电机与拖动基础总复习

电机与拖动基础总复习

第二章 电力拖动系统动力学基础

1．电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成，通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。

☆

2．电力拖动运动方程的实用形式为

由电动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系： 1）当Te = TL 时， dn/dt = 0，表示电动机以恒定转速旋转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态； 2）若Te ＞TL 时， dn/dt ＞0，系统处于加速状态； 3）若Te＜TL 时， dn/dt ＜0，系统处于减速状态。 也就是一旦 dn/dt ≠ 0 ，则转速将发生变化，我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。

☆3．生产机械的负载转矩特性：

☆

dTedTL

4．拖动系统稳定运行的充分必要条件: Te=TLdndn

5 电动机工作在电动状态飞轮矩的折算

TL

TL

cLjLc

TL

☆

第三章 直流电机拖动基础

1他励直流电动机的机械特性

☆

UaIa(RaR)UaRaR

n Tn0Te

2e

CeΦCeΦCeCTΦ

2人为机械特性

☆

（1）改变电枢电压 一组平行曲线

（2）减小每极气隙磁通

特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上

（3）电枢回路串接电阻 n0=Const ；R越大，曲线越倾斜

3 他励直流电动机的起动

☆

一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是： I U

st  RN

T1)限制Ia

stCTΦNIst

st（Ist ≤ IN，  为电机的过载倍数）； 2) Tst ≥（1.1～1.2）TN ； 3) 起动设备简单、可靠。 （1）电枢回路串电阻起动

（2）减压起动

4 他励直他励直流电动机的调速

☆调速范围、静差率、平滑性

（1）串电阻调速 nUNRaRT

2e

CeΦNCeCTΦN

特点：

1）实现简单，操作方便；

2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差； 3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D ≤ 2； 4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差； 5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。 （2） 调电压调速

特点是：

☆☆

1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速； 2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好； 3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20； 4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好； 5）需要一套可控的直流电源。 （3） 弱磁调速

特点：

1）由于励磁电流I f

3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.2~1.5）nN ，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（3~4）nN ，因而调速范围窄。 5 他励直流电动机的制动

常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动三种。 （1）能耗制动 A 能耗制动过程

RaReb

nTe

CeΦNCTΦN

RaReb

nIa

CeΦN

UN

RebRa

IN

B能耗制动运行状态

(2)反接制动 A电枢反接制动

UNRaRrb

nT2e

CeΦNCeCTΦN

B 倒拉反接制动

☆

2UN

Rrb

IN

UNRaRrb

nT2e

CeΦNCeCTΦN

(3)回馈制动 A 正向回馈制动

在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程

电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行

B 反向回馈制动运行

6 他励直流电动机的四象限运行☆

第九章 交流电机拖动基础

1 机械特性的三种表达式

（1）物理表达式 TeCTΦmIrcos2

I

'r

Us

RR/sX

s

'r

2

s

X

'2r

cos2

R'r

2

R'2r

(sX'r0)

（2）参数表达式

（3）实用表达式

smsN21





TemTN

最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。

1Tem'

22πf(XX 1sr)

3npUs2

Rr'

sm

(XsXr')

异步电动机机械特性的三种表达式，其应用场合各有不同。一般物理表达式适用于定性地分析 Te 与 Φ 及 I 2 cos  2 间的关系；参数

m

表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。

☆

2 机械特性

机械特性的直线部分他机械特性的曲线部分 起动转矩

稳定运行问题：

Tst

3npUsRr'

2πf1[(RsRr')2(XsXr')2]

2

KT

TstTN

0ssN

（1）降低定子端电压的人为机械特性 特点：

☆

• 1）固有特性的同步转速不变。 • 2）最大转矩随电压的降低而

按二次方规律减小。

•

３）最大转矩对应的转差率保持不变．

（2）定子回路串三相对称电阻的人为机械特性

Tst

3npUsRr'

2πf1[(RsRr')2(XsXr')2]

