電力拖動：第三章 三相異步電動機的機械特性、起動制動

1、第三章 三相異步電動機的機械特性、起動和制動交流電力拖動系統(tǒng)：以交流電機為電動機拖動的系統(tǒng)。分類：異步電動機 同步電動機目前：交流電力拖動系統(tǒng)中的電動機多數(shù)為異步電動機（感應(yīng)電機）。1工作原理直流電動機與三相異步電動機比較：直流電動機：靜止的磁場，以傳導(dǎo)當時通入電樞繞組中的電流相互作用，從而產(chǎn)生一種恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。三相異步電機：當對稱的三相定子繞組通入對稱的三相電源時，在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了旋轉(zhuǎn)磁場（以同步速旋轉(zhuǎn)），轉(zhuǎn)子上的閉合導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割。根據(jù)電磁感應(yīng)定律：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，旋轉(zhuǎn)磁場和感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)拖動作用。2第一節(jié) 三

2、相異步電動機機械特性定義：是指在電動機定子電壓、頻率以及繞組參數(shù)一定的條件下，電動機轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。 但由于n與s存在一定的關(guān)系，所以三相異步電機的機械特性往往用 的形式來表示。3機械特性的表達式表達式有三種：分別是：物理表達式反應(yīng)電動機的物理本質(zhì)參數(shù)表達式U、R等參數(shù)對電磁轉(zhuǎn)矩有何影響實用表達式通過銘牌數(shù)據(jù)可以算出T4一、物理表達式式中：異步機的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 異步機每極磁通 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)5物理表達式的幾點討論：1.三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T是由主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的（物理意義）2.T和氣隙磁通以及轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比；（因為轉(zhuǎn)子電流滯后于轉(zhuǎn)子電勢，在氣隙磁場同一極

3、性下面的各轉(zhuǎn)子有效導(dǎo)體中，電流方向不完全相同）6物理表達式的局限性：用于物理分析異步電動機在各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩和氣隙磁通及轉(zhuǎn)子電流有功分量之間的關(guān)系，但不能和具體的參數(shù)聯(lián)系起來。不利于定量地分析問題需要參數(shù)表達式7二、參數(shù)表達式 可得則得8由于異步電動機的電磁功率為分子分母同乘以（1-s），即得 由異步電動機的近似等效電路 得異步電動機的機械特性參數(shù)表達式：91. 幾個狀態(tài)2. 4個特殊點三相異步電動機的固有機械特性10臨界轉(zhuǎn)差率 使 ，即可求得 P點：最大轉(zhuǎn)矩 由于A點 ：起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) TST僅與電動機本身參數(shù)有關(guān)，與負載無關(guān)11說明“+”適用于電動機狀態(tài)，“-”適用于發(fā)電機狀態(tài)s

4、m和sm關(guān)于H點對稱Tmax和Tmax只在忽略R1的情況下才能關(guān)于n軸對稱電機參數(shù)不變，f1不變時，Tmax與電壓的平方成正比，sm與電源電壓無關(guān)。12B點：額定工作點H點：同步點，也稱為理想空載點13電動機的過載能力為什么要引入過載能力：如果負載轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩，則電動機將會因為承擔不了而停轉(zhuǎn)，為了保證電動機不會因為過載而停轉(zhuǎn)，一般電動機都具有一定的過載能力。（即反映電動機短時過載極限）一般取 = 1.6-3.014T,磁通，轉(zhuǎn)子電流的有功分量三者之間的關(guān)系：左手定則；n=f(I2)曲線 曲線n=f(T)曲線15三、實用表達式忽略 R1 得機械特性的實用表達式：16第二節(jié) 三相異步電動機的固

5、有機械特性 與人為機械特性一、固有機械特性 固有機械特性是指異步電動機工作在額定電壓及額定頻率下，電動機按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉(zhuǎn)子電路中不外接電阻（電抗或電容）時所獲得的機械特性曲線 。三相異步電動機的固有機械特性1）起始點A；2）額定工作點B；3）同步轉(zhuǎn)速點H；4）最大轉(zhuǎn)矩點P和P。17二、人為機械特性三相異步電動機降低定子相電壓時的人為機械特性（一）降低 降低后電動機電流將大于額定值，電動機如長時連續(xù)運行，最終溫升將超過允許值，導(dǎo)致電動機壽命縮短，甚至燒壞。轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻時的人為機械特性（二）轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻 轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)對稱電阻適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動，也可用于

6、調(diào)速。 18（三）定子電路串聯(lián)對稱電抗定子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電抗時的人為機械特性 定子電路串聯(lián)對稱電抗一般用于籠型異步電動機的降壓起動，以限制電動機的起動電流。定子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻時的人為機械特性（四）定子電路串聯(lián)對稱電阻 與串聯(lián)對稱電抗時相同，定子串聯(lián)對稱電阻一般也用于籠型異步電動機的減壓起動 。19例題3120一.異步電動機的起動指標1.起動的要求：起動電流要小，以減小對電網(wǎng)的沖擊起動轉(zhuǎn)矩要大，以加速起動過程，縮短起動時間2.異步電動機的實際起動情況：（1）轉(zhuǎn)子電路的電阻降低很多，起動電流顯著增加，增加的起動電流還會使電機磁路飽和，使漏抗減小，這又會使電流進一步增大?；\形異步電動機起動電流達

