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第4章异步电机的电力拖动 4 1三相异步电动机的机械特性 4 2电力拖动系统的稳定运行 4 3三相异步电动机的起动 4 4三相异步电动机的调速 4 5三相异步电动机的制动 第4章异步电机的电力拖动 4 1三相异步电动机的机械特性 4 2电力拖动系统的稳定运行 4 3三相异步电动机的起动 4 4三相异步电动机的调速 4 5三相异步电动机的制动 电机与拖动 返回主页 4 1三相异步电动机的机械特性 一 电磁转矩公式1 电磁转矩的物理公式 Pe m2E2I2cos 2E2 4 44f1kw2N2 m T CT mI2cos 2 转矩常数 第4章异步电动机的电力拖动 2 电磁转矩的参数公式 4 1三相异步电动机的机械特性 令 4 1三相异步电动机的机械特性 3 电磁转矩的实用公式 由 最大 临界 转矩 临界转差率 由此可见 T TM U12 sM与U1无关 sM R2 TM与R2无关 最大转矩倍数 4 1三相异步电动机的机械特性 大连理工大学电气工程系 若忽略T0 则 整理上面各式 得 4 1三相异步电动机的机械特性 解上述方程 可得 s sM 时取负号 当T TN时 则 4 1三相异步电动机的机械特性 MT MT2 1 例4 1 1 Y132M 4型三相异步电动机带某负载运行 转速n 1455r min 试问该电动机的负载转矩TL是多少 若负载转矩TL 45N m 则电动机的转速n是多少 由电工手册查到该电机的PN 7 5kW n0 1500r min nN 1440r min MT 2 2 由此求得 4 1三相异步电动机的机械特性 解 大连理工大学电气工程系 0 166 TM MTTN 2 2 49 76N m 109 47N m 4 1三相异步电动机的机械特性 忽略T0 则 TL T2 当TL T2 T 45N m时 4 1三相异步电动机的机械特性 0 036 n 1 s n0 1 0 036 1500r min 1446r min 二 固有特性 当U1 f1 R2 X2 常数时 T f s 转矩特性n f T 机械特性当U1L U1N f1 fN 且绕线型转子中不外串电阻或电抗时的特性称为固有特性 MSN NMS 4 1三相异步电动机的机械特性 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TL TN P2 PN I1 IN 1 额定状态 N点 sN 0 01 0 09很小 T增加时 n下降很少 硬特性 工作段 4 1三相异步电动机的机械特性 临界转速 2 临界状态 M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 MT 2 2 2 4 1三相异步电动机的机械特性 3 堵转状态 S点 对应s 1 n 0的状态 又称为起动状态 堵转状态说明了电动机直接起动的能力 起动条件 1 TS 1 1 1 2 TL 2 IS 允许值 起动转矩倍数 TS 起动电流倍数 Y系列三相异步电动机 ST 1 6 2 2 SC 5 5 7 0 4 1三相异步电动机的机械特性 大连理工大学电气工程系 例4 1 2 一台Y225M 2型三相异步电动机 若TL 200N m 试问能否带此负载 1 长期运行 2 短时运行 3 直接起动 设Is在允许范围内 解 查电工手册得知该电机的PN 45kW nN 2970r min MT 2 2 ST 2 0 1 电动机的额定转矩 由于TN TL 故不能带此负载长期运行 4 1三相异步电动机的机械特性 2 电动机的最大转矩TM MTTN 2 2 145N m 319N m由于TM TL 故可以带此负载短时运行 3 电动机的起动转矩TST STTN 2 0 145N m 290N m由于TST TL 且超过1 1倍TL 故可以带此负载直接起动 4 1三相异步电动机的机械特性 U1 U1 三 人为特性 1 降低定子电压时的人为特性 U1 U1 SM与U1无关T正比于U12 4 1三相异步电动机的机械特性 2 增加转子电阻时的人为特性 sM正比于R2 TM与R2无关 4 1三相异步电动机的机械特性 R2 X2 R2 X2 R2 X2 R2 R2 当R2 X2时 sM 1 R2 TST 当R2 X2时 sM 1 TS TM 当R2 X2时 sM 1 R2 TST R2增加后 TST大小则与R2和X2的相对大小有关 4 1三相异步电动机的机械特性 3 改变定子频率时的人为特性 1 f1 fN 为保持 m 常数 因为n0 f1 所以 n n0 nM sMn0 不变 所以TM不变 4 1三相异步电动机的机械特性 f1 fN 2 f1 fN U1 UN 不变 调频时 f1 m 因为n0 f1 所以 n n0 nM sMn0 不变 f1 fN 4 1三相异步电动机的机械特性 4 改变磁极对数时的人为特性 a p 2 SNNS NS b p 1 