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1、1,第7章 三相异步电机的电力拖动,2011.04.25 第十、十一周,2,三相异步电动机的各种起动、调速和制动方法，各种方法的工作原理与相应的机械特性。,内容简介,3,7.1 三相异步电动机的起动,对三相异步电动机起动过程的要求：,要足够大 ; 不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击； 起动时间 要尽量短； 经济性: 起动设备简单，起动过程中能量消耗低。,5,为了能够在减小起动电流的同时确保起动转矩，必须采取一些起动措施。 常用的异步电机起动方法有：,直接起动 降压起动（重点） 定子串电阻或电抗降压起动 自耦变压器降压起动 Y/降压起动 软起动(自学) 高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机（了解
2、）,6,A、三相鼠笼式异步电动机的直接起动,对于 的异步电动机可以直接起动。对于额定功率超过 的异步电动机，可以根据下式来确定是否可以直接起动。,若下列条件满足：,（7-3）,则电动机可以采用直接起动。,7,B、三相鼠笼式异步电动机的降压起动,a、定子串电阻（或电抗）的降压起动,定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压，可以达到减小起动电流的目的。 但考虑到起动转矩与定子电压的平方成正比，起动转矩会降低更多，因此，这种起动方法仅适用于轻载起动、且容量较小的电机。,8,b、自耦变压器的降压起动,图7.1 自耦变压器的降压起动,图7.2 自耦变压器降压起动时的一相电路,起动时电网侧的电流,
3、9,与额定电压直接起动相比，降压起动时定子绕组的电压降低为 ， 于是二次侧有：,其中， 是定子电压为 时的起动电流； 为定子电压 时的起动电流；,图7.2 自耦变压器降压起动时的一相电路,起动时电网侧的电流,忽略激磁电流，由变压器的磁势平衡方程式得：,10,起动转矩正比于定子绕组外加电压的平方( )，因此，降压前、后起动转矩的比值为：,即：,结论： 与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时，电压减低 倍，则起动电流和起动转矩均降低 倍。,11,c、星-三角（ ）降压起动,概念: 对于正常运行采用 形联结的三相鼠笼式异步电动机，起动时可改接成 形联结，则定子每相电压可降为电源电压的 ，从而实现
4、降压起动，这种方法被称为 起动。,笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图,12,13,结论： 采用 降压起动时，电网所承担的起动电流和起动转矩均为直接起动时的 。,很显然， 降压起动相当于自耦变压器降压起动抽头为 的情况。,14,请问：,（7.1）三相异步电动机分别采用定子串电抗器、Y/起动和自耦调压器降压起动时，其起动电流、起动转矩与直接起动相比有何变化？,答：,15,D、高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机（自学，了解）,基本思想： 通过适当增大起动时转子导条的电阻，达到既降低起动电流又提高起动转矩的目的。,16,E、三相绕线式异步电动机的起动,三相绕线式异步电动机的转子绕组可以通过电刷和滑
5、环外串三相对称电阻（见图7.8），达到降低起动电流并同时提高起动转矩的目的。起动结束后，通过集电环将外串电阻短路，以确保电机的运行效率不受影响。,图7.8 绕线式异步电动机转子串电阻的起动接线图,主要有两种转子外串电阻的起动方法：,a、转子串电阻的分级起动 b、转子串频敏变阻器的起动,17,a、转子串电阻的分级起动,为了确保起动过程尽可能平稳，传统的绕线式异步电动机多采用逐级切除外串转子电阻的方法进行起动。图7.9a、b分别给出了转子外串三级电阻起动时的接线图与相应的机械特性。,图7.9 绕线式异步电动机转子串电阻分级起动,K3、K2、K1依次闭合将外串转子电阻RRR依次切除。,18,当电动机
6、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， 值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及 值跟着下降，使电动机起动平滑。,b、转子串频敏变阻器的起动,19,例 一台鼠笼式三相异步电动机，PN=75kW,定子D接，nN=1480r/min，IN=139A,堵转电流倍数Ki=6,堵转转矩倍数kS1.6。负载起动转矩TL=265Nm，供电变压器要求堵转电流不大于350A。试选择合适的降压起动方法，通过计算来说明。,直接起动时的堵转转矩：,解：电动机直接起动时的堵转电流：,20,1）采用YD降压起动方法,堵转电
7、流：,堵转转矩：,堵转转矩不能满足要求，不能采用Y-D降压起动,要求起动时的转矩应大于等于1.1TL,21,2）采用自耦变压器降压起动,抽头为55时的堵转电流与堵转转矩,堵转转矩不能满足要求，不能采用该抽头。,22,抽头为64时的堵转电流与堵转转矩,堵转电流和堵转转矩均能满足要求，可以采用该抽头。,23,抽头为73时的堵转电流,堵转电流不能满足要求，不能采用该抽头。,24,请问：,（7.2）绕线式异步电动机转子回路外串电阻与没有外串电阻相比，其主磁通、定、转子电流、起动转矩如何变化？是否转子外串电阻越大，起动转矩越大？,答：,25,答：并不是转子外串电阻越大，起动转矩越大；,取适当的r2（ ）
8、使Tst=Temax，转子串电阻继续增大，起动转矩反而变小。,26,7.2 三相异步电动机的调速,三相异步电动机的转子转速可由下式给出：,(7-9),由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 变极调速； 变频调速； 改变转差率调速； 其中，改变转差率的调速方法涉及： 改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。（自学了解）,27,A、变极调速,概念: 变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的 调速方式。在一定电源频率下，由于同步速 与极对数成反 比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速
