照工作机械的要求认为地调节拖动电动机的运行速度。 例如:车床切削工件时,精加工用高速,粗加工用低速。 改变传动机构的变比——机械调速 改变电动机参数——电气调速:直流和交流 直流调速系统中大多数为他励直流电动机 一、他励直流电动机人为机械特性 电动机转速特性和机械特性的一般表达式: n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ Ke KT Φ 2 T n0 理想空载转速: ? U KeΦ + Ua n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ KeΦ Ia ? 斜率: ? Ra ? RΩ Ke KTΦ2 — T n TL Ra+RΩ Ia + Ea — 固有机械特性和人为机械特性 固有机械特性——U=UN,Φ=ΦN,RΩ=0 人为机械特性——U 或 Φ 不等于额定值,或者 RΩ 不等于零。 他励直流电动机的三条人为机械特性: RΩ≠0,电枢回路串电阻时的机械特性 U≠UN,改变电枢电压时的机械特性 Φ≠ΦN,改变气隙磁通时的机械特性 研究人为机械特性重点:理想空载转速和斜率的变化 电枢回路串电阻的机械特性: n0 理想空载转速: ? UN KeΦ ? 斜率: ? Ra ? RΩ Ke KTΦ2 对应于不同的 RΩ 可以得到一簇斜率不同射线。 均在固有机械特性之下 因为:Φ =Φ N=Cont,T=KTΦ Ia,即 T 正比于 Ia,故人为机械特性的 图形在另一适当的横轴比例尺下可以代表其相应的转速特性 改变电枢电压的机械特性 U n0 理想空载转速: ? KeΦ ? 斜率: ? Ra Ke KTΦ2 斜率不变,理想空载转速 n0 不同的一簇平行线。 电动机绝缘条件的限制,电枢电压不能高于额定电压,UUN 因为:Φ =Φ N=Cont,T=KTΦ Ia,即 T 正比于 Ia,故人为机械特性 的图形在另一适当的横轴比例尺下可以代表其相应的转速特性 改变磁通的机械特性: 此时:Φ ≠Cont,T=KTΦ Ia,即 T 不在成正比于 Ia,故人为机械特性和 转速特性必须分别考虑。 由于磁路饱和和励磁绕组发热条件的限制,Ф 只能在 Ф≤ФN 范围内调节 ?n0 ? UN KeΦ 随Φ 的减少而上升 ?Is ? UN Ra 为常数与Φ 无关 ?Ts ? KTΦIs 随 Φ 减小而减小 机械特性曲线的形状决定了电动机的应用范围 机械特性方程式及其函数图形是对拖动系统稳定状态下电动机转矩 与转速关系的数学描述 如果不考虑电枢绕组电感的影响(电枢电流认为可以突变),机械特性 方程式及其函数图形也是对拖动系统在升、降速的动态下电动机转矩与转 速关系的描述。 n ? n ? dn 动态过程的每一瞬间描述— dt 设TL ? 0则T ? GD2 375 dn ?T dt ? c dn dt n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ Ke KT Φ 2 T ——静态描述 ? U ? Ra ? RΩ c dn KeΦ KeKTΦ2 dt ——动态描述 则系统的动态过程可由此坐标平面中的一条特定的轨迹唯一描述 在适当的比例尺下,T—n 坐标平面可以转换为 T—n 平面。 如果 TL≠0,则通过坐标变换将 n 轴平移到 T=TL 处, T—n 坐标平面 仍可视为 n —n 平面。 几个概念:相平面、相点、相轨迹 n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ Ke KT Φ 2 T ——机械特性方程由来? U=Ea+IaRa Ea=KeФn T= KTФIa 结论:静态下的机械特性方程式同时也是对系统升降速动态过程中 T 与 n 之间变化关系的数学描述 二、他励直流电动机的调速方法 n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ KeΦ Ia n ? U KeΦ ? Ra ? RΩ Ke KT Φ 2 T 电枢回路串电阻调速: 依据:调节电枢回路电阻 Rc 的大小时,电动机机械特性的斜率改变,与 负载机械特性的交点也会改变,达到调速目的。 