异步电动机拖动

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1、第5章 三相异步电动机的电力拖动,5.1 三相异步电动机的机械特性,5.2 三相异步电动机的起动,5.4 三相异步电动机的制动,5.3三相异步电动机的调速,本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。,5.1三相异步电动机的机械特性,5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式,三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系n=f (Te) ，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系:s=(n1-n)/n1 ，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。,a) T型等效电路 b) 型简化等效电路,一、物理表达式,表明

2、：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。,从电磁转矩的概念出发，来推导三相异步电动机的电磁转矩公式,二、参数表达式,说明：电磁转矩与电源参数（s、f1）、结构参数（R、X、m、np）和运行参数（s）有关。,在实际计算和分析异步电动机的各种运行状态时，往往需要知道电磁转矩和电动机参数之间的关系,三相异步电动机的机械特性 曲线,当同步转速n1为正时，机械特性曲线跨第一、二、四象限。 在第一象限时，0n1, s1， n为负值， Te为正值，电机处于电磁制动状态。,在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界 转差率，可令 求得:,最大转矩与额定转矩之比

3、称为过载能力:,2、 越大， 越大； 与 无关。,1、 与 成正比； 与 无关。,3、 和 都近似与漏抗成反比,在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩:,结论：当其它参数一定时,1、起动转矩与电源电压平方成正比；,2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；,3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。,4、起动转矩倍数,三、实用表达式,工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：,将Tem和sm代入即可得到机械特性方程式。,利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：,若电动机工作在人为机械特性曲线上，已知工作点的负载转矩TL和转差

4、率s，代入电磁转矩实用公式，则 ,可以求出临界转差率sm为,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 由此可见，当ssN 时，Te与s成正比，机械特性是一条直线。,5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,一、固有机械特性,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,几个特殊点：,D,C,B,A,4.起动点D:,3.最大转矩点C:,2.额定运行点B,1.同步运行点A,二、人为机械特性,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,1. 降压时的人为机械特性,下降后, 和 均下降

5、, 但 不变, 和 减少。,如果电机在定额负载下运行, 下降后, 下降, 增大, 转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,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。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。,2、定子回路串三相对称电阻（或电抗）,32. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后, 、 不变， 增大。,在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻， 减小。,串电阻

6、后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。,除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。,例5-1 一台三相八极异步电动机数据为：额定容量PN =260kW，额定电压UN=380V，额定频率f1=50Hz，额定转速nN=722r/ min，过载能力m=2.13。 求：（1）额定转差率；（2）额定转矩；（3） 最大转矩；（4）最大转矩对应的转差率（临界转差率）；（5）s=0.02时的电磁转矩。,解：（1）同步转速为,额定转差率为,（2）额定转矩为,（3）最大转矩为,（4）临界转差率为,机械特性实用公式为,即,（5）当s0.02时转矩为,例5-2 一台三相绕线式异步电动机数据为: 额定容量

7、PN =75kW, 额定转速nN=720 r/min, 定子额定电流 IsN=148A, 额定效率 N = 90.5% , 额定功率因数cos1N=0.85, 过载倍数m=2.4, 转子额定电动势ErN =213V (转子不转时转子绕组开路电动势), 转子额定电流I2N =220A。 求: (1) 额定转矩；(2) 最大转矩；(3) 最大转矩对应的转差率；(4) 用实用转矩公式绘制电动机的固有机械特性。,解 (1) 额定转矩 TN = 9550PN /nN= 9550 75/720= 995（Nm） (2) 最大转矩 Tem = mTN = 2.4 995 = 2388（Nm） (3) 最大转

8、矩对应的转差率 先求额定转差率 sN =(n1-nN)/n1=(750-720)/750=0.04 最大转矩对应的转差率为,(4) 用实用转距公式绘制电动机的固有机械特性。 实用公式可表示为,即,对应于不同的s, 求取Te 的值, 见下表，可绘制机械特性曲线 。,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，起动电流不能太大。,1.起动电流大的原因,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.,2.起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时, ,远大于运行时的 ,转子漏抗 很大, 很低,尽管 很大,但 并

9、不大.,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.,5.2.1 三相异步电动机的起动性能分析,5.2 三相异步电动机的起动,5.2.2 三相异步电动机的起动方法,直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上，也称为全压起动。,一、小容量电动机的轻载起动直接起动,过大的起动电流对电动机本身和电网电压的波动均会带来不利影响，一般直接起动只允许在小功率电动机中使用 (PN7.5kW)；对容量较大的电动机，若能满足下式要求，可允许直接起动,式中 KI起动电流倍数，一般KI = 47；可以在产品目录查到；

10、Ist直接起动电流； IN电动机额定电流。 如果不满足上式，就不能直接起动，需采用降压起动，把电流限制到允许值。,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。而对于笼型转子异步电动机，减小起动电流的主要方法是减压起动。,二、中、大容量电动机轻载起动减压起动,（一）定子电路串电阻（抗）起动方法,三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行。,（1）接线原理图,（2）起动电流和起动转矩的分析与计算,a) 直接起动 b) 定子串电抗起动,这说明，定子

