船舶电气设备及管理第七章电力拖动基础PPT课件.ppt

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 问题 1 如何判断电力拖动系统稳定运行 条件是什么 2 电力拖动系统的运动方程是什么 需要进行什么折算 3 负载机械特性有哪些类型 4 交 直流起动 调速有哪些类型 其方法和特点如何 5 限制电动机输出的因素是什么 6 电气制动的方法和机械特性各有哪些 7 电动机有哪些工作制 选择电动机的依据是什么 7 1电力拖动系统运行的基本概念 电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统 电动机 电机拖动 研究的依据 电动机的机械特性 生产机械的负载转矩特性 7 1 1生产机械的负载转矩特性 负载转矩特性 负载转矩TL与转速n的关系用曲线表示称为生产机械的负载转矩特性 负载机械特性类型 1 恒转矩 反抗性和位能性 2 变转矩 通风机和恒功率 通风机型又称泵类 生产机械的负载转矩特性 1 恒转矩负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性 分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种 反抗性恒转距负载特性 TL方向总是与运动方向相反 位能性恒转矩负载特性 TL方向不随机变化 2 泵与风机类负载特性 负载的转矩基本上与转速的平方成正比 负载特性为一条抛物线 例如风机 水泵 油泵等 即 3 恒功率负载特性 负载转矩与转速的乘积为一常数 特性曲线为一条双曲线 切削机床属于此类 即 1 电力拖动系统运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态 系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩 7 1 2电动机的工作状态及拖动系统运动方程 令为加速转矩 则 转动惯量Jm与G 旋转部分的质量 kg 与重量 N 与D 惯性半径与直径 m g 9 81m s2 重力加速度转动惯量J的单位为kg m2 为旋转部分的回转半径 其物理意义为将旋转物体的质量集中到距离轴心距离为 的一点上 其转动惯量与物体的转动惯量相等 D 为旋转部分的回转直径 8 1 当或时 系统处于静止或恒转速运行状态 即处于稳态 2 当或时 系统处于加速运行状态 即处于动态 3 当或时 系统处于减速运行状态 即处于动态 7 1 2电动机的工作状态及拖动系统运动方程 2 电动机的工作状态 运动方程式中转矩正 负号的规定 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向 然后规定 1 电磁转矩与转速的正方向相同时为正 相反时为负 2 负载转矩与转速的正方向相同时为负 相反时为正 3 惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定 7 1 2电动机的工作状态及拖动系统运动方程 3 电力拖动系统维持稳定运行的条件 系统运行的稳定性是指 原来系统在机械特性上的某点运行 由于某种原因 如干扰等 使工作点发生变化 若造成工作点变化的原因去除后 系统能够回到原来的工作点运行 则系统是稳定的否则系统就是不稳定的 必要条件 电动机和负载机械特性有交点 充分条件 干扰消失后能回到原来交点 电压变化 负载变化 由知道 当 加速 当 减速 7 2三相异步电动机的起动 制动与调速 7 2 1异步电动机的起动 要求 1 起动电流小 2 起动转矩大 3 起动时间短 方法 1 全压 直接 起动 2 降压起动 1 起动电流大的原因 2 起动转矩不大的原因 起动时 远大于运行时的 转子漏抗很大 很低 尽管很大 但并不大 由上述两个原因使得起动转矩不大 7 2 1异步电动机的起动 异步电动机的起动性能 起动时 转子感应电动势大 使转子电流大 根据磁动势平衡关系 定子电流必然增大 一般有 由公式分析 由于起动电流大 定子漏阻抗压降大 使定子感应电动势减小 对应的气隙磁通减小 1 鼠笼式异步电动机全压直接起动 可以直接起动的条件 起动电流倍数 在电源容量允许时 也就是负载在发电机单机容量60 如下的鼠笼式异步电动机通常采用全压起动 如图是通风机负载的特性曲线 这种普通鼠笼式异步电动机的起动电流大对电网的冲击 起动转矩不大 起动时不仅使起动时间增加 生产效率降低 2 改善起动性能的特殊鼠笼式异步电动机的起动 双鼠笼式鼠笼异步电动机如图 结构 双鼠笼异步机转子有两套鼠笼绕组 内笼电阻小 外笼电阻大 原理 起动时 由于集肤效应明显 