第2章 电力传动系统静特性

第2章电力传动系统静特性教材：《电力传动与自动控制系统》范正翘主编北京航空航天大学出版社第2章电力传动系统静特性（回顾）他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程eaaaeaameCRIUnRIEUnCEICT转速特性：电动势平衡：感应电动势：电磁转矩：nnnTCCRCUnemee02机械特性：eemeeTTCCRnCUn20其中：特性大：表示机械特性为软特性小：表示机械特性为硬机械特性的斜率机械特性方程式：eTnn0NTn0n0nNnTNn000Tnn%100%0NNNnnnnnT由于电枢反应使磁通减小，故机械特性在负载较大时呈上翘现象，因此常在电机中主磁极上加串励绕组（稳定绕组）？电枢反应对机械特性的影响他励直流电动机的机械特性二、固有机械特性与人为机械特性1、固有机械特性指的机械特性，此时因为Ra小，故为硬特性2、人为机械特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种：a）电枢串电阻b）改变电枢电压c）减弱励磁时aNNRRUU,,TCCRCUnNTeaNeN21）电枢串电阻时的人为机械特性时RRRUUaNN,,TCCRRCUnNmeaNeN2naR1RRa2RRa1231－固有机械特性2、3－电枢串电阻人为机械特性21RR电枢串电阻的人为机械特性比固有机械特性软，但理想空载转速不变。串接不同电阻时的机械特性为交于纵坐标一点的射线族T2）改变电枢电压时的机械特性时aNRR,TCCRCUnNmeaNe2nTNU1U2U21UUUN改变电枢电压时的机械特性改变电枢电压时的人为机械特性与固有机械硬度相等，但理想空载转速随电枢电压降低而降低，不同电枢电压下的机械特性为一组平行曲线。3）减弱电动机磁通时的人为机械特性时aNRRUU,TCCRCUnmeaeN2aeaeNaICRCUnIfn)(naISCInTscNT1scT2scTN1221N曲线不同时的)(aIfn曲线不同时的)(TfnN12三、机械特性的绘制两点法：理想空载及额定运行1）理想空载点其中而对于已有电动机可以实测，无电机时也可以用经验公式：2）额定运行点NeNCUn0NaNNNenRIUCaR2)32~21(NNNNaIPIURNNeNNmNICICT55.90()()NTTTnfTnfT四、机械特性的求取固有特性的求取已知，求两点：1）理想空载点（）和额定运行（）。具体步骤：（1）估算：;（2）计算：；（3）计算理想空载点：；（4）计算额定工作点：人为特性的求取在固有机械特性方程n=n0-βTe的基础上，根据人为特性所对应的参数Ra或U或Φ变化，重新计算n0和β，然后得到人为机械特性方程式。,,,NNNNPUIn,,,NNNNPUIn00,eTnn,eNNTTnnaR211()23NNNaNUIPRIeNmNCC和eNNNNNCUIPn=()9.55mNeNCC00,eNeNTnUC00,eNeNTnUC,NmNNNTCInn四、电力拖动稳定运行的条件（须补充）nTA1zTB2zT1、必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点2、充分条件：干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来的稳定点在交点所对应的转速之上保证TTz,,在交点所对应的转速之下保证TTz直流电动机启动过程中各物理量变化：eT,0(),0,LaaeeLTdndtnEITdndtTTdndt通电静止（n=0）如则加速变慢达到稳定值。不同负载对启动要求：1.启动转矩要大，启动要快；2.启动电流小；控制方便；能耗小。2.1他励直流电动机的起动2.1他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动方法起动时先必须保证先加励磁，后加电枢电压，为限制起动电流（为什么），常采用降低电枢电压起动：1）、对于电源可调的：起动时降低电源电压，随着转速升高，电源电压也升高。保证电流在允许范围内。2）、电枢串电阻起动。起动时在电枢中串接电阻，随转速的升高，分级切除电阻，保证电流在允许范围内。0,0aaaaEnREUI则，又起动时是额定电流的十几倍直接起动时aI电枢串电阻分级起动过程：1aInT1QT2QTLTbacdefg起动时，串接所有外接电阻，机械特性为1，起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转速沿机械特性1开始上升，在b点处切除部分外接电阻，机械特性变为2，设计恰当时，转矩又增大到c点，转速再次上升，在d点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为3继续升速，直到g点稳定，起动完毕。1232R1RaRh2aI1aIaI二、他励直流电动机起动电阻的计算从b点切换到c点时同理，从d点切换到e点，有：故两级起动有：推广到m级起动，有：nT1QTzTbacdefg1232R1RaRh22REUIb11REUIccbnncbEE1221RRII2QTaRRII121aRRRRII11221mamammmmRRRRRRRRII121121...三、他励直流电动机起动的过渡过程在起动过程中，在电动机中过渡过程中同时存在着一些惯性：1）机械惯性：飞轮力矩使转速不能突变。2）电磁惯性：电枢回路及励磁回路中的电感阻止电流突变。3）热惯性：电机工作温度不能突变。