电机拖动基础.ppt

第9章电机拖动基础,交流电动机,直流电动机,他励、并励、串励、复励,电动机的分类,电动机：电能转换成机械能,发电机：其他形式的能量转换成电能,电动机的作用,优点,使用电动机驱动生产机械可：（1）简化生产机械的结构（2）提高生产效率和产品质量（3）能实现自动控制（4）实现远距离操纵,（1）基本结构（2）工作原理（3）机械特性（4）起动、制动、反转、调速的基本原理（5）应用场合和正确使用,主要内容,4.1三相异步电动机的构造,转子,定子（固定部分）转子（旋转部分）,分为两个基本部分：,构成：由机座、铁心和定子绕组组成,定子,机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组；对称三相绕组有的联接成星形、有的联接成三角形,作用：产生旋转磁场,机座,定子绕组,铭牌数据,出线端子,定子铁心,定子绕组,鼠笼式电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便,转子,构成：由铁心和绕组两部分构成,铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。,作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,鼠笼式转子,转轴,轴承,转子,绕线式转子,铁心,绕组,转轴,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,演示实验,（右手定则）,（左手定则）,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,闭合导线产生电流,通电导线在磁场中受力,1.线圈跟着磁铁转两者转动方向一致,异步,2.线圈比磁场转得慢,结论,4.2.1旋转磁场,1.旋转磁场的产生,在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，就可产生一“旋转磁场”代替演示实验中的磁铁,合成磁场方向：向下,同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向,可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。,2.旋转磁场的转向,当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。,旋转方向,取决于三相电流的相序。,改变电机旋转方向的方法：换接其中两相,3.旋转磁场的极数,此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。,旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关,即：P=1,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组的始端之间相差60度空间角，形成的磁场则是两对磁极。,即：P=2,4.旋转磁场的转速,旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。,旋转磁场具有两对极时，当电流从t=0到t=60经历了60时，磁场在空间仅旋转了30。比P=1时转速慢了一半，即：,所以，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极对数P，可推出：,极对数,每个电流周期磁场转过的空间角度,同步转速,5.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速:,无转距,转子与旋转磁场间没有相对运动,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）,无转子电流,提示：如果,4.2.2电动机的转动原理,在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场。,旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。,在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。,异步电机运行中:,转差率：,4.2.3转差率,同步转速：旋转磁场的转速,1.三相异步电动机的“电磁”关系,4.3三相异步电动机的电路分析,2.定子电路,定子绕组相当于变压器原边绕组，转子绕组相当于副绕组。,设：,设：,取决于转子和旋转磁场的相对速度,（1）转子频率,（2）转子电动势,3.转子电路,（4）转子功率因数,（3）转子电流,4.4.1电磁转矩：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,4.4转矩与机械特性,即,其中：,代入可得,4.4.2机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,（1）额定转矩：,电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，电动机转轴上输出的转矩。,（牛顿米）,如果电机将会因带不动负载而停转。,（2）最大转矩：,电机带动最大负载的能力。,求解,过载系数：,三相异步机,（a）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。,工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使,（b）,注意,电机严重过热,原因,(3)起动转矩Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n=0时，s=1,(2)Tst与R2有关，适当使R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻R2,可使Tst=Tmax。