11、回路串电阻或电抗时，假设电动机起动电流需要降低到直接起动时的1/k倍，那么每相绕组的电压就降低到直接起动时的1/k倍，则起动转矩就降低到直接起动时的1/k2倍。因此这种方法只能用于空载或轻载起动。,（二）自耦变压器（起动补偿器）降压起动,起动时，定子绕组通过自耦变压器接入电源，运行时，自耦变压器被切除，定子绕组直接接入电源。,原理电路及参数计算、比较,直接起动,自耦变压器起动,用于空载和轻载，也可用于较大些的负载。,（三）星形三角形（Y-）,对于运行时定子绕组接成形的三相鼠笼式异步电动机，起动时，定子绕组Y接，起动后换成接。,原理电路及参数计算、比较,直接起动,Y-起动,只能用于空载和轻载,（

12、四） 延边三角形起动,延边三角形起动用于三相定子绕组接的鼠笼式异步电动机降压起动。,原理电路及参数计算、比较,三相鼠笼式异步电动机降压起动方法,例5-3 某三相鼠笼式异步电动机，PN=300kW, 定子Y接法，UN= 380V，IN=527A，nN= 1475r/min，KI=6.7，KT=1.5，m= 2.5。车间变电站允许最大冲击电流为1800A，生产机械要求起动转矩不小于1000Nm，试选择适当的起动方法。,解: 直接起动时起动电流和起动转矩分别为 Ist = KI IN = 6.7527 = 3531A Tst= KTTN =1.59550300/1475=2914Nm (1) 定子串

13、电抗起动时 1/k=1800/3531=0.51 Tst=(1/k2)Tst=0.5122914=757.2Nm1000Nm 所以，可以采用自耦变压器起动。 由于 ,试选64%抽头验算。64%抽头实际起动电流为 Ist =0.642 Ist=1446A 1000Nm 所以方案可行, 即可选用QJ2 型自耦变压器用64%抽头起动。,解: (1) 求起动转矩 额定转矩为 TN = 9550PN /nN= 9550150/1455=985.5 Nm 最大转矩为 Tem=mTN=2.6985.5 =2559.7 Nm 额定转差率为 sN=(n1-nN)/n1= (1500-1455) /1500=0.

14、03,例5-4 一台绕线式三相异步电动机，定子绕组Y接，四极，额定数据: f1=50Hz， PN=150kW，UN=380V，nN=1455r/ min，m=2.6，E2N=213V，I2N = 420A。 求(1) 求起动转矩；(2) 欲使起动转矩增大一倍，转子每相应串多大电阻？,临界转差率为,由转矩实用公式,起动时的转差率为 s=1，因此起动转矩为,转子每相电阻为,转子每相应串入电阻为Rpa, 则,即,解得 Rpa = 0.01,(2) 增大起动转矩，转子每相串电阻计算,串入电阻后起动转矩为 Tst=2Tst，临界转差率为sm，因此,所以串入电阻后机械特性临界转差率解得为 sm=0.325

15、（或3.09舍去）,小容量电动机重载起动时的主要矛盾是起动转矩不足，解决这一矛盾的方法有两个：一是按起动要求选择容量大一号或更大些的电动机；二是选用起动转矩较高的特殊形式的笼型转子电动机。通过改进其内部的结构，获得较好起动性能的特殊型式的笼型异步电动机，主要有高转差率笼型转子异步电动机、深槽式异步电动机、双笼型转子异步电动机等。这些特殊形式的笼型转子异步电动机的共同特点是起动转矩较大。,三、小容量电动机重载起动笼型转子电机的特殊形式,（一）高转差率笼型转子异步电动机 这种电动机的转子导条不是采用普通的铝条，而是采用电阻率较高的ZL-14铝合金， 通过适当地加大转子导条的电阻来改善起动性能，这样

16、既可限制起动电流，又可增大起动转矩。,高转差率异步电动机适用于要求起动转矩较大或带冲击性负载的机械，如剪床、冲床、锻压机。起重冶金用异步电动机用于频繁起动、制动的起重、冶金设备。力矩异步电动机适应于恒张力恒线速度传动的设备中，如卷取机。,这种电动机是靠适当改变转子的槽形，转子槽形深而窄，深度与宽度之比约为10-20，充分利用电动机起动过程中转子导条内的“集肤效应”，以达到既改善起动性能又不降低正常运行效率的目的。集肤效应是转子槽漏磁通引起转子导条的电流集挤在导条表层的效应，起动时，转子电流频率最高（f2=f1），导条中的电流密度由于集肤效应由槽口至轴方向逐渐减小，相当于减小了导体的有效面积，使转子电阻