電機(jī)與電力拖動(dòng)課件-第6章

第6章異步電動(dòng)機(jī)及電力拖動(dòng)6.1三相異步電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)6.2三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析6.3三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)6.4單相異步電動(dòng)機(jī)

異步電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)的一種,以異步電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)稱(chēng)為交流異步電力拖動(dòng)系統(tǒng),主要用于拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械。

異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、運(yùn)行可靠、檢修維護(hù)方便、運(yùn)行效率較高。其缺點(diǎn)是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),必須從電網(wǎng)里吸收感性的無(wú)功功率,功率因數(shù)較低,電網(wǎng)需要進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償,增加了運(yùn)行成本。

6.1三相異步電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

如圖61所示為一臺(tái)小型臥式異步電動(dòng)機(jī),仔細(xì)觀察一下電動(dòng)機(jī)整個(gè)外形結(jié)構(gòu),并查閱相關(guān)資料了解異步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其銘牌參數(shù)的含義。圖61小型臥式異步電動(dòng)機(jī)

6.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

一、異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接三相電源后,電機(jī)內(nèi)便形成了圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),假設(shè)沿逆時(shí)針即n1的方向轉(zhuǎn),如圖62所示。圖62異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

二、轉(zhuǎn)差率

1.定義

通常把同步轉(zhuǎn)速n1和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值定義為轉(zhuǎn)差率(也叫轉(zhuǎn)差或者滑差),用s表示,即

根據(jù)轉(zhuǎn)差率s,可以求電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n,即

2.異步電機(jī)的3種工作狀態(tài)

轉(zhuǎn)差率s是異步電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù),它的大小和正負(fù)可以反映異步電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)轉(zhuǎn)差率大小和正負(fù),異步電機(jī)分為3種運(yùn)行狀態(tài),即電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),如圖63所示。圖63異步電機(jī)的3種運(yùn)行狀態(tài)

(1)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)定子繞組接至電源,轉(zhuǎn)子會(huì)在電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn),電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)中吸取電功率轉(zhuǎn)變成機(jī)械功率,由轉(zhuǎn)軸傳給負(fù)載。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1同方向,如圖63(b)所示。

(2)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。異步電機(jī)定子繞組仍然接至電源,轉(zhuǎn)軸上不再接負(fù)載,而是用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以高于同步轉(zhuǎn)速并順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn),如圖63(c)所示。

(3)電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。異步電機(jī)定子繞組仍然接至電源,用外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)切割方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)相同,因此轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相同,但電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反,對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)起著制動(dòng)作用,故稱(chēng)為電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),如圖63(a)所示。

綜上所述,異步電機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,也可以運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)和電磁制動(dòng)狀態(tài),但異步電機(jī)主要作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行;異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)主要運(yùn)行在異步拖動(dòng)系統(tǒng)中的回饋制動(dòng)過(guò)程中,或者作為單機(jī)使用時(shí),用于電網(wǎng)尚未發(fā)達(dá)且找不到同步發(fā)電機(jī)的地區(qū)和風(fēng)力發(fā)電等特殊場(chǎng)合;而電磁制動(dòng)狀態(tài)往往只是異步電機(jī)在完成某一生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)運(yùn)行狀態(tài),如起重機(jī)下放重物等。

【例61】一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī),定子繞組接到頻率為f1=50Hz的三相對(duì)稱(chēng)電源上,已知它運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速nN=960r/min。問(wèn):

(1)該電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p是多少?

(2)額定轉(zhuǎn)差率sN是多少?

(3)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同,轉(zhuǎn)速n分別為950、1000、1040r/min和0時(shí),轉(zhuǎn)差率分別為多少?

(4)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反,轉(zhuǎn)速n=500r/min,轉(zhuǎn)差率為多少?

6.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

異步電動(dòng)機(jī)主要由固定不動(dòng)的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。電動(dòng)機(jī)裝配時(shí),轉(zhuǎn)子裝在定子腔內(nèi),定子與轉(zhuǎn)子間有很小的間隙,稱(chēng)為氣隙。如圖64所示為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拆開(kāi)后的結(jié)構(gòu)圖。圖64鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拆開(kāi)后的結(jié)構(gòu)

一、定子部分

定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座等部件組成。定子的作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

1.定子鐵心

定子鐵心是電機(jī)磁路的一部分,同時(shí)也用于安放定子繞組。定子鐵心中的磁通為交變磁通,為了減小交變磁通在鐵心中引起的鐵損耗,定子鐵心由導(dǎo)磁性能較好、厚0.5mm或0.35mm的表面涂有絕緣層的硅鋼片疊壓而成,如圖65所示。圖65定子鐵心

當(dāng)鐵心的直徑小于1m時(shí),可用整圓的硅鋼片疊成;當(dāng)鐵心的直徑大于1m時(shí),用扇形的硅鋼片疊成,定子鐵心疊片內(nèi)圓開(kāi)有槽,槽內(nèi)嵌放定子繞組。如圖66所示為定子槽,其中,圖66(a)所示是開(kāi)口槽,用于大、中型容量的高壓異步電動(dòng)機(jī)中;圖66(b)所示是半開(kāi)口槽,用于中型500V以下的異步電動(dòng)機(jī)中;圖66(c)所示是半閉口槽,用于低壓小型異步電動(dòng)機(jī)中。定子繞組用絕緣的銅(或鋁)導(dǎo)線繞成,嵌在定子槽內(nèi)。繞組與槽壁間用絕緣隔開(kāi),雙層繞組中須安放層間絕緣。圖66定子槽

2.定子繞組

定子繞組是電機(jī)的電路部分,定子繞組嵌放在定子鐵心的內(nèi)圓槽內(nèi),由許多線圈按一定的規(guī)律連接而成。定子繞組是三相對(duì)稱(chēng)繞組,它由3個(gè)完全相同的繞組組成,3個(gè)繞組在空間互差120°電角度。三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的接法有星形和三角形兩種。

3.機(jī)座

機(jī)座是電機(jī)的外殼,用以固定和支撐定子鐵心及端蓋。機(jī)座應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足通風(fēng)散熱的需要。機(jī)座按安裝方式可分為立式和臥式。中、小型異步電機(jī)的機(jī)座一般用鑄鐵鑄成,大型異步電機(jī)的機(jī)座常用鋼板焊接而成。

二、轉(zhuǎn)子部分

1.轉(zhuǎn)子鐵心

轉(zhuǎn)子鐵心的作用與定子鐵心相同,也是電機(jī)磁路的一部

分。通常用定子沖片內(nèi)圓沖下來(lái)的中間部分作轉(zhuǎn)子疊片,即

一般仍用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片疊壓而成,轉(zhuǎn)子鐵心疊片外圓開(kāi)槽,用于安放轉(zhuǎn)子繞組,如圖67所示。圖67轉(zhuǎn)子鐵心沖片

2.轉(zhuǎn)子繞組

轉(zhuǎn)子繞組按結(jié)構(gòu)形式可分為鼠籠式和繞線式兩種。

(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組。大型異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠式轉(zhuǎn)子一

般采用銅條轉(zhuǎn)子,中小型異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠式轉(zhuǎn)子一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子,如圖68所示。導(dǎo)體材質(zhì)一般為銅;小功率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)還可以用鑄鋁的方法,把轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和端環(huán)、風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成,稱(chēng)為鑄鋁轉(zhuǎn)子。鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便,是一種經(jīng)濟(jì)、耐用的轉(zhuǎn)子,所以得到廣泛應(yīng)用。

圖68鼠籠式轉(zhuǎn)子

(2)繞線式轉(zhuǎn)子繞組。與定子繞組一樣,繞線式轉(zhuǎn)子繞組也是對(duì)稱(chēng)的三相繞組,一般作Y形連接。繞組的3根出線端分別接到轉(zhuǎn)軸上彼此絕緣的3個(gè)滑環(huán)(又稱(chēng)集電環(huán))上,通過(guò)電刷裝置和集電環(huán)的緊密接觸與外部電路相連,如圖69所示,這樣可以把外接電阻串聯(lián)到轉(zhuǎn)子繞組回路里去。圖69繞線式轉(zhuǎn)子