4 1三相异步电动机的机械特性 Y 2p YY p 2p 定子绕组常用的接法 4 1三相异步电动机的机械特性 1 Y YY变极 1 2p p n0 2n0 2 N1 N1 2 KT 4KT 3 sM不变 U1不变 4 n n0 nM sMn0 2sMn0 5 TM TS 2TM TS Y YY 4 1三相异步电动机的机械特性 2 YY变极 1 2p p n0 2n0 2 N1 N1 2 KT 4KT 3 sM不变 0 5n0 4 n n0 nM sMn0 2sMn0 5 TM TT 2 3TM TT 4 1三相异步电动机的机械特性 4 2电力拖动系统的稳定运行 一 负载的机械特性n f TL 转速和转矩的参考方向 1 恒转矩负载特性 1 反抗性恒转矩负载 由摩擦力产生的 当n 0 TL 0 当n 0 TL 0 如机床平移机构 压延设备等 第4章异步电动机的电力拖动 2 位能性恒转矩负载 由重力作用产生的 当n 0 TL 0 当n 0 TL 0 如起重机的提升机构和矿井卷扬机等 2 恒功率负载特性 TLn 常数 如机床的主轴系统等 4 2电力拖动系统稳定运行 3 通风机负载特性 TL n2TL的方向始终与n的方向相反 如通风机 水泵 油泵等 实际的通风机负载 T0 TL T0 kn2 实际的机床平移机构 4 2电力拖动系统稳定运行 二 稳定运行条件 工作点 在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上 稳定运行 即 T TL 0 运动方程 T TL 0 加速 T TL 0 减速 n 常数 过渡过程 4 2电力拖动系统稳定运行 a 干扰使TL a点 n T a a 点 a点 n T 干扰过后T TL T TL 4 2电力拖动系统稳定运行 a a 干扰使TL a点 n T a 点 干扰过后T TL n T T TL a点 干扰使TL T a 点 T TL 干扰过后T TL n T T TL a点 4 2电力拖动系统稳定运行 b点 干扰使TL n n 0 堵转 T 干扰过后T TL 不能运行 b 4 2电力拖动系统稳定运行 b点 干扰使TL n T n n 0 堵转 干扰过后T TL 不能运行 干扰使TL T b 点 n b 干扰过后T TL n T a点 4 2电力拖动系统稳定运行 稳定运行的充分条件 稳定运行点 不稳定运行点 4 2电力拖动系统稳定运行 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 T TL 0 n I2 T I1 P1 4 2电力拖动系统稳定运行 4 3三相异步电动机的起动 一 电动机的起动指标1 起动转矩足够大TST TLTST 1 1 1 2 TL2 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 SCIN 5 5 7 IN起动转矩小 TST StTN 1 6 2 2 TN 第4章异步电动机的电力拖动 大连理工大学电气工程系 不利影响 1 大的IST使电网电压降低 影响自身及其他负载工作 2 频繁起动时造成热量积累 易使电动机过热 二 笼型异步电动机的直接起动1 小容量的电动机 PN 7 5kW 2 电动机容量满足如下要求 4 3三相异步电动机的起动 三 笼型异步电动机的减压起动 1 定子串联电阻或电抗减压起动 M3 起动 运行 4 3三相异步电动机的起动 适用于 正常运行为 形联结的电动机 2 星形 三角形减压起动 Y 起动 4 3三相异步电动机的起动 适用于 正常运行为 形联结的电动机 2 星形 三角形减压起动 Y 起动 Y起动 4 3三相异步电动机的起动 适用于 正常运行为 形联结的电动机 2 星形 三角形减压起动 Y 起动 起动 定子相电压比 定子相电流比 起动电流比 4 3三相异步电动机的起动 电源电流比 起动转矩比 4 3三相异步电动机的起动 IYI ISTYIST 13 2 ISTY Imax 线路中允许的最大电流 3 TSTY 1 1 1 2 TL Y 起动的使用条件 4 3三相异步电动机的起动 1 正常运行时应采用 形连接的电动机 例4 3 1 三相异步电动机 电源电压 380V 三相定子绕组 接法运行 额定电流IN 20A 启动电流Ist IN 7 求 1 接法时的启动电流Ist 2 若启动时改为Y接法 求IstY 1 Ist 7IN 7 20 140A 解 2 IstY Ist 3 140 3 47A 3 自耦变压器减压起动 4 3三相异步电动机的起动 3 自耦变压器减压起动 起动 4 3三相异步电动机的起动 3 自耦变压器减压起动 运行 4 3三相异步电动机的起动 3 自耦变压器减压起动 定子线电压比 KA 定子相电压比 定子相电流比 4 3三相异步电动机的起动 3 自耦变压器减压起动 起动电流比 电源电流比 KA2 起动转矩比 KA2 4 3三相异步电动机的起动 大连理工大学电气工程系 降压比KA可调QJ2型三相自耦变压器 