船舶电气设备及系统-大连海事大学第07章电力拖动基础.ppt

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1、第7章 电力拖动基础,7.1 电力拖动系统运行的基本概念7.2 三相异步电动机的起动、制动与调速7.3 直流电动机的起动、制动与调速,内容简介,本章主要内容包括电力拖动的基本概念、电力拖动系统的调速和制动等的基本原理和方法,7.1 电力拖动系统运行的基本概念,分析、研究电力拖动系统运行状态的主要依据是：,1）电动机的机械特性n=f（T），即电动机的转速随电磁转矩变化的规律；,2）生产机械的负载转矩特性n=f（TL），即生产机械的转速与负载转矩之间的关系。,负载的转矩特性是指负载转矩与转速之间的关系n=f(TL)特性.大致可归纳为恒转矩和变转矩两类,7.1.1 生产机械的负载转矩特性,(1)反抗

2、性恒转矩负载机械特性:负载转矩的作用方向总是与运动方向相反,始终是阻碍运动的.,1)恒转矩负载特性,(2)位能性恒转矩负载机械特性:负载转矩是受重力作用而产生的,其负载转矩的大小和作用方向始终保持不变,不受转速大小和转动方向的影响.,(2)恒功率型负载机械特性:转矩与转速成反比,而两者之积(功率)近似保持不变。,2)变转矩负载机械特性,(1)通风机型负载机械特性:其转矩与转速的平方成正比。,船舶起货机的多级传动机构是反抗性摩擦转矩，当起升重物时电动机的负载阻转矩是位能转矩与反抗转矩之和TL，而下放重物时则是两者之差TL。,简单拖动系统的运动规律可用如下的运动方程来描述,即,机械角速度=2n/6

3、0,Jkgm2为系统转动惯量,GD2Nm2为系统的飞轮矩,这两者之间的关系为 J=GD2/4g,重力加速度常数g=9.81m/s2.,1)电力拖动系统运动方程式,7.1.2 电动机的工作状态及电力拖动系统运行方程式,电动机轴上的等效负载转矩TL与工作机构的实际负载转矩Tc的关系为,多轴电力拖动系统化简为等效的单轴系统,根据系统储存的总动能不变的原则可进行等效飞轮矩的折算.电动机轴上总的等效动能应等于各轴的动能之和,从而可得折算到电动机轴上的单轴等效飞轮矩为,当T=TL时,dn/dt=0,系统以不变的转速稳定运行.只要TTL,则dn/dt0,从而使系统处于加速或减速的变化状态.,2)电力拖动系统

4、维持稳定运行的条件,T,TL,n,n0,1,3,2,A,C,B,当系统受到电压的波动时,将引起系统转速的变化.扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点.,D,当电源电压下降(恢复)时,A,B,n(不变),C,nT,当电源电压恢复(升高)时,C,D,n(不变),A,nT,T,T,T,TL,n,n0,1,2,当负载转矩波动时,将引起系统转速的变化.扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点.,A,B,TLT,n,T,A,B,C,TL,TL,TLT,n,T,A,C,TLT,n,T,TLT,n,T,电动机机械特性曲线与负载特性曲线的交点是系统的一个平衡点,系统维持稳定运行的条件为：在该交点所对应的转速之上有TTL，而在

5、交点所对应的转速之下TTL。其作用都是力图阻止转速的偏离,因而扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点。该点为电机的稳定工作点。,负载转矩电动机转矩时,电机减速，直到转速为0为止，电机停转(堵转)。负载转矩电动机转矩时,电机加速，直到C点为止。因此E点为不稳定工作点。,不稳定工作点,T,TL,n,n0,1,2,E,C,对恒转矩负载而言，异步电动机特性曲线临界转差率以下的部分，为不稳定工作区。,7.2.1 异步电动机的起动,7.2 三相异步电动机的起动、制动与调速,1)鼠笼式三相交流异步电动机全电压直接起动,一台鼠笼式三相异步电动机带一通风机负载的特性曲线。起动时电动机的电磁转矩T=Tst，TL=TLs

