電機與拖動：第七章 三相異步電動機的電力拖動

1、第七章 三相異步電動機的電力拖動第一節(jié) 三相異步電動機的機械特性 三相異步電動機的機械特性是指電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，由于電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率之間存在一定的關(guān)系，所以異步電動機的機械特性通常用 表示。一、機械特性的三種表達式（一）物理表達式隨電機轉(zhuǎn)差率S變化1（二）參數(shù)表達式根據(jù)異步機的簡化等效電路，可得代入上式得 2固定、時 可以將之間的關(guān)系畫成曲線， 稱為曲線 （1）額定工作點B 3（2） 起動點A（3） 理想空載轉(zhuǎn)速點H起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)： 4（4） 最大轉(zhuǎn)矩點P轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)： 臨界轉(zhuǎn)差率：5（三）實用表達式將式代入上式得:6在將式代入上式并簡化得:忽略簡化：可以求出（式中 ）7二、固

2、有機械特性 三相異步電動機在額定電壓、額定頻率不變，定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何電路元件條件下的機械特性稱為固有機械特性。 8三、人為機械特性（一）改變定子電壓的人為機械特性9（二）定子回路串接三相對稱電阻的人為機械特性10(三) 定子電路串聯(lián)對稱電抗11（四）轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻的人為機械特性12第二節(jié) 三相異步電動機的啟動一、異步電動機的啟動性能1生產(chǎn)機械對電動機啟動的主要要求（1）有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機械能正常啟動 （2）在滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動電流越小越好。 （3）要求啟動平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小對生產(chǎn)機械的沖擊。（4）啟動設(shè)備安全可靠，力求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

3、（5）啟動過程中的功率損耗越小越好。132異步電動機的啟動特性（1）啟動電流大： 一般啟動電流Ist 可達額定電流IN 的57倍；（2）啟動轉(zhuǎn)矩?。?一般Tst = (0.8 - 1.5)TN 。 14二、三相籠型異步電動機的啟動 （一）直接起動 直接起動的方法就是將額定電源電壓直接接到籠型異步電動機的定子繞組上。 異步電動機直接起動時對電網(wǎng)的影響還取決于供電電網(wǎng)容量的大小。一般直接起動只能在 以下的小功率電動機中使用。當(dāng)電動機功率大于 時，可用下面經(jīng)驗公式計算起動電流倍數(shù)是否滿足直接起動的要求，即15（二）降壓啟動1. 星-三角形啟動（Y） 在正常運行時是接成形 16即2.自耦變壓器降壓啟動

4、17自耦變壓器從電網(wǎng)汲取的電流： 其中：電壓降低到： 起動轉(zhuǎn)矩降低到： 自耦變壓器二次側(cè)一般有三個抽頭，分別為一次側(cè)電壓的 和 即：18三、轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動 在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩。 為了有較大的起動轉(zhuǎn)矩、使起動過程平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，并隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸切除起動電阻。 繞線式異步電機可以采用轉(zhuǎn)子電路串接三相對稱電阻或頻敏變阻器的起動方法，這種起動方法不僅可以減小起動電流，還可以增加起動轉(zhuǎn)矩，使起動性能大為改善，這是籠型異步電動機所不具有的特點。下面介紹繞線式異步電機的這兩種起動方法。（一）轉(zhuǎn)子串電阻分級起動 在繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回

5、路串多級電阻，起動時逐級切除轉(zhuǎn)子串接電阻的起動過程。 19 20（二）轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動 把頻敏變阻器接入電動機轉(zhuǎn)子繞組回路，用來起動繞線式異步電動機，可以獲得無級起動的效果。 鐵心等效電阻 與鐵心繞組電流頻率的平方成正比。 21第三節(jié) 三相異步電動機的電氣制動阻止電動機轉(zhuǎn)動,使之減速或停車的措施稱為制動。 電氣制動有以下幾種方式:一、能耗制動22能耗制動時的機械特性為 23二. 反接制動 當(dāng)異步電動機帶動負載穩(wěn)定運行在電動狀態(tài)時，突然改變定子電源相序，使異步電機的旋轉(zhuǎn)磁場瞬間與轉(zhuǎn)速相反，電動機便進入了反接制動狀態(tài)。 對于繞線式異步電機，為了限制反接制動時過大的電流沖擊，電源相序反接的同

