第一章_异步电机及其拖动

第一章异步电动机及其拖动 第一节三相异步电动机机械特性的三种表达式 一 物理表达式 异步机每极磁通 二 参数表达式 由于异步电动机的电磁功率为 分子分母同乘以 1 s 即得 由异步电动机的近似等效电路 得异步电动机的机械特性参数表达式 临界转差率 使 即可求得 最大转矩 由于 起动转矩 起动转矩倍数 三 实用表达式 忽略R1得机械特性的实用表达式 第二节三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性 一 固有机械特性 固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下 电动机按规定的接线方法接线 定子及转子电路中不外接电阻 电抗或电容 时所获得的机械特性曲线 1 起始点A 2 额定工作点B 3 同步转速点H 4 最大转矩点P和P 二 人为机械特性 三 定子电路串联对称电抗 定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动 以限制电动机的起动电流 五 转子电路接入并联阻抗 由于转子电路参数可变 如果参数配合恰当 电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩 在右图上绘出了这样的人为机械特性 第三节三相异步电动机的各种运转状态 一 电动运转状态 电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同 回馈制动状态 当异步电动机由于某种原因 例如位能负载的作用 使其转速高于同步速度时 转子感应电动势反向 转子电流的有功分量也改变了方向 其无功分量的方向则不变 此时异步电动机既回馈电能 又在轴上产生机械制动转矩 即在制动状态下工作 当时 转子电流的有功分量为 转子电流的无功分量为 如果异步机定子脱离电网 又希望它能发电 则必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星形的三组电容器 这时电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率 即供给建立磁场所需要的励磁电流 电容器接成三角形时 电容器接成星形时 二 反接制动状态 1 转速反向的反接制动 2 定子两相反接的反接制动 为了迅速停车或反向 可将定子两相反接 工作点由A转移到B此时转差率为 在两相反接时 电动机的转矩为 T 与负载转矩共同作用下 电动机转速很快下降 这相当于图中机械特性的BC段 在转速为零的C点 如不切断电源 电动机即反向加速 进入反向的电动状态 对应于特性CD段 加速到D点时 电动机将稳定运转 实现了电动机的逆转过程 三 能耗制动状态 当K1断开 电动机脱离电网时 立即将K2接通 则在定子两相绕组内通入直流电流 在定子内形成一固定磁场 当转子由于惯性而仍在旋转时 其导体即切割此磁场 在转子中产生感应电动势及转子电流 根据左手定则 可确定出转矩的方向与转速的方向相反 即为制动转矩 各个电流之间有下列关系 得机械特性方程式 临界相对转速 三 运转状态小结 在正转方向 特性1与1 的第二象限为回馈制动特性 第四象限为反接制动特性 在反转方向 特性2与2 的第二象限为反接制动特性 而第四象限则为回馈制动特性 能耗制动电路的联结方法有所不同 其机械特性用曲线3与3 表示 第二象限部分对应于电动机正转 而第四象限则对应于反转 图中特性1 2 及3 对应于异步电动机转子有串联电阻时 而1 2及3则对应于没有串联电阻 转速逐级提升过程为 在空钩下放时也属电动状态 此时不但有空钩重量产生的位能力矩 而且有摩擦力产生的阻力矩 而阻力矩又比位能力矩大 将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩 二 反接制动状态 三 回馈制动状态 第四节根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数 一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据 而不给出电动机的定 转子等具体参数 为此必须用工程计算法计算 一般可查到下列技术数据 1 额定功率 kW 2 额定定子线电压 V 3 额定定子线电流 A 4 额定转速 r min 5 额定效率6 定子额定功率因数7 过载倍数8 飞轮惯量 9 对于绕线转子异步电动机 还给出两个转子数据 即a 转子额定线电动势 V b 转子额定线电流 A 10 对于笼型异步电动机 没有转子数据 但给出下列两个数据a 起动转矩倍数b 起动电流倍数 此外 还可能给出定子极对数p 定子绕组的接线方式 工作制 或定额 负载持续率 最高温升 或绝缘材料等级 等 额定频率我国为50Hz 即Hz 在已知上述数据的基础上 可用工程计算法计算异步电动机参数 解 第五节绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算 计算的方法是按已知条件 利用机械特性 一般是实用表达式 