第7章 三相异步电机的电力拖动

三相异步电动机的各种起动 调速和制动方法 各种方法的工作原理与相应的机械特性 主要内容 以稳态机械特性n f Tem 为手段 研究如何通过改变电压 频率 定转子的绕组参数 转差率 极对数等实现三相异步电动机的起动 调速和制动 研究方法 7 1三相异步电动机的起动 1 对三相异步电动机起动过程的要求 要足够大 不能太大 以避免因起动造成对电网的冲击 起动时间要尽量短 经济性 起动设备简单 起动过程中能量消耗低 2 异步电动机的起动分析 7 1 由参数表达式得异步电机起动时 于是有 7 2 异步电机直接起动时起动电流很大 而起动转矩并不大 3 为什么大中容量的电动机不能直接起动 直接起动时 起动电流大 启动转矩小 过大的起动电流会造成电动机本身发热 影响寿命 同时过大的起动电流会因变压器供电容量的限制 造成电网电压下降 影响周围设备的正常运转 甚至造成电机自身不能起动 4 如何解决异步电机的起动问题 解决问题的关键之一在于如何降低起动电流 由电机的起动电流的参数表达式可得 降低起动电流有两种办法 降低定子电压U1 增加转子回路电阻r2 5 三相鼠笼型异步电机的起动方法 直接起动 全压起动 降压起动 高起动性能的特殊笼型异步电机 星 三角形降压起动 延边三角形角形降压起动 电阻降压起动 电抗器降压起动 自耦合变压器降压起动 晶闸管降压软起动 A 三相鼠笼式异步电动机的直接起动 对于的异步电动机可以直接起动 若下列条件满足 则电动机可以采用直接起动 对于额定功率超过的异步电动机 可以根据下式来确定是否可以直接起动 摘自 钢铁企业电力设计手册 下册ch24 摘自 钢铁企业电力设计手册 下册ch24 摘自 钢铁企业电力设计手册 下册ch24 摘自 钢铁企业电力设计手册 下册ch24 1 星 三角 降压起动 图7 3起动时的电流和电压之间的关系 B 三相鼠笼式异步电动机的降压起动 结论 采用降压起动时 电网所承担的起动电流和起动转矩均为直接起动时的 起动电流降低为直接起动的1 3 起动转矩也降低为直接起动的1 3 这种方法设备简单 价格便宜 但是只有一种起动电压 只适用于轻载或空载的场合 且电动机正常运行时为 接法 Y 降压起动的特点 Y 降压起动的接线图 2 延边三角形降压起动 是在星 三角降压起动的基础上加以改进的一种方式 适用于具有9个出线端的低压笼型电动机 起动时接触器KM1和KSC闭合 KM2断开 b绕组结成三角形 a绕组接成星形 起动完毕 KM1和KM2闭合 KSC断开 定子绕组接成三角形运行 延边三角形降压起动的接线图 3 自耦变压器的降压起动 三相异步电动机起动时 开关K位于起动侧 三相异步电动机起动结束时 开关K切换至运行侧 与额定电压直接起动相比 降压起动时定子绕组的电压降为 于是有 其中 为定子电压时的起动电流 为定子电压时的起动电流 自耦合降压启动时电源的输出电流 忽略激磁电流 由变压器的磁势平衡方程式得 结论 与直接起动相比较 采用自耦变压器降压起动时 电压减低倍 则起动电流和起动转矩均降低倍 采用自耦变压器降压起动起动电压降低为倍 原边起动电流和电动机起动转矩降低为倍 比起Y 起动更加灵活 但自耦变压器体积大 价格高 不能带重载起动 自耦变压器降压起动的特点 自耦变压器降压起动的接线图1 自耦变压器降压起动的接线图2 传统降压起动方法的不足 异步电动机各种起动方法下的电流波形 在转子升至一定转速时均需切换至全压正常运行 切换时刻把握不好不仅会造成起动过程的不平滑 而且也会引起起动过程中的两次电流冲击 直接起动 一级降压起动 软启动 C 三相鼠笼式异步电动机的软起动 电子式软起动器的设定曲线 或目标函数 主要采用的几种形式 斜坡电压起动 voltagerampstart 斜坡电流起动 currentrampstart 阶跃起动 恒流软起动currentlimitstart 