(3)轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸的作用是支撐轉(zhuǎn)子和傳遞機(jī)械功率。為保證機(jī)械強(qiáng)度和剛度,轉(zhuǎn)軸一般用低碳鋼制成;為了便于旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)軸還需要嵌入兩側(cè)端蓋的軸承支撐。

(4)端蓋。端蓋是電機(jī)外殼機(jī)座的一部分,一般用鑄鐵或鋼板制成。中小型電機(jī)一般采用帶軸承的端蓋。

三、氣隙

異步電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓之間有一個(gè)很小的間隙,稱(chēng)為氣隙。異步電動(dòng)機(jī)氣隙一般為0.2~2mm。氣隙的大小與均勻程度對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和運(yùn)行性能影響很大。從性能上看,氣隙越小,產(chǎn)生同樣大小的主磁通時(shí)所需要的勵(lì)磁電流也越小;由于勵(lì)磁電流為無(wú)功電流,減少勵(lì)磁電流可提高功率因數(shù)。但是氣隙過(guò)小,會(huì)使裝配困難,或使定子與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生摩擦和碰撞,所以氣隙的最小值一般由制造、運(yùn)行和可靠性等因素來(lái)決定。

異步電動(dòng)機(jī)種類(lèi)很多,從不同的角度考慮,有不同的分類(lèi)方法:按定子相數(shù)分單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī);按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分繞線式和鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),而鼠籠式又分為單籠型、雙籠型和深槽式異步電動(dòng)機(jī);按所接電源的高低,又可以分為高壓異步電動(dòng)機(jī)和低壓異步電動(dòng)機(jī)。

6.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的額定值

異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座上都裝有一塊銘牌,上面標(biāo)出電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和主要技術(shù)數(shù)據(jù)。了解銘牌上有關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)正確選擇、使用、維護(hù)和維修電動(dòng)機(jī)具有重要意義。如表61所示為三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌,分別說(shuō)明如下。

一、型號(hào)

異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)主要包括產(chǎn)品代號(hào)、設(shè)計(jì)序號(hào)、規(guī)格代號(hào)和特殊環(huán)境代號(hào)等。產(chǎn)品代號(hào)表示電機(jī)的類(lèi)型,如電機(jī)名稱(chēng)、規(guī)格、防護(hù)形式及轉(zhuǎn)子類(lèi)型等,一般采用大寫(xiě)印刷體

的漢語(yǔ)拼音字母表示,如圖610所示。圖610三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)

二、額定值

1.額定電壓UN

額定電壓是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),按規(guī)定加在定子繞組上的線電壓,單位為V或kV。按定子繞組所加電壓高低,分為高壓(UN≥1000V)和低壓(UN<1000V)異步電機(jī)。

2.額定電流IN

額定電流是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),流入電動(dòng)機(jī)定子繞組的線電流,單位為A或kA。

3.額定功率PN

額定功率是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率,單位為W或kW。

對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī),其額定功率為

式中,ηN為電動(dòng)機(jī)的額定效率;cosφN為電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)。

4.額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速是指在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,單位為r/min。

5.額定頻率fN

額定頻率是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),輸入電動(dòng)機(jī)交流電的頻率,單位為Hz。我國(guó)交流電的頻率為工頻50Hz。

6.額定功率因數(shù)cosφN

額定功率因數(shù)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),定子邊的功率因數(shù)。

三、接線

國(guó)產(chǎn)Y系列電動(dòng)機(jī)接線端的首端用A、B、C表示,末端用X、Y、Z表示,其Y、△連接方式的接線盒外形如圖611所示。圖611三相異步電動(dòng)機(jī)接線盒外形

小結(jié)

異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理是定子三相對(duì)稱(chēng)繞組通入三相對(duì)稱(chēng)交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁力并形成電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向取決于定子電流的相序,所以改變定子電流的相序就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。

異步電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子兩部分,定子與轉(zhuǎn)子之間必須存在有氣隙;按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同,異步電動(dòng)機(jī)可分為鼠籠式和繞線式兩大類(lèi)。

轉(zhuǎn)差率s是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù),它的存在是異步電動(dòng)機(jī)工作的必要條件。根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負(fù)可區(qū)分異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

異步電動(dòng)機(jī)額定功率PN為額定運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率,各額定值之間的關(guān)系可以表示為

6.2三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析

如圖612所示為是一種大型廠房和碼頭吊裝重要設(shè)備時(shí)的起重機(jī)械———橋式起重機(jī)。圖612橋式起重機(jī)

6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的運(yùn)行

當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)處于不工作時(shí)的靜止?fàn)顟B(tài),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0,轉(zhuǎn)差率s=1。三相對(duì)稱(chēng)定子繞組通入三相交流電流,定子繞組產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),而轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象可以分為兩種情況研究:一種是轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路;一種是轉(zhuǎn)子在機(jī)械外力的阻礙下堵轉(zhuǎn)而造成轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。下面,我們結(jié)合前面變壓器章節(jié)的電磁理論分析一下。

一、三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的電磁關(guān)系

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間只有磁的耦合,沒(méi)有電的直接聯(lián)系,它是依靠電磁感應(yīng)作用,實(shí)現(xiàn)定子、轉(zhuǎn)子之間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的。雖然,異步電動(dòng)機(jī)和變壓器的磁場(chǎng)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式不同,但它們內(nèi)部的電磁關(guān)系是相似的。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組,轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的二次繞組,故分析變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系的基本方法也適應(yīng)于異步電動(dòng)機(jī)。

1.正方向的規(guī)定

如圖613所示是一臺(tái)繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的正方向示意圖,定、轉(zhuǎn)子繞組都是三相Y接,定子繞組接在三相對(duì)稱(chēng)電源上,轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路。其中,圖613(a)是定、轉(zhuǎn)子三相等效繞組在定、轉(zhuǎn)子鐵心中的布置圖,為了研究方便,假定定子A1相繞組與轉(zhuǎn)子A2相繞組軸向方向一致;圖613(b)是定、轉(zhuǎn)子三相繞組的Y連接方式,圖中標(biāo)明了各有關(guān)物理量的正方向。圖613繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的正方向

2.磁動(dòng)勢(shì)及磁通

2)主磁通與定子漏磁通

勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?F0產(chǎn)生的磁通作用在磁通路上如圖614所示。像雙繞組變壓器那樣,我們把通過(guò)氣隙同時(shí)交鏈著定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組的磁通稱(chēng)為主磁通,用Φ1表示;把不交鏈轉(zhuǎn)子繞組而只交鏈定子繞組本身的磁通稱(chēng)為定子繞組漏磁通,用Φ1σ表示。與變壓器不同的是,異步電機(jī)的主磁通是指氣隙里每極平均磁通量,漏磁通又有槽部漏磁通和端接漏磁通之分。圖614異步電機(jī)的主磁通與漏磁通

3.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

旋轉(zhuǎn)著的氣隙每極主磁通Φ1在定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

定、轉(zhuǎn)子每相電動(dòng)勢(shì)之比稱(chēng)為電壓變比,即

4.勵(lì)磁電流

由于氣隙磁密?Bδ與定、轉(zhuǎn)子都有相對(duì)運(yùn)動(dòng),定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生鐵損耗。與變壓器一樣,這部分損耗是由電源提供的,勵(lì)磁電流也分為有功分量和無(wú)功分量,即?I0=I?Fe+I?μ。如圖615所示,有功分量I?Fe很小,因此I?0領(lǐng)先?Iμ一個(gè)不大的角度。在時(shí)空相量圖上,I?0與?F0相位相同,I?μ與?Bδ相位一樣,I?0和?F0

領(lǐng)先?Bδ一個(gè)不大的角度,?E1、?E2同相位,并滯后?Bδ90°電角度。圖615含鐵損耗的時(shí)空相量圖

5.電壓方程、等效電路及相量圖

二、三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的電磁關(guān)系

1.磁動(dòng)勢(shì)與磁通

1)磁動(dòng)勢(shì)及磁動(dòng)勢(shì)平衡方程

如圖616所示是三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組短路并堵轉(zhuǎn)的接線圖。圖616三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組短路并堵轉(zhuǎn)的接線圖

