相异步电动机的机械特性及各种运转状态讲.ppt

第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态,黑龙江科技学院 电信学院,第 十章 三相异步电动机的机械特性及 各种运转状态,第一节 三相异步电动机机械特性的三种表达式,第二节 三相异步电动机的固有与人为机械特性,第三节 三相异步电动机的各种运转状态,第四节 根据异步电动机的技术数据计算其参数,第五节 绕线式异步电动机调速与制动电阻计算,第一节 三相异步电动机机械特性的三种表达式,定义： ，它反映了在不同转速下，电动机所能提供的转矩情况。,定子绕组的电阻和漏电抗,归算过的转子绕组的电阻和漏电抗,与定子铁芯损耗相对应的励磁电阻,与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗,一、物理表达式,式中：,异步机的转矩系数,异步机每极磁通,转子电路的功率因数,转子电流折算值,三相异步电动机的机械特性物理表达式一般用于分析电动机在各种运转状态下，转矩T与磁通m及转子电流的有功分I2COS2的关系。,相乘,表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通m与转子电流的有功分量I2 cos 2相互作用产生的.形式上，与直流电动机转矩表达式T=CTIa相似,二、参数表达式,将,代入物理表达式得：,物理表达式反映了不同转速时T与Fm及转子电流之间的关系，不能直接反映异步电动机转矩与电动机参数（如定子相电压U，s，R1，R2，X1，X2，定子相数m1，转子同步机械角速度Ws等）。,分子分母同乘以（1-s），即得,由异步电动机的近似等效电路,得异步电动机的机械特性参数表达式,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。,n0,T,n,O,1,0,临界转差率：,最大转矩： 将sm代入T = f（s）得：,通常,小结 当电动机参数及电源频率不变时，Tm与U2成正比，sm保持不变，与U无关； 当电源频率及电压不变时， sm与Tm近似与X1X2成反比；频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； Tm与R2无关，sm则与R2成正比。,过载倍数,Tm 是电动机可能产生的最大转矩。 如果TzTm，电动机将停转，为保证电动机不会因短时过载而停转，电动机必须有一定得过载倍数KT,一般电动机的KT1.83.0，起重设备的电动机的KT可达3.5；,起动转矩,除Tm外异步电动机还有一个重要的参数，即起动转矩。 起动时，s=1（n=0）代入T = f（s），得,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。,（4）起动转矩倍数,对鼠笼式异步电动机，则不可通过转子回路串电阻来增加电动机的TSt； 当TStTz时，电动机才能起动，在额定负载下，只有KSt1的笼型异步电动机才能额定负载起动。,三相异步电动机的机械特性曲线可分为两个区域： （1）稳定运行区域； （2）不稳定运行区域。,稳定运行区域：,在此区域内， ， 。此时，机械特性向下倾斜，无论是对于恒转矩负载还是对于风机、泵类负载，电力拖动系统可以稳定运行；,不稳定运行区域：,在此区域内， ， 。此时，对于恒转矩负载，系统将无法稳定运行；而对于风机、泵类负载，尽管系统可以稳定运行，但由于转速太低，转差率较大，转子铜耗较大，三相异步电动机将无法长期运行。,三、实用表达式,用T/Tm,考虑到sm,忽略R1，则：,由于 sN sm，上式取号。,实用表达式,Tm求法,sm求法,由,解方程，可得各种运行情况下的转差率与临界转差率的关系, 根据 s 和 sm 的相对大小，取“”或取“”。,额定负载时，s一般很小，有s/smsm/s，则,由于 sN sm，则,即有下面的关系,【例 10.1 】 Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n = 1455 r/min，试问该电动机的负载转矩 TZ 是多少？若负载转矩 TZ = 45 Nm，则电动机的转速 n 是多少？,由电工手册查到该电机的 PN = 7.5 kW， n0 = 1 500 r/min，nN = 1 440 r/min，KT = 2.2。 由此求得,解：,= 0.1664,Tm = KT TN,= 2.249.76 Nm = 109.47 Nm,忽略 T0，则,TZ = T2,当 TZ = T2 = T = 45 Nm 时,= 0.036,n = ( 1s ) n0 = ( 10.036 )1500 r/min = 1446 r/min,第二节 三相异步电动机固有机械特性和 人为机械特性,一、固有机械特性,当 U1 、f1、R2、X2 为常数时： T = f (s ) 转矩特性 n = f (T ) 机械特性 当 U1 = U1N 、f1 = fN，且绕线型转子中不外 串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。