第五章 三相異步電動機的電力拖動-必修課

第五章

三相異步電動機的電力拖動第一節(jié)三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式異步電動機的機械特性是由電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系特性演化而來的。因此首先研究與之相關(guān)的異步電動機的各種電磁轉(zhuǎn)矩表達式。一、電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式

異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與主磁通、轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比，物理意義非常明確，所以稱為電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式。它常用來定性分析三相異步電動機的運行問題。轉(zhuǎn)矩常數(shù)二、電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式由相關(guān)公式可推得：

上式反映了三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與電源相電壓U1、頻率f1、電動機的的參數(shù)(r1

、r’2、X1、X’2、p及m1)以及轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系，稱為參數(shù)表達式。

當(dāng)U1、f1及電動機的參數(shù)不變時，電磁轉(zhuǎn)矩T僅與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，對應(yīng)于不同s的值，有不同的T值，將這些數(shù)據(jù)繪成曲線，就是T=f(s)曲線，也稱T-s曲線。三相異步電動機的T-s曲線(1)電動狀態(tài)(0<s<1)s=0時，T=0當(dāng)s，s0區(qū)間，Ts

當(dāng)s繼續(xù)至s1區(qū)間，T1/s

最大轉(zhuǎn)矩點最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)過載能力一般：2.0～2.2

起動時，s=1，代入公式：起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)一般：1.8～2.0臨界轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩三相異步電動機的T-s曲線(2)發(fā)電狀態(tài)(s<0)(3)制動狀態(tài)(s>1)轉(zhuǎn)子受外力拖動，n↑→n

>n1→s<0，T<0，T為制動轉(zhuǎn)矩曲線與電動狀態(tài)關(guān)于原點對稱當(dāng)n1與n轉(zhuǎn)向相反時，s>1磁場反向轉(zhuǎn)子反向?qū)?yīng)的T-s曲線是電動狀態(tài)T-s曲線的延伸

產(chǎn)生的T與n轉(zhuǎn)向相反，起制動作用，此時電機處于制動狀態(tài)

例5-2

一臺三相Y聯(lián)結(jié)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其UN=380V，fN=50Hz，nN=950r/min參數(shù)r1=r’2=1.4，X1=3.12，X’2=4.25，不計T0，試求：

1)額定轉(zhuǎn)矩TN；2)臨界轉(zhuǎn)差率、最大轉(zhuǎn)矩及過載能力；

3)欲使起動時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子回路所串電阻值(折算到定子側(cè))。解

由nN=950r/min，則對應(yīng)的n1=1000r/min1)額定轉(zhuǎn)矩略T0，以sN=0.05代入?yún)?shù)表達式，得額定負載時的電磁轉(zhuǎn)矩T=TN

2)臨界轉(zhuǎn)差率、最大轉(zhuǎn)矩及過載能力臨界轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩過載能力3)欲使起動時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子回路所串電阻值（折算到定子側(cè))據(jù)題意得三、電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式

電機手冊和產(chǎn)品目錄中的PN、nN、m等值來計算三種異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式應(yīng)用場合：一般物理表達式適用于定性分析T與1及I’2cos2間的關(guān)系；參數(shù)表達式可分析參數(shù)的變化對電動機運行性能的影響；實用表達式適用于工程計算。Tmax=mTN=9.55mPN

/nN

式中實際使用時，先根據(jù)巳知數(shù)據(jù)計算出Tmax和sm，再把它們代入實用表達式，取不同的s值即可得到不同的T值了。第二節(jié)三相異步電動機的機械特性機械特性n=f(T)曲線與T-s曲線的變換關(guān)系如下：T-

s曲線變換為n-T曲線最大轉(zhuǎn)矩點同步點

一、固有機械特性

指三相異步電動機工作在UN和fN下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的機械特性。在正常工作情況下,與直流他勵電動機一樣固有機械特性是硬特性。起動點第二節(jié)三相異步電動機的機械特性

二、人為機械特性

人為機械：人為地改變異步電動機的任何一個參數(shù)(U1、f1、p、定子回路電阻或電抗、轉(zhuǎn)子回路電阻或電抗等)，都可以得到各不相同的機械特性。這些機械特性統(tǒng)稱為人為機械特性。定性討論幾種人為機械特性的特點。注意：定性畫人為機械特性時，只要先定性畫出固有機械特性，然后抓住人為機械特性的同步點、最大轉(zhuǎn)矩點、起動點與固有機械特性比較有何變化，最終通過這三個特殊點，定性畫出人為機械特性。