(1)幅值。幅值為

(2)轉(zhuǎn)向。假設(shè)氣隙旋轉(zhuǎn)磁密?Bδ逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),在轉(zhuǎn)子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及產(chǎn)生電流I2的相序與定子電源相序相同,則磁動(dòng)勢(shì)?F2也是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的。

(3)轉(zhuǎn)速。相對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速為

(4)瞬間位置。把轉(zhuǎn)子電流I?2理解為轉(zhuǎn)子邊A2相繞組里的電流。在時(shí)空相量圖中,當(dāng)?I2達(dá)正最大值時(shí),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)?F2應(yīng)轉(zhuǎn)到A2相繞組的軸線處,即+A2軸上。即?F2與I?2同方向。

2)漏磁通

定子電流I?1產(chǎn)生的漏磁通,對(duì)應(yīng)的漏電抗用X1σ表示。轉(zhuǎn)子繞組中電流I?2也要產(chǎn)生漏磁通,由于轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子每相的漏電抗用X2σ表示。一般情況下,轉(zhuǎn)子漏電抗X2σ是一個(gè)常數(shù)。但當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電流非常大,如異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí),由于起動(dòng)電流很大(約為額定電流的4~7倍),這時(shí)定、轉(zhuǎn)子的漏磁路也會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,磁導(dǎo)減小,使定、轉(zhuǎn)子漏電抗X1σ、X2σ數(shù)值變小。

2.定、轉(zhuǎn)子回路方程

按圖616給定的參考方向,仿照變壓器理論,可得定子回路的電壓方程為

3.轉(zhuǎn)子繞組的折算＝

4.基本方程、等效電路和相量圖

異步電動(dòng)機(jī)折算后,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)的五個(gè)基本方程為

根據(jù)以上五個(gè)方程,可畫(huà)出轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)的等效電路,如圖617所示,相量圖如圖618所示。圖617轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)的等效電路圖618轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)的相量圖

【例63】一臺(tái)繞線式三相異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)定子加額定電壓而轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí),滑環(huán)上電壓為260V,轉(zhuǎn)子繞組采用Y連接,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)每相漏阻抗為0.06+j0.2Ω(設(shè)定子每相漏阻抗Z1'=Z1=Z2)。求:

(1)定子加額定電壓,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子相電流為多大?

(2)當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱(chēng)電阻,每相阻值為0.2Ω時(shí),計(jì)算轉(zhuǎn)子每相電流。

解計(jì)算轉(zhuǎn)子電流,可以采用如圖619所示的簡(jiǎn)化等效電路。

本題所計(jì)算的量是電機(jī)轉(zhuǎn)子邊的量,為此采用把異步電機(jī)定子邊向轉(zhuǎn)子邊折算的數(shù)值計(jì)算。圖619簡(jiǎn)化等效電路

6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接在三相對(duì)稱(chēng)交流電源上,轉(zhuǎn)子帶負(fù)載的運(yùn)行,稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行。

三相異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí),由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的存在,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比空載時(shí)低,此時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的相對(duì)切割速度Δn=n1-n變大,轉(zhuǎn)差率也變大,這樣使得轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2、感應(yīng)電流I2和相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩隨之變大;同時(shí)從電源輸入的定子電流和電功率也相應(yīng)增加。

一、繞線式異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行

1.轉(zhuǎn)子側(cè)各電磁量與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系

轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí),氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n1切割轉(zhuǎn)子繞組;當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就以(n1-n)的相對(duì)速度切割轉(zhuǎn)子繞組,因此,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n變化時(shí),轉(zhuǎn)子繞組各電磁量將隨之變化。

2.定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)及磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系

1)定子磁動(dòng)勢(shì)?F1

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)后,定子繞組電流I?1產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)?F1。它的特點(diǎn)同前述,這里依然假設(shè)它相對(duì)于定子繞組以同步轉(zhuǎn)速n1逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

2)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)?F2

(1)幅值。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí),由轉(zhuǎn)子電流I?2s產(chǎn)生的三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值為

(2)轉(zhuǎn)向。前面已經(jīng)分析了轉(zhuǎn)子繞組短路的情況,當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時(shí),氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?Bδ逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,相序?yàn)檎颉?/p>

(3)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子電流?I2s的頻率為f2,由三相對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)子電流I?2s產(chǎn)生的三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為?F2,其相對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速用n2表示,為

(4)合瞬成間磁位動(dòng)置勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組哪相電流達(dá)正最大值時(shí),?F2正好位于該相繞組的軸線上。

采用相量相加的辦法得到一個(gè)合成的總磁動(dòng)勢(shì),仍用?F0來(lái)表示,即

3.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電壓平衡方程

4.三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

根據(jù)電動(dòng)勢(shì)平衡方程可畫(huà)出旋轉(zhuǎn)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的電路圖,如圖620所示。圖620旋轉(zhuǎn)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電路

1)頻率折算

只有當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),轉(zhuǎn)子頻率才等于定子頻率,所以頻率折算的實(shí)質(zhì)就是把旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等效成靜止的轉(zhuǎn)子。為保持折算前后電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系不變,折算的原則是:折算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)?F2不變和轉(zhuǎn)子上各種功率不變。圖621頻率折算后異步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電路

【例64】有一臺(tái)三相四極的異步電動(dòng)機(jī),定子繞組加頻率為50Hz的額定電壓,正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s=0.05,試求:

(1)此時(shí)轉(zhuǎn)子電流的頻率;

(2)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;

(3)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在空間的轉(zhuǎn)速。

2)繞組折算

類(lèi)似變壓器的折算,轉(zhuǎn)子繞組折算就是用一個(gè)和定子繞組具有相同相數(shù)m1、匝數(shù)N1及繞組系數(shù)kN1的等效轉(zhuǎn)子繞組來(lái)代替原來(lái)的相數(shù)為m2、匝數(shù)為N2及繞組系數(shù)kN2的實(shí)

際轉(zhuǎn)子繞組。其折算原則和方法與變壓器基本相同。

繞組折算后,轉(zhuǎn)子回路所有物理量都上標(biāo)“'”,異步電動(dòng)機(jī)的電路圖如圖622所示。圖622繞組折算后異步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電路

5.基本方程、等效電路和時(shí)空相量圖

與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路并把轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)時(shí)相比較,在基本方程中,只有轉(zhuǎn)子繞組回路的電壓方程有所差別,其他幾個(gè)方程都一樣。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程為

根據(jù)以上5個(gè)方程,可以畫(huà)出如圖623所示的T形等效電路,與圖617相比較,在轉(zhuǎn)子回路里增加了一項(xiàng)值為的模擬電阻。圖623三相異步電動(dòng)機(jī)的T形等效電路

既然異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可以用一個(gè)等效電路表示,那么當(dāng)知道了電動(dòng)機(jī)的參數(shù)時(shí),通過(guò)等效電路就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的性能。如圖624所示是根據(jù)上述5個(gè)基本方程式畫(huà)

出的三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)空相量圖。

在異步電動(dòng)機(jī)的等效電路中,由于勵(lì)磁阻抗比定、轉(zhuǎn)子漏阻抗大很多,為簡(jiǎn)化計(jì)算,工程上常采用如圖625所示的Γ形等效電路。圖624三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)空相量圖圖625三相異步電動(dòng)機(jī)的Γ形等效電路

二、籠型轉(zhuǎn)子

1.籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)

氣隙基波磁場(chǎng)?Bδ切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?E2s及感應(yīng)電流I?2s。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流形成的磁極數(shù)與氣隙磁場(chǎng)的極數(shù)相同,即籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)恒與定子繞組的極數(shù)相等。

2.籠型轉(zhuǎn)子的相數(shù)

籠型轉(zhuǎn)子繞組每相鄰兩根導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)(電流)相位相差的電角度與它們空間相差的電角度是相同的,導(dǎo)體是均勻分布的。若一對(duì)磁極范圍內(nèi)有m2根導(dǎo)體,轉(zhuǎn)子就感應(yīng)產(chǎn)生m2相

