直流电动机的起动调速与制动.ppt

电机控制技术第三章 他励直流电动机的起动、调速与制动本章内容l直流电动机的起动l直流电动机的制动l直流电动机的调速l直流电动机的运行状态3.1 直流电动机的起动l起动过程：直流电动机转速从零到达稳定转速的过程；l直流电动机起动的原则：在起动电流不超过允许值的情况下，获得尽可能大的起动转矩；l直流电动机拖动负载起动的基本要求是：–起动转矩足够大，使TS≥（1.1~1.2)TL；–起动电流尽量小，使IS≤（1.5~2)IN；–起动设备要简单、可靠、经济；3.1 直流电动机的起动l他励直流电动机起动时：先在电动机的励磁绕组中通入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后才能接通电枢回路；l直流电动机的起动方式：直接起动；电枢回路串电阻起动；降电压起动3.1.1 直接起动l把他励直流电动机的电枢绕组直接接到额定电压的电源上，这种起动方法称为直接起动；l起动转矩为电动机在起动瞬间（n=0）所产生的电磁转矩，也称为堵转转矩，其计算公式为：Tst=CTφnIST；l起动瞬间，n＝0，Ea＝0，起动电流为Ist=UN/Ra；由于电枢电阻Ra很小，因此Ist很大，可以达到额定电流的10～20倍；l大的起动电流可能产生如下后果：–大电流使电枢绕组受到过大的电磁力，易损坏绕组；–使换向困难，在换向器表面产生火花及环火，烧毁电刷与换向器；–过大的起动电流将产生过大的起动转矩Tst，从而使传动机构受到很大的冲击力，加速过快，易损坏传动变速机构；–过大的起动电流会引起电网电压的波动，影响电网上其他用户的正常用电；l因此，一般来讲，对于微型直流电动机（功率小于1KW），其功率小、电压低、电枢电流小、电枢电阻Ra相对较大，允许采用直接起动的方法，无需附加起动设备，操作最为简便。

l在设计直流电动机时，电枢绕组允许通过短时过载电流为额定电流的1.5~2倍，因此限制起动电流Ist时，应将其值限制在（1.5~2）倍In范围内l由Ist=UN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个：–降低电源电压–加大电枢回路电阻3.1.2 降低电源电压起动（软起动）l降压起动时，电动机的电枢由可调直流电源供电；l起动时，需先将励磁绕组接通电源，并将励磁电流调到额定值，然后由低到高调节电枢回路的电压；l在起动瞬间：电流Ist通常限制在（1.5~2）IN内，因此起动的最低电压为U1=(1.5~2)INRa，此时电动机的电磁转矩大于负载转矩，电动机开始旋转，转速n升高，Ea也逐渐增大，电枢电流Ia=(U-Ea)/Ra相应减小，此时电压U必须不断升高，并且时Ia保持在（1.5~2）IN内，直至电压升高到额定电压UN，电机进入稳定运行状态，起动过程结束3.1.2 降低电源电压起动（软起动）l优点：平滑性好，能量损耗小，易于实现自动控制；l缺点：需要配有专用的调压电源，增加了初期的投资；图3.1 降压起动3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l电压U=UN不变，在电枢回路中串接电阻Rst，可以达到限制起动电流的目的， Rst称为起动电阻；l电枢回路中应串入的电阻值为：Rst＝UN/Imax-Ral起动后，如果仍旧串接着Rst，则系统只能在较低转速下运行。

为了得到额定转速，必须切除Rst，使电动机回到固有机械特性上工作但如果把Rst一次全部切除，还会产生过大的电流冲击，为了保证起动过程中电枢电流始终不超过最大允许值，只能先切除Rst的一部分，使系统工作在某一条中间的人为机械特性上，待转速升高后再切除一部分电阻如此逐步切除，直至Rst全部切除为止3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l电阻的切除方法有手动和自动两种；l自动切除有三种方法：–限流切除法：起动电流减小到某一数值时，自动切除一级电阻；–反电势加速法：随着转速升高电枢感应电势相应增大，根据检测得到的感应电势自动切换；–限时切除法：按预先设定的时间，依次切除；3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l起动电阻的计算：–I1的选择：为了满足快速起动的要求， T1越大越好，但考虑电动机的过载能力，一般选：I1＝Imax＝（1.5~2）IN或T1＝ （1.5~2）TN–I2的选择：l保证电机能带动负载，即T2>TL；lT2－TL不能太小，太小加速慢，延缓起动过程；lT2－TL不能太大，太大起动级数赠多；l一般选I2＝（1.1~1.2）IN或T2＝ （1.1~1.2）TN 或I2＝（1.1~1.2）ILmax或T2＝ （1.1~1.2）TLmax3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l起动级数m的选择：–为了满足快速起动的要求，级数应该多，级数多可使平均起动转矩大，起动快，同时起动平滑性好；–但级数越多，所用设备越多，线路越复杂，可靠性下降；–一般选m=2~4级；3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l各级起动电阻的计算：–原则：以起动过程中，最大起动电流I1和切换电流I2保持不变为原则；–在切换瞬间，电动机的转速不能突变，所以有nb=nc，Eb=EC，因此在b点有：I2＝（UN-Eb）/R3在C点有：I1＝（UN-Ec）/R2得： I1/I2=R3/R2=R2/R1=R1/Ra=γ则：R1=γRa， R2=γR1=γ2Ra， R3=γR2=γ3Ra，……， Rm=γRm-1=γmRa，3.1.3 电枢回路串电阻分级起动l计算起动电阻时的两种情况：–起动级数m未定，选定I1，I2，得到γ；–起动级数m已定，选定I1，得到Rm=UN/I1，然后得到γ；根据直流电动机转速方程 3.2 直流传动的调速方法直流传动的调速方法nUIRCe式中式中 — — 转速（转速（r/minr/min）；）； — — 电枢电压（电枢电压（V V）；）； — — 电枢电流（电枢电流（A A）；）； — — 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（））；； — — 励磁磁通（励磁磁通（WbWb））；； — — 由电机结构决定的电动势常数。

