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1、第三讲、电力拖动基础3.1 本讲的任务及学习方法本讲的任务是学习电力拖动系统的基本理论，系统运行在各种状态时的静、动态特性的计算方法，学习电动机的起动、制动、调速和如何选择电动机容量等基本技能。电力拖动基础是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合，理论深，概念抽象；公式多，记忆困难；定性分析多，方法不容易掌握。为了学好本讲内容，必须做到以下几点：抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；理论联系实际，重视科学实验和工程实践；充分预习和复习。3.2 他励直流电动机的起动
2、、制动和调速3.2.1 起动起动：电动机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动过程。 起动条件：起动转矩要足够大；起动电流不要太大。 3.2.1.1 直接起动存在的问题他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia为Ia=(U-Ea)/Ra起动瞬间：U=UN,n=0，Ea=0。Ist=U/Ra=(10 20) IN (Ra很小)，T=Tst=CTIst=(1020)TN过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流
3、电动机不允许直接起动。 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。3.2.1.2起动方法降低电枢电压起动需要可调直流电源，如励磁可调节的直流发电机或晶闸管可控直流电源等。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。电枢串联电阻起动限流原理直接起动时：Ist=U/Ra电枢电路串电阻起动时：Ist=U/(Ra+R1+ R2)，起动电
4、流减小。Rm:段电阻，外串电阻R1，R2，Rm。Rm:级电阻= Ra+R1+ R2 +Rm。动过程a.串联(R1+R2) 起动：R2 = RaR1R2起动转矩(电流)：T1 (I1) = (1.5 2.0) TN (IN)b.切除R 2：R1 = RaR 1切换转矩(电流)：T2 (I2) = (1.1 1.2) TN (IN)或(1.2 1.5) TZ (IZ)c.切除 R1：R = Ra过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 3.2.1.3起动电阻的计算确定起动电流I1和
5、切换电流I2 I1 (T1) = (1.5 2.0) IN (TN) I2 (T2) = (1.1 1.2) IN (TN)起切电流(转矩)比：= I1/ I2求出电枢电路电阻Ra若忽略T0，则Pe=EaIa=(CT/9.55)nIa=(CTn)Ia/9.55 =Tn/9.55=(T0+TZ)n/9.55=P2在额定运行时确定各级电阻值和各段电阻值 nb2 = nc1即：Eab2 = Eac1 UNR1I2 = UNRaI1R1I2 = RaI1R1 =Ra同理，由 na2 = nb1 可得 R2 =R1对于 m 级起动，有Rm=mRa各段总电阻值：R1=Ra=RaR2=R1=2RaR3=R2
6、=3RaRm =Rm1 =mRa各段电阻值： R1=R1RaR2=R2R1R3=R3R2Rm=RmRm13.2.2 制动3.2.2.1 他励直流电动机的能耗制动他励直流电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，同时在电枢回路串入电阻。由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，但电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态。3.2.2.2他励直流电动机的反接制动反接制动的实现方法电源的反接制动(一般用于反抗性负载)和转速反向的反接制动(一般用于位能负载）。电源反接的反接制动-迅速停机或反转。转速反向的反接制动-下放
7、重物。在电枢回路串一较大电阻，对应机械特性的起动转矩小于位能负载转矩。3.2.2.3他励直流电动机的回馈制动正向回馈制动反向回馈制动3.2.3 调速采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。3.2.3.1调速指标调速的技术指标调速范围D不同生产机械要求的调速范围是不同的，静差率(或称相对稳定性)相对稳定性的程度用静差率 %来表示，定义为：在一条机械特性上运行时，电动机从理想负载加到额定负载所出现的转速降落，用百分数表示:平滑性在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑，平滑程度用 来衡量，它是相邻两级转速（或线速度）之比：调速时的容许输出容许输出是
8、指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。电动机稳定运行时，实际输出功率和转矩由负载的需要决定。在不同转速下不同负载需要的功率Pz和转矩Tz也是不同的，调速方法应适应负载的要求。调速的经济指标调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又取决于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明：式中：P2电动机轴上功率；P调速时的功率损耗。3.2.3.2 调速方法调速方法：降低电枢端电压调速、电枢回路串电阻调速和弱磁调速三种方法。改变电枢电阻调速改变电枢电压调速改变励磁电流调速3.3 三相异步电动机的起动、制动和调速3.3.1起动3.3.1.1 三相异步电动机直