2

定子回路串入电阻并不影响同步转速，但是最大电磁转矩、起动转矩和临界转差率都随着定子回路电阻值的增大而减小。 （3）定子回路串三相对称电抗的人为机械特性 （4）转子回路串三相对称电阻的人为机械特性 特点：（１）同步转速n1、

最大电磁转矩Tem不变。 （２）临界转差率sm增大。 （３）起动转矩增大．

当所串入的电阻满足

R

r'R'

sm1'

XsXr

起动转矩为最大电磁转矩

3 异步电动机的起动起动要求：

☆☆☆

（１）足够大的起动转矩。起动电流倍数KI=Ist / IN （２）不要太大的起动电流。起动转矩倍数KT=Tst /TN。

 普通的异步电动机 如果不采取任何措施 而直接接入电网起动时，往往起动电流Ist 很大，而起动转矩Tst 不足。 Ir

TeCTΦmIrcos2

Er0

2

(Rr/s)2Xr0

cos2

Rr/s

2

(Rr/s)2Xr0



Rr

(Rr)2(sXr0)2

EEIRUssss s

Es4.44f1N1kW1Φm

在起动初始，n = 0，转差率s = 1，转子电流的频率f2=sf1 ≈ 50Hz ，转子绕组的电动势sEr0=Er0，比正常运行时（s = 0.01～0.05）的电动势值大20倍，则此时转子电流Ir很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；

转子漏磁sXr0>>Rr，使得转子内的功率因数cosφ2很小，所以尽管起动时转子电流Ir 很大，但其有功分量Ircosφ2并不大。而且，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势Es和与之成正比的主磁通m减小，因此起动转矩Tst并不大。

异步电动机在起动时存在以下两种矛盾：

1）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限； 2）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能起动。

（1）小容量电动机的轻载起动——直接起动 直接起动也称为全压起动。（７.5kW） 优点：操作简便、起动设备简单；

缺点：起动电流大，会引起电网电压波动。 （2）中、大容量电动机轻载起动——降压起动 （A）星形-三角形（Y-Δ）换接起动

☆

（B）自耦降压起动

电动机端电压: Us=U2 = N2/N1U1定子电流:

Is=I2=  N 2 / N 1 I st 从电网上吸取的电流:

I1 =Ist N2/N

12

起动转矩与起动电流降低同样的倍数。 （C）串电阻（抗）起动方法 优点:起动电流冲击小， 运行可靠，起动设备构造简单； 缺点:起动时电能损耗较多。

（D）延边三角形起动方法

☆

优点：体积小、质量轻、允许经常起动等。 缺点：电动机内部接线较为复杂。

（3）小容量电动机重载起动——笼型异步电动机的特殊形式 主要矛盾：起动转矩不足。解决方法有：

（１）按起动要求选择容量大一号或更大些的电动机； （２）选用起动转矩较高的特殊形式的笼型电动机。 (A)

深槽式异步电动机

☆

(B)双笼型异步电动机

(4)中、大容量电动机重载起动——绕线转子异步电动机的起动起动的两种矛盾（起动转矩小，起动电流大）同时起作用。 如果上述特殊形式的笼型电动机还不能适应，则只能采用绕线转子异步电动机了。在绕线转子异步电动机的转子上串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大起动转矩，又减小起动电流，两种矛盾都能得到解决。

（A） 转子串接电阻起动方法

在起动时，在转子绕组中串接适当的起动电阻，以减小起动电流，增加起动转矩。

待转速基本稳定时，将起动电阻从转子电路中切除，进入正常运行。 （B）转子串接频敏变阻器起动方法

频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小

• R1为绕组的电阻，Xm为带铁心绕组的电抗，Rm是反映铁耗的等效电阻。

• 电动机刚起动时，转子频率较高, 频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，其等效电阻也因之较大，可以限制电动机的起动电流，并增大起动转矩。 4 异步电动机的调速

