第七章電力拖動基礎(chǔ)

第七章電力拖動根底本節(jié)概述電動機(jī)在電力拖動系統(tǒng)中作為原動機(jī)驅(qū)動消費(fèi)機(jī)械工作。電力拖動系統(tǒng)有兩種運(yùn)轉(zhuǎn)形狀：一是相對穩(wěn)定形狀，此時電動機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或靜止不動；二是過渡狀態(tài)，如電動機(jī)起動、制動及轉(zhuǎn)向改動時，轉(zhuǎn)速處于加速或減速的顯著變動形狀。分析、研討電力拖動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀的主要根據(jù)是：1〕電動機(jī)的機(jī)械特性n=f〔T〕，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律；2〕消費(fèi)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n=f〔TL〕，即消費(fèi)機(jī)械的轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。前往本章主要講解內(nèi)容第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的根本概念第二節(jié)三相異步電動機(jī)的起動、制動與調(diào)速第三節(jié)直流電動機(jī)的起動、制動與調(diào)速第七章電力拖動根底負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(TL)特性.大致可歸納為恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩兩類一、消費(fèi)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性(1)對抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性:負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用方向總是與運(yùn)動方向相反,一直是妨礙運(yùn)動的.1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的根本概念(2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性:負(fù)載轉(zhuǎn)矩是受重力作用而產(chǎn)生的,其負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小和作用方向一直堅持不變,不受轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)動方向的影響.(2)恒功率型負(fù)載機(jī)械特性:轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,而兩者之積(功率)近似堅持不變。2.變轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性(1)通風(fēng)機(jī)型負(fù)載機(jī)械特性:其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。船舶起貨機(jī)的多級傳動機(jī)構(gòu)是對抗性摩擦轉(zhuǎn)矩，當(dāng)起升重物時電動機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩是位能轉(zhuǎn)矩與對抗轉(zhuǎn)矩之和TL，而下放重物時那么是兩者之差TL/。1.電動機(jī)的任務(wù)形狀

電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀根據(jù)其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向的關(guān)系，分為電動運(yùn)轉(zhuǎn)形狀和制動運(yùn)轉(zhuǎn)形狀。二、電動機(jī)的任務(wù)形狀及電力拖動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)方程式簡單拖動系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可用如下的運(yùn)動方程來描畫,即機(jī)械角速度=2n/60,J[kg·m2]為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量,GD2[N·m2]為系統(tǒng)的飛輪矩,這兩者之間的關(guān)系為J=GD2/4g,重力加速度常數(shù)g=9.81[m/s2].2.電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式電動機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與任務(wù)機(jī)構(gòu)的實(shí)踐負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tc的關(guān)系為多軸電力拖動系統(tǒng)化簡為等效的單軸系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)儲存的總動能不變的原那么可進(jìn)展等效飛輪矩的折算.