7、額定電流的47倍，某些型號甚至可達812倍第二節(jié) 三相籠形異步電動機的起動21過大的起動電流會造成：電動機發(fā)熱，影響電動機壽命；過大的起動電流還會使電網(wǎng)產(chǎn)生過大的電壓降落，影響接在電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常運行。（2）起動電流大，但是異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩并不大；因為功率因數(shù)小起動轉(zhuǎn)矩小則會對需滿載起動的機械造成困難。223.要改善異步電動機的起動性能，關(guān)鍵在于設(shè)法限制起動電流，增大起動轉(zhuǎn)矩。4.把異步電動機起動分成4種情況：（1）小容量電動機輕載起動（2）中大容量電動機輕載起動（3）小容量電動機重載起動（4）中大容量電動機重載起動23一般規(guī)定，異步電動機的功率小于7.5kW時允許直接起動。如果功率

8、大于7.5kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求者，電動機也可允許直接起動。一. 直接起動小容量電動機輕載起動如果不能滿足要求，則必須采用減壓起動的方法 。24還要考慮其他一些因素：起動是否頻繁供電線路的距離同一臺變壓器其他用戶的要求25輕載：對起動轉(zhuǎn)矩要求并不高，此時的主要矛盾是電流；降低起動電流的方法，主要靠降低電壓；由于籠形異步電動機的轉(zhuǎn)子本身不可能外接任何阻抗，那么只能在定子電路采取措施。二. 減壓起動大中容量電動機輕載起動 異步電動機的機械特性參數(shù)表達式：26減壓起動減小起動電流的同時，也減小了起動轉(zhuǎn)矩；所以，只能用于對起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。若忽略勵磁電流，則： 降低每相繞組電壓的

9、措施：（1）定子繞組串電阻或電抗；（2）自耦變壓器（3）星形三角形起動（改變定子繞組接法）27（一）定子繞組串電阻或電抗減壓起動 籠型異步電動機電阻減壓起動的原理圖籠型異步電動機電抗減壓起動的原理圖28等值電路：29注意：（1）降壓起動方法雖然降低了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也顯著減小，只適用于空載或輕載起動；（2）串電阻降壓起動一般用于低壓電動機，串電抗降壓起動一般用于高壓電動機；（3）降壓起動除了限制起動電流，有時以減小起動轉(zhuǎn)矩為主要目的，以減輕對機構(gòu)的沖擊并保證平穩(wěn)加速。303. 起動電阻或電抗的計算4. Rk和Xk的估算5. 例題3231（二）自耦補償減壓起動 異步電動機自耦補償起動的原理線

10、路圖32所以通過自耦變壓器，電網(wǎng)所提供的起動電流降低為：自耦變壓器的減壓原理圖33總結(jié)：與直接起動相比，起動電壓降低為 ；電網(wǎng)所提供的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低為與定子串電阻電抗相比，同樣的起動電流，采用自耦變壓器減壓起動，電動機可產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，所以，可帶較大的負載；適用于容量較大的低壓電動機作降壓起動。34（三）星形一三角形（Y）起動 籠型異步電動機星形三角形起動的原理線路圖35在起動時，先將三相定子繞組聯(lián)結(jié)成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時再改聯(lián)結(jié)成三角形。這樣，起動時聯(lián)結(jié)成星形的定子繞組電壓與電流都只有三角形聯(lián)結(jié)時的 ，由于三角形聯(lián)結(jié)時繞組內(nèi)的電流是線路電流的 ，而星形聯(lián)結(jié)時兩者則是相等的。因

11、此，聯(lián)結(jié)成星形起動時的線路電流只有聯(lián)結(jié)成三角形直接起動時線路電流的1/3 。 36在起動時，先將三相定子繞組聯(lián)結(jié)成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時再改聯(lián)結(jié)成三角形。適用于定子繞組在正常工作時三角形聯(lián)接的三相異步電動機，且輕載。37三. 小容量電動機重載起動只要矛盾是起動轉(zhuǎn)矩不足解決的辦法：1.選擇容量大一號的電機2.選擇高起動轉(zhuǎn)矩的電動機特殊電機（1）深槽式異步電動機（2）雙鼠籠異步電動機38一、深槽異步電動機轉(zhuǎn)子頻率愈高，槽高愈大，集膚效應(yīng)愈強。當起動完畢，頻率 僅為13Hz，集膚效應(yīng)基本消失，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)的電流均勻分布，導(dǎo)條電阻變?yōu)檩^小的直流電阻 39二、雙籠型異步電動機雙籠異步電動機的機械特性雙籠型

