電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2023/12/28電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式和負載轉矩特性

電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉軸上的各種轉矩。2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式一、運動方程式

根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉矩。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性運動方程的實用形式：系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài)1)當或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當或時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當或時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。常把

或稱為動負載轉矩,把稱為靜負載轉矩.電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規(guī)定：二、運動方程式中轉矩正、負號的規(guī)定（1）電磁轉矩與轉速的正方向相同時為正，相反時為負。（2）負載轉矩與轉速的正方向相同時為負，相反時為正。(3)慣性轉矩的大小和正負號由和的代數(shù)和決定。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.1.2負載的轉矩特性一、恒轉矩負載特性負載的轉矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。

恒轉矩負載特性是指生產機械的負載轉矩與轉速無關的特性。分反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種。1.反抗性恒轉矩負載TLn2.位能性恒轉矩負載TLn電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性二、恒功率負載特性

恒功率負載特點是：負載轉矩與轉速的乘積為一常數(shù)，即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLn三、泵與風機類負載特性

負載的轉矩基本上與轉速的平方成正比。負載特性為一條拋物線。TLn理想的通風機特性實際通風機特性TL0電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.2他勵直流電動機的機械特性2.2.1機械特性的表達式

直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉速。實際空載轉速電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.2.2固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：二、人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。

由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性1、電樞串電阻時的人為特性

保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；2）越大，特性越軟。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2、降低電樞電壓時的人為特性

保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性3、減弱勵磁磁通時的人為特性

保持不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；2）弱磁，增大電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.2.3機械特性求取一、固有特性的求取

已知，求兩點:1）理想空載點和額定運行。具體步驟：(1)估算(2)計算(3)計算理想空載點：(4)計算額定工作點：二、人為特性的求取

在固有機械特性方程的基礎上，根據(jù)人為特性所對應的參數(shù)或或變化，重新計算和，然后得到人為機械特性方程式。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.2.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件

處于某一轉速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導致系統(tǒng)的轉速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)，或者當擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉速下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在點，系統(tǒng)平衡擾動使轉速有微小增量，轉速由上升到，。擾動消失,系統(tǒng)減速，回到點運行。擾動使轉速有微小下降，由下降到。擾動消失,系統(tǒng)加速，回到點運行。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：在點，系統(tǒng)平衡擾動使轉速有微小增量，轉速由上升到，,系統(tǒng)加速

。即使擾動消失,也不能回到點運行。擾動使轉速有微小下降，由下降到,系統(tǒng)減速。即使擾動消失,也不能回到點運行。(1)必要條件:電動機的機械特性與負載的轉矩特性必須有交點,即存在(2)充分條件:在交點處,滿足:?；蛘哒f,在交點的轉速以上存在,在交點的轉速以下存在電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.3他勵直流電動機的起動

電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為

為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。

起動時由于轉速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。

過大的起動電流將引起電網電壓下降、影響電網上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性一、起動過程2.3.1電樞回路串電阻起動以三級電阻起動時電動機為例電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性二、分組起動電阻的計算

設對應轉速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點c點d點e點f點g點比較以上各式得：

在已知起動電流比β和電樞電阻前提下，經推導可得各級串聯(lián)電阻為:電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性（6）計算各級起動電阻。（1）估算或查出電樞電阻；（2）根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉矩對應的最大電流；（3）選取起動級數(shù)；（4）計算起動電流比：取整數(shù)（5）計算轉矩:，校驗：如果不滿足，應另選或值并重新計算，直到滿足該條件為止.計算各級起動電阻的步驟：電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.3.2降壓起動

當直流電源電壓可調時，可采用降壓方法起動。

起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。

降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.4他勵直流電動機的制動

當電磁轉矩的方向與轉速方向相同時,電機運行于電動機狀態(tài);當電磁轉矩方向與轉速方向相反時,電機運行于制動狀態(tài)。

2.4.1能耗制動電動制動電動狀態(tài)，如圖所示。將開關S投向制動電阻上即實現(xiàn)制動.

由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉，電動勢方向不變。由產生的電樞電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反,對應的電磁轉矩與方向相反,為制動性質,電機處于制動狀態(tài)。

制動運行時，電機靠生產機械的慣性力的拖動而發(fā)電，將生產機械儲存的動能轉換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉動。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性能耗制動時的機械特性為：電動機狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段電動機拖動反抗性負載，電機停轉。若電動機帶位能性負載,穩(wěn)定工作點電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻的原則是

能耗制動操作簡單,但隨著轉速下降,電動勢減小,制動電流和制動轉矩也隨著減小,制動效果變差。若為了盡快停轉電機,可在轉速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉矩。

改變制動電阻的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉矩及下放負載的穩(wěn)定速度。越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉矩越大,而下放負載的速度越小。其中為制動瞬間的電樞電動勢。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.4.2反接制動電壓反接制動時接線如圖所示。一、電壓反接制動電動制動

開關S投向“電動”側時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關投向“制動”側，電樞回路串入制動電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內產生反向電流：

