船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)課件

1、第七章 電力拖動(dòng)基礎(chǔ)本節(jié)概述電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中作為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工 作。電力拖動(dòng)系統(tǒng)有兩種運(yùn)行狀態(tài)：一是相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)， 此時(shí)電動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)；二是過渡狀 態(tài)，如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向改變時(shí)，轉(zhuǎn)速處于加 速或減速的顯著變動(dòng)狀態(tài)。 分析、研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的主要依據(jù)是：1） 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f（T），即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁 轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律；2）生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n=f （TL），即生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 返回第1頁，共53頁。本章主要講解內(nèi)容第一節(jié) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的基本概念第二節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)與調(diào)速第三節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)與調(diào)速

2、第七章 電力拖動(dòng)基礎(chǔ)第2頁，共53頁。負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(TL)特性.大致可歸納為恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩兩類 一、 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 (1) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特 性: 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用方向總是與運(yùn)動(dòng)方向相反, 始終是阻礙運(yùn)動(dòng)的. 1. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性第一節(jié) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的基本概念第3頁，共53頁。(2) 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性: 負(fù)載轉(zhuǎn)矩是受重力作用而產(chǎn)生的, 其負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小和作用方向始終保持不變, 不受轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的影響.第4頁，共53頁。 (2) 恒功率型負(fù)載機(jī)械特性: 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比, 而兩 者之積(功率)近似保持不變。2. 變轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特

3、性 (1) 通風(fēng)機(jī)型負(fù)載機(jī)械特性: 其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。第5頁，共53頁。船舶起貨機(jī)的多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是反抗性摩擦轉(zhuǎn)矩，當(dāng)起升重物時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩是位能轉(zhuǎn)矩與反抗轉(zhuǎn)矩之和TL，而下放重物時(shí)則是兩者之差TL/。第6頁，共53頁。1.電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向的關(guān)系， 分為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。 二、 電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行方程式 第7頁，共53頁。簡(jiǎn)單拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用如下的運(yùn)動(dòng)方程來描述, 即 機(jī)械角速度=2n/60, Jkgm2為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, GD2Nm2為系統(tǒng)的飛輪矩, 這兩者之間的關(guān)系為 J=GD2/4g, 重力加速度常數(shù)g=

4、9.81m / s2.2. 電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式 第8頁，共53頁。電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與工作機(jī)構(gòu)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tc的關(guān)系為多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)化簡(jiǎn)為等效的單軸系統(tǒng)第9頁，共53頁。根據(jù)系統(tǒng)儲(chǔ)存的總動(dòng)能不變的原則可進(jìn)行等效飛輪矩的折算. 電動(dòng)機(jī)軸上總的等效動(dòng)能應(yīng)等于各軸的動(dòng)能之和 從而可得折算到電動(dòng)機(jī)軸上的單軸等效飛輪矩為 當(dāng)T=TL時(shí), dn/dt=0, 系統(tǒng)以不變的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行. 只要TTL, 則dn/dt0, 從而使系統(tǒng)處于加速或減速的變化狀態(tài). 第10頁，共53頁。穩(wěn)定工作點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)受到諸如電壓的波動(dòng)、負(fù)載的變化等擾動(dòng)時(shí), 將引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化. 若轉(zhuǎn)速升高所引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于

5、負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩, 或減速引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩, 其作用都是力圖阻止轉(zhuǎn)速的偏離, 因而擾動(dòng)消逝后它將能夠恢復(fù)到原平衡點(diǎn). 3.電力拖動(dòng)系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行的條件 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)是系統(tǒng)的一個(gè)平衡點(diǎn),系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行的條件為：在該交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上有TTL，而在交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之下TTL 。 第11頁，共53頁。一、 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第二節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)與調(diào)速1.（1） 鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)全電壓直接起動(dòng) 起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T=Tst，TL=TLst，根據(jù)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式，此時(shí)T0，拖動(dòng)系統(tǒng)由靜止開始加速起動(dòng)。在加速過程中T的變化規(guī)律是從a點(diǎn)沿曲線變

6、化到b點(diǎn)，TL的變化規(guī)律是從C點(diǎn)沿油線變化到b點(diǎn)。在轉(zhuǎn)速從零加速到nb的過程中，T始終大于TL直到b點(diǎn)，T = TL，T=0，起動(dòng)過程結(jié)束，拖動(dòng)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速nb穩(wěn)定運(yùn)行于b點(diǎn)。 第12頁，共53頁。深槽式轉(zhuǎn)子的槽形窄而深。正常運(yùn)行時(shí)有轉(zhuǎn)差率小而效率高的優(yōu)點(diǎn)。 1) 高轉(zhuǎn)差率鼠籠電動(dòng)機(jī)2) 深槽式和雙籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條采用截面小而電阻率大的合金鋁或黃銅制成.這種電動(dòng)機(jī)適于拖動(dòng)沖擊性轉(zhuǎn)矩負(fù)載或起重機(jī)械。用于拖動(dòng)一些船舶甲板機(jī)械, 如錨機(jī)等。（2） 改善起動(dòng)性能的特殊三相異步電動(dòng)機(jī) 第13頁，共53頁。異步電動(dòng)機(jī)可通過采用雙鼠籠式或深槽式等特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，以改善全電壓直接起動(dòng)性能。這兩種類型的