,三相异步电动机固有机械特性,1）起始点A； 2）额定工作点B； 3）同步转速点H； 4）最大转矩点P和P。,(1) 起动状态（ A 点）,对应 s = 1，n = 0 的状态。 又称为堵转状态。 起动时 T = Tst， I1L = Ist,Tst,Tst 直接起动的能力。 起动条件 Tst TZ。 Ist线路允许值或Ist= （47）I1N。 起动转矩倍数,起动电流倍数,Y 系列三相异步电动机Kst = 1.6 2.2，Ksc = 5.5 7.0,P A B,B P A,(2) 额定状态（B点）,额定状态是指各个物理量 都等于额定值的状态。 B点： n = nN ， s = sN ， T = TN ，P2 = PN，I1=I1N 额定状态说明了电动机长期 运行的能力 TZTN，P2PN，I1IN。,工作段,sN = 0.01 0.09 很小， T 增加时，n 下降很少 硬特性。,临界转速,(3) 临界状态（P 点）,对应 s = sm，T = Tm 的状态。,临界状态明了电动机的 短时过载能力。 过载倍数,Y 系列三相异步电动机 KmT = 2 2.2 临界转差率sm,(4) 同步转速点（H 点）,H,对应 s = 0，T = 0, n=n0, I1=I1N, I2=0的状态。,是电动机电动状态与回馈制动 状态的转折点。,【例 10.2 】 一台Y225M2 型三相异步电动机，若 TZ = 200 Nm，试问能否带此负载： (1) 长期运行；(2) 短时运行； (3) 直接起动（设 Ist 在允许范围内）。,已知该电机的 PN = 45 kW，nN = 2970 r/min，KmT = 2.2， Kst = 2.0。,解：,由于 PN = 45 kW，nN = 2970 r/min， KmT = 2.2， Kst = 2.0。 (1) 电动机的额定转矩,由于 TNTZ ，故不能带此负载长期运行。,(2) 电动机的最大转矩 Tm = KmT TN = 2.2145 Nm = 319 Nm 由于 TmTZ ，故可以带此负载短时运行。 (3) 电动机的起动转矩 Tst = Kst TN = 2.0145 Nm = 290 Nm 由于 TstTZ ，且超过 1.1 倍 TZ ，故可以带此负 载直接起动。,二 人为机械特性,人为地改变电动机的任一个参数（如U、f1、P、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗）的机械特性称为人为机械特性。, 降低定子端电压的人为特性； 改变转子回路的电阻的人为特性； 改变定子回路电抗和电阻的人为特性； 改变转子回路电抗的人为特性； 改变极数后的人为特性； 改变输入频率的人为特性。,(1) 降低定子电压时的人为特性,U1U1“,TmU2；TstU2；n0和sm与电压无关。,s“,U1U1“,U1“,0,s,n,sm,1,0,n0,s,U1,T,TZ,T,降低 U1 转速稳定后 T = TZ s“ s n“n,I2“I2,如电动机原在额定状 态下运行，降压后：,I2 I2N ,TZ1-恒转矩负载特性 TZ2-风机类负载特性,T,TZ1,TZ2,n,n0,sm,O,分析:,定子电压U1下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，调速范围小，对于风机类负载，调速范围大，降压调速适合风机类负载。,(2) 转子回路串对称电阻时的人为特性,根据 sm = R2 / (X1+X2) ，Tm 与 R2 无关。,R2 R2“,R2 X1+X2,R2“ X1+X2,R2“ =X1+X2,R2 R2“ R2“,当 R2 X1+X2 时，sm1， R2 Tst。 当 R2 = X1+X2 时， sm = 1，Tst = Tm。 当 R2 X1+X2 时， sm1，R2 Tst 。,结 论,当转子电阻R2增大时，同步转速n0和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻R2增大而增大，直至Tst=Tm 。 当转子电阻R2再增大时，起动转矩Tst反而减小。 转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。,（3）定子回路串联对称电抗时的人为机械特性,由上面公式可知， X1增大时，n0不变，Tm 、sm、Tst随X1的增大而减小。,n0,n,T,O,Xst=0,Xst,sm,sm,定子回路串联对称电抗用于笼型异步电动机降压起动，以限制电动机启动电流。,（4）定子回路串联对称电阻时的人为机械特性,由上面公式可知， R1增大时，n0不变，Tm 、sm、Tst随X1的增大而减小，与定子回路串对称电抗相似。