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1、电力拖动基础,第四章 电力拖动系统的过渡过程,内 容 提 要,过渡过程的基本概念及分类 他励直流电动机拖动系统的过渡过程 异步电动机拖动系统的过渡过程,4.1 引言,过渡过程 ：系统由于受到外界或内部的扰动，从一个稳定工作状态（静态）过渡到另一个稳定工作状态的过程称为系统的过渡过程（动态） 。 外因：参数、负载变化； 内因：系统存在惯性。 静态：Te=TL，静止不动或以恒速运动 动态 ： 的加速或减速状态,过渡过程的研究对象,弄清过渡过程中转速、电流、电磁转矩等各物理量随时间变化的规律。 弄清这些变化规律受哪些因素制约或支配。 探讨减小过渡过程中能量损耗的方法。,过渡过程的分类,机械过渡过程
2、只考虑系统的机械惯性的过渡过程叫机械过渡过程。 电磁过渡过程 只考虑电磁惯性的过渡过程叫电磁过渡过程。 机电过渡过程 既考虑机械惯性又考虑电磁惯性的过渡过程叫机电过渡过程。 本章重点研究的是机械过渡过程,4.2 他励直流电动机拖动系统的过渡过程,4.2.1 他励直流电动机过渡过程的一般规律 假定：在过渡过程中， 电网电压为常数；磁通为常数；负载转矩为常数。,他励直流电动机任一机械特性,1.电磁转矩Te的变化规律,系统在由Q点向W点过渡时，电动机满足运动方程式及其机械特性 ：,（1）,（2）,将（2）代入（1）得：,令,为机电时间常数。,（3）,则由（3）式得一阶微分方程：,通解为：,由初始条件
3、：t=0时， Te=TQ 积分常数C为： C=TQ-TL=TQ-TW,过渡过程中电磁转矩随时间变化的 一般公式 ：,式中 TQ-系统过渡过程的起始转矩； TW-系统过渡过程结束时的稳态转矩，与过渡过程开始后的负载转矩TL相等。,2.电枢电流Ia的变化规律,当磁通不变时，电磁转矩与电枢电流成正比 ，所以只要将电磁转矩的变化规律每项除以 则可写出过渡过程中电枢电流Ia随时间变化的一般公式,式中 IQ-系统过渡过程的起始电流,IW-系统过渡过程结束时的稳态电流,。,3.转速n的变化规律,他励直流电动机的转速方程为,则得：,过渡过程中转速变化的一般规律,代入电流变化的一般规律式中得：,式中 nQ-系统
4、过渡过程的起始转速； nW-系统过渡过程的稳态转速。,写出其通式,可以看出三者的表达式具有相同的结构，且具有相同的时间常数，因此可写出其通式为：,三要素：起始值、稳态值和机电时间常数。,机电时间常数Tm的物理意义,既与机械量飞轮矩有关，又与电量R及磁通有关，它具有时间的量纲 机电时间常数与机械特性斜率的大小有关 物理意义： 在t=0时，可求得 Tm是以t=0时的加速度起动到稳态转速nW所需要的时间。,4.过渡过程时间的计算,从一个稳态点过渡到另一稳态点的过渡过程时间理论上是无限长的 ；工程上认为t=(34)Tm时，系统即进入稳态 （误差只有5%2% ） 某一中间点X时所经历的时间 ：,两边取对
5、数，得,1.直接起动的过渡过程 “三要素”法进行分析 起始点：,4.2.2 他励直流电动机起动的过渡过程,稳态点：,机电时间常数：,各物理量的解为：,2.分级起动的过渡过程,；,；,。,4.2.3 他励直流电动机制动的过渡过程,1.能耗制动的过渡过程 （1）拖动位能性恒转矩负载,起始点为：,稳态点为：,能耗制动的动态特性为：,停机所需时间：,（2）拖动反抗性恒转矩负载,因为能耗制动的机械特性过原点，所以两特性在原点重合。 “虚稳态点” ：C点,反抗性负载能耗制动的过渡过程,2.反接制动的过渡过程,转速反向反接制动过渡过程 a) 机械特性 b) n=f(t)曲线 c) T= f(t),转速反向反