對(duì)稱(chēng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。若一對(duì)磁極范圍內(nèi)導(dǎo)體不為整數(shù),則取m2等于轉(zhuǎn)子槽數(shù)Zr。m2相對(duì)稱(chēng)的籠型繞組在流過(guò)m2相對(duì)稱(chēng)電流時(shí)同樣產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。

6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩

一、三相異步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

1.功率關(guān)系

異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),定子從電網(wǎng)中吸收電功率,轉(zhuǎn)子拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載輸出機(jī)械功率。電動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中,必然會(huì)產(chǎn)生各種損耗。根據(jù)能量守恒定律,輸出功率應(yīng)等于輸入功率減去總損耗。

2.轉(zhuǎn)矩關(guān)系

由物理學(xué)知識(shí)可知,旋轉(zhuǎn)體的機(jī)械功率等于轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積,即P=TΩ。式(636)兩邊除以角速度Ω,即

3.電磁轉(zhuǎn)矩

二、電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

1.電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

2.電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式

在實(shí)際計(jì)算和分析異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí),往往需要知道電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系,即參數(shù)表達(dá)式。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)Γ形等效電路,可得轉(zhuǎn)子電流為

將式(643)代入式(642)可得電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式為

6.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

一、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)式(644)中的電源參數(shù)和電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩T僅和轉(zhuǎn)差率s有關(guān),這種電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線稱(chēng)為T(mén)－s曲線,通常稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩特性曲線,如圖626所示。

1.理想空載運(yùn)行

異步電動(dòng)機(jī)理想空載運(yùn)行時(shí),n≈n1=60f1/p,s=0,R2'/s→∞,I2≈0,I1=I2,電磁轉(zhuǎn)矩T≈0,電動(dòng)機(jī)不進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,圖626中的D點(diǎn)即為理想空載運(yùn)行點(diǎn),異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是不可能運(yùn)行于該點(diǎn)的。

2.額定運(yùn)行

異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),sN=0.01~0.06,其對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩TN,若忽略空載轉(zhuǎn)矩,TN即為額定輸出轉(zhuǎn)矩。圖626中的C點(diǎn)為額定運(yùn)行點(diǎn)。圖626異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

3.最大轉(zhuǎn)矩Tm和過(guò)載系數(shù)λ

①最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與電源電壓的平方成正比;臨界轉(zhuǎn)差率sm只與電動(dòng)機(jī)本身的參數(shù)有關(guān),而與電源電壓無(wú)關(guān)。

②最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與轉(zhuǎn)子回路電阻R2'無(wú)關(guān)。但臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子回路電阻R2'成正比。因此在轉(zhuǎn)子回路串電阻后可以改變轉(zhuǎn)矩特性曲線,繞線式異步電動(dòng)機(jī)正是利用這一

特點(diǎn)來(lái)改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能的。

(2)過(guò)載系數(shù)λ。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大電磁轉(zhuǎn)矩,則電動(dòng)機(jī)將因過(guò)載而停轉(zhuǎn)。為了保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)因短時(shí)過(guò)載而停轉(zhuǎn),一般要求電動(dòng)機(jī)具有一定的過(guò)載能力。過(guò)載能力用過(guò)載系數(shù)來(lái)衡量。

最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù),用λ表示,即

4.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

(1)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)接通電源瞬間的電磁轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,用Tst表示。圖626中A點(diǎn)為起動(dòng)點(diǎn),該點(diǎn)的T=Tst,n=0,s=1。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)n=0,s=1。將s=1代入電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式,可求得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

由式(651)可知,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩具有以下特點(diǎn):

①當(dāng)頻率和電機(jī)參數(shù)一定時(shí),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與電源電壓的平方U21成正比。

②起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與轉(zhuǎn)子回路的電阻R2'有關(guān),在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子回路的電阻可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

起動(dòng)時(shí)獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩的條件是sm=1,即

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)kst。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱(chēng)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù),用kst表示,即

二、三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

由于轉(zhuǎn)速n=(1-s)n1,可將T=f(s)曲線轉(zhuǎn)化為n=f(T)曲線。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系n=f(T)稱(chēng)為機(jī)械特性。

1.固有機(jī)械特性

三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下,定子、轉(zhuǎn)子電路均不外接電阻,且按規(guī)定方式接線情況下的機(jī)械特性。當(dāng)電機(jī)處于正序電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

狀態(tài)時(shí),其固有機(jī)械特性曲線如圖627所示。圖627固有機(jī)械特性

2.人為機(jī)械特性

人為機(jī)械特性是指人為改變電源參數(shù)或電動(dòng)機(jī)參數(shù)而得到的機(jī)械特性,包括以下兩類(lèi):

(1)降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性。最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與電源電壓的平方成正比;臨界轉(zhuǎn)差率sm只與電動(dòng)機(jī)本身的參數(shù)有關(guān),而與電源電壓無(wú)關(guān)?？衫L出降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性曲線,如圖628所示。圖628降低定子電壓時(shí)的人為機(jī)械特性

(2)轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性。

繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)滑環(huán),可以在三相轉(zhuǎn)子回路中串入三相對(duì)稱(chēng)電阻后,三相再短路。從式(648)和式(649)可以看出,最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子每相電阻值無(wú)關(guān),即轉(zhuǎn)子串入電阻后,Tm不變。而臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻R2'成正比,這里R2'指的是轉(zhuǎn)子回路每相的總電阻,包括了外邊串入的電阻Rc。為了更清楚起見(jiàn),可以寫(xiě)為

轉(zhuǎn)子回路串電阻并不改變同步轉(zhuǎn)速n1,因此轉(zhuǎn)子回路串三相對(duì)稱(chēng)電阻后的人為機(jī)械特性如圖629所示。從圖中可以看出,轉(zhuǎn)子回路串入一些電阻,可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,串入的電阻合適時(shí),可使

3.穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題

電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)即電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn),如圖630所示中的a、b、c、d點(diǎn)。圖630異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性分析

三、電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式

1.T－s曲線繪制

電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式清楚地顯示了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率及電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。但是電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子參數(shù)在電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目錄或銘牌上是查不到的。為了便于工程計(jì)算,推導(dǎo)出如下公式,用電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式(644)除以最大電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(647),并且由于R1?R2'/s,可忽略R1,得

通?？衫卯a(chǎn)品目錄中給出的數(shù)據(jù)來(lái)估算T=f(s)曲線。其步驟如下:

(1)根據(jù)額定功率PN及額定轉(zhuǎn)速nN求出TN。

(2)由過(guò)載系數(shù)λ求得最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm,Tm=λTN。

(3)根據(jù)過(guò)載系數(shù)λ,借助于式(655)求取臨界轉(zhuǎn)差率sm。

(4)把上述求得的Tm、sm代入式(655)就可獲得轉(zhuǎn)矩特性方程:

2.實(shí)際應(yīng)用

若使用實(shí)用公式時(shí),不知道額定工作點(diǎn)數(shù)據(jù),更多的情況是在人為機(jī)械特性上運(yùn)行,該特性上沒(méi)有額定運(yùn)行點(diǎn),這時(shí)可將任一已知點(diǎn)的T和s代入式(655),找出sm的表達(dá)式為

當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),它的轉(zhuǎn)差率小于額定轉(zhuǎn)差率(sN=0.01~0.06),s/sm?sm/s,忽略s/sm,式(655)變成

經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化,三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性呈線性變化關(guān)系,使用起來(lái)更為方便。但是,式(658)只能用于轉(zhuǎn)差率在sm≥s>0的范圍內(nèi)。在應(yīng)用該公式時(shí),sm按下式計(jì)算

【例66】一臺(tái)三相繞線式異步電動(dòng)機(jī),已知額定功率PN=50kW,額定電壓UN=380V,額定頻率f1=50Hz,額定轉(zhuǎn)速nN=731r/min,過(guò)載倍數(shù)λ=2。求:

(1)臨界轉(zhuǎn)差率sm;

(2)最大轉(zhuǎn)矩Tm;

(3)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s=0.01時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩;

(4)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載450N·m時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

6.2.5三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性分析及參數(shù)測(cè)定

在額定電壓和額定頻率下,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù)cosφ1、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率η等與輸出功率P2的關(guān)系曲線,稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的工作特性,如圖631所示。圖631異步電動(dòng)機(jī)工作特性

