交流电动机电力拖动.ppt

第四章交流电动机及电气控制 续 三相异步电动机的电力拖动 第五节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在一定条件下 电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系 即n Tem 因n n1 1 s 所以机械特性也用Tem s 形式表示 电磁转矩参数表达式Tem 实际上就是机械特性方程 一 固有机械特性的分析 一 理想空载点Hn n1 s 0 Tem 0 转子电流I2 0 定子电流I1 I0 二 最大转矩点P临界转差率sm最大转矩Tm 重要结论 1 最大转矩Tm与电源电压成正比 而临界转差率sm与U1无关 2 临界转差率sm与转子电阻r 2成正比 而最大转矩Tm与转子电阻r 2无关 3 Tm和sm都近似地与 x1 x 2 成反比 如果负载转矩大于最大转矩Tm 则电动机将停转 为了保证电动机不会因短时过载而停转 电动机都具有一定的过载能力 过载能力 m Tm TN一般 m 1 6 2 2 起重 冶金用 m 2 2 2 8 图4 18三相异步电动机的固有机械特性 三 起动点An 0 s 1 此时的电磁转矩Tem称为起动转矩 重要结论 1 起动转矩Tst与电源电压成正比 2 x1 x 2 越大 Tst越小 3 在一定范围内增大转子电阻r 2 Tst增大 对于绕线转子电动机 若在一定范围内增大转子电阻可以增大起动转矩 可以改善起动性能 起动转矩倍数Kst Kst Tst TN只有当Tst大于负载转矩时 电动机才能起动 而在要求满载起动时 则Kst必须大于1 而对于笼型转子感应电动机 其转子回路不能用外串电阻的方法 若要获得最大起动转矩 则使Tst Tm 则sm 1 即则r st x1 x 2 r 2 四 额定工作点Bn nN s sN Tem TN 二 人为机械特性的分析 1 降低定子电压的人为机械特性 图4 19降低电源电压的人为机械特性 可见降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线 斜率不断增大 注意 与直流电动机降低电压的人为机械特性的区别 注意 降低定子电压 电动机出现的问题 1 当负载转矩恒定时 若降低电压 转速降低 转差率增大 转子电流将增大 从而引起定子电流的增大 若超过额定值 长期运行 温升将超过容许值 导致电动机寿命缩短 甚至烧坏 2 如果电压降低过多 致使最大转矩Tm小于负载转矩时 则电动机停转 3 起动转矩与成正比的减少 导致Tst小于负载转矩 则电动机不能起动 2 转子电路串接电阻的人为机械特性 同步转速nl不变 最大转矩Tm不变 而临界转差率则随rp的增大而增大 起动转矩Tst也增大了 人为特性为一组通过同步点的曲线 如图4 20所示 在一定范围内增加转子电阻 可以增大Tst 如果串接一定数值的电阻后使Tst Tm 这时若再增大转子电阻 Tst开始减小 转子电路串接附加电阻 仅适用于绕线转子感应电动机的起动和调速 图4 20转子串接对称电阻的人为机械特性 3 定子回路中串接电阻或电抗的人为机械特性定子回路中串接电抗一般用于笼型感应电动机的降压起动 以限制起动电流 图4 21定子电路外接电阻或电抗的人为机械特性 4 改变定子电源频率时的人为机械特性一般变频调速采用恒转矩调速 即希望最大转矩Tm保持为恒值 因Tem CT 1I 2cos 2 应保持气隙磁通不变 又因 j4 44f1NlkW1及 所以在改变频率的同时 U1也要变化 使U1 常数 所以nl sm 1 Tst 1 Tm不变 即随着频率 的降低 同步转速nl减小 临界转差率sm增大 起动转矩Tst增大 而最大转矩Tm基本维持不变 如图4 22所示 图4 22改变定子电源频率的人为机械特性 三 电磁转矩的实用表达式 将式 4 41 进行简化 得出电磁转矩的实用表达式为 4 50 上式中Tm及sm可用下述方法求出 TN 9 55PN nNTm mTN 9 55 mPN nN 4 51 忽略T0 将T TN s sN代入式 4 50 可得 4 52 式中sN 额定转差率 sN n1 nN n1 第六节三相异步电动机的起动 对异步电动机起动性能的要求是 1 要有足够大的起动转矩 加速起动过程 缩短起动时间 2 在满足起动转矩的前提下 起动电流越小越好 原因 1 过大的起动电流冲击 会引起电网较大的线路压降 特别是电源容量较小时 电压下降太多 2 很大的起动电流将在绕组中产生较大的损耗 引起发热 加速绕组绝缘老化 且在大电流冲击下 绕组端部受电磁力的作用 有发生位移和变形的趋势 造成短路事故 3 要求起动平滑 以减小对生产机械的冲击 4 起动设备安全可靠 结构简单 操作方便 笼型电动机有两种起动方法 1 直接起动2 降压起动 也称全压起动 起动时 电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上 特点 起动电流较大而起动转矩Tst却不大 1 起动电流Ist大起动电流倍数Ki Ist IN 4 7 原因 起动时n 0 s l 转子电动势sE 2很大 所以转子电流I 2很大 根据磁通势平衡关系 定子电流也必然很大 一 三相笼型异步电动机的直接起动与控制 2 起动转矩Tst不大起动转矩倍数Kst Tst TN l 2 