三相异步电动机的机械特性

第六章 三相异步电动机的电力拖动6-1 三相异步电动机的机械特性机械特性是指电动机转速n与转矩T之间的关系，一般用曲线表示。欲求机械特性，先求T与n的数学关系式，称为机械特性表达式。有三种表达式：一。三相异步电动机机械特性的三种表达式（一） 物理表达式此式清楚表明了T和 、cos 之间的关系，虽然 、cos 与n密切有关，但不能清楚反映T与n的关系。（二） 参数表达式电磁转矩由异步电动机的近似等效电路，得代入T的公式，即得参数表达式考虑到n=(1s)n0， ，即可由此式绘出异步电动机的机械特性曲线n=f(T)，如图61所示。 机械特性的参数表达式为二次方程，电磁转矩必有最大值，称为最大转矩Tm。 将表达式对s求导，并令 ，可求出产生最大转矩Tm时的转差率Sm 图61机械特性曲线Sm称为临界转差率。代入T的公式则可得Tm的公式式中正号对应于电动机状态，负号适用于发电机状态。 一般 ，故可得近似公式 可见：（1）当电动机参数和电源频率不变时，Tm ，而Sm与UX无关； （2）当电源电压和频率不变时，Sm和Tm近似与（X1 ）成反比； （3）增大转子回路电阻 ，只能使Sm相应增大，而Tm保持不变。 最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，也称过载能力，用KT表示：一般异步电动机KT1.83.0。对于起重冶金机械用的电动机，可达3.5。 异步电动机起动时，n0，s1，代入参数表达式，可得起动转矩的公式由此式可知，对绕线式异步电动机，转子回路串接适当大小的附加电阻，能加大起动转矩Tst，从而改善起动性能。对于鼠笼式电动机，不能用转子串电阻的方法改善起动转矩，在设计电动机时就要根据不同负载的起动要求来考虑起动转矩的大小。起动转矩Tst与额定转矩TN之比，称为起动转矩倍数Kst：Kst 一般电动机Kst1.02.0，对于起重冶金机械用的电动机为2.84.0。（三）实用表达式参数表达式在理论分析时很有用，但定、转子参数在产品目录中找不到，使用起来不方便。为此，还需导出便于用户实用的实用表达式。将T的公式与Tm的公式相除，并加以整理化简，可得如果忽略R1，得上式的Tm及Sm可由电动机产品目录查得的数据求得，故称实用表达式。只要求得Tm和Sm，就可得到T与s（n）的关系曲线。Tm与Sm的求法如下：， ， 机械特性的三种表达式，应用场合个有不同。物理表达式适用于定性分析T与 及 之间的物理关系；西安市表达式适用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用于 机械特性的工程计算。二、相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性（一） 固有机械特性定义：在额定电压和额定频率下。电动机按规定的接线，定子及转子电路不外参数时机械特性曲线nf（T）。为描述固有机械特性，下面着重分析几个特殊运行点：（1） 起动点A特点是 n0（s1）；TTst。（2） 额定工作点特点是 nnN (s=sN)； T=TN （3） 同步转速点H特点是 nn0（速0）； T0；I1I0。是电动机状态与回馈制动状态的转折点。（4） 最大转矩点a、 电动状态最大转矩点P： TTm、ssm。b、 回馈制动状态最大转矩点 ：T= , s= （均为负值），不忽略R1时， 、 。（二） 人为机械特性固有机械特性的条件中有一条不满足时，得到的机械特性就为人为机械特性。1降低电压Uxn0不变，Tm与Tst均为 成正比，sm与Ux无关。为此可得降低Ux时的人为机械特性。图63中绘出了UxUN、0.8UN、0.5UN时的人为特性。如果负载转矩接近额定时，长期低压运行，会使电动机过热损坏。2转子回路串对称电阻n0不变，Tm不变，sm则随串接电阻 的增大而增大，Tst也随之增大。当 增至 时sm1，TstTm，如 继续增大，则Tst开始反而减小。如图64所示。 3定子电路串联对称电抗定子电路串联对称电抗Xst时，n0不变，Tm、Tst及sm将随Xst的曾大而减小。特性如图65所示。一般用于笼型异步电动机的降压起动。4定子电路串联对称电阻定子电路串联对称电阻Rf，与串Xst相似，n0不变，Tm、Tst及sm将随Rf的曾大而减小。特性如图66所示。也用于笼型异步电动机的降压起动。62 三相异步电动机的起动一、三相笼型异步电动机的起动方法1直接起动方法：通过把三相闸刀或磁力起动器，直接接通额定电压的电路。性能：Tst（1.02.0）TNj 或 (2.84.0) TN0 ； Ist（47）IN。