电力行业电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性课件.ppt
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1、2022年9月27日星期二电力行业电力行业-电力拖动系统电力拖动系统的运动方程和负载转矩的运动方程和负载转矩特性特性2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 电力拖动系统运动方程式描述了系统的电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态,系统的运动状态取决于作用在原运动状态,系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。动机转轴上的各种转矩。2.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式 根据如图给出的系统(忽略空载转矩),根据如图给出的系统(忽略空载转矩),可写出拖动系统的运动方程式:可写出拖动系统的运动方程式:其中其中 为系统的惯性转矩。为系统
2、的惯性转矩。运动方程的实用形式:运动方程的实用形式:系统旋转运动的系统旋转运动的三种状态三种状态1)1)当当 或或 时时,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态,即处运行状态,即处于稳态。于稳态。2)2)当当 或或 时时,系统处于系统处于加速加速运行状态,即处于动态。运行状态,即处于动态。3)3)当当 或或 时时,系统处于系统处于减速减速运行状态,即处于动态。运行状态,即处于动态。常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩,把把 称为静负载转矩称为静负载转矩.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:向,然后规
3、定:二、运动方程式中转矩正、负号的规定二、运动方程式中转矩正、负号的规定(1 1)电磁转矩)电磁转矩 与转速与转速 的正方向相同时为正,相反时为负。的正方向相同时为正,相反时为负。(2 2)负载转矩)负载转矩 与转速与转速 的正方向相同时为负,相反时为正。的正方向相同时为负,相反时为正。(3)(3)惯性转矩惯性转矩 的大小和正负号由的大小和正负号由 和和 的代数和决定。的代数和决定。2.1.2 2.1.2 负载的转矩特性负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性,就是负载的机械特性,简称负载特性。负载的转矩特性,就是负载的机械特性,简称负载特性。恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩恒转矩负
4、载特性是指生产机械的负载转矩 与转速与转速 无关无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.1.反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载T TL Ln2.2.位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载T TL Ln二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是:负载转恒功率负载特点是:负载转矩与转速的乘积为一常数,即矩与转速的乘积为一常数,即 与与 成反比,特性曲线为一条双成反比,特性曲线为一条双曲线。曲线。T TL Ln三、泵与风机类负载特性 负载的转矩负载的转矩 基本上与转基本上与转速速 的平方成正比。负载特性的平方成正比。负载特性为一条抛物线。为一条抛
5、物线。T TL Ln理想的通理想的通风机特性风机特性实际通风实际通风机特性机特性TL02.2 他励直流电动机的机械特性2.2.1 2.2.1 机械特性的表达式机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下,即电动机处于稳态运行时,电动电枢回路电阻为恒值的条件下,即电动机处于稳态运行时,电动机的转速与电磁转矩之间的关系:机的转速与电磁转矩之间的关系:由电机的电路原理图可得机械特性的表达式:由电机的电路原理图可得机械特性的表达式:称为理想空载转速。称为理想空载转速。实际空载转速实际空载转速2.2.
6、2 2.2.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当当 时的机械特性称为固有机械特性:时的机械特性称为固有机械特性:二、人为机械特性当改变当改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。由于电枢电阻很小,特性曲线斜率很小,所以固有机械特性由于电枢电阻很小,特性曲线斜率很小,所以固有机械特性是硬特性。是硬特性。1 1、电枢串电阻时的人为特性、电枢串电阻时的人为特性 保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为的人为特性特性特点:特点:1 1)不变,不变,变大;变大;2 2)越大,特性越软。越大,特性
7、越软。2 2、降低电枢电压时的人为特性、降低电枢电压时的人为特性 保持保持 不变,只改变电枢电压时的人为特性:不变,只改变电枢电压时的人为特性:特点:特点:1)1)随随 变化变化,不变不变;2)2)不同不同,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。3 3、减弱励磁磁通时的人为特性、减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变,只改变励磁回路调节电阻不变,只改变励磁回路调节电阻 的人为特性:的人为特性:特点:特点:1 1)弱磁,)弱磁,增大;增大;2 2)弱磁,)弱磁,增大增大2.2.3 2.2.3 机械特性求取机械特性求取一、固有特性的求取一、固有特性的求取 已知已知 ,求两点,求两点:1:1)理想空
8、载)理想空载点点 和额定运行和额定运行 。具体步骤:具体步骤:(1)(1)估算估算(2)(2)计算计算(3)(3)计算理想空载点:计算理想空载点:(4)(4)计算额定工作点:计算额定工作点:二、人为特性的求取二、人为特性的求取 在固有机械特性在固有机械特性方程方程 的基础上,根据人为的基础上,根据人为特性所对应的参数特性所对应的参数 或或 或或 变化,重新变化,重新计算计算 和和 ,然后得,然后得到人为机械特性方程到人为机械特性方程式式。2.2.4 2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件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,处于某一转速下运行的电力拖动系统
9、,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,则系统是的转速下继续运行,则系统是稳定稳定的,否则系统是的,否则系统是不稳定不稳定的。的。在在 点,系统平衡点,系统平衡扰动使转速有微小增量,转速由扰动使转速有微小增量,转速由 上升到上升到 ,。扰动消失扰动消失,系统减速,回到系统减速,回到 点运行。点运行。扰动使转速有微小下降,由扰动使转速有微小下降,由 下降下降到到 。扰动消失扰动
