电机及电力拖动第07章三相感应电动机的电力拖动课件

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1、第七章第七章 三相感应电动机的电力拖动三相感应电动机的电力拖动 7.1 7.1 三相感应电动机的机械特性三相感应电动机的机械特性 7.2 7.2 三相感应电动机的起动三相感应电动机的起动 7.3 7.3 感应电动机的电磁制动感应电动机的电磁制动 7.4 7.4 三相感应电动机的调速三相感应电动机的调速 7.5 7.5 三相感应电动机起动的过渡过程三相感应电动机起动的过渡过程 7.6 7.6 拖动系统电动机的选择拖动系统电动机的选择 7.1 7.1三相感应电动机的机械特性三相感应电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性：三相异步电动机的机械特性：指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩Te

2、与转速n（或转差率s）之间的函数关系。7.1.1 7.1.1 7.1.1 7.1.1 固有机械特性的分析固有机械特性的分析固有机械特性的分析固有机械特性的分析三相感应电动机的固有机械特性：三相感应电动机的固有机械特性：指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时，n与Tem的关系绘制出感应电动机的固有机械特性，在某一转差率Sm时，转矩有一最大值Tm，S Sm m称为临界转差率称为临界转差率，整个机械特性可看作由两部分组。一、机械特性曲线一、机械特性曲线一、机械特性曲线一、机械特性曲线 1 1）H-PH-P部分（转矩由部分（转矩由0-Tm0-Tm，转差率由

3、，转差率由0-s0-sm m）。）。 2 2）P-AP-A部分（转知矩由部分（转知矩由Tm-TstTm-Tst，转差率为转差率为Sm-1Sm-1）。）。这一部分随着转矩的减小，转速也减小，特性曲线为一曲线，称为机械特性的曲线部分感应电动机的机械特性的工作部分接近于一条直线，只是在转矩接近于最大值时，弯曲较大，故一般在额定转矩以内，可看作直线。随着转矩T的增加，转速降低，根据电力拖动系统稳定运行的条件，称这部分为可靠稳定运行部分或称为工作部分可靠稳定运行部分或称为工作部分（电动机基本上工作在这一部分）。TemA0-TPP、nsTm、Sm、SmS=0S=1Tmn1H感应电动机的固有机械特性二、反映

4、电动机工作的特殊点二、反映电动机工作的特殊点二、反映电动机工作的特殊点二、反映电动机工作的特殊点一）理想空载点一）理想空载点H H这时n=n1，s=0，电磁转矩Tem=0，转子电流I2=0，定子电流I1=I0。二）最大转矩点二）最大转矩点P P最大转矩最大转矩TmTm时的转时的转差率差率s sm m最大最大转矩转矩TmTm1）感应电动机的临界转差率仅与电动机本身的参数有关，而与电源电压无关。2）感应电动机的最大转矩与转子电阻无关，但产生最大转矩时的转差率（即临界转差率）则与转子电阻成正比。过载能力过载能力用最大转矩Tm与额定转矩TN之比表示一般感应电动机的过载能力m=1.6-2.2，这是感应电

5、动机一个很重要的参数，它反映了电动机短时过载的极限。三）起动点三）起动点A A起动转矩仅与电动机本身参数、电源有关，是在一定的电源条件下，电动机本身的一个参数，而与电动机所带的负载无关。绕线转子电动机：绕线转子电动机：若在一定范围内增大转子电阻（转子电路串接电阻）可以增大起动转矩，以改善起动性能；笼型转子感应电动机：笼型转子感应电动机：其转子电阻不能用中接电阻的方法改变，这时Tst与TN之比，称为起动转矩倍数起动转矩倍数Km当Tst大于负载转矩时，笼型感应电动机才能起动；而在要求满载起动时，则Km必须大于1。 n=0，s=1，电磁转矩Tem=Tst。Tst称为起动转矩起动转矩（因这时n=0，转

6、子不动，也称为堵转转矩），它是感应电动机接到电源开始起动瞬间时的电磁转矩。7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 人为机械特性的分析人为机械特性的分析人为机械特性的分析人为机械特性的分析人为机械特性人为机械特性:人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性，三相感应电动机的人为机械特性种类很多.一、降低定子电压时的人为机械特性一、降低定子电压时的人为机械特性一、降低定子电压时的人为机械特性一、降低定子电压时的人为机械特性降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线族降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线族nTem0.64Tm0.25Tm0UNTmn10.8UN0.5UNU

7、1=UNU1=UN的固有特性曲线和的固有特性曲线和U1=0.8UNU1=0.8UN及及U1=0.5UNU1=0.5UN时的人为机械特性。时的人为机械特性。低，转差率增大，转子电流将因此增大，引起定子电流的增大。若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至使电动机烧坏。如果电压降低过多，致使最大转矩Tm小于总的负载转矩时，则会发生电动机停转事故。当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，将使电动机转速降二、转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性二、转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性二、转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性二、转子电路中串接对称电阻时的人为机械

