工學第5章異步電機拖動課件

1、第五章三相異步電動機的電力拖動5.1三相異步電動機的機械特性（一）、物理表達式一、機械特性的三種表達式表明：三相異步電動機的電磁轉矩是與主磁通 與轉子電流的有功分量 的乘積成正比的物理本質。（二）、參數(shù)表達式由簡化的等效電路，得：將上式及代入 說明：電磁轉矩與電源參數(shù)（1、f1）、結構參數(shù)和運行參數(shù)（s）有關。當U1、f1及電機的參數(shù)不變時，可畫出T=f(s)的曲線。如圖所示。經簡單坐標變換，可得異步電動機的機械特性n=f(T)發(fā)電狀態(tài)電動狀態(tài)電磁制動狀態(tài)在特性曲線上有兩個最大轉矩，最大轉矩對應的轉差率稱為臨界轉差率，可令 求得: 說明：（）上式中取“+”為電動狀態(tài)；取“”為發(fā)電狀態(tài)（）實際發(fā)

2、電狀態(tài)的|Tm|電動狀態(tài)的Tm,但工程上認為兩者相等。令：稱為過載倍數(shù)（或過載能力），它是電動機的重要性能指標之一，通常結論：在特性曲線上還有一個起動轉矩，即 時的轉矩: 結論：當其它參數(shù)一定時1、起動轉矩與電源電壓平方成正比；2、頻率越高，起動轉矩越??；漏抗越大，起動轉矩越?。?、起動轉矩倍數(shù)理想空載點臨界運行點起動狀態(tài)點以臨界運點為界，三相異步電動機的機械特性曲線分為兩個運行區(qū)域：1、穩(wěn)定運行區(qū)域： 0SSm2、不穩(wěn)定運行區(qū)域： Sm S1三、實用表達式利用電磁轉矩的參數(shù)表達式除以最大電磁轉矩表達式，并且忽略r1(因為r1r2/s),可得電磁轉矩的實用表達式： 工程上常根據(jù)電機的額定功率、

3、額定轉速、過載能力來求出實用表達式。方法是：將Tm和sm代入即可得到機械特性的實用表達式。當Ssm(即特性的直線段），則：直線表達式用起來更為簡便，但使用時需注意兩點：（2）求臨界轉差率Sm必須用：（）必須事先確認電機運行于機械特性的直線段，即SSm二、三相異步電動機的固有機械特性固有機械特性是指定子對稱三相繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)接，不經任何阻抗而直接施以額定電壓和額定頻率的對稱三相電壓，轉子電路也不串任何阻抗而直接自行短路，n=f(T)的關系曲線。sn0nNsNnmsm10TNTQTmT幾個特殊點：ABCD1.起動點A:2.最大轉矩點B:3.額定運行點C4.同步運行點D直接起動轉矩代表電機短

4、時過載極限代表電機處于理想空載運行點補充說明：sn0nNsNnmsm10TNTQTmT根據(jù)電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件，以臨界運行點B為界，三相異步電動機的機械特性曲線可分為兩個運行區(qū)域：ABCD（）穩(wěn)定運行區(qū)域：圖中DCB之間的曲線，相應的轉差率為0SSm（）不穩(wěn)定運行區(qū)域：圖中AB之間的曲線，相應的轉差率為SmS1結論：三相異步電動機一般只能穩(wěn)定運行在0SSm區(qū)間內。例5-1三、人為機械特性人為機械特性是指人為改變電源參數(shù)或電動機參數(shù)而得到的機械特性。1. 降壓定子端電壓時的人為機械特性特點：2. 轉子回路串對稱電阻時的人為機械特性(繞線式）特點：1 0TQTmTs n0n1smR2TQsmR

5、2+R3. 定、轉子回路串對稱電阻時的人為機械特性特點：5.2三相異步電動機的起動 一、固有起動特性直接起動定子相電流直接起動：異步電動機按其額定的接法，定、轉子回路不串任何阻抗，直接投入額定電壓、頻率的電網，電機從靜止到穩(wěn)定運行的過程。這時的起動性能稱為固有起動特性。剛起動時，S=1,n=0,轉子回路相當于短路。由起動等值電路得：但是，起動轉矩不大，原因為： 起動電流大而起動轉矩小是普通異步電動機固有起動性能的主要矛盾。過大的起動電流可引起供電電網的電壓波動，對電機及其它用戶帶來不良影響。另外，小的起動轉矩對重載起動會造成困難。為此，必須采取措施來解決上述問題。二、 三相籠型異步電動機的起動

