《电机及其应用 教学课件 ppt 作者 葛永国 第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机及其应用 教学课件 ppt 作者 葛永国 第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,电力拖动系统就是电动机带动生产机械运动（大多数为旋转运动）的系统。主要由电动机、生产机械、传动机构和控制系统构成，如图71所示。 (1)电动机及其控制系统：电动机是拖动生 产机械的原动力；控制系统主要包括控制 电动机的起动、调速、制动等相关环节的设备和电路。 (2)传动机构：是用来将电动机的机械能传递给生产机械的装置。 (3)生产机械：是拖动系统的工作对象，也是电动机的负载，如鼓风机、水泵、起重机械、机床等。,图7-1 拖动系统的构成,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.1 生产机械的负载特性 负载的机械特性也称
2、为负载转矩特性，简称负载特性。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能获得良好的工作状态。因此除了研究电动机的特性外，还需要了解生产机械的负载特性。 7.1.1 恒转矩负载,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,所谓恒转矩负载，是指生产机械的负载转矩TL的大小与转速n无关，即无论转速n如何变化，负载转矩TL的大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 1.反抗性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩的大小恒定不变，而方向总是与转速的方向相反，即总是为反抗运动的阻转矩。,图7-2 反抗性恒转矩负载特性
3、,图7-3 带传输机的工作原理,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,2.位能性恒转矩负载 位能性恒转矩特性是由拖动系统中某些具有位能的部件(如起重类型负载中的重物)造成的，其特点是：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且其方向也不变。,图7-4 反抗性恒转矩负载的特性 a)机械特性 b)功率特性,图7-5 位能性恒转矩负载特性,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.1.2 恒功率负载 恒功率负载是指在转速变化的过程中，功率基本不变。某些生产工艺过程要求具有恒功率负载特性。各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一，如图76所示。,图7-6 薄膜卷取机械示意图,图7-7 恒功率负载的特性 a)
4、机械特性 b)功率特性,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.1.3 二次方律负载,图7-8 二次方律负载及其特性 a)风扇叶片 b)机械特性 c)功率特性,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.2 电力拖动系统运行的稳定性 7.2.1 电力拖动系统的运动方程 1)当TTL，dn/dt0时，系统处于加速运行状态，即处于瞬态过程； 2)当TTL，dn/dt0时，系统处于减速运行状态，也处于瞬态过程； 3)当T=TL，dn/dt=0时，n=0或n=(为常数)，系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。 可见，当dn/dt0时，系统处于加速或减 速运行状态,为瞬态，所以常把G/375dn/d
5、t或 （TTL）称为动态转矩，而TL称为静态负 载转矩，运动方程式（77）就是动态的转 矩平衡方程式。,图7-9 电动机单轴拖动系统,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.2.2 电力拖动系统稳定运行的条件,图7-10 电力拖动系统稳定运行的条件 a)稳定动行 b)不稳定运行,图7-11 拖动系统运行的稳定性,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,(1)必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即T=TL。 (2)充分条件：在交点T=TL转速以上存在TTL。 由于大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持恒定，因而只要电动机具有下降的机械特性，就能满足稳定运行的条件。,第7章
6、电力拖动系统中一些问题的讨论,7.2.3 稳定工作点的转移 1.稳定工作点转移的意义 当TTL=常数时，系统处于匀加速或匀减速运动状态，其加速度或减速度与飞轮力矩GD2成反比：GD2越大，系统惯性越大，转速变化就越小，系统稳定性好，灵敏度低；惯性越小，转速变化越大，系统稳定性差，灵敏度高。图712中，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为负载的机械特性。,图7-12 异步电动机的起动与稳定,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,2.负载变化时工作点的转移 如图7-13所示，假设负载为恒转矩负载，机械特性是曲线2，负载转矩等于TL，拖动系统在Q点稳定运行，转速为nQ。,图7-13 负载变化时的工
7、作点,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,3.电动机参数变化时工作点的转移 当人为地改变电动机的参数时 ，电动机的机械特性曲线必将改变。 如图714所示，曲线1为异步电动机的固有机械特性，曲线3为负载的机械特性，负载转矩为TL，工作点为Q1，拖动系统的转速为。,图7-14 改变转子电阻时的工作点,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.3 电动机调速时的功率和转矩问题 7.3.1 电动机允许输出与充分利用的概念 电动机运行时，实际输出转矩是由负载决定的。电动机的允许输出是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。允许输出的大小取决于电动机的发热程度，而电动机发热主要决定于
8、电动机绕组电流的大小。因此，在一定的转速下，对应额定电流时的输出转矩和功率便是电动机的允许输出。,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.3.2 恒转矩与恒功率调速方式 以电动机在不同转速下都能得到充分利用为条件，可以把电动机的调速分为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。 1.恒转矩调速 电动机按允许输出转矩不变进行调速，称恒转矩调速方式。 他励直流电动机在降低电枢电压调速时，磁通=N不变，因此允许输出转矩为Tal=CTNIN=TN=常数，称恒转矩输出，此时允许输出的功率为 2.恒功率调速 电动机按允许输出功率不变进行调速，称恒功率调速方式。 他励直流电动机在弱磁调速时，U=UN、Ia=IN，则