12、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與漏磁通這種異步電動機的轉(zhuǎn)子上有兩套導(dǎo)條，上籠與下籠，兩籠間由狹長的縫隙隔開。上籠通常用電阻系數(shù)較大的黃銅或鋁青銅制成，且導(dǎo)條截面較小，故電阻較大；下籠截面較大，用紫銅等電阻系數(shù)較小的材料制成，故電阻較小。 40四. 中大容量電動機重載起動要求起動電流小，起動轉(zhuǎn)矩大采用繞線電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方法41第三節(jié) 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動對于籠形異步電動機，無論采用哪一種降壓起動的方法，在減小起動電流的同時，電動機的起動轉(zhuǎn)矩也隨之減?。粚τ谀承┲剌d起動的生產(chǎn)機械，不僅要限制起動電流，而且還要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩；在這種情況下，基本排除了采用籠形轉(zhuǎn)子異步電動機的可能性，而采用起動性能較好的繞

13、線式異步電動機。實現(xiàn)方法：轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器或轉(zhuǎn)子串接電阻42（一）轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動 當電動機起動時，轉(zhuǎn)子頻率較高，頻敏變阻器內(nèi)的與頻率平方成正比的渦流損耗較大， 值也因之較大，起限制起動電流及增大起動轉(zhuǎn)矩的作用。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子頻率不斷下降，頻敏變阻器鐵心的渦流損耗及 值跟著下降，使電動機起動平滑。 頻敏變阻器的等效電路43總結(jié)：繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格便宜，維護方便，能自動操作。因此，目前獲得了十分廣泛的應(yīng)用。44（二）轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，逐漸切除起動電阻。453.起動電阻的計算：解析法4.

14、特點：可得到最大的起動轉(zhuǎn)矩，但起動設(shè)備復(fù)雜，操作維修不便，特別是大容量電動機，轉(zhuǎn)子電流大，切除電阻時，轉(zhuǎn)矩變化大，對機械傳動機構(gòu)沖擊大；同時，需要較多的電阻器、開關(guān)元件等，設(shè)備的投資大。46第四節(jié) 三相異步電動機的制動 1、電動運轉(zhuǎn)狀態(tài) 電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點是電動機轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)的方向相同。 電動狀態(tài)下異步電動機的機械特性2、制動運轉(zhuǎn)狀態(tài) 異步電動機可工作于回饋制動，反接制動及能耗制動三種制動狀態(tài)。其共同特點是電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，以實現(xiàn)制動。此時，電動機由軸上吸收機械能，并轉(zhuǎn)換為電能。 47一、能耗制動 當K1斷開，電動機脫離電網(wǎng)時，立即將K2接通，則在定子兩相繞組內(nèi)通入直流電流，在定

15、子內(nèi)形成一固定磁場。48當轉(zhuǎn)子由于慣性而仍在旋轉(zhuǎn)時，其導(dǎo)體即切割此磁場，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)左手定則，可確定出轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，即為制動轉(zhuǎn)矩。 4950能耗制動經(jīng)驗公式對繞線式異步電動機：求定子直流勵磁電流求轉(zhuǎn)子回路所串電阻利用估算的值，可以保證電動機拖動系統(tǒng)的快速停車51轉(zhuǎn)速反向的反接制動時的異步電動機特性異步電動機轉(zhuǎn)速反向反接制動電路圖二、反接制動狀態(tài) 1轉(zhuǎn)速反向的反接制動 52轉(zhuǎn)子軸上機械功率 為負此時的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子由定子輸入的電功率即為電磁功率 為正轉(zhuǎn)子電路的損耗 為兩者之和，因此能量損耗極大 。53在該制動狀態(tài)，由位能負載提供的機械功率和電源輸入的電磁功率全

16、部消耗在電動機的轉(zhuǎn)子電路的電阻上。特點：可使位能性負載獲得穩(wěn)定的下放速度，但能量損耗大。54異步電動機定子兩相反接的電路圖與機械特性2定子兩相反接的反接制動 為了迅速停車或反向，可將定子兩相反接，工作點由A轉(zhuǎn)移到B此時轉(zhuǎn)差率為 在兩相反接時 ，電動機的轉(zhuǎn)矩為T，與負載轉(zhuǎn)矩共同作用下，電動機轉(zhuǎn)速很快下降，這相當于圖中機械特性的BC段。5556在轉(zhuǎn)速接近于0時，若想快速停車，應(yīng)切斷電源；在轉(zhuǎn)速為零的C點，如不切斷電源，電動機將反向加速，機械特性進入第三象限，反向的電動狀態(tài)反抗性負載位能性負載57能量關(guān)系：和轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)一樣，系統(tǒng)儲存的動能變?yōu)檩S上輸入的機械功率，與定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起，全部消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上。58三、回饋制動狀態(tài) 位能負載帶動異步電動機進入回饋制動狀態(tài) 1.下放重物時的回饋制動轉(zhuǎn)速高于同步速度 時，異步電動機既回饋電能，又在軸上產(chǎn)生機械制動轉(zhuǎn)矩，即在制動狀態(tài)下工作。59602.變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動61第五節(jié) 三相異步電動機的四象限運行一、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機注意：對于位能性負載：提升重物時，電動機始終處于電動狀態(tài)；下放重物時，電動機處于制動狀態(tài)下放速度低，可采用轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的反接制動下放速度高，可采用定子兩相反接時