第七章电系统ppt课件

1、第七章第七章 电力拖动基础电力拖动基础 7-1.7-1.电力拖动的基本概念电力拖动的基本概念 7-2.7-2.交流电力拖动的调速交流电力拖动的调速 7-3.7-3.直流电力拖动的调速直流电力拖动的调速 7-4.7-4.电力拖动系统的制动电力拖动系统的制动 7-5.7-5.电动机的温升与维护管理电动机的温升与维护管理 学习第七章应该注意的点学习第七章应该注意的点第七章学习应注意的几个问题：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如何判断电力拖动系统稳定运行 ？条件是什么？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？电力拖动系统的运动方程是什么？需要进行

2、什么折算？ 3.负载机械特性有哪些类型负载机械特性有哪些类型 ？ 4.交、直流调速有哪些类型交、直流调速有哪些类型 ？其方法和特点如何？其方法和特点如何 ？ 5.限制电动机输出的因素是什么？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？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？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。本章主要是原理性的概念不要求计算。相对比较难的点：相对比较难的点： 1.拖动系统稳定运行判断；拖动系统稳定运行判断；2.电气制动方法和机械特性。电气制动方法和机械特性。电力拖动系

3、统是由电动机拖动并通过传动机构带动电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的一个动力学整体。生产机械运转的一个动力学整体。 研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。统的运动方程式。7-1.电力拖动的基本概念电力拖动的基本概念本节的主要内容有三大部分：本节的主要内容有三大部分：一一.运动方程：运动方程： 是分析电力拖动系统的工具，为了简化分析是分析电力拖动系统的工具，为了简化分析应该折算。应该折算。二二.负载机械特性：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

4、。依据，应知道类型。三三.稳定运行：稳定运行： 稳定运行是系统追求的目的，应该掌握判断稳定运行是系统追求的目的，应该掌握判断的依据和方法。的依据和方法。单轴系统的运动方程：单轴系统的运动方程： 书书P.86.式式7-1-1） 从牛顿定律演化而来。从牛顿定律演化而来。 电磁转矩拖动转矩）电磁转矩拖动转矩） 负载转矩阻转矩）负载转矩阻转矩） 375=120g/g=9.81，重力加速度常数），重力加速度常数）需要折算的量：飞轮矩转动惯量）需要折算的量：飞轮矩转动惯量） 变速比的平方，变速比的平方， 负载转矩负载转矩 变速比。变速比。运动方程说明的问题：运动方程说明的问题： （结论）（结论） 由运动方

5、程可见，电动机所产生的电磁转矩由运动方程可见，电动机所产生的电磁转矩T 除用于克服稳态负载除用于克服稳态负载转矩转矩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=TTL），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），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。决定的。 T=0：恒速，：恒速， T0：变速。：变速。一、电力拖动系统的运动方程一、电力拖动系统的运动方程tnGDTTLdd3752TLT拖动系统的运动状态拖动系统的运动状态 一个电力拖动系统是处于静止或匀速，还是加速或减速，可以从运动方程式来判

6、定。 先按规定确定运动方程式各转矩转速的正负号，再通过运动方程式来判断拖动系统的运动状态。（1当 时，d n/d t = 0，则n = 0或n=常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。（2当 时，d n/d t 0，电力拖动系统处于加速状态 。 （3当 时，d n/d t n1，所以 , 这是回馈制动的特点。因为转差率S0，所以转子电动势 0，转子电流 反向，电磁转矩反向，为制动转矩。此时原动机带动电动机转子以高于同步转速旋转，电动机将原动机输入的机械功率转成电功率输出回馈电网，成为一台发电机。 011nnnS22sEEssI2 三相异步电动用于拖动重物，在重物下降时，在位能负载