脉冲冲击起动 脉冲恒流软起动kickstart 斜坡电压起动 斜坡电流起动 阶跃起动 脉冲阶跃起动 图7 5异步电动机软起动器的组成框图 工作原理 在起动过程中 通过控制移相角来调节定子电压 并采用系统闭环限制起动电流 确保起动过程中的定子电流 电压或转矩按预定函数关系 或目标函数 变化 直至起动过程结束 然后将软起动器切除 使得电动机与电源直接相连 起动电流小 对电网无冲击电流 减小负载的机械冲击 起动电压及其上升斜率 起动时间可根据负载进行调节 实现电机平稳起动 可实现电动机软停车 软制动以及短路保护 缺相保护 过热保护 欠压保护等 电动机轻载或空载时 输出电压能随负载而变化 实现节能运行 起动过程中的谐波对电网产生影响 当重载或满负荷运转时 起动转矩大于额定转矩60 的拖动系统 起动电流大 软起动器容量大 成本高 异步电动机软起动的特点 D 高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机 基本思想 通过适当增大起动时转子导条的电阻 达到既降低起动电流又提高起动转矩的目的 1 直接增大转子电阻的鼠笼式异步电动机 为了增大转子电阻 转子导条不是采用纯铝 而是改用电阻率较高的铝合金浇注 由于其正常运行时的转差率比一般鼠笼式异步电动机高 故又称为高转差率鼠笼异步电动机 如 JHO2高转差率异步电动机和JZ2起重冶金用异步电动机 特点 转子电阻大 则直接起动时的起动转矩和最大转矩均增大 但同时额定转差率较大 机械特性较软 高转差率异步电动机适用于要求起动转矩较大或者带冲击性负载的机械 例如剪床 冲床和锻压机 2 深槽鼠笼式异步电动机 图7 6深槽式鼠笼异步电动机转子导条及电流分布 基本思想 利用集肤效应 起动时转子感应电流的频率较高 使得电流主要集中在槽口处 导致转子电阻加大 从而限制了起动电流 并且增大了起动转矩的目的 而正常运行时 由于转子频率较低 集肤效应基本消失 则转子电阻恢复 从而确保了正常运行时异步电动机的效率 3 双鼠笼式异步电动机 转子绕组采用上 下鼠笼式结构 如图7 7所示 上笼采用电阻率较大的材料如黄铜 且截面积较小 下笼采用电阻率较小的材料如紫铜 且截面积较大 利用集肤效应 起动时因转子频率较高 使得转子电流主要集中在电阻较大的上笼 或起动笼 正常运行时 转子频率较低 转子电流主要集中在电阻较小的下笼 或运行笼 6 三相绕线式异步电动机的起动 绕线式异步电动机的起动主要靠转子回路外串电阻的起动方法 1 转子串电阻的分级起动 K3闭合 切除R 3 K2闭合 切除R 2 K1闭合 切除R 1 2 转子串频敏变阻器的起动 图7 10频敏变阻器的结构与等效电路 利用涡流效应 在起动时 转子电流的频率较高 铁心内的涡流损耗与频率的平方成正比 等效铁耗电阻自然较大 从而既限制了起动电流 又达到了提高起动转矩的目的 随着转速升高 转子电流的频率下降 铁心内的涡流损耗以及相应的也随着下降 从而确保了绕线式异步电动机的平滑起动 起动过程结束后 可通过集电环将频敏变阻器短接后切除 频敏变阻器启动器接线图 线绕式异步电动机转子串频敏变阻器起动具有结构简单 运行可靠 价格便宜 维护方便 能自动操作等优点 因此目前获得了十分广泛的应用 可得到最大的起动转矩 但起动设备复杂 操作维修不便 特别是大容量电机 转子电流大 切换电阻时转矩变化大 对机械传动机构冲击大 同时需要较多的电阻器 开关元件等 设备投资大 绕线式三相异步电动机转子绕组串电阻分级启动特点 绕线式三相异步电动机转子绕组串频敏变阻器分级启动特点 异步电动机起动方式总结 鼠笼型异步电机起动方法 绕线转子异步电机起动方法 直接起动 降压起动 高起动性能特殊笼型异步电机 转子回路外串三相对称电阻起动 转子串电阻分级起动 转子串频敏变阻器起动 自耦合变压器降压起动 Y 降压起动 