第7章電力拖動基礎(chǔ)第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)運行的基本概念第二節(jié)三相異步電動機的起動、制動與調(diào)速第三節(jié)直流電動機的起動、制動與調(diào)速

內(nèi)容簡介本章主要內(nèi)容包括電力拖動的基本概念、電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速和制動等的基本原理和方法。分析、研究電力拖動系統(tǒng)運行狀態(tài)的主要依據(jù)是：1）電動機的機械特性n=f（T）2）生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性n=f（TL）第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)運行的基本概念電動機的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系負載的轉(zhuǎn)矩特性是指負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(TL)特性7.1.1生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性

大致可歸納為恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩兩類1)恒轉(zhuǎn)矩負載特性負載轉(zhuǎn)矩的作用方向總是與運動方向相反,始終是阻礙運動的。

(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性:負載轉(zhuǎn)矩是受重力作用而產(chǎn)生的,其負載轉(zhuǎn)矩的大小和作用方向始終保持不變,不受轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)動方向的影響。(2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性:2)變轉(zhuǎn)矩負載機械特性(1)通風機型負載機械特性:其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。(2)恒功率型負載機械特性:轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,而兩者之積(功率)近似保持不變。船舶起貨機的多級傳動機構(gòu)是反抗性摩擦轉(zhuǎn)矩，當起升重物時電動機的負載阻轉(zhuǎn)矩是位能轉(zhuǎn)矩與反抗轉(zhuǎn)矩之和TL，而下放重物時則是兩者之差TL’。簡單拖動系統(tǒng)的運動規(guī)律可用如下的運動方程來描述,即1)電力拖動系統(tǒng)運動方程式

7.1.2電動機的工作狀態(tài)及電力拖動系統(tǒng)運行方程式機械角速度=2n/60，J[kg·m2]為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量,GD2[N·m2]為系統(tǒng)的飛輪矩，這兩者之間的關(guān)系為J=GD2/4g，重力加速度常數(shù)g=9.81[m/s2]。電動機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩TL與工作機構(gòu)的實際負載轉(zhuǎn)矩Tc的關(guān)系為多軸電力拖動系統(tǒng)化簡為等效的單軸系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)儲存的總動能不變的原則可進行等效飛輪矩的折算。電動機軸上總的等效動能應等于各軸的動能之和：從而可得折算到電動機軸上的單軸等效飛輪矩為：當T=TL時,dn/dt=0,

系統(tǒng)以不變的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。

只要T≠TL,則dn/dt≠0,從而使系統(tǒng)處于加速或減速的變化狀態(tài)。當系統(tǒng)受到電壓的波動時，將引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化，擾動消逝后它將能夠恢復到原平衡點。2)電力拖動系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行的條件

TTLnn0132BDAC當電源電壓下降(恢復)時ABn(不變)Cn↓→T↑當電源電壓恢復(升高)時CDn(不變)An↑→T↓T↓T↑TTLnn0132BDAC當負載轉(zhuǎn)矩波動時,將引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化。擾動消逝后它將能夠恢復到原平衡點。TTLnn012ABCTL’’TL’ABTL′>T,n↓,T↑TL<T,n↑,T↓ACTL″<T,n↑,T↓TL>T,n↓,T↑TTLnn012ABCTL″TL′電動機機械特性曲線與負載特性曲線的交點是系統(tǒng)的一個平衡點,系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行的條件為：在該交點所對應的轉(zhuǎn)速之上有T＜TL，而在交點所對應的轉(zhuǎn)速之下T＞TL

。TTLnn012ABCTL″TL′其作用都是力圖阻止轉(zhuǎn)速的偏離,因而擾動消逝后它將能夠恢復到原平衡點。該點為電機的穩(wěn)定工作點。TTLnn012ABCTL″TL′負載轉(zhuǎn)矩>電動機轉(zhuǎn)矩時,電機減速，直到轉(zhuǎn)速為0為止，電機停轉(zhuǎn)(堵轉(zhuǎn))。負載轉(zhuǎn)矩<電動機轉(zhuǎn)矩時,電機加速，直到C點為止。因此E點為不穩(wěn)定工作點。不穩(wěn)定工作點

TTLnn012EC對恒轉(zhuǎn)矩負載而言，異步電動機特性曲線臨界轉(zhuǎn)差率以下的部分，為不穩(wěn)定工作區(qū)。TTLnn012EC7.2.1異步電動機的起動1)

