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电机与拖动第七章第七章 第一节 三相异步电动机的电力拖动 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之 间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系， 间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所 表示。 以异步电动机的机械特性通常用 Te = f (S ) 表示。 一、机械特性的三种表达式 （一）物理表达式 I = 2 E2 ( R / s) + X 2 2 2 cos ? 2 = R2 / s ( R2 / s ) 2 + X 2 随电机转差率S 随电机转差率S变化 （二）参数表达式 根据异步机的简化等效电路， 根据异步机的简化等效电路，可得 I2 = U1 2 ? R ? ? R1 + ? + ( X 1 + X 2 ) s ? ? 2 2 代入上式得 2 固定 U1 、 f1 时 称为 T ? s 曲线 （1）额定工作点B 额定工作点B 可以将之间的关系画成曲线， 可以将之间的关系画成曲线， s = sN n = nN I1 = I1N 3 起动点A （2） 起动点A 3U12 R2 Tst = 2 2 2 f1 ( R1 + R2 ) + ( X 1 + X 2 ) p 起动转矩倍数： 起动转矩倍数： 理想空载转速点H （3） 理想空载转速点H Tst K st = TN 转速n = n0 ( s = 0)，电磁转矩Te = 0， 转子电流I 2 = 0，定子电流I1 = I10， 4 最大转矩点P （4） 最大转矩点P dTe = 0求得Te = Tm时的转差率S m dS sm = Tm = R 2 R12 + ( X 1 + X 2 ) 2 3 pU 2 1 4 f1 ? R1 + R12 + ( X 1 + X 2 ) 2 ? ? ? 转矩过载系数： 转矩过载系数： Tm KT = TN 5 （三）实用表达式 s 将式 m = R2 1 R12 + ( X 1 + X 2 ) 2 代入上式得: 代入上式得: 6 在将式 sm = R2 1 R + ( X 1 + X ) 2 1 2 2 代入上式并简化得: 代入上式并简化得: 忽略 2 sm R1 简化： R2 简化： 7 二、固有机械特性 三相异步电动机在额定电压、额定频率不变， 三相异步电动机在额定电压、额定频率不变，定、转子回 路不接入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。 路不接入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。 8 三、人为机械特性 （一）改变定子电压的人为机械特性 60 f1 n0 = 与电压U1无关； p R2 R12 + ( X 1 + X 2 ) 2 sm = 9 （二）定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性 10 (三) 定子电路串联对称电抗 11 （四）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性 12 第二节 三相异步电动机的启动 一、异步电动机的启动性能 1生产机械对电动机启动的主要要求 有足够大的启动转矩， （1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动 （2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。 在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。 （3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对 要求启动平滑，即要求启动时加速平滑， 生产机械的冲击。 生产机械的冲击。 （4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。 启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。 （5）启动过程中的功率损耗越小越好。 启动过程中的功率损耗越小越好。 13 2异步电动机的启动特性 （1）启动电流大： 启动电流大： 一般启动电流I 可达额定电流I 一般启动电流Ist 可达额定电流IN 双笼异步电动 机的机械特性 的57倍； （2）启动转矩小： 启动转矩小： 一般T 一般Tst = (0.8 - 1.5)TN 。 14 7.5kW 二、三相笼型异步电动机的启动 （一）直接起动 直接起动的方法就是将额定电源电压直接接到笼型异步电 动机的定子绕组上。 动机的定子绕组上。 I st = K I I1N = ( 5 7 ) I1N 异步电动机直接起动时对电网的影响还取决于供电电网容量 的大小。 以下的小功率电动机中使用。 的大小。一般直接起动只能在 7.5kW 以下的小功率电动机中使用。 7.5kW 可用下面经验公式计算起动电流 当电动机功率大于 时， 倍数是否满足直接起动的要求， 倍数是否满足直接起动的要求，即 I st 1 ? 电源总容量（KV ? A)? KI = ?3 + I1N 4 ? 起动电机功率（KW)? ? 15 （二）降压启动 1. 星-三角形启动 （Y） 在正常运行时是接成 在正常运行时是接成形 16 I stY I p? / 3 1 = = I st ? 3 3I p? 2.自耦变压器降压启动 2.自耦变压器降压启动 即 I stY 1 = I st ? 3 17 自耦变压器从电网汲取的电流： 自耦变压器从电网汲取的电流： U1 W1 ? 1 ? ? 1 ? I1 = ? 其中： ? I2 = ? ? I st 其中： U = W = K A KA ? KA ? 2 2 ? ? 