三相异步电动机的启动与制动ppt课件

三相异步电动机的启动与制动 返回总目录 三相异步电动机直接起动三相鼠笼式异步电动机降压起动高启动转矩的三相鼠笼式异步电动机绕线式三相异步电动机的启动三相异步电动机的各种运行状态本章小结 本章内容 8 1三相异步电动机直接起动 三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压 定子回路不串任何电器元件时的起动 三相异步电机的起动要满足生产机械对异步电动机起动性能的要求起动转矩要大 以保证生产机械的正常起动 缩小起动时间 起动电流要小 以减小对电网的冲击 8 1三相异步电动机直接起动 由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道 在额定电压下直接起动三相异步电动机 即转差率S 1 主磁通 额定磁通的1 2 功率因数cos很小 造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果 例如 对于普通鼠笼式异步电动机 起动电流 4 7 IN 为起动电流倍数 起动转矩 TN 0 9 1 3 对于绕线式三相异步电动机的起动转矩TS TN 8 1三相异步电动机直接起动 起动电流过大 对电网冲击大 使电网电压降低 对电机前端供电变压器影响大 使得变压器输入电压幅度下降 超过了额定值的允许偏差 10 或更严重 这样 一方面影响了异步电机本身 由于Tst与电压U的平方成正比 导致Tst下降更多 当重载时电机将不能起动 另一方面 影响由同一台供电变压器供电的其它负载 如电灯会变暗 用电设备失常 重载的异步电机可能停转等 下面两种情况不能直接启动 变压器与电机容量之比不足够大 启动转矩不能满足要求 8 1三相异步电动机直接起动 综上所述 三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大 电动机容量小于的小容量鼠笼式异步电机 对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法 1 降低定子电压 2 加大定子端电阻或电抗 3 对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法 对于鼠笼式异步电机 可以结构上采取措施 如增大转子导条的电阻 改进转子槽形 8 1三相异步电动机直接起动 为方便起见 列出起动电流和起动转矩的表达式为 总结直接起动即全压起动 全压起动条件 1 异步电动机功率低于7 5KW2 直接起动时的影响 1 起动电流较大 可达额定电流的4 7倍 甚至达到8 12倍 2 过大的起动电流造成电机过热 影响电动机的寿命 3 过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击 绕组变形可能造成短路而烧毁电动机 4 过大的起动电流会使电网线路电压降增大 对同一线路中的其他电器设备造成影响 8 2三相鼠笼式异步电动机降压起动 1 定子串接电抗器或电阻起动 1 接线原理图三相鼠笼式异步电机在定子回路中串接电抗器 可改接电阻器 但能耗较大 适用于较小容量电机 降压起动的接线原理图如图所示 三相异步电机定子串电抗起动 即开关2K接到 起动 端 使起动时电抗器接入定子回路 起动后 切除电抗器 即开关2K接到 运行 端 图8 鼠笼式异步电动机的串电抗器起动 8 2三相鼠笼式异步电动机降压起动 2 起动电流和起动转矩的分析与计算三相异步电动机定子串电抗器X起动时的简化等值电路由如图 a 的直接起动变为图 b a b 8 2三相鼠笼式异步电动机降压起动 式中的短路阻抗在电动机设计后 电抗器因此 且分析中 因误差不大 则不考虑阻抗角的作用 设串电抗时 电动机定子电压与直接启动时电压比值为 则 工程实际中 往往先给定线路允许电动机启动电流的大小 