一、三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性分析

1.工作特性

1)轉(zhuǎn)速特性n=f(P2)

2)定子電流特性I1=f(P2)

3)定子邊功率因數(shù)特性cosφ1=f(P2)

4)電磁轉(zhuǎn)矩特性T=f(P2)

5)效率特性η=f(P2)

2.工作特性的求取

用直接負(fù)載法求異步電動(dòng)機(jī)的工作特性,要先測(cè)出電動(dòng)機(jī)的定子電阻、鐵損耗和機(jī)械損耗。這些參數(shù)都能從電動(dòng)機(jī)的空載試驗(yàn)中得到。

直接負(fù)載試驗(yàn)是在電源電壓為額定電壓UN、額定頻率fN的條件下,給電動(dòng)機(jī)的軸上帶上不同的機(jī)械負(fù)載,測(cè)量不同負(fù)載下的輸入功率P1、定子電流I1、轉(zhuǎn)速n,即可算出各種工作特性,并畫(huà)成曲線。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)測(cè)定

通過(guò)以上分析,在異步電動(dòng)機(jī)的特性分析和計(jì)算中,經(jīng)常會(huì)用到T型等效電路。和變壓器一樣,通過(guò)空載和短路(堵轉(zhuǎn))兩個(gè)試驗(yàn),可以測(cè)取異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)R1、X1σ、R2'、X2σ'、Rm和Xm。

1.空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)的目的是測(cè)取勵(lì)磁阻抗Rm、Xm,機(jī)械損耗pmec和鐵損耗pFe。試驗(yàn)時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上不加任何負(fù)載,即電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)行,把定子繞組接到額定頻率的三相對(duì)稱(chēng)電源上,當(dāng)電源電壓為額定值時(shí),讓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間,使其機(jī)械損耗達(dá)到穩(wěn)定值。用調(diào)壓器改變加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓,從(1.1~1.3)UN開(kāi)始,逐漸降低電壓,直到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯的變化為止,記錄電動(dòng)機(jī)的端電壓U1、空載電流I0、空載功率p0和轉(zhuǎn)速n,并畫(huà)成曲線如圖632所示,即異步電動(dòng)機(jī)的空載特性。圖632異步電動(dòng)機(jī)空載特性

1)鐵損耗和機(jī)械損耗的確定

由于異步電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài),轉(zhuǎn)子電流很小,轉(zhuǎn)子里的銅損耗可忽略不計(jì)。在這種情況下,定子輸入的功率p0全部消耗在定子銅損耗m1I20R1、鐵損耗pFe和機(jī)械損耗pmec中,即

從輸入功率p0中減去定子銅損耗m1I20R1,并用p0'表示,得

上述損耗中,pFe隨著定子端電壓的改變而發(fā)生變,pmec的大小與電壓U1無(wú)關(guān),只要電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不發(fā)生明顯的變化,就認(rèn)為是個(gè)常數(shù)。由于鐵損耗pFe可認(rèn)為與磁密的平方成正比,近似地與電動(dòng)機(jī)的端電壓U21成正比。這樣可以把p0'對(duì)U21的關(guān)系畫(huà)成曲線,如圖633所示。圖633p'0=f(U21

2)勵(lì)磁參數(shù)的確定

如圖634所示為空載等值電路,可以看出定子加額定電壓時(shí),根據(jù)空載試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)I0和p0,算出圖634空載等值電路

2.短路(堵轉(zhuǎn))試驗(yàn)

短路試驗(yàn)又叫堵轉(zhuǎn)試驗(yàn),即把繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短路,并把轉(zhuǎn)子卡住,使其不旋轉(zhuǎn)。由于籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子本身已短路,為了在做短路試驗(yàn)時(shí)不出現(xiàn)過(guò)電流,可以降低加在異步電動(dòng)機(jī)定子上的電壓。一般從U1=0.4UN開(kāi)始,然后逐漸減小電壓值。試驗(yàn)時(shí),記錄定子繞組加的端電壓U1、定子電流I1k和定子輸入功率P1k;同時(shí)還應(yīng)測(cè)量定子繞組每相電阻R1的大小。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),畫(huà)出異步電動(dòng)機(jī)的短路特性I1k=f(U1)、P1k=f(U1),如圖635所示。圖635異步電動(dòng)機(jī)的短路特性

小結(jié)

本節(jié)分析了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系,推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的基本方程、T型等效電路和相量圖,它們是進(jìn)一步研究異步電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行性能的重要基礎(chǔ)。

在異步電動(dòng)機(jī)中無(wú)論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如何,轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)在空間上與定子基波磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)靜止。這是異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩、實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的必要條件。

異步電動(dòng)機(jī)在折算時(shí),不僅要進(jìn)行繞組折算,即匝數(shù)、相數(shù)和繞組系數(shù)的折算;還要進(jìn)行頻率折算,頻率折算就是將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等效為靜止的轉(zhuǎn)子。

在異步電動(dòng)機(jī)的等效電路中,是模擬總機(jī)械功率的等效電阻,又稱(chēng)附加電阻。

由異步電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系及T型等效電路可獲得異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)重要公式。

異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(T)稱(chēng)為機(jī)械特性,機(jī)械特性分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。

最大電磁轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均與電源電壓的平方成正比;最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子回路電阻無(wú)關(guān);臨界轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子回路電阻成正比;在一定范圍內(nèi),增加轉(zhuǎn)子回路電阻可以增加起

動(dòng)轉(zhuǎn)矩,當(dāng)臨界轉(zhuǎn)差率為1時(shí),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩有3個(gè)表達(dá)式:一是物理表達(dá)式;二是參數(shù)表達(dá)式;三是實(shí)用表達(dá)式。應(yīng)了解清楚異步電動(dòng)機(jī)的工作特性的意義,用試驗(yàn)方法能測(cè)出異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)以及測(cè)出機(jī)械損耗pmec和鐵損耗pFe。

6.3三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

如圖636所示為我們旅行中經(jīng)常乘坐的和諧號(hào)高鐵動(dòng)車(chē),查閱相關(guān)資料了解一下它的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成如何?它是如何起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的?圖636和諧號(hào)高鐵動(dòng)車(chē)

6.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)指的是從異步電動(dòng)機(jī)接通電源開(kāi)始,其轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙椒€(wěn)定轉(zhuǎn)速的運(yùn)行過(guò)程。

對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)主要有以下幾點(diǎn)要求。

(1)起動(dòng)電流小,以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要足夠大,以加速起動(dòng)過(guò)程,縮短起動(dòng)時(shí)間。

(3)起動(dòng)設(shè)備盡量簡(jiǎn)單、可靠、操作方便。

一、三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)

直接起動(dòng)是起動(dòng)時(shí)通過(guò)接觸器將電動(dòng)機(jī)的定子繞組直接接在額定電壓的電源上,所以也稱(chēng)為全壓起動(dòng)。

1.起動(dòng)電流Ist過(guò)大

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的定子線電流為起動(dòng)電流,用Ist表示。

2.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst不大

從三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性的分析中知道,如果在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī),由于最初起動(dòng)瞬間主磁通Φ1約減少到額定值的一半,功率因數(shù)cosφ2很低。

3.直接起動(dòng)的影響

起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)短時(shí)大電流,對(duì)不頻繁起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)本身沒(méi)有影響;對(duì)頻繁起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),頻繁出現(xiàn)短時(shí)大電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗較多而過(guò)熱,但只要限制每小時(shí)最高起動(dòng)次數(shù),電動(dòng)機(jī)也是能承受得住的。因此只考慮電動(dòng)機(jī)本身,一般是可以直接起動(dòng)的。

起動(dòng)瞬間對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成較大沖擊,使整個(gè)電網(wǎng)電壓降低,接于同一電網(wǎng)的其他負(fù)載就不可能正常運(yùn)行。

4.經(jīng)驗(yàn)公式

首先從電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄中可以查出該臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)ki;其次把電網(wǎng)總?cè)萘考醋儔浩骺側(cè)萘亢碗妱?dòng)機(jī)銘牌額定功率代入公式計(jì)算,即

式中,Ist為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流;IN為電動(dòng)機(jī)的額定電流。

