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他勵直流電動機的調速

時間:2015-09-20 17:17來源:www.yangxinkx.com 編輯:自動控制網
為了提高生產效率或滿足生產工藝的要求,許多生產機械在工作過程中都需要調速。例如車床切削工件時,精加工用高轉速,粗加工用低轉速;軋鋼機在軋制不同品種和不同厚度的鋼材時,也必須有不同的工作速度。電力拖動系統的調速可以采用機械調速、電氣調速或二
  為了提高生產效率或滿足生產工藝的要求,許多生產機械在工作過程中都需要調速。例如車床切削工件時,精加工用高轉速,粗加工用低轉速;軋鋼機在軋制不同品種和不同厚度的鋼材時,也必須有不同的工作速度。電力拖動系統的調速可以采用機械調速、電氣調速或二者配合起來調速。通過改變傳動機構速比的方法稱為機械調速;通過改變電動機參數的方法稱為電氣調速。本節只介紹他勵直流電動機的電氣調速。改變電動機的參數就是人為地改變電動機的機械特性,從而使負載工作點發生變化,轉速隨之變化?梢,在調速前后,電動機必然運行在不同的機械特性上。如果機械特性不變,因負載變化而引起電動機轉速的改變,則不能稱為調速。
  根據他勵直流電動機的轉速公式
               
  可知,當電樞電流Ia不變時(即在一定的負載下),只要改變電樞電壓U、電樞回路串聯電阻Rs及勵磁磁通φ三者之中的任意一個量,就可改變轉速n。因此,他勵直流電動機具有三種調速方法:調壓調速,電樞串電阻調速和調磁調速。為了評價各種調速方法的優缺點,對調速方法提出了一定的技術經濟指標,稱為調速指標。下面先對調速指標做一介紹,然后討論他勵電動機的三種調速方法及其與負載類型的配合問題。
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  1.評價調速的指標
  評價調速性能好壞的指標由以下四個方面
 。1)調速范圍
  調速范圍是指電動機在額定負載下可能運行的最高轉速nmax與最低轉速nmin之比,通常又用D表示,即
                  
  不同的生產機械對電動機的調速范圍有不同的要求。要擴大調速范圍,必須盡可能地提高電動機的最高轉速和降低電動機的最低轉速。電動機的最高轉速受電動機的機械強度、換向條件、電壓等級等方面的限制,而最低轉速則受到低速運行時轉速的相對穩定性的限制。
 。2)靜差率(相對穩定性)
  轉速的相對穩定性是指負載變化時,轉速變化的程度。轉速變化小,其相對穩定性好。轉速的相對穩定性用靜差率表示。當電動機在某一機械特性上運行時,由理想空載增加到額定負載,電動機的轉速降落與理想空載轉速n0之比,就稱為靜差率,用百分數表示為: 本文來自www.yangxinkx.com
              
  顯然,電動機的機械特性越硬,其靜差率越小,轉速的相對穩定性就越高。但是靜差率的大小不僅僅是由機械特性的硬度決定的,還與理想空載轉速的大小有關。
  靜差率與調速范圍兩個指標是相互制約的,設圖中曲線1和曲線4為電動機最高轉速和最低轉速時的機械特性,則電動機的范圍D與最低轉速是的靜差率關系如下:
           
  式中,為最低轉速機械特性上的轉速降;為最低轉速時的靜差率,即系統的最大靜差率。

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                圖 不同機械特性的靜差率
  由式 可知,若對靜差率這一指標要求過高,即值越小,則調速范圍D就越;反之,若要求調速范圍D越大,則靜差率也越大,轉速的相對穩定性越差。
  不同的生產機械,對靜差率的要求不同,普通車床要求,而高精度的造紙機則要求。保證一定靜差率指標的前提下,要擴大調速范圍,就必須減小轉速降落。 自動控制網www.yangxinkx.com版權所有
 。3)調速的平滑性
  在一定的調還范圍內,調速的級數越多,就認為調速越平滑,相鄰兩級轉速之比稱為平滑系數
                          。1-65)
  值越接近1,則平滑性越好,當=1時,稱為無級調速,即轉速可以連續調節。調速不連續時,級數有限,稱為自級調速。
 。4)調速的經濟性
  主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。
  2.調速方法
 。1)電樞回路串電阻調速
  電樞回路串電阻調速的原理及調速過程可用下圖說明。設電動機拖動恒轉矩負載TL在固有特性上A點運行,其轉速為nN。若電樞回路串入電阻Rs1,則達到新的穩態后,工作點變為人為特性上的B點,轉速下降到n1。從圖中可以看出,串入的電阻值越大,穩態轉速就越低。
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  現以轉速由nN降至n1為例,說明其調速過程。電動機原來在A點穩定運行時,Tem=TL,n=nN,當串入Rs1后,電動機的機械特性變為直線n0B,因串電阻瞬間轉速不突變,故Ea不突變,于是Ia及Tem突變減小,工作點平移到A/點。在A/點,Tem<TL,所以電動機開始減速,隨著n的減小,Ea減小,Ia及Tem增大,即工作點沿A/B方向移動,當到達B點時,Tem=TL,達到了新的平衡,電動機便在n1轉速下穩定運行。調速過程中轉速n和電流ia(或Tem)隨時間的變化規律如圖1—40所示。
          