6、時在轉(zhuǎn)子電路中串接較大電阻，對于籠型異步電機可在定子回路中串入電阻。 241、反抗性負載 當(dāng)：異步電機將準確停車在D點 當(dāng)：異步電機將準確停車在C點 2、位能性負載當(dāng)異步電機拖動位能性負載反接制動到C點時，運行點沿曲線2從 最后穩(wěn)定運行到E點 異步電機工作在反向回饋制動狀態(tài)。關(guān)于回饋制動狀態(tài)要在后面專題分析。25三、回饋制動 異步電機的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時，便進入回饋制動運行狀態(tài)。 （一）正向回饋制動 正向回饋制動是指異步電動機在正向電動機運轉(zhuǎn)時，超過同步轉(zhuǎn)速而進入回饋制動狀態(tài)（象限）。正向回饋一般發(fā)生在電傳動機車牽引車輛下坡、電動機正向運行時降低定子電流頻率或增加定子繞組的極對數(shù)等情況下。 當(dāng)

7、異步電機在固有特性上A點運行，從曲線上看： 運行點從曲線1的A點平移至曲線2的B點，電磁轉(zhuǎn)矩變負。在電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的共同作用下，電機很快減速，運行點沿 最終穩(wěn)定運行在 點。 在正向回饋制動過程中，轉(zhuǎn)差率 26電動機輸出的機械功率為這時的三相異步電動機實際上是一臺發(fā)電機，它把系統(tǒng)減小的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿虢涣麟娋W(wǎng)。27(二)反向回饋制動運行 當(dāng)三相異步電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，并且電源為負相序時，電動機會高速運行于第象限，此時電磁轉(zhuǎn)矩為 轉(zhuǎn)速為 ,如圖中的B點。 28反向回饋制動時的同步轉(zhuǎn)速為 , 電機轉(zhuǎn)速為 , 因此轉(zhuǎn)差率為因此，反向回饋制動運行時，電動機的功率關(guān)系與正向回饋制動過程是一樣

8、的，電動機是一臺發(fā)電機，它把從負載位能減少而輸入的機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β?，然后回送給電網(wǎng)。從節(jié)能的觀點看問題，反向回饋制動下放重物比能耗制動下放重物要好。29 近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的調(diào)速性能大有改善，交流調(diào)速應(yīng)用日益廣泛，在許多領(lǐng)域有取代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。 從異步電動機的轉(zhuǎn)速關(guān)系式n = n1(1-s)= 可以看出，異步電動機的調(diào)速可分以下三大類： (1) 改變定子繞組的磁極對數(shù)p，稱為變極調(diào)速； (2) 改變供電電源的頻率f1，稱為變頻調(diào)速； (3) 改變電動機的轉(zhuǎn)差率s，其方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速。 在電源頻率不變的條件下，改變電

9、動機的極對數(shù)，電動機的同步轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。若極對數(shù)減少一半，同步轉(zhuǎn)速就提高一倍，電動機轉(zhuǎn)速也幾乎升高一倍。 第四節(jié) 三相異步電動機的調(diào)速30若將U相繞組中的一半相繞組a2x2反向，如圖所示，產(chǎn)生一對磁極。 圖8.10 三相四極電動機定子U相繞組 圖8.11 三相二極電動機定子U相繞組 通常用改變定子繞組的接法來改變極對數(shù)，這種電動機稱多速電動機。其轉(zhuǎn)子均采用籠型轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子感應(yīng)的極對數(shù)能自動與定子相適應(yīng)。這種電動機在制造時，從定子繞組中抽出一些線頭，以便于使用時調(diào)換。下面以一相繞組來說明變極原理。先將其兩個半相繞組a1x1與a2x2采用順向串聯(lián)，如圖所示，產(chǎn)生兩對磁極。

10、 31 目前，在我國多極電動機定子繞組聯(lián)繞方式最多有3種，常用的有兩種：一種是從星形改成雙星形，寫作Y/YY，如圖所示；另一種是從三角形改成雙星形，寫作/YY， 如圖所示，這兩種接法可使電動機極數(shù)減少一半。在改接繞組時，為了使電動機轉(zhuǎn)向不變，應(yīng)把繞組的相序改接一下。 變極調(diào)速主要用于各種機床及其他設(shè)備上。它所需設(shè)備簡單、體積小、質(zhì)量輕，但電動機繞組引出頭較多，調(diào)速級數(shù)少，級差大，不能實現(xiàn)無級調(diào)速。 32二、變頻調(diào)速 三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為 因此，改變?nèi)喈惒诫妱訖C的電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。 1. 變頻調(diào)速的條件 三相異步電動機的每相電壓U為 UE1=4.44f