電動機(jī)軸上總的等效動能應(yīng)等于各軸的動能之和從而可得折算到電動機(jī)軸上的單軸等效飛輪矩為當(dāng)T=TL時,dn/dt=0,系統(tǒng)以不變的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn).只需T≠TL,那么dn/dt≠0,從而使系統(tǒng)處于加速或減速的變化形狀.穩(wěn)定任務(wù)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)遭到諸如電壓的動搖、負(fù)載的變化等擾動時,將引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化.假設(shè)轉(zhuǎn)速升高所引起的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩,或減速引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩,其作用都是力圖阻止轉(zhuǎn)速的偏離,因此擾動消逝后它將可以恢復(fù)到原平衡點(diǎn).3.電力拖動系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件電動機(jī)機(jī)械特性曲線與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)是系統(tǒng)的一個平衡點(diǎn),系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件為：在該交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上有T＜TL，而在交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之下T＞TL。一、異步電動機(jī)的起動第二節(jié)三相異步電動機(jī)的起動、制動與調(diào)速1.〔1〕鼠籠式三相交流異步電動機(jī)全電壓直接起動起動時電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T=Tst，TL=TLst，根據(jù)拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式，此時ΔT＞0，拖動系統(tǒng)由靜止開場加速起動。在加速過程中T的變化規(guī)律是從a點(diǎn)沿曲線①變化到b點(diǎn)，TL的變化規(guī)律是從C點(diǎn)沿油線②變化到b點(diǎn)。在轉(zhuǎn)速從零加速到nb的過程中，T一直大于TL直到b點(diǎn)，T=TL，ΔT=0，起動過程終了，拖動系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速nb穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)于b點(diǎn)。深槽式轉(zhuǎn)子的槽形窄而深。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時有轉(zhuǎn)差率小而效率高的優(yōu)點(diǎn)。1)高轉(zhuǎn)差率鼠籠電動機(jī)2)深槽式和雙籠式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條采用截面小而電阻率大的合金鋁或黃銅制成.這種電動機(jī)適于拖動沖擊性轉(zhuǎn)矩負(fù)載或起重機(jī)械。用于拖動一些船舶甲板機(jī)械,如錨機(jī)等?！?〕改善起動性能的特殊三相異步電動機(jī)異步電動機(jī)可經(jīng)過采用雙鼠籠式或深槽式等特殊構(gòu)造的轉(zhuǎn)子，以改善全電壓直接起動性能。這兩種類型的異步電動機(jī)特點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩大，而起動電流較小。起動時，轉(zhuǎn)子頻率較高，電流的“趨膚效應(yīng)〞使轉(zhuǎn)子電流大部分集中在雙鼠籠式的上籠，或深槽式轉(zhuǎn)子的槽口部分，使得轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)出較大的電阻值，而相比普通電動機(jī)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩；起動過程終了，電動機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子頻率變得很小，電流的“趨膚效應(yīng)〞消逝，轉(zhuǎn)子繞組所呈現(xiàn)的電阻值與普通電動機(jī)相仿。圖7-8深槽式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子槽形及機(jī)械特性雙鼠籠式和深槽式異步電動機(jī)既有轉(zhuǎn)子電阻增大所帶來的起動轉(zhuǎn)矩增大、起動電流減小的優(yōu)點(diǎn)，又可防止正常運(yùn)轉(zhuǎn)時因轉(zhuǎn)子電阻增大而導(dǎo)致電動機(jī)的特性曲線變軟。圖7-7雙鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子槽形及機(jī)械特性中小型鼠籠式電機(jī)起動電流為額定電流的5~7倍。緣由：起動時n=0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割磁力線速度很大。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢定子電流轉(zhuǎn)子電流大電流使電網(wǎng)電壓降低影響：頻繁起動時呵斥熱量積累電機(jī)過熱影響其他負(fù)載任務(wù)2、起動方法直接起動是將三相異步電動機(jī)的定子繞組經(jīng)開關(guān)直接與三相電源接通.Y－起動自耦降壓起動〔2〕降壓起動〔3〕轉(zhuǎn)子串電阻起動〔繞線式〕定子電路串電阻器或電抗器〔1〕直接起動優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單,操作方便;缺陷是起動電流大?！?