第07章-电力拖动基础

船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系第7章电力拖动基础第一节电力拖动系统运行的基本概念第二节三相异步电动机的起动、制动与调速第三节直流电动机的起动、制动与调速船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系内容简介本章主要内容包括电力拖动的基本概念、电力拖动系统的调速和制动等的基本原理和方法。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系分析、研究电力拖动系统运行状态的主要依据是：1）电动机的机械特性n=f（T）2）生产机械的负载转矩特性n=f（TL）第一节电力拖动系统运行的基本概念电动机的转速随电磁转矩变化的规律生产机械的转速与负载转矩之间的关系船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系负载的转矩特性是指负载转矩与转速之间的关系n=f(TL)特性7.1.1生产机械的负载转矩特性大致可归纳为恒转矩和变转矩两类船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系1)恒转矩负载特性负载转矩的作用方向总是与运动方向相反,始终是阻碍运动的。(1)反抗性恒转矩负载机械特性:船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系负载转矩是受重力作用而产生的,其负载转矩的大小和作用方向始终保持不变,不受转速大小和转动方向的影响。(2)位能性恒转矩负载机械特性:船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系2)变转矩负载机械特性(1)通风机型负载机械特性:其转矩与转速的平方成正比。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系(2)恒功率型负载机械特性:转矩与转速成反比,而两者之积(功率)近似保持不变。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系船舶起货机的多级传动机构是反抗性摩擦转矩，当起升重物时电动机的负载阻转矩是位能转矩与反抗转矩之和TL，而下放重物时则是两者之差TL’。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系简单拖动系统的运动规律可用如下的运动方程来描述,即TTJddtGDdndtL23751)电力拖动系统运动方程式7.1.2电动机的工作状态及电力拖动系统运行方程式船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系TTJddtGDdndtL2375机械角速度=2n/60，J[kg·m2]为系统转动惯量,GD2[N·m2]为系统的飞轮矩，这两者之间的关系为J=GD2/4g，重力加速度常数g=9.81[m/s2]。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系电动机轴上的等效负载转矩TL与工作机构的实际负载转矩Tc的关系为多轴电力拖动系统化简为等效的单轴系统TTnnTLcccc(/)(/)船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系根据系统储存的总动能不变的原则可进行等效飞轮矩的折算。12122021122JJJJcc()电动机轴上总的等效动能应等于各轴的动能之和：船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系从而可得折算到电动机轴上的单轴等效飞轮矩为：GDGDGDnnGDnncc202121222(/)(/)当T=TL时,dn/dt=0,系统以不变的转速稳定运行。只要T≠TL,则dn/dt≠0,从而使系统处于加速或减速的变化状态。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系当系统受到电压的波动时，将引起系统转速的变化，扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点。2)电力拖动系统维持稳定运行的条件TTLnn0132BDAC船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系当电源电压下降(恢复)时ABn(不变)Cn↓→T↑当电源电压恢复(升高)时CDn(不变)An↑→T↓T↓T↑TTLnn0132BDAC船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系当负载转矩波动时,将引起系统转速的变化。扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点。TTLnn012ABCTL’’TL’船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系ABTL′T,n↓,T↑TLT,n↑,T↓ACTL″T,n↑,T↓TLT,n↓,T↑TTLnn012ABCTL″TL′船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系电动机机械特性曲线与负载特性曲线的交点是系统的一个平衡点,系统维持稳定运行的条件为：在该交点所对应的转速之上有T＜TL，而在交点所对应的转速之下T＞TL。TTLnn012ABCTL″TL′船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系其作用都是力图阻止转速的偏离,因而扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点。该点为电机的稳定工作点。TTLnn012ABCTL″TL′船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系负载转矩电动机转矩时,电机减速，直到转速为0为止，电机停转(堵转)。负载转矩电动机转矩时,电机加速，直到C点为止。因此E点为不稳定工作点。不稳定工作点TTLnn012EC船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系对恒转矩负载而言，异步电动机特性曲线临界转差率以下的部分，为不稳定工作区。TTLnn012EC船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系7.2.1异步电动机的起动1)鼠笼式三相交流异步电动机全电压直接起动一台鼠笼式三相异步电动机带一通风机负载的特性曲线第二节三相异步电动机的起动、制动与调速船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动时电动机的电磁转矩T=Tst，TL=TLst，根据拖动系统运动方程式，此时ΔT＞0，拖动系统由静止开始加速起动。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系在加速过程中T的变化规律是从a点沿曲线①变化到b点，TL的变化规律是从C点沿油线②变化到b点。