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他励直流电动机的调速

时间:2015-09-20 17:17来源:www.ninenine.net 编辑:自动控制网
为了提高生产效率或满足生产工艺的要求,许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如车床切削工件时,精加工用高转速,粗加工用低转速;轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢材时,也必须有不同的工作速度。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二
  为了提高生产效率或满足生产工艺的要求,许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如车床切削工件时,精加工用高转速,粗加工用低转速;轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢材时,也必须有不同的工作速度。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合起来调速。通过改变传动机构速比的方法称为机械调速;通过改变电动机参数的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性,从而使负载工作点发生变化,转速随之变化。可见,在调速前后,电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变,因负载变化而引起电动机转速的改变,则不能称为调速。
  根据他励直流电动机的转速公式
               
  可知,当电枢电流Ia不变时(即在一定的负载下),只要改变电枢电压U、电枢回路串联电阻Rs及励磁磁通φ三者之中的任意一个量,就可改变转速n。因此,他励直流电动机具有三种调速方法:调压调速,电枢串电阻调速和调磁调速。为了评价各种调速方法的优缺点,对调速方法提出了一定的技术经济指标,称为调速指标。下面先对调速指标做一介绍,然后讨论他励电动机的三种调速方法及其与负载类型的配合问题。

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  1.评价调速的指标
  评价调速性能好坏的指标由以下四个方面
  (1)调速范围
  调速范围是指电动机在额定负载下可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比,通常又用D表示,即
                  
  不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围,必须尽可能地提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受电动机的机械强度、换向条件、电压等级等方面的限制,而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。
  (2)静差率(相对稳定性)
  转速的相对稳定性是指负载变化时,转速变化的程度。转速变化小,其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率表示。当电动机在某一机械特性上运行时,由理想空载增加到额定负载,电动机的转速降落与理想空载转速n0之比,就称为静差率,用百分数表示为: 本文来自www.ninenine.net
              
  显然,电动机的机械特性越硬,其静差率越小,转速的相对稳定性就越高。但是静差率的大小不仅仅是由机械特性的硬度决定的,还与理想空载转速的大小有关。
  静差率与调速范围两个指标是相互制约的,设图中曲线1和曲线4为电动机最高转速和最低转速时的机械特性,则电动机的范围D与最低转速是的静差率关系如下:
           
  式中,为最低转速机械特性上的转速降;为最低转速时的静差率,即系统的最大静差率。

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                图 不同机械特性的静差率
  由式 可知,若对静差率这一指标要求过高,即值越小,则调速范围D就越小;反之,若要求调速范围D越大,则静差率也越大,转速的相对稳定性越差。
  不同的生产机械,对静差率的要求不同,普通车床要求,而高精度的造纸机则要求。保证一定静差率指标的前提下,要扩大调速范围,就必须减小转速降落

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  (3)调速的平滑性
  在一定的调还范围内,调速的级数越多,就认为调速越平滑,相邻两级转速之比称为平滑系数
                           (1-65)
  值越接近1,则平滑性越好,当=1时,称为无级调速,即转速可以连续调节。调速不连续时,级数有限,称为自级调速。
  (4)调速的经济性
  主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。
  2.调速方法
  (1)电枢回路串电阻调速
  电枢回路串电阻调速的原理及调速过程可用下图说明。设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性上A点运行,其转速为nN。若电枢回路串入电阻Rs1,则达到新的稳态后,工作点变为人为特性上的B点,转速下降到n1。从图中可以看出,串入的电阻值越大,稳态转速就越低。
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  现以转速由nN降至n1为例,说明其调速过程。电动机原来在A点稳定运行时,Tem=TL,n=nN,当串入Rs1后,电动机的机械特性变为直线n0B,因串电阻瞬间转速不突变,故Ea不突变,于是Ia及Tem突变减小,工作点平移到A/点。在A/点,Tem<TL,所以电动机开始减速,随着n的减小,Ea减小,Ia及Tem增大,即工作点沿A/B方向移动,当到达B点时,Tem=TL,达到了新的平衡,电动机便在n1转速下稳定运行。调速过程中转速n和电流ia(或Tem)随时间的变化规律如图1—40所示。
          
            电枢串电阻调速      恒转矩负载时电枢串电阻调速过程
  电枢串电阻调速的优点是设备简单,操作方便;缺点是:
  (1)由于电阻只能分段调节,所以调速的平滑性差。
  (2)低速是特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差。
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  (3)轻载时调速范围小,额定负载时调速范围一般为D≤2。
  (4)如果负载转矩保持不变,则调速前和调速后因磁通不变而使电动机的Tem和Ia不变,输入功率(P1=UNIa)也不变,但输出功率()却随转速的下降而减小,减小的部分被串联的电阻消耗掉了,所以损耗较大,效率较低。而且转速越低,所串电阻越大,损耗越大,效率越低,所以这种调速方法是不太经济的。
  因此,电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不高的生产机械上,如起重机、电车等。
  (2)降低电源电压调速
  电动机的工作电压不允许超过额定电压,因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程可用图1—41说明。
                 