二、人為機械特性

Tmax↓

U12↓降壓人為機械特性2）最大轉(zhuǎn)矩點nm=n1(1－sm)不變

3）起動點Tst↓

U12↓端電壓U1↓

，n↓；電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst和過載能力(’m=T’max/TN)都顯著地下降了，這在實際應(yīng)用中必須注意。1）同步點若U1↓太多，使T’’max<TL，電動機將停轉(zhuǎn)。

1．降低定子端電壓的人為機械特性

n1不變

二、人為機械特性

２．轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻的人為機械特性

1）同步點n1不變Tmax大小不變2）最大轉(zhuǎn)矩點↑，nm↓

轉(zhuǎn)子回路串電阻人為機械特性3）起動點Ｒp’↑

，Tst↑繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻，可以改變轉(zhuǎn)速而用于調(diào)速，也可以改變起動轉(zhuǎn)矩，從而改善異步電動機的起動性能。當(dāng)s’m>1后，Tst隨Rp↑，反而減小

三、三相異步電動機的穩(wěn)定運行區(qū)域

三相異步電動機的穩(wěn)定運行區(qū)域最大轉(zhuǎn)矩點到起動點,n=f(T)曲線是上斜的曲線，對恒轉(zhuǎn)矩負載和恒功率負載，不能穩(wěn)定運行。充要條件：dT/dn<(dTL/dn)。下斜的機械特性與恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、通風(fēng)機型負載，都可穩(wěn)定運行。從理想空載點即同步點到最大轉(zhuǎn)矩點，n=f(T)曲線是下斜特性。不能穩(wěn)定運行能穩(wěn)定運行第三節(jié)三相異步電動機的起動一、概述

起動要求：盡可能限制起動電流，有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，同時起動設(shè)備盡可能簡單經(jīng)濟、操作方便，且起動時間要短。加全壓起動時，n=0,s=1，等效電路中的附加電阻(1-s)r’2/s=0，相當(dāng)于電路短路，所以：

起動電流大：Ist=(5~7)

IN。起動轉(zhuǎn)矩并不很大，

Tst=(1.8~2)TN。

Ist大，Z1↑，E1↓，

Φ1↓；另s=1，X2s=X2最大，cos2↓，由Tst=CT1I’2cos2,得到Tst并不是很大二、三相籠型異步電動機的起動

1．全壓起動

利用刀開關(guān)或接觸器將電動機定子繞組直接接到額定電壓的電源上，又稱全壓起動。優(yōu)點：起動設(shè)備和操作最簡單。缺點：起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩不很大。容量較大時滿足：采用全壓起動小容量的籠型異步電動機，常采用全壓起動。

不滿足上述經(jīng)驗公式，說明電動機起動電流太大，對電網(wǎng)不利，則采用減壓起動。例5-3一臺20kW電動機，起動電流與額定電流之比為6.5，其電源變壓器容量為560kVA,能否全壓起動？另有一臺75kW電動機，其Ist/IN=7，能否全壓起動？解

對20kW的電動機根據(jù)經(jīng)驗公式該機的全壓起動電流倍數(shù)小于電網(wǎng)允許的起動電流倍數(shù)，所以允許全壓起動。對75kW的電動機根據(jù)經(jīng)驗公式

該電動機的全壓起動電流倍數(shù)大于電網(wǎng)允許的起動電流倍數(shù)，所以不允許全壓起動?？刹捎脺p壓起動。二、三相籠型異步電動機的起動2．減壓起動

減壓起動的目的是減小起動電流，但同時使電動機起動轉(zhuǎn)矩減小(TU12)，對電網(wǎng)有利的，對負載不利。對于某些機械負載在起動時要求帶滿負載起動，就不能用這種方法起動，但對于起動轉(zhuǎn)矩要求不高的設(shè)備，這種方法是適用的。常用的方法

