05-三相异步机机械特性.ppt

1,三相异步电动机 的电力拖动 electric power driving of three phase asynchronous motor,三相异步电动机的机械特性 torque-speed characteristic of three phase asynchronous motor,2,三相异步电动机电磁转矩的三种表达方式,一、物理表达式,二、参数表达式,三、实用表达式,3,物理表达式,表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。,4,参数表达式推导：,利用三相异步电动机的简化等效电路（励磁支路前移），得到转子电流的有效值为,代入得：,5,参数表达式：,说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。 当定子电压u1、电源频率f1以及电机参数确定时，改变转差率s，就能按此式算出对应的电磁转矩tem。,6,三相异步电动机的固有机械特性,n1,7,有一台绕线转子异步电动机，其技术数据为：pn=280kw,u1n=6000v,i1n=36.2a,nn=490rpm,n=0.905, cos1n=0.78。kt=2.35,u2n=484v,i2n=353a。试用实用表达式绘制其机械特性。,8,%torque-speed characteristic for an anynchronous motor sm=0.08953;tm=12824.3;n0=500; for i=1:1:100 s=0.01*i; n=n0*(1-s); t=(2*tm)/(s/sm)+(sm/s); s1(i)=s; t1(i)=t; n1(i)=n; end plot(t1,n1),xlabel(torque(n.m),ylabel(speed(r/min),grid on,9,实用表达式,已知电机的额定功率、额定转速、过载能力,忽略空载转矩，有,将tm和sm代入即可得到机械特性方程式,10,三相异步电动机机械特性曲线可以反映电动机所处的不同状态： （1）当0n1时，电磁转矩tem为负，n为正，电机处于异步发电状态。 （3）当s1即n0时，电磁转矩tem为正，转速n为负，电机处于制动状态。 下面对机械特性上几个特殊点作分析说明。,11,1、临界转差率 sm 和最大电磁转矩tm,将机械特性表达式对s求导，并令dt/ds=0,可得出,式中tm为最大转矩，sm为最大转矩对应的转差率，或者称临界转差率；“”对应电动状态，“”用于发电状态。,12,当其它参数一定时：,1、最大电磁转矩与电源电压u1的平方成正比； 临界转差率与电源电压无关。,3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； 漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；,2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。,由sm、tm表达式可见,13,临界转差率 sm 和最大电磁转矩tm,过载能力,y系列中小型鼠笼式三相异步电动机，其过载倍数t=2.02.2;起重、冶金机械用三相异步电动机t=2.22.8，因为某种原因负载转矩有可能突然增大。如果过载倍数小，负载转矩超过电机的最大转矩，有可能电机转速大幅下降而停车。实际使用中电机不能长期在最大转矩下运行，因为这时电机已过载。,14,2、起动转矩tst和起动转矩倍数kst,结论：当其它参数一定时,1、起动转矩与电源电压平方成正比；,2、频率越高，起动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小；,3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。,将s=1代入机械特性表达式得,15,2、起动转矩tst和起动转矩倍数kst,4、起动转矩倍数,起动转矩的大小，反映了电动机起动负载的能力。kst越大，电动机的起动就越快，电机的成本也随之增加。因此，需要根据实际需要确定起动转矩的倍数，一般为1.72.2，能满足一般设备的要求。,16,三相异步电动机的固有机械特性,17,三相异步电动机降压时的人为机械特性,18,转子回路串电阻时的机械特性,19,定子串接电抗器时的机械特性,20,练习： 1.三相异步电动机最大电磁转矩的大小与转子电阻r2值 关，起动转矩的大小与转子电阻r2 关。 2.一台绕线式异步电动机带恒转矩负载，若电源电压下降，则电动机的临界转差率 ，转差率 ，转速 ，最大电磁转矩 ，过载能力 ，起动转矩 。 3.绕线式异步电动机保持负载转矩不变下运行，若转子串入电阻rt(r1+rtx1+x2)，则临界转差率将 ，转速会 ，过载能力 ，起动转矩 ，起动电流 。 4.异步电动机轻载运行时，其功率因数较 ，效率较 。,无,有,不变,增大,下降,减小,减小,减小,增大,下降,不变,增大,减小,低,低,21,练习： 一台三相异步电动机，已知下列数据，pn=15kw，nn =1460rpm，un=380v，n=0.87 , cosn =0.85,tm/tn=2, tst/tn=1.1,ist/in=6.5，试求： （1）额定电流in；（2）额定转矩tn；（3）直接启动时的启动电流ist；（4）当电动机带额定负载运行时，由于电网电压突然降到0.6un时，电机能否继续运行？