第十章_三相异步电动机的电力拖动

2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,1,第 十 章 异步电动机的电力拖动,10-1 三相异步电动机的机械特性,10-2 三相异步电动机的起动,10-3 三相异步电动机的制动,10-4 三相异步电动机的调速,第 十 章 异步电动机的电力拖动,10-1 三相异步电动机的机械特性,10-2 三相异步电动机的起动,10-3 三相异步电动机的制动,10-4 三相异步电动机的调速,10-5 三相异步电动机稳态运行的计算,10-5 三相异步电动机稳态运行的计算,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,2,本章基本要求,1. 掌握三相异步电动机的机械特性。,2. 掌握三相异步电动机的起动和调速方法及其适用范围。,3. 了解三相异步电动机的制动方法。,4. 熟练掌握三相异步电动机稳态运行的计算。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,3,10-1 三相异步电动机的机械特性,（一） 物理表达式,在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩TM与转速n（或转差率s）之间的函数关系。,一、三相异步电动机机械特性的三种表达式,T = CT1 I2 cos2, 转矩常数:,在第九章中已推导出三相异步电动机转矩公式：,三相异步电动机的机械特性是指：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,4,（二） 参数表达式,三相异步电动机的机械特性,物理表达式虽然很简洁，且具有清晰的物理概念，在具体应用时由于I2和cos2都随s而变化，负载变化时1也略有变化，不能从物理表达式直接表示出电磁转矩TM随着s而变化的关系，这就要推导出电磁转矩的另一表达式即参数表达式。,由异步电动机的“”型近似等效电路可知：,而,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,5,三相异步电动机的机械特性,所以,上式表明，电磁转矩与电压、频率、参数和转差率有关，当电网电压U1和f1一定，且电机参数也可以认为不变时，则电磁转矩TM仅与转差率s有关 。,参数表示的机械特性方程式是一个二次方程式，故在某一转差率下，转矩有一最大值。,为了求得最大转矩，令,求出产生最大转矩的转差率 sm。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,6,三相异步电动机的机械特性,1. 临界转差率sm：,2. 最大转矩Tmax：,正号对应于电动机状态，而负号则适用于发电机状态，发电机状态的最大转矩比电动机的稍微大些 。,3. 结论：分析以上两式可得最大转矩随电压和电机参数而变化的规律如下：,（1）异步电动机的临界转差率sm只与电机的参数有关，而与电源电压的大小无关。,将临界转差率代入转矩参数表达式中，可得,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,7,三相异步电动机的机械特性,（2）当电源频率f1和电机参数不变时，最大转矩与电压的平方成正比；,（3）最大转矩Tmax的大小与转子回路电阻无关，但sm则与转子电阻成正比；,（4）当电源电压和电机参数一定时，最大转矩随电源频率的增加而减小。,最大转矩对电动机来说具有重要意义，代表短时过载能力。,当转子回路电阻增大时，Tmax不变，但产生最大电磁转矩的临界转差率sm将增大。,当电动机在额定负载下运行，若电压下降过多，以致最大转矩Tmax小于总制动转矩时，电机将停转。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,8,三相异步电动机的机械特性,最大转矩与额定转矩之比称为过载系数，用M表示。,对Y系列电机， M =2.02.2。,过载系数是异步电动机很重要的参数，它反映了电动机短时过载的极限。,在转矩曲线上，当n=0时的转矩称为起动转矩，它也是异步电动机的另一个重要参数。,4. 起动转矩Tst：,（1）当电源频率和电机参数不变时，起动转矩Tst与电源电压的平方成正比。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,9,三相异步电动机的机械特性,（2）当电源电压和参数一定时，漏抗愈大，则起动转矩愈小。,（3）起动转矩Tst随电源频率的提高而减小。,（4）对于绕线式异步电机，在转子回路中串入适当的电阻，可提高起动转矩，当sm=1时，起动转矩Tst达最大值等于最大转矩Tmax；对于鼠笼式异步电动机，则Tst不能用转子回路串电阻的方法改变。,起动转矩与额定转矩之比称为起动转矩倍数kstT,它反映了电动机的起动能力，显然只有当TstTz时电机才能起动起来，在额定负载下，只有kstT1的异步电动机才能起动。对Y系列电动机，kstT=1.72.2。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,10,三相异步电动机的机械特性,（三）实用表达式,由TM、Tmax及sm的表达式,经化简得,上式就是机械特性的实用表达式，只要知道Tmax及sm，便可求出TM和s的关系。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,11,三相异步电动机的机械特性,根据铭牌数据和产品目录，可求出：,当s=sN，TM=TN时，由,得出,在上式中的正负号，对电动机来说只有正号有意义，因为用负号求得的smsN。,当电动机在额定负载以下运行时，转差率s很小，则,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,12,三相异步电动机的机械特性,由上式可见，若Tmax及sm已知，当ssN时，TM与s成正比，机械特性是一条直线；上式称为机械特性的近似计算公式。,异步电动机电磁转矩的三种表示形式，也即机械特性的三种表达式，应用场合各有不同。