8、特性 nsm2sm10Rr +RpaTmTemn1smRrRr +RpaRr +Rpa1Rr +Rpa1Rpa1Rpa1RpaRpa人为特性为一组通过同步点的曲线族人为特性为一组通过同步点的曲线族在一定范围内增加转子电阻，可以增大电动机的起动转矩Tst，如果串接某一数值的电阻后使Tst=Tm，这时若再增大转子电阻，起动转矩将开始减小。转子电路串接附加电阻，适用于绕线转子感应电动机的起动和调速。三相感应电动机的人为机械特性的种类很多，除了上述两种外，还有改变定子极对数，改变电源频率的人为特性等7.1.3 7.1.3 7.1.3 7.1.3 机械特性的实用表达方式机械特性的实用表达方式机械特性的实

9、用表达方式机械特性的实用表达方式只要知道Tm和Sm，就可以求出Tem和S的关系式中的正负号，只有正号有实际意义，因为用负号求得的Sm将小于SN。 Tm=mTN 式中当S=SN时，Tem=TN，得 7.2 7.2 三相感应电动机的起动三相感应电动机的起动7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 三相笼型转子感应电动机的起动三相笼型转子感应电动机的起动三相笼型转子感应电动机的起动三相笼型转子感应电动机的起动三相笼型转子感应电动机有直接起动与降压起动一、直接起动一、直接起动一、直接起动一、直接起动直接起动也称为全压起动：直接起动也称为全压起动：起动时，电动机定子绕组直接承受额定电压。方法简单，

10、不需要复杂的起动设备起动的电流较大，一般可达额定电流的4-7倍。直接起动特点：直接起动特点：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，可允许直接起动二、减压起动二、减压起动二、减压起动二、减压起动 降压起动的目的：降压起动的目的：限制起动电流，通过起动设备使定子绕组承受的电压小于额定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。1、电阻降压或电抗降压起动电动机起动时，在定子电路中串接电阻，这样就降低了加在定子绕组上的电压，从而也就减少了起

11、动电流。起动转矩Tst仅为全压起动时起动转矩Tst的 ，起动时能量损耗较多，故目前已被其起动时能量损耗较多，故目前已被其它方法所代替它方法所代替笼型转子感应电动机电阻降压起动的原理图 2、自耦补偿起动 自耦补偿起动是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压以减小起动电流。起动时开关投向“起动”位置，这时自耦变压器的一次绕组加全电压，降压后的二次电压加上定子绕组上，电动机降压起动。当电动机转速接近稳定值时，把开关投向“运行”位置，自耦变压器被切除，电动机全压运行，起动过程结束。定子串电阻降压起动时，电动机的起动电流就是电网电流；而自耦变压器降压起动时，电动机的起动电流与电网电流的关系则是自耦

12、变压器一、二次电流的关系。在电动机得到同样的起动电流和起动转矩的情况下，采用自耦变压器降压起动的电网电流将小于定子串电阻（或串电抗）降压起动时的电网电流。 3、星-三角（Y-）起动自耦变压器降压起动适用于中小容量的低压电动机，应用较广泛。自耦变压器降压起动的一大优点自耦变压器降压起动的一大优点自耦变压器的二次绕组可以有不同的抽头供选择，通常有40%UN、60%UN和80%UN三种。用这种起动方法的感应电动机，必须是定子绕组正常接法为“”的电机。 起动时，先将三相定子绕组接成星形，待转速接近稳定时，再改接成三角形，起动时，开关S2投向“Y”位置，定子绕组作星形接结，这时定子绕组承受的电压只有作三

13、角形联结时的 ，电动机降压起动，当电动机转速接近稳定值时，将开关S2迅速投向“”位置。定子绕组接成三角形运行，起动过程结束。电动机停转时，可直接断开电源开关S1，但必须同时把开关S2放在中间位置，以免再次起动时造成直接起动。接成星形起动时的线路电流只有接成三角形直接起动的 Y- Y- 起动：起动：操作方便，起动设备简单，应用较广泛，适用于正常运转时定子绕组接成三角形的电动机。对于一般用途的小型感应电动机。当容量大于4kW时，定子绕组的正常接法都采用三角形。起动方法起动方法绕组相电压绕组相电压电网提供电电网提供电流流绕组相电流绕组相电流起动转矩起动转矩直接起动Ux = U1IstIstTst电阻