鼠籠式三相交流異步電動機全電壓直接起動

一臺鼠籠式三相異步電動機帶一通風機負載的特性曲線第二節(jié)三相異步電動機的起動、制動與調(diào)速起動時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T=Tst，TL=TLst，根據(jù)拖動系統(tǒng)運動方程式，此時ΔT＞0，拖動系統(tǒng)由靜止開始加速起動。在加速過程中T的變化規(guī)律是從a點沿曲線①變化到b點，TL的變化規(guī)律是從C點沿油線②變化到b點。在轉(zhuǎn)速從零加速到nb的過程中，T始終大于TL直到b點，T=TL，ΔT=0，起動過程結(jié)束，拖動系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速nb穩(wěn)定運行于b點。(1)高轉(zhuǎn)差率鼠籠電動機轉(zhuǎn)子鼠籠導條采用截面小而電阻率大的合金鋁或黃銅制成.這種電動機適于拖動沖擊性轉(zhuǎn)矩負載或起重機械。用于拖動一些船舶甲板機械,如錨機等。2)改善起動性能的特殊三相異步電動機

深槽式轉(zhuǎn)子的槽形窄而深。正常運行時有轉(zhuǎn)差率小而效率高的優(yōu)點。

(2)深槽式和雙籠式異步電動機磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小異步電動機可通過采用雙鼠籠式或深槽式等特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，以改善全電壓直接起動性能。特點是起動轉(zhuǎn)矩大，而起動電流較小。

磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小起動時，轉(zhuǎn)子頻率較高，電流的“趨膚效應”使轉(zhuǎn)子電流大部分集中在雙鼠籠式的上籠，或深槽式轉(zhuǎn)子的槽口部分，使得轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)出較大的電阻值，而相比普通電動機具有較大的起動轉(zhuǎn)矩；磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小起動過程結(jié)束，電動機進入正常運行后，轉(zhuǎn)子頻率變得很小，電流的“趨膚效應”消失，轉(zhuǎn)子繞組所呈現(xiàn)的電阻值與普通電動機相仿。磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小雙鼠籠式和深槽式異步電動機既有轉(zhuǎn)子電阻增大所帶來的起動轉(zhuǎn)矩增大、起動電流減小的優(yōu)點，又可避免正常運行時因轉(zhuǎn)子電阻增大而導致電動機的特性曲線變軟。磁阻小感抗大磁阻小感抗大磁阻大漏抗小磁阻大漏抗小起動電流Ist：中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5～7

倍。定子電流起動時n=0，轉(zhuǎn)子導條切割磁力線速度很大。轉(zhuǎn)子感應電勢轉(zhuǎn)子電流影響：頻繁起動時造成熱量積累電機過熱大電流使電網(wǎng)電壓降低影響其他負載工作二、起動方法直接起動是將三相異步電動機的定子繞組經(jīng)開關(guān)直接與三相電源接通（1）直接起動Y－

起動自耦變壓器降壓起動（2）降壓起動定子電路串電阻器或電抗器（3）轉(zhuǎn)子串電阻起動繞線式異步電動機優(yōu)點是設(shè)備簡單操作方便1.直接起動缺點是起動電流大允許直接起動的電動機容量限制當電動機容量不超過專用電源變壓器容量的20％(對頻繁起動的)或30％(對不經(jīng)常起動的)時允許直接起動動力和照明共用電源變壓器的,電動機直接起動的電壓降應不超過額定電壓的5％在船上船舶異步電動機大多是由船舶發(fā)電機直接供電,允許直接起動的電動機容量可達發(fā)電機容量的60％。2.降壓起動（1）定子電路串電阻器或電抗器降壓起動

起動時先接通電源開關(guān)QS，電流經(jīng)電阻器或電抗器流入定子繞組，起限流降壓作用。待轉(zhuǎn)速升高再將起動電阻或電抗短路，全壓運行。（2）星形—三角形（Y－）降壓起動：正常運行AZBYXC