11、1N1K1 若電源電壓Ul不變，當(dāng)降低電源頻率f1調(diào)速時，則磁通 將增加，使鐵心飽和，從而導(dǎo)致勵磁電流和鐵損耗的大量增加，電動機溫升過高等，這是不允許的。因此在變頻調(diào)速的同時，為保持磁通 不變，就必須降低電源電壓，使 或 為常數(shù)。 額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。 332. 從基頻向下調(diào)變頻調(diào)速 降低電源頻率時，必需同時降低電源電壓。降低電源電壓U1，有以下兩種控制方法： (1) 保持 為常數(shù)。降低電源頻率f1時，保持 為常數(shù)，則 為常數(shù)，是恒磁通控制方式，也稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。降低電源頻率f1調(diào)速的人為機械特性，如圖8.14所示。 降低電源頻率f1調(diào)速的人為

12、機械特性特點為：同步速度n1與頻率f1成正比；最大轉(zhuǎn)矩 不變；轉(zhuǎn)速降落n=常數(shù)，特性斜率不變(與固有機械特性平行)。這種變頻調(diào)速方法與他勵直流電動機降低電源電壓調(diào)速相似，機械特性較硬，在一定靜差率的要求下，調(diào)速范圍寬，而且穩(wěn)定性好。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此變頻調(diào)速為無級調(diào)速，平滑性好，另外，轉(zhuǎn)差功率Ps較小，效率較高。 34 (2) 保持 為常數(shù)。降低電源頻率f1，保持 為常數(shù)，則 近似為常數(shù)，在這種情況下，當(dāng)降低頻率f1時，n不變。但最大轉(zhuǎn)矩 會變小，特別在低頻低速時的機械特性會變壞，如圖8.15所示。其中虛線是恒磁通調(diào)速時為 常數(shù)的機械特性，以示比較。保持 為常數(shù)，則低頻率調(diào)速近似為恒轉(zhuǎn)

13、矩調(diào)速方式。 353. 從基頻向上調(diào)變頻調(diào) 升高電源電壓( )是不允許的。因此，升高頻率向上調(diào)速時，只能保持電壓為 不變，頻率越高，磁通 越低，是一種降低磁通升速的方法，類似他勵直流電動機弱磁升速情況，其機械特性如圖所示。 保持 不變升速，近似為恒功率調(diào)速方式。隨著 ，而p2近似為常數(shù)。 異步電動機變頻調(diào)速具有良好的調(diào)速性能，可與直流電動機媲美。 364. 變頻電源 異步電動機變頻調(diào)速的電源是一種能調(diào)壓的變頻裝置。如何能取得經(jīng)濟、可靠的變頻電源，是實現(xiàn)異步電動機變頻調(diào)速的關(guān)鍵，也是目前電力拖動系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。目前，多采用由晶閘管或自關(guān)斷功率晶體管器件組成的變頻器。 變頻器若按相分類，可

14、以分為單相和三相；若按性能分類，可以分為交-直-交變頻器和交-交變頻器。 變頻器的作用是將直流電源(可由交流經(jīng)整流獲得)變成頻率可調(diào)的交流電(稱交-直-交變頻器)或是將交流電源直接轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電(交-交變頻器)，以供給交流負載使用。交-交變頻器將工頻交流電直接變換成所需頻率的交流電能，不經(jīng)中間環(huán)節(jié)，也稱為直接變頻器關(guān)于變頻電源的具體情況，可參考有關(guān)變頻技術(shù)一類的書籍。 5. 變頻技術(shù)的應(yīng)用 變頻調(diào)速由于其調(diào)速性能優(yōu)越，即主要是能平滑調(diào)速、調(diào)速范圍廣、效率高，又不受直流電動機換向帶來的轉(zhuǎn)速與容量的限制，故已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用 ，如軋鋼機、工業(yè)水泵、鼓風(fēng)機、起重機、紡織機、球磨機化工