6、（一）、直接起動可以直接起動的條件：起動電流倍數(shù)方法兩種：直接起動和降壓起動（）、PN7.5KW時，能否直接起動，一般按下列經驗公式來核定?；\型電動機的兩個固有起動性能指標（產品目錄中可查到）(二)、降壓起動(只用于輕載或空載的場合）設電源電壓為U1N,定子串電抗XQ后的端電壓為U1,則1.定子回路串電抗起動圖5-實際工程中，往往限定IQ的大小，要求計算XQ,則根據(jù)得：相當于降低定子繞組的外加電壓其中：(2)、降壓起動(只用于輕載或空載的場合）設自耦變壓器的變比:1.自耦變壓器的降壓起動（又稱補償器起動）圖5-5圖5-6 一相等值電路圖原副邊電壓、電流關系為:直接起動時的起動相電流：降壓后二次

7、側起動相電流：降壓后一次側起動相電流：電網提供的起動電流減小倍數(shù)：起動轉矩減小的倍數(shù)：自耦變壓器一般有三個抽頭可供選用：直接起動時的起動轉矩：降壓起動時的起動轉矩：結論：自耦變壓器降壓起動時，對電網而言起動電流降低倍數(shù)與起動轉矩降低倍數(shù)相同。與串電阻降壓起動相比，在限定相同起動電流的前提下，可以帶較大的負載起動。QJ2系列：55%、64%、73%QJ3系列：40%、60%、80%適用于正常運行時定子繞組為三角形接線的電動機。起動時 Y接；運行時接。圖5-7起動線電流關系:(3).Y- 降壓起動起動轉矩關系:直接起動時的起動相電流：直接起動時的起動線電流：Y起動時的起動相電流：Y起動時起動線電流

8、：直接起動時的起動轉矩：Y起動時的起動轉矩： 可見，Y-起動相當于自耦降壓起動時抽頭變比K=0.577的情況，適用于空載或輕載起動，是籠型異步電動機起動的基本方法之一。正常運行時定子繞組為接法的電動機長期處于空載運行時，可將其改為Y接法，以提高功率因數(shù)和效率，節(jié)約電能。因此，國產4KW以上的籠型電動機，都設計為額定電壓為380V,定子繞組接法為。例5-4三、 繞線式異步電動機的起動一、轉子回路串電阻起動 在轉子回路中串聯(lián)適當?shù)碾娮?既能限制起動電流，又能增大起動轉矩?？梢姡灰猂足夠大，就可使起動電流限制在規(guī)定的范圍內，根據(jù)前面對轉子串電阻的人為特性分析知，當Sm1時，TQ隨R的增加而減小。因

9、而繞線式轉子串電阻起動，可獲得比籠型電機優(yōu)越的起動性能。起動相電流：適用于重載起動或頻繁起制動的拖動系統(tǒng)。 為了有較大的起動轉矩、使起動過程平滑，應在轉子回路中串入多級對稱電阻，并隨著轉速的升高，逐漸切除起動電阻。（稱為分級起動） 電動機由a點開始起動，經bcdef gh，完成起動過程。起動過程二、轉子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器。 起動時，S2斷開，轉子串入頻敏變阻器,S1閉合，電機通電開始起動。起動時, ,頻敏變阻器鐵損大,反映鐵損耗的等效電阻 大,相當于轉子回路串入一個較大電阻。隨著 上升, 減小,鐵損減少,等效電阻 減小,相當于逐漸切除 ,起動結束,S2閉合，切除

10、頻敏變阻器，轉子電路直接短路。 三相異步電動機的制動方式有三種：反接制動、回饋制動、能耗制動。5.3三相異步電動機的制動一、 反接制動反接制動是指通過外部條件使轉子反轉或通過改變外加三相交流電源的相序，引起電磁轉矩與轉速方向相反的一種制動狀態(tài)。（一）、轉向反向的反接制動相當于他勵直流電動機的電勢反向反接制動。實現(xiàn)：在轉子回路串聯(lián)適當大電阻R。電機工作點由AB C，n=0，制動過程開始，電機反轉，直到D點。在第四象限才是制動狀態(tài)。由于電機反向旋轉，n1。適用場合: 適用于重物（位能性負載）勻低速下放。（二）、定子兩相對調的反接制動實現(xiàn)：將電動機電源兩相對調可實現(xiàn)反接制動。機械特性由曲線1變?yōu)榍€