,22,23,5、三相感应电动机的启动 笼型电动机的启动方法 （1）直接启动 （2）降压启动 绕线式感应电动机的启动方法 （1）转子回路串对称电阻启动 （2）转子串频敏变阻器启动 改善启动性能的笼型电动机 （1）高转差率感应电动机 （2）深槽式感应电动机 （3）双笼感应电动机,24,感应电机的固有启动特性： 由启动等值电路可知，直接启动时的定子相电流为： 由于u1=un很高，而zk很小，所以直接启动的电流很大，其线电流约为额定电流in的47倍。 由于启动时cos2比额定运行时小很多，而且启动时过大的漏阻抗压降i1stz1使主磁通m比额定运行时也小得多。因此由感应电机机械特性的物理表达式可知，虽然启动时电流i2很大，但启动转矩却不大，一般仅为额定转矩的(0.81.8)。,25,一般地，7.5kw以下的小容量感应电动机，都可以直接启动；对于7.5kw以上的电动机，就要考虑过大的直接启动电流对供电系统的影响，一般按下列经验公式核定： 式中sh为供电电源的总容量kva。在笼型感应电动机的产品目录中给出了固有启动特性的两个指标：启动转矩倍数km和启动电流倍数ki。 直接启动的优点是操作和启动设备都很简单，而且启动转矩大；缺点是启动电流大。,26,不满足直接起动条件，或起动过于频繁，可采用降压起动。,y:6,4,5,接成星点。1，2，3接电源。 ：1接6，2接4，3接5。,27,28,由此可见，y-启动的启动电流与启动转矩降低倍数都相同，都降到固有启动特性的1/3。适用于空载或轻载启动，是笼型电动机启动的基本方法之一。而且凡是能够采用y-启动的电动机，当它长期处于空载或轻载时，可以将它改成y接法运行，从而提高功率因数，节约电能。为此，我国4kw以上的三相笼型感应电动机，都采用额定电压为380v，6个出线端都引出机外，正常运行为接法，就是为了给用户提供一个y-启动的可能性。,时间继电器,29,fu1,km1,fr,sb1,sb2,kt,km2,fr,s,kt,km3,km1,km2,km1,u1,v1,w1,u2,v2,w2,kt,fu2,km3,km2,km2,km1,按sb2, km1通电, kt 通电, km2 断电, km3 通电,(y 起动),km1断电, km2通电, km3断电,( 运行),km3, km1通电,延时,线路动 作次序,笼型电动机 y 起动控制线路,返回,30,延边三角形降压启动 启动时，将三个末端4，5，6分别跟三个中间抽头8，9，7相联，从三个首端引出接三相额定电压，如图。如果把中间抽头7，8，9向首端移，则部分渐渐扩大，当7，8，9移至首端1，2，3时，就相当于全压启动，每相电压为un。如果把中间抽头7，8，9向末端移动，则部分渐渐缩小，当7，8，9移至末端4，5，6时，就相当于y接法降压启动，每相电压为 。因此延边三角形降压启动，它的启动电流与启动转矩介于直接启动和y接法启动之间。当启动结束时，在通过切换开关将定子三相绕组接成，使电机在全压下运行。 采用这种启动方法的电动机，定子三相绕组不仅每相的首末端要引出机外，而且每相绕组还有一个中间抽头引出，因此共有9个接线端头。,31,32,33,34,（2）深槽式感应电动机 由图可见，与转子导条底部相交链的漏磁通远比槽口部分相交链的多。因此，如果将导条看成是由若干沿槽高划分的小导体并联而成，则越靠近槽底的小导体具有越大的漏电抗，而越近槽口则漏电抗越小。 在启动时，由于转子电流频率较高，f2=f1，而漏电抗较大，因此，各小导体中电流的分配将主要决定于漏电抗。漏电抗越大，则电流越小。这样，在由气隙主磁通所感应的相同的电势的作用下，导条中靠近槽底处的电流密度将很小，而越接近槽口则越大。因此电流的分布如图所示。这种现象称为电流的集肤效应。电流大部分被挤到导条上部之后，槽底部分导条所起的作用很小，其效果相当于减小了导条的高度和截面。因此转子电阻r2增大，而满足了启动时的要求。,35,36,启动完毕，转子电流的频率很低（1-3hz），集肤效应消失，转子导条的电阻又重新变小，接近于直流电阻。满足了减小转子铜耗以提高电机效率的要求。 双笼式异步电机的上笼截面积较小，通常用黄铜或铝青铜等电阻系数较大的材料制成，故电阻较大；下笼导条截面积较大，用电阻系数较小的紫铜制成，故电阻较小。通常两套笼各有自己的端环，可使上下笼因发热而各自自由伸长。,37,38,练习：一台三相鼠笼异步电动机，pn=30kw,un=380v,cosn=0.87,ist/in=6,tst/tn=2,用串电抗器起动，问 ：（1）当限制起动电流为4.5in时，起动电压应降至多少？（2）此时可否满载起动？,39,一台三相异步电动机pn=20kw,un=380v,接法，n=0.866,cos n=0.85,nn 1460rpm,tst/tn=1.5,ist/in=6.5,试求： （1）in;(2)最大能起动多大转矩的负载？（3）全压起动时的起动电流值；（4）y- 起动时的启动电流值；（5）y- 起动时的起动转矩值。,40,41,6、三相异步电动机的调速 如果采用电气调速，就可以大大简化机械变速机构。因为n=(1-s)n0=(1-s)60f1/p，所以改变电动机的转速有三种可能，即改变电源频率f1、极对数p、及转差率s。前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。 6.1、变频调速 近年来变频技术发展很快，目前采用的变频调速装置主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率f1可调、电压有效值u1也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。通常有下列两种变频调速方式： （1）在f1f1n，即低于额定转速调速时，应保持u1/f1的比值近于不变，也就是两者要成比例地同时调节。