电力拖动基础.ppt

2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,1,第7章电力拖动基础,7.3电力拖动系统的负载特性,7.4电力系统稳定运行的条件,7.5电力系统调速的基本概念,7.1电力拖动系统的组成与分类,第7章电力拖动基础,7.3电力拖动系统的负载特性,7.4电力系统稳定运行的条件,7.5电力系统调速的基本概念,7.1电力拖动系统的组成与分类,7.2电力拖动的运动方程式,7.2电力拖动的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,2,,,,本章基本要求,1.掌握电力拖动系统的运动方程式，生产机械的负载转矩特性；电力系统稳定运行的条件。,2.了解工作机构（力、飞轮距、质量、转矩）的折算方法。,3.了解电力拖动系统调速的概念。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,3,7.1电力拖动系统的组成与分类,拖动原动机带动生产机械运动。电力拖动用电动机作为原动机的拖动方式。一、电力拖动系统的组成,电动机,1.电力拖动系统的优点1电能易于生产、传输、分配。2电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满足各种生产机械的不同要求。,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,4,3电动机损耗小、效率高、具有较大的短时过载能力。,4电力拖动系统容易控制、操作简单、便于实现自动化。2.应用举例精密机床、重型铣床、初轧机、高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,5,二、典型的电力拖动系统,1.单轴旋转系统电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转。,2.多轴旋转系统,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,6,3.多轴旋转运动加平移运动系统,4.多轴旋转运动加升降运动系统,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,7,,,,7.2电力拖动系统的运动方程式,1.运动方程的形式,7.2.1电力拖动系统的运动方程式,式中TL-总阻转矩;,J-转动惯量;,-机械角速度;,运动方程的实用表达式,GD2-飞轮矩，单位N.m2,所以,因为,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,8,,,,2.系统旋转运动的三种状态,当TeTL或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,9,,,,首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定,7.2.2运动方程式中转矩正、负号的规定,电磁转矩Te与转速n的正方向相同时为正，相反时为负。,负载转矩TL与转速n的正方向相同时为负，相反时为正。,惯性转矩的大小和正负号由Te和TL的代数和决定。,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,10,,,,电力拖动系统的运动方程式,7.2.3工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为工作机构转矩TL，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还要把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,11,,,,1.工作机构转矩Tg的折算,折算的原则是系统的传送功率不变,式中，j电动机轴与工作机构轴间的转速比,如果传动机构为多级齿轮或皮带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积。,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,12,,,,2.工作机构直线作用力的折算,根据传送功率不变,3.传动机构与工作机构飞轮矩的折算,,根据折算前后动能不变的原则,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,13,,4.工作机构直线运动质量的折算,折算的原则是转动惯量Jg中及质量mg中储存的动能相等，即,所以,因为,,,折算到电机轴上的飞轮矩为,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,14,,,,,例刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n420r/min，其转子（或电枢）的飞轮矩GDd2110.5N.m2，工作台重G112050N，工件重G217650N，各齿轮齿数及飞轮矩见表。,齿轮8的节距t825.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮矩。,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,15,,,,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,16,,,,齿轮8转速,2）直线运动部分,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,17,,,,工作台速度,3）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,18,,,,7.2.4考虑传动机构损耗的简化方法,一、工作机构转矩TL的简化折算,1.电动机工作在电动状态,2．电动机工作在发电制动状态,使用多级传动时,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,19,,,,二、工作机构直线作用力的简化折算,1.电动机工作在电动状态,2.电动机工作在发电制动状态,在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率与提升传动效率之间有下列关系。,电力拖动系统的运动方程式,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,20,,,7.3电力拖动系统的负载特性,1.恒转矩负载,恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL与转速n无关的特性。,,,7.3.1按照负载转矩的大小与转速的变化规律分,2.恒功率负载特性,恒功率负载特点是负载转矩与转速的乘积为一常数，即TL与n成反比，特性曲线为一条双曲线。,3.通风机负载特性,TL,n,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,21,,,,电力拖动系统的负载特性,1.反抗性恒转矩负载,,,2.位能性恒转矩负载,,,负载的转矩TL基本上与转速n的平方成正比。负载特性为一条抛物线。,,TL,n,,,,1,2,TL0,7.3.2按照负载转矩的方向是否随转速方向的变化分,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,22,,,,7.4电力拖动系统稳定运行条件,处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。,若扰动使负载转矩增加到TL，则TMATL，电机加速，加速到A点时，电磁转矩重新等于负载转矩，电机又稳定运行于A点。,同理，若扰动使负载转矩减少，电机将升速到C点。,所以A点是稳定运行点。,A,B,C,TL,TL,,,,nB,nC,,,,,,,电力系统稳定运行的条件,扰动消失后，重新回到A点。,,在下图中，转速由nA降到nB，此时TMBTL，电动机稳定运行与B点。