电压降低到： 电压降低到：U = ? 1 ? U ? ? 1 2 KA ? ? 起动转矩降低到： 起动转矩降低到： 2 1 ? T =? ? Tst ? KA ? st 2 自耦变压器二次侧一般有三个抽头，分别为一次侧电压的 自耦变压器二次侧一般有三个抽头， 40%, 60% 和 80% 即： W2 1 = = 80% W1 K A 18 三、转子回路串电阻启动 在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流， 在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又 能增大起动转矩。 能增大起动转矩。 为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑， 为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回 路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高， 路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起 动电阻。 动电阻。 绕线式异步电机可以采用转子电路串接三相对称电阻或 频敏变阻器的起动方法， 频敏变阻器的起动方法，这种起动方法不仅可以减小起动 电流，还可以增加起动转矩，使起动性能大为改善， 电流，还可以增加起动转矩，使起动性能大为改善，这是 笼型异步电动机所不具有的特点。 笼型异步电动机所不具有的特点。下面介绍绕线式异步电 机的这两种起动方法。 机的这两种起动方法。 （一）转子串电阻分级起动 在绕线式异步电机转子回路串多级电阻， 在绕线式异步电机转子回路串多级电阻，起动时逐级 切除转子串接电阻的起动过程。 切除转子串接电阻的起动过程。 19 Tst1 = Tm TN Tst1 = (1.5 ? 2)TN Tst 2 = (1.1 ? 1.2)TN 20 （二）转子回路串频敏变阻器起动 把频敏变阻器接入电动机转子绕组回路， 把频敏变阻器接入电动机转子绕组回路，用来起动绕线式异 步电动机，可以获得无级起动的效果。 步电动机，可以获得无级起动的效果。 与铁心绕组电流频率的平方成正比。 铁心等效电阻 Rm 与铁心绕组电流频率的平方成正比。 f 2 = sf1 = Hz 21 第三节 三相异步电动机的电气制动 阻止电动机转动,使之减速或停车的措施称为制动。 阻止电动机转动,使之减速或停车的措施称为制动。 电气制动有以下几种方式: 电气制动有以下几种方式: 一、能耗制动 22 能耗制动时的机械特性为 R2 2 2 R2 3I 2 3I1 X m PM S = S Te = = R2 2 ?1 ?1 ) 2 ?1( ) + ( X m + X 2 S 2 23 二. 反接制动 当异步电动机带动负载稳定运行在电动状态时，突然改变 当异步电动机带动负载稳定运行在电动状态时， 定子电源相序，使异步电机的旋转磁场瞬间与转速相反， 定子电源相序，使异步电机的旋转磁场瞬间与转速相反，电 动机便进入了反接制动状态。 动机便进入了反接制动状态。 对于绕线式异步电机， 对于绕线式异步电机，为了限制反接制动时过大的电流冲 电源相序反接的同时在转子电路中串接较大电阻， 击，电源相序反接的同时在转子电路中串接较大电阻，对于 笼型异步电机可在定子回路中串入电阻。 笼型异步电机可在定子回路中串入电阻。 24 1、反抗性负载 当： 当： TL ?Tc 异步电机将准确停车在C点 异步电机将准确停车在C 异步电机将准确停车在D ?TL ?Tc 异步电机将准确停车在D点 2、位能性负载 当异步电机拖动位能性负载反接制动到C点时， 当异步电机拖动位能性负载反接制动到C点时，运 最后稳定运行到E 行点沿曲线2 行点沿曲线2从 B C D ?n1 E 最后稳定运行到E点 异步电机工作在反向回馈制动状态。 异步电机工作在反向回馈制动状态。关于回馈制动状 态要在后面专题分析。 态要在后面专题分析。 25 三、回馈制动 异步电机的转速超过同步转速时，便进入回馈制动运行状态。 异步电机的转速超过同步转速时，便进入回馈制动运行状态。 （一）正向回馈制动 正向回馈制动是指异步电动机在正向电动机运转时， 正向回馈制动是指异步电动机在正向电动机运转时，超过同 步转速而进入回馈制动状态（ 象限）。 ）。正向回馈一般发生在 步转速而进入回馈制动状态（象限）。正向回馈一般发生在 电传动机车牵引车辆下坡、 电传动机车牵引车辆下坡、电动机正向运行时降低定子电流频 率或增加定子绕组的极对数等情况下。 率或增加定子绕组的极对数等情况下。 当异步电机在固有特性上A点运行，从曲线上看： 当异步电机在固有特性上A点运行，从曲线上看： 运行点从曲线1 点平移至曲线2 电磁转矩变负。 运行点从曲线1的A点平移至曲线2的B点，电磁转矩变负。在电 磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机很快减速， 磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机很快减速，运行点沿 B n1 C 最终稳定运行在 C 点。 在正向回馈制动过程中， 在正向回馈制动过程中，转差率 26 电动机输出的机械功率为 1? s Pm = 3I R2 0 s 2 2 这时的三相异步电动机实际上是一台发电机， 这时的三相异步电动机实际上是一台发电机，它把系统减小 的动能转变为电能送入交流电网。 的动能转变为电能送入交流电网。 27 (二)反向回馈制动运行 当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载， 当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，并且电源为负 相序时，电动机会高速运行于第象限， 相序时，电动机会高速运行于第象限，此时电磁转矩为 Te 如图中的B 转速为 ?n ,如图中的B点。 28 反向回馈制动时的同步转速为 ? n0 , 电机转速为 因此