            電樞串電阻調速      恒轉矩負載時電樞串電阻調速過程
  電樞串電阻調速的優點是設備簡單,操作方便;缺點是:
 。1)由于電阻只能分段調節,所以調速的平滑性差。
 。2)低速是特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉速的相對穩定性差。
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 。3)輕載時調速范圍小,額定負載時調速范圍一般為D≤2。
 。4)如果負載轉矩保持不變,則調速前和調速后因磁通不變而使電動機的Tem和Ia不變,輸入功率(P1=UNIa)也不變,但輸出功率()卻隨轉速的下降而減小,減小的部分被串聯的電阻消耗掉了,所以損耗較大,效率較低。而且轉速越低,所串電阻越大,損耗越大,效率越低,所以這種調速方法是不太經濟的。
  因此,電樞串電阻調速多用于對調速性能要求不高的生產機械上,如起重機、電車等。
 。2)降低電源電壓調速
  電動機的工作電壓不允許超過額定電壓,因此電樞電壓只能在額定電壓以下進行調節。降低電源電壓調速的原理及調速過程可用圖1—41說明。
                 
                  圖1—41 降低電壓調速
  設電動機拖動恒轉矩負載TL在固有特性上A點運行,其轉速為nN。若電源電壓由UN下降至U1,則達到新的穩態后,工作點將移到對應人為特性曲線上的B點,其轉速下降為n1。從圖中可以看出,電壓越低,穩態轉速也越低。 自動控制網www.yangxinkx.com版權所有
  轉速由nN下降至n1的調速過程如下:電動機原來在A點穩定運行時,Tem=TL,n=nN。當電壓降至U1后,電動機的機械特性變為直線n01B。在降壓瞬間,轉速n不突變,Ea不突變,所以Ia和Tem突變減小,工作點平移到A/點。在A/點,Tem<TL,電動機開始減速,隨著n減小,Ea減小,Ia和Tem增大,工作點沿A/B方向移動,到達B點時,達到了新的平衡:Tem=TL,此時電動機便在較低轉速n1下穩定運行。降壓調速過程與電樞串電阻調速過程類似,調速過程中轉速和電樞電流(或轉矩)隨時間的變化曲線也與圖類似。
  降壓調速的優點是:
 。1)電源電壓能夠平衡調節,可以實現無級調速;
 。2)調速前后機械特性的斜率不變,硬度較高,負載變化時,速度穩定性好;
 。3)無論輕載還是重載,調速范圍相同,一般可達D=2.5~12;
 。4)電能損耗較小。
  降壓調速的缺點是,需要一套電壓可連續調節的直流電源。早期常采用發電機-電動機系統,簡稱G—M系統,如圖1—42所示。圖中交流電動機作為直流發電機G2及直流勵磁機G1的驅動電機。調節G2的勵磁電流IfG,可以改變G2發出的電壓,從而實現對直流電動機M的調壓調速。通過圖中的雙向開關可以改變IfG的方向,從而改變G2輸出電壓的極性,以實現對直流電動機的正反轉控制。此外,調節直流電動機勵磁回路的電阻,可以實現對直流電動機的調磁調速。

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  這種系統的性能較為優越,但設備多、投資大。目前,這種系統已被晶閘管—電動機系統(簡稱SCR—M系統)取代,SCR—M系統如圖1—43所示。調壓調速多用在對調速性能要求較高的生產機械上,如機床、造紙機等。
     
        G—M系統示意圖              SCR—M系統示意圖
 。3)減弱磁通調速
  額定運行的電動機,其磁路已基本飽和,即使勵磁電流增加很多,磁通也增加很少,從電動機的性能考慮也不允許磁路過飽和。因此,改變磁通只能從額定值往下調,調節磁通調速即是弱磁調速,其調速原理及調速過程可用下圖 說明。
  設電動機拖動恒轉矩負載TL在固有特性曲線上A點運行,其轉速為nN。若磁通由減少至,則達到新的穩態后,工作點將移到對應認為特性上的B點,其轉速上升為n1。從圖中可見,磁通越少,穩態轉速將越高。轉速由nN上升到n1的調速過程如下:電動機原來在A點穩定運行時,Tem=TL,n=nN。當磁通減弱到后,電動機的機械特性變為直線n01B。在磁通減弱的瞬間,轉速n不突變,電動勢Ea隨著而減小,于是電樞電流Ia增大。盡管減小,但Ia增大很多,所以電磁轉矩Tem還是增大的,因此工作點移到A/點。在A/點,Tem>TL,電動機開始加速,隨著n上升,Ea增大,Ia和Tem減小,工作點沿A/B方向移動,到達B點時,Tem=TL,出現了新的平衡,此時電動機便在較高的轉速n1下穩定運行。調速過程中電樞電流和轉速隨時間的變化規律如圖1—45所示。 本文來自www.yangxinkx.com
        
           減弱磁通調速        恒轉矩負載時弱磁通調速過程
  對于恒轉矩負載,調速前后電動機的電磁轉矩不變,因為磁通減小,所以調速后的穩態電樞電流大于調速前的電樞電流,這一點與前兩種調速方法不同。當忽略電樞反應影響和較小的電阻壓降RaIa的變化時,可近似認為轉速與磁通成反比變化。
  弱磁調速的優點:由于在電流較小的勵磁回路中進行調節,因而控制方便,能量損耗小,設備簡單,而且調速平滑性好。雖然弱磁升速后電樞電流增大,電動機的輸入功率增大,但由于轉速升高,輸出功率也增大,電動機的效率基本不變,因此弱磁調速的經濟性是比較好的。
  弱磁調速的缺點:機械特性的斜率變大,特性變軟;轉速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制,因此升速范圍不可能很大,一般D≤2。
  為了擴大調速范圍,常常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來。在額定轉速以下采用降壓調速,在額定轉速以上采用弱磁調速。
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