07第七章电拖系统

第七章电力拖动系统 7 1 电力拖动的基本概念 7 2 交流电力拖动的调速 7 3 直流电力拖动的调速 7 4 电力拖动系统的制动 7 5 电动机的温升与维护管理 第七章小结 学习第七章应该注意的点 第七章学习应注意的几个问题 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 本章主要是原理性的概念不要求计算 相对比较难的点 1 拖动系统稳定运行判断 2 电气制动方法和机械特性 7 1 电力拖动的基本概念 本节的主要内容有三大部分 运动方程 是分析电力拖动系统的工具 为了简化分析应该折算 负载机械特性 负载与电动机机械特性都是拖动系统工作的依据 应知道类型 稳定运行 稳定运行是系统追求的目的 应该掌握判断的依据和方法 单轴系统的运动方程 书P 86 式 7 1 1 T TL Jd dt GD2 375 dn dt 从牛顿定律演化而来 其中 375 120g g 9 81 重力加速度常数 分析多轴系统的问题 一轴一个方程 解微分方程组较难 解决办法 折算 将其它轴折算到电动机轴上 原则 能量守衡 等效为一个单轴系统 需要折算的量 飞轮矩 转动惯量 变速比的平方 负载转矩 变速比 运动方程说明的问题 结论 由运动方程可见 电动机所产生的电磁转矩T除用于克服稳态负载转矩TL外 还要平衡系统加速或减速时所产生的动态惯性阻转矩 T T TL 所以系统的运动状态是由电动机的电磁转矩和负载转矩共同所决定的 T 0 恒速 T 0 变速 一 电力拖动系统的运动方程 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 负载机械特性总汇 T kn 0 恒转矩型 0 通风机型 0 恒功率型 反抗性恒转矩 位能性恒转矩 通风机型 恒功率 二 负载的机械特性 三 系统运行的稳定性 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 本书只讨论 静态稳定 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 判断 dT dn dTL dn 或 T n TL n 注意 系统是否稳定与电动机和负载两者的机械特性有关 电动机带不同的负载 其稳定性可能不同 分析异步电动机的机械特性 根据稳定判断条件 T n TL n 对其带恒转矩负载进行稳定性判断可知 a点是稳定的 对于b点则不稳定 稳定性的判断 结论 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 为不稳定区 注意 应用 T n TL n时 T TL和 n都应该连同其符号一起代入 对于恒转矩负载 b点不稳定 但对于通风机型负载b点则稳定 因为 对于b点附近相同的正转速偏差 n 由图可见 电磁转矩偏差 T 负载转矩偏差 TL 对于b点附近相同负转速偏差 n 电磁转矩偏差 T 负载转矩偏差 TL 负的偏差越大说明其值越小 第一节要点 运动方程 多轴折算 负载机械特性类型 稳定条件及判别 稳定性与负载有关 通风机型负载 7 2 交流电力拖动的调速 本节主要内容是四种常见的电气调速方法 拖动系统的调速方法 1 机械调速 2 电气调速 电气调速就是改变电动机的转速 交流电动机可分为 两种 1 改变转差率调速 同步转速不变 2 改变同步转速调速 主要内容 鼠笼式转子异步电动机定子降压调速 绕线式转子异步电动机转子串电阻调速 鼠笼式转子异步电动机变极调速 变频调速 通常是鼠笼式转子异步电动机 一 三相异步电动机的调速方法 定义 所谓电气调速 就是人为改变电动机的机械特性达到改变电动机的转速 调速分类 根据异步电机转速公式 n n0 1 s 可知 三相异步电动机电气调速可分为两大类 1 改变同步转速调速 2 改变转差率调速 改变同步转速的方法 1 改变电动机绕组的极对数 只适合鼠笼式 2 改变电源频率 改变转差率调速的方法 1 降压调速 2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 学习这部分内容时 主要注意 调速的方法 原理 和调速时电动机的机械特性的变化 原理 降压调速属于改变转差率调速 降低定子电压U n0和临界转差率Sm R2 X20不变 但Tmax U2减小 对于恒转矩型负载 T减小 则n减小 从而达到调速目的 特点 这种方法对于恒转矩型负载调速范围很小 