二、三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)

降壓起動(dòng)是通過(guò)起動(dòng)設(shè)備使定子繞組承受的電壓小于額定電壓,從而減少起動(dòng)電流,待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值時(shí),再讓定子繞組承受額定電壓,使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。

降壓起動(dòng)的方法有以下幾種:

1.定子串接電抗器起動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電抗器起動(dòng),起動(dòng)時(shí)將電抗器接入定子電路;起動(dòng)后,切除電抗器,進(jìn)入正常運(yùn)行。三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí),如圖637(a)所示為直接起動(dòng)的單相等效電路;定子側(cè)串入電抗X起動(dòng)時(shí)的單相等效電路如圖637(b)所示。圖637單相等效電路

2.Y－△起動(dòng)

對(duì)于運(yùn)行時(shí)定子繞組接成△形的三相籠型異步電動(dòng)機(jī),為了減少起動(dòng)電流,可以采用Y－△起動(dòng)的起動(dòng)方法,其接線如圖638所示。圖638Y△起動(dòng)的接線

Y－△換接起動(dòng)最大的優(yōu)點(diǎn)是操作方便,起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低,但它僅適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組作三角形連接的籠型異步電動(dòng)機(jī)。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有直接起動(dòng)時(shí)的1/3,起

動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低很多,而且是不可調(diào)的,因此只能用于輕載或空載起動(dòng)的設(shè)備上。圖639Y△換接降壓起動(dòng)

3.自耦變壓器降壓起動(dòng)

這種起動(dòng)方法是通過(guò)自耦變壓器把電壓降低后再加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上,以減少起動(dòng)電流。其原理如圖640所示。圖640自耦變壓器原理

4.軟起動(dòng)

三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)是一種新型起動(dòng)方法。軟起動(dòng)是利用串接在電源和電動(dòng)機(jī)之間的軟起動(dòng)器,它使電動(dòng)機(jī)的輸入電壓從零伏或低電壓開(kāi)始,按預(yù)先設(shè)置的方式逐漸上升,直到全電壓結(jié)束。通過(guò)控制軟起動(dòng)器內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角,從而控制其輸出電壓或電流,達(dá)到有效控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的目的。

三、繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中可以外串三相對(duì)稱(chēng)電阻,以增大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)主要有兩種起動(dòng)方法:轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器和串電阻起動(dòng)。下面分別加以介紹。

1.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)

對(duì)于單純?yōu)榱讼拗破饎?dòng)電流、增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的繞線式異步電動(dòng)機(jī),可以采用轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)。

頻敏變阻器與三相電抗器相似,由3個(gè)鐵心柱和3個(gè)繞組組成,三相繞組接成星形,通過(guò)滑環(huán)和電刷與轉(zhuǎn)子電路相接。繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)接線如圖641所示。圖641繞線式異步電動(dòng)機(jī)串頻敏電阻器起動(dòng)接線

2.轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)起動(dòng)

為了使整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中盡量保持較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,繞線式異步電動(dòng)機(jī)可以采用逐級(jí)切除起動(dòng)電阻的分級(jí)起動(dòng)方法。如圖642所示為繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)起動(dòng)的接線圖與機(jī)械特性,其起動(dòng)過(guò)程如下。圖642繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)起動(dòng)

6.3.2深槽式和雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

1.深槽式異步電動(dòng)機(jī)

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。深槽式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽又深又窄,通常槽深與槽寬之比為10~12。其他結(jié)構(gòu)和普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)基本相同。

(2)工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流過(guò)電流時(shí),漏磁通的分布如圖643(a)所示。從圖中可以看到轉(zhuǎn)子導(dǎo)體從上到下交鏈的漏磁通逐漸增多,導(dǎo)體的漏電抗也是從上到下逐漸增大,因此越靠近槽底越具有較大的漏電抗,而越接近槽口部分的漏電抗越小。

起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)差率比較大,轉(zhuǎn)子側(cè)頻率比較高,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的漏電抗也比較大。轉(zhuǎn)子電流的分布主要取決于漏電抗,由于導(dǎo)體的漏電抗也是從上到下逐漸增大,因此沿槽高的電流密度分布自上而下逐漸減少,如圖643(b)所示。大部分電流集中在導(dǎo)體的上部分,這種現(xiàn)象稱(chēng)為電流的集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)的效果相當(dāng)于減少了導(dǎo)體的高度和截面,增加了轉(zhuǎn)子電阻,從而減少起動(dòng)電流,增加了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于電流好像被擠到槽口,因而也稱(chēng)擠流效應(yīng)。圖643深槽式異步電動(dòng)機(jī)

深槽式異步電動(dòng)機(jī)是根據(jù)集膚效應(yīng)原理,減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有效面積(見(jiàn)圖643(c)),增加轉(zhuǎn)子回路有效電阻以達(dá)到改善起動(dòng)性能的目的。但深槽會(huì)使槽漏磁通增多,故深槽式異步電動(dòng)機(jī)漏電抗比普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)大,功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩及過(guò)載能力稍低。

2.雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上具有兩套鼠籠型繞組,即上籠和下籠,如圖644(a)所示。

雙籠式電機(jī)也常采用鑄鋁轉(zhuǎn)子,如圖644(b)所示。

(2)工作原理。雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子頻率較高,轉(zhuǎn)子漏電抗大于電阻,上、下籠電流的分布主要取決于漏電抗,由于下籠的漏電抗比上籠的大得多,故電流主要從上籠流過(guò),因而起動(dòng)時(shí)上籠起主要作用。由于上籠電阻大,可以產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,同時(shí)限制起動(dòng)電流,通常把上籠又稱(chēng)為起動(dòng)籠。其機(jī)械特性如圖644(c)所示。圖644雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能比深槽式異步電動(dòng)機(jī)的好,但深槽式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本較低,故深槽式異步電動(dòng)機(jī)的使用更廣泛。但它們共同的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子漏電抗比普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的大,功率因數(shù)和過(guò)載能力都比普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的低。因此大容量、高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)一般都做成深槽式的或雙鼠籠式的。

6.3.3三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式

三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法大致可以分成以下幾種類(lèi)型。

(1)改變定子繞組的極對(duì)數(shù)p,即變極調(diào)速;

(2)改變電源的頻率f1,即變頻調(diào)速;

(3)改變轉(zhuǎn)差率s,即調(diào)壓調(diào)速、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻和串級(jí)調(diào)速。

一、籠型異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速

1.變極原理

下面以四極變二極為例,說(shuō)明定子繞組的變極原理。如圖645(a)所示為四極電機(jī)U相繞組的2個(gè)線圈,每個(gè)線圈代表U相繞組的一半,稱(chēng)為半相繞組。2個(gè)半相繞組順向串聯(lián)(頭尾相接)時(shí),根據(jù)線圈中的電流方向,可以分析出定子繞組產(chǎn)生四極磁場(chǎng),即2p=4,磁場(chǎng)分布如圖645(b)所示。圖645四極三相異步電動(dòng)機(jī)U相繞組

如果將兩個(gè)半相繞組的連接方式改為如圖646所示,使其中一個(gè)半相繞組的電流反向,這時(shí)定子繞組中產(chǎn)生二極磁場(chǎng),即2p=2。由此可見(jiàn),使定子每相的一半繞組中電流改變方向,就可以改變磁極對(duì)數(shù)。圖646二極三相異步電動(dòng)機(jī)的U相繞組

2.常用的變極接線方式

如圖647所示為兩種最常用的變極接線方式。圖647兩種最常用的變極接線方式

3.變極調(diào)速前后的負(fù)載能力

上述兩種變極方法,雖然都能使定子繞組的極對(duì)數(shù)減少一半,轉(zhuǎn)速增大一倍,但電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的變化卻不同。所謂調(diào)速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的變化,是指在保持定子電流為額定值的條件下,調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩和功率的變化。

以上兩種變極調(diào)速方法改接前后電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率的變化情況如下:

(1)Y/YY變極調(diào)速。

(2)△/YY改接方法。

從以上分析可以看出,異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、機(jī)械特性較硬,可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,也可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速;缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速只能是有限的幾擋,為有級(jí)調(diào)速,調(diào)速平滑性較差。該類(lèi)多速電動(dòng)機(jī)的尺寸一般比同容量的普通電動(dòng)機(jī)稍大,運(yùn)行性能也稍差一些,且接線頭較多。總體上,變極調(diào)速還是一種比較經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。

二、變頻調(diào)速

三相異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速為n1=(60f1)/p,因此,改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)電源頻率f1可以改變旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的同步轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)速的目的。這就是變頻調(diào)速的基本原理。

在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí),總是希望保持主磁通Φ1為額定值,這是因?yàn)榇磐ㄌ?電動(dòng)機(jī)的鐵心得不到充分利用,是一種浪費(fèi);如果降低電源頻率時(shí)還保持電源電壓為額定值,則隨著f1下降,氣隙每極磁通Φ1就會(huì)增加。電動(dòng)機(jī)磁路本來(lái)就處在接近飽和的狀態(tài),Φ1增加,使磁路飽和,勵(lì)磁電流會(huì)急劇增加,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蚶@組過(guò)熱而損壞電機(jī),這是不能允許的。

如果略去定子阻抗壓降,三相異步電動(dòng)機(jī)每相電壓有效值為

式(667)表明,在變頻調(diào)速時(shí),若定子端電壓不變,則隨著頻率f1的升高,氣隙磁通Φ1將減小。由轉(zhuǎn)矩公式

1.基頻以下變頻調(diào)速

根據(jù)式(667)可知,要保持氣隙每極磁通Φ1不變,降低電源頻率時(shí),必須同時(shí)降低電源電壓,即

最大轉(zhuǎn)矩公式圖648恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性

2.基頻以上變頻調(diào)速

頻率f1從額定頻率fN往上增加。當(dāng)f1>fN時(shí),若仍保持U1/f1=常數(shù),勢(shì)必使定子電壓U1超過(guò)額定電壓UN,這是不允許的。這樣,基頻以上調(diào)速應(yīng)采取保持定子電壓不變的控制設(shè)備,通過(guò)增加f1,使磁通Φ1與f1成反比地降低,這是一種類(lèi)似于直流電機(jī)弱磁升速的調(diào)速方法。

設(shè)保持定子電壓U1=UN,改變頻率時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

由于f1較高,可忽略定子繞組R1,最大轉(zhuǎn)矩為

所對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)速降落同式(672)和式(673),為常數(shù)。由此可見(jiàn),保持定子電壓U1不變,升高頻率調(diào)速時(shí),最大轉(zhuǎn)矩Tm隨頻率f1的升高而減小,最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落是常數(shù),因此對(duì)應(yīng)這一段不同頻率的機(jī)械特性是平行的,硬度是相同的,頻率f1越高,最大轉(zhuǎn)矩Tm越小,如圖649所示。圖649基頻以上變頻調(diào)速的機(jī)械特性

基頻以上變頻調(diào)速過(guò)程中,異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為

在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s很小時(shí),由于R2'/s?R1、R2'/s?(

X1σ+X2σ'),因此上式中的R1、(X1σ+X2σ')均可忽略,即基頻以上變頻調(diào)速時(shí),異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率可近似為

綜上所述,三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)從基頻向下調(diào)速,為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式;從基頻向上調(diào)速,近似為恒功率調(diào)速方式。

(2)調(diào)速范圍大。

(3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。

(4)運(yùn)行時(shí)s小,效率高。

(5)頻率f1可以連續(xù)調(diào)節(jié),變頻調(diào)速為無(wú)級(jí)調(diào)速。

【例68】一臺(tái)四極三相異步電動(dòng),PN=30kW,UN=380V,

nN=1450r/min。采用變頻調(diào)速,拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL=0.8TN時(shí),欲使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在n=800r/min,試求:保持U/f=常數(shù)時(shí),變頻調(diào)速輸出的頻率和電壓的大小。

三、改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法

1.降低定子電壓調(diào)速

三相異步電動(dòng)機(jī)降低電源電壓后,n1和sm都不變,但輸出轉(zhuǎn)矩與所加定子電壓的二次方成正比,即T∝U21。因此電壓降低,電磁轉(zhuǎn)矩隨之變小,轉(zhuǎn)速也隨之下降;且電壓越低,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低。如圖650(a)中所示,轉(zhuǎn)速n為固有機(jī)械特性曲線上的運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)速,n'為降壓后的運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)速,U1″<U1'<U1,n″<n'<n。降壓調(diào)速方法比較簡(jiǎn)單,但是對(duì)于一般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)其降壓調(diào)速范圍比較窄,因此,沒(méi)有多大的實(shí)用價(jià)值。

若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載如通風(fēng)機(jī),其負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如圖650(b)中的虛線所示,從a、a'、a″對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速看,降壓調(diào)速時(shí)有較好調(diào)速范圍。因此調(diào)壓調(diào)速適合于風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載。圖650鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速(U1″<U'1<U1)

異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速通常應(yīng)用在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的具有較大轉(zhuǎn)子電阻的高轉(zhuǎn)差率的異步電動(dòng)機(jī)上。它即使帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,也有較寬的調(diào)速范圍,如圖650(c)所示,不同的電源電壓U1、U1'、U1″可獲得不同的工作點(diǎn)a、a'、a″,調(diào)速范圍較寬。

調(diào)壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速也非恒功率調(diào)速,它最適用于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載(如通風(fēng)機(jī)負(fù)載),也可用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,最不適合恒功率負(fù)載。

2.繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

改變轉(zhuǎn)子回路串入電阻值的大小,例如分別串入電阻Rc1、Rc2、Rc3時(shí),其機(jī)械特性如圖651所示。圖651異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

3.繞線式異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速及串級(jí)調(diào)速原理

1)串級(jí)調(diào)速基本原理

串級(jí)調(diào)速的原理圖如圖652所示

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有串接的附加電動(dòng)勢(shì),即Eadd=0時(shí),異步電動(dòng)機(jī)在固有機(jī)械特性上運(yùn)行。若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接附加電動(dòng)勢(shì),即Eadd≠0,這時(shí)轉(zhuǎn)子電流I2為圖652轉(zhuǎn)子串接附加電動(dòng)勢(shì)的串級(jí)調(diào)速原理

2)串級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)

串級(jí)調(diào)速的調(diào)速性能比較好,具有高效率、無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、較硬的低速機(jī)械特性等優(yōu)點(diǎn),但獲得附加電動(dòng)勢(shì)?Eadd的裝置比較復(fù)雜,成本較高,且在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力較低,因此串級(jí)調(diào)速最適用于調(diào)速范圍不大的場(chǎng)合,例如通風(fēng)機(jī)和提升機(jī)。

四、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速

電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速實(shí)際上就是一臺(tái)帶有電磁轉(zhuǎn)差離合器的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),又稱(chēng)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)。

1.電磁轉(zhuǎn)差離合器的結(jié)構(gòu)

電磁轉(zhuǎn)差離合器是一個(gè)籠型異步電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的互相連接的電氣設(shè)備,如圖653(a)所示,電磁轉(zhuǎn)差離合器主要由電樞和磁極兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部分組成,兩者之間無(wú)機(jī)械聯(lián)系,各自獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。圖653電磁轉(zhuǎn)差離合器

2.電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理

磁極的勵(lì)磁繞組通入直流電后形成磁場(chǎng)。異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離合器電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn),電樞切割磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流,方向如圖655(b)所示。

電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣,調(diào)速平滑,可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,操作方便,適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其缺點(diǎn)是由于離合器是利用電樞中的渦流與磁場(chǎng)相互作用而工作的,故渦流損耗大,效率較低;另一方面由于其機(jī)械特性較軟,特別是在低轉(zhuǎn)速下,其轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化很大,不能滿(mǎn)足恒轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)機(jī)械的需要。因此該種電機(jī)工作時(shí)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的裝置。

6.3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法

與直流電動(dòng)機(jī)一樣,三相異步電動(dòng)機(jī)也可以工作在制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。三相異步電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)如下:

(1)若電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向一致時(shí),電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)。

(2)若T與n的方向相反時(shí),電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)。

一、能耗制動(dòng)