原因 可以从机械特性物理表达式来说明 首先 起动时的s 1远大于正常运行时的s 0 01 0 05 起动时转子电路的功率因数角 2 arctan sx 2 r 2 很大 cos 2 0 3很低 因此 起动时I 2虽然大 但其有功分量I 2cos 2并不大 其次 由于起动电流大 定子绕组漏抗压降增大 使El减小 又因E1 j4 44f1NlkW1 1 使气隙磁通 1减小 起动瞬间 1约为额定值的一半 直接起动一般只用在小容量 7 5kW以下 电动机中 如果电网容量很大 可允许容量较大的电动机直接起动 必须满足下列经验公式 否则 应采用降压起动方法 Ist为电动机直接起动时起动电流 A IN为电动机额定电流 A S为电源总容量 kVA P为电动机容量 kW 一 单向旋转控制电路 1 开关控制电路图4 23为电动机单向旋转开关控制电路 其中 图a为刀开关控制电路 能实现短路保护 图b为断路器控制电路 能实现长期过载保护和过电流保护 它们仅适用于不频繁起动的小容量电动机 但不能实现远距离控制 图4 23电动机单向旋转开关控制电路a 刀开关控制电路b 断路器控制电路 2 接触器控制电路 工作原理 合上电源开关Q 按下起动按钮SB2 其常开触头闭合 接触器KM线圈通电吸合 其主触头闭合 电动机接入三相交流电源起动旋转 同时 与起动按钮SB2并联的接触器KM常开辅助触头闭合 当松开SB2按钮时 KM线圈通过KM常开辅助触头这一路径继续保持通电 从而使电动机获得连续运转 按下停止按钮SB1 接触器KM线圈断电并释放 KM常开主触头 辅助触头均断开 切断电动机主电路与控制电路 电动机停止旋转 依靠接触器自身辅助触头保持线圈通电的电路称为自锁 自保 电路 图4 24电动机单向旋转接触器控制电路 图4 24为电动机单向旋转接触器控制电路 图中Q为电源开关 FUl FU2分别为主电路与控制电路熔断器 KM为接触器 SB1 SB2分别为停止按钮与起动按钮 M为三相笼型感应电动机 电路保护环节 1 短路保护由熔断器FUl FU2分别实现主电路与控制电路的短路保护 2 过载保护由热继电器FR实现电动机的长期过载保护 3 欠压和失压保护 二 点动控制电路 点动控制电路与连续运行控制电路的区别 1 有无自保电路 2 从主电路上看连续运转电路中应装设热继电器作长期过载保护 而对于点动电路中主电路可不接热继电器 图4 25电动机点动控制电路a 线路一b 线路二c 线路三 图4 25a为点动控制电路的基本形式 工作原理 按下SB按钮 接触器KM线圈通电并吸合 主触头闭合 电动机直接起动旋转 松开SB时 KM线圈断电并释放 主触头断开 电动机断电停止旋转 图b为既可实现电动机连续运转又可实现电动机点动控制的电路 并由手动开关SA进行选择 当SA闭合时为连续控制 SA断开时则为点动控制 图c为连续运转按钮SB2 点动按钮SB3来选择连续与点动的控制电路 SB1为连续运转时的停止按钮 利用复合按钮SB3的常闭触头来断开自保电路实现的 三 可逆旋转控制电路 改变电动机三相电源相序即可改变电动机旋转方向 1 倒顺转换开关可逆旋转控制电路图4 26为倒顺转换开关控制电动机可逆旋转控制电路图 图a为倒顺开关直接控制电动机正反转 由于倒顺开关无灭弧装 仅适用于电动机容量5 5kW以下电动机的正反转控制 对于容量大于5 5kW的电动机 则用图b电路来控制 倒顺开关用来预选电动机旋转方向 由按钮来控制电动机的起动与停止 图4 26倒顺开关控制电动机正反转电路a 由倒顺开关直接控制电动机正反转b 由倒顺开关 接触器控制 2 按钮控制的可逆旋转电路 重点 图4 27按钮控制电动机正反转的电路 图a由两组单向旋转控制电路组合而成 主电路由正反转接触器KM1 KM2的主触头来改变电动机相序 实现电动机的可逆旋转 图a若发生同时按下正转按钮SB2和反向按钮SB3时 KMl KM2线圈同时通电吸合 其主触头闭合 将发生相间短路 图b中 将KM1 KM2正反转接触器的常闭触头串接在对方线圈电路中 形成相互制约的控制 从而避免了误操作时发生相间短路的故障 这种相互制约的关系称为互锁 由接触器或继电器常闭触头构成的互锁称为电气互锁 在这一电气互锁电路中 要实现电动机由正转变反转或由反转变正转的控制 都必须先按下停止按钮SB1 然而再进行反转或正转的起动控制 这就构成了正 停 反或反 停 正的操作顺序 为了实现电动机直接由正转变为反转或由反转变为正转 可采用图c所示电路 即在图b基础上增设了起动按钮SB2 SB3的常闭触头构成的机械互锁 从而构成具有电气 机械双重互锁的控制电路 无需再按停止按钮 直接按下反转按钮SB3可使电动机由正转直接变为反转 3 由行程开关控制的具有自动往返功能的可逆旋转电路 重点 图4 28实现自动往返运动的电动机可逆旋转电路 工作原理 图中SB1为停止按钮 SB2 SB3为电动机正 反转起动按钮 SQl为电动机反转转正转行程开关 SQ2为电动机正转转反转行程开关 SQ3为正向运动极限保护行程开关 SQ4为反向运动极限行程开关 按下正转起动按钮SB2 电动机正向起动旋转 拖动运动部件前进 当运动部件上的撞块压下换向行程开关SQ2 正转接触器KM1断电释放 反转接触器KM2通电吸合 电动机由正转变为反转 拖动运动部件后退 当运动部件上的撞块压下换向开关SQl时 又使电动机由反转变为正转 拖动运动部件前进 如此循环往复 