定子串电阻降压起动 软起动 延边三角形降压起动 1 在一般情况下交流电动机频繁起动时 配电母线上的电压不宜低于额定电压的 A 80 B 85 C 90 D 95 2 在一般情况下交流电动机不频繁起动时 配电母线上的电压不宜低于额定电压的 A 80 B 85 C 90 D 95 3 交流电动机起动时 配电母线上未接照明或对电压波动敏感的负荷 且电动机不频繁起动时 配电母线上的电压不宜低于额定电压的 A 80 B 85 C 90 D 95 以上三题依据 通用用电设备配电设计规范 GB50055 20082 3 2条款规定 4 以下不能作为笼型异步电动机起动方式的是 A 自耦合变压器降压起动B 电抗器减压起动C 转子串电阻起动D 星 三角降压起动5 交流电动机中起动电流最平稳是 A 全压起动B 软启动C 定子串电阻起动D 星 三角降压起动6 关于交流电动机采用自耦合变压器降压起动的特点 下列叙述正确的是 多选 A 起动电流较小 起动转矩较小B 起动电流较小 起动转矩较大C 高 低压电动机均适用D 起动电流较大 起动转矩较小 7 不能采用Y 降压起动方式 多选 A 中型并励直流电动机B 定子绕组额定电压为380V 定子绕组具有6个出线头的异步电动机C 定子绕组接为Y型 定子绕组具有3个出线头的异步电动机D 高压同步电动机8 对于低压电动机Y 降压起动方式的特点 以下描述正确的是A 起动电流小 起动转矩小B 适用于重载起动场合C 起动电流大 起动转矩大D 适用于空载或轻载起动场合9 对于延边三角形降压起动方式的特点 以下叙述正确的是 多选A 起动电流小 起动转矩较大B 延边三角形降压起动的电动机正常运行时定子绕组接成三角形C 起动电流大 起动转矩较小D 定子绕组可以设计成不同的抽头比例 以获得较高的起动转矩 10 可以用于绕线型异步电动机的全压启动方式A 转子回路串电阻分级起动B 电枢回路串电阻起动C 延边三角形起动D 转子回路串频敏变阻器起动11 下列起动方式中 不能用于直流电动机的起动方式有A 变频起动B 自耦合变压器减压起动C 串电抗器减压起动D 串电阻降压起动12 在选择和校验笼型电动机的启动方式时 通常要考虑的因素有 多选A 起动时对电网造成的压降不应超过规定的数值 B 电动机的起动转矩应大于传动机械的静阻转矩 C 当生产机械有调速要求时 电动机的起动方式应与调速方式相配合 D 起动时应保证起动设备的动稳定性和热稳定性 7 2三相异步电动机的调速 调速方式分类 变极调速 变频调速 改变转差率调速 1 改变定子电压的调压调速 2 绕线式异步电动机的转子串电阻调速 3 电磁离合器调速 4 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速 直流调速系统的缺点 1 直流电动机有电刷与换向器 需要定期检查 调整和更换以及碳刷灰要清理 增加日常维护工作量和经营费用 2 电刷和整流子间经常产生火花 且对周围空气的含尘量及温度均有要求限制了直流电动机的安装环境 易燃易爆以及环境恶略场所不能使用 3 由于换向器能力限制 直流电动机的最大转速和功率之积受限 约为106KW r min 要求制造大容量 高转速以及高电压的直流电动机比较困难 4 与同容量 转速的交流电动机相比 体积大 质量大 转动惯量大 价格高 5 效率低 比交流电机低2 3 本身损耗多 切冷却电机本身需要电能多 1 变极调速 两个半相绕组首尾顺次连接 两个半相绕组首首尾尾连接 半相绕组电流方向变化 极对数发生改变 两种典型的变极接线方法 a Y YY接变极调速 对于三相异步电动机 为了确保变极前后转子的转向不变 变极的同时必须改变三相绕组的相序 变极前后电动机的输出转矩 Y YY接变极调速属于恒转矩调速方式 假定变极调速前后定子的功率因数 效率均不变 为了确保电动机得到充分利用 每半相绕组中的电流应均为额定值 