6、接制动的过渡过程,电压反向反接制动拖动位能性负载的过渡过程,电压反向反接制动拖动位能性负载过渡过程 a) 机械特性 b) n=f(t)曲线 c) T= f(t),起始点：B点 稳态点：D点,电压反向反接制动拖动反抗性负载的过渡过程,电压反向反接制动拖动位能性负载过渡过程 a) 机械特性 b) n=f(t)曲线 c) T= f(t),第一阶段为BC段， 电压反接制动 起始点为 ：B 稳态点为：虚稳态点为E,第二阶段为CD段， 反向电动阶段 起始点为 ：C 稳态点为：D,4.2.4 他励直流电动机过渡过程的能量损耗,假定过渡过程中；电枢电压U为常数；电枢回路总电阻为R；电动机为理想空载，即TL =
7、0。 1.过渡过程能量损耗的一般表达式,其中 ，,理想时TL =0 ，所以,， 则,设过渡过程从,时刻进行到,时刻时，,和,则在这段过渡过程中能量损耗为：,相应的电动机的角速度为：,2.理想空载起动过程中的能量损耗,理想空载条件下的过渡过程曲线,3.理想空载能耗制动的能量损耗,4.理想空载电压反接制动过程的能量损耗,5.理想空载电压反接制动接反转过程的能量损耗,6.减少过渡过程中能量损耗的方法,减少拖动系统的转动惯量 过渡过程中采取分级施加电压的方式 以分两级升压起动为例， 先加 ，再将电压升至 ，继续升速，直到 。,第一个过渡过程 ：,第二个过渡过程：,整个过渡过程能量损耗为：,选择合理的制
8、动方式,4.3 异步电动机拖动系统的过渡过程,4.3.1 异步电动机直线段机械特性拖动恒转矩负载工作的过渡过程,机械特性的直线表达式：,1.电磁转矩Te的变化规律,系统在由Q点向W点过渡时，电动机满足运动方程式及其机械特性 ：,（1）,（2）,将（2）代入（1）得：,令,为机电时间常数。,（3）,则由（3）式得一阶微分方程：,通解为：,由初始条件：t=0时， Te=TQ求 积分常数C为： C=TQ-TL=TQ-TW,过渡过程中电磁转矩随时间变化的 一般公式 ：,式中 TQ-系统过渡过程的起始转矩； TW-系统过渡过程结束时的稳态转矩，与过渡过程开始后的负载转矩TL相等。,转速的过渡过程表达式为
9、 :,过渡过程时间表达式为 :,或,4.3.2 异步电动机过渡过程的时间分析,异步电机机械特性的实用表达式为：,以最简单的异步电动机理想空载为例，介绍异步电机拖动系统过渡过程的时间问题。,理想空载时，负载转矩TL=0，这时拖动系统的运动方程式变为：,代入实用表达式，且由于,则,记,为系统的机电时间常数， 则上式为,两边积分得：,S1，s2分别过渡过程开始与终了时的转差率。,1.空载起动时间,当空载起动时，由s1=1到s2=0,（理论上起动时间为无限大，在实际过程中s2=0.05时，即可认为起动结束。） 将s1=1，s2=0.05代入上式 可得：,令：,可得使空载起动过渡过程时间最短的临界转差率
10、 ：,将s1=1，s2=0.05代入上式求得空载起动时间最短的转差率smost0.407。,可得异步电动机空载起动的最短时间为：,2.空载两相反接制动时间,空载状态下两相反接制动时，将s1=2，s2=1,令,得两相反接反接制动时间最短的临界转差率smobk1.47,空载状态下两相反接制动时，将s1=2，s2=0.05,同理得两相反接反接制动时间最短的临界转差率smobk0.74,4.3.3 异步电动机过渡过程的能量损耗,在过渡过程中，定、转子的铜损为,认为I1I2,由于转子铜损可用转差功率表示 ：,空载时,而,上式变为,异步电动机过渡过程能量损耗的一般表达式：,S1，s2分别过渡过程开始与终了
11、时的转差率 。,1空载起动时过渡过程的能量损耗,s1=1，s2=0,加大转子电阻可减小起动电流，增加起动转矩。因此绕线式异步机可采用转子串电阻的起动方式，而笼型异步电机可采用高电阻率导条来减小起动过程的能量损耗。,2空载两相反接反接制动过渡过程的能量损耗,s1=2，s2=1,反接制动停车后反向起动,s1=2，s2=0,3.空载能耗制动过渡过程的能量损耗,与直流电动机过渡过程的能量损耗相同，异步电动机过渡过程的能量损耗均与转动部分的转动惯量和异步电动机的同步转速有关，即与转动部分存储的动能有关。另外，异步电动机过渡过程的能量损耗还与定、转子电阻比值有直接关系。,4 减少过渡过程能量损耗的方法,减少拖动系统存储的动能 合理的选择起、制动方式 合理的选择电动机的参数,第4章 结 束,