,一般物理表达式适用于定性分析TM与1及转子电流的有功分量Icos2之间的关系；,参数表达式可以用以分析各参数变化对电机运行性能的影响；,实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,13,例： Y132M4 型三相异步电动机， PN = 7.5 kW， nN = 1440 r/min， M = 2.2。带某负载运行，转速 n = 1455 r/min，试问该电动机的负载转矩 TL 是多少？若负载转矩 TL = 45 Nm，则电动机的转速 n 是多少？,解：,= 0.1664,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,14,Tmax = M TN,= 2.249.76 Nm = 109.47 Nm,忽略 T0，则,TL = T2,当 TL = T2 = T = 45 Nm 时,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,15,n = ( 1s ) n1 = ( 10.036 )1 500 r/min = 1446 r/min,= 0.036,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,16,三相异步电动机的机械特性,二、三相异步电动机的固有特性与人为特性,异步机工作在额定电压UN和额定频率f1下，按规定的接线方法连接线，定、转子外接电阻为零时，转速与电磁转矩的关系，n=f(TM)。,（一）固有特性,电磁转矩仅与转差率s有关，其曲线如下图所示。整个机械特性可看作由两部分组成。,三相异步电动机的固有特性是指：,1. 机械特性曲线：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,17,A,0,-T,P,P,TM,n,s,Tm,sm,sm,s=0,s=1,Tmax,n1,三相异步电动机的机械特性,异步电动机的机械特性的工作部分接近于一条直线，只是在转矩接近于最大值时，弯曲较大，故一般在额定转矩以内，可看作直线。,2）P-A部分(转知矩由TmaxTst，转差率为sm1)。,这一部分随着转矩的减小，转速也减小，特性曲线为一曲线，称为机械特性的曲线部分。,Tst,N,H,TN,1）H-P部分（转矩由0-Tmax，转差率由0-sm）。,随着转矩TM的增加，转速降低，这部分称为稳定运行部分或称为工作部分。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,18,三相异步电动机的机械特性,2. 反映电动机工作的特殊点,1)理想空载点（同步转速点）H,这时n=n1，s=0，电磁转矩TM=0，转子电流I2=0，定子电流I1=I0。,2) 额定状态（N点）,额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。 N点： n = nN ， s = sN ， T = TN ，P2 = PN。 额定状态说明了电动机长期运行的能力。 TLTN，P2PN，I1IN。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,19,临界转速,3) 临界状态点P （最大转矩点）,对应 s = sm，TM = Tmax 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 M = 2 2.2 临界转差率sm,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,20,4) 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 TM = Tst， I1 = Ist,Tst 直接起动的能力。 起动条件 Tst TL。 Ist线路允许值。 起动转矩倍数,Tst,起动电流倍数,Y 系列三相异步电动机 KstT = 1.6 2.2 KstI = 5.5 8.0,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,21,例：一台三相异步电动机，已知 PN =45kW，nN =2970r/min， M =2.2，KstT =2.0；若 TL = 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）。,解：,(1) 电动机的额定转矩,由于 TNTL ，故不能带此负载长期运行。,三相异步电动机的机械特性,(2) 电动机的最大转矩,Tmax = MTN = 2.2145 Nm = 319 Nm,由于 TmaxTL ，故可以带此负载短时运行。,(3) 电动机的起动转矩,Tst = KstTTN = 2.0145 Nm = 290 Nm,由于TstTL，故可以带此负载直接起动。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,22,三相异步电动机的机械特性,（二）人为机械特性的分析,人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性。三相感应电动机的人为机械特性种类很多。,1. 降低定子电压时的人为机械特性,降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线族。,0.8UN,0.64Tst,0.64Tmax,同步转速n1与电压U1无关， TmaxU12，sm与 U1无关；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,23,若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至使电动机烧坏。如果电压降低过多，致使最大转矩Tmax小于总的负载转矩时，则会发生电动机停转事故。,当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，将使电动机转速降低，转差率增大，转子电流将因此增大，引起定子电流的增大。,2. 转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性,根据Tmax 与 r2 无关； smr2；,当 sm1时，R2Tst。 