第三讲 电力拖动基础.docx
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第三讲 电力拖动基础.docx
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第三讲电力拖动基础
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:
⑴抓主要矛盾,有条件地略去一些次要因素;
⑵抓住重点,牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性;
⑶理论联系实际,重视科学实验和工程实践;
⑷充分预习和复习。
3.2他励直流电动机的起动、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:
①起动转矩要足够大;②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=CTΦIst=(10~20)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
⑴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。
⑵电枢串联电阻起动
①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+RΩ1+RΩ2),起动电流减小。
RΩm:
段电阻,外串电阻RΩ1,RΩ2,…,RΩm。
Rm:
级电阻=Ra+RΩ1+RΩ2+…+RΩm。
②动过程
a.串联(RΩ1+RΩ2)起动:
R2=Ra+RΩ1+RΩ2
起动转矩(电流):
T1(I1)=(1.5~2.0)TN(IN)
b.切除R2:
R1=Ra+R1
切换转矩(电流):
T2(I2)=(1.1~1.2)TN(IN)或(1.2~1.5)TZ(IZ)
c.切除RΩ1:
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
⑴确定起动电流I1和切换电流I2
I1(T1)=(1.5~2.0)IN(TN)
I2(T2)=(1.1~1.2)IN(TN)
⑵起切电流(转矩)比:
β=I1/I2
⑶求出电枢电路电阻Ra
若忽略T0,则Pe=EaIa=(CT/9.55)ΦnIa
=(CTΦn)Ia/9.55=Tn/9.55
=(T0+TZ)n/9.55=P2
在额定运行时
⑷确定各级电阻值和各段电阻值
nb2=nc1
即:
Eab2=Eac1
UN-R1I2=UN-RaI1
R1I2=RaI1
R1=βRa
同理,由na2=nb1可得
R2=βR1
对于m级起动,有
Rm=βmRa
各段总电阻值:
R1=βRa=βRa
R2=βR1=β2Ra
R3=βR2=β3Ra
…
Rm=βRm-1=βmRa
各段电阻值:
RΩ1=R1-Ra
RΩ2=R2-R1
RΩ3=R3-R2
…
RΩm=Rm-Rm-1
3.2.2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
⑴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)。
⑵电源反接的反接制动----迅速停机或反转。
⑶转速反向的反接制动----下放重物。
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
⑴正向回馈制动
⑵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
⑴调速的技术指标
①调速范围D
不同生产机械要求的调速范围是不同的,
②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:
③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:
④调速时的容许输出
容许输出是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。
⑵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η来说明:
式中:
P2——电动机轴上功率;
ΔP——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。
⑴改变电枢电阻调速
⑵改变电枢电压调速
⑶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接起动存在的问题
⑴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。
⑵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,cosψ2很低,尽管I2很大,但I2cosψ2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=KIIN=(5.5~7)IN
起动转矩:
Tst=KstTN=(1.6~2.2)TN
⑶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。
⑴三相笼型异步电动机的起动方法
①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4~7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8~12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。
如果不能满足上述要求,必须采用降压起动。
②三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(Y-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。
⑵三相绕线转子异步电动机的起动方法
①绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动
②绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动
③起动级数未定时起动电阻的计算
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)TZ
b.起切转矩比
=T1/T2
c.求出起动级数m
d.重新计算,校验是否在规定范围内。
e.求转子每相绕组的电阻R2
f.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
⑴正向回馈制动
⑵反向回馈制动
3.3.2.2反接制动
⑴定子两相反接的反接制动,用于实现迅速停车。