在计算电抗X的大小 计算公式推导如下 8 2三相笼型异步电动机的起动 2 星形 三角形 Y 降压起动 方法 起动时定子绕组接成Y形 运行时定子绕组则接成 形 其接线图如图示 对于运行时定子绕组为Y形的笼型异步电动机则不能用Y 起动方法 适用于正常运行时接成 的电机 是普通机床上常用的起动方法起动 Y正常运行 a 直接起动 形接法 b Y 起动 Y形接法 图8 4Y 起动电流分析图 a 直接起动 形接法 b Y 起动 Y形接法 起动时 起动时Y 8 2三相笼型异步电动机的起动 Y 起动时 起动电流与直接起动时的起动电流的关系 注 起动电流是指线路电流而不是指定子绕组的相电流 电动机直接起动时 定子绕组接成 形 如图8 4 a 所示 每相绕组所加电压大小为U1 UN 即为线电压 每相绕组的相电流为 则电源输入的线电流为Is 8 2三相笼型异步电动机的起动 Y形起动时每相绕组所加电压为 电流则所以可见 Y 起动时 对供电变压器造成冲击的起动电流是直接起动时的1 3 即 直接起动时起动转矩为 Y 起动时起动转矩为 则Y 起动时起动转矩也是直接起动时的1 3 Y 起动比定子串电抗器起动性能要好 可用于拖动TL 的轻载起动 a 直接起动 形接法 b Y 起动 Y形接法 Y 起动方法简单 价格便宜 因此在轻载起动条件下 应优先采用 我国采用Y 起动方法的电动机额定电压都是380V 绕组是 接法 8 2三相笼型异步电动机的起动 3 自耦变压器 起动补偿器 起动 方法 自耦变压器也称起动补偿器 起动时电源接自耦变压器原边 副边接电动机 起动结束后电源直接加到电动机上 三相笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动的接线如图8 5所示 其起动的一相线路如图8 6所示 图8 5自耦变压器降压起动接线图 8 2三相笼型异步电动机的起动 设自耦变压器变比为 1 则直接起动时定子绕组的电压UN 电流Is与降压起动时承受的电压电流关系为 图8 6自耦变压器降压起动的一相线路 8 2三相笼型异步电动机的起动 而起动电流是指电网供给线路的电流 即自耦变压器原边电流 与副边起动时电流关系为 因此 降压起动电流与直接起动电流关系为 K 1 8 2三相笼型异步电动机的起动 而自耦变压器降压起动时转矩Ts 与直接起动时转矩Ts的关系为即 K 1 可见 采用自耦变压器降压起动 起动电流和起动转矩都降K2倍 自耦变压器一般有2 3组抽头 其电压可以分别为原边电压U1的80 65 或55 64 73 该种方法对定子绕组采用Y形或 形接法的电机都可以使用 缺点是设备体积大 投资较贵 u u u 1 3 1 3 u2 u2 u2 表8 1三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较 软起动方法采用电子软起动来实现电动机的起动 1 限流或恒流起动 2 斜坡电压软起动 3 转矩控制软起动 4 转矩加脉冲突变控制 5 电压控制 例 一台三相鼠龙异步电机 接 启动电流倍数 启动转矩倍数 过载倍数 供电变压器要求启动电流 150A 负载启动转矩为73 5N m 请选择一个合适的降压启动方法 写出必要的计算数据 若采用自耦变压器降压启动 抽头有55 64 73 三种 需要算出用哪个抽头 若采用定子边串接电抗启动 需要算出电抗的具体数值 能用启动方法时 不用其他方法 解 电机额定转矩正常启动要求启动转矩不小于Tst1 1 校核是否能采用启动方法 启动时的启动电流为 启动时的启动转矩为 故不能采用启动 2 校核是否能采用串电抗启动方法 限定的最大启动电流Is1 150A 则串电抗启动最大启动转矩为 故不能采用串电抗降压启动 3 校核是否能采用自耦变压器降压启动方法 抽头为55 时启动电流与启动转矩分别为 故不能采用 抽头为64 时 启动电流与启动转矩分别为 可以64 的抽头 