当sm = 1时，Tst = Tmax。 当 sm1，R2Tst 。,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,24,人为特性为一组通过同步点的曲线族。,三相异步电动机的机械特性,Tst2,sm2,r2+RPa2,Tst1,sm1,r2+RPa1,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,25,3. 定子串接电抗器（电阻）时的机械特性,Tmax,xst,sm,转子电路串接附加电阻，适用于绕线转子异步电动机的起动和调速。,三相异步电动机的人为机械特性的种类很多，除了上述几种外，还有改变定子极对数，改变电源频率的人为特性等。,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,26,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动 调整这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机 区别于其他动力机械的重要 特点。 如:柴油机当负载增加时， 必须由操作者加大油门， 才能带动新的负载。,a 点TL,新的平衡,a点,a,TTL0,n,I2,T,I1P1,三相异步电动机的机械特性,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,27,10-2 三相异步电动机的起动,电动机的起动指标 (1) 起动转矩足够大 Tst TL Tst (1.1 1.2) TL (2) 起动电流不超过允许范围。 异步电动机的实际起动情况 起动电流大：Ist = KstI IN = (5.58) IN 起动转矩小：Tst = KstTTN = (1.62.2) TN,异步电动机投入电网时，电动机从静止状态转动起来，然后升速达到稳定运行的转速，这个过程称为起动过程简称起动。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,28,不利影响,三相异步电动机的起动, 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。,过大的Ist使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。,一、笼型三相异步电动机的起动方法,（一）直接起动,方法简单，不需要复杂的起动设备;,起动的电流较大，一般可达额定电流的5.58倍。,直接起动特点：,为了利用直接起动的优点，现代设计的笼式异步电动机均按直接起动时的电磁力和发热来考虑它们的机械强度和热稳定性； 就电动机本身来说，笼式异步电动机都允许直接起动。,直接起动的应用主要受电网的容量限制。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,29,（二）降压起动,1. 定子串联电阻或电抗降压起动,三相异步电动机的起动,当电网容量不够大而不能采用直接起动时，可采用降压的方法来减少起动电流。,降压起动的目的：限制起动电流，通过起动设备使定子绕组承受的电压小于额定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。,电动机起动时，在定子电路中串接电阻，这样就降低了加在定子绕组上的电压，从而也就减少了起动电流。设定子绕组电压下降了k倍。,一般情况下，只要直接起动时的起动电流在电网上引起的电压降不超过1015%，就允许采用直接起动。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,30,M 3,起动,运行,三相异步电动机的起动,起动电流Ist为全压起动时起动电流Ist的1/k 。,起动转矩Tst仅为全压起动时起动转矩Tst的1/k2 。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,31,2. 自耦变压器减压起动,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,32,起动,三相异步电动机的起动,2. 自耦变压器减压起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,33,运行,三相异步电动机的起动,2. 自耦变压器减压起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,34,定子绕组电压比,定子电流比,三相异步电动机的起动,2. 自耦变压器减压起动,设自耦变压器原、副边电压之比为kA，经过自耦变压器后，加在电动机定子上的电压为U,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,35,电动机的起动电流比（副边）,电源电流比（原边）,起动转矩比,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,36,自耦变压器减压起动的电网起动电流,自耦变压器减压起动的起动转矩,降压比 kA 可调 QJ2 型三相自耦变压器： 副边的抽头电压分别为电源电压的0.55、0.64、0.73；即uA=0.55、0.64、0.73。 QJ3 型三相自耦变压器： 副边的抽头电压分别为电源电压的0.4、0.6、0.8。,三相异步电动机的起动,此时,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,37,(1) IstImax （线路中允许的最大电流）。 (2) TstTL 否则不能采用此法。 自耦变压器降压比的选择方法,自耦变压器减压起动的使用条件,三相异步电动机的起动,=uA2Ist,TL,Imax,=uA2Tst,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,38,适用于：正常运行为联结的电动机。,3. 星形三角形减压起动（Y 起动）,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,39,适用于：正常运行为联结的电动机。