《異步電機拖動》

1、第 3 章 異步電動機的電力拖動3.1 三相異步電動機的機械特性 3.2 三相異步電動機的起動 3.3 三相異步電動機的制動 3.4 三相異步電動機的調速 3.1 三相異步電動機的機械特性1. 電磁轉矩公式電磁轉矩兩種表達式轉子邊功率因數(1) 物理表達式由其中為轉矩常數機械特性物理表達式：異步機等效電路及其簡化 E1 = E2U1I1R1 jX1jX2 R2I21s R2 sRmjXmI0 E1 = E2U1I1R1 jX1 jX2 R2I21s R2 sRmjXmI0(2) 機械特性的參數表達式(由T型等效電路中略去勵磁電流得到)對s求導，由= 0，得: dTds 臨界轉差率 最大（臨界）

2、轉矩 +號對應電動狀態(tài)，-號對應發(fā)電狀態(tài)。若考慮到 ,可得到：由此可見： 當電動機參數和電源頻率不變時，最大轉矩Tm與電源電壓U1的平方成正比，臨界轉差率SM與電源電壓無關，即T (TM) U12 , sM 與 U1 無關。 當電源電壓和頻率不變時，臨界轉差率SM與轉子電阻成正比，最大轉矩與轉子電阻無關，即 sMR2 ，TM 與 R2 無關。當電源電壓和頻率不變時，臨界轉差率SM與最大轉矩都與（x1+x2）成反比例關系。(3) 電磁轉矩的實用公式 兩式相除機械特性實用表達式：額定電磁轉矩 TmTNT =當 過載倍數 若忽略T0，則 = 1 s sM TmT( )2TmT解實用公式方程，可得 根

3、據 s 和 sm 的相對大小，取“”或取“”。 由于 sN sm，則 ( )2 = 1 sNsmTmTNTmTN即有下面的關系 Sm = sN (T T21 ) 小結： 三種機械特性表達式，參數表達式、實用公式主要用于計算。物理表達式用于定性討論?！纠?3.1.1 】 Y132M4 型三相異步電動機帶某負載運行，轉速 n = 1 455 r/min，試問該電動機的負載轉矩 TL 是多少？若負載轉矩TL = 45 Nm，則電動機的轉速 n 是多少？ 由電工手冊查到該電機的 PN = 7.5 kW， n0 = 1 500 r/min，nN = 1 440 r/min，T = 2.2。由此求得 n0

4、n n0s = = 0.03 1 5001455 1 500 n0nN n0sN = = 0.04 1 50014401 500解： = 0.04 ( 2.2 2.221 ) = 0.1664 602TN =PNnN602= Nm = 49.76 Nm 7 500 1 440Tm = T TN= 2.249.76 Nm = 109.47 Nm 忽略 T0，則TL = T2 sm s= T = 2Tm ssm = Nm = 38.32 Nm +2 109.47 0.03 0.1660.166 0.03 sm = sN (T T21 )當 TL = T2 = T = 45 Nm 時 = 0.166

5、 1 ( )2 109.47 45 109.47 45= 0.036 n = ( 1s ) n0 = ( 10.036 )1 500 r/min = 1 446 r/minTMTs = sm 1 TMT( )2OMs2. 固有特性 當 U1 、f1、r2、x2 為常數時： T = f (s ) 轉矩特性 n = f (T ) 機械特性 當 U1L = U1N 、f1 = fN，且繞線型轉子中不外串電阻或電抗時，機械特性稱為固有機械特性。1n0TnO P SNB P AH 額定狀態(tài)是指各個物理 量都等于額定值的狀態(tài)。B點： n = nN ， s = sN ， T= TN ，P2 = PN。 額定

6、狀態(tài)說明了電動機 長期運行的能力 TLTN，P2PN，I1IN。(1) 額定狀態(tài)（B點） nNTNn0TnOB sN = 0.01 0.09 很小， T 增加時，n 下降很少 硬特性。工作段(2) 起動狀態(tài)（ A 點） 對應 s = 1，n = 0 的狀態(tài)。 又稱為堵轉狀態(tài)。 起動時 T = Tst， I1L = Ist Tst 直接起動的能力。 起動條件 Tst TL。 Ist線路允許值。 起動轉矩倍數n0TnOATst KT = TstTN 異步電動機 KT = 0.9 1.3 臨界轉速 (3) 臨界狀態(tài)（P 點）n0nTOP 對應 s = sm，T = Tm 的狀態(tài)。nMTm 臨界狀態(tài)明