,n0,n,T,O,Rst=0,Rst,sm,sm,定子回路串联对称电阻亦可用于笼型异步电动机降压起动，以限制电动机启动电流。,（5）转子回路接入并联电抗时的人为机械特性,在绕线转子异步电动机转子回路接入电抗Xst与起动电阻Rst并联，起动初期，转子频率相当大，电抗器的感抗Xst=2psf1Lst较大，转子电流的大部分将流过电阻Rst，这时相当于转子串电阻起动。随着起动过程的进行，sf1或Xst越来越小，起动结束时， Xst很小，几乎将Rst短接。,n0,T,O,固有,人为,由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩。,转子电路接入并联阻抗又能限制起动电流，在起动级数最少的情况下，保证电机的平滑加速。,改变极数后的人为特性和 改变输入频率的人为特性将在异步电动机调速一章内介绍。,第三节 三相异步电动机的各种运转状态,1. 电动运转状态,三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。,特点： 1）电动机转矩方向与转速方向相同。 2）机械特性在第一、三象限内。 3）电动机从电网吸收电能，转化为机械能带动负载。,2. 制动运转状态,与直流电动机相同，异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。,n,T,M,T,M,T,n,O,n,共同特点： 1）电动机转矩方向与转速方向相反。 2）机械特性在第二、四象限内。 3）电动机轴上吸收机械能，转化为电能。,（一）回馈制动状态,位能负载带动异步电动 机进入回馈制动状态,当异步电动机由于某种原因（例如位能负载的作用 ），使其转速高于同步速度 时，转子感应电动势反向，转子电流的有功分量也改变了方向，其无功分量的方向则不变。此时异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。,实现：电动机转子在外力作用下，使| n | | n0 |，s0。电机处于发电机状态。 (1) 回馈制动原理,当异步电动机由于某种原因，使得nn0时，转差率s0, 则转子感应电动势sE2反向。,转子电流的有功分量为：,转子电流的无功分量为：,上两式说明：当s0时，转子电流的有功分量改变方向。其转子的无功分量方向没变。,0，电磁转矩改变方向，和电动机旋转方向相反，制动。,异步电动机在回馈制动时的相量图s0,回馈制动时电机的机械特性在第二象限。 转子中串接电阻。可得到人为机械特性，并可得到不同的稳定速度。,说明：异步电动机轴上输入机械功率。,能量转换关系：,说明：机械功率被转换成电功率后，一部分被转子电阻消耗掉，剩余的通过气隙传递到定子。,说明：传递到定子的电磁功率，有一部分被定子电阻和定子铁心损耗掉，剩余的从定子输出，即定子绕组把电能回馈给电网。,回馈制动时，因为转子电流的无功分量的方向不变，所以异步电动机的定子必须接到电网，并从电网吸取无功功率以建立电动机的磁场。 如果异步电动机的定子脱离电网，又希望它能发电，必须在异步电动机的定子三相之间接上连接成三角形或星形电容器组，电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率，即供给建立磁场所需要的励磁电流。,三角形：,星形：,(2) 回馈制动过程分析,调速过程中的回馈制动,A,B,C,D,M,TZ,n,T,M,TZ,n,T,下放重物时的回馈制动（电源两相反接）,B,A,C,正向电动,反接制动,D,回馈制动,反向电动,制动效果,R 下放速度 。 为了避免危险的高速， 一般不串联 R。,（3）特点和应用,特点：nn1，从电网吸收无功功率建立磁场，向电网输 送有功功率，经济。 应用：电机拖动位能性负载(如绕线式异步机)下放重物。,（二）反接制动状态,(1) 转速反向的反接制动,下放重物,B,C,A,D, 实现方法与制动原理 带位能性负载，定子相序不变，绕线转子电路串联适当大的对称电阻 R。,D 点( nD0，TD = TZ ),制动运 行状态, 制动效果 改变 R 的大小， 改变特性 2 的斜率，,改变 nD 。,低速提 升重物,返回目录页,M,TZ,n,T,M,TZ,n,T,T0,T0,转子轴上机械功率 为负,此时的转差率：,转子由定子输入的电功率即为电磁功率,为正,转子电路的损耗 为两者之和，因此能量损耗极大 。, 制动时的功率,特点： s 1 ，运行过程中能量消耗多，改变转子串接电阻，可变速度。 应用：适用于位能性负载下放重物或低速提升重物。, 特点和应用,(2) 定子两相反接的反接制动, 迅速停车,制动前的电路,制动时的电路, 制动原理,实现：将电动机电源两相反接。,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n0 变向。,B,即：s 1 (第二象限)。 同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,A,C,制动结束。