11、2，工作點由AB C，n=0,制動過程結束。相當于他勵直流電動機的電壓反向的反接制動。適用場合: 適用于反抗性負載的快速停車。繞線式電動機在定子兩相對調的同時,可在轉子回路串聯(lián)制動電阻來限制制動電流和增大制動轉矩 ,曲線3。在C點若不及時切斷電源，可能有：（）負載為反抗性負載，且|TC|TL,系統(tǒng)就會反向起動而進入第三象限，穩(wěn)定運行于D點，是反向電動狀態(tài)。（）負載為位能性負載，在T和TL共同作用下，工作點下移到-n1點，然后在TL作用下進入第四象限，穩(wěn)定運行于H點，將重物高速下放，此時電機處于回饋制動狀態(tài)。（）制動過程中n 與n1反向，S1(2)能量觀點：機械功率為電磁功率為機械功率為負，說明

12、電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為正說明電機從電源輸入電功率。而表明，軸上輸入的機械功率轉變成電功率后，連同定子傳遞給轉子的電磁功率一起消耗在轉子回路電阻上，因此反接制動的能量損耗較大。（三）反接制動的運行特點習題5-8 繞線式異步電動機轉子每相電阻的工程估算式例5-7二、回饋制動是指三相異步電動機轉子實際轉速超過同步速的一種制動狀態(tài)（一）、轉向反向的回饋制動 首先將定子兩相反接,定子旋轉磁場的同步速為-n1，特性曲線變?yōu)?。工作點由A到B。經過反接制動過程（由B到C）、反向加速過程（C到-n1變化），最后在位能負載作用下反向加速并超過同步速，直到D點保持穩(wěn)定運行。電機機械特性曲線1，運行于A

13、點。實現(xiàn)：電動機轉子在外力作用下，使nn1.相當于他勵直流電動機電壓反向的回饋制動適用場合：使位能負載勻高速下滑（二）、轉向不變的回饋制動電機機械特性曲線1，運行于A點。電機工作點由A變到B，電磁轉矩為負， ，電機處于回饋制動狀態(tài)。當電機采用變極（增加極數(shù)）或變頻（降低頻率）進行調速時，機械特性變?yōu)?。同步速變?yōu)?。、電車下坡、變極或頻率下調相當于他勵直流電動機電壓不反向的回饋制動（）|n| |n1|，S0(2)能量觀點：機械功率為電磁功率為機械功率為負，說明電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為負說明電機將軸上輸入的機械能轉換為電能回饋給電網。（三）回饋制動的運行特點例5-8三、能耗制動實現(xiàn)：制

14、動時，S1斷開,電機脫離電網，同時S2閉合,在定子繞組中通入直流勵磁電流。 直流勵磁電流產生一個恒定的磁場，因慣性繼續(xù)旋轉的轉子切割恒定磁場，導體中感應電動勢和電流。感應電流與磁場作用產生的電磁轉矩為制動性質，轉速迅速下降，當轉速為零時，感應電動勢和電流為零，制動過程結束。 制動過程中，轉子的動能轉變?yōu)殡娔芟脑谵D子回路電阻上能耗制動。適用場合：使反抗性負載準確停機，也可使位能負載勻速下放。 三相異步電動機能耗制動過程中電磁轉矩T的產生，是由于轉子與定子磁動勢之間有相對運動；至于定子磁動勢相對于定子本身是旋轉的還是靜止的，以及相對轉速是多少，都是無關緊要的。 為了找到能耗制動的機械特性，引入等

15、效電流的概念。即將直流電流等效為三相交流電流。等效替代的原則：（1）保持磁動勢幅值不變，即F-=F;（2）保持磁動勢與轉子之間相對轉速（即轉差）不變. 設將F-等效為三相合成旋轉磁動勢F,定子每相電流的有效值為I ,則有：能耗制動等效電路為：能耗制動時，電動機內鐵損耗很小，可以將其忽略，即rm=0，由等效電路得：上式為能耗制動的機械特性參數(shù)表達式。能耗制動時最大轉矩：能耗制動時機械特性的實用表達式：能耗制動時臨界轉差率：nTemA0n1C1B23 對籠型異步電動機,可以增大直流勵磁電流來增大初始制動轉矩 。 對繞線型異步電動機,可以增大轉子回路電阻來增大初始制動轉矩 。5.4三相異步電動機的調

