港口电气传动.ppt

港口电气传动基础,在现代港口的装卸作业中，大量的港口机械是由电动机拖动运转的。电动机的运行总是和其各个机构联系在一起，电动机和工作机构两者之间的机械传动构成了一个机电运动的整体，称为电气传动系统。现对港口电气传动介绍如下,电气传动基础：,第一节电动机的分类,第二节异步电动机的结构及等效电路,第三节电力拖动系统的组成,第四节负载的类型及运行特点,第一节电动机的分类。,电动机直流电动机他励磁可调性好并励磁特性可调复励磁由他励磁、并励磁组成。串励磁用于电机车等。交流电动机同步电动机异步电动机笼型电动机普通型深槽型多速变极型绕线型电机提刷式不提刷式。,第二节异步电动机的结构及等效电路,一、异步电动机的结构,二、异步电动机的型号、额定值,三、异步电动机的运行原理,四、异步电动机的功率及转矩,一、异步电动机的结构异步电动机由定子、转子及其他附件组成。(一)定子由定于铁心和三相绕组构成，其中三相绕组在空间上互差23电角度，且均匀地安放在定子铁心的槽内。三相绕组按适当方式(Y或)连接后与三相电源相接，从电源吸收电功率。(二)转子主要由转子铁心、转子绕组构成，是电动机输出机械能、带动负载旋转的部分。其中，转子绕组自行闭合，不与电源相接；转子的功率是由定子吸收的电功率经电磁感应而得来的。根据转子绕组的形式不同，异步电动机又可以分为笼型和绕线转子两种，笼型转子结构见图l2。由图知，笼型转子绕组由铜条或铝条构成，其端部用导体环连接成闭合回路。而绕线转子绕组是将三相对称转子绕组接成Y，三相绕组的端点,第二节异步电机的结构及等效电路,分别与三个集电环相连，集电环再通过电刷和外接电阻连接闭合，用来改善三相异步电动机的起动性能和调速性能。变频调速的对象绝大多数是笼型电动机，如果对于某些绕线转子电动机也要进行变频调速的话，可以将转子三相绕组短接，为避免电刷与集电环之间因接触不良而引起的故障，一般在集电环之前将它们短接，如图13所示。变频调速的对象绝大多数是笼型电动机，如果对于某些绕线转子电动机也要进行变频调速的话，可以将转子三相绕组短接，为避免电刷与集电环之间因接触不良而引起的故障，一般在集电环之前将它们短接，如图13所示。,变频调速的对象绝大多数是笼型电动机，如果对于某些绕线转子电动机也要进行变频调速的话，可以将转子三相绕组短接，为避免电刷与集电环之间因接触不良而引起的故障，一般在集电环之前将它们短接，如图13所示。,二、异步电动机的型号、额定值每台异步电动机在其机座上都有一块铭牌，铭牌上标有电动机的型号、额定值、工作制等，如表11所示。,1.型号：由字母或数字组成，用来表示电动机的种类、规格和用途等。如：普通笼型异步电动机：Y1产品代号，表示异步电动机112M-2规格代号，表示中心高112mm，中机座，两极电机、变频调速专用电动机：为了适应变频驱动系统的需要，许多厂家还生产了不同型号、不同类型的变频调速专用电动机。如上海众华特种电机厂生产的YVT315M14就是其中的一种。,2.额定值额定值是指在保证电动机设计寿命的前提下，能够长期、安全、稳定运行时，电动机能承受的最大值。电动机铭牌上的额定值主要包括：额定电压UN：指电动机在额定情况下运行时，外加于定子绕组上的线电压。额定频率fN：我国交流电源的频率是50Hz，所以国产电动机的fN均为50Hz。额定功率PN：是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机轴上能够长期、安全、稳定输出的最大机械功率。,额定电流IN：是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机定子绕组中能够长期、安全、连续通过的最大线电流。额定转矩TN：该值在电动机的名牌上没有数据，但却是一个非常重要的参数，它是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机能够长期、安全、稳定输出的最大转矩。三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系：式中额定功率因数额定效率,电动机的额定值户PN、TN表明了电动机带负载的能力，额定值越大允许电动机带的负载也越大。当所带负载小于额定值时，对电动机的运行影响不大，只是电动机的能力没有得到充分发挥，这就是欠载。如果电动机实际所带的负载超过额定值，电动机仍然可以运行，但由于超过了其正常的带负载能力，电动机的发热加剧，允许,行的时间会大大缩短，还会影响到电动机的寿命，这就是过载。不管是过载还是欠载，都是电动机的一种运行状态，从充分发挥电动机的能力出发，电动机工作在其额定值附近是比较理想的。3变频后有效输出值当频率调节到fx时，电动机的外加电压也会发生改变，此时的电动机已不是在额定情况下运行，也就不能再用额定功率PN和额定转矩TN等额定值来衡量电动机的带负载能力，我们将电动机在任意频率人下能够长期、安全、稳定输出的功率和转矩称做有效功率和有效转矩。在变频调速中，是用有效输出值这个概念来衡量电动机的带负载能力的。