15、設(shè)備及家用空調(diào)器等方面。主要缺點是系統(tǒng)較復(fù)雜、成本較高。37三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 改變定子電壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級調(diào)速都屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。這些調(diào)速方法的共同特點是在調(diào)速過程中都產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率。前兩種調(diào)速方法都是把轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路里，很不經(jīng)濟，而串級調(diào)速則能將轉(zhuǎn)差功率加以吸收或大部分反饋給電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟性能。1. 改變定子電壓調(diào)速 對于轉(zhuǎn)子電阻大、機械特性曲線較軟的籠型異步電動機而言，如加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負載TL對應(yīng)于不同的電源電壓U1、U2、U3，可獲得不同的工作點a1、a2、a3，如圖8.17所示，顯然電動機的調(diào)速范圍很寬。缺點是低壓時機械特性太軟，轉(zhuǎn)速變

16、化大，可采用帶速度負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決該問題。 改變電源電壓調(diào)速，這種方法主要應(yīng)用于籠型異步電動機，靠改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。過去都采用定子繞組串電抗器來實現(xiàn)，目前已廣泛采用晶閘管交流調(diào)壓線路來實現(xiàn)。 382轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的機械特性如圖所示。轉(zhuǎn)子串電阻時最大轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率加大。所串電阻越大，運行段特性斜率越大。若帶恒轉(zhuǎn)矩負載，原來運行在固有特性曲線1的a點上，在轉(zhuǎn)子串電阻R1后，就運行的b點上，轉(zhuǎn)速由na變?yōu)閚b，依此類推。 圖8.18 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機械特性 根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達式，當(dāng)T為常數(shù)且電壓不變時，則有 因而繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時調(diào)速

17、電阻的計算公式為 R1= 式中 sa轉(zhuǎn)子串電阻前電動機運行的轉(zhuǎn)差率； sb轉(zhuǎn)子串入電阻R1后新穩(wěn)態(tài)運行時電動機的轉(zhuǎn)差率； r2轉(zhuǎn)子每相繞組電阻， 常數(shù)39 如果已知轉(zhuǎn)子串入的電阻值，要求調(diào)速后的電動機轉(zhuǎn)速，則只要將前面式稍加變換，先求出s1，再求轉(zhuǎn)速n。 由于在異步電動機中，電磁功率PM，機械功率Pm與轉(zhuǎn)子銅損PCu2三者之間的關(guān)系為 PMPmPcu2=1(1-s) s 若轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率s越大，轉(zhuǎn)子損耗越大，低速時效率不高。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點是方法簡單，主要用于中、小容量的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機如橋式起動機等。 3. 串級調(diào)速 所謂串級調(diào)速，就是在異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串入一個三相對稱的附加電

18、動勢 ，其頻率與轉(zhuǎn)子電動勢 相同，改變 的大小和相位，就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。它也是適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，靠改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。 (1) 低同步串級調(diào)速 若 與 相位相反，則轉(zhuǎn)子電流I2為 40電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 上式中，T1為轉(zhuǎn)子電勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，而T2為附加電勢所引起的轉(zhuǎn)矩。若拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，因T2總是負值，可見串入 后，轉(zhuǎn)速降低了，串入附加電勢越大，轉(zhuǎn)速降得越多。引入 后，使電動機轉(zhuǎn)速降低，稱低同步串級調(diào)速。 (2) 超同步串級調(diào)速若 與 組同相位，則T2總是正值。當(dāng)拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，引入 后，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速升高了，則稱為超同步串級調(diào)速。 串級調(diào)速性能比較好，過去由于附加電勢 的獲得比較難，長期以來沒能得到推廣。近年來，隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，串級調(diào)速有了廣闊的發(fā)展前景。現(xiàn)已日益廣泛用于水泵和風(fēng)機的節(jié)能調(diào)速，應(yīng)用于不可逆軋鋼機、壓縮機等很多生產(chǎn)機械。 41解例10-1一繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的技術(shù)數(shù)據(jù)為： 試用工程計算法計算異步電動機的下列參數(shù)： 424344例10-2某繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的銘牌參數(shù)如下： （1）當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩 ，要求轉(zhuǎn)速 時，轉(zhuǎn)子每相應(yīng)串入多大的電阻 （圖中B