14、减压起动 (1/k) U1(1/k) Ist(1/k) Ist(1/k2) Tst自耦补偿变起动 (1/k) U1(1/k2) Ist(1/k) Ist(1/k2) TstY/起动 (1/ ) U1(1/3) Ist线电流(1/ ) Ist(1/3) Tst三、深槽式及双笼型电动机三、深槽式及双笼型电动机三、深槽式及双笼型电动机三、深槽式及双笼型电动机 1. 1. 1. 1. 深槽式感应电动机深槽式感应电动机深槽式感应电动机深槽式感应电动机 这种电动机是靠适当改变转子的槽形，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：集肤效应：转

15、子槽漏磁通引起转子导条的电流集挤在导条表层的效应。深槽式转子导条中电流的集肤效应深槽式转子导条中电流的集肤效应 2. 2. 2. 2. 双笼型感应电动机双笼型感应电动机双笼型感应电动机双笼型感应电动机双笼型感应电动机双笼型感应电动机的转子上安装了两套笼。两个笼间由狭长的缝隙隔开，显然下笼相连的漏磁通比上笼的大得多。起动笼：起动笼：上笼的笼导条较细，采用电阻率较大的黄铜或铝青铜等材料制成，电阻较大。运行笼：运行笼：下笼的笼截面较大，采用电阻率较小的紫铜等材料制成，电阻较小。上上笼笼下下笼笼双笼型电动机转子槽型7.2.27.2.27.2.27.2.2三相绕线转子感应电动机的起动三相绕线转子感应电动

16、机的起动三相绕线转子感应电动机的起动三相绕线转子感应电动机的起动一、转子串联电阻起动一、转子串联电阻起动一、转子串联电阻起动一、转子串联电阻起动 1 1 1 1、起动过程、起动过程、起动过程、起动过程曲线1 对应于转子电阻为R3=Rr+Rst3+Rst2+Rst1 的人为特性曲线2 对应于转子电阻为R2=Rr+Rst2+Rst1的人为特性曲线3 对于应于转子电阻为 R1=Rr+Rst1的人为特性曲线4 则为固有机械特性。 绕 线 转 子 感 应 电 动 机 起 动接线图特性曲线 开始起动时n=0，全部电阻接入，这时起动转矩为Tst1，随着转速上升，转矩沿曲线1变化，逐渐减小，当减小到Tst2

17、时，接触器触头KM1闭合，Rst3被切除，电动机的运行点由曲线1（g点）移到曲线2（f点）上，转矩跃升为Tst1； 电动机的转速和转矩沿曲线2变化，待转矩又减小到Tst2时，接触器触头KM2闭合，电阻Rst2被切除，电动机的运行由曲线2（e点）移到曲线3（d点）上； 电动机的转速和转矩沿曲线3变化，最后接触器触头KM3闭合，起动电阻全部切除，转子绕组直接短路，电动机运行点沿固有特性变化，直到电磁转矩与负载转矩平衡，电动机稳定工作。 2 2 2 2、起动电阻的计算、起动电阻的计算、起动电阻的计算、起动电阻的计算 起动电阻计算可以采用图解法或解析法进行 感应电动机的固有机械特性的工作部分接近于一条

18、直线，只在s接近于sm、Tem接近于Tm时，弯曲较大。为了简化计算，在ssm范围内，可以认为特性曲线的工作部分为一直线，通常称之为机械特性的线性化。机械特性的实用表达式机械特性的实用表达式: :即在同一条机械特性曲线上（R2=定值时）有T Temems s 一般情况 当起动级数为m时2、由 求出Tst2，判断能否满足起动要求，否则需作调整。计算步骤计算步骤计算步骤计算步骤1、根据电动机的额定数据和起动级数，选定Tst1值，求出若起动级数未定，则可选定Tst1和Tst2求出值 3、由式求出m（m必须取为整数）4、用式 计算起动电阻起动电阻每段的电阻值起动电阻每段的电阻值可由相邻两级的总电阻相减求

19、得二、转子串接频敏变阻器起动二、转子串接频敏变阻器起动二、转子串接频敏变阻器起动二、转子串接频敏变阻器起动频敏变阻器：实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。特点：其电阻值随转速的上升而自动减小。 当电动机起动时，转子频率较高，f2=f1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻Rm也较大。绕线转子感应电动机用转子串接频敏变阻器起动的电路图在起动过程中，随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻Rm也就随之减小，这就相当于在起动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻。串入频敏变阻器后的机械特性Tn12起动结束后，转子频率很低，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切