进行 计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点 2 从电动状态 图1中A点 时换接到反接制动状态 如果要求开始的制动转矩等于 图中C点 则转子每相应该串接多大电阻 3 如果该电动机带位能负载 负载转矩 要求稳定的下放转速r min 求转子每相的串接电阻值 解 考虑异步机的机械特性为直线 对于固有特性 对于人为特性 2 取 取 考虑机械特性为直线 3 取 时不能稳定运转 考虑机械特性为直线 例1 3 绕线转子异步电动机的铭牌数据同例1 2 设从额定点A换接到能耗制动状态的运行点E 见下图 如果要求制动转矩的开始值等于电动机的额定转矩 求转子每相的串接电阻 能耗制动时的接线如图 定子通入大小为的直流电流 假如电动机的空载电流 假定应考虑电动机磁路的饱和 解 查图10 21的曲线 当时 取 考虑能耗制动特性为直线 取 如果能耗制动特性为直线 转子电路不串电阻 则 例1 4 绕线转子异步电动机的技术数据同例1 2 如果使用能耗制动使电动机快速停车 要求保证最大制动转矩时 接线如图所示 假定桥式整流后电压与交流电压有效值之比为0 9 整流电压经电容滤波后增高30 试计算 1 直流励磁电路中的附加电阻 2 异步机转子电路每相应串接的电阻 解 1 查图10 21 当 2 第六节三相异步电动机的起动方法 一 三相笼型异步电动机的起动方法 一 直接起动 起动时 通过一些直接起动设备 把全部电源电压 即全压 直接加到电动机的定子绕组 显然 这时起动电流较大 可达额定电流的4 7倍 根据对国产电动机实际测量 某些笼型异步电动机甚至可达8 12倍 一般规定 异步电动机的功率低于7 5kW时允许直接起动 如果功率大于7 5kW 而电源总容量较大 能符合下式要求者 电动机也可允许直接起动 如果不能满足要求 则必须采用减压起动的方法 二 减压起动 1 电阻减压或电抗减压起动 2 自耦补偿起动 所以 通过自耦变压器 从电网吸取的电流降低为 3 星形一三角形 Y 起动 在起动时 先将三相定子绕组联结成星形 待转速接近稳定时再改联结成三角形 这样 起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的 由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的 而星形联结时两者则是相等的 因此 联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1 3 4 延边三角形起动 三 软起动方法 1 限流或恒流起动方法 用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流 主要用于轻载软起动 2 斜坡电压起动法 用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升 主要用于重载软起动 3 转矩控制起动法 用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升 起动的平滑性好 能够降低起动时对电网的冲击 是较好的重载软起动方法 4 转矩加脉冲突跳控制起动法 此方法与转矩控制起动法类似 其差别在于 起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩 然后转矩平滑上升 此法也适用于重载软起动 5 电压控制起动法 用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩 是较好的轻载软起动方法 二 三相绕线转子异步电动机的起动方法 一 转子串联电阻起动 电动机起动时 变阻器应调在最大电阻位置 然后将定子接通电源 电动机开始转动 随着电动机转速的增加 均匀地减小电阻 直到将电阻完全切除 待转速稳定后 将集电环短接 同时举起电刷 二 转子串联频敏变阻器起动 当电动机起动时 转子频率较高 频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大 值也因之较大 起限制起动电流及增大起动转矩的作用 随着转速的上升 转子频率不断下降 频敏变阻器铁心的涡流损耗及值跟着下降 使电动机起动平滑 第七节改善起动性能的三相异步电动机 一 深槽异步电动机 转子频率愈高 槽高愈大 集肤效应愈强 当起动完毕 频率仅为1 3Hz 集肤效应基本消失 转子导条内的电流均匀分布 导条电阻变为较小的直流电阻 二 双笼型异步电动机 这种异步电动机的转子上有两套导条 如图11 13a所示的上笼与下笼 两笼间由狭长的缝隙隔开 上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成 且导条截面较小 故电阻较大 下笼截面较大 用紫铜等电阻系数较小的材料制成 故电阻较小 第八节三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算 定子串联对称电阻起动 在此介绍的计算方法 或 按一般电动机的平均数值可令 当定子绕组为星形联结时 