调速过程分析: 设系统稳定工作在 A1 点,电枢回路突然增加电阻 Rc 电动机的转速不能突变, A1—B1,所在的特性曲线不同 TTL 平衡被破坏,电动机减速,相点沿(RC1)曲线 下降过程中随 n 的下降 T 逐渐增大,dn/dt 减小,向新的平衡状态移动 A2,T 增大到了 TL,系统恢复平衡状态,四种直流电机的接法n=n2 电机机电过程分析 ? U+ U-Ea Ia= U-Ea Ra+Rc Ia ? T=KcФ Ia TL T - T-TL + ? n ? 375 GD2 ? ?T ? TL ?dt ? c n Ea - 机械特性方程 ? E=KeФ n 运动方程式 某环节上出现外部因素的干扰,平衡被破坏,经系统内部调节过程,达到 新的平衡。如 Rc 突然增大. n 不变?Ea 不变?Ia? ? T ? ?n ? ? Ea ? ? Ia ?? T ? 电枢串电阻调速特点: 电流的变化:负载 TL 不变,直流电机碳刷原理平衡状态要求 T 不变,Ia 不变——平衡 时电枢电流由负载决定 (起动时 Ist 由电压和电阻决定) 优点:设备简单、操作简单。 缺点:只能降速,低转速时变化率较大,电枢电流较大时,不易连续调速, 有损耗。 调压调速: 降低电枢电压时,电动机机械特性平行下移。负载不变时,交点也下 移,速度也随之改变。 过程: 电流的变化:负载 TL 不变,平衡状态要求 T 不变,Ia 不变——平衡 时电枢电流由负载决定(起动时 Ist 由电压和电阻决定 优点:调速后,转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。 缺点:只 能下调,且专门设备,成本大。(可控硅调压调速系统) 改变励磁电流调速 减少励磁电流时,磁通 Φ 减少,电动机机械特性 n0 点和斜率增大。 负载不变时,交点也下移,速度也随之改变。 A1、A2、A3、A4 处负载转矩 TZ 相同,电机输出转矩相同,但注意这些点 的电流不同。 三、合理选择调速方式的基本依据 调速范围能否满足要求 电动机的负载能力是否得到合理利用 调速的平滑性 原始投资和运行费用的合理支配 (一)调速范围 定义:额定负载转矩下电动机允许达到的最高转速与不超过工作机械允许 的最大静差率所能达到的最低转速之比。 D ? nmax nmin 静差率 : (转速变化率)用以表征相对稳定性 s ? n0 ? nN n0 T ?TN ? ?n n0 nN=nmax △nN 1 △nN 3 2 nmin TL=TN 显然△n 愈小,s 愈小,表征相对稳定性越好 1、2 曲线比较:机械特性越硬,则 s 越小; 1、3 曲线比较:机械特性硬度相同,但 s 并不一定相同;n0 越大,s 越小, 即高速特性的相对稳定性优于低速特性。 生产机械调速时,为保证一定的稳定性,通常要求静差率 s 小于某一允许 值 如果低速特性的静差率 s 满足要求,则高转速特性一定也满足要求 S 和 D 是互相联系的两项指标,nmin 取决于低速特性的静差率 s,因此 D 也 受低速特性的静差率 s 的限制 调速范围 D 和静差率 s 的关系 D ? n max ? Smax ?n N (1 ? Smax ) n min ? ?n N Smax (1? Smax ) (二)电动机负载能力的合理利用 电动机的负载能力:即电动机的允许输出,指在调速过程中,保持电 枢电流 Ia=IN 时电动机轴上输出转矩和输出功率的大小,即调速运行中电 动机的长期最大输出转矩和输出功率。 