反向的電樞電流產生反向的電磁轉矩，從而產生很強的制動作用——電壓反接制動。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性電壓反接制動時的機械特性為：曲線如圖中所示。工作點變化為：。制動過程中、、均為負,而、為正表明電機從電源吸收電功率表明電機從軸上吸收機械功率表明軸上輸入的機械功率轉變?yōu)殡姌谢芈冯姽β省?/p>

可見,反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性二、倒拉反轉反接制動倒拉反轉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動狀態(tài)提升重物(A點)負載作用下電機反向旋轉(下放重物)電機以穩(wěn)定的轉速下放重物D點在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻,即可實現(xiàn)制動.工作點由A-B-C-D,CD段為制動段電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性第二章直流電動機的電力拖動

倒拉反轉反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有

倒拉反轉反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。倒拉反轉反接制動時的能量關系和電壓反接制動時相同。思考題位能性以外的負載能否實現(xiàn)倒拉反轉反接制動?電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.4.3回饋制動

回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。

電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn)情況，此時，反向，反向，由驅動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。穩(wěn)定運行有兩種情況:當電車下坡時，運行轉速可能超過理想空載轉速,進入第二象限電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況:1、降壓調速時產生的回饋制動制動過程為線段2、增磁調速時產生的回饋制動制動過程為線段

回饋制動時由于有功率回饋到電網，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.5他勵直流電動機的調速

電力拖動系統(tǒng)的調速可以采用機械調、電氣調速或二者配合調速。通過改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速；通過改變電動機參數(shù)進行調速的方法稱為電氣調速。他勵直流電動機的轉速為電氣調速方法:1.調壓調速;2.電樞串電阻調速;3.調磁調速。

改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調速前后，電動機工作在不同的機械特性上。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.5.1評價調速的指標一、調速范圍:二、靜差率（相對穩(wěn)定性）δ%越小，相對穩(wěn)定性越好；δ%與機械特性硬度和n0有關。指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩(wěn)定性好。

D與δ%相互制約:δ越小,D越小,相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的δ指標的前提下,要擴大D,須減少Δn,即提高機械特性的硬度。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性三、調速的平滑性

越接近1，平滑性越好，當時，稱為無級調速，即轉速可以連續(xù)調節(jié)。調速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調速。四、調速的經濟性

在一定的調速范圍內，調速的級數(shù)越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數(shù)主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.5.2調速方法一、電樞回路串電阻調速未串電阻時的工作點串電阻后,工作點由A→A’→B0電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性調速過程電流變化曲線:調速前、后電流不變調速過程轉速變化曲線結論：帶恒轉矩負載時,串電阻越大,轉速越低。調速過程中電流和轉速的變化情況電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性優(yōu)點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。2）低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉速的相對穩(wěn)定性差3）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般為D≦2；4）損耗大，效率低，不經濟。對恒轉矩負載，調速前、后因增通不變而使電磁轉矩和電樞電流不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。缺點：1）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性二、降低電源電壓調速TemTLAA’B調速壓前工作點A降壓瞬間工作點穩(wěn)定后工作點

降壓調速過程與電樞串電阻調速過程相似，調速過程中轉速和電樞電流（或轉矩）隨時間變化的曲線也相似。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性優(yōu)點：1）電源電壓能夠平滑調節(jié)，可實現(xiàn)無級調速。

2）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩(wěn)定性好。3）無論輕載還是負載，調速范圍相同，一般可達D=2.5?12。

4）電能損耗較小。缺點：

需要一套電壓可連續(xù)調節(jié)的直流電源。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性三、減弱磁通調速調節(jié)磁場前工作點弱磁瞬間工作點A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點AB減弱磁通后，理想空載轉速上升,曲線的斜率值增大。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性弱磁調速前、后的電樞電流和轉速的變化情況減弱磁通調速前、后轉速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線結論：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性優(yōu)點：

由于在電流較小的勵磁回路中進行調節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設備簡單，調速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經濟性是比較好。2）轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般D≤2；

為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓調速。缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟；電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性2.5.3調速方式與負載類型的配合容許輸出：指電動機在某一轉速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉矩和功率。充分利用：指在一定的轉速下電動機的實際輸出轉矩和功率達到它的容許值，即電樞電流達到額定值。

當電動機調速時，在不同的轉速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機能否在不同轉速下都得到充分利用，這個問題與調速方式和負載類型的配合有關。

以電機在不同轉速都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機的調速可分為恒轉矩調速和恒功率調速。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

電動機的容許輸出功率與轉速成正比，而容許輸出轉矩為恒值----恒轉矩調速。

電樞串電阻調速和降壓調速時，磁通保持不變，若在不同轉速下保持電流不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉矩和功率分別為：

減弱磁通調速時，磁通是變化的，在不同轉速下若保持電流不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉矩和功率別為：

電動機的容許輸出轉矩與轉速成反比，而容許輸出功率為恒值----恒功率調速。電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉矩特性

為了使電動機得到充分利用，拖動恒轉矩負載時，應采用恒轉矩調速方式。拖動恒功率負載時，應采用恒功率調