7、转矩作用下，转子转速n大于同步转速n1，如图1所示。图a为转子转速低于同步转速时电动运行状态，图b为转子转速超过同步转速后制动运行状态，此时的运行点为图2中D点，下放的速度受到限制，以保证设备和人身的安全。回馈制动时转子回路不允许串入电阻，否则稳定运行速度将非常高，如图2中的D点。 图1 回馈制动原理 图2 异步电动机回馈制动机械特性 能耗制动能耗制动方法：方法：1.1.切断运行电动机定子三相交流电源；切断运行电动机定子三相交流电源；2.2.同时同时立即接通直流电源，使定子绕组通入直流电流在气隙立即接通直流电源，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。产生恒定不动的磁场

8、，即进入能耗制动。用处：用处：1.1.迅速减速；迅速减速；2.2.匀速落货。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。能量关系：转子机械能变成电能消耗在电动机绕组。电动机的接线电动机的接线制动原理制动原理机械特性机械特性 能耗制动的控制接线如图能耗制动的控制接线如图所示。正常工作时，所示。正常工作时，Q合上，合上，KM1闭合，电动机处于电动运闭合，电动机处于电动运行状态。制动时，断开行状态。制动时，断开KM1，电动机脱离三相交流电源。同电动机脱离三相交流电源。同时迅速将时迅速将KM2接通，将桥式整接通，将桥式整流电路输出的单相直流电源接流电路输出的单相直流电源接入定子绕组的某二相

9、中并串入入定子绕组的某二相中并串入电阻，电机进入能耗制动状态，电阻，电机进入能耗制动状态，其制动原理可用下图说明。其制动原理可用下图说明。 图 能耗制动控制接线图 能耗制动能耗制动 当断交流送直流时，在电动机定子绕组内产生一恒定磁场，此时转子导体切割直流磁场，产生感应电流，其方向由右手定则可以判断，如图1所示。通有电流的转子处在恒定磁场中将受力，其方向由左手定则判断为与原转速方向相反，如图1所示，故为制动转矩。 能耗制动的机械特性曲线如图2中曲线1所示。当负载为反抗性负载时，将制动到转速为零停车，此时应断开直流电源，停止工作。当负载为位能性负载时，将反向下降，稳定工作在某一转速下，即实现限速下

10、放。通过改变直流电压的高低或所串入电阻的大小可以改变其制动性能，如图2中曲线3或曲线2所示。 图1 能耗制动原理图 图2 能耗制动机械特性 制动时的机械特性总是在第二制动时的机械特性总是在第二正转正转停车或反转和第四象限停车或反转和第四象限反转反转停车或正转）。停车或正转）。1 1和和7 7：正、反向回馈制动；：正、反向回馈制动；2 2和和6 6：正、反向电源反接制动；：正、反向电源反接制动；3 3和和5 5：正、反向能耗制动；：正、反向能耗制动；4:4:绕线式异步电动机倒拉反接制动。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

11、接制动，且只有绕线式异步电动机才有倒拉反接制动，且只有1 1条。条。二、他励直流电动机的制动二、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：馈等三种。但是应该注意：电枢电阻很小，电枢电阻很小，反接反接制动和能耗制动一般都需串入电阻限制电流。制动和能耗制动一般都需串入电阻限制电流。 反接制动：反接制动： 特征：电枢电压与电动势方向相同。也有电源反特征：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。接和倒拉反接两种。 电源反接：电枢回路串入大的电阻，同时将电源电源反接：电枢回路串入大的电阻，同时将电源极性

12、反向。极性反向。 倒拉反接：带位能性恒转矩负载时，在电枢回路倒拉反接：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。矩，被负载拖动而进入反转。 反接制动反接制动 反接制动分为电枢电压反向反接制动和倒拉反接制动两种。 1电枢电压反向反接制动电枢电压反向反接制动 （1实现方法 如下图，制动前，接触器的常开触头KM1闭合，另一个接触器的常开触头KM2断开，假设此时电动机处于正向电动运行状态，电磁转矩 与转速n的方向相同,即电动机 的 均为正值。 在电动运行中，断开KM1，闭合KM2使电枢电压反向并