变极前后电动机的输出功率 这种调速方式多用于传送带和起重机类负载 Y YY接变极时 电机参数发生变化 极对数2PP 定子绕组电阻由r1r1 4 1 比较最大电磁转矩 2 比较起动转矩 3 比较临界转差率 4 Y YY变极调速的机械特性 b YY接变极调速 变极前后 线电压保持不变 线电流 2IN 假定变极调速前后电机的功率因数 效率均不变 并设每半相绕组中的电流均为额定值 则 YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系 YY接变极调速的机械特性 双速变极电机接线 三速 8 6 4 2 变极电机接线图 四速 12 6 8 4 变极电机接线图 三速变极电机主回路与控制回路接线 双速变极电机主回路与控制回路接线 双速8 46 48 612 6750 15001000 1500750 1000500 1000 三速6 4 28 4 28 6 41000 1500 3000750 1500 3000750 1000 1500 四速12 6 8 4500 1000 750 1500 2 变频调速 f1 n 基频以上调速 基频以下调速 a 基频以下的变频调速 由 fN 基频以上调速 基频以下调速 磁饱和 励磁电流增加 恒压频比控制 对变频调速的要求 1 主磁通 以防止定子铁心过饱和 2 电动机的过载能力 或最大电磁转矩 尽可能保持不变 a 保持 常数 的机械特性 与频率无关 即过载能力不变 与频率无关 即机械特性硬度不变 代入 不同频率下机械特性曲线 机械特性曲线平行 b 保持 常数的机械特性 由异步电机机械特性的参数表达式得 f1Temax f1Temax 由上式可见 的降低是由定子绕组电阻的影响所致 尤其是当低到使得可以与相比较时 下降严重 f1 增加 Temax降低 增加U1 f1的值 Temax升高 Temax保持不变 提高低频时的 c 调速性质的分析 基频以下的变频调速属于恒转矩调速 输出功率正比于定子频率 或转速 保持不变 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩 输出功率与频率之间的关系 d 基频以上的变频调速 机械特性 最大电磁转矩 临界转差率 对应于最大转矩时的转速降 与频率无关 三相异步电动机变频调速时的典型机械特性 基频以上调速 与频率无关 机械特性硬度不变 调速性质的分析 基频以下为恒转矩调速 基频以上为恒功率调速 变频调速过程中 异步电动机机械特性的硬度保持不变 调速范围宽 频率连续可调 可以实现无级调速 恒功率调速 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩 输出功率与频率之间的关系 1 基频以下为恒转矩调速 基频以上为恒功率调速 3 变频调速过程中 异步电动机机械特性的硬度保持不变 调速范围宽 2 频率连续可调 可以实现无级调速 3 改变转差率的调速 a 改变定子电压调速 带恒转矩负载的调速范围小 带载能力差 带风机泵类负载的调速范围较大 随着定子电压的降低 电机的机械特性变软 如何改善鼠笼型异步电机的调速性能 1 采用高转差率电机可以扩大其调速范围 高速运行时 转差率较大 运行效率较低 低速运行时 由于降低了供电电压 为保持恒转矩负载 要求电机电磁转矩很大 需要更大的电流 应注意过热的问题 另外低速运行机械特性很软 工作点不稳定 转速稳定性差 2 采用转速闭环的方案提高机械硬度 3 将调压调速与变极调速结合 适用场合 就调压性能和操作的便利性而言 晶闸管调压是目前交流调压调速的主要形式 其主要应用于调速范围和精度要求不高 长时间处于中高速运行状况下的普通小容量笼型异步电动机 晶闸管交流调压电路联接 带中线的星形联接 不带中线的星形联接 无中线半控型星形联接 开三角形联接 星形中心控制联接 