船舶電氣設備及系統(tǒng)課件

1、第七章 電力拖動基礎本節(jié)概述電動機在電力拖動系統(tǒng)中作為原動機驅動生產(chǎn)機械工 作。電力拖動系統(tǒng)有兩種運行狀態(tài)：一是相對穩(wěn)定狀態(tài)， 此時電動機以恒定轉速旋轉或靜止不動；二是過渡狀 態(tài)，如電動機起動、制動及轉向改變時，轉速處于加 速或減速的顯著變動狀態(tài)。 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），即電動機的轉速隨電磁 轉矩變化的規(guī)律；2）生產(chǎn)機械的負載轉矩特性n=f （TL），即生產(chǎn)機械的轉速與負載轉矩之間的關系。 返回第1頁，共53頁。本章主要講解內容第一節(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、制動與調速第三節(jié) 直流電動機的起動、制動與調速

2、第七章 電力拖動基礎第2頁，共53頁。負載的轉矩特性是指負載轉矩與轉速之間的關系n=f(TL)特性.大致可歸納為恒轉矩和變轉矩兩類 一、 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 (1) 反抗性恒轉矩負載機械特 性: 負載轉矩的作用方向總是與運動方向相反, 始終是阻礙運動的. 1. 恒轉矩負載特性第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)運行的基本概念第3頁，共53頁。(2) 位能性恒轉矩負載機械特性: 負載轉矩是受重力作用而產(chǎn)生的, 其負載轉矩的大小和作用方向始終保持不變, 不受轉速大小和轉動方向的影響.第4頁，共53頁。 (2) 恒功率型負載機械特性: 轉矩與轉速成反比, 而兩 者之積(功率)近似保持不變。2. 變轉矩負載機械特

3、性 (1) 通風機型負載機械特性: 其轉矩與轉速的平方成正比。第5頁，共53頁。船舶起貨機的多級傳動機構是反抗性摩擦轉矩，當起升重物時電動機的負載阻轉矩是位能轉矩與反抗轉矩之和TL，而下放重物時則是兩者之差TL/。第6頁，共53頁。1.電動機的工作狀態(tài) 電動機的運行狀態(tài)根據(jù)其電磁轉矩與轉速方向的關系， 分為電動運行狀態(tài)和制動運行狀態(tài)。 二、 電動機的工作狀態(tài)及電力拖動系統(tǒng)運行方程式 第7頁，共53頁。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 機械角速度=2n/60, Jkgm2為系統(tǒng)轉動慣量, GD2Nm2為系統(tǒng)的飛輪矩, 這兩者之間的關系為 J=GD2/4g, 重力加速度常數(shù)g=

4、9.81m / s2.2. 電力拖動系統(tǒng)運動方程式 第8頁，共53頁。電動機軸上的等效負載轉矩TL與工作機構的實際負載轉矩Tc的關系為多軸電力拖動系統(tǒng)化簡為等效的單軸系統(tǒng)第9頁，共53頁。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)以不變的轉速穩(wěn)定運行. 只要TTL, 則dn/dt0, 從而使系統(tǒng)處于加速或減速的變化狀態(tài). 第10頁，共53頁。穩(wěn)定工作點：當系統(tǒng)受到諸如電壓的波動、負載的變化等擾動時, 將引起系統(tǒng)轉速的變化. 若轉速升高所引起的電動機轉矩小于

5、負載阻轉矩, 或減速引起電動機轉矩大于負載阻轉矩, 其作用都是力圖阻止轉速的偏離, 因而擾動消逝后它將能夠恢復到原平衡點. 3.電力拖動系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行的條件 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速之上有TTL，而在交點所對應的轉速之下TTL 。 第11頁，共53頁。一、 異步電動機的起動第二節(jié) 三相異步電動機的起動、制動與調速1.（1） 鼠籠式三相交流異步電動機全電壓直接起動 起動時電動機的電磁轉矩T=Tst，TL=TLst，根據(jù)拖動系統(tǒng)運動方程式，此時T0，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點沿曲線變

6、化到b點，TL的變化規(guī)律是從C點沿油線變化到b點。在轉速從零加速到nb的過程中，T始終大于TL直到b點，T = TL，T=0，起動過程結束，拖動系統(tǒng)以轉速nb穩(wěn)定運行于b點。 第12頁，共53頁。深槽式轉子的槽形窄而深。正常運行時有轉差率小而效率高的優(yōu)點。 1) 高轉差率鼠籠電動機2) 深槽式和雙籠式異步電動機轉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 第13頁，共53頁。異步電動機可通過采用雙鼠籠式或深槽式等特殊結構的轉子，以改善全電壓直接起動性能。這兩種類型的

7、異步電動機特點是起動轉矩大，而起動電流較小。 起動時，轉子頻率較高，電流的“趨膚效應”使轉子電流大部分集中在雙鼠籠式的上籠，或深槽式轉子的槽口部分，使得轉子繞組呈現(xiàn)出較大的電阻值，而相比普通電動機具有較大的起動轉矩；起動過程結束，電動機進入正常運行后，轉子頻率變得很小，電流的“趨膚效應”消失，轉子繞組所呈現(xiàn)的電阻值與普通電動機相仿。 第14頁，共53頁。圖7-8 深槽式異步電動機的轉 子槽形及機械特性雙鼠籠式和深槽式異步電動機既有轉子電阻增大所帶來的起動轉矩增大、起動電流減小的優(yōu)點，又可避免正常運行時因轉子電阻增大而導致電動機的特性曲線變軟。 圖7-7 雙鼠籠式異步電動機的轉子槽形及機械特性第