抽头为73 时 启动电流为 不能采用 启动转矩不必计算 1 转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机 转子电阻大 则直接启动时的转矩大 最大转矩也大 但同时额定转差率较大 运行段机械特性较软 图8 8中的机械特性 1 一般浇注式的采用铝或铝合金 2 一般焊接式的鼠笼式采用紫铜或黄铜 8 3高启动转矩的三相鼠笼式异步电动机 2 深槽式鼠笼异步电动机 深槽式鼠笼异步电动机转子槽型深而窄 其深度与宽度之比约为10 20 电机运行时 转子导条有电流通过 其槽漏磁通分布如图8 9所示 底部漏磁通比槽口的多 所以底部漏电抗大 槽口部分漏电抗小 当频率较高时交流电流集中到导条槽口容易出现集肤效应或趋表效应 刚启动时 集肤效应使导条内电流比较集中在槽口 相当于减少了导条的有效截面积 使转子电阻增大 随着转速n的升高 集肤效应逐渐减弱 转子电阻逐渐减少 直到正常运行 转子电阻自动变回到正常运行值 电动机正常运行时 转差率很小 转子频率也很低 转子漏抗很小 因此在电动势的作用下 转子电流主要有电阻决定 这样 转子电流在导条内的分布均匀 集肤效应不明显 h d 10 20利用 集肤效应 原理起动时 f2 f1 X2大 槽底电流小 槽底漏电抗大 电流集中于槽口 趋表效应 导线面积s R2 正常运行 n f2 sf1X2小 电流基本均匀分布 趋表效应 s R2 图8 10双鼠笼异步电动机 a 转子槽与槽漏磁通 b 机械特性 3 双鼠笼异步电动机 双鼠笼异步电动机比普通异步电动机转子漏电抗大 功率因数稍低 效率差不多 其转子上装有两套并联的鼠笼 外笼导条截面积小 由黄铜制成 电阻较大 内笼条导条截面积大 用紫铜制成 电阻较小 电机启动时 转子电流频率较高 外笼电抗小 电流大 起主要作用 外笼又称为启动笼 电机运行时 转子电流频率很低 导条内有交流电流通过 电流的分配主要决定于电阻 内笼电抗大 电流小 此时起主要作用 内笼又称为运行笼 外笼 起动笼 电阻大 黄铜或铝青铜内笼 运行笼 电阻小 紫铜起动时 f2 f1 内笼漏抗大 电流集中在上笼 Ist小 Tst大运行时 f2 1 3Hz 漏抗远比电阻小 电流大部分从电阻较小的下笼流过 转子漏抗大 cos 和过载能力小 制造相对工艺复杂 用于对Tst要求高的场合 绕线式三相异步电动机 转子回路中可以外串三相对称电阻 以增大电动机的启动转矩 启动结束后可以切除外串电阻 电动机的效率不受影响 它可用在重载和频繁启动的生产机械上 8 4绕线式三相异步电动机的起动 一 转子回路串接频敏电阻器起动 图8 11绕线式异步电动机转子串频敏变阻器启动 对于单纯限制启动电流 增大启动转矩的绕线式异步电机 可采用转子串频敏变阻器启动 频敏变阻器是由三相铁芯线圈组成 每一相的等效电路与变压器空载运行的等效电路一致 接触器触点K断开时 电机转子串入频敏变阻器启动 启动过程结束后 接触器触点K再闭合 切除频敏变阻器 电机进入正常运行 与一般变压器励磁阻抗不完全相同 励磁阻抗由励磁电阻与励磁电抗串联组成 用表示 主要表现在以下两点 1 频率为50Hz的电流通过时 阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多 这样串在转子回路中 即限制了启动电流 又不至于使启动电流过小而减少启动转矩 2 频率为50Hz的电流通过时 因频敏变阻器中磁密取得较高 铁芯处于饱和状态 励磁电流较大 因此励磁电抗较小 启动转矩高 这样 转子回路功率因数提高了 频敏变阻器在启动过程中始终保持较大电磁转矩 启动结束后 转子回路电流频率很低 很小 近似为零 频敏变阻器自动不起作用 这时 可闭合接触器触点K来切除频敏变阻器 图8 12转子串频敏变阻器的机械特性1 固有机械特性2 人为特性 频敏变阻器 三相铁心线圈Rad Ist Tst 希随n Rad自动减小起动 f2 