10、消失,系统加速,回到系统加速,回到 点运行。点运行。电力拖动系统稳定运行的电力拖动系统稳定运行的充分必要条件充分必要条件是:是:在在 点,系统平衡点,系统平衡扰动使转速有微小增量,转速由扰动使转速有微小增量,转速由 上升到上升到 ,,系统加速系统加速。即使扰动消失即使扰动消失,也不能回到也不能回到 点运行。点运行。扰动使转速有微小下降,由扰动使转速有微小下降,由 下降下降到到 ,系统减速系统减速。即使扰动消失即使扰动消失,也不能回到也不能回到 点运行。点运行。(1)(1)必要条件必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点,即存在即存在(2)充
11、分条件充分条件:在交点处在交点处,满足满足:。或者说或者说,在交点的转速以上存在在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在交点的转速以下存在在2.3 他励直流电动机的起动 电动机的电动机的起动起动是指电动机接通电源后,由静止状态加速到稳是指电动机接通电源后,由静止状态加速到稳定运行状态的过程。定运行状态的过程。起动瞬间,起动转矩和起动电流分别为起动瞬间,起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流,他励直流电动机通常采用为了限制起动电流,他励直流电动机通常采用电枢回路串电枢回路串电阻电阻或或降低电枢电压降低电枢电压起动。起动。起动时由于转速为零,电枢电动势为零,而且电枢电阻很起动时由于转速为零
12、,电枢电动势为零,而且电枢电阻很小,所以起动电流将达很大值。小,所以起动电流将达很大值。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。坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。一、起动过程2.3.1 2.3.1 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动以三级电阻起动时电动机为例以三级电阻起动时电动机为例二、分组起动电阻的计算 设对应转速设对应转速n n1 1、n n2 2、
13、n n3 3时电势分别为时电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3,则有,则有:b b点点c c点点d d点点e e点点f f点点g g点点比较以上各式得:比较以上各式得:在已知起动电流比在已知起动电流比和电枢电和电枢电阻前提下,经推导可得各级串联电阻前提下,经推导可得各级串联电阻为阻为:(6 6)计算各级起动电阻。)计算各级起动电阻。(1 1)估算或查出电枢电阻)估算或查出电枢电阻 ;(2 2)根据过载倍数选取最大转矩)根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ;(3 3)选取起动级数)选取起动级数 ;(4 4)计算起动电流比:)计算起动电流比:取整数取整数(5
14、 5)计算转矩)计算转矩:,校验校验:如果不满足,应另选如果不满足,应另选 或或 值并重新计算,直到满足该条件为止值并重新计算,直到满足该条件为止.计算各级起动电阻的步骤:计算各级起动电阻的步骤:2.3.2 2.3.2 降压起动降压起动 当直流电源电压可调时,可采用降压方法起动当直流电源电压可调时,可采用降压方法起动。起动时,以较低的电源电压起动电动机,起动电流随电源起动时,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渐增大,再逐渐提高
15、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。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。动过程能量损耗小,因此得到广泛应用。2.4 他励直流电动机的制动 当电磁转矩的方向与转速方向相同时当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状电机运行于电动机状态态;当电磁转矩方向与转速方向相反时当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。电机运行于制动状态。2.4.1 能耗制动电动电动制动制动电动状态,如图所示。电动状态,如图所示。
16、将开关将开关S S投向制动电阻投向制动电阻 上即实现制动上即实现制动.由于惯性,电枢保持原来方向继续旋由于惯性,电枢保持原来方向继续旋转,电动势转,电动势 方向不变。由方向不变。由 产生的电枢产生的电枢电流电流 的方向与电动状态时的的方向与电动状态时的 方向相方向相反反,对应的电磁转矩对应的电磁转矩 与与 方向相反方向相反,为为制动性质制动性质,电机处于制动状态。电机处于制动状态。制动运行时,电机靠生产机械的惯性力的制动运行时,电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电,将生产机械储存的动能转换成电拖动而发电,将生产机械储存的动能转换成电能,消耗在电阻上,直到电机停止转动。能,消耗在电阻上,直到电机停
17、止转动。能耗制动时的机械特性为:能耗制动时的机械特性为:电动机状态工电动机状态工作作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载,电机停转。负载,电机停转。若电动机若电动机带位能性带位能性负载负载,稳稳定工作点定工作点 制动电阻越小,制动电流越大。制动电阻越小,制动电流越大。选择制动电阻的原则选择制动电阻的原则是是 能耗制动操作简单能耗制动操作简单,但随着转速下降但随着转速下降,电动势减小电动势减小,制动电流制动电流和制动转矩也随着减小和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机制动效果变差。若为了尽快停转电机,可可在转速下降到一定
18、程度时在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻,增大制动转矩。增大制动转矩。改变制动电阻改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。越小越小,特性曲特性曲线的斜率越小线的斜率越小,起始制动转矩越大起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。其中其中 为制动瞬间的电枢电动势。为制动瞬间的电枢电动势。2.4.2 2.4.2 反接制动反接制动电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动电动电动制动制动 开关开
19、关S S投向投向“电动电动”侧时,电枢接正极侧时,电枢接正极电压,电机处于电动状态。进行制动时,开电压,电机处于电动状态。进行制动时,开关投向关投向“制动制动”侧,电枢回路串入制动电阻侧,电枢回路串入制动电阻 后,接上极性相反的电源电压,电枢回路内后,接上极性相反的电源电压,电枢回路内产生反向电流:产生反向电流:反向的电枢电流产生反向的电磁转矩,从反向的电枢电流产生反向的电磁转矩,从而产生很强的制动作用而产生很强的制动作用电压反接制动电压反接制动。电压反接制动时的机械特性为:电压反接制动时的机械特性为:曲线如图中曲线如图中 所示。所示。工作点变化为:工作点变化为:。制动过程中制动过程中 、均为
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