KA 0 55 0 64 0 73QJ3型三相自耦变压器 KA 0 4 0 6 0 8 4 3三相异步电动机的起动 1 ISTa Imax 线路中允许的最大电流 2 TSTa 1 1 1 2 TL 自耦变压器减压起动的使用条件 4 延边三角形换接降压启动 优点 延边三角形启动可以获得比 星形 三角形 启动更大的启动转矩 而且设备简单 只需一转换开关 缺点 定子绕组的抽头较多 例4 3 2 一台Y250M 6型三相笼型异步电动机 UN 380V 联结 PN 37kW nN 985r min IN 72A ST 1 8 SC 6 5 如果要求电动机起动时 起动转矩必须大于250N m 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KA 0 8的自耦变压器起动 解 1 能否直接起动 直接起动时起动转矩和起动电流为TST STTN 1 8 359N m 646N mIST SCIN 6 5 72A 468A 4 3三相异步电动机的起动 大连理工大学电气工程系 虽然TST 250N m 但是IST 360A 所以不能采用直接起动 2 能否采用Y 起动 虽然ISTY 360A 但是TSTY 250N m 所以不能采用Y 起动 3 能否采用KA 0 8的自耦变压器起动TSTa KA2TST 0 82 646N m 413N mISTa KA2IST 0 82 468A 300A 4 3三相异步电动机的起动 由于TSTa 250N m 而且ISTa 360A 所以能采用KA 0 8的自耦变压器起动 4 3三相异步电动机的起动 1 解 例4 3 3 一台Y225M 4型的三相异步电动机 定子绕组 型联结 其额定数据为 PN 45kW nN 1480r min UN 380V N 92 3 cos N 0 88 KC 7 0 Ks 1 9 KM 2 2求 1 额定电流IN 2 额定转差率sN 3 额定转矩TN 最大转矩TM和起动转矩TS 4 3三相异步电动机的起动 2 由nN 1480r min 可知p 2 四极电动机 3 4 3三相异步电动机的起动 例4 3 4 在上例中如果负载转矩为510 2N m 试问 1 在U UN和U 0 9UN两种情况下电动机能否起动 2 采用Y 换接起动时 求起动电流和起动转矩 3 当负载转矩为额定转矩的80 和50 时 电动机能否Y 换接起动 解 1 在U UN时TS 551 8N m 510 2N m 在U 0 9UN时 能起动 不能起动 4 3三相异步电动机的起动 3 在80 额定负载时 在50 额定负载时 2 Ist KCIN 7 84 2 589 4A 不能起动 能起动 4 3三相异步电动机的起动 5 软起动器起动 限压起动模式的起动过程 限流起动模式的起动过程 4 3三相异步电动机的起动 四 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动 1 无级起动 4 3三相异步电动机的起动 由几何关系求得起动变阻器的最大值为 由铭牌数据求得转子每相绕组电阻的公式为 4 3三相异步电动机的起动 大连理工大学电气工程系 1 起动过程分析 串联RST1和RST2起动 特性a 总电阻R22 R2 RST1 RST2 n0 a R22 T2 a1 a2 T1 切除RST2 4 3三相异步电动机的起动 2 有级起动 b R21 b1 b2 合上Q2 切除RST2 特性b 总电阻R21 R2 RST1 切除RST1 4 3三相异步电动机的起动 合上Q1 切除RST1 特性c 总电阻 R20 R2 c R20 c1 c2 p 4 3三相异步电动机的起动 2 起动电阻的计算 选择T1和T2起动转矩 T1 0 8 0 9 TM切换转矩 T2 1 1 1 2 TL 求出起切转矩比 确定起动级数m根据相似三角形的几何关系来推导 4 3三相异步电动机的起动 同理可得 因为sa2 sb1 sb2 sc1sM R2 所以 4 3三相异步电动机的起动 因此有下面的关系 R21 R2R22 R21 2R2对于m级起动 有R2m mR2式中R2m R2 RST1 RST2 RSTm于是得到下式 因为 4 3三相异步电动机的起动 对于m级起动 则有 在固有特性c上 有关系 因此可得 重新计算 校验是否在规定范围内 4 3三相异步电动机的起动 求出各级起动电阻 RSTi i i 1 R2 4 3三相异步电动机的起动 i 1 2 3 例4 3 5 JR41 4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 40kW nN 1435r min MT 2 6 U2N 290V I2N 86A 已知起动时的负载转矩TL 200N m 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T1 TM MTTN 2 6 266 32N m 692 43N mT1 