f1 pFe大 Rm大n S f2 pFe Rm 自动 无级地减小电阻正常运行 Rm很小 8 4绕线式三相异步电动机的起动 2 转子串电阻分级起动 为使整个启动过程中尽量保持较大起动转矩 绕线式异步电动机看采用逐级切除转子起动电阻的分级启动 起动接线图和特性曲线如图8 13所示 图8 13绕线式三相异步电动机转子串电阻分级启动 1 接触器触点K1 K2 K3全断开 电动机定子接额定电压 转子每相串入全部电阻 电动机开始启动 启动点为机械特性曲线3上的a点 启动转矩T Tm 8 4绕线式三相异步电动机的起动 图8 13绕线式三相异步电动机转子串电阻分级启动 2 由于Ts1 TL 负载转矩 电动机加速到b点时 T T2 TL 为了加速起动过程 接触器K3闭合 切除起动电阻R3 特性变为曲线1 因机械惯性 转速瞬时不变 工作点水平过渡到c点 使该点T T1 3 因Ts1 TL 转速沿曲线1继续上升 到d点时K2闭合 R2被切除 电动机运行点从d转变到特性曲线1上的e点 依次类推 直到切除全部电阻 电动机便沿着固有特性曲线3加速 经h点 最后稳定运行于j点 T TL 1 转子串电阻分级启动 8 4三相绕线式异步电动机的起动 2 起动电阻的计算起动电阻的计算有两种方法 作图法和解析法 下面仅对解析法进行分析 为简化计算 机械特性采用实用表达式简化后的近似表达式为根据转子回路串电阻后的机械特性和近似表达式 在线性段有下列两个结论 8 4三相绕线式异步电动机的起动 1 在同一条机械特性上 若和为常数时 则2 转子回路串电阻后 对不同电阻值的机械特性 若Tm为常数 当s为常数时 有下面根据以上两个比例关系推导启动电阻的计算方法 在不同串电阻机械特性上 根据s 常数 则有 令 为启动转矩比 则启动时各级电阻则为 8 9 当T T1时 如图8 13所示 可以得到 在固有机械特性上 根据 则有 或 把上两式代入 8 9 中的最后一式 得到故有 8 13 8 13 或者把上两式代入 8 9 中的最后一式 得到于是得 即 8 14 起动电阻的计算步骤有两种情况 1 已知起动级数m时 计算步骤如下 1 先按T1 0 85Tm 选取T1 在由式计算 值 2 校核是否T2 T1 a 1 1 1 2 TL 不合适则需选取较大的T1 甚至增加启动级数m 并重新计算a 再校核T2 直至T2大小合适为止 3 先计算 在计算各级电阻 2 若起动级数未知时 则按下方法计算值 1 根据T1 0 85Tm和T2 1 1 1 2 TL 计算a T1 T2和2 并对 取相邻的最大整数 然后再根据取值的m 修正 再校核T2 或T1 直至合适为止 3 按式上面式子计算各级电阻 例 一台三相鼠龙异步电机 启动时负载转矩 求转子串电阻三级启动的启动电阻 解 额定转差率 转子每相电阻 最大启动转矩 启动转矩比 校核切换转矩T2 有 各级启动时转子回路总电阻 各级启动时外串启动电阻 8 5三相异步电动机的各种运行状态 交流电力拖动系统运行时 在拖动各种不同负载的条件下 若改变异步电动机电源电压的大小 相序及频率 或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数 三相异步电动机就会运行在四个象限的各种不同状态 若电磁转矩T与转速n的方向一致时 电动机运行于电动状态 若电磁转矩T与转速n的方向相反时 电动机运行于制动状态 制动状态中 根据T与n的不同情况 又分为回馈制动 反接制动 倒拉制动及能耗制动等 一 电动运行 图8 15所示为三相异步电动机机械特性 当电动机工作点在第一象限时 电动机为正向电动运行状态 当电动机工作点在第三象限时 电动机为反向电动运行状态 电动运行状态时 电磁转矩为拖动转矩 1 电动运行 8 5三相异步电动机的各种运行状态 2 三相异步电动机的反转 从三相异步电动机的工作原理可知 