,Tst体现了电动机带载起动的能力。若TstT2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）,电动机的自适应负载能力,直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机。,机械特性的软硬,U1和R2变化对机械特性的影响,(1)U1变化对机械特性的影响,T2,R2的改变：鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同绕线式电动机外接电阻不同,(2)R2变化对机械特性的影响,（1）起动电流：,中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5-7倍。,原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大。,定子电流,转子感应电势,转子电流,4.5三相异步电动机的起动,4.5.1起动性能,B大电流使电网电压降低,A频繁起动时造成热量积累,影响：,（2）起动转矩,起动时，虽然转子电流较大，但因转子的功率因数很低，因此起动转矩并不是很大的，与额定转矩之比为1.0-2.2。,如果起动转矩过小，就不能满载起动，应设法提高；如果起动转矩过大，会使传动机构受到冲击而损坏，应设法减小。,电机过热,影响其他负载工作,4.5.2.三相异步机的起动方法,1.直接起动20-30千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。,2.降压起动,在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，鼠笼式电动机常用的降压起动方法有Y换接起动和自耦降压起动。,方法简单，但起动电流较大，影响电网上其他负载正常工作。,（1）Y起动,Y起动器接线简图,Y起动,Y起动器接线简图,工作,（c）,Y起动应注意的问题：,（b）仅适用于正常接法为三角形接法的电动机。,Y起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合,（a）可采用星三角起动器来实现。,（2）自耦降压起动,（a）利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低。,（b）起动电流和起动转矩减小。,（c）适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用三角起动器的笼型异步电动机。,(2)自耦降压起动,Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。,Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,转子串电阻起动的特点：,（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机等。,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机正转,电动机反转,三相异步电动机的正、反转,例1:,1),解:,一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。,2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）,3）,解：,在上例中(1)如果负载转矩为510.2Nm,试问在U=UN和U=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,(1)在U=UN时Tst=551.8Nm510.2N.m,不能起动,(2)Ist=7IN=784.2=589.4A,在U=0.9UN时,能起动,例2:,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),4.6三相异步电动机铭牌数据,1.型号,例如：Y132M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表8.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,异步电动机产品名称代号,2.接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y联结,联结,3.电压,例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用联结。,说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。,4.电流,例如：Y/6.73/11.64A表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。,5.功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。,注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。,6.功率因数,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9。空载时功率因数很低，只有0.20.3。额定负载时，功率因数最高。,7.额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如：nN=1440转/分sN=0.04,8.绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。