13、串入电阻 ，则进入制动。 emTnTEIUemaaN,图电枢反向反接制动原理图 FR反接制动时电动机的电磁转矩与转速的方向变化情况反接制动时电动机的电磁转矩与转速的方向变化情况+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：电动+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T反方向：制动U反接：反接制动Ia反向T反向(2). 制动原理 反接制动时，加到电枢两端的电源电压为反向电 压 ， 同时接入反接制动电阻RF。反接制动初始瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势也保持原来的大小和方向。NU反接制动后电枢电流变为； 从式可

14、知，电枢电流 变负，电磁转矩 也随之变负，说明反接制动时 与n的方向相反， 为制动性转矩。由于动态转矩 ，拖动系统减，在减速过程中，而 逐渐减小， 和 也随之变小，动态转矩仍小于0，系统继续减速，直至n=0 ，应立即将接触器触头KM1, KM2都断开，使电动机脱开电源，系统制动停车过程结束。 在反接制动过程中，电动机电枢电压反接，电枢电流反向，电源输入功率 ；电磁功率 , 表明机械功率被转换成电功率，从电源输入的功率和机械转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（ ）上。aIemTemTemT0 LemTTaEaIemT01aNIUP0aaemIEPFaRR FaaNFaaNaRREURREUI3.

15、电枢电压反向反接制动的电枢电压反向反接制动的机械特性机械特性 电枢电压反向反接制动电枢电压反向反接制动的机械特性方程式为的机械特性方程式为 式中机械特性斜率式中机械特性斜率 由式可知，电枢电由式可知，电枢电压反向压反向,反接制动机械特性是反接制动机械特性是一条过（一条过（-n0点并与电枢点并与电枢回路串入电阻回路串入电阻RF的人为机的人为机械特性相平行的直线，如图械特性相平行的直线，如图2.23所示。所示。 emNFaNNTRRUn2TeeCCCemFTn02TeCCNFaFRR图 电枢电压反向反接制动机械特性 从图可以看出，反接制动开始，电动机的运行点从A瞬间过渡到B点，然后沿机械特性曲线2

16、转速下降，当到C点即n=0时，电动机立即断开电源，拖动系统制动停车过程结束。从B点到C点，就是反接制动过程。 如果电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，当反接制动过程到达C点时，n= 0， 0，此时，若电动机不立即断开电源，当-Tem的绝对值小于-TL 的绝对值时，拖动系统将处于堵转状态；当-Tem的绝对值大于-TL 的绝对值时，拖动系统将就会反向起动，直到在D点稳定运行,这时-Tem=TL,如果电动机拖动的是位能性负载,将在后面会提到的回馈制动状态 。 反接制动适合于要求频繁正、反转的电力拖动系统，先用反接制动达到迅速停车，然后接着反向启动并进入反向稳态运行，反之亦然。若只要求准确停车的系统，反接

17、制动不如能耗制动方便。emT2 2倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动 （1实现方法 如图21a所示，电动机提升重物时，将接触器KM常开触头断开，串入较大电阻 ，使提升的电磁转矩小于下降的位能转矩，拖动系统将进入倒拉反转反接制动。 FR图21 倒拉反接制 （2制动原理制动原理 进入倒拉反转反接制动后，转速 反向为负值，使反电势 也反向为负值，电枢电流naEFaaNaRREUI)(FaaNRREU 电枢电流是正值，所以电磁转矩也应为正值保持原方向），与转速n方向相反，电动机运行在制动状态。此运行状态是由于位能负载转矩拖动电动机反转而形成的，所以称为倒拉反接制动。 在倒拉反转反接制动运行状态下， 、

18、为正，电源输入功率 ，而电磁功率 ，表明从电源输入的电功率和机械转换的电功率都消耗在电枢回路电阻（ + ）上，其功率关系与电枢电压反向反接制动时相似。 NUaI01aNIUP0aaemIEPaRFR（3倒拉反转反接制动的机械特性倒拉反转反接制动的机械特性 倒拉反转反接制动的机械特性就是电枢回路串电倒拉反转反接制动的机械特性就是电枢回路串电阻的人为机械特性，如图阻的人为机械特性，如图21b所示，即所示，即emNFaNNTRRUn2TeeCCCemFTn0斜率斜率 2TeCCNFaFRR 在由提升重物转为下放重物时，将KM触头断开，电枢电路内串接较大电阻 ，这时电动机转速不能突变，工作点从a点瞬间