外笼起主要作用使起动转矩大 正常工作时 集肤效应不明显 内笼起主要作用 可在一定程度上减少铜损 特点 起动电流减少 起动转矩增大 集肤效应又叫趋肤 集表 趋表效应 它是高转差率鼠笼式异步电动机工作的主要依据 集肤效应 是指交流电流在导体中流动时 由于电抗的作用使电流往导体表面集中的现象 此时相当于导体有效截面积减小 电阻增大 集 趋 肤 表 效应 2 改善起动性能的特殊鼠笼式异步电动机的起动 深槽式鼠笼异步电动机如图 机械特性 高转差率 工作原理 深槽式鼠笼转子 在电动机起动时 由于转子频率高集肤效应明显 转子实际电阻较大 可得到较大的起动转矩 当起动结束后 由于转子频率很低集肤效应不明显 转子实际电阻小 从而降低正常运行时的转子铜损 机械特性如图所示 特点 起动电流减少 起动转矩增大 1 Y 降压起动 方法 起动时将定子绕组接成Y形 转速升高后再接成 形 适用场合 1 正常工作时定子为 形连接鼠笼式异步电动机 2 空载或轻载起动 3 鼠笼式三相异步电动机降压起动 起动电流和转矩都降低为 形时的1 3 2 自耦变压器降压起动 3 鼠笼式三相异步电动机降压起动 直接起动时的起动电流 降压后二次侧起动电流 变压器一次侧电流 电网提供的起动电流减小倍数 起动转矩减小的倍数 自耦变压器一般有三个分接头可供选用 4 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 开始起动 20 4 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 起动完成 21 4 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 返回 22 制动目的 1 迅速停车 2 减速 3 匀速 不再加速 7 2 2异步电动机的制动 制动运行状态 产生与转向相反的电磁转矩叫制动 特点 电动状态 T n同向 制动状态 T n反向 电气制动 制动转矩为电磁转矩包括 反接 能耗 回馈等三种制动 机械制动 电磁铁制动 1 电源两相反接的反接制动 1 反接制动 实现 将电动机电源两相反接可实现反接制动 机械特性由曲线1变为曲线2 工作点由A B C n 0 制动过程结束 绕线式电动机在定子两反接同时 可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩 曲线3 从电动机状态 反接制动状态 2 倒拉反转的反接制动 条件 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况 实现 在转子回路串联适当大电阻RB 特性曲线为2 电机工作点由A B C n 0 制动过程开始 电机反转子 直到D点 在第四象限才是制动状态 由于电机反向旋转 n1 反接制动时 s 1 所以有 机械功率为 电磁功率为 机械功率为负 说明电机从轴上输入机械功率 电磁功率为正说明电机从电源输入电功率 并轴定子向转子传递功率 而 表明 轴上输入的机械功率转变成电功率后 连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上 所反接制动的能量损耗较大 2 回馈制动 回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态 电机机械特性曲线1 运行于A点 实现 电动机转子在外力作用下 使 1 变极或变频调速过程中的回馈制动 当电机采用变极 增加极数 或变频 降低频率 进行调速时 机械特性变为2 同步转速变为 电机工作点由A变到B 电磁转矩为负 电机处于回馈制动状态 电机机械特性曲线1 运行于A点 2 位能性负载作用下产生的回馈制动 首先将定子两相反接 定子旋转磁场的同步转速为 n1 特性曲线变为2 工作点由A到B 经过反接制动过程 由B到C 反向加速过程 C到 n1变化 最后在位能负载作用下反向加速并超过同步转速 直到D点保持稳定运行 应用 起货机等速落货 锚机深水等速抛锚 3 能耗制动 实现 制动时 电机脱离电网 同时在定子绕组中通入直流励磁电流 直流励磁电流产生一个恒定的磁场 因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场 导体中感应电动势和电流 感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质 转速迅速下降 当转速为零时 感应电动势和电流为零 制动过程结束 制动过程中 转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上 能耗制动 用途 1 