,三相直线异步电动机,旋转电机,直线电机,(a)短初级(b)短次级,单边型直线电动机,双边型直线电动机,三相异步发电机,单机运行的异步发电机,并联电容后的相量图,O,IC,E,Er,=2fCE,异步发电机的自励过程,A,CCECCE,自励的条件(1)转子铁心要有剩磁。(2)定子绕组必须并联电容。(3)必须有足够的电容。,指三相定子绕组的联接方式-Y/接法,4.额定电压,说明：一般规定电动机的电压不能高于或低于额定值的5。,220V/380V,意味着定子绕组承受的额定电压为220V。,额定运行时定子绕组应加的线电压。,三相异步电动机的使用,一.起动,1.起动电流,中小型鼠笼电机起动电流为额定电流的5-7倍。,起动时，,应电动势和转子电流很大,原因：,转子导条切割磁力线速度很快,(1)直接起动,在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大57倍；影响同一电网上其它负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于二三十千瓦以下的小电机。,(2)Y-降压起动,起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,2.起动方法,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子绕组,条件:只适用于正常运行时为接法的电动机。,(2)Y-降压起动,形起动:Ul=UP,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y-换接起动应注意的问题,Y起动器接线简图,静触点,Y起动器接线简图,Y起动,Y起动器接线简图,工作,转矩减小到1/3，降压起动适合于空载或轻载的场合。,起动转矩,Y起动,直接起动()：,降压起动(Y)：,（3）利用变压器降压起动,适于容量较大或工作时定子绕组为Y接法的电机。,另：线绕式电机可采用在转子电路中串电阻的方法。,(3)自耦降压起动,Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。,Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,(4)串电抗降压起动,Q1,FU,M3,Q2,电动机起动时先合开关Q1,当电动机的转速接近稳定值时,再将开关Q2合上,切除电抗器。,绕线式电动机起动可在转子绕组中串电阻，减小起动电流。,转子串电阻起动,起动方法小结,(1)直接起动二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于鼠笼式电动机）,(3)转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,1.电机能采用Y起动吗？,三相异步电机的部分铭牌数据如下：,可以。,二.反转(Reverserotation),电机转向,2.起动与正常运行时定子绕组的线电流？,对调任意两相定子绕组与电源的接线，就可实现反转。,电机反转,6.7调速,如：机床上用的多速电动机。,适于小功率电动机，如建筑用的起重机。,一、变频调速(无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,三相异步电动机的调速,二、变极调速(有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,P=2,p=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,三、变转差率调速(无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。,四.制动,1.抱闸：加机械抱闸;,3.能耗制动,4.发电反馈制动,2.反接制动：停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,例1:,1),解:,一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。,2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）,3）,1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。,解：,在上例中(1)如果负载转矩为510.2Nm,试问在U=UN和U=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,(1)在U=UN时Tst=551.8Nm510.2N.m,不能起动,(2)Ist=7IN=784.2=589.4A,在U=0.9UN时,能起动,例1,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),例2：已知TN=260Nm，IN=75A，N=84.5%，UN=380V，接，f1=50Hz，Ist/IN=7，st=1.2。求：（1）负载转矩为280Nm，在U=UN和U=0.9UN两种情况下电动机能否直接起动；（2）采用Y起动求起动电流及起动转矩；（3）当负载转矩为额定转矩的50%时和30%时，利用Y-起动，电动机能否起动？,解：（1）U=UN,Tst=1.2TN=1.2260=312Nm280Nm可以起动,U=0.9UN,Tst=0.92Tst=0.92312=252.7Nm104Nm,电动机不能起动,T=30%TN=0.3260=78Nm上，即x2下x2上。,运行原理,起动时：s=1，f2最大，转子漏抗x2大，电流分布取决于x2，x2下x2上，转子电流集中于上笼（趋肤效应）起动笼起主要作用，又r2上大cos2Tst，同时限制了起动电流；正常运行：sN=0.010.06很小f2很小x2很小电流分布取决于r2，r2下小电流分布在下笼，此时漏抗x2小，cos2T。,双笼型异步电动机机械特性T1上笼；T2下笼；T-合成,(3).