实现电动机可逆旋转控制 拖动运动部件实现自动往返运动 按下停止按钮SB1 电动机停止旋转 行程开关SQ3 SQ4安装在运动部件的正 反向极限位置 发生故障时 运动部件到达换向开关位置时 未能切断KM1或KM2时 继续移动 撞块压下极限行程开关SQ3或SQ4 使KMl或KM2断电释放 电动机停止 从而避免运动部件由于越出允许位置而导致事故发生 因此 SQ3 SQ4起限位保护作用 注意 这种控制称为行程控制原则 是工业自动化中应用最广泛的控制方法之一 二 降压起动与控制 降压起动的主要目的是限制起动电流 四种常见的降压起动方法 1 定子串电阻 或电抗 降压起动 2 星 三角降压起动 重点 3 自耦变压器降压起动 4 延边三角形降压起动 一 定子串电阻 或电抗 降压起动起动时 起动电流在电阻或电抗上产生电压降 使加在电机定子绕组上的电压低于电源电压 使起动电流减小 待电动机转速n接近额定转速nN时 再将电阻或电抗短接 使电动机在全压下进入稳定运行 设加在定子绕组上的电压降为UN k 1 则起动电流I st为直接起动时Ist的 I st Ist 因为起动转矩与电压的平方成正比 所以起动转矩T st仅为直接起动时Tst的 T st Tst 注意 图4 29时间原则自动短接电阻减压起动电路a 自动短接电阻减压起动b 自动与手动短接电阻减压起动 工作原理 合上电源开关Q 按下起动按钮SB2 KM1 KT线圈同时通电自保 电动机定子绕组串接电阻R进行减压起动 当n接近nN时 KT通电延时常开触头闭合 KM2线圈通电自保 KM2常闭触头断开 使KM1 KT断电 电动机经KM2主触头进入全压正常运转 图4 29b为自动与手动短接电阻减压起动电路 图中SA为选择开关 当SA置于 A 位时为自动控制 若SA置于 M 位时 则为手动控制 优点 起动较平稳 运行可靠 设备简单 缺点 Tst随电压的减小而平方倍的降低 只适合轻载起动 起动时电能损耗较大 表4 2电器动作顺序表 二 自耦变压器降压起动 自耦补偿起动 将自耦变压器原边接在电网上 副边接在电动机定子绕组上 这样定子绕组的电压是自耦变压器的二次电压U2 设自耦变压器的变比为k N1 N2 U1 U2 1可知 一次电流与二次电流的关系为I1 I2 而二次侧起动电流Ist2为直接起动时Ist的 所以电网供给的一次侧起动电流I st Ist T st Tst 注意 图4 30XJ0l系列自耦减压起动器电路图 自耦减压起动分手动控制和自动控制两种 工厂常采用如图4 30所示XJ01系列 适用于被控制电动机功率为14 300kW 为两接触器控制 电路工作情况 合上电源开关Q HL1灯亮 按下起动按钮SB2 KM1 KT线圈同时通电自保 将自耦变压器T接入 电动机减压起动 同时指示灯HL1灭 HL2亮 当n接近nN时 KT 3 7 闭合 使KA线圈通电自保 其触头KA 4 5 断开 使KM1线圈断电释放 将自耦变压器切除 触头KA 10 11 断开 HL2指示灯断电熄灭 而触头KA 3 8 闭合 使KM2线圈通电吸合 电动机进入正常运转 同时HL3指示灯亮 表4 3电器动作顺序表 比较自耦变压器减压起动和定子串电阻 或电抗 降压起动的优缺点 优点 1 在电网限制的起动电流相同的情况下 自耦变压器减压起动将获得较大的起动转矩 2 为满足不同起动场合 自耦变压器二次绕组上有多个抽头 以获得不同电压比k 一般有80 UN 60 UN和40 UN三种 缺点 线路较复杂 设备价格较贵 不允许频繁起动 三 星 三角降压起动 重点 对于正常运行时电动机定子绕组为 联结的三相笼型电动机 均可采用星 三角降压起动 起动时 先将定子绕组Y联结 此时相电压U1 只为UN的1 当n接近nN时 再改接成 联结 电动机进入正常运转 定子绕组Y联结时 相电压U1 UN 线电流等于相电流 则Y线路起动电流定子绕组接成 起动时 相电压U1 UN 每相绕组中的Ist为U1 Z1 线电流为相电流的倍 则 线路起动电流所以IstY Ist 由于 故TstY Tst 注意 两种电路 两接触器式与三接触器式 前者用于13kW以下电动机的控制 后者用于13kW以上电动机的控制 1 两接触器式星 三角起动控制电路电路工作情况 按下起动按钮SB2 KM1 KT线圈同时通电自锁 KM1主触头闭合接入三相交流电源 由于KMl 8 9 触头断开 使KM2线圈断电 电动机Y减压起动 当n接近nN时 KT动作 延时常闭触头KT 3 7 断开 使KM1释放 主触头断开 切断三相电源 其延时常开触头KT 3 8 闭合 使KM2通电自锁 KM2主触头闭合 KM2常闭触头断开 使电动机定子绕组脱离短接状态 另一触头KM2 3 4 断开 使KT断电 由于触头KT 3 7 复原闭合 使接触器KM1重新通电 电动机 正常运转 图4 31两接触器控制电动机星 三角减压起动电路 2 三接触器式星 三角减压起动控制图4 32为QX3 13系列自动星 三角起动器电路图 电路工作情况 合上开关Q 按下SB2 KM1 KT KM3线圈同时通电自保 电动机星形减压起动 当n接近nN时 KT动作 其常闭触头延时断开 常开触头延时闭合 前者使KM3线圈断电 后者使KM2线圈通电吸合 电动机三角形全压正常运行 而KM2常闭触头的断开 使KT断电 并实现KM2与KM3的电气互锁 图4 32QX3 13系列自动星 三角起动器电路图 