迅速减速 2 匀速落货 电动机的接线 制动原理 对笼型异步电动机 可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 对绕线型异步电动机 可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 制动时的机械特性总是在第二 正转 停车或反转 和第四象限 反转 停车或正转 1和7 正 反向回馈制动 2和6 正 反向电源反接制动 3和5 正 反向能耗制动 4 绕线式异步电动机倒拉反接制动 交流异步电动机制动特性汇总 绕线式异步电动机才有倒拉反接制动 且只有1条 7 2 3异步电动机的调速 由异步电动机的转速公式 可知 异步电动机有下列三种基本调速方法 2 改变定子极对数调速 3 改变电源频率调速 1 改变转差率调速 1 转子串电阻 2 改变定子电压 1 可变极的双速绕组 2 多套不同极对数的定子绕组 1 改变转差率调速 1 绕线转子串接电阻调速 机械特性如图 从时 可知和不变 而增大 转速降低 特点 简单 满足多级调速要求 属于有级调速 转速只能逐档变化 调速和起动电阻可共用 缺点 RS功耗大 轻载调速范围窄 适用场合 带额定负载起动 如起重设备等 2 改变定子电压的调速 降压调速属于改变转差率调速 机械特性如图 从时 可知和不变 而减少 转速降低 特点 恒转矩型负载调速范围很小 而通风机型负载 调速范围则比较大 适用场合 带通风机型负载的电动机 恒转矩型负载变压调速如图7 17 2 变极调速 一 变极原理 变极调速只用于笼型电动机 以4极变2极为例 U相两个线圈 顺向串联 定子绕组产生4极磁场 反向串联和反向并联 定子绕组产生2极磁场 二 三种常用变极接线方式 Y 反并YY 2p p Y 反串Y 2p p YY 2p p 注意 当改变定子绕组接线时 必须同时改变定子绕组的相序 三 变极调速时容许输出 容许输出时是指保持电流为额定值条件下 调速前 后电动机轴上输出的功率和转矩 1 Y YY联结方式 Y YY后 极数减少一半 转速增大一倍 即 保持每一绕组电流为 则输出功率和转矩为 可见 Y YY联结方式时 电动机的转速增大一倍 容许输出功率增大一倍 而容许输出转矩保持不变 所以这种变极调速属于恒转矩调速 它适用于恒转矩负载 2 YY联结方式 YY后 极数减少一半 转速增大一倍 即 保持每一绕组电流为 则输出功率和转矩为 可见 YY联结方式时 电动机的转速增大一倍 容许输出功率近似不变 而容许输出转矩近似减少一半 所以这种变极调速属于恒功率调速 它适用于恒功率负载 同理可以分析 正串Y 反串Y联结方式的变极调速属恒功率调速 四 变极调速时的机械特性 1 Y YY联结方式 2 YY联结方式 变极调速时 转速几乎是成倍变化的 调速的平滑性较差 但具有较硬的机械特性 稳定性好 可用于恒功率和恒转矩负载 3 变频调速 一 电压随频率调节的规律 当转差率s变化不大时 电动机的转速n基本与电源频率f1正比 连续调节电源频率 可以平滑地改变电动机的转速 但是 频率改变将影响磁路的饱和程度 励磁电流 功率因数 铁损及过载能力的大小 为了保持变频率前 后过载能力不变 要求下式成立 1 恒转矩变频率调速 此条件下变频调速 电机的主磁通和过载能力不变 对恒转矩负载 2 恒功率变频率调速 此条件下变频调速 电机的过载能力不变 但主磁通发生变化 对恒功率负载 得 在额定频率以下调速时 保持 即恒转矩调速 在额定频率以上调速时 电压只能 迫使主磁通与频率成反比降低 近似为恒功率调速 二 频率调速时电动机的机械特性 变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示 最大转矩 起动转矩 临界点转速降 在基频以下调速时 保持 即恒转矩调速 在基频以上调速时 电压只能 迫使主磁通与频率成反比降低 近似为恒功率调速 7 3直流电动机的起动 制动与调速 7 3 1直流电动机的起动 对他励电动机分析 电势平衡方程式 电枢电流 当起动时 故电枢电流 从公式可以看出直接起动电流很大 能够达到10 20倍的额定电流 这将引起严重的后果 应设法限制电枢电流的不超过额定电流的1 5 2 0倍 由转矩知道限制起动电流也同时限制 这样能减少机械冲击 1 电枢回路串电阻起动 2 降压起动 限制起动电流方法 2 要有足够大的起动转矩 直流电动机的起动一般有如下要求 1 起动电流要限制在一定的范围内过载倍数 3 起动设备要简单 可靠 1 电枢回路串电阻起动 Rst值应使Ist不大于允许值 起动开始时 接触器的触点S闭合 而S1 S2 S3断开 如图 a 所示 额定电压加在电枢回路总电阻R R Ra Rst1 Rst2 Rst3 