电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向 因此只要改变旋转磁场的旋转方向 就能使三相异步电动机反转 图8 14是利用控制开关SA来实现电动机正 反转的原理线路图 当SA向上合闸时 L1接U相 L2接V相 L3接W相 电动机正转 当SA向下合闸时 L2接U相 L1接V相 L3接W相 即将电动机任意两相绕组与电源接线互调 则旋转磁场反向 电动机跟着反转 图8 14异步电动机正 反转原理线路图 8 5三相异步电动机的制动 电动机除了上述电动状态外 在下述情况运行时 则属于电动机的制动状态 在负载转矩为位能转矩的机械设备中 例如起重机下放重物时 运输工具在下坡运行时 使设备保持一定的运行速度 在机械设备需要减速或停止时 电动机能实现减速和停止的情况下 电动机的运行属于制动状态 8 5三相异步电动机的制动 三相异步电动机的制动方法有下列两类 机械制动和电气制动 机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转 它的结构有好几种形式 应用较普遍的是电磁抱闸 它主要用于起重机械上吊重物时 使重物迅速而又准确地停留在某一位置上 电气制动是使异步电动机所产生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反 电气制动通常可分为能耗制动 反接制动和回馈制动 再生制动 等3类 8 5三相异步电动机的各种运行状态 1 能耗制动基本原理方法 将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后 立即接到直流电源上 如图8 20所示 用断开K1 闭合K2来实现 图8 20能耗制动原理图 二 能耗制动 8 5三相异步电动机的各种运行状态 当定子绕组通入直流电源时 在电动机中将产生一个恒定磁场 转子因机械惯性继续旋转时 转子导体切割恒定磁场 在转子绕组中产生感应电动势和电流 转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩 根据右手定则可以判电磁转矩的方向与转子转动的方向相反 为制动转矩 在制动转矩作用下 转子转速迅速下降 当n 0时 T 0 制动过程结束 这种方法是将转子的动能转变为电能 消耗在转子回路的电阻上 所以称能耗制动 二 能耗制动 三相异步电动机能耗制动过程中 电磁转矩T的产生 仅与定子磁通势的大小以及它与转子之间的相对运动有关 至于定子磁通势相对于定子本身是旋转的还是静止的无关 因此 分析能耗制动可以用三相交流电流产生的旋转磁通势等效代替直流磁通势 等效条件如下 1 保持磁通势幅值不变 即 2 保持磁通势与转子之间相对转速不变 为0 n n 2 定子等效电流 异步电动机定子通入直流电流产生磁通势 其幅值的大小与定子绕组的接法及通入直流电流的大小有关 合成磁通势的大小为把等效为三相交流电流产生的 每相交流电流的有效值大小为I1 则交流磁通势为等效原则是 图8 16定子通入直流时的磁通势 由此得 上式结果说明 对于8 16所示的定子星型连接方式 产生的磁通势可以用定子绕组通入大小为的三相交流电流产生的磁通势等效 图8 17能耗制动时的等效电路 3 转差率及等效电流 磁通势与转子相对转速为 n 的转速即同步转速为n1 60f1 p 能耗制动转差率用表示 则为转子绕组感应电动势的等效与频率为 把转子绕组相数 匝数 绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边后 三相异步电动机能耗制动的等效电路如图8 17所示 4 能耗制动的机械特性 能耗制动时 忽略电机铁耗 根据等效电路画出电动机定子电流 励磁电流及转子电流之间的相量关系如图8 18所示 图8 18能耗制动时的电流关系 忽略电机铁耗 则有 还有 4 能耗制动的机械特性 电磁转矩为 整理得 图8 19能耗制动机械特性 