他励直流电动机 T ? KT?Ia P ? ( T ? ? T 2? n ) ? T n 1000 1000 60 9550 串电阻和降电压调速 T允许 ? KT?IN ? TN ? 常数 P允许 ? T允许n 9550 ? Cn 从高速到低速进行调速时,允许输出的转矩是常数,允许输出的功率 正比于转速——恒转矩调速方式 弱磁调速 ?是变化的, 但转速 n ? U N - IN Ra 1 ke ? T允许 ? KT ΦI N ? KT IN UN - IN Ra ke 1 n ?C 1 n P允许 ? T允许n 9550 ? 1 9550 (KT I NΦN UN - IN ke Ra ) ? PN ? n C 1 ? 常数 9550 n 常数 ? C ? 9550 KT IN UN - IN Ra ke 9550 ? PN 从低速到高速进行调速时,允许输出的功率是常数,允许输出转矩的 反比于转速——恒功率调速方式 由于工作机械的负载 特性亦具有恒转矩和横功率两种类型,为保证电动 机 的负载能力得到充分利用,必须按照负载性质来选择调速方式及电动 电机。 T P TN PN n nN 具体做法: 具有恒转矩型的工作机械选用恒转矩性质的调速方式,且电动机的额 定转矩 TN 应等于或略大于恒值负载转矩 具有恒功率型的工作机械选用恒功率性质的调速方式,且电动机的额 定功率应等于或略大于恒值负载功率 (三)调速的平滑性 定义:相邻两级转速之比:k=ni/ni-1 K=1 表示速度连续可调——高性能调速要求之一 改变电枢电压和弱磁调速可以实现无级调速 串电阻调速不能实现无级调速 原始投资和运行费用: 原始投资:设备费用 运行费用:运行中电能的消耗和维护费用 电枢串电阻调速: 降电压与弱磁调速: 4.3 直流电动机的电动与制动运行 在生产过程中,经常需要采取一些措施使电动机尽快停转,或者限制 势能性负载在某一转速下稳定运转,这就是电动机的制动问题。实现制动 既可以采用机械的方法,也可以采用电气的方法。 我们重点来看一下电气制动方法: 能耗制动 反接制动 回馈制动 一、电动机的四象限运行 电动机状态:n 与 T 方向相同,电能转化为机械能,机械特性位于Ⅰ、Ⅲ 象限 制动状态:n 与 T 方向相反,机械能转化为电能,(回馈电网或热能损耗) 机械特性位于Ⅱ、Ⅳ象限 二、能耗制动 能耗制动过程: 将闸刀合向下方,制动开始 开始时由于惯性,n 不变→Ea 不变,由于电枢电压等于 0,电枢电流 Ia=0-Ea/(Ra+RΩ ),与电动机运行时符号相反,由于Ф 不变,所以 T 亦反 向,则 T 与 n 相反——制动状态 制动过程中,对电机靠相同动能发电,将转动部分的动能转换成电能,消 耗在电阻和电枢回路的电阻上,所以称为能耗制动。 能耗制动的特点: 电枢端电压(外加电压)为 0 电势平衡方程:Ea=Ia( Ra+RΩ) 功率平衡 EaIa=IaIa( Ra+RΩ) 制动过程中相同动能转化为电能,消耗在 Ra+RΩ 上 制动电阻 RΩ 用以限制制动瞬间的电枢电流 能耗制动的机械特性 电动机的机械特性方程式为:由于U ? 0, ? ? ?N n ? ? Ra ? R? T K eKT ? 2 N 是一条过原点的直线,如图 在由运行点到停转的制动过程中,转速并非稳定在某一数值,而是一 直在变化中,因此称为能耗制动过程。 能耗制动的应用 缩短降速时间 下方重物(获得一个稳定的下方速度) 结果分析:这种方法所串入的电阻越小,耗制动开始瞬间的制动转矩和电 枢电流就越大,而电流太大,会造成换向上的困难,因此能耗制动过程中 电枢电流有个上限,即电动机允许的最大电流。由可以计算出能耗制动过 程电枢回路中串入制动电阻的最小值: 这种制动方法在转速较高时制动作用较大,随着转速下降,制动作用也随 之减小,在低速时可配合使用机械制动装置,使系统迅速停转。 (三)反接制动 反接制动过程分析:如图所示, 电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压 突然反接,电枢电流也将反向,主磁通不变,则电磁转矩反向,产生制动 转矩。 机械特性分析: 反接前: Ia ? UN ? Ra Ea 反接后:U ? ?U N I a 所以: ? ?UN ? Ra Ea 因此反接后电流的数值将非常大,为了限制电枢电流,所以反接时必 须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。 Rmin ? U N ? Ea Ia max ? Ra 电压反接制动时,U ? ?U N ? ? ?N ,电枢回路的电阻为: Ra ? R ,直流电机换向器的工作动画电动 机的机械特性方程式为: n? ?U N Ce? N ? Ra ? R CeCT ? 2 N T ? Ra ? R 其对应的曲线 点,斜率为 CeCT ? 2 N 的直线,如图 反接制动反向起动过程: 如果 C 点电动机的转矩大于负载转矩,当转速到达零时,应迅速将电源开 关从电网上拉开,否则电动机将反向起动,最后稳定在 D 点运行,如图所 示。电压反接制动在整个制动过程中均具有较大的制动转矩,因此制动速 度快,在可逆拖动系统,常常采用这种方法。 电源反接的反接制动特点 Ua=-UN Ia0 T0 制动电阻的选取原则: 太大:制动转矩小 太小;制动电流大 电势平衡 功率平衡 电机由轴上吸收机械能(动能),并转换为电功率,从电源吸收电功率, 全部付出在电枢中的铜耗中。 倒拉反转制动 他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行,电枢回路串入电阻,将 引起转速下降,串的电阻越大,转速下降越多。直流电机碳刷磨损过快的原因如果电阻大到一定程度, 将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第 象限,如图所 示,这时电动机接线未变,转速反向。而是一种制动运行状态,称为倒拉 反转制动运行。 倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重物的场合。在这种运行 方式中,电动机的电磁转矩起了制动作用,限制了重物下降的速度。改变 的大小,即可改变机械特性的交点,使重物以不同的稳定速度下降。 反接制动特点 Ua=UN N0 Ia0 T0 电势平衡 功率平衡 电机由轴上吸收机械能(动能),并转换为电功率,从电源吸收电功率, 全部付出在电枢中的铜耗中。 (四)回馈制动: 他励直流电动机运行中如果出现实际的转速 n 高于理想空载转速 n0, 电机即进入回馈制动状态(发电机状态) 电力拖动系统中,回馈制动的产生 (1) 突然降低电枢电压 B n0 A n01 C D TB A 点运行,突然将电压 BC 段 电流方向 转矩方向 转速方向 CD 段 (2) 突然增加磁通 TL T n B n0 A n01 C D TB TL A 点运行,环亚国际APP突然增加磁通 BC 段 电流方向 转矩方向 转速方向 CD 段 磁通的突变 以上两种情况回馈制动的特点 nn0,EaUa,电流方向改变 电势平衡关系 功率平衡关系 电机由轴上吸收机械能(动能),并转换为电功率,部分付出在电枢中的 铜耗后,剩余部分全部回馈电网,回馈制动由此得名。 (3) 电枢电源反接,带位能负载 A 点运行,位能负载,电枢电源反接 BC 段 反接制动 CD 段 DE 段 电流方向 转矩方向 转速方向 电枢电源反接,带位能负载的能耗制动的特点 nn0,EaUa,电流方向没有改变(转速方向) 电势平衡关系 功率平衡关系 电机由轴上吸收机械能(动能),并转换为电功率,部分付出在电枢中的 铜耗后,剩余部分全部回馈电网,回馈制动由此得名。 应用:下放重物(速度大于 n0)(电枢电阻越大,速度越高)

时间:2020-09-15 12:32