0 8 0 9 TM 553 94 623 19 N m取T1 580N m 4 3三相异步电动机的起动 2 求出起切转矩比 3 求出切换转矩T2 由于T2 1 1TL 所以所选m和 合适 4 求出转子每相绕组电阻R2 4 3三相异步电动机的起动 4 3三相异步电动机的起动 5 求出各级起动电阻RST1 1 R2 2 2 1 0 0844 0 1 RST2 2 R2 2 22 2 2 0 0844 0 22 RST3 3 2 R2 2 23 2 22 0 0844 0 49 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 五 绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动 频敏变阻器 4 3三相异步电动机的起动 六 改善起动性能的三相笼型异步电动机 1 深槽型异步电动机槽深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 4 3三相异步电动机的起动 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 4 3三相异步电动机的起动 4 4三相异步电动机的调速 1 改变磁极对数p2 改变转差率s3 改变电源频率f1 变频调速 调速方法 有级调速 第4章异步电动机的电力拖动 一 电动机的调速指标 1 调速范围2 调速方向3 调速的平滑性 平滑系数4 调速的稳定性 静差率D nN的关系 nN nmax 4 4三相异步电动机的调速 例如 nN 1430r min nN 115r min 要求 30 则D 5 3 要求 20 则D 3 1 再如 nN 1430r min D 20 5 则 nN 3 76r min 5 调速的经济性6 调速时的允许负载不同转速下满载运行时 输出转矩相同 恒转矩调速 输出功率相同 恒功率调速 4 4三相异步电动机的调速 二 笼型异步电动机的变频调速 U f可变 整流电路 逆变电路 50Hz 4 4三相异步电动机的调速 1 调速方向f1 fN时 n 2 调速范围D较大 3 调速的平滑性平滑性好 无级调速 4 调速的稳定性稳定性好 5 调速的经济性初期投资大 运行费用不大 6 调速时的允许负载 f1 fN时 n 4 4三相异步电动机的调速 4 4三相异步电动机的调速 因为 m基本不变 基本不变 所以 T CT mI2Ncos 2 1 f1 fN时 恒转矩调速 P2 T2 T 2 f1 fN时因为U1L UN 所以T CT mI2Ncos 2 Tn 常数 恒功率调速 变频器 4 4三相异步电动机的调速 4 4三相异步电动机的调速 优点 1 一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率 2 变速驱动 输出功率范围宽 如从120W 7 5kW 3 在需要的时候 通用变频器可以方便地从电动机上移走 4 高起动转矩 电机变频器一体化产品 例4 4 1 某三相笼型异步电动机 PN 15kW UN 380V 形联结 nN 2930r min fN 50Hz MT 2 2 拖动一恒转矩负载运行 T 40N m 求 1 f1 50Hz U1 UN时的转速 2 f1 40Hz U1 0 8UN时的转速 3 f1 60Hz U1 UN时的转速 解 1 TM MTTN 2 2 48 91N m 107 61N m 4 4三相异步电动机的调速 n 1 s n0 1 0 0187 3000r min 2944r min 2 故T M TM 107 61N m 4 4三相异步电动机的调速 n 1 s n 0 1 0 0233 2400r min 2344r min 4 4三相异步电动机的调速 3 f1增加 U1不变时 4 4三相异步电动机的调速 1 0 0234 3600r min 3516r min 三 笼型异步电动机的变极调速 1 调速方向Y YY n YY Y n 2 调速范围D 2 4 4 4三相异步电动机的调速 3 调速的平滑性平滑性差 4 调速的稳定性稳定性好 静差率 5 调速的经济性经济性好 6 调速时的允许负载 YY Y满载输出功率 满载输出转矩 基本不变 因为 4 4三相异步电动机的调速 恒转矩调速 如果cos 1 不变 则 恒转矩调速 2 YY 因为 如果cos 1 不变 则 1 恒功率调速 4 4三相异步电动机的调速 近似 恒功率调速 例4 4 2 某三相多速电动机 PN 2 2 3 8kW nN 1440 2880r min MT 2 0 2 0 拖动TL 10N m的恒转矩负载 求在两种不同磁极对数时的转速 解 1 p 2时 4 4三相异步电动机的调速 TM MTTN 2 14 6N m 29 2N m n 1 s n0 1 0 0263 1500r min 1460 55r min 2 p 1时 4 4三相异步电动机的调速 4 4三相异步电动机的调速 