⑵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RΩ(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。
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](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Φ也保持不变。
如果Φ>ΦN,将引起磁路饱和使励磁电流增大,功率因数下降;
如果Φ<ΦN,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
⑴绕线型异步电动机转子串联电阻调速
⑵笼型异步电动机改变定子电压调速
⑶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。
⑷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电动机的选择
电力拖动系统电动机的选择,首要的是在各种工作制下电动机功率的选择,同时还要确定电动机的电流种类、形式、额定电压与额定转速。
3.4.1功率的选择
正确选择电动机功率的原则,应当是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下,最经济最合理地决定电动机的功率。
正确决定电动机的功率有很重要的意义。
如果功率选得过大,会造成浪费,设备投资增大,而且电动机经常欠载运行,效率及交流电动机的功率因数较低,运行费用较高,极不经济;反之,如果功率选小了,电动机将过载运行,造成电动机过早地损坏。
或者在保持电动机不过热的情况下,只能降低负载使用。
因此,电动机不适当地选得太大或太小,都将会造成资源的浪费和损失。
决定电动机功率时,要考虑电动机的发热、允许的过载能力与起动能力三方面的因素,一般情况下,以发热问题最为重要。
电动机的发热,是由于在实现能量变换过程中在电动机内部产生损耗并变成热量使电动机的温度升高。
在电动机中,耐热最差的是绕组的绝缘材料,不同的绝缘材料,其最高允许温度是不同的。
电动机中常用的绝缘材料可分为五种等级。
不同绝缘材料的最高允许温度:
①A级绝缘:
最高允许温度为105ºC;
②E级绝缘:
最高允许温度为120ºC;
③B级绝缘:
最高允许温度为130ºC;
④F级绝缘:
最高允许温度为155ºC;
⑤H级绝缘:
最高允许温度为180ºC
目前的趋势是日益广泛地使用高允许温度等级的绝缘材料,如F、H级绝缘材料。
这样,可以在一定的输出功率下,使电动机的重量与体积大为降低。
当电动机温度不超过所用绝缘材料的最高允许温度时,绝缘材料的寿命较长,可达20年以上;反之,如温度超过最高允许温度,则绝缘材料老化、变脆,缩短了电动机的寿命,严重情况下,绝缘材料将碳化、变质、失去绝缘性能,从而使电动机烧坏。
由此可见,绝缘材料的最高允许温度是一台电动机带负载能力的限度,而电动机的额定功率就是代表这一限度。
电动机铭牌上所标的额定功率即指如环境温度为40℃,电动机带动额定负载长期连续工作,温度逐渐升高趋于稳定后,最高温度可达到绝缘材料允许的极限。
温升:
电动机温度与周围环境温度之差。
额定温升:
电动机铭牌上所标的温升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40℃之差。
选择电动机功率时,除考虑发热外,有时还要考虑电动机的
过载能力是否足够,因为各种电动机的短时过载能力都是有限的。
校验电动机的过载可按下列条件
式中KT’----电动机转矩允许过载倍数;
Tmax----电动机在工作中承受的最大转矩。
对于异步电动机
对于直流电动机,过载能力受换向所允许的最大电流值的限制,对Z2型与Z型直流电动机,在额定磁通下,一般
对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的ZZ型和ZZY型电动机,以及同步电动机,一般
当过载校验不能通过时,则另选过载能力较大的电动机或选功率较大的电动机,来满足过载条件的要求。
对于笼型异步电动机,有时还须进行起动能力的校验。
3.4.2电流种类的选择
尽量优先选用交流笼型异步电动机,笼型异步电动机价格便宜、结构简单、维护方便,水泵、机床、通风机等;
绕线式异步电动机能限制起动电流和提高起动转矩,主要用于起重机、矿井提升机等;
滑差电动机和交流换向器电动机,主要用于平滑调速,但调速范围不大的场合,如纺织、造纸等;
当电动机功率较大且无调速要求时,可选用交流同步电动机,以提高功率因数;
交流电动机功率可达几万千瓦、额定电压高达6000V甚至150000V,转速可高达几万~几十万转/分钟;
直流电动机调速性能优异,主要用于调速范围要求很大的场合。
3.4.3电动机结构形式的选择
电动机的结构形式可分为:
卧式与立式两种。
一般情况下选择卧式,只有在为了简化传动装置,又必须垂直运行时才选用立式。
电动机的防护形式可分为:
开启式:
价格便宜、散热好,只能适用于干燥和清洁环境中;
防护式:
防滴、防雨、防溅、防止外界物体从上面落入电机内部,不能潮气与灰尘的进入,适用于干燥灰尘不多且无腐蚀与爆炸性气体的环境中;
封闭式:
分为自扇冷、他扇冷和密闭式三种,前两类可用于潮湿、多腐蚀性灰尘和易受风雨的场合,密闭式可浸如水中工作,如潜水泵;
防爆式:
用于有爆炸危险的场合,如瓦斯矿井下、油池附近等。
3.4.4电动机额定电压的选择
交流电动机的额定电压应选的与电网电压相一致。
一般车间低压电网为380V,中小型电机都是低压的,额定电压为220V/380V(Δ/Y联结),或380V/660V(Δ/Y联结),后者可用Y/Δ起动;
电动机功率较大时,可选用高压电机以节约铜材,额定电压可选择3000V、6000V甚至10000V;
直流电动机的额定电压也应与电源电压相匹配。
当直流电动机由直流发电机供电时,直流电动机额定电压可选择110V、220V,功率较大时可选择600~800V甚至1000V;
当直流电动机由晶闸管整流装置供电时,直流电动机额定电压可选择160V(与单相整流配合)、440V(与三相桥式整流配合),功率较大时可选择1200V;
3.4.5电动机额定转速的选择
选用高速电动机比较经济,但当生产机械转速较低时,传动机构将比较复杂,需要综合考虑。
⑴电动机连续工作很少起、制动及反转
综合初期投资、占地面积与维护费用等全面考虑,最后确定合适的传速比和电动机额定转速;
⑵电动机连续工作很少起、制动及反转,但过渡过程持续时间对生产率影响不大
除考虑初期投资外,主要根据过渡过程能量损耗最小的条件,确定合适的传速比和电动机额定转速;
⑶电动机连续工作很少起、制动及反转,过渡过程持续时间对生产率影响较大
主要根据过渡过程持续时间最短的条件,确定合适的传速比和电动机额定转速。
思考题
⑴他励直流电动机的制动方法有哪几种,如何实现?
(初级题)
⑵三相异步电动机的起动、制动和调速方法有哪几种?
(高级题)
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