如圖654所示,三相異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)速為n,如果突然切斷電動(dòng)機(jī)的三相交流電源,同時(shí)把直流電從它的任意兩相定子繞組通入(即開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)、S2閉合)。此時(shí),三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)形成了一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的空間固定的磁動(dòng)勢(shì)。

制動(dòng)停車(chē)過(guò)程中,系統(tǒng)原來(lái)儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。因此,上述過(guò)程也稱(chēng)為能耗制動(dòng)過(guò)程。改變直流勵(lì)磁電流的大小,或者改變繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路每相所串的電阻值,就可以調(diào)節(jié)能耗制動(dòng)時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。圖654能耗制動(dòng)

二、反接制動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反,這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為反接制動(dòng)。根據(jù)作用原理不同,反接制動(dòng)又分為正轉(zhuǎn)反接(即電壓反接)和正接反轉(zhuǎn)(即倒拉反轉(zhuǎn))兩種。

1.電壓反接

處于正向電動(dòng)運(yùn)行的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r(shí),電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了反接制動(dòng)過(guò)程。如圖655(a)所示,接觸器觸點(diǎn)KM1閉合為正向電動(dòng)運(yùn)行,KM1斷開(kāi)KM2閉合,則改變了電源相序。如圖655(b)所示為拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,反接制動(dòng)的同時(shí)轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻時(shí)的反接制動(dòng)機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從A→B→C,到C點(diǎn)后,

-TL<T<TL,可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)。

電壓反接制動(dòng)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)電源相序?yàn)樨?fù)序,因此轉(zhuǎn)速n≥0時(shí),相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s≥1。從異步電動(dòng)機(jī)等效電路上可看出,在s>1的反接制動(dòng)過(guò)程中,若轉(zhuǎn)子回路總電阻折算值為R2',機(jī)械功率則為

即負(fù)載向電動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入機(jī)械功率。

顯然負(fù)載提供機(jī)械功率是靠轉(zhuǎn)動(dòng)部分動(dòng)能的減少。從定子到轉(zhuǎn)子的電磁功率為圖655繞線式異步電動(dòng)機(jī)電壓反接制動(dòng)過(guò)程

轉(zhuǎn)子回路銅損耗:

三相異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)停車(chē)比能耗制動(dòng)停車(chē)速度快,但能量損失較大。一些頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械,經(jīng)常采用反接制動(dòng)停車(chē)接著反向起動(dòng),就是為了迅速改變轉(zhuǎn)向,提高生產(chǎn)率。

2.倒拉反轉(zhuǎn)

拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī),若在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入一定值的電阻,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低。如果所串的電阻超過(guò)某一數(shù)值后,電動(dòng)機(jī)還要反轉(zhuǎn),運(yùn)行于第四象限,如圖656所示的B點(diǎn),稱(chēng)之為倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。圖656倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)械特性

【例610】某三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù),PN=5kW,nN=960r/min,E2N=164V,I2N=20.6A,λ=2.3。如果拖動(dòng)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),采用反接制動(dòng)停車(chē),要求制動(dòng)開(kāi)始時(shí)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.8TN,求轉(zhuǎn)子每相串入的制動(dòng)電阻值。

三、回饋制動(dòng)

1.正向回饋制動(dòng)

一般在異步電動(dòng)機(jī)變極或變頻的減速過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)正向回饋制動(dòng)過(guò)程。如圖657所示為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)YY－△變極調(diào)速時(shí)的正向回饋制動(dòng)機(jī)械特性。圖657正向回饋制動(dòng)機(jī)械特性

正向回饋制動(dòng)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n>n1,轉(zhuǎn)差率s<0,從三相異步電動(dòng)機(jī)等效電路上可看出,電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為

從定子到轉(zhuǎn)子的電磁功率為

圖658反向回饋制動(dòng)的原理和機(jī)械特性

四、異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)小結(jié)

綜上所述,異步電動(dòng)機(jī)可以工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),也可以工作在制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。這些運(yùn)行狀態(tài)處于機(jī)械特性的不同象限內(nèi),如圖659所示。圖659異步電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)械特性曲線

【例611】某起重機(jī)吊鉤由一臺(tái)繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為:PN=60kW,nN=960r/min,λ=2.5,kst=1,R2=0.0237Ω。電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的情況是:提升重物為額定負(fù)載TN,下放重物為0.8TN。

(1)提升重物,要求有低速、高速兩擋,且高速時(shí)轉(zhuǎn)速nA為工作在固有特性上的轉(zhuǎn)速,低速時(shí)轉(zhuǎn)速nB=0.25nA,工作于轉(zhuǎn)子回路串電阻的特性上。求兩擋轉(zhuǎn)速各為多少及轉(zhuǎn)子回路應(yīng)串入的電阻值。

(2)下放重物,要求有低速、高速兩擋,且高速時(shí)轉(zhuǎn)速nC為工作在負(fù)序電源的固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速,低速時(shí)轉(zhuǎn)速nD=-nB,仍然工作于轉(zhuǎn)子回路串電阻的特性上。求兩擋轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子應(yīng)串入的電阻值。說(shuō)明電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在哪種狀態(tài)。

解根據(jù)題意畫(huà)出該電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)相應(yīng)的機(jī)械特性曲線,如圖660所示。點(diǎn)A、B是提升重物時(shí)的兩個(gè)工作點(diǎn),點(diǎn)C、D是下放重物時(shí)的兩個(gè)工作點(diǎn)。圖660例611中機(jī)械特性

小結(jié)

對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性的要求是希望起動(dòng)電流小,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。但是,在起動(dòng)時(shí)如不采取任何措施,電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性有時(shí)不能滿(mǎn)足上述要求。

對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī),如果電網(wǎng)容量允許,應(yīng)盡量采用直接起動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)容量較小時(shí),應(yīng)采用降低定子電壓的方法來(lái)減小起動(dòng)電流,較常用的方法有Y－△起動(dòng)或自耦變壓器起動(dòng)等。但是,降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓平方成正比地減小。繞線式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),在轉(zhuǎn)子回路中串入適當(dāng)電阻,不但使起動(dòng)電流減小,而且使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。

因此,在起動(dòng)困難的機(jī)械中,常采用繞線式電動(dòng)機(jī)。但繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)不便、成本較高。深槽式和雙籠型異步電動(dòng)機(jī)利用集膚效應(yīng),使轉(zhuǎn)子電阻隨轉(zhuǎn)子頻率的變化而自動(dòng)變化,既具有較好的起動(dòng)性能,又具有較好的工作性能。

應(yīng)用自動(dòng)控制線路組成的軟起動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑起動(dòng),稱(chēng)為軟起動(dòng)。現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動(dòng)器可以根據(jù)起動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的大小,將起動(dòng)電流在(0.5~4)I1N之間

調(diào)整,以獲得最佳的起動(dòng)效果。

三相異步電機(jī)的制動(dòng)運(yùn)行有能耗制動(dòng)、定子兩相反接的反接制動(dòng)、轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)及回饋制動(dòng),它們的共同特點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反。應(yīng)著重掌握制動(dòng)產(chǎn)生的條件、機(jī)械特性、功率關(guān)系及制動(dòng)電阻計(jì)算。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知,通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的極數(shù)、轉(zhuǎn)差率或電源頻率的方法可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

本章重點(diǎn)分析了籠型異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方法。變頻調(diào)速?gòu)幕l向下調(diào)速,為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式,從基頻向上調(diào)速,為近似恒功率調(diào)速方式;變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率s小,效率高;同時(shí)頻率f1可以連續(xù)調(diào)節(jié),變頻調(diào)速為無(wú)級(jí)調(diào)速。由于變頻器的快速發(fā)展,價(jià)格降低,變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)主要的調(diào)速方法。

變極調(diào)速方法簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、機(jī)械特性較硬,可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和近似恒功率調(diào)速,且轉(zhuǎn)差功率損耗基本不變,效率較高。但它是有級(jí)調(diào)速,且級(jí)數(shù)很少。變極調(diào)速方法適用于籠型異步電動(dòng)機(jī),這種電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為多速電動(dòng)機(jī)。

籠型異步電動(dòng)機(jī)定子降壓調(diào)速和