,M,TZ,n,T,T0,M,TZ,T,n,T0,取决于 R 的大小。, 制动效果, 制动时的功率,0,PCu2 = m1(R2R ) I22 = PeP2 = Pe|P2|,0,P2 = (1s ) Pe,三相电能,电磁功率Pe,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,定子两相反接的反接制动优点： 制动效果强，制动速度快。 定子两相反接的反接制动缺点： 能量损耗大，制动准确度差。, 制动过程分析,对于反抗性恒转矩负载,当制动到n=0时，即C点，若|T| |TZ| ，则电动机将反向启动。最后稳定运行于D点，电动机工作于反向电动状态。,B,A,C,D,所以反接制动特别适合于要求频繁正、反转的生产机械，以便迅速改变旋转方向，提高生产率。如果采用定子两相反接制动只是为了停车，那么当制动到n=0前，必须切断电动机的电源，否则会出现|T| |TZ|，使电动机反转。,M,TZ,n,T,T0,M,TZ,n,T0,M,TZ,T,n,T0,对于恒转矩位能性负载,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n0 变向。,即：s 1 (第二象限)。 同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,制动结束。,TZ,1,n0,B,A,C,nD,M,TZ,n,T,M,TZ,T,n,T0,T0,到 C 点时，在制动转矩和负载转矩的共同作用下，M 将反向起动、加速，T与n都为负，反向电动。,TZ,1,n0,B,A,C,D,nD,到n=-n0时，虽然T=0，但在负载转矩的作用下，电动机继续反向加速，电磁转矩改变方向，为正，与电动机旋转方向相反，制动，直到D点，稳定运行,因|n|n0|，回馈制动。,M,TZ,n,T,T0,M,TZ,T,n,T0,TZ,1,O,n,T,n0,2,n0,B,A,C,D,nD,M,TZ,n,T,T0,M,TZ,T,n,T0,M,TZ,n,T,T0,M,TZ,T,n,T0,E,F,nF,M,TZ,T,n,T0,定子两相反接的反接制动,特性总结,当电机拖动恒转矩负载时，在电动机转矩和负载转矩共同作用下，迫使电动机很快送减速到C点，n=0，制动结束。 BC段为电源反接制动的制动特性，要想停车，需在n=0时拉闸，否则，若电机拖动反抗性负载，而且C点的电动机转矩T大于负载转矩，则反向起动到D点稳定运行。CD段为反向电动状态特性。若电动机拖动位能性负载，则要从反向电动状态继续加速到E点，再到反向回馈制动状态的F点，才能稳定运行。,（三）能耗制动状态,(1) 制动原理 制动前 S1 合上，S2 断开， M 为电动状态。 制动时 S1 断开，S2 合上。 定子: U I1 转子: n E2 I2 M 为制动状态。,n,实现：电机定子绕组脱离交流电网的同时，通入直流励磁电流。,(2) 能耗制动过程 迅速停车, 制动原理 制动前：特性 1。 制动时：特性 2。,原点 O (n = 0，T = 0)，,A,B,(T0，制动开始),制动过程结束。, 制动效果 R,I1 T ,制动快。, 制动时的功率 定子输入：P1 = 0，,轴上输出：P2 = T0 。,动能 P2, 转子电路的电能, PCu2消耗掉。,(3) 能耗制动运行 下放重物,A,(T0，制动开始),B,c,c 点(T = TZ),制动运行状态,以速度 nc 稳定下放重物。 制动效果： 由制动回路的电阻决定。,(4) 特点： 因T 与 n 方向相反， nT 曲线在第二、 四象限。 因 n = 0 时， T = 0， nT 曲线过原点。 转子电阻不变，制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。 直流励磁电流不变，转子电阻增加时，最大转矩不变，产生最大转矩的转速增加。,I1“,I1,R2,R2“,R2“ R2,能耗制动的优点及应用： 优点： 改变转子电阻或通入定子的直流励磁均可调节制动转矩； 当电动机转速下降到零时，制动转矩亦下降到零，使生产机械准确停车；,应用： 位能性负载，可以稳定放下重物； 反抗性负载，用以迅速，准确停车。,【例 10.3】一台三相绕线型异步电动机，已知 PN = 20 kW，nN = 1420 r/min， U2N =187 V， I2N = 68.5 A，KT = 2.3，拖动 TZ = 100 Nm 的位能性负载。现欲采用回馈制动下放该重物，在转子电路中串联电阻 R = 0.0159 。试求： (1) 切换后的瞬间（B点）的制动转矩； (2) 在 D 点下放重物的时的转速。,解：欲采用回馈制动下放该重物，定子两相应反接。