20、除，转子绕组直接短路。在起动过程中，它能够自、无级地减小电阻，如果频敏变压器的参数选择恰当，可以在起动过程中保持起动转矩不变，这时的机械特性图中曲线2所示，曲线1为固有特性。频敏变阻器频敏变阻器结构简单，运行可靠，使用维护方便，因此应用日益广泛，但与转子串电阻起动方法相比，由于频敏变阻器还具有一定的电抗，在同样的起动电流下，起动转矩要小些。 7.3 7.3 感应电动机的电磁制动感应电动机的电磁制动7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 能耗制能耗制能耗制能耗制动动动动感应电动机的电磁制动感应电动机的电磁制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动。不论是哪一种制动状态，电动机的电磁转矩方向总是

21、与转向相反。能耗制动时定子接入直流电源产生固定磁场。能耗制动：能耗制动：是将转子的动能变为电能，消耗在转子电阻上（对绕线转子感应电动机包括转子串接电阻）。 感应电动机能耗制动原理图感应电动机能耗制动时的机械特性方程式感应电动机能耗制动时的机械特性方程式 上式说明感应电动机能耗制动时制动转矩的大小决定于等效电流I1，并与转速n、转子电阻Rr有关，当n=0时，Tem=0，特性曲线通过原点，由于是制动状态，曲线应在第二象限（逆向电动状态转入能耗制动时，特性曲线在第四象限）。耗制动时的最大转矩最大转矩T TmTmT和产生最大制动转矩时的相对转速相对转速 也称为临界相对转速机械特性曲线能耗制动时的电路图

22、 曲线曲线1 1、2 2是是转子电阻相同转子电阻相同 曲线曲线2 2的直的直流励磁大于曲流励磁大于曲线线1 1 曲线对强度曲线对强度比比1 1、3 3是直流是直流励磁相同励磁相同 曲线曲线3 3的转的转子电阻大于曲子电阻大于曲线线1 1转子电阻较小时，在高速时的制动转矩就比较小转子电阻较小时，在高速时的制动转矩就比较小 能耗制动时，电动机是直流励磁，励磁磁动势是一个恒定值 不同的转速下，转子电流是变化的，转子磁动势是个变量。这就使电动机的合成磁动势在制动过程中不是一个定值。 能耗制动过程中，电动机的主磁通是变化的，由此引起磁路饱和情况的变化，使励磁电抗不再保持为一常数，而是随着转速的变化而变化

23、。笼型感应电动机笼型感应电动机采用增大直流励磁来增大高速时的制动转矩。 绕线转子感应电动机绕线转子感应电动机采取转子串接电阻的方法使得在高速时获得较大的制动转矩。必须指出必须指出7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 反接制反接制反接制反接制动动动动定子两相反接倒 拉 反 接感应电动机的反接制动一、定子两相反接制动一、定子两相反接制动一、定子两相反接制动一、定子两相反接制动 反接制动前，触头KM2闭合，KM1断开，电动机正向运转，稳定工作在固有特性上的点 反接制动时，将触头KM2断开，KM1闭合。 制动过程结束，如要停车，则应立即切断电源，否则电动机将反向起动。转差率转差率s s1 1

24、是反接制动的特点是反接制动的特点 两相反接制动的特性就是逆向电动工作状态时机械特性在第二象限的延长部分。转差率转差率s s二、倒拉反接制动二、倒拉反接制动二、倒拉反接制动二、倒拉反接制动倒拉反接制动时的机械特性就是电动机工作状态时的机械特性在第四象限的延长部分。nn10TzcTem负载为一位通用性一负载，负载转矩为Tz，则电动机将稳定工作在特性的c点。此时电磁转矩方向与电动工作状态时相同，而转向与电动工作状态时相反，电动机处于制动工作状态,属于反接制动电网仍继续向电网输送功率，同时还输入机械功率（倒拉反接制动是位能负载作功，两相反接时则是转子的动能作功），这两部分功率都消耗在转子电阻上。反接制

25、动时，能量损耗是很大反接制动时，能量损耗是很大7.3.3 7.3.3 7.3.3 7.3.3 回馈制回馈制回馈制回馈制动动动动 感应电动机在电动机工作状态时，由于某种原因，在转向不变的条件下，使转速n大于同步转速n1时，电动机便处于回馈制动状态转子电流的有功分量：转子电流的有功分量：转子电流的无功分量：转子电流的无功分量：I2为负值，电磁转矩 也为负值，与转向相反，说明电动机处于制动状态转子电流无功分量仍为正值，说明回馈制动时，电动机仍与电动工作状态一样，从电网吸取励磁电流，建立磁场。 输入电动机的功率 为负值，即实际上电动机是向电网输出电能量，好似一台发电机。因此回馈制动也称为再生回馈制动也

