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1、电力拖动基础,第三章 三相异步电动机的电力拖动,3.1 三相异步电动机的机械特性,（一）物理表达式,异步机每极磁通,3.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式,3,（二）参数表达式,4,由于异步电动机的电磁功率为,由异步电动机的近似等效电路,得异步电动机的机械特性参数表达式,5,临界转差率,使 ，即可求得,最大转矩,由于,(1)最大转矩和 过载能力,过载能力,6,1）当f1 及参数一定时，最大转矩Tmax与外施电压U1的平方成正比； 2）最大转矩Tmax的大小与转子回路电阻R2无关； 3）临界转差率sm与转子回路电阻R2成正比，与漏电抗成反比，与电压大小无关； 4）当电源电压U1和频率f1
2、一定时，最大转矩Tmax与漏电抗成反比； 5）当电源电压U1和参数一定时，最大转矩Tmax随频率f1的增加而减小。,说明分析：,7,起动转矩,起动转矩倍数,(2)起动转矩和起动转矩倍数,当S=1时,1）当电源频率f1和参数一定时，起动转矩Tst与外施电压U1的平方成正比。 2）当电源频率f1和电压U1一定时，漏电抗（+）越大，则起动转矩Tst越小。 3）当转子回路电阻（包括外加电阻）与电动机的漏电抗相等时，sm1，起动转矩Tst（Tmax）为最大。可见，对于绕线式转子异步电动机，在转子回路串入适当附加电阻，可提高起动转矩。 4）起动转矩Tst随电源频率f1 的提高而减小。,说明分析：,8,（三
3、）实用表达式,因为一般sm0.10.2 所以忽略sm 得机械特性的实用表达式,可以求出,（式中 ）,9,3.1.2 三相异步电动机的固有机械特性,固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线 。,1）起始点A； 2）额定工作点B； 3）同步转速点H； 4）最大转矩点P和P。,e,e,10,1、起动点 n=0, s=1,2、额定工作点：n= nN，T=TN 随着电机容量的增大，额定转差率SN减小，当PN大于100kW时， SN=0.0140.025；容量相同，极数相同时，笼型电机的SN小于绕线式电
4、机。,3、同步转速点H ：n=ns, s=0, Te=0 为理想情况，由于空载损耗的存在，异步电机不可能工作在此点 。,4、最大转矩点P和P S=Sm, T=Tmax,11,3.1.3 三相异步电动机的 人为机械特性,e,e,特点： 1）异步电动机的同步转速ns与电压U1毫无关系。不论电压U1改变多少，ns不会改变。 2）当U1降低时，由式（35）看出电磁转矩Te与U1的平方成正比，为此最大转矩Tmax随U1的平方成正比下降。但是最大转矩对应的临界转差率sm与电压U1无关。 3）由于电磁转矩Te与U1的平方成正比，当U1降低时，起动转矩Tst都也要随U1的平方成正比降低。,12,（二）定子回路
5、串接对称电抗或电阻,定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。,e,e,13,特点： 1）电动机的同步转速ns不变，所以在定子回路串接不同的三相对称电阻Rad（或电抗Xad）时的人为机械特性都通过固有机械特性的同步转速点。 2）电动机的最大转矩Tmax、起动转矩Tst都随外串电阻或电抗的增大而减小。 3）临界转差率sm会随外串电阻或电抗的增大而减小，最大转矩点上移。,14,特点： 1）可以看出，最大转矩Tmax与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻Rad后，Tmax不变。 2）临界转差率sm R2Rad。也就是说，临界转差率sm则随转子串入电阻Rad的增大而增
6、大。 3）电动机的同步转速nS不变，所以不同Rad的人为机械特性都通过固有机械特性的同步点。,e,15,3.1.4 三相异步电动机机械特性的绘制,一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般可查到下列技术数据：,1）额定功率 （kW） 2）额定定子线电压 （V） 3）额定定子线电流 （A） 4）额定转速 （r/min） 5）额定效率 6）定子额定功率因数 7）过载倍数 8）飞轮惯量 （ ）,9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即 a）转子额定线电动势 （V） b）转子额定线电流 （A） 10）对于笼型异步电动机，
7、没有转子数据，但给出下列两个数据 a）起动转矩倍数 b）起动电流倍数,9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即 a）转子额定线电动势 （V） b）转子额定线电流 （A） 10）对于笼型异步电动机，没有转子数据，但给出下列两个数据 a）起动转矩倍数 b）起动电流倍数,16,1. 固有机械特性曲线的绘制 步骤： （1）求得 ，则Tmax=mTN （2）代入实用表达式得： 又可以求得sm （3）Tmax和sm代入式实用表达式就可以得到机械特性Tef（s）。,此外，还可能给出定子极对数p ；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为50Hz
8、，即 Hz,在已知上述数据的基础上，可用工程计算法计算异步电动机参数，然后写出机械特性的实用表达式，最后可绘制出机械特性曲线,17,若已知任一的电磁转矩Te和转差率s代入实用表达式，得 解上式，可得这种情况下最大转矩对应的临界转差率sm为： 同理，将求出的Tmax和sm代入式实用表达式就可以得到该情况下的机械特性Tef（s）。 当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，其转差率s小于额定转差率sN，因为一般情况下sN0.01- 0.05。所以 ，若忽略，式（317）可变为：,18,例题3-2 一台三相六极异步电动机，额定数据为：PN100kW，UN380V，fN50Hz，nN960 r/min。