〕直接起動允許直接起動的電動機(jī)容量限制.當(dāng)電動機(jī)容量不超越公用電源變壓器容量的20％(對頻繁起動的)或30％(對不經(jīng)常起動的)時允許直接起動.動力和照明共用電源變壓器的,電動機(jī)直接起動的電壓降應(yīng)不超越額定電壓的5％。在船上船舶異步電動機(jī)大多是由船舶發(fā)電機(jī)直接供電,允許直接起動的電動機(jī)容量可達(dá)發(fā)電機(jī)容量的60％?！?〕降壓起動1〕星形—三角形〔Y－〕降壓起動2〕自耦變壓器〔起動補(bǔ)償器〕降壓起動3〕軟起動正常運(yùn)轉(zhuǎn)AZBYXC起動ABCXYZ設(shè)：電機(jī)每相阻抗為Y－起動應(yīng)留意的問題：〔1〕僅適用于正常接法為三角形接法的電機(jī)。所以降壓起動適宜于空載或輕載起動的場所〔2〕Y－起動，IST↓時，TST也↓較大容量的或正常運(yùn)轉(zhuǎn)時為星形銜接的鼠籠電動機(jī)常采用自耦變壓器降壓起動。自耦變壓器的降壓系數(shù)ka=U2/Un,其副邊通常提供幾個不同降壓系數(shù)的抽頭供選擇.起動電流Ista與直接起動的電流Ist的關(guān)系為：降壓起動轉(zhuǎn)矩比直接起動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：電子軟起動器起動的五種方法：〔1〕限流或恒流起動方法。用電子軟起動器實(shí)現(xiàn)起動時限制電動機(jī)起動電流或堅持恒定的起動電流，主要用于輕載軟起動?！?〕斜坡電壓起動方法。用于電子軟起動器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)起動時定子電壓由小到大斜坡線性上升，主要用于重載軟起動。〔3〕轉(zhuǎn)矩控制方法。用電子軟起動器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)起動時起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，起動的平滑性好，可以降低起動時對電網(wǎng)的沖擊，是較好的重載軟起動方法。〔4〕轉(zhuǎn)矩加脈沖突跳控制起動法。此方法與轉(zhuǎn)矩控制起動方法類似，其差別在于：起動瞬間加脈沖突跳轉(zhuǎn)矩以抑制電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升。此法也適用于重載軟起動?！?〕電壓控制起動法。用電子軟起動器控制電壓以保證電動機(jī)起動時產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，是較好的輕載軟起動方法。3.線繞式轉(zhuǎn)子串電阻起動定子RRR線繞式轉(zhuǎn)子起動時將適當(dāng)?shù)腞串入轉(zhuǎn)子繞組中，起動后將R短路。

3.能耗制動電力拖動系統(tǒng)的制動方法有兩類:機(jī)械制動(如電磁鐵制動器、液壓制動器)電氣制動〔電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反〕電動機(jī)的根本制動方式有三種:1.反接制動2.回饋(發(fā)電)制動二、異步電動機(jī)的制動異步電動機(jī)反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制動兩種。反接制動時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，即與的符號相反，因此電動機(jī)分別運(yùn)轉(zhuǎn)于正轉(zhuǎn)電動特性曲線向第IV象限的延伸段或反轉(zhuǎn)電動特性曲線向第II象限的延伸段。1.反接制動交流異步電動機(jī)的電源反接制動特性以下圖所示。(1)電源反接制動繞線式異步電動機(jī)拖動位能負(fù)載時,用轉(zhuǎn)子電路串電阻可產(chǎn)生倒拉反接制動。(2)倒拉反接制動提升負(fù)載時電動機(jī)任務(wù)在A點(diǎn)，此時在轉(zhuǎn)子電路中串一電阻。任務(wù)點(diǎn)：由ABC〔n=0〕D負(fù)載將等速下落當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超越旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(s<0)時,將發(fā)生回饋制動。電機(jī)是處于發(fā)電機(jī)形狀,又稱為發(fā)電制動或再生制動。在變極調(diào)速〔或降頻調(diào)速〕時,當(dāng)由高速擋向低速擋轉(zhuǎn)換的初始,出現(xiàn)因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于低擋同步轉(zhuǎn)速而發(fā)生回饋制動的減速過程。2.回饋制動E點(diǎn)為等速下落的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)任務(wù)點(diǎn)先切斷運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)定子的三相電源,并立刻接通直流電源。在制動過程中經(jīng)過電磁感應(yīng)將動能轉(zhuǎn)換為電能,并全部耗費(fèi)在轉(zhuǎn)子電路中,故稱其為能耗制動。3.能耗制動M3~+-運(yùn)轉(zhuǎn)制動n