表4 4电器动作顺序表 优点 简便 经济 运行可靠 应用最广泛 缺点 起动电流和起动转矩都下降为直接起动时的1 3 但是Y系列笼型感应电动机 直接起动Tst 1 4 2 2 TN 采用Y 降压起动 Tst减小至 0 47 0 73 TN 所以Y系列电动机采用Y 降压起动适用于空载或轻载起动 三 深槽式和双笼型异步电动机 三相笼型异步电动机减压起动时 降低了起动电流而起动转矩也减小了 为了克服这一缺点 通过改进笼型电动机转子槽形 来改善电动机的起动性能 不仅限制了起动电流 而且增大了起动转矩 常用深槽式和双笼型两种槽型 1 深槽式笼型异步电动机主要特点 是转子的槽型特别深而窄 槽的高度与宽度之比一般为10 12 利用转子槽漏磁通分布不均 引起的集肤效应来改善起动性能的 图4 35深槽式异步电动机转子导条集肤效应a 转子槽漏磁b 电流密度c 导条的有效截面 起动时 n 0 s 1 转子频率 2 1较高 正常运行时 2 1 3 Hz 漏电抗比电阻大 电流分配主要取决于漏电抗的大小 越靠近槽底 交链的漏磁链越多 其漏电抗也越大 这时转子电流被 挤 到槽口表面 这种现象称 集肤效应 也称 挤流效应 相当于转子导条的有效截面减小了 r l S使转子电阻r2增大 约额定运行时r2的三倍 使Ist减小而Tst增大 可满载起动 随着转速升高至起动结束 2逐渐降低 集肤效应影响逐渐降低 漏电抗也逐渐降低至小于电阻 这时电流分配主要取决于电阻 转子电流逐渐均匀地分布 转子电阻逐渐减小至正常值 正常运行时 转子电阻会自动变小 从而减小了转子铜耗 提高了的效率 2 双笼型异步电动机 转子具有两套笼型绕组 上笼导条截面较小 电阻率较大的黄铜或铝青铜等制成 电阻较大 漏抗小 称为起动笼 下笼导体截面较大 用紫铜制成 电阻较小 漏抗大 称为工作笼 起动时转子电流的频率高 集肤效应使电流多被 挤 到上笼 上笼起动时起主要作用 称为起动笼 上笼电阻大 可以减小起动电流而增大起动转矩 起动结束后 转子电流频率很低 下笼漏电抗减小 而本身电阻又小 转子电流主要从下笼通过 下笼在正常运行时起主要作用 称为工作笼 图4 36双笼型异步电动机转子槽型a 铜条槽型及槽漏磁b 铸铝槽型 两种方法的比较 双笼型异步电动机的起动性能比深槽式的起动性能好 也可满载起动 深槽式电动机制造简单 比较便宜 共同的缺点是转子漏抗较普通笼型异步电动机大 因此其功率因数及过载能力要低些 第七节三相绕线转子异步电动机的起动 起动方法 1 转子串电阻起动 2 转子串频敏变阻器起动用来改善起动性能 不仅可以限制起动电流而且可以增大起动转矩 一 转子串电阻起动 起动时 绕线转子异步电动机每相转子回路串入起动电阻 根据式得 起动转矩Tst与r 2成正比 在一定范围内增大转子电阻r 2 Tst增大 既可以限制起动电流 又可以提高起动转矩 比普通笼型电动机的起动性能优越得多 一般采用逐级切除 短接 起动电阻的方法 就是在三相转子绕组中分别串接几级电阻 并按星形方式接线 起动前 起动电阻全部接入 限流起动 起动过程中 随转速升高 电流下降 起动电阻逐级短接 至起动完成时 全部电阻短接 电动机在全压下运行 优点 起动过程平滑 获得比较大的加速转矩 缩短起动时间 起动电阻短接方式有两种 1 三相电阻不平衡短接法是由凸轮控制器控制 每相电阻顺序被短接 2 三相电阻平衡短接法是由接触器控制 三相电阻同时被短接 本节仅介绍此法 一 按时间原则控制的起动电路图4 37中 三组起动电阻由KM2 KM3 KM4在时间继电器KT1 KT2 KT3的控制下顺序被短接 正常工作时 只有KM1和KM2两接触器的主触点闭合 刚起动时 全部起动电阻都接入 转子回路每相电阻为R3 Rst3 Rst2 Rst1 r2 对应的人为机械特性如图4 38a的所示 其sm 1 且对应的最大起动转矩Tstl 0 85Tmax 当转速沿Aa加速到b点 电磁转矩降为切换转矩Tst2时 为提高整个起动过程的平均起动转矩 使电动机有较大的加速度 缩短起动时间 则切除Rst3使电动机从b点跳至R2 Rst2 Rst1 r2所对应的人为机械特性Ac上的c点 且该点的转矩正好等于最大起动转矩Tstl 然后再逐级切除Rst2 Rst1 上述全部过程如图a所示 最后将稳定运行于固有机械特性的h点 对应的加速过程如图4 38b所示 图4 37按时间原则控制的转子串电阻起动控制电路 图4 38绕线转子异步电动机转子串电阻三级起动特性a 起动机械特性图b 起动速度过程特性图 表4 5电器动作顺序表 二 按电流原则控制起动电路 重点 图4 39中KAl KA2 KA3为电流继电器 吸合电流相同 释放电流不同 且KA1释放电流最大 KA2次之 KA3释放电流最小 KA4为中间继电器 KMl KM3为短接电阻接触器 KM4为线路接触器 电路工作情况 按下SB2 KM4通电自锁 接通三相交流电源 同时KA4通电 为KM1 KM3通电作准备 由于起动电流大 KAl KA3同时吸合 其常闭触头都断开 使KMl KM3处于断电状态 转子电阻全部串入起动 达到限流和提高起动转矩的目的 随着电动机转速的升高 当起动电流减小到KAl的释放电流I1时 KAl首先释放 其常闭触头闭合 使KMl通电 KMl主触头短接转子电阻R1 由于转子电阻减小 转子电流上升 起动转矩加大 电动机转速加快上升 这又使转子电流下降 KA2释放 短接R2 