9、忽略空载转矩T0，试求额定运行时的转差率sN和额定转矩TN，若该电动机过载倍数m2，求：（1）机械特性实用表达式； （2）绘制固有机械特性曲线。 解： （1）求实用表达式 先求同步转速: 额定转差率: 额定转矩： 临界转差率： 最大转矩:TmaxmTN2994.81989.6 Nm 机械特性的实用表达式,19,解,20,21,1. 人为机械特性曲线的绘制 （1）降低定子绕组相电压的人为机械特性的绘制 sm不变，Tmax与U1成比例变化，,22,(2)固有特性与转子回路串接对称电阻的人为机械特性的关系 固有特性与转子回路串接对称电阻R ad （或Rst等）的人为机械特性的临界转差率之比等于转子电
10、阻之比。,e,23,对应于任何同一转矩，固有特性与转子回路串接对称电阻的人为机械特性的转差率之比等于转子电阻之比。,24,（3）转子回路串接对称电阻的人为机械特性的绘制,25,起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程。 对电动机的起动性能要求： 起动转矩足够大, 起动电流尽量小， 起动设备简单、经济，操作简便。,3.2 三相异步电动机的起动,3.2.1 三相异步电动机的起动性能,26,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小。,由上述两个原因使得起动转矩不大。,起动时, ,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大起动
11、电流大的原因。,起动电流可达额定电流的47倍，短时大电流冲击，笼型转子可承受，但对电源产生冲击，起动过频繁电机会过热；起动转矩小，会使起动时间拖长，负载重时可能不能起动。直接起动适用范围：非频繁、负载较轻、电源相对电机容量足够大。,27,将电动机直接接到额定电压的电源上。,可以直接起动的条件：,起动电流倍数,起动时，,或电机容量小于7.5kW,3.2.2 三相异步电动机的直接起动,28,如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法 。 判别标准： 1.要求电网电压降落不超过1015） 2.电动机的容量小于供电变压器容量的2030。,3.2.3 定子绕组串电阻或电抗减压起动 1.电路图,29,起动
12、转矩显著减小,起动转矩、电流,30,工程实际中，往往先给定线路允许的电动机起动电流Ist的大小，再计算起动电抗Xst的大小，计算公式推导如下：,当电动机的绕组为Y接时，电动机的短路阻抗为,31,例题 33 一台笼型三相异步电动机：额定功率PN75kW，额定电压UN380V，额定电流IN136A，电动机的定子绕组为Y接，起动电流倍数KI6.5，起动转矩倍数KT1.1，供电变压器限制该电动机最大起动电流为500A。 （1）若电动机空载起动，起动时采用定子绕组串电抗器起动，求每相串入的电抗最少应是多大？ （2）若拖动TL0.3 TN 恒转矩负载，可不可以采用定子串电抗器方法起动？若可以，计算每相串入
13、的电抗值的范围是多少？ 解：（1）空载起动每相串入电抗值计算 直接起动的起动电流Ist Ist KIIN6.5136884A 直接起动电流Ist与串电抗（最小值）时的起动电流的比值a,32,因为电动机的定子绕组为Y接，所以电动机的短路阻抗ZK为 每相串入电抗Xst最小值根据式（3-34）计算为 （2）拖动TL0.3 TN恒转矩负载起动的计算 串电抗起动时最小起动转矩为 串电抗器起动转矩和直接起动转矩之比值,33,串电抗器起动电流与直接起动电流比值 起动电流 可以串电抗起动。因为 ，所以a11.825，故每 相串入的电抗最大值为 每相串入的最小值为Xst0.190时， 起动转矩 因此电抗值的范围
14、即为0.190- 0.205 。,34,3.2.4 星形三角形（Y）起动 1. 原理图,在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的 ，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的 ，而星形联结时两者则是相等的。因此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1/3 。 2. 计算方法 三角形联结时 星形联结时,35,3.2.5 延边三角形起动,36,3.2.6 自耦变压器减压起动,(1)自耦变压器电压比,(2)设直接起动时电网提供的电流为 ；则采用自耦变压器后，变压器二次侧电流为 ,变压
15、器一次侧（即电网提供）的电流为 。,设直接起动时电动机的转矩为 ，采用自耦变压器后 电动机的转矩为 。,37,3.2.7 减压起动方法的比较,38,3.2.8 绕线转子异步电动机转子回路串电阻起动（1）,1. 原理图,电动机起动时，变阻器应调在最大电阻位置，然后将定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，均匀地减小电阻，直到将电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷 。,39,（1）图解法,为简化计算，异步电动机的机械特性可视为直线,一般取,(Rst1),(Rst2),(Rst3),2. 转子串电阻分级起动的计算,40,为转子每相绕组电阻,（2）解析法,41,令,42,解：,取T1=1.7,43,转子每相各段起动电阻为,44,3.2.9 绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动,当电动机起动时，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。,图中RF（或R