定子串電阻或電抗減壓起動自耦變壓器減壓起動星/三角(Y/)減壓起動2．減壓起動

(1)定子串電阻或電抗減壓起動

電動機起動時，在定子電路中串入電阻或電抗，起動完畢切除。串入的電阻或電抗起分壓作用，定子繞組上的U’1

<UN，此時I’st<全壓起動時的Ist。調(diào)節(jié)所串電阻或電抗的大小，可以得到電網(wǎng)所允許通過的起動電流。優(yōu)點：起動較平穩(wěn)，運行可靠，設(shè)備簡單。缺點：T’st↓

U12↓只適合空、輕載起動籠型異步電動機定子串電阻減壓起動2減壓起動(2)自耦變壓器減壓起動

籠型異步電動機自耦變壓器減壓起動起動時，自耦變壓器的高壓側(cè)接至電網(wǎng)，低壓側(cè)(有抽頭，按需要選擇)接電動機定子繞組。起動完畢，切除自耦變壓器。k=N1/N2=UN

/U‘1>12．減壓起動(3)星/三角(Y/)減壓起動適用于正常工作時是Δ聯(lián)結(jié)的三相異步電動機。起動時Y聯(lián)結(jié)，每相電壓自然降為1/Y/起動線路圖

Y—起動原理圖

限流效果好；但起動轉(zhuǎn)矩也跌得厲害，為原來的1/3。因此只適于空載和輕載起動。3.軟起動

籠型異步電動機的軟起動是使電動機的輸入電壓從零伏或低電壓開始，按預(yù)先設(shè)置的方式逐步上升，直到全電壓結(jié)束。

軟起動依賴于串接在電源和電動機之間的軟起動器，并以接觸器接線相配合。

軟起動優(yōu)點：無沖擊電流，恒流起動，根據(jù)負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳的起動電流；可重載起動。軟起動接線示意圖4．改善起動性能的籠型異步電動機(1)深槽式籠型異步電動機

h/b≈10～12

深而窄

漏磁增大hb

深槽式異步電動機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條集膚效應(yīng)示意圖起動時，s=1，轉(zhuǎn)子頻率f2=f1，沿槽底漏抗大，電流擠向槽口，‘集膚效應(yīng)’使導(dǎo)條有效截面↓,等效r2↑，Ist↓，Tst↑。隨n↑至起動結(jié)束，f2漸↓,集膚效應(yīng)影響逐漸降低，r2逐漸降到正常值。優(yōu)點：起動性能改善，可重載起動。缺點：槽深漏抗大，工作性能中，cosφ1、λm↓。4．改善起動性能的籠型異步電動機(2)雙籠型異步電動機

起動籠（上籠）

導(dǎo)條截面較?。娮杪瘦^大的黃銅或鋁青銅等制成）電阻較大。起動時的集膚效應(yīng)使下籠電抗大，電流主要流過上籠，起動電流減小，起動轉(zhuǎn)矩增大，可重載起動。運行籠

（下籠）導(dǎo)條的截面積較大（電阻率較小的紫銅制成），電阻較小。運行時集膚效應(yīng)消失，電流主要流過下籠。

雙籠型異步電動機轉(zhuǎn)子槽型及機械特性三、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動

對于需要大、中容量電動機帶動重載起動的生產(chǎn)機械或者需要頻繁起動的電力拖系統(tǒng)，不僅要限制起動電流而且還要足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。這就需要用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻或串頻敏變阻器來改善起動性能。三、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動轉(zhuǎn)子串電阻三級起動圖轉(zhuǎn)子串電阻三級起動特性

1．轉(zhuǎn)子串電阻起動起動時，轉(zhuǎn)子串入全部電阻，(r2+Rst)↑，Ist↓，Tst↑。常用分級切除電阻(稱分級起動)，使起動較平穩(wěn)。切換轉(zhuǎn)矩最大起動轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩如三級起動起動過程：abcdefg最后將穩(wěn)定運行于固有機械特性的h點。可見串電阻起動，在逐級切除電阻的瞬時，轉(zhuǎn)矩從Tst2躍至Tst1，使起動不夠平穩(wěn)。當(dāng)不需頻繁起動或調(diào)速時，可用頻敏變阻器起動。三、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動2.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動