6、t，根据拖动系统运动方程式，此时T0，拖动系统由静止开始加速起动。在加速过程中T的变化规律是从a点沿曲线变化到b点，TL的变化规律是从C点沿油线变化到b点。在转速从零加速到nb的过程中，T始终大于TL直到b点，T=TL，T=0，起动过程结束，拖动系统以转速nb稳定运行于b点。,深槽式转子的槽形窄而深。正常运行时有转差率小而效率高的优点。,(1)高转差率鼠笼电动机,(2)深槽式和双笼式异步电动机,转子鼠笼导条采用截面小而电阻率大的合金铝或黄铜制成.这种电动机适于拖动冲击性转矩负载或起重机械。用于拖动一些船舶甲板机械,如锚机等。,2)改善起动性能的特殊三相异步电动机,异步电动机可通过采用双鼠笼式或

7、深槽式等特殊结构的转子，以改善全电压直接起动性能。这两种类型的异步电动机特点是起动转矩大，而起动电流较小。,起动时，转子频率较高，电流的“趋肤效应”使转子电流大部分集中在双鼠笼式的上笼，或深槽式转子的槽口部分，使得转子绕组呈现出较大的电阻值，而相比普通电动机具有较大的起动转矩；起动过程结束，电动机进入正常运行后，转子频率变得很小，电流的“趋肤效应”消失，转子绕组所呈现的电阻值与普通电动机相仿。,深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性,双鼠笼式和深槽式异步电动机既有转子电阻增大所带来的起动转矩增大、起动电流减小的优点，又可避免正常运行时因转子电阻增大而导致电动机的特性曲线变软。,双鼠笼式异步电动机

8、的转子槽形及机械特性,磁阻小感抗大,磁阻小感抗大,磁阻大漏抗小,磁阻大漏抗小,二、起动方法,直接起动是将三相异步电动机的定子绕组经开关直接与三相电源接通.,Y 起动,自耦降压起动,（2）降压起动,（3）转子串电阻起动。（绕线式）,定子电路串电阻器或电抗器,（1）直接起动,优点是设备简单,操作方便;缺点是起动电流大。,1.直接起动,允许直接起动的电动机容量限制.当电动机容量不超过专用电源变压器容量的20(对频繁起动的)或30(对不经常起动的)时允许直接起动.动力和照明共用电源变压器的,电动机直接起动的电压降应不超过额定电压的5。,在船上船舶异步电动机大多是由船舶发电机直接供电,允许直接起动的电动

9、机容量可达发电机容量的60。,2.降压起动,（1）定子电路串电阻器或电抗器降压起动,起动时先接通电源开关QS，电流经电阻器或电抗器流入定子绕组，起限流降压作用。待转速升高再将起动电阻或电抗短路，全压运行。,（2）星形三角形（Y）降压 起动：,Y 起动应注意的问题：,（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合,（3）自耦变压器（起动补偿器）降压起动,较大容量的或正常运行时为星形连接的鼠笼电动机常采用自耦变压器降压起动。,自耦变压器的降压系数ka=U2/Un,其副边通常提供几个不同降压系数的抽头供选择.起动电流Ista与直接起动的电流Ist的关系为：,降压起

10、动转矩比直接起动转矩的关系为：,电子软起动器起动的五种方法：（1）限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流，主要用于轻载软起动。（2）斜坡电压起动方法。用于电子软起动器实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要用于重载软起动。（3）转矩控制方法。用电子软起动器实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法。,（4）转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制起动方法类似，其差别在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动。（5）电压控制起