优缺点,优点：较大的Tst和较小Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。,深槽笼型异步电动机,深槽笼型异步电动机的槽型窄而深，处于槽底等效线匝的漏电抗大于处于槽口等效线匝的漏电抗；起动时，由于异步电动机转子电路频率较高，电流大部分集中在槽口部分的导体（集肤效应），转子的等效电阻大；起动结束以后，异步电动机转子电路频率较低（1-3Hz），集肤效应消失，转子导条电阻变为较小的直流电阻。,深槽笼型异步电动机的工作原理与双笼异步电动机基本一致。,深槽异步电动机槽内导条电流分布,双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。,绕线转子异步电动机的起动,一、转子串三相对称电阻分级起动：在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩T1=(0.70.85)Tm，切换转矩T2=(1.11.2)TN。,转子：一般均接成Y形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接情况下起动，与笼型电机一样，Ist大，Tst不大。,转子串电阻起动电路原理图,如图所示：,优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩。适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。,转子串频敏变阻器起动,对于单纯为了限制起动电流、增大起动转矩的绕线式异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动。,转子串频敏变阻器起动电路原理图,接触器触点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用表示。但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现于下：,(1)频率为5OHz的电流通过时,Rmxm，其原因是：xm正比与f2，且与铁心饱和程度有关；Rm则主要取决于铁耗，与（Bf2）2成正比。频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流越大，励磁电抗xm越小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此Rm较大；（2）随f2的降低，Rm、xm都将减小；,绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时，s1，转子回路中的电流的频率为5OHz。转子回路串入，而Rmxm，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩；频敏变阻器是铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。,三相异步电动机的各种运行状态,电动状态：异步电动机的电磁转矩和转子的转速同方向；制动状态：电磁转矩和转速的方向相反。根据转矩和转速的不同情况，制动运行状态又可分为：回馈制动、反接制动及能耗制动。,一、电动运行状态前面所分析的各种正常运行状态，（回顾！）,二、反接制动,1.定子两相反接的反接制动,反接制动过程：处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。如图所示:,（b）图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从ABC，到C点后，-TLTTL，可以准确停车。在反接制动过程中，n11。转子回路总电阻折合值为,机械功率则为:,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减少动能来实现的。,从定子到转子的电磁功率为：,转子回路铜损耗:,即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，在转子回路中必须串入较大的外串电阻，以消耗大部分转子回路铜损耗，保护电动机不致由于过热而损坏。,反接制动的机械特性图,从图可知，如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩负载运行，或者拖动位能性恒转矩负载运行，这两种情况下，如果进行反接制动停车，那么必须在降速到n0时切断电动机电源并停车，否则电动机将会反向起动；三相异步电动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起动，就是为了迅速改变转向，提高生产率。,反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行；鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。,2.转子反向的反接制动拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低；如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，称之为转子反向的反接制动运行状态；n10,s1，其功率关系与定子两相反接制动过程一样，电磁功率0，机械功率0。此时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。,三、回馈制动,分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行。1.正向回馈制动运行将一部分机械能转换为电能并回馈回电源。从图上可以看出：,在这个降速过程中，电动机运行在第二象限BC这一段机械特性上时，转速n0，电磁转矩T0，是个制动运行状态，称之为正向回馈制动过程。