,3. 星形三角形减压起动（Y 起动）,Y 起动,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,40,适用于：正常运行为联结的电动机。,3. 星形三角形减压起动（Y 起动）, 运行,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,41,Y 型起动的起动电流,起动转矩比,Y型起动的起动转矩,三相异步电动机的起动,(1) IstYImax （线路中允许的最大电流）； (2) TstYTL 。 否则不能采用此法。,Y 起动的使用条件,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,42,例 ： 一台 Y250M6 型三相笼型异步电动机，UN = 380 V， 联结，PN = 37 kW， nN = 985 r/min，IN = 72 A，KstT = 1.8，KstI = 6.5。如果要求电动机起动时， 起动转矩必须大于 250 Nm，从电源取用的电流必须小于 360A。试问：(1) 能否直接起动？(2) 能否采用 Y 起动？(3) 能否采用 抽头为 80% 的自耦变压器起动？,解： (1) 能否直接起动,=,60 23.14,37103 985,直接起动时起动转矩和起动电流为,三相异步电动机的起动,Nm,Tst = KstT TN = 1.8359 Nm = 646 Nm,Ist = KstI IN = 6.572 A = 468 A,虽然Tst250 Nm，但Ist360 A，故不能直接起动。,= 359 Nm,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,43,(2) 能否采用 Y 起动,虽然 IstY360 A，但TstY250 Nm，所以不能采用 Y 起动。,三相异步电动机的起动,由于 Tst 250 Nm，而且 Ist360 A， 所以能采用 uA = 0.8 的自耦变压器起动。,(3) 能否采用 抽头为 80% 的自耦变压器起动 Tst= uA2Tst = 0.82646 Nm = 413 Nm Ist= uA2Ist = 0.82468 A = 300 A,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,44,（三）改善起动性能的三相笼型异步电动机,三相异步电动机的起动,为了解决这一矛盾，可从鼠笼式电动机的转子槽形着手，设法利用集肤效应，来达到起动时转子电阻较大而正常运行时转子电阻自动减小的要求。,采用降压起动时，虽然可减小起动电流，但起动转矩也相应减小。,为了增大起动转矩，减小起动电流，可适当增加转子电阻。,具有这种起动性能的笼式异步电动机就是深槽式和双鼠笼式异步电动机。,但转子电阻大，运行时pcu2大，效率低。,当采用直接起动时，起动电流较大；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,45,1. 深槽异步电动机 槽深 h 与槽宽 b 之比为：h / b = 8 12,漏电抗小 漏电抗大,增大 电流密度,起动时，f2 高， 漏电抗大，电流的集 肤效应使导条的等效 面积减小，即 r2 ， 使 Tst 。 运行时， f2 很低， 漏电抗很小，集肤效 应消失， r2 。,三相异步电动机的起动,在相同电势的作用下，导体中靠近槽底的电流密度很小而越靠近槽口则越大，这种现象就称为电流的集肤效应。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,46,2. 双笼型异步电动机,电阻大 漏抗小 电阻小 漏抗大,上笼 （外笼） 下笼 （内笼）,起动时， f2 高， 漏抗大，起主要作用， I2 主要集中在外笼， 外笼 r2 大 Tst 大。 外笼 起动笼。 运行时， f2 很低 ， 漏抗很小，r2 起主要作用， I2 主要集中在内笼。 内笼 工作笼。,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,47,三相异步电动机的起动,改变内外笼的几何尺寸、所用的材料以及上下笼之间的缝隙尺寸而灵活地改变内外笼的参数（内外笼间的缝隙是必须有的），从而得到各种不同的转矩特性，以满足不同负载的需要，这是双鼠笼异步电动机的一个突出优点。,双鼠笼式电动机的电磁转矩可看成是由起动笼和运行笼共同产生的，这时双鼠笼电动机具有较大的起动转矩，可带较大负载起动；,同时在额定负载下运行时也有较高的转速（即有较小的转差率）因而有较好的运行性能。,由于深槽式和双鼠笼的转子漏抗较普通鼠笼的大，所以双鼠笼和深槽式电动机的功率因数和最大转矩比普通鼠笼式电动机稍小些，且两种电动机制造工艺复杂价格高。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,48,1. 起动过程,（一） 转子电路串联电阻分级起动,串联 Rst1 和 Rst2 起动（特性 a） 总电阻 R22 = r2 + Rst1+ Rst2,n1,a (R22),Tst2,a1,a2,Tst1,切除 Rst2,三相异步电动机的起动,二、绕线型三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,49,1. 起动过程,b (R21),b1,b2, 合上 S2 ，切除 Rst2（特性 b） 总电阻 R21 = r2+ Rst1,（一） 转子回路串联电阻分级起动,切除 Rst1,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,50, 合上 S1 ，切除 Rst1（特性 c） 总电阻: r2,1. 转子回路串联电阻分级起动,c (r2),c1,c2,1. 起动过程,p,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,51,2. 起动电阻的计算,三相异步电动机的起动,(1)机械特性的线性化,异步电动机的机械特性是非线性的，它的方程式近似为,当电动机工作时，一般在额定负载以下运行，转差率ssm，上式可表示为,机械特性近似是一条直线。