8、15頁，共53頁。中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5 7 倍。原因：起動時n=0 ，轉子導條切割磁力線速度很大。轉子感應電勢定子電流 轉子電流 大電流使電網(wǎng)電壓降低 影響：頻繁起動時造成熱量積累 電機過熱影響其他負載工作第16頁，共53頁。2、起動方法直接起動是將三相異步電動機的定子繞組經(jīng)開關直接與三相電源接通. Y 起動自耦降壓起動 （2）降壓起動 （ 3）轉子串電阻起動 （繞線式）定子電路串電阻器或電抗器 （1）直接起動第17頁，共53頁。 優(yōu)點是設備簡單, 操作方便; 缺點是起動電流大。（1）直接起動 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

9、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。第18頁，共53頁。（2）降壓起動1）星形三角形（Y ）降壓 起動2）自耦變壓器（起動補償器）降壓起動3）軟起動第19頁，共53頁。 正常運行AZBYXC 起動ABCXYZ設：電機每相阻抗為第20頁，共53頁。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。 所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合（2）Y 起動，IST時，TST也第21頁，共53頁。較大容量的或

10、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的關系為：降壓起動轉矩比直接起動轉矩的關系為：第22頁，共53頁。電子軟起動器起動的五種方法：（1）限流或恒流起動方法。用電子軟起動器實現(xiàn)起動 時限制電動機起動電流或保持恒定的起動電流， 主要用于輕載軟起動。（2）斜坡電壓起動方法。用于電子軟起動器實現(xiàn)電動 機起動時定子電壓由小到大斜坡線性上升，主要 用于重載軟起動。（3）轉矩控制方法。用電子軟起動器實現(xiàn)電動機起動 時起動轉矩由小到大線性上升，起動的平滑性 好，能夠降

11、低起動時對電網(wǎng)的沖擊，是較好的重 載軟起動方法。第23頁，共53頁。（4）轉矩加脈沖突跳控制起動法。此方法與轉矩控制 起動方法類似，其差別在于：起動瞬間加脈沖突 跳轉矩以克服電動機的負載轉矩，然后轉矩平滑 上升。此法也適用于重載軟起動。 （5）電壓控制起動法。用電子軟起動器控制電壓以保 證電動機起動時產(chǎn)生較大的起動轉矩，是較好的 輕載軟起動方法。第24頁，共53頁。 3.線繞式轉子串電阻起動定子RRR線繞式轉子起動時將適當?shù)腞串入轉子繞組中，起動后將R短路。第25頁，共53頁。 3. 能耗制動電力拖動系統(tǒng)的制動方法有兩類:機械制動(如電磁鐵制動器、液壓制動器)電氣制動（電磁轉矩的方向與轉子的轉

12、動方向相反）電動機的基本制動方式有三種:1. 反接制動2. 回饋(發(fā)電)制動二、 異步電動機的制動 第26頁，共53頁。異步電動機反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制動兩種。反接制動時，轉子的轉向與定子旋轉磁場的轉向相反，即與的符號相反，因此電動機分別運行于正轉電動特性曲線向第IV象限的延伸段或反轉電動特性曲線向第II象限的延伸段。1. 反接制動第27頁，共53頁。交流異步電動機的電源反接制動特性下圖所示。(1) 電源反接制動第28頁，共53頁。繞線式異步電動機拖動位能負載時, 用轉子電路串電阻可產(chǎn)生倒拉反接制動。(2) 倒拉反接制動提升負載時電動機工作在A點，此時在轉子電路中串一電阻。工作點

13、：由ABC（n=0）D負載將等速下落第29頁，共53頁。當轉子的轉速超過旋轉磁場的轉速(s T0 n飛車第43頁，共53頁。反轉電動機的轉動方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵磁電流的方向。改變直流電機轉向的方法：注意：改變轉動方向時，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。第44頁，共53頁。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)生驅動轉矩。二、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)制動第45頁，共53頁。1. 反接制動（1）電源反接制動 電動機在電動狀態(tài)下運行時，將其電

14、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 第46頁，共53頁。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)（特性曲線的a點），若在電樞回路中串入足夠大的電阻RB，使其電磁轉矩減?。═STTL)，以致電動機在負載轉矩拖動下進入反轉，即機械特性曲線向第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)。 第47頁，共53頁。2. 回饋制動（1）調速過程中出現(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速，則降壓后的特性曲線的理想空載轉速n0降低，而電動機的轉速n因慣性而不能突變，因而電動機便由特性曲線的a點過渡到曲線的b點而進入制動運行

15、，即降壓后的機械特性曲線向第2象限的延伸段。 第48頁，共53頁。（2）位能性負載作用下產(chǎn)生的回饋制動 電動機帶一位能性負載反向起動（參考方向的設定參見異步電動機回饋制動一節(jié)），則電動機將在負載轉矩和電磁轉矩共同作用下反轉并加速直至機械特性曲線的d點，即為反向運行機械特性曲線向第4象限的延伸段，如圖7-22b）所示，電動機最后穩(wěn)定運行于回饋制動狀態(tài)。 第49頁，共53頁。切斷運行電動機的電樞電源, 并將電樞立即與能耗制動電阻R構成回路。制動時的電樞電壓為零，所以 n0= 0，其機械特性曲線是一條通過原點的直線。 3.能耗制動 他勵直流電動機的能耗制動第50頁，共53頁。根據(jù)直流電動機的機械特性的表示