如此继续 直至转子电阻全部切除 电动机起动过程才结束 中间继电器KA4作用 为保证起动时转子电阻全部接入而设置的 若无KA4 则当电动机起动电流由零上升 在尚未达到其吸合电流时 电流继电器KAl KA3未吸合 将使KMl KM3同时通电吸合 将转子电阻全部短接 电动机进行直接起动 而设置KA4后 当按下起动按钮SB2 KM4先通电吸合 然后才使KA4通电吸合 再使KA4常开触头闭合 在这之前起动电流早已到达电流继电器的吸合整定值并已动作 KAl KA3的常闭触头已断开 并将KM1 KM3线圈电路切断 确保转子电阻全部接入 避免电动机的直接起动 图4 39按电流原则控制的转子串电阻减压起动控制电路 图4 40短接转子电阻起动电流与转速过渡过程曲线 图4 40中I1 I2 I3为KA1 KA3释放电流 Im为限制的最大起动电流 I2N为电动机转子额定电流 n1 n2 n3为电动机转子电阻R1 R2 R3短接时电动机达到的转速 n为电动机的稳定转速 二 转子绕组串接频敏变阻器起动 三相绕线转子串电阻起动的缺点 1 由于逐级短接电阻 电流与转矩突然增大 产生一定的机械冲击 2 铸铁电阻片或镍铬电阻丝比较粗笨 控制箱体积较大 频敏变阻器的阻抗随转子电流频率的减小 或转速的升高 而减小 常用于300kW及以下的380V低压绕线转子感应电动机的起动控制 一 频敏变阻器频敏变阻器是一种由30 50mm厚的铸铁板或钢板叠成的三柱式铁心 在铁心上分别套有线圈的三相电抗器 三个线圈联成星形 并与电动机转子绕组相联 特点 铁心损耗很大原理 电动机起动时 由于频敏变阻器铁心是由较厚钢板制成 在铁心中产生大的涡流 磁滞损耗 相当于等效电阻Rm 铁心中交变磁通又在线圈中产生感应电动势 产生电抗Xm 频敏变阻器相当于Rm与Xm的并联电路 且Rm与Xm大小都随转子电流频率的变化而变化 图4 41频敏变阻器结构示意图 起动时 n 0 s 1 2较高 2 s 1 铁损较大 pFe与 2的平方成正比 Rm与Xm都很大 从而限制了起动电流 提高了转子电路的功率因数 增大了起动转矩 随着电动机转速的升高 2逐渐降低 其阻抗值逐渐减小 当转速n接近nN s很小 2极小 因此Rm与Xm近似为零 相当于转子被短路 实现了平滑无级的起动 优点 结构简单 占地面积小 运行可靠 无需经常维修 缺点 功率因数低 起动转矩小 对于要求有低速运转和起动转矩大的机械不宜采用 应用场合 适用于反接制动和需要频繁正反转工作的机械 它广泛应用于冶金 化工等传动设备上 二 频敏变阻器起动控制电路图4 42为TGl K21型频敏变阻器起动电路 可用来控制低压45 280kW绕线转子感应电动机的起动 图中KM1为线路接触器 KM2为短接频敏变阻器接触器 KT1为起动时间继电器 KT2为防止KA3在起动时误动作的时间继电器 KAl为起动中间继电器 KA2为短接KA3的中间继电器 KA3为过电流继电器 RD红色信号灯为电源指示灯 GN绿色信号灯为起动结束 进入正常运行指示灯 QF为断路器 TA为电流互感器 图4 42TGl K21型频敏变阻器起动电路 电路工作情况 合上断路器QF RD红灯亮 电路电压正常 按下起动按钮SB2 KT1 KM1同时通电自保 定子接三相电源 转子接入频敏变阻器起动 随着转速上升 转子电流频率减小 频敏变阻器阻抗随之下降 当n接近nN时 KTl动作 KAl通电吸合 使KM2通电自保 GN绿色指示灯亮 KM2主触头将频敏变阻器短接 起动过程结束 同时KT2线圈通电吸合 经延时KT2常开触头动作 使KA2通电自保 其常闭触头动作 使过电流继电器KA3串入定子电路 进行过电流保护 同时使KT2线圈失电分断 所以电动机起动过程中 KA3是被KA2触头短接 不致因电动机起动电流过大而使KA3发生误动作 时间继电器KTl延时时间略大于电动机实际起动时间2 3s为佳 过电流继电器KA3的整定电流为接触器KM1的额定电流 在使用时根据电动机实际负载大小来调整 第八节三相异步电动机的制动 异步电动机的电磁制动状态 电磁转矩Tem与电枢转向n相反 电机的机械特性处在第 和第 象限内 电动机从轴上吸收机械能转换为电能 电动机减速停车 电力机车 龙门刨床 限制速度的升高 稳速运动 如机车下坡 起重机下放重物 快速反转 加快减速过程 可逆式轧钢机 三种电磁制动方法 1 能耗制动2 反接制动3 回馈制动 一 能耗制动 一 能耗制动基本原理将定子绕组从三相交流电源上断开 立即加上直流励磁 产生一个静止的磁场 而转子由于惯性继续按原方向在静止磁场中转动 切割磁力线在转子绕组中感应电动势 由右手定则判断 产生电流 产生的电磁转矩T 左手定则 是制动性质的 系统减速 将转子动能转化为电能 消耗在电阻上 所以称为能耗制动 图4 42异步电动机的能耗制动图4 43能耗制动机械特性原理图 能耗制动机械特性 因为当n 0时 T 0 所以能耗制动能准确停车 当电动机停车后 应切断直流电源 否则将会烧坏定子绕组 转子电路中接入适当电阻Rbk 如曲线3的b 点 限制了制动电流且得到较大的制动转矩 从而提高了制动效果 优点 1 制动平稳 能准确快速地停车 2 不从电网吸取交流电能 比较经济 缺点 转速较低时 制动转矩也较小 制动效果不理想 二 能耗制动控制电路能耗制动两种方法 1 按速度原则控制 2 按时间原则控制 1 按时间原则控制的单向运行能耗制动电路电路工作情况 