16、速由異步電動機的轉速公式可知，異步電動機有下列三種基本調速方法：（1）改變定子極對數(shù) 調速。（2）改變電源頻率 調速。（3）改變轉差率 調速。改變定子電壓的調壓調速、繞線式轉子回路串電阻調速、繞線式的串級調速等一、 變極調速設定子每相繞組由兩個完全對稱的“半相繞組”組成。兩個半相繞組順向串聯(lián)（即首尾相接）定子繞組產生4極磁場：兩個半相繞組反向串聯(lián)（尾尾相接）和反向并聯(lián)（頭尾相聯(lián)后再并聯(lián)），定子繞組產生2極磁場：由此可見，要想實現(xiàn)極對數(shù)的改變，只要改變定子繞組中任何一個半相繞組的電流方向即可。對于實際電機要產生有效的電磁轉矩，定、轉子繞組的極對數(shù)必須相等，因此，考慮實現(xiàn)的方便性，變極調速僅適用于

17、籠式異步電機（籠型電機轉子的極對數(shù)取決于定子的極對數(shù)）。說明：就三相異步電動機而言，為確保變極前后轉子的轉向不變，變極的同時必須改變三相繞組的相序。由于變極調速只能成倍地改變極對數(shù)，轉子轉速也只能成倍地變化，屬有級調速。二種常用變極接線方式注意：當改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序、YYY接變極調速結論：YYY接變極調速屬恒轉矩調速方式,用于起重機或傳送帶。機械特性圖5-25特點：Y接時半相繞組順串，極對數(shù)為2P, 同步轉速為n1YY半相繞組反并，極對數(shù)為P, 同步轉速為2n12、YY接變極調速注意：當改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序結論：YY接變極調速屬近似恒功率調

18、速方式，用于機床加工。機械特性如圖5-26特點：接時半相繞組順串，極對數(shù)為2P, 同步轉速為n1YY半相繞組反并，極對數(shù)為P, 同步轉速為2n1二、變頻調速優(yōu)點：可實現(xiàn)轉子平滑調速、獲得較寬的調速范圍和足夠硬的機械特性。變頻調速分為：基頻以下的變頻調速、基頻以上的變頻調速通過改變定子繞組供電頻率來改變轉子轉速的調速方式。變頻調速應滿足的兩個約束條件：（）主磁通不應超過額定運行時的數(shù)值原因：超過后易造成定子鐵心過飽和、勵磁電流大，導致功率因數(shù)和效率降低。（）過載能力保持不變。（是電機可靠運行的必要條件）(一)、變頻調速時頻率與端電壓的關系、保持主磁通m不變，端電壓的變化關系可見：為保持主磁通m不

19、變，在變頻的同時必須調節(jié)定子電壓,即滿足：說明：對于基頻以下的變頻調速，能夠實現(xiàn)上式；對于基頻以上的變頻調速，當頻率上升時，由于受電機繞組絕緣耐壓限制，定子電壓只能維持額定值不變，此時，頻率上升，主磁通下降。2、過載能力保持不變，端電壓的變化規(guī)律為了保持變頻前、后過載能力不變，則：式中可見：為了保持變頻前、后過載能力不變，電壓隨頻率的變化還與負載性質有關。、對于恒轉矩負載，由于TN=TN,所以只要對于恒功率負載，滿足上式雖然保證了過載能力不變，但主磁通要變化。保證了變頻時主磁通與過載能力均不變。、對于恒功率負載，由于PN=常數(shù),則對于通風機負載，滿足上式雖然保證了過載能力不變，但主磁通要變化。

20、（作業(yè)：5-21)3、對于通風機負載，T=Kn2,則（二）、頻率調速時電動機的機械特性最大轉矩起動轉矩臨界點轉速降臨界轉差率三相異步電動機變頻調速機械特性如圖5-271、在基頻以下調速時,保持 .（）不同頻率下的機械特性平行，即機械特性的硬度不變。（）f1較高時（忽略r1的影響),隨著f1下降， Tm不變， TQ增大。圖中曲線（）f1較低時（考慮r1的影響），隨著f1下降， Tm下降， 圖中曲線。通常在低速時適當提高電壓（低頻補償）、在基頻以上調速時,保持（）不同頻率下的機械特性平行，即機械特性的硬度不變。（）f1較高時（忽略r1的影響),隨著f1上升， Tm變?。ㄒ驗榇藭r最大轉矩與頻率的平方成反比）。圖中曲線三相異步電動機變頻調速特點：(1)基頻以下的變頻調速為恒轉矩調速；基頻以上為恒功率調速基