26、称为再生发电制动发电制动。回馈制动时电动机的机械特性回馈制动时电动机的机械特性是电动工作状态的机械特性在第二象限的延长部分回馈制动时，转子电路中不宜串入较大电阻如果没有电网能向感应电机供给励磁，而又希望它能发电则必须在定子绕组上并接三组电容器（可接成星形或三角形）。利用电容器向感应电机供给所需的励磁功率，这称为自励发电自励发电。回馈制动时感应电动机的相量图回馈制动时电动机的机械特性 7.4 7.4 感应电动机的调速感应电动机的调速 要求电动机具有几种转速； 在一定的范围内可以连续调速；调速的方法：调速的方法：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电源的频率f1,以改变n1进行调速，称为变频调

27、速变频调速。（3）改变电动机的转差率； 改变定子绕组的端电压； 改变定子绕组的外加电阻或电抗； 转子回路加电阻或电抗； 转子回路引进fsf的外加电势7.4.1 7.4.1 7.4.1 7.4.1 变极调速变极调速变极调速变极调速在电源频率在电源频率f1f1不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同步转还步转还n1n1就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就降低一半，电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调降低一半，电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调节。节。改变电动机的极数方法：改变电动机

28、的极数方法：定子铁心槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组不经济改变定子绕组的接法这种电动机就称为多速电动机多速电动机常用调速原理：调速原理：多速电动机均采用笼型转子，转子的极数能自动地与定子极数相适应。2p=42p=22p=2三相绕组中的一相绕组的示意图两个半绕组顺向串联串联反接并联反接反向法：反向法：仅在每相内部改变所属线圈的联接方法的变极法。 一般变极时均采用这种方法。多极电动机定子绕组的接线方式多极电动机定子绕组的接线方式最常用的两种最常用的两种绕组从单星形（每相只有一条支路）改接成双星形（每相有两条支路）写作Y/YYY/YY三角形改接成双星形，写作/YY/YY改接前后输出功率之比改接前后

29、输出功率之比Y/YYY/YY接法接法 适用于恒转矩负载/YY/YY适用于恒功率负载倍极比：倍极比：多速电动机若变极前后的极数比为整数，如如4极变8极，2极变4极等，否则就称为非倍极比非倍极比，如4极变6极。特点：特点：调速的平滑性差，但具有较硬的机械特性，稳定性较好，对于不需要无极调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等，多速发动机得到广泛应用。恒转矩调速的机械特性曲线恒转矩调速的机械特性曲线恒功率调速的机械特性曲线恒功率调速的机械特性曲线7.4.2 7.4.2 7.4.2 7.4.2 变频调速变频调速变频调速变频调速调速原理：调速原理：改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速考

30、虑到电动机的运行性能，并使电动机得到充分利用通常希望气隙磁通气隙磁通m m维持额定值不变U1E1=4.44f1N1mK1，若要使m为定值，则U1必须随频率的变化作正比变化式中加“”的表示变频后的量。为了保证电动机运行的稳定性，希望变频调速时，电动机的过过载能力载能力不变为了保证变频前后m不变，就要求对于恒转矩负载，因为TN=TN，由上式可得 定值，这时既保证了电动机的过载能力m不变，同时又满足m=定值的要求，这说明变频调速适用于恒转矩负载。变频调速的调速性能比较好，它的调速范围大，一般可达变频调速的调速性能比较好，它的调速范围大，一般可达10-1210-12。平滑性好，特性硬度不变。平滑性好，

31、特性硬度不变。需要一套专用的变频电源，设备投资较高需要一套专用的变频电源，设备投资较高晶闸管技术的发展，为获得变频电源提供了新的途径晶闸管技术的发展，为获得变频电源提供了新的途径 定子电阻R1的影响，随着频率的降低，最大转矩略有减小，当频率很低时（如图中的f15、f16），Tm降得很多。为了保证电动机在低速时有足够大小的Tm值，U1应比f1降低的比例小些，使 的比值随f1的降低而增加，如图中虚线所示。7.4.3 7.4.3 7.4.3 7.4.3 转子电路串接电阻调速转子电路串接电阻调速转子电路串接电阻调速转子电路串接电阻调速 调速范围不大，仅为2-3。 从调速性质来看，转子串电阻属于恒转矩调

32、速 转子串接电阻后，增加了转子铜耗，调速的经济性欠佳。 中小容量的绕线转子感应电动机中得到 广泛应用，如桥式起重机上的绕线转子 感应电动机几乎都采用这种调速方法。 转子串电阻调速方法简单，设备投资不高 电动机的固有特性和转子电路串接电动机的固有特性和转子电路串接R Rpapa和和R Rpapa时的人为特性时的人为特性，见右图。串入电阻后，电动机的工作点便由原来的点移到人为特性的b点或c点，调速过程与直流电动机电枢串电阻调速相同。 只适用于线绕转子感应电动机特点：特点：7.4.4 7.4.4 7.4.4 7.4.4 串级调速串级调速串级调速串级调速 串级调速串级调速是绕线转子感应电动机的转子电路