TM MTTN 2 12 61N m 25 22N m n 1 s n0 1 0 0308 3000r min 2907 6r min 四 笼型异步电动机的变压调速 TL 1 调速方向U1 UN n 2 调速范围D较小 4 4三相异步电动机的调速 3 调速的平滑性若能连续调节U1 n可实现无级调速 4 调速的稳定性稳定性差 5 调速的经济性经济性较差 1 需要可调交流电源 2 cos 1和 均较低 6 调速时的允许负载既非恒转矩调速 又非恒功率调速 因为 T U1P2 所以 U1 T n P2 4 4三相异步电动机的调速 例4 4 3 三相笼型异步电动机 PN 15kW UN 380V nN 960r min MT 2 试求 1 U1 380V TL 120N m时的转速 2 U1 300V TL 100N m时的转速 解 1 U1 380V TL 120N m时 4 4三相异步电动机的调速 TM MTTN 2 149 28N m 298 56N m n 1 s n0 1 0 031 1000r min 969r min 4 4三相异步电动机的调速 n 1 s n0 1 0 044 1000r min 956r min 4 4三相异步电动机的调速 2 U1 300V TL 100N m时sM不变 Tm U12 故sM 0 149 五 绕线型异步电动机转子串联电阻调速 1 调速方向n 2 调速范围D较小 4 4三相异步电动机的调速 m不变 3 调速的平滑性取决于Rr的调节方式 4 调速的稳定性稳定性差 Rr 5 调速的经济性初期投资不大 但运行效率较低 6 调速时的允许负载因为调速前后U1 f1不变 4 4三相异步电动机的调速 调速前 恒转矩调速 调速后可见调速前调速后 4 4三相异步电动机的调速 4 4三相异步电动机的调速 可见 调速前后cos 2不变 根据T CT mI2cos 2可知调速时允许的转矩不变 为恒转矩调速 例4 4 4 一台三相绕线型异步电动机 拖动一恒转矩负载运行 已知PN 20kW nN 1420r min U2N 187V I2N 68 5A MT 2 3 TL 100N m 试求 1 转子电路未串电阻时的转速 2 转子电路串联电阻Rr 0 0159 时的转速 解 1 转子电路未串联电阻时 4 4三相异步电动机的调速 TM MTTN 2 3 134 57N m 309 5N m n 1 s n0 1 0 0387 1500r min 1442r min 2 转子串联电阻Rr时 TM不变 sM R2 Rr 4 4三相异步电动机的调速 由于TL不变 因此s R2 Rr n 1 s n0 1 0 046 1500r min 1431r min 4 4三相异步电动机的调速 六 绕线型异步电动机的串级调速 1 串级调速的原理在转子电路中串联一个与e2s频率相等 相位相同或相反的附加电动势ead 以代替Rr上的电压降 从而使这部分能量不致损耗掉 转子相电流 e2s与ead同相位时 在引入ead的瞬间 I2s T n sE2 I2s T T TL 4 4三相异步电动机的调速 在引入ead的瞬间 I2s e2s与ead相位相反时 T n sE2 I2s T T TL 2 串级调速的机械特性 4 4三相异步电动机的调速 3 串级调速的调速性能 1 调速方向 2 调速范围D较大 3 调速的平滑性平滑性好 4 调速的稳定性稳定性好 5 调速的经济性初期投资大 运行效率较高 运行费用不大 4 4三相异步电动机的调速 6 调速时的允许负载因为调速前后U1 f1不变 m不变 且cos 2也不变 所以T CT mI2Ncos 2不变 恒转矩调速 4 5三相异步电动机的制动 一 能耗制动1 制动原理制动前Q1合上 Q2断开 M为电动状态 制动时Q1断开 Q2合上 定子 U I1 转子 n E2 I2M为制动状态 n T 第4章异步电动机的电力拖动 2 能耗制动时的机械特性 特点 1 因T与n方向相反 n T曲线在第二 四象限 2 因n 0时 T 0 n T曲线过原点 3 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 4 5三相异步电动机的制动 3 能耗制动过程 迅速停车 1 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 T 0 制动开始 制动过程结束 2 制动效果Rb I1 T 制动快 3 制动时的功率定子输入 P1 0 轴上输出 P2 T 0 动能P2 转子电路的电能 PCu2消耗掉 4 5三相异步电动机的制动 4 能耗制动运行 下放重物 a T 0 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 4 5三相异步电动机的制动 二 反接制动 1 定子反向的反接制动 迅速停车 制动前的电路 制动时的电路 1 制动原理 4 5三相异步电动机的制动 制动前 正向电动状态 制动时 定