電力拖動(dòng)系統(tǒng)方案與電動(dòng)機(jī)選擇

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1、第13章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的方案與電動(dòng)機(jī)選擇劉錦波山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院電力拖動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇；電動(dòng)機(jī)的選擇：電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱與冷卻規(guī)律、電動(dòng)機(jī)的工作制以及各種工作方式下電動(dòng)機(jī)額定功率的選取。內(nèi)容簡(jiǎn)介13.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇電力拖動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、供電電源、控制設(shè)備以及生產(chǎn)機(jī)械組成。因此，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本方案選擇時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：電力拖動(dòng)系統(tǒng)供電電源的考慮；電動(dòng)機(jī)的選擇；電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載配合的穩(wěn)定性考慮；調(diào)速方案的選擇；電力系統(tǒng)的起、制動(dòng)方法、正、反轉(zhuǎn)方案的選擇；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的考慮，主要包括電網(wǎng)功率因數(shù)的考

2、慮、調(diào)速方案的選擇以及電網(wǎng)污染的考慮；電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制策略的選擇；可靠性的考慮。A、電力拖動(dòng)系統(tǒng)供電電源的考慮電力拖動(dòng)系統(tǒng)的供電電源可分為三大類：交流工頻50Hz電源；獨(dú)立變流機(jī)組電源；電力電子變流器電源。其中，電力電子變流器電源指的是由各類電力電子器件組成的整流器（直流電源）、變頻器、交流調(diào)壓器（交流電源）以及各式各樣的逆變器等。B、電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮電機(jī)與所拖動(dòng)的負(fù)載只有合理配合，才能確保電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。借助于電動(dòng)機(jī)所提供的機(jī)械特性和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性便可以對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行情況進(jìn)行判別。圖13.1給出了

3、由各種電動(dòng)機(jī)組成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，旨在對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判別。圖13.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合C、調(diào)速方案的選擇電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性決定了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速方式，而且每一種調(diào)速方式又具有不同的調(diào)速性質(zhì)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性應(yīng)與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性相一致，才能使電動(dòng)機(jī)的功率得到充分利用。對(duì)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，可以采用電樞回路串電阻調(diào)速、電樞調(diào)壓調(diào)速以及弱磁調(diào)速。從調(diào)速性質(zhì)來(lái)看：電樞回路串電阻調(diào)速與電樞調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)，因而適應(yīng)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；而弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速性質(zhì)，因而適應(yīng)于恒功率負(fù)

4、載。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，只有改變同步電動(dòng)機(jī)的供電頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。為確保電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁通以及最大電磁轉(zhuǎn)矩不變，一般要求在改變定子頻率的同時(shí)改變定子電壓。一旦供電頻率超過(guò)基頻以上，則保持供電電壓為額定值不變。從調(diào)速性質(zhì)來(lái)看：基頻以下屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適應(yīng)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；而基頻以上則屬于恒功率調(diào)速，適應(yīng)于恒功率負(fù)載對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，可以采用變頻調(diào)速、變極調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，轉(zhuǎn)差率的改變可以通過(guò)改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、在轉(zhuǎn)子繞組上施加轉(zhuǎn)差頻率的外加電壓（如雙饋調(diào)速與串級(jí)調(diào)速）等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。從調(diào)速性質(zhì)來(lái)看：變頻調(diào)速與變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適應(yīng)于

5、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；而變極調(diào)速則屬于恒功率調(diào)速，適應(yīng)于恒功率負(fù)載。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速則視具體調(diào)速方式有所不同，其中，改變定子電壓的調(diào)速方式既非恒轉(zhuǎn)矩也非恒功率調(diào)速，而轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速則屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，雙饋調(diào)速則屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。D、起、制動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)與相應(yīng)方案的選擇電力拖動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程包括起、制動(dòng)、正、反轉(zhuǎn)、加減速以及負(fù)載變化等，它與系統(tǒng)的快速性、生產(chǎn)率的提高、損耗的降低、可靠性的保證等密切相關(guān)。a、起動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)起動(dòng)過(guò)程的基本要求是：電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流要有一定限制，以免影響周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于鼠籠式異步機(jī)，其

6、起動(dòng)性能較差。容量越大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)越低，起動(dòng)越困難。若普通鼠籠式異步機(jī)不能滿足起動(dòng)要求，則可考慮采用深槽轉(zhuǎn)子或雙鼠籠轉(zhuǎn)子異步機(jī)。若起動(dòng)能力不能滿足要求，可考慮采用軟起動(dòng)或變頻起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)與繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流是可調(diào)的，僅需考慮起動(dòng)過(guò)程的快速性。而同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和牽入同步則較為復(fù)雜，通常僅適用于功率較大的機(jī)械負(fù)載。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，可以采用變頻、輔助電動(dòng)機(jī)或自耦調(diào)壓器起動(dòng)。b、制動(dòng)制動(dòng)方法的選擇主要應(yīng)從制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)實(shí)現(xiàn)的難易程度以及經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面來(lái)考慮。對(duì)于交、直流電動(dòng)機(jī)（串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)除外），均可考慮采用

7、反接、能耗和回饋三種制動(dòng)方案。c、反轉(zhuǎn)對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)的要求是：不僅能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)，而且正、反轉(zhuǎn)之間的切換應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)、連續(xù)。一般來(lái)講，直流電動(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)越。但隨著電力電子變流器技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等均可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)之間的平滑切換。d、平穩(wěn)性與快速性根據(jù)第3章，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程式可表示為：（13-4）利用上式便可得到電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)或調(diào)速過(guò)程所需要的時(shí)間表達(dá)式為：（13-5）結(jié)論：若希望縮短起、制動(dòng)過(guò)程，應(yīng)使盡可能大。這是選擇電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要依據(jù)。從運(yùn)行的平穩(wěn)性上看，則希望電動(dòng)機(jī)的慣量與負(fù)載慣

8、量相匹配，亦即電動(dòng)機(jī)的慣量要超過(guò)負(fù)載的慣量，即：（13-6）若負(fù)載慣量是變化的（如工業(yè)機(jī)械手負(fù)載等），為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，則要求負(fù)載飛輪矩的變化量應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)飛輪矩的1/5，即：（13-7）為了提高電動(dòng)機(jī)的力矩慣量比，可選用小慣量電動(dòng)機(jī)。但根據(jù)慣量