从定子传入转子的电磁功率Pem可分成两部分：一部分为拖动负载的

(1PemsP有效功率 P2  s) ；另一部分是转差功率 P s  m ， 与转差率成

正比。

把异步电动机的调速方法分为三类：

1）转差功率消耗型 — 全部转差功率转换成热能消耗掉。效率最低。 2）转差功率回馈型 —

☆ 转差功率的一部分消耗掉，大部分则通

过变流装置回馈电网，其效率比功率消耗型高。

3）转差功率不变型 —转差率保持不变，所以转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。

(1)转差功率消耗型异步电动机调速方法 (A) 改变定子电压调速

(B)转子电路串接电阻调速

(2)转差功率回馈型异步电动机调速方法——串级调速 1. 串级调速的基本原理

☆

Ir

sEr0EaddRr2(sXr0)2

2. 串级调速的控制方式

(1) 次同步调速方式 (2) 超同步调速方式 3. 串级调速的机械特性

Eadd2Tm2Tm

TedT1T2

(s/sm)(sm/s)(s/sm)(sm/s)sEr0

(3)转差功率不变型异步电动机调速方法 （A）变极调速——多速异步电动机

☆

（B）变频调速

1） 基频以下调速

2）基频以上调速

5 异步电动机的制动 （1）异步电动机的能耗制动☆☆

（2）异步电动机的反接制动

（A） 转速反向的反接制动

（B）定子两相对调反接制动

☆两种反接制动电动机的转差率都大于1

能量：从电网吸收电能；从旋转系统获得动能（定子两相对调反接制动）或势能（转速反向反接制动）转化为电能。这些能量都消耗在转子回路中。

（3）异步电动机的回馈制动

☆两种回馈制动电动机的转差率都小于0

能量：从旋转系统获得势能转化为电能，并回馈给电网。 6 异步电动机运行状态小结

第十章 电力拖动系统电动机的选择

1如何根据电机的铭牌进行定子的接线：

如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分两种情况讨论：

1) 铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/Δ”

2) 铭牌上标明“电压380V，接法Δ” ,在起动过程中，可接成Y型，接在380V电源上，起动完毕，恢复Δ接法。

☆

2 确定电动机额定功率考虑因素1）电动机的发热及温升； 2）电动机的短时过载能力；

☆

3）笼型异步电动机还应考虑起动能力。 3 连续工作制电动机额定功率的选择 1. 恒定负载

计算出负载所需功率PL ，选择一台额定功率PN 略大于PL 的连续工作制电动机，不必进行发热校核。

对起动比较困难（静阻转矩大或带有较大的飞轮力矩），采用笼型异步电动机或同步电动机，应校验起动能力。 2. 周期性变化负载

电动机的额定功率按下面几种等效法选择：等效电流法、等效转矩法 、等效功率法 4 电动机类型的选择

原则：在满足生产机械对过载能力、起动能力、调速性能指标及

运行状态等各方面要求的前提下， 优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。

1）对起动、制动及调速无特殊要求的一般生产机械，如机床、水泵、风机等，应选用笼型异步电动机。

2）对需要分级调速的生产机械，如某些机床、电梯等，可选用多速异步电动机。

3）对起动、制动比较频繁，要求起动、制动转矩大，但对调速性能

要求不高，调速范围不宽的生产机械， 可选用绕线转子异步电动机。 4）当生产机械的功率较大又不需要调速时，多采用同步电动机。 5）对要求调速范围宽、调速平滑、对拖动系统过渡过程有特殊要求的生产机械，可选用他励直流电动机 5 电动机额定转速的选择

（1）对连续运转的生产机械，可从设备初投资，占地面积和运行维护费用等方面考虑，确定几个不同的额定转速，进行比较，最后选定合适的传动比和电动机的额定转速。

（2）经常起动、制动和反转，但过渡过程时间对生产率影响不大的生产机械，主要根据过渡过程能量最小的条件来选择电动机的额定转速。

☆

（3）经常起动，制动和反转，且过渡过程持续时间对生产率影响较大，则主要根据过渡过程时间最短的条件来选择电 动机的额定转速。