电机拖动第5章3

第5章三相异步电动机的原理和特性 5 1三相异步电动机的基本结构与工作原理5 1 1基本结构 重点5 1 2工作原理 重点 难点5 1 3额定数据5 2异步电动机的基本方程式和等效电路5 2 1转子不转时的异步电动机 简介5 2 2转子旋转时的异步电动机 重点5 2 3笼形转子的极数 相数和参数的折合 不讲5 2 4简化等效电路 第5章三相异步电动机的原理和特性 5 3异步电动机的功率和转矩5 3 1三相异步电动机的功率 难点5 3 2三相异步电动机的转矩 难点5 4异步电动机的机械特性5 4 1机械特性的参数表达式 重点5 4 2固有机械特性 重点5 4 3机械特性的实用公式 重点5 4 4人为机械特性 重点5 5异步电动机的工作特性 不讲 5 4异步电动机的机械特性 5 4 1机械特性的参数表达式 重点5 4 2固有机械特性 重点5 4 3机械特性的实用公式 重点5 4 4人为机械特性 重点 5 4异步电动机的机械特性 1 定义三相异步电动机在电源电压U1 电源频率f1以及电动机参数固定的条件下其电磁转矩T与转子转速n之间的关系定义为三相异步电动机的机械特性2 表示方法 1 函数表示法T f n 或T f s 2 曲线表示法T s曲线 直流电动机T n曲线 5 4 1机械特性的参数表达式 三相异步电动机电磁转矩T的物理表达式已知但没有直接反映T f n 若用式 5 73 确定不同转速下 相应的T计算过程过于麻烦 这里不采用而是利用下面方法得到T f s 5 4 1机械特性的参数表达式 再利用图5 22所示的三相异步电动机简化等效电路得到转子电流有效值为 5 4 1机械特性的参数表达式 因为 所以可将 5 75 代入 5 74 得 5 4 1机械特性的参数表达式 当固定异步电动机的定子电压U1电源频率f1电机参数p 改变转差率s就能按上式算出对应的电磁转矩T 5 4 2固有机械特性 1 定义2 三相异步电动机的固有机械特性曲线3 三种运行状态4 四个特殊点5 三个重要转矩6 异步电动机的稳定运行问题 5 4 2固有机械特性 1 定义若三相异步电动机定子加额定电压 额定频率转子回路本身直接短路不另串电阻或电抗这种情况下电动机的机械特性称为固有机械特性 2 三相异步电动机的固有机械特性曲线 如右图所示 机械特性不是一条直线而是一条非线性曲线 0 T s 0 1 0 2 0 n n1 n1 电源正相序 电源负相序 3 三种运行状态 该曲线反映不同状态 0n1第 象限 T负 n正回馈制动运行状态即发电状态s 1或n 0第 象限 T正 n负电磁制动运行状态 0 T s 0 1 0 n n1 回馈制动 电动运行 电磁制动 4 四个特殊点 以正转为例 1 起动点Q转速n为0 s 1 电磁转矩是堵转转矩TS定子电流为堵转电流IS 2 额定工作点N转速是额定转速nN转差率为额定转差率sN电磁转矩为额定转矩TN电流为额定电流IN 0 TS T s 0 1 0 n n1 sN 4 四个特殊点 3 同步速点H转速为同步转速n1 s 0 电磁转矩T为零定子电流为励磁电流I0转子绕组里没有电流 4 最大电磁转矩点P和P P点是电动状态时的最大电磁转矩点P 点是异步发电 回馈制动 状态时的最大电磁转矩点 0 TS T s 0 1 0 n n1 sN 5 三个重要转矩 额定转矩TN电动机在额定负载时转矩叫做额定转矩用TN表示最大转矩Tm电机带动最大负载的能力堵转转矩 起动转矩 TS当s 1 即n 0 时的转矩叫做堵转转矩用TS表示 Tm 0 TN TS Tm T s sm 0 sm 1 0 n n1 nN H N P Q P sN 1 额定转矩TN 电动机在额定负载时的转矩叫做额定转矩 用TN表示PN已知 TN公式 1 额定转矩TN PN未知 TN公式 2 最大转矩Tm 电机带动最大负载的能力将式 5 76 对转差率s求导并令可得 2 最大转矩Tm 式中 Tm 异步电动机的最大转矩sm 最大转矩对应的转差率 又称为临界转差率 号 用于电动状态 号 用于发电状态 2 最大转矩Tm 在一般情况下如果忽略R1的影响 sm和Tm可以近似表示为 的值不超过的5 2 最大转矩Tm 可见 sm与R2有关 适当使R2 sm n 对绕线式电机改变转子附加电阻R2 可实现调速Tm与R2无关 sm与电压大小无关 过载倍数 或称过载能力 km 最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数 也叫过载能力 用km表示普通中小型三相异步电动机的过载倍数km 2 0 2 2起重 冶金机械用的三相异步电动机的过载倍数km 2 2 2 8 3 堵转转矩 起动转矩 TS 当s 1 即n 0 时的电磁转矩叫做堵转转矩 用TS表示将s 1代入式 5 76 得到堵转转矩为可见 TS与R2有关 适当使R2 TS 对绕线式电机改变转子附加电阻R2 可使TS Tm若TS T2电机能起动 否则不能起动 堵转转矩倍数kS 异步电动机堵转转矩TS与额定转矩TN之比称为堵转转矩倍数 用kS表示堵转转矩倍数kS的大小反映了电动机起动负载的能力堵转转矩倍数设计得越大电动机起动就越快电机的成本也随之增加 堵转转矩倍数kS 对于Y系列小型笼型三相异步电动机其堵转转矩倍数kS 1 7 2 2对于三相绕线转子异步电动机可以通过在转子回路中串入电阻来改变堵转转矩的大小这部分内容将在转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性中介绍 6 异步电动机的稳定运行问题 当0 s sm时机械特性下斜拖动恒转矩负载和泵类负载都能稳定运行当sm s 