                  图1—41 降低电压调速
  设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性上A点运行,其转速为nN。若电源电压由UN下降至U1,则达到新的稳态后,工作点将移到对应人为特性曲线上的B点,其转速下降为n1。从图中可以看出,电压越低,稳态转速也越低。
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  转速由nN下降至n1的调速过程如下:电动机原来在A点稳定运行时,Tem=TL,n=nN。当电压降至U1后,电动机的机械特性变为直线n01B。在降压瞬间,转速n不突变,Ea不突变,所以Ia和Tem突变减小,工作点平移到A/点。在A/点,Tem<TL,电动机开始减速,随着n减小,Ea减小,Ia和Tem增大,工作点沿A/B方向移动,到达B点时,达到了新的平衡:Tem=TL,此时电动机便在较低转速n1下稳定运行。降压调速过程与电枢串电阻调速过程类似,调速过程中转速和电枢电流(或转矩)随时间的变化曲线也与图类似。
  降压调速的优点是:
  (1)电源电压能够平衡调节,可以实现无级调速;
  (2)调速前后机械特性的斜率不变,硬度较高,负载变化时,速度稳定性好;
  (3)无论轻载还是重载,调速范围相同,一般可达D=2.5~12;
  (4)电能损耗较小。
  降压调速的缺点是,需要一套电压可连续调节的直流电源。早期常采用发电机-电动机系统,简称G—M系统,如图1—42所示。图中交流电动机作为直流发电机G2及直流励磁机G1的驱动电机。调节G2的励磁电流IfG,可以改变G2发出的电压,从而实现对直流电动机M的调压调速。通过图中的双向开关可以改变IfG的方向,从而改变G2输出电压的极性,以实现对直流电动机的正反转控制。此外,调节直流电动机励磁回路的电阻,可以实现对直流电动机的调磁调速。 本文来自www。eadianqi。com
  这种系统的性能较为优越,但设备多、投资大。目前,这种系统已被晶闸管—电动机系统(简称SCR—M系统)取代,SCR—M系统如图1—43所示。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上,如机床、造纸机等。
     
        G—M系统示意图              SCR—M系统示意图
  (3)减弱磁通调速
  额定运行的电动机,其磁路已基本饱和,即使励磁电流增加很多,磁通也增加很少,从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此,改变磁通只能从额定值往下调,调节磁通调速即是弱磁调速,其调速原理及调速过程可用下图 说明。
  设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性曲线上A点运行,其转速为nN。若磁通由减少至,则达到新的稳态后,工作点将移到对应认为特性上的B点,其转速上升为n1。从图中可见,磁通越少,稳态转速将越高。转速由nN上升到n1的调速过程如下:电动机原来在A点稳定运行时,Tem=TL,n=nN。当磁通减弱到后,电动机的机械特性变为直线n01B。在磁通减弱的瞬间,转速n不突变,电动势Ea随着而减小,于是电枢电流Ia增大。尽管减小,但Ia增大很多,所以电磁转矩Tem还是增大的,因此工作点移到A/点。在A/点,Tem>TL,电动机开始加速,随着n上升,Ea增大,Ia和Tem减小,工作点沿A/B方向移动,到达B点时,Tem=TL,出现了新的平衡,此时电动机便在较高的转速n1下稳定运行。调速过程中电枢电流和转速随时间的变化规律如图1—45所示。 自动控制网www.ninenine.net版权所有
        
           减弱磁通调速        恒转矩负载时弱磁通调速过程
  对于恒转矩负载,调速前后电动机的电磁转矩不变,因为磁通减小,所以调速后的稳态电枢电流大于调速前的电枢电流,这一点与前两种调速方法不同。当忽略电枢反应影响和较小的电阻压降RaIa的变化时,可近似认为转速与磁通成反比变化。
  弱磁调速的优点:由于在电流较小的励磁回路中进行调节,因而控制方便,能量损耗小,设备简单,而且调速平滑性好。虽然弱磁升速后电枢电流增大,电动机的输入功率增大,但由于转速升高,输出功率也增大,电动机的效率基本不变,因此弱磁调速的经济性是比较好的。
  弱磁调速的缺点:机械特性的斜率变大,特性变软;转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制,因此升速范围不可能很大,一般D≤2。
  为了扩大调速范围,常常把降压和弱磁两种调速方法结合起来。在额定转速以下采用降压调速,在额定转速以上采用弱磁调速。
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