整个回馈制动过程中，始终有nn1。转差率：,从三相异步电动机等值电路上看出，电动机总的机械功率为：,从定子到转子的电磁功率为：系统减少了动能而向电动机送入机械功率并转换为电功率，扣除了转子损耗后及机械损耗pm，变成了从转子送往定子的电磁功率了。那么主要送到哪里去了呢？为此，先看着转子过功率因数角的情况：,根据以上两式，画出正向回馈制动时异步电动机的相量图，如图所示。显然有：,这样一来，电动机的输入功率则为：,回馈制动过程中，转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组铜耗PCu1和铁损耗PFe消耗外，其余的回馈给电源了。这时的三相异步电动机实际上是一台发电机。,2.反向回馈制动当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序（A、C、B）时，电动机运行于第四象限，如图中的B点，电磁转矩T0，转速n0,称为反向回馈制动运行。,起重机高速下放重物（指）时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的C点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。,四、能耗制动1.能耗制动基本原理：,三相异步电动机处于电动运行状态的转速为n,如果突然切断电动机的三相交流电源，同时把直流电I=通入它的定子绕组。结果，电源切换后的瞬间，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势，用表示；空间固定不转的磁动势相对于旋转的转子(设n逆时针旋转）来说变成了一个磁动势,旋转方向为顺，转速大小为n。正如三相异步电动机运行于电动状态下一样。,转子与空间磁动势有相对运动，转子绕组则感应电动势，产生电流；进而转子受到电磁转矩T。T的方向与磁动势相对于转子的旋转方向是一样的，即转子受到顺时针方向的电磁转矩T。转子转向为逆时针方向，受到的转矩为顺时针方向，显然T与n反方向，电动机处于制动运行状态，T为制动性的阻转矩。转速n0时，磁通势与转子相对静止，0，0，T0，减速过程才完全终止。上述制动停车过程中，系统消耗原来贮存的动能，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。,三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩T的产生，是由于转子与定子磁动势之间有相对运动；至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：（1）保持磁动势幅值不变，即=；（2）保持磁动势与转子之间相对转速（即转差）不变，为,2.定子等效电流异步电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如下图所示，其合成磁动势的大小为：,把等效为三相交流电流产生的，每相交流电流的有效大小为,则交流磁动势大小为:等效的结果是：,3.转差率与等值电路磁通势与转子相对转速为(-n),的转速即同步转速为，能耗制动转差率用表示,则为:转子绕组感应电动势的大小与频率则为:,三相异步电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流I1产生磁动势作用的结果，并非指电机运行时的量。有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。,4.能耗制动的机械特性能耗制动时，电动机内铁损耗很小，可以将其忽略。这样一来，根据等值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所示。它们之间大小的关系为,忽略铁损耗后,则有:,另外,还有：,整理后得到：,根据前一章的分析结果知道，电磁转矩为电磁功率除以同步角速度，即：,上式便为能耗制动的机械特性表达式，与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的，但是电动运行状态时，是用电源电压U1来表示，而能耗制动的这个式子，是用等效的定子电流I1来表示。能耗制动时，视I1为已知量。对上式微分，并使dT/dV=0，则得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为:,能耗制动时的机械特性,能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似；改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值R，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。能耗制动机械特性的实用公式为：,三相异步电动机的调速,一、概述1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。2.转速公式：,3.调速方法：变极调速；变频调速；改变转差率S调速。,二、异步电动机的变极调速,1.变极调速的原理改变定子的极对数便可改变异步电动机的同步转速：n1=60f1/p从而改变电动机的转速适用电动机：变极调速一般只适用于鼠笼式电动机调速；改变异步电动机的极对数调速是有级调速。,如何改变异步电动机的极对数？,（1）改变定子绕组联结方法可以改变定子极对数：,如何改变定子极对数,常用的两种三相绕组改变联结方法：,变极调速的机械特性,（1）异步电动机的容许输出功率为：P2=P1=3UxI1cos1（2）假定不同极对数情况下电动机的效率和功率因数保持不变，则有：P2正比于UxI1（3）如果忽略定子损耗，电动机的电磁功率PM等于输入功率P1,则电动机转矩为：T=9550PM/n1正比于UxI1/n1正比于pUxI1。