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1、-1-,第九章 交流电机拖动基础,电机与拖动基础（第2版）,第一节 异步电动机的机械特性,第二节 异步电动机的起动,第三节 异步电动机的调速,第四节 异步电动机的制动,第五节 同步电动机的电力拖动*,-2-,引 言 本章是交流电机拖动的基础，主要以异步电动机为重点，以稳态分析为手段，讨论交流电力拖动系统的起动、调速和制动的原理、方法及性能。第一节主要介绍异步电动机的机械特性；第二节介绍异步电动机的起动性能和起动方法；第三节介绍异步电动机的调速原理；第四节介绍异步电动机的制动方法和特性；第五节讨论同步电动机的起动和调速等问题。,第九章 交流电机拖动基础,-3-,第九章 交流电机拖动基础,第一节
2、异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩Te与转速n（或转差率s）之间的函数关系。 一、机械特性的三种表达式 1. 物理表达式 在第七章我们已导出异步电动机的电磁转矩公式,（9-1）,这样，由上式可间接得到异步电动机的机械特性关系。虽然不能直接得到异步电动机的机械特性关系，但因其在形式上与直流电动机的转矩方程相似，物理概念清楚，因此被称为机械特性的物理表达式。,-4-,2. 参数表达式 根据异步电动机电磁转矩与电磁功率的关系，可以写出电磁转矩与转子电流的关系,第九章 交流电机拖动基础,（9-4）,在上式中，固定Us、f1及阻抗等参数，电磁转
3、矩只是转差率的函数，也就是异步电动机的机械特性关系 。这里，电磁转矩方程是以异步电动机参数的形式表示的，便于根据电动机参数进行计算，因此称为机械特性的参数表达式。由 便可画出Te - s曲线。,-5-,第九章 交流电机拖动基础,3. 实用表达式 实际应用时，三相异步电动机的参数不易得到，所以参数表达式使用不便。若能利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是比较粗糙，但也很有实用价值，这就是实用公式。 (1) 最大电磁转矩 在参数表达式（9-4）中令 ， 可得到最大电磁转矩,（9-5）,最大转矩对应的转差率称为临界转差率，用sm表示为,（9-6）,-6-,式中“+”号
4、适用于电动机状态；“-”号适用于发电机状态。 一般情况下， 的值不超过 值的5%，可以忽略Rs的影响。这样,第九章 交流电机拖动基础,（9-7）,也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩的绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。 上两式说明：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。,-7-,最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用 表示为,第九章 交流电机拖动基础,（9-8）,(2) 实用表达式的推导 用式（9-4）去除以式（9-5）得,因为,-8-,其中,第九章 交流电机拖动基础
5、,当定子电阻的范围为 ，q 的范围为 。 若定子电阻满足 ，就有 。所以只要满足定子电阻很小的条件上式可简化为,（9-9）,这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。,-9-,(3) 实用公式的使用 从实用公式可知，必须在知道最大转矩Tem和临界转差率sm的基础上才能进行计算。 额定输出转矩T2N可以通过额定功率PN和额定转速nN计算，在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为TN=T2N。另外，过载能力可以从产品目录中查到，这样 。 将额定工作点的sN和TN代入式（9-9），得,第九章 交流电机拖动基础,（9-10）,（9-11）,-10-,这样在实用表达式中，在按产品目录求出Tem与sm后，只剩下
6、Te与s两个未知数了。如欲绘制异步电动机的机械特性，只要给定一系列的s值，按实用表达式求出相应的Te值即可绘制出机械特性曲线。 当电动机在额定负载以下运行时，转差率s很小， ，实用表达式可进一步近似写为,第九章 交流电机拖动基础,（9-12）,由此可见，当 时，Te与s成正比，机械特性是一条直线。上式称为机械特性的近似计算公式，应用这个公式时，sm可按下式计算,（9-13）,-11-,对于异步电动机机械特性的3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 及 间的关系；参数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。 二
7、、固有机械特性 1. 固有机械特性曲线 三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变时，在定转子回路中不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。其T-s曲线（也即T-n曲线）见图9-1所示。其中曲线1为电源正相序时的机械特性曲线，此时异步电动机处于正向电动运行状态；曲线2为电源负相序时的机械特性曲线，此时异步电动 机处于反向电动运行状态。,第九章 交流电机拖动基础,-12-,异步电机的机械特性可视为由两部分组成，即当 时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分，又可称为工作部分，因为电动机不论带何种性质的负载均能稳定运行；当 时，机械特性为一曲线，称为机械特性的曲线部分，有时又称之为
8、非工作部分。但所谓非工作部分是仅对恒转矩负载或恒功率负载而言的，因为电动机这一特性段与这类负载转矩特性的配合，使电力拖动系统不能稳定运行，而对于泵类风机性负载，则在这一特性段上系统却能稳定工作。,第九章 交流电机拖动基础,-13-,2. 起动转矩 三相异步电动机起动时，即n = 0，s = 1时的电磁转矩称为起动转矩，用Tst 表示。将s = 1代入式（9-4）中，得到起动转矩,第九章 交流电机拖动基础,（9-14）,从式中看出，Tst 与电压平方成正比，漏电抗越大，起动转矩越小。将起动转矩与额定电磁转矩的比值称为起动转矩倍数，用KT 表示,（9-15）,电动机起动时，起动转矩Tst大于1.1