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系在转速从零加速到nb的过程中，T始终大于TL直到b点，T=TL，ΔT=0，起动过程结束，拖动系统以转速nb稳定运行于b点。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系(1)高转差率鼠笼电动机转子鼠笼导条采用截面小而电阻率大的合金铝或黄铜制成.这种电动机适于拖动冲击性转矩负载或起重机械。用于拖动一些船舶甲板机械,如锚机等。2)改善起动性能的特殊三相异步电动机船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系深槽式转子的槽形窄而深。正常运行时有转差率小而效率高的优点。(2)深槽式和双笼式异步电动机nOT图7-7深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性上笼下笼nOT②①①+②图7-6双鼠笼式异步电动机的转子槽形及机械特性磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系异步电动机可通过采用双鼠笼式或深槽式等特殊结构的转子，以改善全电压直接起动性能。特点是起动转矩大，而起动电流较小。nOT图7-7深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性上笼下笼nOT②①①+②图7-6双鼠笼式异步电动机的转子槽形及机械特性磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动时，转子频率较高，电流的“趋肤效应”使转子电流大部分集中在双鼠笼式的上笼，或深槽式转子的槽口部分，使得转子绕组呈现出较大的电阻值，而相比普通电动机具有较大的起动转矩；nOT图7-7深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性上笼下笼nOT②①①+②图7-6双鼠笼式异步电动机的转子槽形及机械特性磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动过程结束，电动机进入正常运行后，转子频率变得很小，电流的“趋肤效应”消失，转子绕组所呈现的电阻值与普通电动机相仿。nOT图7-7深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性上笼下笼nOT②①①+②图7-6双鼠笼式异步电动机的转子槽形及机械特性磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系双鼠笼式和深槽式异步电动机既有转子电阻增大所带来的起动转矩增大、起动电流减小的优点，又可避免正常运行时因转子电阻增大而导致电动机的特性曲线变软。nOT图7-7深槽式异步电动机的转子槽形及机械特性上笼下笼nOT②①①+②图7-6双鼠笼式异步电动机的转子槽形及机械特性磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动电流Ist：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5～7倍。定子电流起动时n=0，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系影响：电机过热大电流使电网电压降低影响其他负载工作船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系二、起动方法直接起动是将三相异步电动机的定子绕组经开关直接与三相电源接通（1）直接起动船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系Y－起动自耦变压器降压起动（2）降压起动定子电路串电阻器或电抗器船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系（3）转子串电阻起动绕线式异步电动机船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系优点是设备简单操作方便1.直接起动缺点是起动电流大船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系允许直接起动的电动机容量限制当电动机容量不超过专用电源变压器容量的20％(对频繁起动的)或30％(对不经常起动的)时允许直接起动动力和照明共用电源变压器的,电动机直接起动的电压降应不超过额定电压的5％船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系在船上船舶异步电动机大多是由船舶发电机直接供电,允许直接起动的电动机容量可达发电机容量的60％。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系2.降压起动（1）定子电路串电阻器或电抗器降压起动船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动时先接通电源开关QS，电流经电阻器或电抗器流入定子绕组，起限流降压作用。待转速升高再将起动电阻或电抗短路，全压运行。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系（2）星形—三角形（Y－）降压起动：正常运行lUAZBYXClI起动ABCXYZlUlYI船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系设：电机每相阻抗为zZUIllY33ZUIll31llYII船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系Y－起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。（2）)(2UTSTY－起动也时ststTI,船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系StstYTT31PPUU31所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系（3）自耦变压器（起动补偿器）降压起动较大容量的或正常运行时为星形连接的鼠笼电动机常采用自耦变压器降压起动。船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系自耦变压器的降压系数ka=U2/Un,其副边通常提供几个不同降压系数的抽头供选择。stastaasastaIkIkkIkI2起动电流Ista与直接起动的电流Ist的关系为：船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系降压起动转矩比直接起动转矩的关系为：stastnnastaTkTUUkT22船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系3.线绕式转子串电阻起动定子RRR线绕式转子船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机工程学院船电系起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。1222202202)(IIRXREIst船舶电气设备与系统2020/3/14课件轮机