当定子绕组为三角形联结时 1 起动电流减小到直接起动时的一半 2 起动转矩减小到直接起动时的一半 解定子星形接法时 1 2 第九节三相笼型电动机起动自耦变压器的计算 自耦变压器容量 kV A 的计算公式如下 式中 电动机额定容量 kV A 电动机起动电流的倍数 自耦变压器的抽头电压 以额定电压百分数表示 n 起动次数 t 起动一次的时间 min T 最大起动时间 电动机起动时 自耦变压器的起动功率为 例1 6 电动机容量为 如直接起动时起动电流的倍数 按生产机械的要求 电动机起动时容许的最小电压为额定电压的60 设起动器起动次数n 3 每次起动的时间t 30s 0 5min 试计算并选择自耦变压器 选择最大起动时间T 2min的类型 可选择电压抽头65 时容量略大于的自耦变压器 其最大起动时间为2min 第十节三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算 一 图解解析法 为简化计算 异步电动机的机械特性可视为直线 一般取 为转子每相绕组电阻 二 解析法 所以 令 解 取 转子每相各段起动电阻为 转子每相串接总的电阻为 第十一节三相异步电动机的起动过程 一 图解法 其他三个比例尺系数根据图形尺寸而任意选择 而 二 解析法 当 电力拖动运动方程式为 代入机械特性的实用表达式 并考虑到 令 空载起动时间 求最短时的 令 得 在空载起动时 例1 8 某机床的主拖动电动机为双速电动机 其技术数据见表 控制线路设计为 起动分两级 第一级为自加速到接近1500r min 电动机定子绕组接成三角形联结 第二级为自1500r min左右加速到近3000r min 定子绕组换接成双星形 YY 联结 求第一级的起动时间 设拖动系统的飞轮矩为 解机床的拖动电动机为空载起动 起动时间为 第十二节三相异步电动机过渡过程的能量损耗 异步电动机定子与转子电路均有铜耗 则过渡过程的能量损耗为 粗略地可忽略I0 则 由于 则 一 空载起动过程电动机的能量损耗 空载起动时 二 空载反接制动过程电动机的能量损耗 空载反接制动时 三 空载能耗制动过程电动机的能量损耗 空载能耗制动时 四 减少异步电动机过渡过程能量损耗的方法 一 减少拖动系统的动能储存量 二 合理选择电动机的起 制动方式 三 合理选择电动机的参数 例1 9 一台四速异步电动机的四个同步转速为 3000 1500 1000及500r min 试计算空载直接起动 n 0 3000r min 和分级起动 n 0经500 1000 1500到3000r min 时电动机的能量损耗 如果电力拖动系统的转动惯量固定损耗可以忽略 解 1 空载直接起动时电动机的能量损耗 2 空载分级起动时电动机的能量损耗 空载分四级起动时电动机的能量损耗 第十二节三相异步电动机的调速 由异步电动机转速的表达式 一 变极调速 变极调速时 电动机的容许输出功率或转矩在变速前后的关系 输出功率为 在高 低速运行时 电动机绕组内均流过额定电流 这样在两种联结法下的转矩之比为 当定子绕组从一个三角形联结改成二个星形联结的并联时 极对数也减小一倍 也增加一倍 两种联结法的功率比为 二 变频调速 对于恒转矩调速 如果变频装置保证随成正比地变化 则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力 在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的 可见 恒转矩变频调速时 如能保持 定值 则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变 同时可满足磁通 基本不变的要求 在恒功率调速时 由此可见 在恒功率调速时 如能满足 定值的条件 调速过程中电动机的过载能力也能保持不变 但此时磁通将发生变化了 如果此时按恒转矩调速满足 定值的条件 则磁通将基本不变 但电动机的过载能力将在调速过程中改变 变频调速具有优异的性能 调速范围较大 平滑性较高 变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速 以适应不同负载的要求 低速时特性的静差率较高 是异步电动机调速最有发展前途的一种方法 三 能耗转差调速 1 转子电路串联电阻调速 在额定电压时 磁通定值 调速时 当转速降低 s增高 时 效率下降 转子损耗功率增高 故经济性不高 转子电路串联电阻的数值愈大 人为机械特性愈软 转子损耗功率为 输出功率为 调速时转子电路的效率为 2 改变定子电压调速 3 滑差电动机 一 电磁滑差离合器的调速原理 当绕组内有电流通过时 在电枢与感应子之间便有磁通相链 如图中虚线所示 当异步电动机带动电枢旋转时 电枢便以相应的转速在感应子所建立的磁场内旋转 于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中 根据电磁感应定律可知 电枢上将出现感应电动势 当感应子也旋转时 此感应电动势为 在此感应电动势的作用下 电枢内将出现涡流 其值为 涡流与感应子磁场相互作用力为 转矩为 如主动与从动部分间没有相对运动 即 则