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1、电机学 Electric Machinery,西安交通大学电气工程学院 苏少平,2011.8,（异步电动机起动与调速）,141 异步电动机起动问题,一、异步电动机起动电流为什么较大？,最大,最大,大,大,大,约为额定电流的 48 倍。,二、起动电流大而起动转矩为什么不大？,起动转矩不大的原因： （1） 启动电流大，阻抗压降大，感应电势小，磁通F1也小； （2） 启动 时cosj2 很小。以上二原因导致 Tst= (1 2) TN,大,大,小,小,小,不大,142 鼠笼异步电动机的起动方法,一、直接起动,K,M,3,二、降压起动,供电变压器的容量不够大时，采取降压启动。由于转矩随电压平方下降，这
2、种方法适合于对转矩要求不高的场合。 降压起动方法主要有: (1)定子串电阻/电抗(2)Y/D起动(3) 自耦变压器降压,1. 定子串电阻/电抗器起动,K1,K2,R,UN,K1,K2,X,UN,2. 星-三角（Y/D）起动,Y 接法的启动电流,3. 自耦变压器降压起动,14-3 绕线式异步电动机的起动,降压起动在限制起动电流的同时，大大降低了起动转矩。在需要较大起动转矩的应用场合，人们不得不选择价格昂贵的绕线式异步电动机。 绕线式异步电动机的特点是可以在转子回路中接入附加电阻，改善起动和调速性能。,一、串入起动变阻器起动,二、串频敏变阻器起动,频敏变阻器实质上是一台只有初级绕组而且铁心损耗较大
3、的三相变压器。铁耗大就相当于Rm大。而铁耗即Rm对转子频率f2=sf1敏感。起动刚开始时，s较大， f2 较大， Rm 也较大；随着起动过程的进行，s逐渐变小，f2 变小，Rm 也逐渐变小。,启动完毕后，将转子回路短路。 频敏变阻器相当于一种无触点变阻器，结构简单，成本低，所以应用较为广泛。,14-4 深槽式和双笼式异步电动机,增大转子电阻可以提高起动转矩，但同时增大了正常运行的成本。 利用集肤效应原理可以设计出起动时转子电阻较大而正常运转时转子电阻不大的三相笼型异步电动机。 集肤效应对转子频率敏感，集肤效应在起动刚开始时最强，转子电阻最大；随着起动过程的进行，集肤效应减弱乃至消失，转子电阻逐
4、渐变小至正常运行值。,一、深槽式异步电动机,起动时，转子频率高，电流被挤到上笼，相当于增大了转子电阻，起到了限流和增矩的作用。 随着起动过程的进行，转子频率越来越低，集肤效应减弱，电流分布趋于均匀，相当于导体电阻逐渐减小。 起动结束后，集肤效应基本消失，电机正常运转。 上笼又称起动笼，下笼又称工作笼。,二、双笼式异步电动机,异步电动机简单、坚固、维修方便、制造容易，大量用于拖动转速基本不变的机械。 在实际应用中，许多机械需要调速，如车床、电力机车、风机、水泵等。常用闸阀控制。 为了节能，则要求设法从电机本身出发进行电气调速。 异步电动机过去被认为调速性能不好。随着电力电子技术的发展，其调速问题
5、已经基本解决，甚至可以做到优于直流电动机。 剩余的问题是降低成本、实际应用。,异步电动机有哪些调速方法？,异步电动机调速方法有： (1) 变极调速； (2) 变频调速； (3) 变转差调速。 (1) (2) 适合于鼠笼式异步电动机，(3) 用于绕线式异步电动机。,14-5 异步电动机的调速方法,14-6 异步电动机的变极调速,一、变极的概念,通过改变定子绕组的极数，达到改变电动机转速的调速方法称为变极调速。 改变定子绕组极对数的方法有： （1）定子上安放极对数不同的两套独立绕组。 （2）定子上安放一套定子绕组可变极的绕组。(单绕组变极 ) （3）在定子上安放两套独立的可变极绕组。 变极调速优点