起動ABCXYZ設(shè)：電機每相阻抗為Y－

起動應注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機。（2）Y－

起動所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合（3）自耦變壓器（起動補償器）降壓起動較大容量的或正常運行時為星形連接的鼠籠電動機常采用自耦變壓器降壓起動。自耦變壓器的降壓系數(shù)ka=U2/Un,其副邊通常提供幾個不同降壓系數(shù)的抽頭供選擇。起動電流Ista與直接起動的電流Ist的關(guān)系為：降壓起動轉(zhuǎn)矩比直接起動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：3.線繞式轉(zhuǎn)子串電阻起動定子RRR線繞式轉(zhuǎn)子起動時將適當?shù)腞串入轉(zhuǎn)子繞組中，起動后將R短路。

硬特性（R2?。┸浱匦裕≧2大）

電力拖動系統(tǒng)的制動方法有兩類:機械制動電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反7.2.2異步電動機的制動

如電磁鐵制動器、液壓制動器電氣制動

(3)能耗制動電動機的基本制動方式有三種:(1)反接制動(2)回饋制動（發(fā)電制動、再生制動）改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向或改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向都將產(chǎn)生反接制動。三相異步電動機的制動1.反接制動當旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反時,即轉(zhuǎn)差率s>1時,則發(fā)生反接制動。反接定子接電源的相序工作點：BCA

（n=0）(1)改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向的反接制動繞線式異步電動機拖動位能負載時,用轉(zhuǎn)子電路串電阻可產(chǎn)生倒拉反接制動。(2)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的倒拉反接制動提升負載時電動機工作在A點，此時在轉(zhuǎn)子電路中串一電阻。工作點：由ABC（n=0）D負載將等速下落2.回饋制動當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(s<0)時,將發(fā)生回饋制動。電機是處于發(fā)電機狀態(tài),又稱為發(fā)電制動或再生制動。E點為等速下落的穩(wěn)定運行工作點在變極調(diào)速（或降頻調(diào)速）時,當由高速擋向低速擋轉(zhuǎn)換的初始,出現(xiàn)因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于低擋同步轉(zhuǎn)速而發(fā)生回饋制動的減速過程。先切斷運行異步電動機定子的三相電源,并立即接通直流電源。3.能耗制動在制動過程中通過電磁感應將動能轉(zhuǎn)換為電能,并全部消耗在轉(zhuǎn)子電路中,故稱其為能耗制動。M3~+-運行制動nF轉(zhuǎn)子n0=07.2.3異步電動機的調(diào)速

機械調(diào)速電氣調(diào)速在一定的負載下,三相異步電動機的轉(zhuǎn)速為改變轉(zhuǎn)速的方法有三種類型:(3)變頻調(diào)速:改變定子電源頻率的調(diào)速。(1)變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速(2)變磁極對數(shù)p的調(diào)速；降低定子電壓繞線轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速；(3)定子繞組Δ/Y變換降壓。1.定子降壓調(diào)速降低定子電壓的方法：(1)定子串聯(lián)帶抽頭的電抗器或飽和電抗器;(2)反并聯(lián)晶閘管交流調(diào)壓器;變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速2.繞線式轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點：調(diào)速方法簡單，能夠滿足一般的多級調(diào)速要求。為無級調(diào)速。2.繞線式轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速缺點：調(diào)速電阻的功率損耗大，輕載調(diào)速范圍窄。低速特性軟，負載波動對轉(zhuǎn)速影響大。電刷滑環(huán)機構(gòu)易出故障。同步轉(zhuǎn)速n0與磁極對數(shù)p成反比，p減半，n0加倍。3.變極調(diào)速通過改變定子繞組的連接方式可改變定子繞組產(chǎn)生的磁極對數(shù),從而改變同步轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)調(diào)速。為有級調(diào)速。A1X1X2A2AXNS2p=2A1A2X1X2AX2極磁場A1A2X1X2AXA1X1X2A2AXNS2p=22極磁場2p=4A1X1X2A2AXNSNSA1A2X1X2AX4極磁場為保持變極前后電動機的轉(zhuǎn)向不變,變極時必須同時改變定子接電源的相序。設(shè)備簡單，運行可靠，特性硬，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。為跳躍式的有級調(diào)速。優(yōu)點：缺點：異步電動機變極調(diào)速時，必須考慮電動機在變速前后轉(zhuǎn)矩及功率的允許輸出。功率因數(shù)cosφ1及效率η保持不變，且定子繞組中允許通過的最大電流均為額定電流IN。對Y-YY變極調(diào)速，電動機允許的輸出功率與轉(zhuǎn)矩：Y接法YY接法Y-YY變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。轉(zhuǎn)速增加一倍，允許輸出功率也增加一倍，故轉(zhuǎn)矩保持不變。適用于恒轉(zhuǎn)矩負載。對△