而对于通风机型负载 调速范围则比较大 如右图所示 实现方法 1 定子串联带抽头的饱和电抗器 2 反并联晶闸管交流调压器 3 定子绕组 Y换接 适用场合 带通风机型负载的电动机 降压调速 绕线式转子串电阻调速 原理 转子串电阻调速属于改变转差率调速 转子电路外串联电阻RS后 n0和Tmax不变 而临界转差率Sm随RS而变化 RS Sm 机械特性越软 转速越低 特点 这种调速方法简单 能够满足一般多级调速要求 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 有级 低速 特性软负载波动对转速影响大运行不平稳 电刷滑环易出故障 维护工作量大 适用场合 带额定负载起动 如起重设备等 注意 调速电阻是长期工作制 变极调速 注意 变极调速只能是特殊鼠笼异步电机 每相有2个半相绕组 属于改变同步转速 半相绕组特点 两种不同连接可得两种不同极对数 YY连接时 极对数减少一半 且相序变反 YY 属于恒功率调速 Y YY 属于恒转矩调速 属于 理解为 适用于 负载 记法 Y YY时 绕组的U I未变 不是恒功率 恒转矩 Y YY YY 原理 改变定子绕组连接可改变其产生的磁极对数 从而改变同步转速 特点 设备简单 特性较硬 运行平稳 但属于有级调速 用途 起货机 锚机等 国产常为 YY 恒P 国外常为Y YY 恒T 变频调速原理 原理 变频调速属于改变同步转速 根据n0 60f1 p可知 频率变 同步转速变 机械特性也变 要求 1 f1 fn 负载转矩应相应减小 否则过载 2 f1 fn时 应保持U1 f1 常数 原因 f1 fn时n nn 若保持额定转矩不变 会造成电机过载 若f1 fn 负载转矩应相应减小 f1 fn时 若保持U1不变 则E1 4 44kf1 中 将增加 磁路会出现饱和 损耗会增加 f1 fn时 必须保持U1 f1 常数 而在f1 fn时 保持U1 Un 磁路磁通减小 电磁转矩相应减小 方法 采用变频器 种类较多 特点 1 无级调速 类似直流调速 2 特性硬度不变 转速平稳 3 变频器较贵 初次投资较大 第二节要点 方法 变s n0 各自特点 变极 接线 相序 恒P T 变频特点 变频调速方法与特点 7 3 直流电力拖动的调速 本节主要内容有两大部分 一 直流电动机的调速主要掌握直流电动机的各种调速实现的方法 特点和使用场合 二 调速电动机的容许输出知道限制电动机容许输出的因素和调速方式的种类 一 直流电动机的调速方法 直流电动机的机械特性表达式为 由机械特性 可知直流电动机的调速方法有三种 可分别单独调节和同时配合调节 1 电枢回路串电阻调速 2 弱磁调速 3 降压调速 电枢串电阻调速 特点 简单 有级 但特性变软 电阻耗能大 空载调速不明显 属于恒转矩调速 恒转矩调速 带恒额定转矩调速时 电流不会超过额定值 所谓 恒转矩 恒功率 调速 主要指适合于所带负载的类型 即后面所讲的 容许输出 n0不变 斜率变 改变主磁通的调速 由于电动机磁路已经确定 且设计时一般电机磁路都处于 半饱和 状态 因此 改变主磁通只能减少 不能增加 增加则饱和 且励磁损耗大 固常称为 弱磁调速 弱磁则n I增加 只有当TL减小 即I T KT 不变 使I不超过额定值 I T KT E U不变 而P EI Ke nT KT nT 调速时应保持P恒定 即属于 恒功率调速 特点 特性变软 可无级 平滑 调速 n0和斜率都变 改变电枢电压的调速 降压调速 理想空载转速减小 电动机的转速也相应减小 属于恒转矩调速 方法 1 G M系统 可通过改变直流发电机的励磁 2 晶闸管整流装置 改变导通角 从而改变电动机的电压 书P 93图 特点 特性硬度不变 无级调速 属于恒转矩调速 降压和弱磁结合的调速 一般的调速规律 nN以下恒转矩 保证足够的驱动转矩 nN以上则为恒功率 保证电动机不过载 n0变 斜率不变 二 调速电动机的容许输出 说明 一台造好的电动机 绕组的电阻及电机的散热能力已经确定 因此允许通过的电流及输出功率也就已经确定 即电动机的电流受限制 不能超过额定电流 否则铜损增大 发热增加 调速类型 电动机调速时 转速发生的变化是由于机械特性变化引起的 而对于不同负载 电机机械特性的变化将使电动机的电流发生变化 为了保证电动机在调速时 电流不超过额定电流的限制 就必须在调速时限制负载的类型 也就是说 电动机的调速方案应该适应特地的负载类型 因此 按照调速时 允许的输出 可分为 恒功率和恒转矩调速两类 