19、跳至对应的人为机械特性b点上，由于 ，电动机减速沿曲线下降至c点。在c点，n= 0 ，此时仍有 n0， , 均为负值，所以机械特性是电动状态机械特性延伸到第二象限的一条直线。下面分析一种典型的回馈制动运转状态。aIemT 图1是带位能负载下降时的回馈制动机械特性，电动机电动运行带动位能性负载下降，在电磁转矩和负载转矩的共同驱动下，转速沿特性曲线1逐渐升高，进入回馈制动后将稳定运行在a点上。需要指出的是，此时电枢回路不允许串入电阻，否则将会稳定运行在很高转速的b点上。 图 回馈制动机械特性 前面提到的他励直流电动机的反接制动，如果电动机拖动的是位能性负载，当n=0时，如果不切除电源，电动机在电磁

20、转矩和负载转矩的作用下，迅速反向启动，转速n=-n0后将继续反向加速，转速n超过n0，电动机进入回馈制动状态 。TnTLTb0反接制动-TL位能负载反抗负载制动到0不断电回馈制动反向电动稳定运行点 电动机反向启动后，转速n0，Ea反向，当转速n超过-n0， Ea的绝对值大于UN， ， 从负变到正，反接制动时，电枢两端的电源电压为反向电压 ， 同时接入反接制动电阻RF，因而；aIemT+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：电动+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T反方向：制动U反接：反接制动Ia反向T反向NeFaaNCRRIUn)(aa

21、NeNaaaNFRInCURIEUR）（NU式中式中 反向回馈制动稳定状态时大于零，其大小由负载转矩决定。反向回馈制动稳定状态时大于零，其大小由负载转矩决定。 aI能耗制动能耗制动 图1所示，为能耗制动原理图。制动前接触器KM的常开触头闭合，常闭触头断开，电动机有励磁将处于正向电动稳定运行状态，即电动机电磁转矩 与转速 的方向相同均为顺时针方向）,为拖动性转矩。在电动机运行中保持励磁，断开常开触头KM使电枢电源断开，闭合常闭触头KM用电阻 将电枢回路闭合，则进入能耗制动。 emTnHR 图1 能耗制动原理图 能耗制动时电动机的电磁转矩与转速的方向变化情况能耗制动时电动机的电磁转矩与转速的方向变

22、化情况MEa+ +- -Ra IaIfUfTnn,T反方向：制动RU0：能耗制动Ia反向、T反向+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：电动 2制动原理制动原理 能耗制动时，电动机励磁不变，电枢电源电能耗制动时，电动机励磁不变，电枢电源电压压U=0 ,由于机械惯性，制动初始瞬间转速由于机械惯性，制动初始瞬间转速n不能不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势势 也保持原来的大小和方向，而电枢电流也保持原来的大小和方向，而电枢电流 为为; （2-14） 从式从式2-14可见，电流可见，电流 变为负，说明其方变为负，说

23、明其方向与原来电动运行时相反，因此电磁转矩向与原来电动运行时相反，因此电磁转矩 也变也变负，表明此时的方向与转速的方向相反，负，表明此时的方向与转速的方向相反， 起制起制动作用，称为制动性转矩。动作用，称为制动性转矩。aEaIHaaNaRREUIHaaRREaIemTemT 由于 ，拖动系统减速。在减速过程中，Ea逐渐减小， 随之变小，动态转矩 仍小于0；拖动系统继续减速，直至 n=0，此时 都为0。如果电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，系统就在 n=0时停车。从能耗制动开始到拖动系统迅速减速及停车的过渡过程就叫做“能耗制动过程”。 在能耗制动过程中，电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转