在fx频率下，如果电动机实际所带的负载超过了有效输出值，电动机就处于过载的工作状态。,三、异步电动机的运行原理(一)异步电动机的旋转原理1.旋转磁场在空间上互差23电角度的三相定子绕组U1U2、V1V2、W1W2中通人在时间上互差23相位角的三相交变电流iuiviw。后，它们合成的磁场是一个旋转磁场，如图14所示。,磁场旋转的转速(即同步转速)n0可用下式表示式中f1电流的频率；P旋转磁场的磁极对数。,如果频率调节成fx，则同步转速n0 x。也随之调节成：,这是变频调速的基本原理。,这是变频调速的基本原理。,这是变频调速的基本原理。,这是变频调速的基本原理。,2异步电动机的旋转在图15中，转子绕组切割旋转磁场，可以看作是磁场静止，转子绕组向反方向旋转切割磁力线，由右手定则可判断转子绕组中的电流方向。载流的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩T，根据左手定则可判断了的方向(见图15)。在了的作用下转子“跟着”定子的旋转磁场旋转起来。,3转差率由于转子绕组和旋转磁场之间必须要有相对运动，转子绕组才能切割磁力线，才能有感应电流产生，进而产生电磁转矩。因此转子转速n与旋转磁场转速n0之间一定存在着一个差值，,我们把这个差值叫转差，用n表示，即n=n0n转差n0n的存在是异步电动机运行的必要条件。如果频率调节成fx，则转差n可用下式表示：nx=n0 xnx(1-2)式中nx频率fx时的比值为转速。转差n0n同步转速n0的比值称为转差率，用s表示，即转差率的大小同样也能反映转子转速和电动机的工作状态。由上式可知：,电动机在额定状态时，转子转速n通常与n0相差不大，因此额定转差率一般都比较小，其范围sN001005之间。转差率s是异步电动机的一个基本参数，它对电动机的运行有着极大的影响，其值越大，转差也越大，转子绕组切割磁力线的速度也越大。转子绕组中的感应电动势E2S、感应电流I2S和频率f2都会增加，转子产生的电磁转矩了也会增加。因此，转子绕组中的E2S、I2S及它们的频率f2，电磁转矩T的大小，在一定的范围内随s的增加而增大(转子回路的有些参数带有下标，表示该参数的大小与转速有关)。,(二)异步电动机的等效电路1.等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得到的。定子和转子之间在电路上没有任何联其电路可用图16来表示。,定子的相电压；定子的相电流；r1、x1定子每相绕组的电阻和漏抗(漏磁感抗)；x2S分别为转子电路中产生的电动势、电流、漏电抗；,每相定子绕组的反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值可计算如下：(1-3)式中KN1与绕组结构有关有常数；N1每相定子绕组的匝数。,由电动机的基础知识可知：转子回路的频率f2=sf1与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关，应将定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算，折算后，异步电动机的等效电路如图17所示。,图中rm励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻：xm励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；I0励磁电流；RL机械负载的等效电阻，在上消耗的功率就相当于异步电动机输出的机械功率；I2,E2r2x2等参数经过折算后的转子参数。2平衡方程式从图17中可以很方便地得到异步电动机在运行过程中的关系式：(1)定子侧的电动势平衡方程式U1=E1+I(r1+jx1)（1-4）由于E1和I(r1+jx1)用来平衡电源电压U1，而在额定频率下I(r1+jx1)占的比例很小，可忽略，所以电压和电动势的有效值近似相等：,(2)转子电动势平衡方程E2=I2RL+I2R2JI2X2（1-5）如果将上式乘以E2I2，为通过气隙传送到转子上的电磁功率I22RL，为转子轴上输出的总机械功率，I22r2为转子铜耗，由于转子铜耗所占的比例很小，所以转子的功率绝大部分都转换成了机械功率。(1(3)电流方程I1=_I2+I0（1-6）上式表明：定子电流可以分成两部分，其中很小一部分用来建立主磁通m，而大部分用来平衡转子侧的感应电流，使转子能够得到足够的能量拖动负载。,，,，,四、异步电动机的功率及转矩由异步电动机的等效电路可以清楚地看到，三相异步电动机的功率传递过程是：由定子向电源吸取电功率，经电磁感应传递到转子，称为电磁功率，该功率使转子产生电磁转矩，从而转换成机械功率，带动负载旋转。,1异步电动机的功率传递异步电动机在功率传递的过程中，不可避免地会有功率损耗，可用图18来表示三相电动机的功率流程。