6、：设备简单，运行可靠，机械特性较硬。缺点是调速不连续。,二、单绕组变极原理,异步电动机的极数就是电气旋转磁场的极数，电气旋转磁场的极数是由电流沿气隙圆周的分布决定的，只要改变电流分布，就可以改变极数。,少极时相序为A、B、C，即B滞后A 120电角度。 倍极后，电角度加倍，B 滞后A 240电角度。相当于相序变为A、C、B了。 为了保持转向不变，在变极时必须改变相序。,改变定子绕组的接线方式，使其中1/2绕组中的电流反向，就可以使得极对数发生改变，这种通过改变绕组连接来实现变极的方法称为反向变极法，它使一套绕组能产生两种同步转速。 三相异步电动机的定子绕组一般采用单星(Y)、双星(YY)和角形
7、()连接方法。从多级到少极可以有Y-YY、-YY、顺串Y-反串Y连接方法。,三、Y-YY连接方式,Y-YY变极调速时，输出转矩保持不变，说明这种调速方式属于恒转矩调速，适合于恒转矩负载。,三、-YY连接方式,-YY变极调速时，输出功率近似不变，说明这种调速方式属于近似恒功率调速，适合于恒功率负载。,14-7 变频调速,一、从基频下调时应满足什么条件，调速特点是什么？,降低电源频率f1时，如果电源电压U1不变，则磁通量 F 会增大，使得电机过饱和，导致电流急剧增大。 因此在降低频率f1时，必须同时降低电压U1，以保持磁通F基本不变。 实际控制方法有两种，即（1）保持 E1/ f1常数（2）保持
8、U1/ f1= 常数。 恒转矩调速方式。,二、从基频上调时调速特点是什么？,提高频率f1时，电源电压U1不变，磁通量 F 会减小，相当于直流电动机的弱磁增速。 恒功率调速方式。,14-8 调压调速,一、什么是异步电动机的调压调速？,异步电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压，即可改变电动机拖动系统的动力转矩，达到改变转速的目的。 过去主要利用自耦变压器或者饱和电抗器串联在定子三相电路中来实现调压。 目前多采用晶闸管交流调压器串在定子三相电路中来实现。 调节变压器输出电压、电抗器励磁电流、晶闸管的导通角就可调节定子绕组电压。,二、异步电动机定子电压改变时机械特性如何改变？,电磁转矩
9、和最大转矩随着与定子电压平方成正比。 出现最大转矩的转差率 sm 保持不变。 驱动恒转矩负载时，调速范围小。普通异步电动机带恒转矩负载时不宜采用调压调速。 驱动泵类负载时，可以在较大范围内调节电动机转速，取得明显的节能效果。,一、 绕线异步电动机的转子串电阻调速,给绕线式异步电动机的转子回路串入调节电阻Rtj，其机械特性曲线T= f (s)形状将发生变化。最大转矩 Tmax 的位置随所串电阻的增大而下移。,若电动机驱动恒转矩负载，本来工作于a 点，串入调节电阻Rtj后，工作点会移动到 b 点。由于a、b 点的电磁转矩相等，所以,串入电阻前后的两个稳态，电动机的阻抗没有发生变化，所以电流不变，转
10、矩也不变。由于PM=T W1 ，所以电磁功率也保持不变。而总的机械功率PW=TW 随着转速下降而减小。所减少的功率消耗在了调节电阻上。,149 绕线式转子异步电动机调速,二、串级调速的原理是什么？,电动机的动力转矩电磁转矩与转子电流大小有关，为了改变电磁转矩，可以通过给转子绕组串入电阻或者电势来改变转子电流，进而改变电磁转矩。 串入的电势 Ed 必须与转子电势 sE2 同相数同频率。 如果Ed与转子电势 sE2反相，则接入电势瞬间，转子回路合成电势 S E2 减小，转子电流减小，电磁转矩减小，电机减速，转差率增大，合成电势、转子电流、电磁转矩反升，直到与负载转矩再次平衡。则电机在较低转速下又开