24、变成电能，再消耗在电枢回路电阻 上，因而称能耗制动。 0LemTTemaTI ，LemTT emaNTIU,，)(HaRR 3 3能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 能耗制动的机械特性方程为能耗制动的机械特性方程为 （2-152-15） 式中式中 为能耗制动机械特性的斜率，为能耗制动机械特性的斜率，与电枢回路串接电阻时的人为与电枢回路串接电阻时的人为机械特性的斜率相同。从式机械特性的斜率相同。从式2-152-15可知，当可知，当 时，时，n=0 n=0 ，说明能耗制动的机，说明能耗制动的机械特性是一条通过坐标原点并械特性是一条通过坐标原点并与电枢回路串接电阻与电枢回路串接电阻 的人的人为机械

25、特性平行的直线，如图为机械特性平行的直线，如图2 2所示。所示。 emHemNHaTTRRn2TeCC2TeCCNHaHRR0emTHR图2能耗制动机械特性 从图2可以看出，能耗制动开始，电动机的运行点从A 瞬间过渡到B 点，然后沿机械特性2转速逐渐下降。如果电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，当n = 0时， =0，拖动系统停车，从B点到坐标原点；如果电动机拖动的是位能性恒转矩负载，当n=0时，动态转矩 ，系统在负载带动下将开始反向旋转，电动机继续沿机械特性2运行直到C点（ ）稳定运行，在C点上满足稳定运行的充分必要条件，因此C点是稳定工作点。在C点上n为负、 为负、 为正、 为正，所以 是制动

26、性转矩，电动机在C点上的稳定运行就叫做“能耗制动运行”。 emT0LemTT0LemTTaEaIemTemT 在能耗制动稳定运行状态下，电动机靠位能性恒转矩负载带动旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变成电能并消耗在电枢回路电阻（ ）上，其功率转换关系和能耗制动停车过程相同，不同的是能量转换功率 大小在能耗制动稳定运行时是固定的，而在能耗制动停车过程中是变化的。 HaRR aaIE 第四节要点第四节要点 ：方法、特点、应用和能量关系；特性。：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制动时的机械特性总是在第二正转正转停车或反转和第四象限停车或反转和第四象限反转反转停车或正转）。

27、停车或正转）。 1 1和和7:7:正、反向回馈制动；正、反向回馈制动； 2 2和和6:6:正、反向电源反接制动；正、反向电源反接制动； 3 3和和5:5:正、反向能耗制动；正、反向能耗制动； 4:4:倒拉反接制动倒拉反接制动( (只有只有1 1条条) )。 直流电动机制动特性汇总直流电动机制动特性汇总7-5.7-5.电动机的温升与维护管理电动机的温升与维护管理n本节主要内容有两大部分：本节主要内容有两大部分：n一、电机的温升与维护管理一、电机的温升与维护管理n 了解电动机温升产生的原因和变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化规律；知道我国规定的标准环境温度；掌握电机的

28、维护管理的注意事项。度；掌握电机的维护管理的注意事项。n二、电动机的工作制与额定容量二、电动机的工作制与额定容量n 了解电动机的容量选择、短时标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准、负载持续率和电机相互替代的依据。据。一、电动机的温升与维护管理一、电动机的温升与维护管理电机的损耗有：电机的损耗有：1.1.正常损耗可变、固定）；正常损耗可变、固定）； 2.2.非正常损耗。非正常损耗。 都变为热量。都变为热量。发热与散热：发热与散热： 1.1.参数：温升参数：温升、标准环境温度、标准环境温度nn、热惯性时、热惯性时间常数间常数T T 2.2.温升变化规律：是温升变化规律：

29、是“发热与发热与“散热共同作用的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. .运行管理注意事项运行管理注意事项 ： 1.1.经常监视温升；经常监视温升；2.2.注意环境温度的变化；注意环境温度的变化；3.3.定定期检测绝缘。期检测绝缘。二、电动机的工作制与额定容量二、电动机的工作制与额定容量 电动机的工作制：电动机的工作制：工作制：连续、短时和重复短时工作制：连续、短时和重复短时(断续、连续断续、连续)三种。三种。连续工作制：需要长时间工作，温升可达稳定温升。连续工作制：需要长时间工作，温升可达稳定温升。短时工作制：工作时达不到稳定温升；短时工作制：工作时达不到稳定温升