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1、船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 第七章 电力拖动基础 本节概述 o电动机在电力拖动系统中作为原动机驱动生产机械工 作。 o电力拖动系统有两种运行状态：一是相对稳定状态， 此时电动机以恒定转速旋转或静止不动；二是过渡状 态，如电动机起动、制动及转向改变时，转速处于加 速或减速的显著变动状态。 o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），即电动机的转速随电磁 转矩变化的规律；2）生产机械的负载转矩特性n=f （TL），即生产机械的转速与负载转矩之间的关系。 返回 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 本章主要讲解内容 第一节
2、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 第七章 电力拖动基础 船舶电气设备与系统 * 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.大致可归纳为恒转矩和变转矩两类 一、 生产机械的负载转矩特性 (1) 反抗性恒转矩负载机械特 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. 恒转矩负载特性 第一节 电力拖动系统运行的基本概念 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 (2) 位能性恒转矩负载机械特性 : 负载转矩是受重力作用而产 生的, 其负载转
3、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. 船舶电气设备与系统 * 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。 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 * 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 * 课 件 轮机工程学院船电系 1.电动机的工作状态 电动机的运行状态根据其电磁转矩与转
4、速方向的关系， 分为电动运行状态和制动运行状态。 二、 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 * 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 机械角速度=2n/60, Jkgm2为系统转动惯量, GD2Nm2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=9.81m / s2. 2. 电力拖动系统运动方程式 船舶电气设备与系统 * 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 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学
5、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. 电动机轴上总的等效动能应等于各轴的动 能之和 从而可得折算到电动机轴上的单轴等效飞轮矩为 当T=TL时, dn/dt=0, 系统以不变的转速稳定运行. 只 要TTL, 则dn/dt0, 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 * 课 件 轮机工程学院船电系 稳定工作点：当系统受到诸如电压 的波动、负载的变化等扰动时, 将 引起系统转速的变化. 若转速升高 所引起的电动机转矩小于负载阻转 矩, 或减速引起电动机转矩大于负 载阻转矩, 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.
6、3.电力拖动系统维持稳定运行的条件 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TTL，而在交点所对应的转速之下TTL 。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 一、 异步电动机的起动 第二节 三相异步电动机的起动、制动与调速 1.（1） 鼠笼式三相交流异步电动机全电压直接起动 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T0，拖动系统由静止开始加 速起动。在加速过程中T的变化规律 是从a点沿曲线变化到b点，TL的变 化规律是从C点沿油线变化到b点。 在转速从零加速到nb的
7、过程中，T始 终大于TL直到b点，T = TL，T=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 * 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。 1) 高转差率鼠笼电动机 2) 深槽式和双笼式异步电动机 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 * 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。
8、这两种类型的 异步电动机特点是起动转矩大，而起动电流较小。 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；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。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 图7-8 深槽式异步电动机的转 子槽形及机械特性 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
9、性曲线变软。 图7-7 双鼠笼式异步电动机的转 子槽形及机械特性 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍。 原因：起动时n=0 ，转子导条切割磁力线速度很大。 转子感应电势 定子电流 转子电流 大电流使电网电压降低 影响： 频繁起动时造成热量积累 电机过热 影响其他负载工作 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 2、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. Y 起动 自耦降压起动 （2）降压起动 （ 3）转子串电阻起动 （绕线式） 定子电路串电阻器或电抗器 （1）直接起动 船舶电气设备与
10、系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 优点是设备简单, 操作方便; 缺点是起动电流大。 （1）直接起动 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。 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 * 课 件 轮机工程学院船电系 （2）降压起动 1）星形三角形（Y ）降压 起动 2）自耦变压器（起动补偿器）降压起动 3）软起动 船舶电气设备与系统 * 课 件
11、轮机工程学院船电系 正常运行 AZ BY XC 起动 A BC X Y Z 设：电机每相阻抗为 船舶电气设备与系统 * 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。 所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合 （2） Y 起动，IST时，TST也 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 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。 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.起动电流Ista与直接起动的电流 Ist的关系为： 降压起动转矩比直接起动转矩的关系为： 船
12、舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 电子软起动器起动的五种方法： o（1）限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动 时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流， 主要用于轻载软起动。 o（2）斜坡电压起动方法。用于电子软起动器实现电动 机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要 用于重载软起动。 o（3）转矩控制方法。用电子软起动器实现电动机起动 时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性 好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重 载软起动方法。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 o（4）转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制 起动方法类似，其差别在于：起动
13、瞬间加脉冲突 跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑 上升。此法也适用于重载软起动。 o（5）电压控制起动法。用电子软起动器控制电压以保 证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的 轻载软起动方法。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 3.线绕式转子串电阻起动 定子 R R R 线绕式转子 起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 3. 能耗制动 电力拖动系统的制动方法有两类: 机械制动(如电磁铁制动器、液压制动器) 电气制动（电磁转矩的方向与转子的转动方向相反） 电动机的基本制动方式有三种: 1. 反接制动 2.
14、 回馈(发电)制动 二、 异步电动机的制动 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 异步电动机反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动 两种。反接制动时，转子的转向与定子旋转磁场的转向 相反，即与的符号相反，因此电动机分别运行于正转电 动特性曲线向第IV象限的延伸段或反转电动特性曲线向 第II象限的延伸段。 1. 反接制动 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 交流异步电动机的电源反接制动特性下图所示。 (1) 电源反接制动 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 绕线式异步电动机拖动位能负载 时, 用转子电路串电阻可产生倒 拉反接制动。 (2) 倒拉反接制
15、动 提升负载时电动机工作在A点， 此时在转子电路中串一电阻。 工作点：由A BC（n=0）D 负载将等速下落 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 当转子的转速超过旋转磁场的转 速(s T0 n飞车 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。 （1）改变励磁电流的方向。 改变直流电机转向的方法： 注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两 者的方向不能同时变。 （2）或改变电枢电流的方向。 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 他励直流电动机主磁通方向不变, 唯有电流I与电动势E 方向相反时, 才产生驱动转矩。 二、直流电动机的制动 (3) 能耗制动 电动机的基本制动方式有三种: (1) 反接制动 (2) 回馈(发电)制动 船舶电气设备与系统 * 课 件 轮机工程学院船电系 1.