F轉(zhuǎn)子n0=0在一定的負(fù)載下,三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為三、異步電動機(jī)的調(diào)速改動轉(zhuǎn)速的方法有兩種類型:(2)改動同步轉(zhuǎn)速調(diào)速:改動磁極對數(shù)和改動定子電源頻率的調(diào)速。改動轉(zhuǎn)差率調(diào)速:降低定子電壓和繞線轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速;1.改動轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速〔1〕繞線式轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方法簡單，可以滿足普通的多級調(diào)速要求。為無級調(diào)速。缺陷：調(diào)速電阻的功率損耗大，輕載調(diào)速范圍窄。低速特性軟，負(fù)載動搖對轉(zhuǎn)速影響大。電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)易出缺點(diǎn)。〔2〕改動異步電動機(jī)定子電壓的調(diào)速異步電動機(jī)改動定子電壓調(diào)速時的以為機(jī)械特性曲線如圖7-17所示。高轉(zhuǎn)子電阻異步電動機(jī)的變壓調(diào)速特性如圖7-18所示。圖7-17異步電動機(jī)改動定子電壓調(diào)速時的以為機(jī)械特性曲線圖7-18高轉(zhuǎn)子電阻異步電動機(jī)的變壓調(diào)速特性同步轉(zhuǎn)速n0與磁極對數(shù)p成反比，p減半，n0加倍。經(jīng)過改動定子繞組的銜接方式可改動定子繞組產(chǎn)生的磁極對數(shù),從而改動同步轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。為有級調(diào)速。2.變極調(diào)速為堅持變極前后電動機(jī)的轉(zhuǎn)向不變,變極時必需同時改動定子接電源的相序.優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，特性硬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。缺陷：為騰躍式的有級調(diào)速。優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,調(diào)速的范圍寬,特性硬度不變,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。缺陷：但變頻電源技術(shù)復(fù)雜,初投資較大。3.變頻調(diào)速在額定頻率以上用堅持電壓U1=Un不變的升頻調(diào)速,可使變頻調(diào)速獲得更寬的調(diào)速范圍。一、直流電動機(jī)的起動第三節(jié)直流電動機(jī)的起動、制動與調(diào)速啟動時,n=0Ea=0，假設(shè)參與額定電壓，那么Ist太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。普通Ist限制在(2.0～2.5)IN內(nèi)?！?〕啟動時降低電樞電壓。限制Ist的措施：〔1〕啟動時在電樞回路串電阻。(1)假設(shè)電動機(jī)本來靜止，由于勵磁轉(zhuǎn)矩T=KTIa，而0，電機(jī)將不能啟動，因此，反電動勢為零，電樞電流會很大，電樞繞組有被燒毀的危險。直流機(jī)在啟動和任務(wù)時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動時要滿勵磁。否那么，磁路中只需很少的剩磁，能夠產(chǎn)生以下事故：留意：〔2〕假設(shè)電動機(jī)在有載運(yùn)轉(zhuǎn)時磁路忽然斷開，那么E，Ia，T和，能夠不滿足TL的要求，電動機(jī)必將減速或停轉(zhuǎn)，使Ia更大，也很危險。〔3〕假設(shè)電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠呵斥飛車。EIaT>>T0n飛車反轉(zhuǎn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由電磁力矩的方向確定。〔1〕改動勵磁電流的方向。改動直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：留意：改動轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。〔2〕或改動電樞電流的方向。他勵直流電動機(jī)主磁通方向不變,唯有電流I與電動勢E方向相反時,才產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。二、直流電動機(jī)的制動(3)能耗制動電動機(jī)的根本制動方式有三種:(1)反接制動(2)回饋(發(fā)電)制動1.反接制動〔1〕電源反接制動電動機(jī)在電動形狀下運(yùn)轉(zhuǎn)時，將其電樞電壓反接，并同時在電樞回路中串入電阻，以限制換接時的電樞電流。其特性方程為倒拉反接制動電動機(jī)帶一位能性負(fù)載TL運(yùn)轉(zhuǎn)于電動形狀〔特性曲線①的a點(diǎn)〕，假設(shè)在電樞回路中串入足夠大的電阻RB，使其電磁轉(zhuǎn)矩減小〔T′ST＜TL)，以致電動機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩拖動下進(jìn)入反轉(zhuǎn)，即機(jī)械特性曲線②向第4象限的延伸段，此時電動機(jī)便進(jìn)入了倒拉反接制動運(yùn)轉(zhuǎn)形狀。2.回