按下停止按钮SB1 KMl线圈断电 电动机定子脱离三相交流电源 同时 KM2 KT线圈同时通电并自保 KM2主触头将两相定子绕组接入直流电源进行能耗制动 使电动机转速迅速接近零时 KT延时时间到 其常闭触头断开 使KM2 KT线圈断电 制动过程结束 图4 45时间原则控制电动机能耗制动电路 2 按速度原则控制的可逆运行能耗制动电路电路工作情况 电动机正常运转时 速度继电器的正转或反转触头KV 1或KV 2闭合 为停车接通KM3实现能耗制动作准备 停车时 按下停止按钮SB1 定子绕组脱离交流电源 KM3通电并自保 定子接入直流电源 转速迅速下降 当降至100r min时 KV 1或KV 2触头断开 KM3断电 能耗制动结束 时间原则控制的能耗制动 一般适用于负载转矩较为稳定的电动机 而速度原则控制较为适合能够通过传动系统来实现负载转速变换的生产机械 图4 46速度原则控制的可逆运行能耗制动电路 二 反接制动 一 电源反接制动将三相异步电动机的任意两相定子绕组的电源进线对调 适用于反抗性负载快速停车和快速反向 基本原理 由于定子绕组两相对调 旋转磁场反向 即n1变为负 制动瞬间 由于机械惯性作用 转速n来不及变化 从机械特性曲线1的a点平移到曲线2的b点 电磁转矩T反向 T 0 所以n与T反向 T是制动转矩 因此n迅速下降 至n 0时 对需要快速停车的反抗性负载 应快速切断电源 否则可能会反向旋转 该机械特性处于第 象限 注意 为改善制动性能 转子回路要串入制动电阻Rbk以限制过大的制动电流 并增大转子功率因数而增大制动转矩 缺点 既要从电网吸收电能 又要从轴上吸收机械能 因此能耗大 经济性较差 优点 制动转矩即使在转速降至很小时 仍较大 因此制动迅速 图4 47电源反接制动a 原理图b 机械特性 二 电源反接制动控制电路1 单向运行反接制动控制电路电路工作情况 按下停止按钮SB1 KM1线圈断电释放 其主触头断开 切除三相交流电源 电动机以惯性旋转 当将SB1按到底时 SB1常开触头闭合 KM2通电并自保 进行反接制动 电动机转速迅速下降 当转速低于100r min时 KV的常开触头复位 KM2断电 电动机断开反相电源 迅速停车至零 图4 48电动机单向运行反接制动控制电路 2 电动机可逆运行反接制动电路电路工作情况 1 电动机正向运行 按下正向起动按钮SB2 KMl通电并自保 定子绕组串入电阻减压起动 当电动机转速n 130r min时 KV动作 正向触头KV 1闭合 使KM3线圈通电 短接定子电阻 电动机在全压下进入正常运行 2 按下停止按钮 KM1 KM3相继断电 电动机脱离正相序电源并串入电阻 当将SB1按钮按到底时 KA3通电 其触头KA3 13 14 再次断开KM3线圈 确保KM3线圈处于断电状态 保证反接制动电阻的接入 而另一触头KA3 16 7 闭合 因惯性 转速仍大于速度继电器释放值 使触头KV 1仍处于闭合状态 从而使KA1线圈经KV 1触头通电吸合 其触头KA1 1 17 闭合 确保SB1松开后KA3线圈仍保持通电 KA1的另一触头KA1 1 10 闭合 又使KM2通电 进行反接制动 转速迅速下降 当转速低于100r min时 KV释放 触头KV 1断开 KAl KM2 KA3断电 迅速停车至零 电阻R具有限制起动电流和反接制动电流的双重作用 图4 49电动机可逆运行反接制动电路 三 倒拉反接制动适用于将重物均匀低速下放 只能适用于绕线式异步电动机 异步电动机运行于固有机械特性1中的a点来提升重物 处于正向电动状态 如果在转子回路串入足够大电阻Rbk 使sm 1 使人为机械特性与位能性负载特性的交点落在第 象限 在串入电阻的瞬时 由于惯性 转速n来不及变化 工作点从a点平移到曲线2的点b 由于Tb0而n 0 电动机开始进入反接制动状态 缺点 与电源反接制动一样 不仅从电网吸收电能 而且从轴上吸收机械能 能耗大 经济性差 优点 能以任意低的转速下放重物 安全性好 图4 50倒拉反接制动a 原理图b 机械特性 三 回馈制动 再生发电制动 1 反向回馈制动 第 象限 也称反向再生发电制动 适用于将重物高速稳定下放或机车下坡 制动原理 将定子两相对调 旋转磁场反向 位能性负载转矩的作用下 尽管电磁转矩为零 电动机继续加速至高于同步速进入曲线1的第 象限 电磁转矩T与n方向相反 成为制动转矩 当T TL时 高速稳定下放重物 转子回路所串电阻越大 下放速度越高 制动电阻不允许太大 避免因n太高而造成事故 优点 由于s 0 使P1 0 P2 0 电动机从轴上吸取机械能转变为电能 反馈回电网 经济性较好 缺点 下放重物的安全性较差 图4 51反向回馈制动a 原理图b 机械特性 2 正向回馈制动 第 象限 发生在变极调速或变频调速过程中 原来电动机稳定运行 当极对数突然增多 或频率突然降低很多 时 特性突变为曲线2 由于机械惯性 转速n来不及变化 工作点从a点平移到曲线2的点b n n1进入回馈制动 在T及TL的共同作用下开始减速 从b点到n 1的降速过程中 s 0 是回馈制动过程 从n 1至c点 是电动状态降速过程 直到T TL 电动机稳定运行于c点 图4 52正向回馈制动机械特性 第九节三相异步电动机的调速 从式可知 三种调速方法 1 变极调速 改变极对数p 以改变电动机的同步转速n1 2 变频调速 改变电源频率 1 以改变n1 3 改变转差率s 