30～50mm厚鋼片疊壓成鐵心，鐵損大起動時，s=1即f2=f1最高，頻敏變阻器鐵耗pFem最大，對應(yīng)的等效電阻Rmp也很大。使Ist↓

，Tst↑，獲得較好的起動性能。隨著n↑，s↓，f2↓

,因pFemf2↓，Rmp↓(這時sXmp也↓)，即隨n↑，自動且連續(xù)地減小起動電阻值。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定值時，sN很小即f2極低，所以Rmp及sXmp都很小，相當(dāng)于將起動阻抗全部切除。第四節(jié)三相異步電動機的制動制動目的：快速停車、反向或限速制動特點：產(chǎn)生一個與電動機轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩(Ⅱ、Ⅳ象限)制動要求：限制制動電流，產(chǎn)生較大制動轉(zhuǎn)矩制動方法：能耗制動、反接制動、回饋制動電動狀態(tài)下的異步電動機電動狀態(tài)：T、n同方向，Ⅰ、Ⅲ象限電動狀態(tài)P1

Pem=m1I’22r’2/s>0P2Pm=TΩ

>0s=0～1吸收電功率，輸出機械功率一、能耗制動斷開交流接通直流轉(zhuǎn)子在慣性作用下旋轉(zhuǎn)，切割靜止磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢→電流→電磁力→制動轉(zhuǎn)矩→n↓迅速

。把轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)化為電能消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，能量耗盡，系統(tǒng)停車——能耗制動制動電阻Rbk

作用限制制動電流，增大制動轉(zhuǎn)矩異步電動機的能耗制動

三相異步電動機的能耗制動，制動平穩(wěn)，能準(zhǔn)確快速地停車；電機不從電網(wǎng)吸取交流電能，比較經(jīng)濟。能耗制動機械特性二、反接制動

1．電源反接制動(反接正轉(zhuǎn))電源反接制動任意對調(diào)兩相

n1<0，n>0，s>1(II象限)E2、sE2、I2及T都與電動狀態(tài)時相反，即T起制動作用。制動過程:a→b’

→

n↓快速至0

瞬時，T≠0，若不切除電源，電機將反向起動。制動電阻Rbk

作用:限制制動電流，增大制動轉(zhuǎn)矩(T’b>Tb)電機即從電網(wǎng)吸取電能，又從軸上吸取機械能，經(jīng)濟性較差。但制動效果優(yōu)于能耗制動（n=0,T≠0)P1

Pem=m1I’22r’2/s>0P2Pm=TΩ<0(1)原理和機特2．倒拉反接制動(正接反轉(zhuǎn))

n1>0，n<0，s>1(IV象限)(1)原理和機特過程：a→b→n↓至0

，Tc<TL，在重物G的作用下，迫使電機反T的方向旋轉(zhuǎn)，進入倒拉反接制動，并在重物下放的方向加速,至T

↑=TL，以nd穩(wěn)定下放重物。倒拉反接制動轉(zhuǎn)子回路串入大電阻Rbk，對應(yīng)的人為機特與位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性的交點落在IV象限。保持電動接線

適用于低速勻速下放重物P1>0P2<0都轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子回路的銅耗，經(jīng)濟性差。三、回饋制動(再生發(fā)電制動)

1．反向回饋制動n1<0，n<0，s<0(IV象限)兩相對調(diào)

適用于將重物高速穩(wěn)定下放(1)原理和機特電機反向起動后電動加速(T<0,n<0),當(dāng)加速到等于同步速－n1時，雖T=0，但重力轉(zhuǎn)矩的作用，使電動機繼續(xù)加速至高于同步速()IV象限，s<0，sE2反向，T反向，進入反向回饋制動狀態(tài)(T>0，n<0),最終以na高速穩(wěn)定下放重物。反向回饋制動反向回饋制動運行狀態(tài)下放重物時，轉(zhuǎn)子回路所串電阻越大，下放速度越高,一般會切除電阻。三、回饋制動(再生發(fā)電制動)2．正向回饋制動（II象限n1>0，n>0，n>n1，s<0)這種制動發(fā)生在變極或電源頻率下降較多的降速過程