9、磁通与转速n的关系为,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.3.3 调速方式与负载类型的配合 恒转矩调速和恒功率调速，是在保持电枢电流为额定值，对电动机的输出转矩和输出功率而言的。但是，当电动机调速时，在稳定运行情况下，电动机电枢电流的大小是由负载类型决定的，只有使某种调速方式与负载之间合理配合，才能使电动机得到充分的利用。,图7-15 调速时的允许输出转矩和功率曲线,图7-16 调速方式与负载的理想配合关系,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,1.恒转矩负载配恒转矩调速方式 此时负载转矩TL和电动机的允许 输出转矩Tal均为常数，负载功率和电动机的允许输出功率Pal均与转速n成正比。,
10、图7-17 调速方式与负载类型的理想配合 a)恒转矩负载配恒转矩调速 b)恒功率负载配恒功率调速,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,2.恒功率负载配恒功率调速方式 此时负载功率PL和电动机的允许输出功率Pal均为常数，负载转矩TL和电动机的允许输出转矩Tal均与转速n成反比。 3.恒转矩负载配恒功率调速方式 此时的负载转矩特性与电动机的允许输出转矩特性不可能重合，为了满足负载转矩的需要，二者的特性配合只能如图7-18a所示，即使电动机允许输出转矩的最小值(此时转速最高)等于恒定的负载转矩。 4.恒功率负载配恒转矩调速方式 此时的负载转矩特性与电动机的允许输出转矩特性也是不可能重合的，二者的
11、特性配合只能使电动机恒定的允许输出转矩等于变化的负载转矩的最大值(此时转速最低)，如图7-18b所示。,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,图7-18 调速方式与负载类型的不适当配合 a)恒转矩负载配恒功率调速 b)恒功率负载配恒转矩调速,5.风机类负载与两种调速方式的配合 因为风机类负载转矩随转速n的升高而增大，,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,为了使电动机在最高转速时(所需要的转矩最大)仍能满足负载的需要，应使Tal(n=nmax)=TL(n=nmax)，如图7-19所示。 只有在最高转速这一点上电动机才被充分利用，而在其他转速下均是TLTal，PLPal，电动机得不到充分利用。风
12、机类负载配恒转矩调速方式所造成的电动机容量浪费要比配恒功率调速方式小一些。,图7-19 风机类负载与两种调速方式的配合 a)与恒转矩调速配合 b)与恒功率调速配合,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.4 传动机构的作用 7.4.1 传动机构与传动比 1.传动装置 在大多数电力拖动系统中，电动机和生产机械之间是通过传动机构(多数情况下是减速机构)相联的，常见的传动机构有联轴器、传动带、齿轮等，如图7-20所示。,图7-20 常见的传动机构 a)联轴器传动 b)带传动 c)齿轮传动,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.4.2 转速与转矩的折算 1.问题的提出 为了分析拖动系统的工作状态
13、，必须在同一个坐标系里对电动机和负载的机械特性进行比较。 例如，假设传动机构的传动比=4，当电动机侧的转速nM=1500r/min、转矩TM=，在n=f（T）坐标系里的位置是（4m，1500rmin），如图721中的Q1点所示。而这时，在负载侧却是转速nL=375r/min、转矩TL=16Nm，在同一个n=f（T）坐标系里的位置是（16m，375rmin），如图721中的Q2点所示。,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,图7-21 电动机和负载的工作点,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,2.折算的基本原则与公式 折算的基本原则是折算前后传动机构所传递的功率不变。 (1)转速的折算：由式(
14、7-11)，得 nL=nL(） (2)转矩的折算：根据传递功率不变的折算原则，由式(7-14)，得 TL=（） (3)飞轮力矩的折算： （GD2）=（）,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.4.3 传动比对电动机调速系统的影响 1.传动比与电动机容量的关系 为了便于说明，这里举一个实际例子。 (1)=1时： 1)电动机的运行转速为 nM=nL=375r/min 2)电动机的转矩为 TM=TL=89Nm 3)电动机的容量为 PM=891500/9550=1398kW,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,(2)=2时： 1)电动机的转速为nM=nL=375rmin2=750r/min； 2
15、)电动机的转矩为TM=TL=89m/2=44.5Nm，即电动机轴上所需转矩减小了一半； 3)电动机的容量为PM=44.5m1500rmin/9550=7.0kW。 选用PN=75kW的电动机，仍为负载功率的214倍。可见，当传动比加大为2时，所需电动机的容量减小了一半。 (3)=4时：,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,1)电动机的转速为nM=nL=375rmin4=1500r/min=nN； 2)电动机的转矩为TM=TL=89m/4=22.25Nm，即电动机轴上所需转矩又减小了一半； 3)电动机的容量为PM=22.25m1500rmin/9550=3.5kW。 选用PN=37kW的电动机
16、。可见，当传动比加大为4时，所需电动机的容量又减小了一半，与负载功率吻合。这已经是最优化的结果了，从能量的角度看，电动机容量已不可能再减小。 (4)结论：若负载转速较低，仅仅依靠电动机调速来带动负载(=1)，所需电动机的容量很大。 2.传动比与电动机的起动 图7-22所示的锯片磨床上有一个直径达2m的大卡盘，工件(通常为锯片)安置在卡盘上。,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,图7-22 锯片磨床示意图,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,7.4.4 电动机调速与机械调速的区别 1.电动机的输出功率随转速下降而下降 任何电动机的电磁转矩都是电流与磁通相互作用的结果。 电动机输出轴上的机械功率是和转矩与转速的乘积成正比的，所以，当负载不变转速下降时，电动机的输出功率也必将下降。 2.机械变速具有恒功率的特点,图7-23 机械调速,第7章 电力拖动系统中一些问题的讨论,3.功率和转矩两方面之间的关系 在考虑电