,图中P1定子向电源吸收的电功率pem传递到转子的电磁功率Pm电动机轴上的总机械功率P2传递给负载的机械功率；Pcu1,Pcu2定子、转子铜损,是在定、转子绕组上的损耗,Pfe-铁损，是在铁心上的损耗，Pm,.Ps-机械损耗、附加损耗。,（1-7）由于损耗的存在，在功率传递的过程中，要不断地扣除各种损耗，则负载得到的机械功率P2可用下式表示：（1-8）由于不断地扣除损耗，负载得到的机械功率P2比电动机向电源吸取电功率P1要小。电动机的效率可用下式表示：=P2/P1,2.异步电动机的转矩(1)转矩平衡方程式将式（1-8）两边同除以机械角速度后得到:,即式中T电动机的电磁转矩（）；T2电动机的输出机械转矩，也等于负载的阻转矩，即T0电动机的空载转矩TL和T0均为制动转矩，它们与电磁转矩方向相反，只有满足转矩平衡方程式后电动机才能以一定的转速稳定运转。为简便分析起见，认为TL中包括T0，所以转矩平衡方程式可表示为,1)电磁转矩的表达式电磁转矩基本公式（1-9）,式中Pm的单位为KW；T的单位为Nm2)电磁转矩的物理表达式式中CT转矩常数；主磁通。,3)电磁转矩的参数表达式（1-11）式中p磁极对数；U1电源的相电压；f1x电源频率。,第三节电力拖动系统的组成及特性：,一、拖动系统的组成,二、传动机构的作用及系统参数折算,三、异步电动机的机械特性,四、异步电动机的起动和制动,第三节电力拖动系统的组成及特性：,一、拖动系统的组成(一)组成由电动机带动生产机械运行的系统称做电力拖动系统；一般由电动机、传动机械、生产机械、控制设备等部分组成，如图121所示。,1生产机械生产机械是电力拖动系统的服务对象，对电力拖动系统工作情况的评价，将首先取决于生产机械的要求是否得到了充分满足。同样我们设计一个拖动系统最原始的数据也是由生产机械提拱的。,2电动机及其控制系统电动机是拖动生产机械的原动力。控制系统主要包括控制电动机的起动、调速、制动等相关环节的设备和电路。如在变频调速控制系统中，用于控制转速的就是变频器。,3传动机构传动机构是用来将电动机的转矩传递给工作机械的装置。大多数的传动机构都具有变速功能，常见的传动机构有带与带轮、齿轮变速箱、蜗轮与蜗杆、联轴器等。,(二)系统飞轮力矩。众所周知，旋转体的惯性，常用转动惯量来量度，在工程上，我们一般用飞轮力矩GD2来表示。拖动系统的飞轮力矩越大，系统起动、停止就越困难。可以看出，飞轮力矩是影响拖动系统动态过程的一个重要参数。适当减小飞轮力矩对拖动系统的运行是有帮助的。,二、传动机构的作用及系统参数折算(一)传动比大多数的传动机构都具有变速的功能，如图122所示。变速的多少由传动比来衡量。常用表示：（1-19）式中nmax电动机的最高转速；nlmax负载的最高转速。且1时传动机构为减速机构；1(传动比），通过上述的折算公式可以得知，不仅折算到电动机轴上的负载转矩变小了，折算过后的飞轮力矩也大幅减小。因此选择一个合适的传动比，就可以用较小的动力转矩去驱动一个较大的负载转矩，与此同时也使拖动系统的动态性能得到优化。,在变频调速系统中，如果拖动的是恒转矩或恒功率负载，多数情况下是保留传动机构的，因为使用传动机构可以减小电动机和变频器的容量，在满足负载要求的前提下，降低了成本。对风机、水泵等二次方律负载来说，除联轴器外，一般不采用其他的传动机构。,三、异步电动机的机械特性(一)机械特性由（式11）所决定的n=f(S)曲线变换而来。机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系它可由,异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的n=f(T)曲线，叫做电动机的自然机械特性。其曲线如图1-9所示。,普通电动机的过载2.2之间，而对某些特殊用途电动机，其过载能力可以更高一些。上述分析说明：的大小影响着电动机的过载能力，越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由知：SK越小，NK越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，、的变化规律常常是关注的重点。特别在研究变频后的机械特性时，、就显得尤其重要。,只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。1理想空载点图中的E点，在这点上，电动机以同步转速n0运行(s0)，其电磁转矩T0。2起动点图中的S点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速n0(s=1)，电磁转矩称起动转矩起动时带负载的能力一般用起动倍数来表示，即Kst=Tst/Tn式中，T为额定转矩。3临界点临界点K是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定运行区的分界点。