由电机结构决定的电动势常数（1）调压调速l工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电阻 R = Ral调节过程： 改变电压 UN  U U n ， n0 l调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速l工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电压 U =UN ；l调节过程： 增加电阻 Ra  R R  n ，n0不变；l调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速l工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；l调节过程： 减小励磁 N      n ， n0 l调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线§ 三种调速方法的性能与比较l对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好；l改变电阻只能有级调速；l减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，直流调速系统往往以调压调速为主3.3 直流电动机的制动l制动：电气制动和机械制动l电气制动：电动机的电磁转矩T与转速n的方向相反，T起反抗运动的作用；l电动机的电气制动分为：–使系统迅速减速停车，过渡过程，制动过程–限制位能性负载的下降速度，稳定运行，制动运行l制动的方法：–能耗制动，反接制动，倒拉反转制动，回馈制动3.3.1 能耗制动l能耗制动的原理l能耗制动过程中，电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变为电能，该部分电能再消耗在电枢回路的电阻上能耗制动的原理3.3.1 能耗制动l能耗制动时的机械特性–机械特性方程：能耗制动时的机械特性3.3.1 能耗制动l能耗制动电阻RH的计算–RH越小，电枢电流Ia越大，制动转矩越大，制动越快–根据电枢允许通过最大电流确定–根据能耗制动刚开始时，需要的最大转矩确定3.3.2 反接制动l反接制动的原理3.3.2 反接制动l反接制动的机械特性–反接制动的机械特性方程–反接制动的机械特性3.3.2 反接制动l反接制动电阻RF的计算–RF越小，电枢电流Ia越大，制动转矩越大，制动越快–根据电枢允许通过最大电流确定–根据能耗制动刚开始时，需要的最大转矩确定3.3.3 倒拉反转制动l倒拉反接制动的原理–用于位能性负载–当他励直流电动机拖动位能性负载处于正向电动运行状态，当电枢回路串入电阻时，转速就会下降；–当电枢回路的电阻RD大到一定程度后，电动机就会稳定工作在反转状态（n<0，Ea<0），此时电枢电流仍然为正，电磁转矩T为正，与n的方向相反，此时T为制动转矩。

–这种情况下，电动机靠位能性负载倒拉着反转，因此这种制动运行状态就叫做倒拉反转制动运行状态–电源输入的电功率和机械转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（Ra+RD）上3.3.3 倒拉反转制动l倒拉反转制动的机械特性–倒拉反转制动的人为机械特性方程：–倒拉反转制动的机械特性l机械特性比较软lRD越大，反向转速越高l用于重物下降的场合l根据下放速度，计算RD3.3.4 回馈制动l回馈制动原理–电动机的转速n超过理想空载转速n0–电枢感应电动势Ea>UN–电枢电流变为负值，电磁转矩T与n的方向相反，电磁转矩T变为制动转矩–电磁功率PM<0，输入功率P1<0，电动机不是从电源获得电功率，而是电动机向电源发出电功率，把电能回馈给电源3.3.4 回馈制动l回馈制动的机械特性降低电枢电压过程中的机械特性反向回馈制动运行的机械特性3.3.4 回馈制动l回馈制动的机械特性正向回馈制动的机械特性3.4 直流电动机的各种运行状态l运行状态：电动机机械特性和负载转矩特性交点所对应的工作状态；l电动机的运行状态按电磁转矩T与转速n的方向是否相同分为电动运行状态和制动运行状态；3.4 直流电动机的各种运行状态l电动运行状态–T与n方向相同–从电网吸收电能，将电能转变为机械能–工作点位于：I和III象限内l制动运行状态–T与n方向相反–机械能转变为电能–工作点位于：II和IV象限内3.4 直流电动机的各种运行状态l制动状态–正向回馈状态：U>0，n>0且n>n0，则Ia<0，T<0，工作点在第II象限内；–反向回馈状态： U<0，n<0且|n|>|n0|，则Ia>0，T>0，工作点在第IV象限内；–能耗制动：U=0，电动机在位能性负载转矩作用下反转(n<0)，则Ia>0，T>0，工作点在第IV象限内；–倒拉反接制动：U>0，RD足够大，电动机在位能性负载转矩作用下反转(n<0)，则Ia>0，T>0，工作点在第IV象限内；。