9、1.2倍的负载转矩就可以顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数KT = 0.81.2。,-14-,3. 稳定运行问题 三相异步电动机的机械特性在 范围内，是一根下斜的曲线。根据电力拖动系统稳定条件，三相异步电动机拖动恒转矩负载和泵类负载运行时，均能稳定运行。而在 范围，机械特性上翘，如果三相异步电动机拖动恒转矩负载将不能稳定运行。但如果是拖动泵类负载，若满足 的条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势 比正常运行时大很多。这将造成转子电流、 定子电流均很大，因此不能长期运行。所以，三相异步电动机稳定运行在 范围内，长期稳定运行在 范围内。,第九章 交流电机拖动基础,-15
10、-,三、人为机械特性 三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或增大定、转子阻抗的情况下， 所得到的机械特性称为人为机械特性。,第九章 交流电机拖动基础,1. 降低定子端电压的人为机械特性 在电磁转矩的参数表达式中，保持其它量都不变，只改变定子电压Us的大小。由于异步电动机的磁路在额定电压下工作于近饱和点，故不宜再升高电压，所以只讨论降低定子电压Us时的人为机械特性。,-16-,2. 定子回路串三相对称电阻的人为机械特性 定子回路串入电阻并不影响同步转速n1，但是最大电磁转矩Tem、起动转矩Tst 和临界转差率 sm都随着定子回路电阻值的增大而减小。,第九章 交流电机拖动基础,-17
11、-,3. 定子回路串三相对称电抗的人为机械特性 定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率， 而串电阻时电阻消耗有功功率。 4. 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性 绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路后再三相短路。转子回路串入电阻并不影响同步转速n1。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入电阻后，Tem不变。 由于临界转差率与转子回路电阻成正比，当转子串入电阻后sm增大。转子回路串三相对称电阻的人为机械特性如图9-4所示。,第九章 交流电机拖动基础,-18-,第九章 交流电机拖动基础,从图9-4看出，在转子回路中
12、串入合适的电阻，可以增大起动转矩，当所串入的电阻满足,（9-16）,则有 ，即起动转矩为最大电磁转矩，其中 。但是若串入转子回路的电阻再增加，则 ， 。因此，转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。,例9-1,-19-,第二节 异步电动机的起动 异步电动机定子绕组接入电网后， 转子从静止状态到稳定运行状态的过程，称为异步电动机的起动。 在电力拖动系统中，通常要求电动机应具有足够大的起动转矩， 以拖动负载较快地达到稳定运行状态，而起动电流又不要太大， 以免引起电网电压波动过大，而影响电网上其它负载的正常工作。 因此，衡量异步电动机起动性能的主要指标是起动转矩倍数KT=Tst
13、 /TN和起动电流倍数KI=Ist / IN。 一、异步电动机起动性能分析 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。其原因可以根据下面异步电动机的转矩公式来分析。,第九章 交流电机拖动基础,-20-,第九章 交流电机拖动基础,在起动初始，异步电动机转速为n = 0，转差率s = 1，转子电流的频率f2=sf1，转子绕组的电动势sEr0=Er0，比正常运行时（s = 0.010.05）的电动势值大20倍以上，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；其次，由于转子频率很高（f2=s
14、f1 50Hz），转子漏磁sXr0Rr，使得转子内的功率因数cos2很小，所以尽管起动时转子电流Ir 很大，但其有功分量Ircos2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。,-21-,总之，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。 因此，应根据情况，针对主要矛盾，寻求不同的解决方法。下面按4种情况分别讨论常用的异步电动机的起动方法。 二、小容量电动机的轻载起动直接起动 直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕
15、组直接接到具有额定电压的电网上,也称为全压起动。这种起动方法的优点是操作简便、起动设备简单；缺点是起动电流大，会引起电网电压波动。现代设计的笼型异步电动机，本身都允许直接起动。因此对于笼型异步电动机而言，直接起动方法的应用主要受电网容量的限制。,第九章 交流电机拖动基础,-22-,三、中、大容量电动机轻载起动降压起动 若电动机容量较大，则不能直接起动。此时，若仍是轻载起动，起动时的主要矛盾就是起动电流大而电网允许冲击电流有限的矛盾，对此只有减小起动电流才能予以解决。而对于笼型异步电动机，减小起动电流的主要方法是降压起动。 1. 星形-三角形（Y-）换接起动 Y-换接起动方法只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机，其每相绕组均引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在起动时将定子绕组接成星形，起动完毕后再换接成三