9、接起动存在的问题起动电流大起动时，n=0，s=1，转子感应电动势大，使转子电流大，根据磁动势平衡关系，定子电流必然增大。起动转矩不大起动时，s=1，远大于运行时的s，转子漏抗X2s=sX2很大, cos2很低，尽管I2很大，但I2 cos2并不大。因此，起动转矩不大。异步电动机的实际起动情况 起动电流：Ist=KI IN=(5.57)IN 起动转矩：Tst=KstTN=(1.62.2)TN 起动电流大产生的危害对于经常启动的电动机，过大的起动电流将造成电动机发热，影响电机寿命；起动电流将造成电动机绕组电动力过大，使绕组发生变形，可能造成短路而烧毁电动机；过大的起动电流使线路压降增大，使电网电压
10、下降过多，从而使接在该电网中的其它负载不能正常工作。3.3.1.2 三相异步电动机的起动方法三相笼型异步电动机的起动方法有：直接起动、减压起动与软起动三种方法。三相绕线转子异步电动机的起动方法：转子串联电阻及转子串联频敏变阻器两种起动方法。三相笼型异步电动机的起动方法直接起动 起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压直接加到电动机的定子绕组，显然，这时起动电流较大，可达额定电流的47倍，根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机甚至可达812倍。一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的，电动机也可允许直接起动。如果
11、不能满足上述要求，必须采用降压起动。三相笼型异步电动机的降压起动a.定子串接电抗器或电阻降压起动b.自耦减压起动自耦减压起动是指利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。c.星形三角形减压起动(YD起动)适用于正常运行为联结的电动机。d.延边三角形降压起动e.软起动方法前面介绍的几种降压起动均为有级起动，起动的平滑性不高。能实现鼠笼式异步电动机的无级平滑起动的方法称为软起动方法。软起动器分为磁控式与电子式两种，目前主要使用电子式软起动器。三相绕线转子异步电动机的起动方法绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动 绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动起动级数未定时起动电阻的计
12、算a.选择T1和T2起动转矩：T1= (0.8 0.9) Tmax切换转矩：T2= (1.1 1.2) TZb.起切转矩比 bb= T1/ T2c.求出起动级数md.重新计算b ，校验是否在规定范围内。e.求转子每相绕组的电阻R2f.计算各级总电阻和各级起动电阻3.3.2 制动3.3.2.1 回馈制动正向回馈制动反向回馈制动3.3.2.2 反接制动定子两相反接的反接制动，用于实现迅速停车。转速反向的反接制动，用于下放重物。带位能性负载，定子相序不变，绕线转子电路串联适当大的对称电阻R(对应机械特性的起动转矩小于负载转矩)。3.3.2.3 能耗制动电机定子绕组脱离交流电网的同时，通入直流励磁电流
13、。3.3.3 调速3.3.3.1 变极调速变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步转速ns=60f1/p与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。改变定子的极对数，通常采用改变定子绕组联结的方法来实现。转子为笼型，由于各根导条电流的空间分布取决于气隙主磁场的分布，故笼型转子所产生磁动势的极对数与感生它的气隙磁场的极对数总是相等。也可以在电动机上安装两组独立的绕组，各个绕组联结法不同构成不同的极对数。改变极对数p都是成倍的变化，转速也是成倍的变化，故为有级调速。3.3.3.2 变频调速由异步电动机转速表达式n=(60f1)/p
14、(1-s)可知，当转差率变化不大时，n基本正比于f1，改变频率即可调节电动机转速。变频调速时，为了保证励磁电流和功率因数基本保持不变，希望磁通也保持不变。如果N，将引起磁路饱和使励磁电流增大，功率因数下降；如果N，电动机允许输出转矩下降，其功率达不到充分利用，从而造成浪费。3.3.3.3 能耗转差绕线型异步电动机转子串联电阻调速笼型异步电动机改变定子电压调速滑差电动机滑差电动机又称“电磁调速异步电动机”，其特点是在异步电动机轴上安装一个电磁滑差离合器，调节离合器励磁绕组的电流，即可调节离合器的输出转速。滑差电动机由笼型异步电动机、滑差离合器和控制装置三部分组成。绕线型笼型异步电动机的串级调速以上几种改变转差率调速，都伴有转差功率产生，并将其消耗掉，而且，转速愈低，损耗愈大。对转子串电阻调速或改变定子电压调速，这部分损耗除消耗在转子本身的电阻以外，大部分消耗在外串电阻上。我们设想，能否在转子电路中不串电阻，而是将这部分电能反馈到电源中去。也就是说，在转子电路中串入一个与转子电势频率相同，相位可同可反的外加电势，主要用来吸收转差功率，这样，即可以调速，又作到节能，这种在转子电路串入附加电势的调速方法称为串级调速。 3.4