正向回饋制動機械特性如果原來電動機穩(wěn)定運行于a點，當(dāng)突然換接到倍極數(shù)運行(或頻率突然降低很多)時，則特性突變?yōu)榍€2，因n=na不能突變，工作點突變?yōu)閎點。因nb>n’1，進入回饋制動，在T及TL的共同制動下系統(tǒng)開始減速，從b點到n’1的降速過程中都是s<0，所以是回饋制動過程。從n’1至c點，是電動降速過程。第五節(jié)三相異步電動機的調(diào)速可得三相異步電動機調(diào)速方法：

改變電機極對數(shù)改變電源頻率

改變轉(zhuǎn)差率

改變定子電壓改變轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子串轉(zhuǎn)差電動勢電源頻率恒定改變磁場極對數(shù)p同步轉(zhuǎn)速n1改變。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n跟隨改變只適用于籠型電動機，因為籠型轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)是感應(yīng)產(chǎn)生的，隨定子磁場極對數(shù)改變而自動改變，使兩磁場極對數(shù)保持一致，從而形成有效的平均電磁轉(zhuǎn)矩。一、籠型異步電動機的變極調(diào)速

改變繞組連接

改變電流方向

改變極對數(shù)

一、籠型異步電動機的變極調(diào)速

1．變極原理

三相籠型異步電動機變極時一相繞組的接法設(shè)定子每相繞組都由兩個完全對稱的“半相繞組”所組成

一、籠型異步電動機的變極調(diào)速

2．兩種常用的變極方案

變極同時，任兩相出線端對調(diào)，保證電動機的轉(zhuǎn)向不變。適用于電梯、傳輸帶類恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速適用于車床切削等恒功率負載調(diào)速三相籠型異步電動機常用的兩種變極接線每相順串，再Y聯(lián)結(jié)每相反并每相順串，再Δ聯(lián)結(jié)Y聯(lián)結(jié)等效YY等效YY每相反并Y聯(lián)結(jié)二、

變頻調(diào)速U1≈E1=4.44f1N1kN1Φ1

結(jié)果：鐵心嚴(yán)重飽和,

I0急劇增大，其后果是導(dǎo)致功率因數(shù)降低、損耗增加，效率降低，從而使電動機的負載能力變小。

改變電源頻率，可以平滑調(diào)節(jié)同步速n1，從而使電動機獲得平滑調(diào)速。由1．變頻與調(diào)壓的配合

若f↓,U1不變,Φ1↑基頻以下調(diào)速基頻以上調(diào)速變頻時Φ1保持不變U1≯UN

f↑,Φ1↓二、變頻調(diào)速2．變頻調(diào)速時的機械特性三相異步電動機變頻調(diào)速機械特性基頻以下時,U/f=常數(shù)同步點n1f1

最大轉(zhuǎn)矩點

起動轉(zhuǎn)矩點Tst1/f1基頻以上時Tmax↓，Tst↓三、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻后同步速不變，最大轉(zhuǎn)矩不變，但臨界轉(zhuǎn)差率增大，機械特性運行段的斜率變大。在同一負載轉(zhuǎn)矩下所串電阻值越大，轉(zhuǎn)速越低。

繞線轉(zhuǎn)子串電阻的機械特性調(diào)速過程：設(shè)電動機原來運行于固有機械特性的a點，串入Rp1后，I’2↓，T↓，T<TL，n↓，s↑，sE2↑,I’2和T↑至T=TL時，電動機達到新的平衡狀態(tài)，并在比na低的新轉(zhuǎn)速nb下穩(wěn)定運行。計算：（恒轉(zhuǎn)矩負載）四、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的串級調(diào)速串級調(diào)速：為了改善繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速中低速時效率低的缺點，將消耗在外串電阻上的大部分sPem送回到電網(wǎng)，提高系統(tǒng)的運行效率。

1．串級調(diào)速原理

串級調(diào)速是指在轉(zhuǎn)子上串入一個和轉(zhuǎn)子同頻率的附加電動勢Ef去代替原來轉(zhuǎn)子所串的電阻。(1)Ef與E2s反相時(2)Ef與E2s同相時I2f<I2→T<TL→n↓→s↑→sE2↑→I2f↑→T↑→T=TL若平滑地調(diào)節(jié)Ef，則就能平滑地調(diào)低速度

若平滑地調(diào)節(jié)Ef，則就能平滑地調(diào)