电机第7章-电力拖动系统中一些问题的讨论课件.ppt

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7 1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为负载转矩特性，简称负载特性。

2、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图7-3带传输机的工作原理第7章电力拖动系统中一

3、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7 6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)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

4、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/dt或（TTL）称为动态转矩，而TL称为静态负载转矩，运动方程式（7 7）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

5、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

6、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7 12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7 14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

7、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

8、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

9、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。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

10、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

11、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

12、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，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7 21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7

13、21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(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/min2)电动机的转矩为TM=TL=89Nm3)电

14、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)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=

15、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。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

16、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动机的调速系统时，必须同时注意功率与转矩两方面的关系。(1)功率：电动机轴上输出的额定功率一定要大于负载在恒转矩区最高转速时的功率，即PM=T/9550=PL（）(2)转矩：电动机经过调速后的有效转矩在所要求的转速范围内，都必须大于负载转矩的折算值，即TMTL=（）图7

17、-24拖动系统的功率和转矩第7章电力拖动系统中一些问题的讨论7.5电动机的发热与工作方式电动机在运行时的发热情况是判断它能否正常工作的重要标志之一。电动机的功率选择最主要的是分析和校验电动机在运行中的发热和温升，并校核短时过载能力及起动能力。7.5.1电动机的绝缘和温升电动机在负载运行时，其内部的损耗将转换成热能，导致温度升高。而电动机中耐热最差的是绝缘材料，若负载太大、损耗太大而使温度超过绝缘材料允许的限度，它的寿命就急剧缩短，严重时会完全破坏，电动机发生短路而烧毁。所以这个温度限度称为绝缘材料的允许温度，也就是电动机的允许温度；绝缘材料的寿命，一般就是电动机的寿命。第7章电力拖动系统中一些

18、问题的讨论7.5.2电动机的发热和冷却1.电动机的发热过程电动机在运行过程中，随着热量的不断产生，电动机温度升高，就要向周围散热，温差越高，散热越快。当负载不变时，电动机的温升按指数规律变化达到平衡的，如图7 25所示，曲线1有初始温升，曲线2初始温升为零。电动机发热初始阶段，由于温升小，散发出的热量较少，大部分热量被电动机吸收，所以温升增长较快；过一段时间以后，电动机的温升增加，散发的热量也增加，产生的热量因负载恒定而保持不变，因而电动机吸收的热量不断减少，温升速度变慢，温升曲线趋于平缓；当散发热量与发出热量相等时，电动机的温升不再增长，温度最后达到稳定值。第7章电力拖动系统中一些问题的讨论

19、2.电动机的冷却过程对负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果使其负载减少或使其停车，那么电动机内损耗及发热量都将随之减少或不再继续产生。图7-25电动机发热过程中的温升曲线图7-26电动机冷却过程中的温升曲线第7章电力拖动系统中一些问题的讨论7.5.3电动机工作方式对发热和冷却情况的影响电动机的发热和冷却情况不但与其拖动的负载有关，而且与负载持续的时间有关。负载持续时间不同，即电动机的工作方式不同，其发热情况就不同。1.连续工作方式工作时间内，电动机拖动负载在足够长的时间内不间断地运行，其温升可以达到稳定值。图7-27电动机连续工作方式的温升曲线a)恒定负载b)变动负载第7章电力拖动系统中一些

20、问题的讨论2.断续工作方式电动机时而运行，时而停止。属于这类负载的有起重机械等。这种负载常常允许电动机短时间过载，因此在满足温升方面要求的同时，还必须有足够的过载能力，有时过载能力是主要方面。3.短时工作方式电动机每次运行的时间很短，在运行期间，温升达不到稳定值；而每两次运行之间的间隔时间很长，足以使电动机的温升下降为零，其温升曲线如图7-28b所示，属于这类负载的如船闸闸门的拖动系统等。图7-28断续和短时工作方式的温升曲线a)断续负载b)短时负载第7章电力拖动系统中一些问题的讨论7.6电动机的选择选择电动机是使用中遇到的首要问题。选择的内容包括电动机种类选择、额定电压选择、额定转速选择、额定功率（容量）选择及电动机型式选择五方面的内容。其中正确选择电动机的容量最为重要。容量太大，若未得到充分利用，则既增加投资，也增加运行费用。图7-29不同工作制的温升曲线a)短时工作制b)重复短时工作制