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,52,三相异步电动机的起动,在同一机械特性曲线上（ R2总=C，即sm=C）时，TMs。,而当转速n=C（s=C）时，则,因为smR2总,所以,当电源电压、电机极数及电机中各参数一定时，转矩TM=C，由电磁转矩的参数表达式，可得,所以R2总s,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,53,(2)起动级数未定时起动电阻的计算, 选择 Tst1 和 Tst2 起动转矩： Tst1 = (0.8 0.9) Tmax 切换转矩： Tst2 = (1.1 1.2) TL 起切转矩比 , 求出起动级数 m 根据相似三角形的几何关系来推导。,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,54,同理对a2和b1点，可得：,令,三相异步电动机的起动,对b2和c1点，转速相同，由机械特性的线性化条件得,则,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,55,因此有下面的关系,R21 =r2 R22 =R21 =2r2 对于 m 级起动，有 R2m = mr2,三相异步电动机的起动,从曲线上可见：固有机械特性和转子电阻为最大时的人为机械特性（在上图中转子电阻为R22）中的a1、c1两点，由线性化条件 （Tst1=C）得,式中 R2m = r2Rst1Rst2 Rstm 于是得到下式：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,56,对于 m 级起动，则有,在固有特性 c 上，由线性化条件（ TMs ），则有,因此可得, 重新计算 ，校验是否在规定范围内。,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,57, 求转子每相绕组的电阻 r2, 计算各级总电阻和各级分段起动电阻 R21 =r2 R22 =R21 =2r2 R2m = R2(m1) =m r2,Rst1 = R21r2 Rst2 = R22R21 Rstm = R2mR2(m1),三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,58, Tst1 = (0.8 0.9) Tmax ,，验算： Tst2 = (1.1 1.2) TL ， 若不满足，重新调整，直到满足要求。 计算各级总电阻和各级起动电阻。,三相异步电动机的起动,(3) 起动级数已定时起动电阻的计算,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,59,例 ：JR414 型三相绕线型异步电动机拖动某生产机械。已知电动机的 PN = 40 kW，nN = 1435 r/min，M = 2.6， U2N = 290 V， I2N = 86 A。已知起动时的负载转矩 TL = 200 Nm ，采用转子电路串电阻起动。起动级数初步定为三级。求各级应串联的起动电阻。,解： (1) 选择起动转矩 Tst1,Tmax = M TN = 2.6266.32 Nm = 692.43 Nm Tst1 = ( 0.8 0.9 )Tmax = ( 553.94 623.19 ) Nm 取 Tst1 = 580 Nm,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,60,(2) 求出起切转矩比 ,由于 Tst2(1.11.2)TL，所以所选 m 和合适。 (4) 求出转子每相绕组电阻 r2,三相异步电动机的起动,(3) 求出切换转矩 Tst2,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,61,Rst3 = R23R22,= 2.20.408 = 0.899 ,= (0.8990.408) = 0.491 ,三相异步电动机的起动,(5) 求出各级总电阻,R21 =r2,= 2.20.0843 = 0.186 ,R22 =R21,= 2.20.0186 = 0.408 ,R23 =R22,= (0.1860.0843) = 0.102 ,(6) 求出各级分段起动电阻,Rst1 = R21r2,Rst2 = R22R21,= (0.4080.186) = 0.222 ,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,62,频敏变阻器 频率高：损耗大，电阻大。 频率低：损耗小，电阻小。 转子电路起动时 f2 高，电阻大， Tst 大， Ist 小。 转子电路正常运行时 f2 低，电阻小， 自动切除变阻器。,（二） 绕线型异步电动机转子电路串频敏变阻器起动,频敏变阻器,三相异步电动机的起动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,63,10-3 三相异步电动机的制动,一、能耗制动 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,TM,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,64,2. 能耗制动时的机械特性,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。 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。,I1“,I1,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,65,3. 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 Rz,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。,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,66,4. 