特点：设备简单，操作方便，Tst较大，Ist很大。适用场合：适用于相对电源变压器容量较小的电动机，一般7.5kW以下的电动机可以直接起动，7.5kW以上电源容量满足下述条件的也可以直接起动，公式为不能满足上述条件或起动频繁的电动机，应采用降压起动，将起动电流限制到允许的数值。2降压起动起动时，设法降低加到定子上去的电压，待电机转速上升达一定值时，再加全电压。起动电流减小，起动转矩也随之减小。（1）定子串电阻或电抗降压起动方法：如图67和68所示。 性能：Ist与Ux成正比，Tst与 成正比减小。特点：设备简单，运行可靠，串电抗时能量损耗小，串电阻时转子电路功率因数高，Tst比Ist减小得更多。适用场合：适用于空载或载轻起动的电动机。（2）自耦补偿起动（自耦变压器降压起动）方法：起动线路如图69所示。性能： ， 特点：Tst和Ist降低的倍数相同，Tst和Ist可调（一般 有40、60、和80三档或55、64和73）可带较重负载起动，但设备复杂，维护麻烦，体积大，重量重，价格高。适用场合：适用于容量较大带较重负载起动且不频繁的场合。（3）星三角（Y）起动方法：起动线路如图610所示。性能： ， 。特点：设备简单、体积小、重量轻、无损耗、运行可靠、维护简单、起动电流小，但起动转矩小，且只能用于正常运行时为接法的电动机。适用场合：适用于空载起动且正常运行时为接法的电动机。（4）延边三角形起动方法：如图611所示。性能：如果每相绕组抽头在中点，Ist0.5Ist，Tst0.5Tst;如果Y接匝数为接匝数的 ，则Ist=0.6Ist ，Tst0.6Tst.特点：设备简单，体积小，重量轻，能带较重负载，允许经常起动，只是电动机需专门设计、订货。适用场合：带较重负载起动时取代自耦降压起动。二、三相绕线型异步电动机的起动方法（一）转子回路串电阻起动方法：如图612所示。性能：Ist且Tst。特点：电动机结构复杂，起动方法比较简单，起动电流Ist小，起动转矩Tst大。适用场合：适用于功率较大重载起动的电动机。（二）转子串联频敏变阻器起动方法：频敏变阻器的结构和工作原理。性能：随着n的上升，频敏变阻器的等效电阻逐步下降，相当于转子电路串接电阻随n的上升自动相应减小，以使起动过程中，起动转矩大且较稳定，起动过程快且平稳。特点：结构简单、价格便宜、起动性能好、便于自动操作，Ist和Tst可调。适用场合：适用于频繁起动的绕线型异步电动机。三、改善起动性能的三相异步电动机改善笼型异步电动机转子槽型，利用“集肤效应”，从而改善起动性能。（一）深槽式异步电动机结构特点：槽深h与槽宽b之比 。（普通电机 ）。工作原理：如图613所示，根据槽漏磁通的分布，可见槽下部导体所链漏磁通比上部导体大，漏电抗较大，电流密度小，上部导体的电流密度大。如b）图分布，这一效应称为集肤效应。使转子导体有效截面减小，电阻较大，从而改善起动性能。随着n的上升，转子电路的频率f2下降，集肤效应逐步减小，相当于电阻逐步下降，正常运行时，基本不会影响电动机的性能。（二）双笼型异步电动机结构特点：如图614所示，转子上有两套鼠笼，即上笼和下笼，上笼截面效且用电阻系数较大的材料，所以电阻大，电抗小，下笼则相反，电阻小而电抗大。工作原理：起动时，转子电路频率高，下笼电抗大，通过的电流小，大部分电流流过上笼，上笼电阻大，使Ist且Tst，而档电动机城市运行时，转子电路频率低，电抗小，电流分配由电阻决定，电流主要流过下笼，电阻小，不影响运行性能。也可分别考虑上、下笼受磁场作用产生的机械特性，然后叠加，如图615所示，可见双笼型电动机起动过程中，转矩较大且基本稳定，因而起动快而平稳。以上两种电动机，起动性能优于普通笼型电动机，但转子漏抗较大，cos 及Tm稍低，且结构较复杂，用材较高。一般用于要求起动转矩较普通笼型电动机稍高的场合。63 三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式可见，三相异步电动机的调速方法，可有改变极对数p（变极调速）、改变频率f1（变频调速）和改变s（改变转差率调速）三种。一、变极调速方法：改变定子绕组接法将每相定子绕组分成两个“半相绕组”，改变它们之间的接法，使且中一个“半相绕组”中的电流反向。极对数就成倍改变。如图616所示，a）图为4极，b）和c）图变为2极。三相绕组同时改接。但要注意，极数成倍变化时，必须同时改变出线端的相序（如将V、W对调）。例如极对数由p变为2p时，V相绕组与U相的相位差变为2400，W相与U相差 ，相当于1200，如果不改变电源相序，电动机将反转。另外，由于绕线式转子绕组不易改变极对数而笼型转子绕阻的极对数总与定子绕组的极对数相同，所以变频调速只能用于笼型异步电动机。