7、異步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，而起動(dòng)電流較小。 起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子頻率較高，電流的“趨膚效應(yīng)”使轉(zhuǎn)子電流大部分集中在雙鼠籠式的上籠，或深槽式轉(zhuǎn)子的槽口部分，使得轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)出較大的電阻值，而相比普通電動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子頻率變得很小，電流的“趨膚效應(yīng)”消失，轉(zhuǎn)子繞組所呈現(xiàn)的電阻值與普通電動(dòng)機(jī)相仿。 第14頁，共53頁。圖7-8 深槽式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子槽形及機(jī)械特性雙鼠籠式和深槽式異步電動(dòng)機(jī)既有轉(zhuǎn)子電阻增大所帶來的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大、起動(dòng)電流減小的優(yōu)點(diǎn)，又可避免正常運(yùn)行時(shí)因轉(zhuǎn)子電阻增大而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的特性曲線變軟。 圖7-7 雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽形及機(jī)械特性第

8、15頁，共53頁。中小型鼠籠式電機(jī)起動(dòng)電流為額定電流的5 7 倍。原因：起動(dòng)時(shí)n=0 ，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割磁力線速度很大。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)定子電流 轉(zhuǎn)子電流 大電流使電網(wǎng)電壓降低 影響：頻繁起動(dòng)時(shí)造成熱量積累 電機(jī)過熱影響其他負(fù)載工作第16頁，共53頁。2、起動(dòng)方法直接起動(dòng)是將三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組經(jīng)開關(guān)直接與三相電源接通. Y 起動(dòng)自耦降壓起動(dòng) （2）降壓起動(dòng) （ 3）轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng) （繞線式）定子電路串電阻器或電抗器 （1）直接起動(dòng)第17頁，共53頁。 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作方便; 缺點(diǎn)是起動(dòng)電流大。（1）直接起動(dòng) 允許直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量限制. 當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量不超過專用電源變壓器容量的20(對(duì)頻繁

9、起動(dòng)的)或30(對(duì)不經(jīng)常起動(dòng)的)時(shí)允許直接起動(dòng). 動(dòng)力和照明共用電源變壓器的, 電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的電壓降應(yīng)不超過額定電壓的5。 在船上船舶異步電動(dòng)機(jī)大多是由船舶發(fā)電機(jī)直接供電,允許直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)發(fā)電機(jī)容量的60。第18頁，共53頁。（2）降壓起動(dòng)1）星形三角形（Y ）降壓 起動(dòng)2）自耦變壓器（起動(dòng)補(bǔ)償器）降壓起動(dòng)3）軟起動(dòng)第19頁，共53頁。 正常運(yùn)行AZBYXC 起動(dòng)ABCXYZ設(shè)：電機(jī)每相阻抗為第20頁，共53頁。Y 起動(dòng)應(yīng)注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機(jī)。 所以降壓起動(dòng)適合于空載或輕載起動(dòng)的場(chǎng)合（2）Y 起動(dòng)，IST時(shí)，TST也第21頁，共53頁。較大容量的或

10、正常運(yùn)行時(shí)為星形連接的鼠籠電動(dòng)機(jī)常采用自耦變壓器降壓起動(dòng)。自耦變壓器的降壓系數(shù)ka=U2/Un, 其副邊通常提供幾個(gè)不同降壓系數(shù)的抽頭供選擇.起動(dòng)電流Ista與直接起動(dòng)的電流Ist的關(guān)系為：降壓起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比直接起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：第22頁，共53頁。電子軟起動(dòng)器起動(dòng)的五種方法：（1）限流或恒流起動(dòng)方法。用電子軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)起動(dòng) 時(shí)限制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流或保持恒定的起動(dòng)電流， 主要用于輕載軟起動(dòng)。（2）斜坡電壓起動(dòng)方法。用于電子軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電動(dòng) 機(jī)起動(dòng)時(shí)定子電壓由小到大斜坡線性上升，主要 用于重載軟起動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)矩控制方法。用電子軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，起動(dòng)的平滑性 好，能夠降