33、中引入一个附加电动势Ef来调节电动机的转速，它是一种改变转差率s进行调速的方法附加电动势的方向不同，调速的结果也不同。电动机的一般运行条件下，因为转差率s很小， ，可以认为转子电流 ，即电流 与 同相。一、附加电动势一、附加电动势一、附加电动势一、附加电动势 与与与与 同相同相同相同相未加入附加电动势时，转子电流引入附加电动势的瞬间，转子电流 转子电流增加了，同时电磁转矩Tem也相应增大，使电动机加速，转差率s变小，合成电动势 也减小，电流I2和转矩T则在跃升到某一最大值后逐渐下降，直到转速升高至某一数值，使电磁转矩和负载转矩平衡时，电动机稳定运行。若稳定后的电动机转差率电动机转差率sk，显然

34、如果 ，则sk0，这时电动机仍作电动机运行，但转速n将高于同步转速，转子电流I2不是由转子感应电动势所产生，而是附加电动势 所产生。二、二、二、二、 与与与与 反相反相反相反相情况和上述相反，这时电动机将减速，同理可推出，稳定运行时的转差率：稳定运行时的转差率：三、三、三、三、 与与与与 相位相差相位相差相位相差相位相差90909090有了附加电动势 后，电动机的功率因数 提高了；反之，若附加电动势 滞后 ，则将使电动机的功率因数 减小。一般情况下，附加电动势 可以与 相差角，这时可将 分解为两个分量，与 同相的分量 使电动机的转速发生变化，与 成90的分量 使电动机的功率因数发生变化。 感应

35、电动机的相量图 7.5 7.5 三相感应电动机起动的过渡过程三相感应电动机起动的过渡过程 三相感应电动机在电力拖动系统的过渡过程中，其转速n、电磁转矩Tem都是时间t的函数。假设在起动过渡过程中感应电动机空载，即Tz=0，此时运动方程式：运动方程式：上式右侧各个参量都是机械量，将TmA称作机械时间常数机械时间常数式中确定过渡过程所需时间，以及求得转速与时间的函数式n=f（t），进一步可确定电磁转矩与时间的函数关系式的Tem=f（t）。这样便可得到过渡过程中转速、电磁转矩变化曲线。7.5.1 7.5.1 7.5.1 7.5.1 空载起动时间空载起动时间空载起动时间空载起动时间t t t tp p

36、 p p设s0为起动过程中起动点的转差率、sx为起动过程结束时的转差率。那么可知，只要知道起始点、结束点的转差率，便可求出时间tp，同时可以发现tp与sm值有关，如需求得最短过渡过程时间，可令 ，求得相应的sm值为7.5.2 7.5.2 7.5.2 7.5.2 函数关系函数关系函数关系函数关系n=fn=fn=fn=f（t t t t）、）、）、）、T T T Temememem=f=f=f=f（t t t t）分段进行近似求解，即按ssm，ssm两段进行近似处理。1）当ssm时于是求得电磁转矩电磁转矩Tem： 解方程得： 那么2 2）当）当s ssmsm时时函数关系式n=f（t），Tem=f（

37、t）分段确定后，便可作出过渡过程中转速、电磁转矩的变化曲线解得：那么式中于是可求得电磁转矩电磁转矩Tem：smon sn1 01tmtTemTmtmt 7.6 7.6 拖动系统电动机的选择拖动系统电动机的选择 电力拖动系统电动机的选择，主要是确定电动机的功率和工作方式，同时还要确定电动机的电流种类、型式、额定电压和额定转速。选择电动机的原则：选择电动机的原则：1）满足生产机械负载要求；2）经济合理在决定电动机的功率时，要考虑电动机 的发热、过载能力和启动能力三方面的因素，其中一般以发热问题最为重要。7.6.1 7.6.1 7.6.1 7.6.1 电动机的发热与冷却电动机的发热与冷却电动机的发热

38、与冷却电动机的发热与冷却一、电动机的发热过程一、电动机的发热过程一、电动机的发热过程一、电动机的发热过程电动机在运行过程中会发热：实现电能转换过程中电动机内部电动机在运行过程中会发热：实现电能转换过程中电动机内部产生损耗，并转换成热量而使电动机的温度升高产生损耗，并转换成热量而使电动机的温度升高为研究方便，通常假定电动机为一均质等温固体 设电动机在恒定负载下长期连续工作，单位时间内由电动机损耗所产生的热量为Q，则在dt时间内产生的热量为Qdt另一部分另一部分Q Q2 2，则向周围散发出去，则向周围散发出去电动机的热平衡方程式：电动机的热平衡方程式：其中Q1为电动机吸收，使电动机温度升高电动机的