能耗制动运行 下放重物,a,(T0，制动开始),b,c,c 点(T = TL),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。,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,67,二、反接制动,1. 定子两相的反接制动, 迅速停车,制动前的电路,制动时的电路, 制动原理,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,68,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n1 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。 到 c 点时，若未切断电源， M 将可能反向起动。,d,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,69,取决于 Rz 的大小。, 制动效果, 制动时的功率,0,PCu2 = m1(r2Rz ) I22 = PMP = PM|P|,0,P = (1s ) PM,三相电能,电磁功率PM,转子,机械功率P,定子,转子电阻消耗掉,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,70,2. 转子倒拉反接制动,下放重物,b,c,a,d, 制动原理 定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rz。,d 点( nd0，Td = TL ),制动运 行状态, 制动效果 改变 Rz 的大小， 改变特性 2 的斜率，,改变 nd 。,低速提 升重物,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,71, 制动时的功率,第四象限：,1 (n0),0,pCu2 = m1(r2Rz ) I22 = PMP = PM|P|,0,P = (1s ) PM, 定子输入电功率, 轴上输入机械功率 （位能负载的位能）, 电功率与机械功率均 消耗在转子电路中。,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,72,三、回馈制动,特点：| n | | n1 |，s0。 电机处于发电机状态。 1. 调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,a,b,c,d,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,73,2. 下放重物时的回馈制动,b,a,c,正向电动,反接制动,d,回馈制动,反向电动,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,74,0 (nn1) 0 定子发出电功率，向电源回馈电能。 0 轴上输入机械功率(位能负载的位能)。 PCu2 = PMP |PM | = |P|PCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,制动时的功率,第四象限：,P= (1s ) PM,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,75,制动效果,Rz 下放速度 。 为了避免危险的高速， 一般不串联 Rz。,三相异步电动机的制动,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,76,10-4 三相异步电动机的调速,要求电动机具有几种转速； 在一定的范围内可以连续调速；,调速的方法：由转速公式,改变定子绕组的外加电阻或电抗；,（1）改变定子绕组的极对数p，称为变极调速；,（2）改变电源的频率f1，以改变n1进行调速，称为变频调速。,（3）改变电动机的转差率；,改变定子绕组的端电压；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,77,三相异步电动机的调速,转子回路加电阻或电抗；,转子回路引进f2sf1的外加电势。,一、变极调速,在电源频率f1不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同步转速n1就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就降低一半，电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调节。,2. 改变电动机的极数方法,1. 调速原理,定子铁心槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组,不用,改变定子绕组的接法,称为多速电动机,常用,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,78,三相异步电动机的调速,多速电动机均采用笼型转子，转子的极数能自动地与定子极数相适应。,单绕组双速电机原理： A1X1和A2X2串联形成四极磁场； A1X1和A2X2串联， A2X2反向， 形成两极磁场。,3. 单绕组变极调速的基本原理,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,79,(a) p = 2,S N N S,N S,(b) p = 1,三相异步电动机的调速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,80,反向法：仅在每相内部改变所属线圈的联接方法的变极法。,三相异步电动机的调速,一般变极时均采用这种方法。,采用“反向法”变极时，每相分成两半，每半称为“半相绕组”，每相的两个半相绕组可以采用串联或并联两种不同的连接法。,这样三相之间一般可采用单Y（每相一条支路）、双Y（每相两条支路）和（每相一条支路）的两种接法。见下图。