11、始新的稳态运行。 如果Ed与转子电势 sE2同相，则经过瞬态调整后，电机将在较高转速开始新的稳态运行。 由于转子电势的频率随着转速变化而变化，要获得和转子同频率的附加电势，往往需要一台辅助发电机，与异步电机的转子绕组相连接，装置较为复杂。,三、什么是可控硅串级调速系统？,将工频交流电通过变压器、可控整流器、逆变器变成与转子频率一样的电势接入转子绕组，实现串级调速。通过改变可控整流器触发角的大小，改变接入的附加电势大小。,单相异步电动机,一、什么是单相异步电动机？ 单相异步电动机是指只需要单相交流电源供电的异步电动机。其特点是结构简单，使用方便。广泛应用于家电、医疗、电动工具等设备中。 与同容量
12、的三相异步电动机相比，它体积较大，运行性能稍差，仅适用于小容量电机。 单相异步电动机定子上通常有两套绕组( 主绕组m和辅绕组a ), 并在空间错开90电角度。转子结构与三相异步电动机相同。,二、单相异步电动机如何分类？ 分析表明，单相绕组产生的是脉振磁场。尽管它可以分解为两个旋转磁场；但无法产生启动转矩。 要产生启动转矩，必须利用辅绕组。如果给主辅绕组通入相差90电角度的两相电流，则相当于两相电机，就会有启动转矩。 而单相电机采用的是单相电源，必须将单相电源设法分成相位不同的两路分别接入主辅绕组中，才能产生启动转矩，这称为分相。 根据不同的分相方法，可以把异步电动机分为：电阻分相启动、电容分相
13、启动、电容运转、电容启动与运转、罩极电动机等不同的类别。,三、一相定子绕组通入一相交流电流时的产生怎样的磁场和机械特性？,一相绕组通一相电流，产生脉振磁势，可以分解成两个旋转磁势。 单独考虑每一个旋转磁势的作用时，与三相电机的作用一样，各有自己的机械特性。 两条机械特性曲线合成后对原点对称，在启动点合成转矩为零，也就是说没有启动转矩。 如果设法使它转起来，则转矩会逐渐增大，并能稳定运行。其转向由启动时转向决定。 理想空载转速小于同步转速。,四、两相定子绕组通两相交流电流时产生的磁场和机械特性是怎样的？ 两相绕组通入两相交流电时，各自产生两个转向相反的旋转磁场。两个正向旋转磁场相位接近，互相加强
14、；两个反向旋转磁场接近反相，互相削弱。 电机内部存在一个较强的正向旋转磁场和一个较弱的反向旋转磁场，其合成磁场为一个椭圆形的旋转磁场。 正反向旋转磁场强弱有别，对应机械特性不再对称，合成后具有一定的启动转矩。 两绕组的对称性和通过的电流的对称性越好，合成磁场就越接近圆形，启动转矩也就越大，理想的情况就是对称两相电机。,什么是单相电阻启动异步电动机？ 什么是单相电容分相启动异步电动机？ 什么是单相电容运转异步电动机？ 什么是单相电容启动与运转异步电动机？ 什么是罩极电机？,各类单相异步电动机,总结复习,异步电动机的起动电流为什么很大？ 异步电动机的起动转矩为什么不大？ 鼠笼式异步电动机采用什么方法起动？ 简述星三角起动法的原理？ 绕线式异步电动机采用什么起动方法？ 深槽和双鼠笼电动机是利用什么原理来改善起动性能的？ 三相异步电机的调速方法有哪些？ 单绕组变极的原理是什么？ 变极的同时为什么需要改变相序？ 变极调速通常有哪些接线方式？各有什么特点？ 变频调速从基频向上调时应注意什么？向下调时又要注意什么？ 绕线式异步电动机采用什么调速方法？ 转子串电阻调速的计算。,异步电机习题课2,P254 14-6 P255 14-8 P255 14-9,