-YY變極調(diào)速，電動機允許的輸出功率與轉(zhuǎn)矩：△接法YY接法△-YY變極調(diào)速前后輸出功率基本不變，近似恒功率調(diào)速。轉(zhuǎn)速增加一倍，允許輸出轉(zhuǎn)矩也減小一半。采用多套不同極對數(shù)的定子繞組。運行時根據(jù)需要將一套繞組與電源相接。這就可通過兩套繞組間的換接，實現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)速的變極調(diào)速。如兩套繞組本身就是雙速繞組，則電機便可實現(xiàn)四速變極調(diào)速。對于雙速和三速就能滿足要求的電力拖動系統(tǒng)，這種方法仍不失為一種好的調(diào)速方法。4.變頻調(diào)速變頻調(diào)速時的機械特性曲線當U1不變降頻調(diào)速時，φ增大，電機額定磁通時，磁路本已接近飽和，若再增大磁通磁路過飽和，引起空載電流和鐵損劇增，這是不允許的。變頻調(diào)速時的機械特性曲線因此降頻調(diào)速采用同時變電壓的方式保持磁通不變。恒壓頻比調(diào)速。變頻調(diào)速時的機械特性曲線在額定頻率以上用保持U1不變的升頻調(diào)速，可使變頻調(diào)速獲得更寬的調(diào)速范圍，但f1的升高會使磁通和最大轉(zhuǎn)矩減少，因而升頻范圍有限。變頻調(diào)速時的機械特性曲線恒壓升頻調(diào)速的機械特性曲線為fN曲線以上部分。變頻調(diào)速時的機械特性曲線可實現(xiàn)無級調(diào)速,調(diào)速的范圍寬,特性硬度不變,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。優(yōu)點：缺點：變頻電源技術(shù)復雜,初投資較大。變頻調(diào)速時的機械特性曲線采用交－直－交變頻電源實現(xiàn)變頻調(diào)速時的機械特性曲線7.2.1直流電動機的起動啟動時,n=0

Ea=0，若加入額定電壓，則第三節(jié)直流電動機的起動、制動與調(diào)速

Ist

太大會使換向器產(chǎn)生嚴重的火花，燒壞換向器。一般Ist

限制在(2.0～2.5)IN內(nèi)（2）啟動時降低電樞電壓限制Ist的措施：（1）啟動時在電樞回路串電阻直流機在啟動和工作時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生以下事故：注意：(1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉(zhuǎn)矩T=KTIa，而0，電機將不能啟動，因此，反電動勢為零，電樞電流會很大，電樞繞組有被燒毀的危險。（2）如果電動機在有載運行時磁路突然斷開，則E，Ia

，T和，可能不滿足TL的要求，電動機必將減速或停轉(zhuǎn)，使Ia更大，也很危險。（3）如果電機空載運行，可能造成飛車。

E

Ia

T>>

T0

n飛車反轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)動方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵磁電流的方向。改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法：注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。（2）或改變電樞電流的方向。他勵直流電動機主磁通方向不變,唯有電流I與電動勢E方向相反時,才產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。7.2.2直流電動機的制動(3)能耗制動電動機的基本制動方式有三種:(1)反接制動(2)回饋(發(fā)電)制動1.反接制動電源反接制動

電動機在電動狀態(tài)下運行時，將其電樞電壓反接，并同時在電樞回路中串入電阻，以限制換接時的電樞電流。其特性方程為倒拉反接制動電動機帶一位能性負載TL運行于電動狀態(tài)（特性曲線①的a點），若在電樞回路中串入足夠大的電阻RB，使其電磁轉(zhuǎn)矩減?。═′ST＜TL)，以致電動機在負載轉(zhuǎn)矩拖動下進入反轉(zhuǎn)，即機械特性曲線②向第4象限的延伸段，此時電動機便進入了倒拉反接制動運行狀態(tài)。

2.回饋制動調(diào)速過程中出現(xiàn)的回饋制動電動機在電動狀態(tài)下運行時，若對電動機進行降壓調(diào)速，則降壓后的特性