都是时间的函数都是随时间变化的，即、、、PITn（一）起动的机械过渡过程1、电枢串固定电阻起动的过渡过程TtMtKeIIza)1(TtMtennzaImaxIzItonznottMT数电力拖动的机电时间常22375TetMCCRGDT)(tfIa)(tfn2、电枢串多级电阻起动的过渡过程3、加速起动过程的途径：起动过程延迟的原因：1）系统本身机械惯性大，机电时间常数大2）起动电流过渡过程呈衰减。加速起动过程的途径：a）减小机电时间常数b）改善起动过程中的电流波形111)1(TtMtTtMteIeIIza（二）电枢电路电感对起动过程的影响电枢电路电感使得电流与转速上升延迟、起动产生振荡。)1(TtateIIscaaataRLT电磁时间常数2.2他励直流电动机的制动电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相反，电动机吸收机械能并转化为电能。自由停车：断开电动机电源，拖动系统自己停车。但生产中常需要加快电动机的停车过程，提高生产效率。故必须对电动机采取一定的制动措施。他励直流电动机的制动措施主要有三种：1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。一、能耗制动＋－UEaRRZR制动状态nT电动时，K1、K2闭合，K3断开，电机转矩T与转速n方向相同1K1K2K3K能耗制动时，K1、K2断开，再接通K3，电机的转速方向不变，但转矩T的方向改变，电机作为发电机，将机械能转化为电能，然后在Rz上消耗掉。电枢电流与机械特性分别为＋－UEaZR电动状态Tn2K3KaIaIzaaRREaITCCRRnTeza2由机械特性可知：n为正时，转矩为负。TCCRRnTeza2n1naRzaRRzaRR1IaI0n能耗制动时的机械特性对制动电阻Rz的讨论：1、Rz越小，制动越快。但制动始时的制动电流大。2、若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：NNNNzaIUIERR22aNNzRIUR2若电机带位能性负载，则电机在转速为0后，反方向加速，则电动势、电枢电流及转矩都反向。能耗制动时的过渡过程：由可得：)(tfn)(tfITCCRRnTeza2dtdnGDTTz3752222)(375)(TezazTezaCCRRTdtdnCCRRGDn22375)(TezatMCCRRGDT令：2)(,TezazzzzCCRRTnnnTT则时，ztMnndtdnT二、反接制动反接制动有两种方法：（一）转速反接的反向制动电机带位能性负载的反接制动状态反接时不改变电路状态，但串接了一个电阻，则电动机的起动转矩小于负载转矩，电机在负载作用下转动，电机以与电机的转矩方向相反的方向转动。即电机的转矩方向与电动状态方向相同，但此时转速逆于电机转矩，电机为制动状态。好像是电机的电枢被反接。故也称为反接制动状态。＋－UEaRTnGaIn＋－反接制动的电枢电路的电压平衡：反接制动的的功率传送：电阻消耗功率＝电网输入功率＋机械功率转化的电磁功率反接制动的机械特性：aaaaEUEURRI)()(TCCRRnnTea20nTstTZToaaaaaIEUIRRI)(2二、反接制动（二）电枢反接的反向制动制动时，断开接通，即将电枢串接电阻后反接到电源上。则电枢电流与机械特性为：11KK、22KK、zaazaaaRREURREUITCCRRnnTea20若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：NNNNNNNaIUIUIEURR222aNNRIUR＋－EaTaIn1K2K1K2KR＋－三、回馈制动（再生制动）1、位能负载拖动电动机＋－－UEa1KTnGaIn1K－＋在反向制动状态时：当电机在负载拖动下的转速高于理想空载转速时：0nnUEa电流Ia由电源的正端流出，即向电机外发电，向电网回馈电能，同时电机转矩与转动反向相反，为制动。故称为回馈制动。aI＋－－UEa1KTnGn1K－＋反向电动状态2、他励电动机改变电枢电压若电动机在带负载运行过程中，突然降低电枢电压，由于转速来不及变化。有：则电枢电流也会发生改向，也是从电源正端流出，即出现回馈制动。UEanTZTZTNU1U2U3U3n2n1n1nNn2.3他励直流电机的调速一、他励直流电动机的调速方法1、改变电枢电压：1）电枢串电阻、2）降低电源电压2、改变励磁磁通：减小励磁电流二、调速原理eaaaaaaeaCRRIUnRRIUnCE)()(2.3他励直流电动机的调速调速指标调速指标调速指标1iinn一、调速方法（1）一、调速方法（1）一、调速方法（2）一、调速方法（2）一、调速方法（3）一、调速方法（3）三种调速方法的对比电枢串电阻缺点：不经济，调速不平滑，为有极调速，机械特性硬度低，调速范围不大优点：方法简单；控制设备不复杂降低电源缺点：设备投资大，控制复杂优点：调速平滑，机械硬度高，调速范围广。调速性能最好。弱磁缺点：调速范围不大，一般与降压配合应用。优点：在功率小的系统中调节方便，效率较高。调速时的转矩和功率调速时的转矩和功率1、恒转矩负载配恒转矩调速2、恒功率负载配恒功率调速3、恒转矩负载配恒功率调速4、恒功率负载配恒转矩调速5、风机型负载与两种调速方式的配合总结例1小车运行2.5直流串励电动机的电力传动一、直流串励电动机的机械特性1.固有特性ABCeTno磁通未饱和磁通饱和2.5直流串励电动机的电力传动UDCM1R2RC2C1aR22aRRR121aRRRR例2-1他励直流电动机的例2-2（1）串电阻时电阻及效率计算（2）应调电压及效率计算思考题1例2-3例2-4结束