改变电压 改变定 转子参数等调速及串级调速 本节只介绍转子串电阻调速 一 变极调速 一 变极调速基本原理在 1不变的条件下 电动机的极数增加一倍 同步转速n1就降低一半 电动机的转速n也几乎下降一半 利用改变定子绕组的接法来改变极数 这种电动机就称为多速电动机 多速电动机均采用笼型转子 这时转子的极数能自动地与定子极数相适应 图4 53定子绕组改接以改变定子极对a 2p 4b 2p 2c 2p 2图a表示两个半绕组顺向串联 图b是串联反接 图c是并联反接 图4 54 YY接法变极调速图4 55Y YY接法变极调速低速T1 T2 T3输入 低速T1 T2 T3输入 T4 T5 T6开路T4 T5 T6开路高速T4 T5 T6输入 高速T4 T5 T6输入 T1 T2 T3短接T1 T2 T3短接 图4 56恒转矩调速的机械特性图4 57恒功率调速的机械特性Y YY接法适用于恒转矩负载 YY接法适用于恒功率负载 多速电动机若变极前后的极数为整数 称为倍极比 注意 变极后绕组的相序将发生变化 为了保持电动机的转向不变 则在绕组改接时 应把接到电动机的三相电源线任意对调两相 缺点 转速几乎是成倍地变化 因此调速的平滑性差 优点 具有较硬的机械特性 稳定性较好 比较广泛的应用于不需要无级调速的生产机械 如金属切削机床 通风机 升降机等 二 双速电动机控制电路图4 58中KMl的主触头闭合 三角形联结 KM2和KM3的主触点闭合 双星形联结 控制电路有三种 图a由复合按钮SB2接通KM1 KMl主触点闭合 电动机低速运行 SB3接通KM2和KM3 其主触点闭合 电动机高速运行 为防止两种接线方式同时存在 KMl和KM2的常闭触点构成电气互锁 SB2和SB3的常闭触点在控制电路中构成机械互锁 图b采用选择开关SA 即选择低速运行或者高速运行 图a和图b的控制电路用于小功率电动机 图c是用于较大功率的电动机 选择开关SA选择低速运行或高速运行 选择高速运行时 首先接通KMl低速起动 然后由KT切断KM1的线圈 同时接通KM2和KM3的线圈 电动机的转速自动由低速切换到高速 图4 58双速电动机变速控制电路 表4 6电器动作顺序表 二 变频调速 一般变频调速采用恒转矩调速 希望最大转矩Tm保持为恒值 根据式 应保持气隙磁通 1不变 从电动势公式可知 若要使 1为定值 则 常数 图4 59U1 1 常数时变频调速图4 60恒转矩和恒功率变频调速的机械特性的机械特性 原因 1 若 1增大 将使磁路过分饱和 引起励磁电流增加 功率因数降低 2 若 1减小 容量将得不到充分利用 优点 1 平滑性好 可实现无级调速 2 调速范围大 3 机械特性的硬度不变 稳定性好 尤其适用于笼型感应电动机的调速 4 可实现恒转矩和恒功率变频调速 以适应不同负载要求 缺点 需要专用的变频电源 成本较高 近年来随着晶闸管技术的发展 变频调速的应用越来越广 三 转子电路串接电阻调速 只能适用于绕线转子感应电动机 优点 方法简单 设备投资不高 在中小容量的绕线转子感应电动机中得到广泛应用 如桥式起重机 缺点 1 转子串接的电阻越大 值越大 特性越软 在低速时就限制了最低转速不能太小 故调速范围不大 仅为2 3 2 增加了转子铜耗 调速的经济性欠佳 转子串电阻属于恒转矩调速 当转矩一定时 因为 所以定值 特别注意适用于计算 转子电流也为一定值 图4 61转子电路串接电阻调速的机械特性 第十节其它种类的交流电动机 一 单相异步电动机由单相交流电源供电 广泛应用于家用电器和医疗器械上 如电扇 电冰箱 洗衣机 医疗器械中 只作成小容量的 功率约在8 750W之间 结构 与三相笼型异步电动机相仿 笼型转子 定子上只有一个单相工作绕组 缺点 单相异步电动机的体积较大 运行性能较差 一 单相异步电动机的工作原理 三相异步电动机产生旋转磁场 直流电机产生恒定磁场 单相交流绕组产生脉振磁势 可以分解为两个幅值相等 转速相同 转向相反的旋转磁势F 和F 在气隙中建立正转和反转磁场 和 产生正向和反向T 和T 如图4 62所示 这两个转矩叠加起来就是合成转矩T T 或T 的大小与转差率的关系和三相异步电动机是一样的 对正转磁场 对反转磁场 当s 0时 s 2 当s 0时 s 2 图4 62单相异步电动机的图4 63单相异步电动机的T s曲线磁场和转矩 主要特点 1 当转子静止 n 0 时 正 反向旋转磁场均以n1速度和相反方向切割转子绕组 在转子绕组中感应出大小相等而相序相反的电动势和电流 它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转矩 使其合成的电磁转矩为零 即起动瞬间 n 0 s s l 说明单相异步电动机无起动转矩 如不采取其他措施 电动机不能自行起动 注意 三相异步电动机电源断一相时 相当于一台单相异步电动机 故不能起动 2 当s l时 T 0 且T无固定方向 它取决于s的正负 若用外力使电动机转动起来 s 或s 不为1时 合成T不为零 这时若合成T大于负载TL 即使去掉外力 电动机也可以旋转起来 因此单相异步电动机虽无起动转矩 但一经起动 能够产生电磁转矩 便可达到某一稳定转速 而旋转方向取决于起动瞬间外力矩的方向 注意 三相异步电动机运行中断一相 电机仍能继续运转 但由于存在反向转矩 使合成T减小 当负载TL不变时 使转速下降 转差率上升 定 转子电流增加 