当转速小于额定转速时 电动机的输出功率减小 如果要保持输出功率不变 则电动机的电流或磁通就得增加 由于磁路已经接近饱和 主磁通增加不上去 电流又受限制 因此 额定转速以下只能是恒转矩调速 T KT I KT是常数 磁路饱和 不能增加 I受电动机容许输出的限制 和I的最大值是恒定不变的 即可带的最大负载转矩恒定 注意 这里的 恒转矩 是指 所允许带的最大负载转矩是恒定的 只要负载转矩在最大转矩的限制范围内 电动机都可正常运行 当然在 最大转矩的限制范围内 是允许负载的转矩发生变化的 只是 若负载转矩长期小于最大转矩运行 则电动机及系统的效率都较低 额定转速下的调速分析 当转速大于额定转速 若保持额定转矩不变 电动机输出功率必将超过额定功率 P P EI 电压或电流就需超过额定值 因此 为了不使电动机过载 额定转速以上只能是恒功率调速 即 必须限制负载的转矩 为了达到减小转矩的目的 通常只有通过减小主磁通 从而降低电动机电磁转矩 满足与负载转矩的配合 从而保证U I不超过额定值 即 P P EI 常数 T KT I 结论 额定转速以上为恒功率调速 额定转速以下为恒转矩调速 第三节要点 直流调速 方法 特性 特点 容许输出 限制因素 调速形式 额定转速之上的调速分析 7 4 电力拖动系统的制动 本节主要内容有两大部分 一 三相异步电动机的制动二 它励直流电动机的制动 制动目的 产生与转向相反的转矩叫制动 1 迅速停车 2 减速 3 匀速 不再加速 本节讨论的制动属于电气制动 制动转矩为电磁转矩 电气制动包括 反接 能耗 回馈等三种制动 机械制动 电磁铁制动 本节不讨论 学习本节应注意 制动方法 机械特性 能量关系 特点 电动状态 T n同向 制动状态 T n反向 说明 一 三相异步电动机的制动 反接制动 方法 改变电动机电源相序 对调任意两根线 用途 小型 不经常正反转的电动机快速停车 特征 转差率s 1 有电源反接和倒拉反接两种 能量关系 转子机械能与电源电能转换为电动机绕组中的热能 绕线式 倒拉反接 机械特性 转速不能突变 瞬时切换到反向机械特性上 回馈 再生 制动 方法 1 变极调速从高速变为低速时 自动进入回馈制动 2 带恒转矩位能性负载工作在反向 落货 时 自动进入回馈制动 用途 1 迅速减速 2 匀速落货 能量关系 转子机械能转换成电能回送给电网 最经济的制动 能耗制动 方法 1 切断运行电动机定子三相交流电源 2 同时立即接通直流电源 使定子绕组通入直流电流在气隙产生恒定 不动 的磁场 即进入能耗制动 用途 1 迅速减速 2 匀速落货 能量关系 转子机械能变成电能消耗在电动机绕组 电动机的接线 制动原理 机械特性 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 二 他励直流电动机的制动 他励直流电动机的制动也包括 反接 能耗 回馈等三种 但是应该注意 电枢电阻很小 反接制动和能耗制动一般都需串入电阻限制电流 反接制动 特征 电枢电压与电动势方向相同 也有电源反接和倒拉反接两种 电源反接 电枢回路串入大的电阻 同时将电源极性反向 倒拉反接 带位能性恒转矩负载时 在电枢回路串入很大的电阻 电动机产生的电磁转矩小于负载转矩 被负载拖动而进入反转 回馈制动和能耗制动 回馈制动 位能性负载下落或降压调速时电压降低较多时 都会出现回馈制动 特征 电枢电势大于电枢电压 即E U 能耗制动 断开电动机电源 将电枢通过电阻短接 特征 U 0 n0 0 原来E很大 U 0时 必须串入大的电阻限流 第四节要点 方法 特点 应用和能量关系 特性 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 5 电动机的温升与维护管理 本节主要内容有两大部分 一 电机的温升与维护管理了解电动机温升产生的原因和变化规律 知道我国规定的标准环境温度 掌握电机的维护管理的注意事项 二 电动机的工作制与额定容量了解电动机的容量选择 短时标准 负载持续率和电机相互替代的依据 一 电动机的温升与维护管理 电机的损耗有 1 正常损耗 可变 固定 2 非正常损耗 都变为热量 发热与散热 1 参数 温升 标准环境温度 n 热惯性时间常数T 错 P 98 应增加 可用来衡量 几个字 2 温升变化规律 是 发热 与 散热 共同作用的结果 稳定运行的电机最终温升可达到一个稳定值 运行管理注意事项 1 经常监视温升 2 注意环境温度的变化 3 定期检测绝缘 二 电动