由u14.44f1n1kw1和t=cmi2cos2两式可知，这时磁通和转,42,矩t也都近似不变。这是恒转矩调速。 如果把转速调低时u1=u1n保持不变，在减小f1时磁通会增加。这就会使磁路饱和（电动机磁通一般设计在铁心磁饱和点），从而增加励磁电流和铁耗，导致电机过热，这是不允许的。 （2）在f1f1n，即高于额定转速调速时，应保持u1u1n。这时磁通和转矩t都将减少。转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。 如果把转速调高时u1/f1的比值不变，在增加f1的同时u1也要增加。u1超过额定电压也是不允许的。 频率调节范围一般为0.5-320hz。目前在国内由于逆变器中的开关元件（可关断晶闸管、大功率晶体管和功率场效应管等）的制造水平不断提高，鼠笼式电动机的变频调速技术的应用也就日益广泛。,43,6.2、变极调速 由式n1=60f1/p可知，如果极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n1便提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。因此改变p可以得到不同的转速。如何改变极对数呢？这与定子绕组的接法有关。 下图所示为定子绕组的两种接法。把a相绕组分成两半：线圈a1x1和a2x2，当这两个半相绕组头尾相串联时，形成的是一个4极磁场；如果将这两个半相绕组头尾相并联时，形成的是一个2极磁场。在换极时，一个线圈中的电流方向不变，而另一个线圈中的电流必须改变方向。 双速电动机在机床上用得较多，像某些镗床、磨床、铣床上都有。这种电动机的调速是有级的。,44,45,6.3、变转差率调速 只要在绕线式电动机的转子电路中接入调速电阻（和启动电阻一样接入）改变电阻的大小，就可得到平滑调速。如增大调速电阻时，转差率s上升，而转速n下降(tmax改变否？）。这种调速方法的优点是设备简单、投资少，但能量损耗大。这种调速方法广泛应用于起重设备中。 7、三相异步电动机的制动 因为电动机的转动部分有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间而后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反。这时的转矩成为制动转矩。异步电动机的制动有下列几种方法。 7.1 能耗制动,46,制动时定子接入直流电源产生固定磁场,i2 受到阻转矩；当 n0, i20,t0。,制动: 将动能电能热能。,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转。,缺点：需要另外加直流电源。,e2(i2),7.1 三相异步电动机的制动,7.1.1 能耗制动,47,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使 m 停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为 (n1+ n) i2 i1。,必须在笼型电动机的定子或 绕线式电动机的转子中串入电阻 r，以防止烧坏绕组。,7.1.2 反接制动,返回,48,能耗制动方法就是在切断三相电源的同时，接通直流电源，使直流电流通入定子绕组。直流电流的磁场是固定不动的，而转子由于惯性继续在原方向转动。根据右手定则和左手定则不难确定这时的转子电流与固定磁场相互作用产生的转矩的方向。它与电动机的转向相反，因而起制动的作用。制动转矩的大小与直流电流的大小有关。直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5-1倍。 因为这种方法是用消耗转子的动能（转换为电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。 这种制动能量消耗小，制动平稳，但需要直流电源。在有些机床中采用这种制动方法。 7.2 反接制动 在电动机停车时，可将接到电源的三根导线中的任意两根的一端对调位置，使旋转磁场反向旋转，而转子由于惯性仍在原,49,方向转动。这时的转矩方向与电动机的转动方向相反，因而起制动的作用。当转速接近零时，利用某种控制电器将电源自动切断，否则电动机回反转。 由于在反接制动时旋转磁场与转子的相对速度（n1+n)很大，因而电流较大。为了限制电流，对功率较大的电动机进行制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻。 这种制动比较简单，效果较好，但能量消耗较大。对有些中型车床和铣床主轴的制动采用这种方法。 7.3 发电机反馈制动 当电机的转速n超过旋转磁场的转速n1时，这时的转矩也是制动的。 当起重机快速下放重物时，就会发生这种情况。,50,这时重物拖动转子，使其快速nn1，重物受到制动而等速下降。实际上电动机已转入发电机运行，将重物的位能转换为电能而反馈到电网中去，所以称为发电反馈制动。 另外，当将多速电动机从高速调到低速的过程中，也自然发生这种制动。因为刚将极对数p加倍时，磁场转速立即减半，但由于惯性，转子转速只能逐渐下降，因此就出现nn1的情况。,51,52,53,练习 1、异步电动机启动时转子电动势较 ，启动电流较 ，此时启动转矩却不大，是因为启动时，转子功率因数较 ，气隙磁通较稳态运行时 。 2、一般鼠笼异步电动机全压启动时，启动电流约为额定电流的 倍，启动转矩约为额定转矩的 倍。 3、绕线式异步电动机转子串入适当电阻启动时，启动转矩将 ，启动电流将 ，其原是 。 4、鼠笼电动机的启动方法有 和 两大类。 5、鼠笼电动机降