从而使得电动机温升增加 3 由于反向转矩的作用 使合成转矩减小 最大转矩也随之减小 故单相异步电动机的过载能力较低 一个单相脉振磁势可以分解为两个幅值相等 转向相反的旋转磁势 但在转子转动后 转子绕组对反转磁场的去磁作用远大于对正转磁场的去磁作用 使合成的F 大于F F 和F 的合成磁势不再是一个脉振磁势 而是一个空间作正弦分布 幅值变动 非恒速旋转的椭圆形旋转磁场 图4 64椭圆形旋转磁场矢量表示法 二 单相感应电动机的主要类型和起动方法 为了使单相感应电动机能够产生起动转矩 关键是如何在起动时在电动机内部形成一个旋转磁场 根据获得旋转磁场的方式不同 也就是起动方法 单相感应电动机可分成下列几种主要类型 1 分相电动机2 电容电动机3 罩极电动机 1 分相电动机 只要在空间不同相的绕组中通以时间不同相的电流 其合成磁动势就是一个旋转磁动势 1 电阻分相电动机定子上嵌有两个单相绕组 一个为主绕组 或工作绕组 一个为辅助绕组 或起动绕组 两个绕组在空间相差90 电角度 接在同一单相电源上 离心开关S 启动绕组BY 工作绕组AX 图4 65分相式电动机的接线图图4 67电容分相电动机的正反转接线原理图 辅助绕组用较细的导线绕成 以增大电阻 而电抗比主绕组的小 匝数可以与主绕组相同 也可以不同 由于主辅绕组的阻抗不同 流过两个绕组的电流的相位也不同 一般使辅助绕组中的电流领先于主绕组中的电流 形成了一个两相电流系统 形成旋转磁场 产生起动转矩 通常辅助绕组是按短时运行设计的 为了避免辅助绕组长期工作而过热 在起动后 当电动机转速达到一定数值时 离心开关S自动断开 把辅助绕组从电源切断 由于主 辅绕组的阻抗都是感性的 两相电流的相位差不可能很大 不可能达到90 产生的旋转磁场椭圆度较大 起动转矩较小 起动电流较大 2 电容分相电动机 电容起动电动机 在结构上 它和电阻分相电动机相似 在辅助绕组中串入一个电容 电容选择恰当 有可能使辅助绕组中的电流领先主绕组电流接近90 则可建立一个椭圆度较小的旋转磁场 获得较大的起动转矩 电动机起动后 将辅助绕组从电源切断 电容器是短时工作的 一般可选用交流电解电容器 应用 空气压缩机 空调 电冰箱等要求较大起动转矩的装置 容量一般在几百瓦以下 2 电容电动机 电容运行电动机 在结构上与电容分相电动机一样 只是辅助绕组和电容器都设计成能长期工作的 实质上成了一台两相电动机 电容器要长期工作 一般选用油浸式电容器 特点 运行性能较好 电容电动机的电容量比电容分相电动机的小 起动转矩也小 因此起动性能不如电容分相电动机 注意 如何改变单相异步电动机的转向 欲使电动机反转 不能像三相异步电动机那样对调两根电源线来实现 必须对换电容器C的串联位置来实现 如图4 67所示 即改变SA的接通位置 就可以改变旋转磁场的方向 从而实现电动机的反转 洗衣机中的电动机 就是靠定时器中的自动转换开关来实现这种切换的 或者把定子两相中的任意一相绕组接到电源的两个出线端对调 3 罩极电动机 1 凸极式罩极电动机定子仍由硅钢片叠成 但做成有凸出的磁极 形状类似直流电动机的定子 如图4 67所示 每个极上装有集中绕组 称为主绕组 每个极的极靴上嵌入短路铜环 一般罩住极靴面积的1 3左右 当绕组中通以单相交流电时 产生一脉振磁场 一部分通过磁极的末罩部分 一部分通过短路环 在短路环中感生电动势 产生电流 根据楞次定律 该电流的作用总是阻止磁通变化 使通过短路环部分的磁通与通过磁极未罩部分的磁通在时间上不同相 并且总要滞后一个角度 产生一个椭圆度很大的旋转磁场 扫动磁场 扫动的方向由磁极未罩部分向着短路环方向 使电动机获得一定的起动转矩 因此 罩极电动机不能改变旋转方向 图4 67凸极式罩极电动机的结构示意图 2 隐极式罩极电动机定子铁心和一般三相感应电动机的定子铁心一样 但是在定子槽中嵌有两套绕组 即主绕组1和罩极绕组2 如图4 68所示 其中罩极绕组也可做成分布的 两个绕组在空间一般相距30 60 电角度 主绕组匝数多 导线细 罩极绕组导线粗 匝数少 一般为2 5匝 并且自行短路 相当于凸极式罩极电机的短路环 特点 结构简单 但起动转矩小 只能在很轻的负载下起动 多用于小型风扇 电唱机 录音机等 容量一般在几十瓦以下 A 工作绕组B 短路环 图4 67b罩极式电动机的定子 a 两极 b 四极 图4 68隐极式罩极电动机定子分布绕组的展开图 二 电磁调速异步电动机 是一种交流恒转矩无级调速电动机 由笼型异步电动机 电磁滑差离合器 测速发电机和控制装置组成 主要部分是电磁滑差离合器 一 电磁滑差离合器的结构实质上就是一台异步电机 由电枢和磁极两个旋转部分组成 1 电枢 主动部分 由铸钢制成的空心圆柱体 用联轴器与异步电动机的转子相连接 并随异步电动机一起转动 2 磁极 从动部分 磁极铁心和励磁线圈两部分组成 线圈通过滑环和电刷装置接到直流电源上或晶闸管整流电源上 磁极通过联轴器与机械负载直接连接 电枢和磁极之间在机械上是分开的 各自独立旋转 如图4 70 a 所示 图4 69电磁调速异步电动机结构图 图4 70电磁调速异步电动机的原理图 a 连接原理图 b 电磁滑差离合器工作原理图 二 电磁滑差离合器的工作原理1 磁极上的励磁绕组通入直流电流后产生磁场 电枢由异步电动机带动以n的速度旋转 此时电枢因切割磁场而产生涡流 方向用右手定则确定 2 涡流与磁场相互作用使电枢