上 起动初电流为 此时起动电流I1和起动转矩T1均达到最大值 通常取额定值的二倍左右 接入全部起动电阻时的人为特性如图 b 中的曲线1所示 起动瞬间对应于a点 起动转矩T1大于负载转矩TL 电动机开始加速 电动势Ea逐渐增大 电枢电流和电磁转矩逐渐减小 工作点沿曲线1箭头方向移动 当转速升到n1 电流降至I2 转矩减至T2 图中b点 时 触点S3闭合 切除电阻Rst3 I2称为切换电流 一般取I2 1 1 1 2 IN 或T2 1 1 1 2 TN 切除Rst3后 电枢回路电阻减小为R2 Ra Rst1 Rst2 与之对应的人为特性如图 b 中的曲线2 起动过程 在切除电阻瞬间 由于机械惯性 转速不能突变 所以电动机的工作点由b点沿水平方向跃变到曲线2上的c点 选择适当的各级起动电阻 可使c点的电流仍为I1 这样电动机又处在最大转矩T1下进行加速 工作点沿曲线2箭头方向移动 当到达d点时 转速升至n2 电流又降至I2 转矩也降至T2 此时触点S2闭合 将Rst2切除 电枢回路电阻变为R1 Ra Rst1 工作点由d点平移到人为特性曲线3上的e点 e点的电流和转矩仍为最大值 电动机又处在最大转矩Tl下加速 工作点在曲线3上移动 当转速升至n3时 即在 点切除最后一级电阻Rst1后 电动机将过渡到固有特性上 并加速到h点处于稳定运行 起动过程结束 2 降压起动 直流电源电压可调时 可以采用降压起动 起动时 以较低的电源电压起动电动机 起动电流便随电压的降低而正比减小 随着电动机转速的上升 反电动势逐渐增大 再逐渐提高电源电压 使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上 从而保证电动机按需要的加速度升速 这种起动方法需要可调压的直流电源 过去多采用直流的发电机 电动机组 即每一台电动机专门由一台直流发电机供电 当调节发电机的励磁电流时 便可改变发电机的输出电压 从而改变加在电动机电枢两端的电压 随着晶闸管技术和计算机技术的发展 直流发电机逐步被晶闸管整流电源所取代 7 3 1直流电动机的起动 对他励电动机分析 2 降压起动 7 3 2直流电动机的制动 机械特性方程为 特性曲线斜率为 理想空载转速 制动状态 电磁转矩T的方向与转速n的方向相反 制动的方式 反接制动 回馈制动 能耗制动 1 电源反接制动 制动时电枢电势与电源电压方向相同 反接制动时 将开关S投向 制动 侧 电枢回路串入制动电阻RB后 接上极性相反的电源电压 电枢回路内产生反向电流 1 反接制动 机械特性方程为 1 电源反接制动 电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路制动电阻上 2 倒拉反转反接制动 A 适用于低速下放重物 B 电枢串大电阻时的人为特性方程 C 改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度 D 倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同 A 降压调速时产生的回馈制动 制动过程为段 B 弱磁调速时产生的回馈制动 制动过程为段 2 回馈制动 当时 为回馈制动运行 1 调速过程中出现的回馈制动 2 回馈制动 2 位能性负载作用下产生的回馈制动 A 故回馈制动过程中 有功率回馈电网 能量损耗最少 B 使用场合用于高速匀速下放重物和降压 增加磁通调速过程中自动加快减速过程 1 制动时将开关S打到制动电阻RB上 3 能耗制动 曲线如图 2 能耗制动时的机械特性方程为 制动时的机械特性总是在第二 正转 停车或反转 和第四象限 反转 停车或正转 1和7 正 反向回馈制动 2和6 正 反向电源反接制动 3和5 正 反向能耗制动 4 倒拉反接制动 只有1条 直流电动机制动特性汇总 7 3 3直流电动机的调速 D 调速指标 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 有 调速范围 静差率 相对稳定性 调速的平滑性 调速的经济性 A 调速 就是在所拖动的负载不变的前提下 人为改变运行的转速 B 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 即改变R Ra RS 及励磁磁通 三者之中的任意一个量 就可改变转速n C 调速方法 电枢回路串电阻调速 调压调速和调磁调速 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 通常用D表示 即 2 静差率 相对稳定性 电动机的最高转速受到电动机的机械强度 