9、。,图7.11 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图,其中， 代表A相的半相绕组， 代表A相的另一半相绕组。,28,结论: 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。,为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。 变极调速只能成倍地改变极对数，转子转速也只能成倍地变化，属于有级调速。,29,结论: 对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。,变极前，若极对数为p的三相绕组空间互差120电角度，即A、B、C三相依次为0 120 240 ， 则变极后，极对数为2p的三相绕组空间互差240
10、 电角度，即A、B、C三相依次为0 240 120 ，变极前后相序发生改变。,两种典型的变极接线方法:,a、Y/YY接变极调速,b、/YY接变极调速,30,a、Y/YY接变极调速,图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线,假定变极调速前后定子的功率因数 、效率 均不变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值 ，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论： Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。,每相定子绕组半相绕组顺向串联。,31,a、Y/YY接变极调速,图7.13 Y/YY接变极调速的机械特性,串联时,并联时,32,b、/YY接变极调速,图
11、7.14 三相异步电动机 /YY 接变极调速的接线,假定变极调速前后电机的功率因数 、效率 均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值 ，则 /YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,每相定子绕组半相绕组反向并联。,33,结论： /YY接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）。,34,图7.15 /YY接变极调速的机械特性,Y形接法时，相电压是线电压的根号3分之一,35,请问：,（7.5）三相异步电动机变极调速时，为什么变极的同时必须改变供电电源相序？若保持相序不变，由低速到高速变极时，会发生什么现象？,答：变极的同时必须改变供电电源相序，是为了确保变极前后转子转向不
12、变。 设变极前，极对数为2p为低速， 0 240 120 （480 ） 变极后，极对数为p为高速；则： 0 120 240 ； 可见，变极后，如果不改变相序电机将反转。,36,B、变频调速,对变频调速的要求： （1）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和； （2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。保证电机可靠运行。,a、基频以下的变频调速,b、基频以上的变频调速,变频调速分为：,37,由 可知，要想确保主磁通 不变，可满足 , 亦即变频的同时必须调压，实现定子电压和频率的协调控制。,a、基频以下的变频调速,因而，此时电机的过载能力保持不变。,考虑到：,38,（1）保持 =常数的机械特
13、性 (与U1/f1=c比较，更为精确),根据三相异步电动机的T型等效电路，可以获得用感应电势 表示的电磁转矩的表达式为：,利用 可以获得临界转差率 和最大转矩 分别为：,上式表明：若采用 =常数控制，则最大转矩 保持不变。,39,结论:最大转矩 处的转速降 与频率无关。 亦即:在变频调速过程中，若保持 =常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。,对应于最大转矩 处的转速为：,40,图7.16 三相异步电动机变频调速时的机械特性 ( =常数),随频率减小而增大。,机械特性是平行的,41,保持 =常数可以实现严格意义上 的不变和最大转矩 不变。但考虑到定子电势 难以直接测量
14、，实际调速系统多采用 =常数代替 =常数实现变频调速。,（2）保持 =常数的机械特性,42,现分析保持 =常数时三相异步电动机的机械特性。,43,由图可见，保持 =常数，当 减小时，最大电磁转矩 将有所降低。,图7.17 三相异步电动机变频调速时的机械特性( =常数),为什么呢？,44,可见， 的降低是由定子绕组电阻 的影响所致。尤其是当 低到使得 可以与 相比较时， 下降严重。,若忽略定子绕组电阻即令 ，则式子变为：,45,对 的线性关系加以修正，提高低频时的 ，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响（见图7.18）。,图7.18 具有低频补偿的 协调关系,针对U1/f1=常数的变频调速时，r1
15、对Temax的影响，为了确保低频时继续保持主磁通不变，最好的解决措施是：,46,调速性质的分析（U1/f1=常数）,假定变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，为了充分利用电动机，每相绕组中的电流应保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论： 由于基频以下的调速过程中保持 =常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见图7.19）。,U1/f1=常数,47,图7.19 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系,48,b、基频以上的变频调速,当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压 无法进一步提高，只能保持 。,此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性仍：,49,f1 f1 f1 f1 ,最大电磁转矩：,临界转差率：,50,结论： 最大转矩 处的转速降 与频率无关，即机械特性的硬度保持不变。,图7.20 三相异步电动机基频以上变频调速时的机械特性( ),51,调速性质的分析：,假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，每相绕组中的电流仍保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论： 由于基频以上的调速过程中保持 ，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供