,满足题意要求的机械特性:,B,A,C,0,D,1,2,n1,n,-n1,nA,nD,TB,TZ,T,smB,-Tm,Tm,sm,(1) nB = nA = 1442 r/min,(2) 转子串联电阻 R 时，TM 不变，sM(R2R) nD = ( 1sD ) n0 = ( 10.046 ) (1 500) r/min = 1 569 r/min,【例 10.4】一台绕线式异步电动机，PN=60kW, nN=577r/min, I1N=133A,I2N=160A,E2N=253V,KT=2.9, N=89%,cosN=0.77,求： （1）当电动机以转速300r/min提升TZ=0.8TN的重物时， 转子回路应串入多大电阻？ （2）当电动机以转速300r/min下放TZ=0.8TN的重物时，转子回路应串入多大电阻？ （3）当电动机以额定转速稳定运行时，突然将定子电源两相反接，要求反接瞬间制动转矩不超过2TN，转子回路应串入多大电阻？ （4）在（3）的情况下，如负载转矩TZ=0.8TN，要求下放速度为660r/min，转子电路应串入多大电阻？ 请画出对应以上各种情况的机械特性。,解：,或,（因小于s1,舍去）,（1）当电动机以转速300r/min提升TZ=0.8TN的重物时,低速电动运行,在转子回路串入的电阻为,（2）当电动机以转速300r/min下放TZ=0.8TN的重物时,低速转速反向反接制动运行,或,(因小于s2，舍去)。,在转子回路串入的电阻为,（3）在nN=577r/min时，突然将定子电源两相反接,当反接瞬间制动转矩不超过2TN时,和,电源两相反接制动,在转子回路串入的电阻为,（4）以660r/min的速度，下放TZ=0.8TN的重物时,反向回馈制动,在转子回路串入的电阻为,对应以上各种情况的机械特性,（2）,D,（4）,C,E,B,-n0,n,O,A,T,（1）,nB,nN,n0,nE,nD,TN,-0.8TN,0.8TN,（3）,（3）,三 三相异步电动机运行状态小结,在正转方向，特性1与1的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性； 在反转方向，特性2与2的第二象限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。 能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线3与3表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对应于反转。 图中特性1，2及3对应于异步电动机转子有串联电阻时，而1，2及3则对应于没有串联电阻。,第四节 根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数,1 异步电动机的技术数据,一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般可查到下列技术数据：,1）额定功率 PN （kW）； 2）额定定子线电压 U1N（V）； 3）额定定子线电流 I1N （A）； 4）额定转速nN（r/min）； 5）额定效率 h； 6）定子额定功率因数cosj1N；,7）过载倍数KT，KT=Tm/TN； 8）飞轮惯量GD2 （ Nm2 ）； 9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即 a）转子额定线电动势E2N（V）； b）转子额定线电流I2N（A）。 10）对于笼型异步电动机，没有转子数据，但给出下列两个数据 a）起动转矩倍数 Kst，Kst=Tst/TN； b）起动电流倍数KI，KI=I1st/I1N。,此外，还可能给出定子极对数p ；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为50Hz，即f=50Hz。,2 异步电动机各参数的工程计算,额定转矩TN（Nm）：,最大转矩Tm（Nm）：,绕线转子每相绕组电阻R2（W）：,电压比k：,定子D型接法,转子绕组每相电阻折算值R2（W）,定子Y型接法,定子绕组每相电阻R1,定子D型接法,定子Y型接法,临界转差率,总电抗X，X=X1+X2,定子电抗X1及转子电抗X2,转子绕组每相电阻折算值R2（W）的其它计算公式,转子绕组每相电阻折算值R2（W）的其它计算公式,忽略I0，则I2I1，起动时s11，T=Tst=KstTN， I1=Ist=KII1N，m1=3,空载电流I0,其中,励磁电抗X0,定子D型接法,定子Y型接法,解,第五节 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算,计算的方法是按已知条件，利用机械特性（一般是实用表达式）进行，计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点。,例【 10.6】,某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：,（1