图8 20能耗制动1 固有机械特性2 能耗制动机械特性 三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载运行时 采用能耗制动停车 电动机的运行点如图8 20所示 从A B O 最后准确停在n 0处 若拖动位能性恒转矩负载 则需要在制动到n 0时及时切断直流电源 才能保证准确停车 能耗制动停车过程 电动机运行于第二象限的机械特性上 对于位能性恒转矩负载 电动机减速到n 0后 接着便反转 最后稳定运行于第四象限 此时 电磁转矩 0 而转速 0 能耗制动过程 能耗制动运行 8 5三相异步电动机的制动 如图8 21所示 电动机正向运行时工作在固有机械特性曲线1的a点上 定子绕组改接直流电源后 因电磁转矩与转速反向 因而能耗制动时机械特性位于第二象限 如曲线2 电动机运行点也移至b点 并从b点顺曲线2减速到O点 图8 21能耗制动机械特性图 1 固有机械特性2 能耗制动机械特性 8 5三相异步电动机的制动 对于采用能耗制动的异步电动机 既要求有较大的制动转矩 又要求定 转子回路中电流不能太大使绕组过热 根据经验 能耗制动时对于笼型异步电动机取直流励磁电流为 4 5 I0 对于绕线转子异步电动机取 2 3 I0 制动所串电阻r 0 2 0 4 能耗制动的优点是制动力强 制动较平稳 缺点是需要一套专门的直流电源供制动用 三 反接制动 反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种 方法 改变电动机定子绕组与电源的联接相序 如图8 21所示 断开K1 接通K2即可 电源的相序改变 旋转磁场立即反转 而使转子绕组中感应电势 电流和电磁转矩都改变方向 因机械惯性 转子转向未变 电磁转矩与转子的转向相反 电动机进行制动 此称电源反接制动 三 反接制动 如图8 23所示 制动前 电动机工作在曲线1的a点 电源反接制动时 T 0 n 0 相应的转差率s 1 且电磁转矩T 0 机械特性如曲线2所示 因机械惯性 转速瞬时不变 工作点由a点移至b点 并逐渐减速 到达c点时n 0 此时切断电源并停车 如果是位能性负载需使用抱闸 否则电动机会反向起动旋转 一般为了限制制动电流和增大制动转矩 绕线转子异步电动机可在转子回路串入制动电阻 特性如曲其线3所示 制动过程同上 图8 21三相绕线式异步电动机的反接制动过程 a 接线图 b 机械特性1 固有机械特性2 电源相序为负序 转子串电阻的人为机械特性 反接制动过程 反接制动过程中 电动机电源相序为负序 因此转速大于0 相应的转差率大于0 从异步电动机等效电路上看 在s 1的反接制动过程中 若转子回路总电阻折合值为 机械功率为即负载向电动机内输入机械功率 显然 负载提供机械功率是靠转动部分的动能 从定子到转子的电磁功率为转子回路铜损耗 因此 转子回路中消耗了从电源输入的电磁功率及由负载送入的机械功率数值很大 为此必须在转子回路串入较大的电阻 以减小电流 保护电机过热损坏 从转子回路串定子反接转动的机械特性看出 为了使整个制动过程中都保持比较大的电磁转矩 可采用转子回路串入大电阻并分级切除的分级制动方式 图8 22三相绕线式异步电动机反接制动的机械特性1 固有机械特性2 负序电源 转子回路串电阻的人为机械特性 与他励直流电动机制动停车一样 三相异步电机反接制动停车比能耗制动停车速度快 但能量损失较大 一些频繁正 反转的生产机械 经常采用反接制动停车接着反向启动 就是为了迅速改变转向 提高效率 制动电阻r的计算公式为式中 对应固有机械特性曲线的临界转差率 转子串电阻后机械特性的临界转率 s 制动瞬间电动机转差率 过载倍数 四 倒拉反转运行方法 当绕线转子异步电机拖动位能性负载时 在其转子回路串入很大的电阻 其机械特性如图8 23所示 在其转子回路串入的大电阻超过某一数值时 电机还要反转 运行于第四象限 它的转差率s 1