11、动法。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的轻载软起动方法。,3.线绕式转子串电阻起动,起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。,(3)能耗制动,电力拖动系统的制动方法有两类:,机械制动(如电磁铁制动器、液压制动器),电气制动（电磁转矩的方向与转子的转动方向相反）,电动机的基本制动方式有三种:,(1)反接制动,(2)回馈(发电)制动,7.2.2 异步电动机的制动,当旋转磁场的转向与转子的转向相反时,即转差率s1时,则发生反接制动。因此,改变旋转磁场的转向或改变转子的转向都将产生反接制动。,三相异步电动机的制动,1.反接制动,反接定子接电源的相序,(1)改变

12、旋转磁场转向的反接制动,工作点：,B,C,A,（n=0）,绕线式异步电动机拖动位能负载时,用转子电路串电阻可产生倒拉反接制动。,(2)转子反转的倒拉反接制动,提升负载时电动机工作在A点，此时在转子电路中串一电阻。,工作点：由A,B,C（n=0）,D,负载将等速下落,当转子的转速超过旋转磁场的转速(s0)时,将发生回馈制动。电机是处于发电机状态,又称为发电制动或再生制动。,在变极调速（或降频调速）时,当由高速挡向低速挡转换的初始,出现因转子的转速高于低挡同步转速而发生回馈制动的减速过程。,2.回馈制动,E点为等速下落的稳定运行工作点,起货变落货,高速变低速,先切断运行异步电动机定子的三相电源,并

13、立即接通直流电源。在制动过程中通过电磁感应将动能转换为电能,并全部消耗在转子电路中,故称其为能耗制动。,3.能耗制动,三相异步电动机的调速方法,在一定的负载下,三相异步电动机的转速为,7.2.3 异步电动机的调速,机械调速、电气调速,改变转速的方法有三种类型:,(3)变频调速:改变定子电源频率的调速。,(1)变转差率s的调速:降低定子电压和绕线转子电路串电阻的调速;,(2)变磁极对数p的调速,(3)定子绕组/Y变换降压.,1.定子降压调速,降低定子电压的方法：,(1)定子串联带抽头的电抗器或饱和电抗器;,(2)反并联晶闸管交流调压器;,变转差率s的调速,2.绕线式转子串电阻调速,优点：调速方法

14、简单，能够满足一般的多级调速要求。为无级调速。,缺点：调速电阻的功率损耗大，轻载调速范围窄。低速特性软，负载波动对转速影响大。电刷滑环机构易出故障。,3.变极调速,同步转速n0与磁极对数p成反比，p减半，n0加倍。通过改变定子绕组的连接方式可改变定子绕组产生的磁极对数,从而改变同步转速以实现调速。为有级调速。,3.变极调速,为保持变极前后电动机的转向不变,变极时必须同时改变定子接电源的相序.,优点：设备简单，运行可靠，特性硬，运转平稳。,缺点：为跳跃式的有级调速。,异步电动机变极调速时，必须考虑电动机在变速前后转矩及功率的允许输出。功率因数 及效率 保持不变。且定子绕组中允许通过的最大电流均为

15、额定电流IN。,则对Y-YY变极调速，电动机允许的输出功率与转矩：,Y接法,YY接法,Y-YY变极调速属于恒转矩调速。转速增加一倍，允许输出功率也增加一倍，故转矩保持不变。适用于横转矩负载。,则对-YY变极调速，电动机允许的输出功率与转矩：,接法,YY接法,-YY变极调速前后输出功率基本不变，近似恒功率调速。转速增加一倍，允许输出转矩也减小一半。,采用多套不同极对数的定子绕组。运行时根据需要将一套绕组与电源相接。这就可通过两套绕组间的换接，实现两种转速的变极调速。如两套绕组本身就是双速绕组，则电机便可实现四速变极调速。对于双速和三速就能满足要求的电力拖动系统，这种方法仍不失为一种好的调速方法。