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,81,(b) YY(p ),(a) Y(2p ),(c) (2p ),定子绕组常用的接法,三相异步电动机的调速,p210图10-37 10-38,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,82,三相异步电动机的调速,4. 变极前后功率和转矩关系,假设电网电压为U1，变极后若保持每条支路不变为INC，并假定在不同的极数下与cos1均保持不变,变极前线电流等于相电流，线电压为相电压的 倍,(1)Y/YY接法,输出功率关系：变极前相电流等于支路电流，功率为,变极后，相电流为IN=2INC，功率为,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,83,三相异步电动机的调速,变极前后输出功率比,由Y改成YY后，电机的输出功率增加一倍（多极变少极时）,转矩关系：p由多极变少极时，n增加一倍，则,转矩不变，这种变极调速方法适用于恒转矩负载。,(2)/YY接法：,变极前定子绕组接成“”，变极后接成YY形。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,84,三相异步电动机的调速,对三角形接法；U1=Up，IN=INC（只有一条支路）,功率关系：,功率比：,上式说明/YY接法变极前后功率变化很小。,转矩关系,由于功率变化很小，而转速因极对数减一倍而增加一倍，所以转矩几乎减少一半，因此这种调速方法适用于恒功率负载。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,85,5. 倍极比和非倍极比电机,调速的平滑性差，但具有较硬的机械特性，稳定性较好，对于不需要无极调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等，多速发动机得到广泛应用。,电动机若变极前后的极数比为整数，如如4极变8极，4极变2极等，否则就称为非倍极比，如4极变6极。,一般来说倍极比电机，变极后绕组的相序发生变化，为使电机转向不变，则在绕组改接时，应把接到电动机的三根电源线任意对调两根；,对非倍极比，绕组的相序可变，也可能不变，若相序改变，也应对调两根电源线。,6. 变极调速的特点,三相异步电动机的调速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,86,例：某三相多速电动机，PN = 2.2/3.8 kW，nN = 1440/2880 r/min， M = 2.0/2.0。拖动TL = 10 Nm 的恒转矩负载。求在两种不同极对数时的转速。,解： (1) p = 2 时,三相异步电动机的调速,Tmax = M TN = 214.6 Nm = 29.2 Nm,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,87,n = ( 1s ) n1 = ( 10.0263 ) 1500 r/min = 1460.55 r/min (2) p = 1 时,三相异步电动机的调速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,88,Tmax = M TN = 212.61 Nm = 25.22 Nm,n = ( 1s ) n1 = ( 10.0308 ) 3000 r/min = 2907.6 r/min,三相异步电动机的调速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,89,二、变频调速,三相异步电动机的调速,改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的。,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,90,三相异步电动机的调速,考虑到电动机的运行性能，并使其得到充分利用。,1. 调速前后气隙磁通1维持额定值不变：,若要使1为定值，则U1必须随频率的变化作正比变化，即,式中加“”的表示变频后的量。,（一）变频调速时电压的调节,由U1E1=4.44f1W1kw11，可知,2. 为了保证电动机运行的稳定性，希望变频调速时，电动机的过载能力不变：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,91,为了保证变频前后M不变，要求,这时既保证了电动机的过载能力M不变，同时又满足1=定值的要求，这说明变频调速适用于恒转矩负载。,(1)调速时负载转矩不变，此时TN=TN，由 式可得,三相异步电动机的调速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,92,三相异步电动机的调速,(2)调速时负载功率不变，此时,所以,于是,即加在电动机上的电压必须随频率的开方成正比地变化。,对恒功率负载采用变频调速时，若满足上式，则电动机的过载能力不变，但1将发生变化。,若满足1不变，但过载能力将发生变化。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,93,（二）变频调速时的人为机械特性,三相异步电动机的调速,1. 最大转矩：,当频率较高时，可忽略定子电阻r1，则,Tmax基本上不变。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,94,三相异步电动机的调速,当f1较低，r1的影响不能忽略时Tmax逐渐减少，若要避免Tmax过小，必须在低速时适当地提高电压。,2. 临界转差率sm：,同样当f1较高时，忽略r1，则,在运行段的斜率（设在该区域机械特性为直线）的转速降为,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,95,三相异步电动机的调速,说明机械特性在线性区的斜率基本上是相同的，机械特性曲线平行地上下移动。,下图为不同频率时的机械特性。其中,受定子电阻r1的影响，随着频率的降低，最大转矩略有减小；,频率很低时(如图中的f15、f16)，Tmax降得很多。,为了保证电动机在低速时有足够大小的Tmax