7、了電動機的 短時過載能力。 過載倍數T =TmTN Y 系列三相異步電動機 T = 2 2.2 臨界轉差率smsm = sN (T T21 )3. 人為特性(1) 降低定子電壓時的人為特性三相異步電動機降壓時的人為機械特性nsm0TLUNTstTmaxTn10.8UN0.64Mst0.64Mm(2) 轉子電阻增加時的人為特性 根據 sM = r2 /(x1+x2) , Tm 與 r2 無關。r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs11 0TstTmTems n0n1smr2Rs1 Rs2Xs , Rs1Rs1 0TmTsms n0n1xs1TmSmXs , RsTm ,

8、Sm均減小，n1不變 3.2 三相異步電動機的起動 1. 電動機的起動指標(1) 起動轉矩足夠大 Tst TL Tst (1.1 1.2) TL(2) 起動電流不超過允許范圍。 異步電動機的實際起動情況 起動電流大：Ist = k1 IN= (47) IN 起動轉矩?。篢st = kmTN = (12) TN 啟動電流倍數啟動轉矩倍數 不利影響 大的 Ist 使電網電壓降低，影響自身及其他負載 工作。 頻繁起動時造成熱量積累，易使電動機過熱。 起動電流大，起動功率因數低，起動轉矩小。2. 籠型異步電動機的直接起動(1) 小容量的電動機（PN 7.5kW）(2) 電動機容量滿足如下要求：IstI

9、Nk1 =143 +電源總容量(kVA)電動機容量(kW)優(yōu)點：設備簡單，操作方便；缺點：起動電流大，起動轉矩不大。3. 籠型異步電動機的減壓起動(1) 定子串聯電阻或電抗減壓起動M33 RSS1 FUS2起動運行M3XSS1 FUS23 適用于：正常運行為聯結的電動機。(2) 星形三角形減壓起動（Y 起動）3 UNS1 FUS2U1U2V1V2W1W2適用于：正常運行為聯結的電動機。(2) 星形三角形減壓起動（Y 起動）3 UNS1 FUS2U1U2V1V2W1W2Y 起動適用于：正常運行為聯結的電動機。(2) 星形三角形減壓起動（Y 起動） 起動S23 UNS1 FUU1U2V1V2W1W

10、2 定子相電壓比 U1PYU1PUN 3UN=1 3 定子相電流比 I1PYI1PU1PYU1P=1 3 起動電流比IstYIstI1PY 3 I1P=13 Y 型起動的起動電流 IstY = Ist13 起動轉矩比 TstYTstU1PYU1P=13( )2TstY = Tst13 Y型起動的起動轉矩 (1) IstYImax （線路中允許的最大電流）；(2) TstYTL 。 否則不能采用此法。 Y 起動的使用條件 (3) 自耦變壓器減壓起動TA3 UNS1 FUS2M3(3) 自耦變壓器減壓起動3 UNS1 FUS2TAM3起動(3) 自耦變壓器減壓起動TA3 UNS1 FUS2M3運行

11、(3) 自耦變壓器減壓起動AU2變比 電壓比 UNU2= KA 定子相電流比 = KAI2stI1st 定子起動電流I1stI2stUNO定子一相繞組N1N2I1st=I2stKA=U2ZkKA=UNZkK2A=I1stK2ATstTstU2UN=1K2A( )2 起動轉矩比 自耦變壓器減壓起動的起動電流 自耦變壓器減壓起動的起動轉矩Ist = Ist/KA2 Tst = Tst /KA2 降壓比 K=1/KA可調 QJ2 型三相自耦變壓器： K = 0.55、0.64、0.73 QJ3 型三相自耦變壓器： K = 0.4、0.6、0.8 (1) IstaImax （線路中允許的最大電流）。