16、,4.变频调速,变频调速时的机械特性曲线,当U1不变降频调速时，增大，电机额定磁通时，磁路本已接近饱和，若再增大磁通磁路过饱和，引起空载电流和铁损剧增，这是不允许的。因此降频调速采用同时变电压的方式保持磁通不变。恒压频比调速。,变频调速时的机械特性曲线,在额定频率以上用保持U1不变的升频调速，可使变频调速获得更宽的调速范围，但f1的升高会使磁通和最大转矩减少，因而升频范围有限。恒压升频调速的机械特性曲线为fN曲线以上部分。,优点：可实现无级调速,调速的范围宽,特性硬度不变,转速平稳。缺点：但变频电源技术复杂,初投资较大。,变频调速时的机械特性曲线,采用交直交变频电源实现。,7.2.1 直流电动

17、机的起动,7.2直流电动机的起动、制动与调速,启动时,n=0 Ea=0，若加入额定电压，则,Ist 太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Ist 限制在(2.02.5)IN 内。,启动时,n=0 Ea=0，若加入额定电压，则,Ist 太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Ist 限制在(2.02.5)IN 内。,（2）启动时降低电枢电压。,限制Ist的措施：,（1）启动时在电枢回路串电阻。,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T=KT Ia，而 0，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。,（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则

18、E，Ia，T 和，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。,反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（1）改变励磁电流的方向。,改变直流电机转向的方法：,注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两 者的方向不能同时变。,（2）或改变电枢电流的方向。,他励直流电动机主磁通方向不变,唯有电流I与电动势E方向相反时,才产生驱动转矩。,7.2.2 直流电动机的制动,(3)能耗制动,电动机的基本制动方式有三种:,(1)反接制动,(2)回馈(发电)制动,1.反接制动,电源反接制动,电动机在电动状态下运行时，将其电枢电压反接，并同时在电枢回路中串入电阻，以限制换接时的电枢

19、电流。其特性方程为,倒拉反接制动,电动机带一位能性负载TL运行于电动状态（特性曲线的a点），若在电枢回路中串入足够大的电阻RB，使其电磁转矩减小（TSTTL)，以致电动机在负载转矩拖动下进入反转，即机械特性曲线向第4象限的延伸段，此时电动机便进入了倒拉反接制动运行状态。,2.回馈制动,调速过程中出现的回馈制动,电动机在电动状态下运行时，若对电动机进行降压调速，则降压后的特性曲线的理想空载转速n0降低，而电动机的转速n因惯性而不能突变，因而电动机便由特性曲线的a点过渡到曲线的b点而进入制动运行，即降压后的机械特性曲线向第2象限的延伸段。,位能性负载作用下产生的回馈制动,电动机带一位能性负载反向起

20、动（参考方向的设定参见异步电动机回馈制动一节），则电动机将在负载转矩和电磁转矩共同作用下反转并加速直至机械特性曲线的d点，即为反向运行机械特性曲线向第4象限的延伸段，如图7-22b）所示，电动机最后稳定运行于回馈制动状态。,切断运行电动机的电枢电源,并将电枢立即与能耗制动电阻R构成回路。制动时的电枢电压为零，所以 n0=0，其机械特性曲线是一条通过原点的直线。,3.能耗制动,他励直流电动机的能耗制动,根据直流电动机的机械特性的表示式,7.3.3 直流电动机的调速,c.改变主磁通,直流电动机有三种基本调速方法:,a.改变电枢电压U,b.改变电枢电路的电阻R,特点及应用与绕线式异步电动机转子串电阻调速基本相同。,1.电枢串电阻调速,保持额定电枢电压和主磁通不变,电枢电路串入电阻R。,特点是功耗小;控制方便;调速平滑。,2.改变主磁通(或称弱磁)调速,在电枢保持额定的电压下,减小主磁通将使理想空载转速n0升高。,电枢不串电阻并保持额定磁通不变,降低电枢电压U。,3.改变电枢电压(或称降压)调速,特点与异步电动机的恒磁通降频调速基本相似。,晶闸管整流器-电动机(SCR-M)调速系统,4.降压和弱磁相结合的调速,直流发电机-电动机(G-M)调速系统,作业：7-2,7-4,7-7,7-87-11,7-12,7-13,