39、温升曲线方程：电动机的温升曲线方程：由温升曲线可见，发热过程开始时，由于温升小，散发出去的热量较少，大部分热量被电动机所吸收，因而温升增长较快，其后随着温升的增加，散发的热量不断增长，而电动机产生的热量因负载不变，则电动机吸收的热量不断减少，温升曲线趋于平缓。当发热量与散热量相等时，电动机的温升不再升高，达到一稳定值对应于一定的负载，电动机的损耗所产生的热量是一定的，因此电动机的稳定温升也是一定的，与起始温升无关。若电动机在额定负载时，对应于损耗而产生的热量为QN。此时的稳定温升为 ，则当电动机在小于额定负载运行时，其稳定温升就不会超过二、电动机的冷却过程二、电动机的冷却过程二、电动机的冷却过

40、程二、电动机的冷却过程电动机的冷却过程有两种情况：电动机的冷却过程有两种情况：冷却过程的温升曲线也是一条指数冷却过程的温升曲线也是一条指数曲线，如图：曲线，如图：1 1）当负载减小时，电动机产生的热量为）当负载减小时，电动机产生的热量为 ，相应的温升由原，相应的温升由原来的温升来的温升 降低到新的稳定温升降低到新的稳定温升 ，仿照发热过程对温升曲，仿照发热过程对温升曲线方程的推导，可得冷却过程的温升方程。线方程的推导，可得冷却过程的温升方程。2 2）电动机自电网断开（停机或断）电动机自电网断开（停机或断能）时，电动机产生的热量为零，能）时，电动机产生的热量为零，则则三、电动机的绝缘等级三、电动

41、机的绝缘等级三、电动机的绝缘等级三、电动机的绝缘等级绝缘等级：绝缘等级：电动机在运行中， 由于损耗产生热量， 使电动机的温度升高，电动机所能容许达到的最高温度取决于电动机所用绝缘材料的耐热程度。不同的绝缘材料，其最高容许温度是不同的。国际电工协会规定，绝缘等级可分为七个等级，电机中常用的绝缘材料，按其耐热能力，分为A、E、B、F和H等五级。绝缘材料的最高容许温度：绝缘材料的最高容许温度：表示一台电动机能带的负载的限度，而电动机的额定功率就代表了这一限度电动机铭牌上所标的额定功率电动机铭牌上所标的额定功率表示在环境温度为40C时，电动机长期连续工作，而电动机所能达到的最高温度不超过绝缘材料最高容

42、许温度时的输出功率电动机额定温升电动机额定温升tt0 0= =电动机最高允许温度电动机最高允许温度t-t-环境温度环境温度t t0 0，式中式中t t0 0=+40=+40，t t是指电动机绕组的最高允许温度。是指电动机绕组的最高允许温度。对于运行的电动机，由于无法直接测出绕组的实际温度，只对于运行的电动机，由于无法直接测出绕组的实际温度，只能间接测出机壳外表温度能间接测出机壳外表温度( (即吊环孔内的温度即吊环孔内的温度) )，比电动机绕，比电动机绕组最热点约低组最热点约低1010左右。故机壳外表实测温度加上左右。故机壳外表实测温度加上1010左右左右温差，方为电动机最高允许温度温差，方为电

43、动机最高允许温度t t。7.6.2 7.6.2 7.6.2 7.6.2 电动机的工作制分类电动机的工作制分类电动机的工作制分类电动机的工作制分类 电动机工作时，负载持续时间的长短对电机的发热情况影响较大，对正确选择电动机的功率也有影响。电动机的工作制就是对电动机承受负载情况的说明。国家标准把电动机的工作制分为国家标准将电动机工作制分成三大类共8种一、连续工作制（一、连续工作制（一、连续工作制（一、连续工作制（S1S1S1S1）连续工作制连续工作制是指电动机在恒定负载下持续运行，其工作时间足以使电机的温升达到稳定温升。纺织机、造纸机等很多连续工作的生产机械都选用连续工作制电动机。其典型负载图和温

44、升曲线如所示 对于连续工作制的电动机，我们取使其稳定温升w 恰好等于容许最高温升时的输出功率作为额定功率。 短时工作制：短时工作制：指电动机拖动恒定负载在给定的时间内运行。该运行时间不足以使电动机达到稳定温升，随之即断电停转足够时间，使电动机冷却到与冷却介质的温差在2K以内。其典型负载图及温升曲线如图所示。短时工作制标准时限为15min、30min、60min、90min。 为了充分利用电动机，用于短时工作制的电动机在规定的运行时间内应达到容许温升，并按照这个原则规定电动机的额定功率，即按照电动机拖动恒定负载运行，取在规定的运行时间内实际达到的最高温升恰好等于容许最高温升时的输出功率，作为电动