1时机械特性上翘拖动恒转矩负载不能稳定运行 Tm 0 TN TS Tm T s sm 0 sm 1 0 n n1 nN H N P Q P sN 6 异步电动机的稳定运行问题 拖动泵类负载需满足稳定运行的充要条件T TL且即可以稳定运行 Tm 0 TN TS Tm T s sm 0 sm 1 0 n n1 nN H N P Q P sN 6 异步电动机的稳定运行问题 因此 异步电动机应长期稳定运行在0 s sN范围内正常情况下电动机都工作在特性曲线的HN段HN段比较平坦称为硬特性 Tm 0 TN TS Tm T s sm 0 sm 1 0 n n1 nN H N P Q P sN 5 4 3机械特性的实用公式 前面分析异步电动机的机械特性是基于电动机参数为已知的前提实际使用中 往往不知道电动机的参数那如何得到机械特性呢 最好的办法 从异步电动机产品目录中所给的数据大致求出机械特性为此要用到机械特性的实用公式 5 4 3机械特性的实用公式 1 实用公式的表达式2 实用公式的应用1已知TL 先求s 再求n3 实用公式的应用2已知s 或n 求T4 关于实用公式的说明 1 实用公式的表达式 通过推导 推导过程从略 求得的机械特性的实用公式如下 式中 Tm和sm可以从异步电动机产品目录中的有关数据 根据相关公式求出 求取Tm的过程 根据电机的额定转速nN 额定功率PN和过载倍数km求取Tm和sm的过程如下 额定转矩式中 忽略空载转矩T0最大转矩 求取sm的过程 额定转差率把TN sN Tm和km代入实用公式 5 85 可得sm的计算公式 舍去 2 实用公式的应用1 已知TL 先求s 再求n 当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时就可以把T TL代入实用公式由上式可解得电动机运行时的转差率s进而得到电动机的转速n 3 实用公式的应用2 已知s 或n 求T 如果是三相异步电动机的转差率s 或转速n 已知把它代入机械特性的实用公式可求得电动机的电磁转矩 4 关于实用公式的说明 实用公式形式简单 使用方便但只适用于一定的范围内 如0 s sN如果用它计算三相异步电动机的堵转转矩 则误差较大 例题5 4 P149 例题5 4一台三相异步电动机的额定功率PN 30kW额定电压UN 380V额定转速nN 980r min过载倍数km 2 1求 1 该电动机电磁转矩的实用公式 2 当s 0 015时的电磁转矩 3 电动机拖动200N m负载时的转速 例题5 4 P149 解 1 额定转差率为临界转差率为 例题5 4 P149 额定电磁转矩为最大转矩为所以 该电动机电磁转矩实用公式为 例题5 4 P149 2 当s 0 015时 电磁转矩为 例题5 4 P149 3 当T TL 200N m时 电动机的转差率为电动机的转速为 5 4 4人为机械特性 1 降低定子电压U1的人为机械特性2 定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性3 定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性4 转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性 1 降低定子电压U1的人为机械特性 n1 sm都将保持不变U1 Tm TS T n s U1 0 8U1 0 6U1 n1 0 1 0 0 图5 27降低U1时的人为机械特性曲线 特点 同步转速n1 最大转矩对应的转差率sm都将保持不变最大转矩Tm以及堵转转矩TS都要随U1的降低而按U1的平方规律减小拖动额定负载时 降低U1电动机不能长时间运行 2 定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性 a 接线图 b 等效电路 图5 29定子回路串电阻的人为机械特性曲线 n1保持不变Rf Tm TS sm 1 0 0 n n1 0 TS TS s T R1 R1 Rf 特点 同步转速n1保持不变最大转矩Tm 堵转转矩TS以及sm都随串入电阻Rf的增大而减小方法简单 设备投资少电能消耗较大 3 定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性 接线图 等效电路 图5 30 b 定子回路串电抗的人为机械特性曲线 n1保持不变Xf Tm TS sm n n1 0 TS TS s T X1 X1 Xf 1 0 0 特点 同步转速n1保持不变最大转矩Tm 堵转转矩TS以及sm都随串入电抗Xf的增大而减小比定子串电阻方法节省电能电抗器设备成本高 4 转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性 接线图 等效电路 图5 31 b 转子回路串电阻的人为机械特性曲线 n1 Tm保持不变RS sm TS随RS变化情况 sm1 RS TS 0 TS TS TS s T 1 0 0 TS sm n n1 R2 R2 RS1 R2 RS2 R2 RS3 特点 同步转速n1 最大转矩Tm保持不变sm随串入电阻的增加而增大堵转转矩TS随串入电阻的变化情况如下 当sm1时 TS随串入电阻的增加反而减小 最大转矩Tm 临界转差率sm 堵转转矩TS计算公式 本章小结 三相异步电动机的基本结构定子的组成转子的组成三相异步电动机的工作原理简述工作原理三相异步电动机产生旋转磁场 同步转速 极对数 极数 本章小结异步电动机的转差率 根据s不同区分各种状态0n1第 象限 T负 n正回馈制动运行状态即发电状态s 1