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 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 相对稳定性用静差率 表示 3 调速的平滑性 相邻两级转速之比称为平滑系数 表示为 值越接近1 则平滑性越好 当 l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 称为有级调速 4 调速的经济性 经济性包含两方面的内容 一是指调速设备的投资和调速过程中的能量损耗 运行效率及维修费用等 另一方面是指电动机在调速时能否得到充分利用 即调速方法是否与负载类型相配合 1 电枢回路串电阻调速 原理 在电枢中串入电阻 n0不变 即电机的特性曲线变陡 使 n 在相同力矩下 n 2 降低电枢电压调速 A 原理 由机械特性方程知 调电枢电压U n0变化 斜率不变 所以调速特性是一组平行曲线 降压调速的优点是 电源电压能够平滑调节 可以实现无级调速 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 无论轻载还是负载 调速范围相同 一般可达D 2 5 12 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 可以改变发电机G发出的电压 从而实现对直流电动机M的调压调速 这种系统的性能较为优越 但设备多 投资大 目前 G M系统已被晶闸管 电动机系统 简称SCR M系统 所取代 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 轧钢机 造纸机等 以上两种调速在Tem TL C 常数 时 调速前后电枢回路的电流保持不变 B 降压调速的特点 3 减弱磁通调速 调节磁场前工作点 弱磁瞬间工作点A A 弱磁稳定后的工作点 1 原理 2 特点 优点 由于在电流较小的励磁回路中进行调节 能量损耗小 控制方便 设备简单 调速平滑性好 可以无级调速 为了扩大调速范围 通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来 在额定转速以上 采用弱磁调速 在额定转速以下采用降压调速 缺点 机械特性的斜率变大 特性变软 受换向条件和机械强度的限制 转速调高的幅度不大 一般D 2 适应场合 弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节 调速方式与负载类型的配合 容许输出 指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率 充分利用 指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值 即电枢电流达到额定值 当电动机调速时 在不同的转速下 电枢电流能否总保持为额定值 即电动机能否在不同转速下都得到充分利用 这个问题与调速方式和负载类型的配合有关 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件 他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速 1 恒转矩调速 电动机的容许输出功率与转速成正比 而容许输出转矩为恒值 恒转矩调速 电枢串电阻调速和降压调速时 磁通保持不变 若在不同转速下保持电流不变 即电机得到充分利用 容许输出转矩和功率分别为 电动机的容许输出转矩与转速成反比 而容许输出功率为恒值 恒功率调速 减弱磁通调速时 磁通是变化的 在不同转速下若保持电流不变 即电机得到充分利用 容许输出转矩和功率别为 为了使电动机得到充分利用 拖动恒转矩负载时 应采用恒转矩调速方式 拖动恒功率负载时 应采用恒功率调速方式 2 恒功率调速 某三相异步电动机的Pn 40kW Un 380V50HZ n 2930r min 0 9 cos 0 85 Ist In 5 5 Tst Tn 1 2 接法 采用Y 起动 求 1 起动电流和起动转矩 2 保证能顺利起动的最大负载转矩是其额定转矩的多少 例1 解 起动电流和起动转矩 根据额定参数计算 额定电流为 IN PN 3 UN cos 40000 3 380 0 9 0 85 79 4428 A 起动时 Ist 5 5 IN 436 9352 A Y起动时 IstY Ist 3 145 6451 A 额定转矩 TN 30 PN nN 30 40000 2930 130 3658 N m 起动时 Tst 1 2 TN 156 4390 N m Y起动时 TstY Tst 3 52 1463