45、机的额定功率。二、短时工作制（二、短时工作制（二、短时工作制（二、短时工作制（S2S2S2S2）电动机的温升在一个稳定的小范围内波动。 三、断续周期工作制三、断续周期工作制三、断续周期工作制三、断续周期工作制 电动机按一系列相同的工作周期运行，根据一个周期运行状态不不同可分为六类，既断续周期工作制（S3），包括启动的断续周期工作制（S4）、包括电制动的断续周期工作制（S5）、连续周期工作制（S6）、包括电制动的连续周期工作制（S7）、包括负载与转速相应变化的连续周期工作制（S8）负载持续率负载持续率FCFC：断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比国标规定国标规定FCFC为为15%15%、

46、25%25%、40%40%和和60%60%四种，四种，每个周期的总时间每个周期的总时间不大于不大于10min.10min.典型负载图和温升曲线7.6.3 7.6.3 7.6.3 7.6.3 电动机容量的选择电动机容量的选择电动机容量的选择电动机容量的选择一、连续工作制电动机容量的选择一、连续工作制电动机容量的选择一、连续工作制电动机容量的选择一、连续工作制电动机容量的选择 1. 1. 恒定负载下电动机容量的选择恒定负载下电动机容量的选择只要计算出负载所需功率PL ， 选择一台额定功率PN 略大于PL 的连续工作制电动机即可，不必进行发热校核。2. 2. 变化负载下电动机容量的选择变化负载下电动

47、机容量的选择当电动机拖动周期性变化负载时，其温升也必然作周期性的波动。图为负载变动的生产机械的负载图。 电动机容量应在最大负载与最小负载之间，选择合适，既可使电动机得到充分利用，又可使电动机温升不超过容许值。电动机的容量通常按下面几种方法进行选择电动机的容量通常按下面几种方法进行选择（1 1）等效电流法）等效电流法 其基本原理是用一个不变的等效电流Idx来代替实际变动的负载电流IL，在同一周期内，等效电流Idx与负载电流IL产生的热量相等。假定电动机的铁耗和电阻不变，则损耗只和电流的平方成正比，由此可得 式中，tn 为对应负载电流为In的工作时间。 求出等效电流后，则所选的电动机，其额定电流应

48、不小于等效电流。 用等效电流法时，必须先求出用电流表示的负载图。用等效电流法时，必须先求出用电流表示的负载图。 （2）等效转矩法）等效转矩法 如果电动机的转矩与电流成正比，可得等效转矩的公式 （3）等效功率法）等效功率法 如果拖动系统的转速不变，可将等效转矩的公式变成等效功率的公式，即 选择的电动机的额定功率应不小于等效功率。求出等效转矩后，所选的电动机的额定转矩应不小于等效转矩用等效转矩法时，必须先求出用转矩表示的负载图。用等效转矩法时，必须先求出用转矩表示的负载图。用等效功率法时，必须根据最大负载校验电动机的过载能力是用等效功率法时，必须根据最大负载校验电动机的过载能力是否符合要求否符合要

49、求二、二、二、二、短时工作制短时工作制短时工作制短时工作制电动机容量的选择电动机容量的选择电动机容量的选择电动机容量的选择1.1.直接选用短时工作制电动机直接选用短时工作制电动机按照生产机械的功率，工作时间和转速选取合适的电动机。如果短时负载是变动的，则也可用等效法选择电动机，此时等效电流为式中， I1、In分别为起动和制动电流； t1、tn、t0分别为起动、制动及停转时间; 和对自扇冷式电动机在启动、制动和停转 期间因散热条件变坏而采用的系数，对直流电 动机=0.75，=0.25。用等效法选择电动机时，必须校验过载能力。用等效法选择电动机时，必须校验过载能力。 2. 2. 选用断续周期工作制

50、电动机选用断续周期工作制电动机在没有合适的短时工作制电动机时，可选用断续周期工作制电动机。负载持续率FC与短时负载的工作时间tR之间的对应关系为： tR = 30min，相当于FC= 15； tR = 60min，相当于FC25； tR = 90min，相当于FC = 40。 三、三、三、三、断续周期工作制电动机的选择断续周期工作制电动机的选择断续周期工作制电动机的选择断续周期工作制电动机的选择 根据生产机械的暂载率、功率、和转速从产品目录中直接选取，但由于国家标准规定电动机的标准暂载率FC只有四种，这样就常遇到与标准暂载率相差甚远的情况，这时可按下式进行计算，先求出生产机械的暂载率FCx和功率Px再换算为标准暂载率FCx和功率Px选择标准暂载率FC应接近生产机械的暂载率FCx选择电动机的额定功率，应不小于P。 若FC70时，选连续工作制电机。