12、(2) TstaTL 否則不能采用此法。 自耦變壓器減壓起動的使用條件 P58 表3-1：降壓起動方法性能比較3. 改善起動性能的三相籠型異步電動機(1) 深槽異步電動機 槽深 h 與槽寬 b 之比為：h / b = 8 12漏電抗小漏電抗大增大電流密度 起動時，f2 高， 漏電抗大，電流的集 膚效應使導條的等效 面積減小，即 R2 ， 使 Tst 。 運行時， f2 很低， 漏電抗很小，集膚效 應消失，R2 。(2)雙籠型異步電動機電阻大漏抗小電阻小漏抗大上籠（外籠）下籠（內籠） 起動時， f2 高， 漏抗大，起主要作用， I2 主要集中在外籠， 外籠 R2 大 Tst 大。 外籠 起動籠。

13、 運行時， f2 很低 ， 漏抗很小，R2 起主要作用， I2 主要集中在內籠。 內籠 工作籠。Rst1Rst23 M3S1 S2S(1) 起動過程4. 繞線型異步電動機轉子電路串聯電阻起動 串聯 Rst1 和 Rst2 起動（特性 a） 總電阻 R22 = R2 + Rst1+ Rst2n0TnOa (R22)TLT2a1a2T1切除 Rst2(1) 起動過程b (R21)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2 合上 S2 ，切除 Rst2（特性 b） 總電阻 R21 = R2+ Rst14. 繞線型異步電動機轉子電路串聯電阻起動 3 M3S1 S2Rst1Rst2S切除 R

14、st1 合上 S1 ，切除 Rst1（特性 c） 總電阻: R24. 繞線型異步電動機轉子電路串聯電阻起動 c (R2)b (R21)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2c1c2(1) 起動過程p3 M3S1 S2 Rst1Rst2S(2) 起動級數未定時起動電阻的計算 選擇 T1 和 T2 起動轉矩： T1 = (0.8 0.9) TM 切換轉矩： T2 = (1.1 1.2) TL 起切轉矩比 =T1T2 求出起動級數 m 根據相似三角形的幾何關系來推導。規(guī)律：對同一條特性曲線，轉矩比等于轉差率之比！T1 n0 nc1TM n0 nMc=sc1sMcc (R2)b (R2

15、1)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2c1c2pT2 n0 nc2TM n0 nMc=sc2sMc同理可得：T1TM=sa1sMa=sb1sMb=sc1sMcT2TM=sa2sMa=sb2sMb=sc2sMc因為 sa2 = sb1 ，sb2 = sc1 sM R2 =T1T2=sMasMb=R22R21所以 =T1T2=sMbsMc=R21R2因此有下面的關系 R21 =R2 R22 =R21 =2R2對于 m 級起動，有 R2m = mR2式中 R2m = R2Rst1Rst2 Rstm 于是得到下式：= R2m R2 m因為 sMcsMasc1 = sa1=R2R22

16、= 1R2R22對于 m 級起動，則有 sc1 =R2R2m在固有特性 c 上，有關系 T1TN=sc1sN= TN sNT1 m因此可得 = R2m R2 mm =TNsNT1 lg lg 重新計算 ，校驗是否在規(guī)定范圍內。 求轉子每相繞組的電阻 R2R2 = sN U2N3 I2N 計算各級總電阻和各級起動電阻 R21 =R2 R22 =R21 R2m = R2(m1)=2R2 =m R2Rst1 = R21R2Rst2 = R22R21Rstm = R2mR2(m1)(3) 起動級數已定時起動電阻的計算 T1 = (0.8 0.9) TM = TN sNT1 mT2 = T1 ，驗算：

17、T2 = (1.1 1.2) TL ，若不滿足，重新調整，直到滿足要求。 計算各級總電阻和各級起動電阻。R2 = sN U2N 3 I2N【例 3.3.2 】 JR414 型三相繞線型異步電動機拖動某生產機械。已知電動機的 PN = 40 kW，nN = 1 435 r/min，MT = 2.6， U2N = 290 V， I2N = 86 A。已知起動時的負載轉矩 TL = 200 Nm ，采用轉子電路串電阻起動。起動級數初步定為三級。求各級應串聯的起動電阻。解： (1) 選擇起動轉矩 T1 602TN =PN nN= Nm = 266.32 Nm 6023.14401031 435 TM