11、低起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是較好的重 載軟起動(dòng)方法。第23頁，共53頁。（4）轉(zhuǎn)矩加脈沖突跳控制起動(dòng)法。此方法與轉(zhuǎn)矩控制 起動(dòng)方法類似，其差別在于：起動(dòng)瞬間加脈沖突 跳轉(zhuǎn)矩以克服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑 上升。此法也適用于重載軟起動(dòng)。 （5）電壓控制起動(dòng)法。用電子軟起動(dòng)器控制電壓以保 證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是較好的 輕載軟起動(dòng)方法。第24頁，共53頁。 3.線繞式轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)定子RRR線繞式轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)將適當(dāng)?shù)腞串入轉(zhuǎn)子繞組中，起動(dòng)后將R短路。第25頁，共53頁。 3. 能耗制動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)方法有兩類:機(jī)械制動(dòng)(如電磁鐵制動(dòng)器、液壓制動(dòng)器)電氣制動(dòng)（電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

12、動(dòng)方向相反）電動(dòng)機(jī)的基本制動(dòng)方式有三種:1. 反接制動(dòng)2. 回饋(發(fā)電)制動(dòng)二、 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 第26頁，共53頁。異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)分為電源反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種。反接制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，即與的符號(hào)相反，因此電動(dòng)機(jī)分別運(yùn)行于正轉(zhuǎn)電動(dòng)特性曲線向第IV象限的延伸段或反轉(zhuǎn)電動(dòng)特性曲線向第II象限的延伸段。1. 反接制動(dòng)第27頁，共53頁。交流異步電動(dòng)機(jī)的電源反接制動(dòng)特性下圖所示。(1) 電源反接制動(dòng)第28頁，共53頁。繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能負(fù)載時(shí), 用轉(zhuǎn)子電路串電阻可產(chǎn)生倒拉反接制動(dòng)。(2) 倒拉反接制動(dòng)提升負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)工作在A點(diǎn)，此時(shí)在轉(zhuǎn)子電路中串一電阻。工作點(diǎn)

13、：由ABC（n=0）D負(fù)載將等速下落第29頁，共53頁。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速(s T0 n飛車第43頁，共53頁。反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵(lì)磁電流的方向。改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流兩 者的方向不能同時(shí)變。（2）或改變電樞電流的方向。第44頁，共53頁。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)主磁通方向不變, 唯有電流I與電動(dòng)勢(shì)E方向相反時(shí), 才產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。二、直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)(3) 能耗制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的基本制動(dòng)方式有三種:(1) 反接制動(dòng)(2) 回饋(發(fā)電)制動(dòng)第45頁，共53頁。1. 反接制動(dòng)（1）電源反接制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，將其電

14、樞電壓反接，并同時(shí)在電樞回路中串入電阻，以限制換接時(shí)的電樞電流。其特性方程為 第46頁，共53頁。倒拉反接制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)帶一位能性負(fù)載TL運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（特性曲線的a點(diǎn)），若在電樞回路中串入足夠大的電阻RB，使其電磁轉(zhuǎn)矩減?。═STTL)，以致電動(dòng)機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)下進(jìn)入反轉(zhuǎn)，即機(jī)械特性曲線向第4象限的延伸段，此時(shí)電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了倒拉反接制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。 第47頁，共53頁。2. 回饋制動(dòng)（1）調(diào)速過程中出現(xiàn)的回饋制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，若對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓調(diào)速，則降壓后的特性曲線的理想空載轉(zhuǎn)速n0降低，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n因慣性而不能突變，因而電動(dòng)機(jī)便由特性曲線的a點(diǎn)過渡到曲線的b點(diǎn)而進(jìn)入制動(dòng)運(yùn)行

15、，即降壓后的機(jī)械特性曲線向第2象限的延伸段。 第48頁，共53頁。（2）位能性負(fù)載作用下產(chǎn)生的回饋制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)帶一位能性負(fù)載反向起動(dòng)（參考方向的設(shè)定參見異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)一節(jié)），則電動(dòng)機(jī)將在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩共同作用下反轉(zhuǎn)并加速直至機(jī)械特性曲線的d點(diǎn)，即為反向運(yùn)行機(jī)械特性曲線向第4象限的延伸段，如圖7-22b）所示，電動(dòng)機(jī)最后穩(wěn)定運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)。 第49頁，共53頁。切斷運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的電樞電源, 并將電樞立即與能耗制動(dòng)電阻R構(gòu)成回路。制動(dòng)時(shí)的電樞電壓為零，所以 n0= 0，其機(jī)械特性曲線是一條通過原點(diǎn)的直線。 3.能耗制動(dòng) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)第50頁，共53頁。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的表示