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第十一章:电力拖动及控制
第一节:电力拖动
第二节:提升机电气控制
第三节:绕线式异步电机调速整电控制
第一节:电力拖动
一、电力拖动与自动控制基础知识
(一)电动机的机械特征
电动机的机械特性是指电动机的电磁转矩M与转速n之间的关系,即n = f(M)。对于不同类型的电动机和不同的运行条件,电动机具有各不相同的机械特性。
1、按硬度分类
机械特性的硬度说明电动机转矩随转速变化的程度,特性曲线上某一点的硬度就是该点转矩对转速的导数, β=dM/dn
一、电力拖动与自动控制基础知识
图11-1中显示出了具有不同硬度的机械特性曲线。称为绝对硬特性。转矩增加转速,转矩增加而转速保持不变的机械特性(图11-1线a)有下降的机械特性(图11-1曲线b和c的直线段)称为硬特性;
转矩增加转速下降幅度较大的机械特性(图11-1曲线d)称为软特性。
图11-1 各种电动机的机械特性
2、按电动机运行条件分类运行条件是指电动机的端电压、频率等电源参数以及励磁电流附加电阻等电机回路参数,按照运行条件分类,机械特性可分为固有特性和人为特性两种。固有特性又称自然特性,当电动机运行时电源参数均为额定值,同时电动机的回路中无附加电阻或电抗时得到的机械特性称固有特性。不具备上述运行条件的机械特性曲线统称人为特性。
(二)电动机的运行状态
电动机的运行状态可划分为稳定运行状态(或称静态)和不稳定运行状态(又称为动态或过渡过程)两种。
电动机达到某一稳定运行状态,与之相对的转速和转矩所确定的坐标点称为拖动系统的静态工作点。静态工作点表示电动机以何种转速带动工作机械稳定运行或在何种转速下电动机的轴转矩M与负载转矩ML相平衡。稳定运行条件为
M(n)= ML(n)
(三)电动机的调速
人为或自动改变电动机的转速称为速度调节,简称调速。
1、调速范围
在额定负载下稳定运行,电动机最高工作转速与最低工作转速之比称为调速范围。
D=
各种工作机械要求的调速范围各不相同。拖动系统所能达到的调速范围取决于电动机的类型以及采用的调速方法。
他励直流电动机的调速方法有降低电源电压调速、电枢串电阻调速和减弱磁调速3种。
1)三相异步电动机调速方法
根据三相异步电动机的转速表达式n=n1(1-s)=60f1(1-s)/ ,要实现三相异步时机速度的调节方法有3种方法:
(1)改变供电电源的频率f1,进行变频调速。
(2)改变定子极对数p,进行变极调速。
(3)改变电动机的转差率,进行调速,如定子调压调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速、串级调速及电磁离合器调速等。
2)异步电动机串级调速的特点
转子回路串电阻调速的缺点之一是转差功率全部消耗在转子回路电阻中。若在转子回路按一反电势(电源),把这部分转差功率取出来加以利用或反馈到电网中去,则异步电动机在调速下的运行效率将大大提高,这种调速方法称为串级调速。其特点为:
(1)系统总效率高,可达90%以上。
(2)当要求调速范围不大时,所需外加电源容量小,设备费用低。
(3 可靠性高。
(4)系统功率因数低,电气制动的特性不够理想。
3)变频调速恒磁通控制方式的特点
(1)同步转速n1随运行频率ω1变化。
(2)不同频率下机械特性为一级硬度相同的平行直线。
(3)调速范围更广。
(4)降低启动电流,有效改善异步电动机启动性能。
(四)电动机制动运行
制动,就是使拖动系统从某一稳定转速很快减速停车,或是为了限制电动机转速的升高,使其在某一转速下稳定运行,以确保设备和人身安全。
制动的方法有机械制动、电气制动和自由停车3种。而电气制动方法又分为能耗制动、反接制动和回馈制动3种。
下面介绍他励直流电动机能耗制动的机械特性及制动电阻计算。
能耗制动的机械特性方程式:
n=-[Ra+Rn/(CeCT )]T
式中 Ra——电枢电阻;
Rn——制动电阻;
Ce——电动势常数,Ce=pN/60a
CT——转矩常数,CT=pN/2=
T——电动机产生的电磁转矩。
对应的机械特性曲线是一条通过坐标原点的直线,如图11-2所示。
如果制动前电动机在固有机械特性的A点稳定运行。开始制动瞬间,转速nA不能突变,电动机从工作点A过渡到能耗制动机械特性的B点上。因为B点电磁转矩TB〈0,拖动系统在转矩(—TN—TC)的作用下迅速减速,运行点沿特性下降,制动转矩逐渐减小,直到原点,电磁转矩及转速都降到零,拖动系统停止运转。
制动电阻Rn愈小,机械特性愈平,TB的绝对值愈大,制动就愈快,但Rn又不宜太小,否则电枢电流IB和TB将超过允许值,如果将制动开始时的IB限制在最大允许值Imax,这时电枢回路外串电阻最小值为
Rn= - Ea /