电动机运行在K点时，电磁转矩为临界转矩TK,它表示了电动机所能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用SK表示TK、SK根据式(111)用求极值的办法求出，即：由dTds=0可得,电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用m即(1-14)普通电动机的在2.02.2之间，而对某些特殊用途电动机，其过载能力可以更高一些。,上述分析说明：TK的大小影响着电动机的过载能力,TK越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由nK=n0(1SK)知：SK越小，nK越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，TK、SK的变化规律常常是关注的重点。特别在研究变频后的机械特性时，TK、SK就显得尤其重要。,(二)电动机的稳定运行1电动机稳定运行状态当电动机稳定运行时：T=TL。由于电动机的额定转矩是，电动机轴上所带的最大负载转矩也只能在电动机的额定转矩的附近变化，见图110中的A点。A点的转矩平衡方程可近似写成：T=TN,2电动机工作点的动态调整过程由于负载波动使负载转矩增大为TL。此时电磁转矩TTL电动机将减速。转速的下降又使电动机的电磁转矩增大，当T=TL时，转速不再下降，电动机在C点稳定运行。即：TTLnTT=TL时稳定运行。,四、异步电动机的起动和制动(一)异步电动机的起动电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做起动过程。电动机起动时起动电流很大，可以达到额定电流的57倍，而起动转矩TST却并不很大，一般Tst=(1.82)。为了减小起动电流常用降低电压的方法来起动。笼型异步电动机常见的减压起动方法有：自耦变压器减压起动Y起动、定子串电阻或串电抗减压起动等。,(二)异步电动机的制动电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称作制动状态。制动有再生制动、直流制动和反接制动，后两种常用在使电动机迅速停止的过程中。,1再生制动:再生制动就是因某种原因，转子转速n超过旋转磁场转速n0，此时旋转磁场切割转子绕组的方向与电动状态相反，因而转子电动势E2、转子电流I2电磁转矩T均会反向。电磁转矩T就变成了制动转矩，见图111所示的B点。在此状态下，转子电流方向的改变必将导致定子电流方向的改变，这样，使电能传送的方向发生了改变、电动机此时不再消耗能量，而是将拖动系统的动能再生给了电网。,发生再生制动的实例有：起重机械在重物下降时，重物的重力加速度可能使电动机的转速超过同步转速；变频调速系统中，通过降低频率来减速时，在频率刚刚降低的瞬间，电动机的同步转速小于实际转速，如图112所示。当原来电动机稳定运行于曲线的Q点时，频率突然下降，则特性变为曲线，但因n不能突变，工作点跳变至B点，产生反向制动转矩了，电动机进人再生制动状态，系统开始沿曲线减速，直到稳定运行于Q点。,2直流制动直流制动也叫能耗制动，是在定子绕组中通人直流电流，使电动机产生一个制动转矩。它与再生制动都可以使电动机减速，只是前者将拖动系统的能量完全消耗掉了，而后者将能量“再生”给了电网。直流制动常用来使电动机迅速停止。,。,五、异步电动机的调速(一)调速与速度变化1调速调速：是在负载没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。如：将电源频率从50Hz调至40Hz，电动机的工作点从Q1移至Q2。其转速也从1460rmin调至1168rmin，如图113所示。可见调速时转速的改变是从不同的机械特性上得到的。我们将调速时得到的机械特性簇称为调速特性。,2，速度的改变：速度的改变是由于负责载的改变而引起拖动系统的特性改变，如系统工作在Q1此时负载转矩由T1减小到T2引起系统加速，最后稳定运行在Q1点上，可见速度改变时的转速变化是从同一根机械特性上得到的。,(二)调速指标电动机的调速性能常用下列指标衡量1调速范围调速范围；指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax。与最低转速nLmin之比，即：,（1-15）,不同的生产机械对调速范围的要求不同，如车床的调速范围l为20120，钻床为212，铣床2030等。一般变频器的最低工作频率可达到0.5Hz，即在额定频率(fNHz)以下，调速范围l500.5=100。2调速的平滑性调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度。两档转速差越小，调速的平滑性越好。在变频调速时，若给定为模拟信号，多数变频器输出频率的分辨率(相邻两级频率)为0.05Hz，以4极电动机为例，则相邻两档的转速差为,从例题可见其平滑性是很高的。,3调速的经济性调速的经济性主要从两个方面来衡量：1)调速设备的投资和运行维修费用。