18、= MT TN = 2.6266.32 Nm = 692.43 Nm T1 = ( 0.8 0.9 )TM = ( 553.94 623.19 ) Nm取 T1 = 580 Nm(2) 求出起切轉矩比 (3) 求出切換轉矩 T2T2 = T1 = Nm = 263.64 Nm 580 2.2由于 T21.1TL，所以所選 m 和 合適。(4) 求出轉子每相繞組電阻 R2 = = 2.2 266.32 0.043 3580 3 n0 nN n0sN = 1 500 1 435 1 500= = 0.043 3 = TN sNT1 mR2 = sN U2N 3 I2N= = 0.084 3 0.0

19、43 3290 1.73286(5) 求出各級總電阻 R21 =R2 R22 =R21 R23 =R22 (6) 求出各級起動電阻 Rst1 = R21R2 Rst2 = R22R21 Rst3 = R23R22= 2.20.084 3 = 0.186 = 2.20.018 6 = 0.408 = 2.20.408 = 0.899 = (0.1860.084 3) = 0.102 = (0.4080.186) = 0.222 = (0.8990.408) = 0.491 頻敏變阻器 頻率高：損耗大，電阻大。 頻率低：損耗小，電阻小。 轉子電路起動時 f2 高，電阻大， Tst 大， Ist 小

20、。 轉子電路正常運行時 f2 低，電阻小， 自動切除變阻器。5. 繞線型異步電動機轉子電路串聯頻敏變阻器起動 頻敏變阻器 3.3 三相異步電動機的制動M33S11. 能耗制動(1) 制動原理 制動前 S1 合上，S2 斷開， M 為電動狀態(tài)。 制動時 S1 斷開，S2 合上。 定子: U I1 轉子: n E2 I2 T 為制動狀態(tài)。nUS2 RbI1FFT T(2) 能耗制動時的機械特性OnT特點： 因T 與 n 方向相反， nT 曲線在第二、 四象限。 因 n = 0 時， T = 0， nT 曲線過原點。 制動電流增大時， 制動轉矩也增大； 產生最大轉矩的轉速不變。I1I1(3) 能耗制

21、動過程 迅速停車MLOnT12 制動原理制動前：特性 1。制動時：特性 2。原點 O (n = 0，T = 0)，a 點 b 點慣性 ab(T0，制動開始)n制動過程結束。 制動效果 RbI1 T 制動快。 制動時的功率 定子輸入：P1 = 0，軸上輸出：P2 =T0 。 動能 P2 轉子電路的電能 PCu2消耗掉。(4) 能耗制動運行 下放重物MLOnM12a a 點 b 點 慣性 (T0，制動開始)bn 原點 O (n = 0，T = 0),在TL作用下 n 反向增加 cc 點(T = TL), 制動運行狀態(tài)以速度 nc 穩(wěn)定下放重物。 制動效果： 由制動回路的電阻決定。 轉子串聯電阻（經

22、驗公式）2. 反接制動(1) 定子反相的反接制動 迅速停車3 M33 M3Rb制動前的電路制動時的電路 制動原理TLTL制動前：正向電動狀態(tài)。 制動時：定子相序改變， n0 變向。OnT1 n02n0 bs = n0 n n0= n0n n0即：s 1 (第二象限)。同時：E2s、I2 反向，T 反向。aca 點 b 點(T0，制動開始)慣性 n c 點(n = 0，T 0)， 制動結束。到 c 點時，若未切斷電源，T 將可能反向起動。d相對切割方向改變，轉子電勢方向變化取決于 Rb 的大小。 制動效果aOnT1n02n0bc 制動時的功率 Pe = m1I22 R2Rb s0 PCu2 =