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,24,,,,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件,若机械特性如图所示，在B点，系统平衡，即TeTL，nC,当扰动使负载转矩减小，转速转速开始上升，电磁转矩也增加，使转速进一步加速，此时即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到B点运行。,电力系统稳定运行的条件,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,25,,,,或者说，在交点的转速以上存在TeTL。,TeTL,在交点TeTL处满足,充分条件,必要条件,电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，即,电力系统稳定运行的条件,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,26,7.5电力拖动系统调速的基本概念,,,,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。,改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；,改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,27,7.5.1调速的基本概念,1.无级调速和有级调速无级调速电动机的转速可以平滑地调节。有级调速电动机的转速只有有限的几种。2.恒转矩调速和恒功率凋速电动机在不同转速下满载运行时如果允许输出的转矩相同，则为恒转矩调速。如果允许输出的功率相同，则为恒功率调速。3.向上调速和向下调速向上调速使转速向基速以上调节。向下调速使转速向基速以下调节。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,28,,,,调速的基本概念,7.5.2调速系统的主要性能指标,1.调速范围,生产机械要求的调速范围D代表机械可能进行的最大转速nman与最小转速nmin之比，或最大与最小线速度之比。,不同的生产机械要求的调速范围是不同的，D是指生产机械总的调速范围。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,29,,,,例车床D20120，龙门刨床D1040，机床的进给机构D5200,轧钢机D3120，造纸机D320等。,电动机的最高转速受电机的机械强度、换向等方面的限制。一般在额定转速的范围，是不能太高的。,要扩大调速范围，必须设法尽可能地提高最高转速与降低最低转速；,降低最低转速受低速运行时的相对稳定性限制。,调速的基本概念,相对稳定性是指负载转矩变化时转速变化的程度，变化的越小，相对稳定性就越好，能得到最低转速越小，D也越高。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,30,,,,生产机械对机械特性相对稳定性的程度是有要求的，显然若低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化时，电动机的转速可能变的接近于零，甚至可能使生产机械停下来，因此必须设法得到低速硬特性的机械特性以扩大调速范围。,2.静差率（相对稳定性）,指负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，稳定性好。,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,31,,,,δ越小，相对稳定性越好；δ与机械特性硬度和n0有关。,D与δ相互制约δ越小，D越小，相对稳定性越好。,调速范围与静差率的关系,在保证一定的δ指标的前提，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,32,,,,3.调速的平滑性,越接近1，平滑性越好，当1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,4.调速的经济性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,33,,,,本章结束,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,34,,,,7.5.3调速方式与负载类型的配合,电动机在额定负载转速下容许的输出功率主要取决于电机的发热功率，而发热又主要取决于电流。,一、电动机的允许输出与调速方法,容许输出电动机的允许输出是指在一定转速下，电机长期工作所能输出的最大转矩和功率。,调速的基本概念,在调速过程中，如果电机在不同转速下，电枢电流不超过额定值，电机便能够长期可靠地工作，不致因过热而损坏，因此电枢电流等于额定值是从发热观点充分利用电动机的条件。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,35,充分利用指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。,当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,,,,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,36,,,,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值----恒转矩调速。,电枢串电阻调速和降压调速时，磁通N保持不变，若在不同转速下保持电流IaIaN不变，即电动机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为,二、恒转矩调速方法,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,37,,,,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值----恒功率调速。,减弱磁通调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流IaIaN不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为（以直流电动机为例）,三、恒功率调速方法,调速的基本概念,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,38,,,,他励直流电动机的调速,对风机类负载，两种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。,四、调速方法与负载的配合,,,恒转矩调速方式,恒转矩负载,,1.恒转矩负载与调速方法的配合,为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。,拖动恒功率负载时，采用恒功率调速方式。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,39,,,,他励直流电动机的调速,,,恒功率调速方式,恒转矩负载,,,恒功率调速方法在n＝nmin时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，电动机没充分利用，造成浪费。,结论对恒转矩负载,恒转矩调速方式使电机在任何转速下都满载运行，能得到充分利用。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,40,,,,他励直流电动机的调速,,,2.恒功率负载与调速方式的配合,恒功率负载,,恒转矩调速方法,恒功率调速方法,恒功率负载,,,,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,41,,,,他励直流电动机的调速,恒转矩调速方式高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，电流小于额定电流，电动机没有被充分利用。,结论对恒功率负载,恒功率调速方法在整个调速范围内，做到额定转矩输出，电机安全且充分利用。,2021年2月7日星期日,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,42,容许输出转矩和功率,,,,他励直流电动机的调速,