三相异步电动机变极调速的典型线路有YYY和-YY两种。Y变极调速绕组改变接方法如图617 a）所示，机械特性如图618a） 所示，YY接时理想空载转速（同步转速）为2n0，最大转矩 Y接时的同步转速为n0，最大转矩可见 TmYY2TmY YYY变极调速的容许输出：Y接容许输出功率和容许输出转矩分别为YY接容许输出功率和容许输出转矩分别为可见Y 变频调速方法属于恒转矩调速方式。YY变极调速绕组改接方法如图617 b）所示。接时的最大转矩故YY变极调速的机械特性如图618 b)所示。接时的容许输出功率可见YY变极调速方法近似为恒功率调速方法。优缺点及适用场合。二、变频调速改变f1，即改变n0，从而调节n 。变频调速时，一般希望磁通 保持不变。因为 或 都不利。根据为使 保持不变，就要保持 为定值，即改变f1的同时按比例改变UX，这时电动机容许输出的转矩不变，为恒转矩调速方式。一般在额定频率往下调时，采取这种调速方式。但从额定频率往上调时，电压不容许按比例上升而只能保持额定，此时，f1越高， 越弱，容许输出的转矩越小，而输出转速越高，为恒功率调速方式。变频电源采用电力电子器件变频装置。变频调速的调速性能最好，只是目前装置价格较高，随着电子技术的不断发展，变频调速的应用将越来越广。三、转子回路电阻调速方法：转子回路串接对称电阻，由于转子电流较大，所以电阻级数少，调节所串电阻 ，即可调节转速。原理：可由转子串电阻时的机械特性理解。调速的物理过程如下：串 或 时， ， ， ， ， ， ， 回升，T回升至TZ时。电动机恢复稳定运行。属改变转差率s调速。优缺点：设备简单，初投资低，操着方便，有级调速，调速范围受允许静差率限制，只能达到23。损耗大，效率低。适用场合：一般用于功率不大的恒转矩负载，如起重机械，也可用于通风机负载。四、滑差电机（电磁调速异步电动机）滑差电机由三部分组成：普通笼型异步电动机、滑差离合器和励磁调节装置。电磁滑差离合器又称为转差离合器，示意图如图619所示，一般由主动与从动两个基本部分组成。图中1为主动部分，由笼型异步电动机带动，以恒速旋转，为一铁磁性材料制成的圆筒，称为电枢；2为从动部分，称为磁极，套有励磁绕组3，绕组通过集电环通以直流励磁电流。 工作原理：励磁绕组通以直流电流，建立磁场，异步电动机带动电枢旋转时，电枢切割磁场，感应电势，其大小在此感应电动势作用下，电枢内出现涡流，方向路径如图620所示，其大小式中 ZP个极下的等效阻抗。电枢受到的电磁力产生的转矩此转矩带动从动部分和输出机械沿电枢的转向旋转。由上式可见，当T一定时，欲调节从动部分的转速（输出转速），最有效的方法是改变B，亦即调节励磁电流的大小。滑差离合器输出转速的近似公式为式中 n1离合器主动部分的转速； n2离合器从动部分的转速； T离合器转矩； K与离合器有关的系数； IB励磁电流。 滑差离合器的机械特性nf（T） 如图621所示。五、串级调速转子电路串电阻调速，能量消耗大，不经济。转子电路的损耗为sPem称为转差功率。为使调速时这转差功率大部分能回收利用，可采用串级调速方法。所谓串级调速，就是在绕线型异步电动机转子电路中串入一个与 频率相同而相位相同或相反的附加电动势 ，通过改变 的大小来实现调速，其原理如下：当 0时。转子电流为与 相位相反时，转子电流为使转子电流I2 ，电磁转矩TGJ ，TTZ，n ，s ，sE2 ，I2 ，T回升至TZ稳定运行。称为低同步串级调速。与 相位相同时，同样分析方法可知转速可以上调，称为超同步串级调速，由于实现起来比较困难，一般只采用低同步串级调速。由于电力电子技术的发展，近代大都采用晶闸管串级调速系统，其原理线路图如图622所示。机械特性如图623所示。串级调速的效率高，平滑性好，设备比变频调速简单，特别时调速范围较小时更为经济，缺点是功率因数较低。64 三相异步电动机的制动三相异步电动机通常工作在电动运转状态，把电能转换为机械能，转速n与转矩T同向，机械特性位于第或第象限。但也可工作于制动状态，这时n与T的方向相反，把机械能变成电能消耗掉或返回电网。和直流电动机一样，异步电动机的制动亦分三类四种。一、能耗制动方法：如图624 a）所示。将1K断开，2K接通，亦即让电动机从三相电源断开，定子绕组通入一定大小的励磁电流。工作原理：转子由于惯性，继续旋转时，转子绕组切割定子绕组产生的恒定磁场，感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用。产生与转向相反的转矩，电动机进入制动状态。随着转速的降低，制动转矩亦随之减少，到n0时，T0，