23、m1(R2Rb ) I22 = PePm = Pe|Pm|0 Pm = (1s ) Pe 三相電能 電磁功率Pe轉子機械功率Pm定子轉子電阻消耗掉(2) 轉子反向的反接制動下放重物On M 1n02bcTLad 制動原理 定子相序不變，轉子電路串聯對稱電阻 Rb。a 點 b 點(TbTL)， 慣性 n c 點 ( n = 0，McML ) 在TL 作用下T 反向起動d 點( nd0，Td = TL ) 制動運 行狀態(tài) 制動效果 改變 Rb 的大小，改變特性 2 的斜率，改變 nd 。3e 低速提升重物 制動時的功率s =n0nn0第四象限：1 (n0)Pe = m1I22R2Rb s0 PCu

24、2 = m1(R2Rb ) I22 = PePm = Pe|Pm|0 Pm = (1s ) Pe 定子輸入電功率 軸上輸入機械功率 （位能負載的位能） 電功率與機械功率均 消耗在轉子電路中。MnOf1 f1f1 f13. 回饋制動 特點：| n | | n0 |，s0。 電機處于發(fā)電機狀態(tài)。(1) 調速過程中的回饋制動MLabcdMnOYYYMLabcd?變頻調速變極調速OnMMLn0n0(2) 下放重物時的回饋制動GRb T3 M3TnTLbac正向電動反接制動dn回饋制動反向電動 0 (nn0) 0 定子發(fā)出電功率，向電源回饋電能。 0 軸上輸入機械功率(位能負載的位能)。 PCu2 =

25、PePm|Pe | = |Pm|PCu2 機械能轉換成電能(減去轉子銅損耗等)。 制動時的功率s =n0n n0=n0nn0第四象限：Pe = m1I22 R2Rb sPm= (1s ) Pe 制動效果 Rb 下放速度 。 為了避免危險的高速， 一般不串聯 Rb。OnMMLn0n0P75 表3-2異步電機三種制動方法的比較3.4 三相異步電動機的調速1. 改變磁極對數 p2. 改變轉差率 s 3. 改變電源頻率 f1(變頻調速)調速方法： n = (1 s) n0 = (1 s)60 f1 p 有級調速。無級調速。1. 電動機的調速指標(1) 調速范圍(2) 調速方向(3) 調速的平滑性 平滑

26、系數(4) 調速的穩(wěn)定性 靜差率 D、nN 的關系 (nN = nmax) D =nmax nmin = ni ni1 = 100% n0n n0 TnOn01n02nNnND =nN nN (1) 例如：nN = 1 430 r/min，nN = 115 r/min ， 要求30%、則 D = 5.3。 要求20%、則 D = 3.1。 再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，5%， 則 nN = 3.76 r/min。(5) 調速的經濟性(6) 調速時的允許負載 不同轉速下滿載運行時： 輸出轉矩相同 恒轉矩調速。 輸出功率相同 恒功率調速。2. 籠型異步電動機的變頻調速

27、U、f 可 變M33整流電路逆變電路50 Hz控制電路 直 流n0TnOn0f1fNU1L= UN n0TnOn0f1f N ， =常數 U1f1 TLTL f1 fN E14.44 f1 kw1N1m = U14.44 f1 kw1N1為保持 m = 常數 = 常數U1f1 因為 n0 f1 ,sM1 f1所以 n = n0nM = sM n0 （不變） TM = KT pU12 2f1X2R2X2sM =( )因為 TM U1 f12所以 TM 不變。 f1fNn0f1n0TnOfNTMTM = KT pU12 2f1X2R2X2sM = f1fN ， U1L = UN（不變） 調頻時：f

28、1 m 因為 n0 f1，sM1 f1所以 n = n0nM = sM n0 (不變) TM1 f1 2而且：f1fNn0f1n0TnOfN= 常數 U1f1 因為 m 基本不變， 基本不變。 所以 T = CTm I2N cos2 f1fN 時 恒轉矩調速。 P2 = T2U1 4.44 f1 kw1N1 m=T f1 fN 時 因為 U1L = UN 所以 T = CTm I2N cos2 1f11n1 n T n = 常數 恒功率調速。 (1) 調速方向 f1fN 時：n 。(2) 調速范圍 D 較大。(3) 調速的平滑性 平滑性好（無級調速）。(4) 調速的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性好。(5) 調速的經濟性 初期投資大；運行費用不大。 (6) 調速時的允許負載f1fN 時：n 。 變頻器 優(yōu)點：(1)