b 电磁滑差离合器调速 滑差离合器电动机又称为 电磁调速电动机 1 滑差离合器的工作原理 利用右手定则判断电枢导体切割转子磁场产生的感应电流的方向 利用左手定则判断电枢导体在转子磁场中受到的电磁力的方向 利用牛顿定律判断转子受到的反作用力的方向 2 电磁滑差离合器的机械特性 随着直流励磁电流的增大 相同转速条件下滑差离合器输出的电磁转矩增大 改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速 随着转速的降低 机械特性变软 调速范围窄 3 滑差电机的闭环调速系统 电磁滑差离合器调速具有控制装置容量小 运行相对可靠 维护简便等优点 但速度损失大 一般输出轴最大转速仅为笼型电动机转速的75 90 转差功率损失大 高速区调速机械特性软 调速范围有限等缺点 国产电磁调速异步电动机主要为YCT及其派生系列 控制器为JD1系列 大多带测速发电机构成转速负反馈闭环调速系统 调速误差一般在1 3 运行较平稳 调速范围 10 30 1 广泛应用于冶金 纺织 化工造纸和塑料加工领域 尤其适用于变转矩的离心泵 风机等递减转矩机械负载进行调速 电磁滑差离合器调速的特点 d 绕线式异步电动机的转子串电阻调速 外加转子电阻越大 则转子转差率越大 转速越低 1 调速性质的分析 电源电压保持不变 调速过程中充分利用电动机的绕组 调速过程中负载转矩保持不变 绕线转子异步电机转子串电阻调速的一些结论 1 2 适用恒转矩负载 3 转子回路电阻增大 转差率增大 转速降低 4 调速时同步速不变 只能在同步速以下调节 随着转速的降低 机械特性变软 降低了静态调速精度 定子降压调速 转子串电阻调速 滑差离合器调速 转子的转差功率都消耗在转子电阻上 通过损耗的改变 实现了调速 因此调速效率很低 转差功率消耗型调速方式 e 绕线式异步电动机的串级调速与双馈调速 双馈调速 sPem sPem sPem sPem 跳转到异步电动机的制动 e 绕线式异步电动机的串级调速与双馈调速 在转子回路中引入附加电势Ead 频率与E2相同 相位相反或相同 幅值可变 一相转子电流 当带恒转矩负载时 转子电流I2不变 s1未串入反相附加电势Ead的转差率 s2串入反相附加电势Ead的转差率 过渡过程分析 I2Temnss s2 s1 Ead n 串入反相附加电势Ead瞬间 如何物理实现附加电势Ead的引入 附加电势Ead的频率与E2相同 相位相反或相同 幅值可变 串极调速是一种在转子侧引入一个变频 变幅值电压的调速方法 变频器 逆变器 sPem sPem K1k2分别为整流器和逆变器的电压整流系数 Ui为逆变器的输出电压 Ud为整流器的输出电压 为逆变器的逆变角 U2T为逆变器的次级输入相电压 Ui Uad 机械惯性 n来不及变化 Ud不变 Id I2 n sE20 Ud Id 达到新的平衡 串级调速功率流程图 逆变角 回馈功率sPem减小 回馈功率sPem增大 S减小 n升高 S增大 n降低 增加 减小 7 3三相异步电动机的制动 1 能耗制动 问题1 能否采用和直流电机能耗制动一样的方法实现交流电机的能耗制动 3 撤出三相定子电源 在转子回路传入三相对称电阻 fem fem a 异步电机的能耗制动原理图 跳转到机械特性 b 能耗制动时三相异步电动机的机械特性计算 定子直流合成磁势为 假设我们能用等效旋转磁场的磁势等效此直流磁势 就可以借助于异步电机的参数表达式来分析能耗制动的机械特性 1 幅值等效 产生旋转磁场的三相对称电流的一相等效电流 2 等效前后磁场与转子的相对速度不变 相对定子的转速为同步速度 相对转子的转速为 3 能耗制动时的等效电路 4 能耗制动时三相异步电动机的机械特性表达式 忽略铁耗 rm 0 改变转子电阻的大小 可以改变制动转差率的大小 能耗制动时 改变直流励磁电流的大小 可以改变最大制动转矩 改