2)电动机调速时引起的能量损耗。总的来说，以上两方面需考虑求得最佳的性能价格比。变频调速装置的价格一般较高，但其故障率较低，在很多的场合节能效果显著，因此和直流调速系统比较，变频调速系统的优势是很明显的。,4调速后工作特性一种调速方案是否优良，调速后的工作特性能否满足负载的要求，也是一个很重要的方面。常通过下面两点来衡量(1)静态特性主要是指调速后机械特性的硬度。工程上常用静差度来表示,(2)动态特性指过渡过程中的性能。如，加减速过程是否快捷、平稳。遇到冲击性负载时，系统的转速能否迅速恢复等。对大多数的生产机械来说，希望调速的后的机械特性能硬一些，负载变动时，速度变化较小，工作比较稳定。但也有的负载希望调速后的机械特性较软，如电梯，负载较重时，为安全起见，要求速度明显地慢下来。,第四节负载的类型及运行特点：,一、负载的机械特性,二、电动机的工作制与温升,三、电动机容量的选择原则,一、负载的机械特性生产机械的负载转矩TL，大部分情况下与电动机的电磁转矩T方向相反。不同负载的机械特性是不一样的，可以将其归纳以下几种类型。,(一)恒转矩负载恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一，其基本结构和工作情况如图114a所示。,第四节负载的类型及运行特点：生产机械运行时常用转矩表示其负载的大小。在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩TL，一个是电动机的电磁转矩T。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性n=(TL)和电动机的机械特性n=(T)。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。因此为了满足生产工艺过程的要求，正确选配电力拖动系统，除了研究电动机的机械特性外，还需要了解负载的机械特性。,见图114a，负载阻转矩TL的大小决定：TL=Fr式中F皮带与滚筒间的摩擦阻力r滚筒的半径。这种负载的基本特点是：,1转矩特点由于F和r都和转速的快慢无关所以在调节转速nL的过程中，负载的阻转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点：TL常数其机械特性曲线如图114b所示。,必须注意：这里所说的转矩大小的是否变化，是相对于转速变化而言的，不能和负载轻重变化时，转矩大小的变化相混淆。或者说，“恒转矩”负载的特点是：负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关。拿带式输送机来说，当传输带上的物多时，不论转速有多大，负载转矩都较大；,而当传输带上的物品较少时，也不论转速有多大，负载转矩都较小。2功率特点根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系有：（1-16）即，负载功率与转速成正比，其负载功率线如图114c所示。,(二)恒功率负载恒功率负载是指负载转矩的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一，如图115a所示。其工作特点如下：,1功率特点薄膜在卷取过程中，要求被卷物的张力F必须保持恒定，其基本手段是使线速度v保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定：PL=Fv常数即，负载功率的大小与转速的高低无关，其功率特性曲线如图115c所示。和负载轻重的变化相混淆。就卷取机械而言，当被卷物体的材质不同时，所要求的张力和线速度是不一样的，其卷取功率的大小也就不相等。,2转矩特点负载阻转矩的大小决定于：TL=Fr式中F卷取物的张力；r卷取物的卷取半径。十分明显的是，随着卷取物不断地卷绕到卷取辊上，卷取半径r将越来越大，负载转矩也随之增大。另一方面，由于要求线速度v保持恒定，故随着卷取半径r的不断增大，转速nL必将不断减小。根据负载的机械功率PL。和转矩TL转速nL之间的关系，有：,即，负载阻转矩的大小与转速成反比，如图115b所示,(三)二次方律负载二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载，例如风扇、风机、螺旋桨等机械的负载转矩，如图1-16所示。在低速事由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，负载转矩TL和功率PL可用下式表示：TL=T0+KrnL2PL=P0+KPnL3,式中T0、P0分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；、Kr、Kp分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。,二次方律负载的机械特性和功率特性如图116b、c所示。,二