,（4）如果在变极过程中施于异步电动机的线电压保持不变，电动机绕组流过额定电流，则由Y联结改为YY连接时的转矩比为：TY/TYY=UxIN(2p)/Ux(2IN)p=1此调速方法近似为恒转矩，其机械特性如下图：,（5）同样，如果在变极过程中施于异步电动机的线电压保持不变，电动机绕组流过额定电流，则由D联结改为YY连接时的功率比为：PD/PYY=UxIN/0.577Ux(2IN)=0.866容许输出近似恒功率，机械特性如下：,三相异步电动机的变频调速,变频调速的原理改变供电频率便可改变异步电动机的同步转速n1=60f1/p从而改变电动机的转速。变频调速的特点：变频调速可以适用于各种交流电动机调速，有较大的调速范围、很好的调速平滑性与足够硬度的机械特性。,变频调速应注意的问题变频调速时，希望调速过程中磁通F保持不变。N将引起磁路过分饱和；1时,Tst1,从电源输入的电功率,从电动机轴上输出的机械功率P2Pm=T0。这说明制动时,电动机既要从电网吸取电能,又要从轴上吸取机械能并转换为电能,这些电能全部消耗在转子电路的电阻上,因此制动时能耗大、经济性差。,倒拉反接制动,实现倒拉反接制动的方法是在转子电路串一足够大的电阻。类似直流电动机的倒拉反接制动。,条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。,特点是在转子回路串联适当大的三个大电阻Rbk。,电动机拖动位能性恒转矩负载,制动前电动机曲线a点。如在转子电路串入大电阻Rbk瞬间,机械惯性,工作点a-b,转子串大电阻,转子电流减小,电磁转矩T减小,T1，以致于对应的人为机械特性曲线2与负载转矩特性的交点落在第四象限。这是造成电动机进入倒拉反接制动状态的根本原因。,此时的转差率,制动电阻Rbk的近似计算仍然采用下式,机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。,表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。,倒拉反接制动的优点：,能够低速下放重物,安全性好。,回馈制动,若电动机转向不变，使转速n大于n1，电动机便处于回馈制动状态：电车下坡,从h点到b点的加速过程；变极或变频调速时的降速过程,如图中所示从a点平移到e点后开始的e点到f点之间的降速过程；电动机下放重物时采用电源反接,使电动机转速高于同步转速的过程或状态,如图5中所示从c点到d点的加速过程。,从机械特性曲线看出,由于转速n大于n1，电动机的机械特性是正向电动状态的机械特性在第二象限的延长部分，电磁转矩T为负值，方向与电动,状态时相反，即T与n反向,此时的T成为制动转矩,电动机便处于制动状态,此时电动机的转差率,由于制动时s0,T与n反向,从电源输入的电功率0,从电动机轴上输出的机械功率P2Pm=Tn1。(2)只能高速下放重物,安全性差。(3)制动时电动机不从电网吸取有功功率,反而向电网回馈有功功率,制动很经济。,回馈制动具有以下特点：,三相异步电动机的调速,工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生产总耗电量的一半，而电力拖动又离不开调速，选用先进的调速技术节省电能是节能降耗的重要措施。,由异步电动机转速的表达式,异步电动机有下列三种基本调速方法：,变极调速鼠笼电机,变转差率s调速,2、调压调速,1、滑差电机调速(电磁离合器调速),3、转子串电阻调速,4、转子串电势调速,变频调速,1、变频机组,2、交直交变频,3、交交变频,异步电动机,变极调速,改变极对数p调速方法称为变极调速。,用改变定子绕组接法改变极数，称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，因为这时转子的极数能自动地与定子极数相适应。当异步电动机定、转子极对数一致时,才能产生有效的电磁转矩。,而对于笼型异步电动机,当改变定子极对数时,其转子极对数能自动地保持与定子极对数相等。因此变极调速仅用于笼型异步电动机。,变极原理,异步电动机的定子三相绕组对称,接法相同,所以通过一相绕组的分析,可知其三相变极原理。,以U相为例,相电流从U1流进,U2流出。将两个“半相绕组”首尾相串联(称为顺向串联）。,根据“半相绕组”内的电流方向,用右手螺旋定则可以判断出磁场的方向,表示在图525(a)中,很显然,这时电动机形成的是一个2p=4极的磁场；即定子绕组产生4极磁场。,如果将两个“半相绕组”尾尾相串联，则称之为反向串联；如果将两个“半相绕组”首尾相并联，则称之为反向并联。则以上两种连接方式都形成一个2p=2极的磁场,即定子绕组产生2极磁场。分别如图525(b)、(c)所示。,综上所述：只要将两个“半相绕组”中的任何一个“半相绕组”的电流反向,就可以将极对数改变。对于顺向串联而言，是增加一倍；对于反向串联或反向并联而言，是减少一半。这就是单绕组倍极比的变极原理。如24极、48极等。,2两种常用的变极方案,多速电机定子绕组的接线方式很多，其中有两种常用。,（1）星接/双星接（Y/YY）变极调速联结方式,（2）三角接/双星接（/YY）变极调速联结方式,星形联结改变成两个并联的星形联结,星形联结改变成两个并联的星形联结,三角形联结改变成两个并联的星形联结,三角形联结改变成两个并联的星形联结,4/2三角接/双星接（/YY）变极调速联结方式,必须注意,上述图中在改变定子绕组接线的同时,将V、W两相的出线端进行了对调。这是因为在电动机定子的圆周上,电角度是机械角度的p倍,当极对数改变时,必然引起三相绕组的空间相序发生变化。,设p=1时,U、V、W三相绕组轴线的空间位置依次为0、120、240电角度；而当极对数变为p=2时,三相绕组轴线的空间位置依次是U相为0、V相为1202=240、W相为2402=480(相当于120),这说明变极后三相绕组的空间相序发生了改变。如果外部电源相序不变,则变极后,不仅电动机的运行转速发生了变化,而且因三相绕组空间相序的改变而引起旋转磁场转向及转子转向的改变。所以为了保证变极调速前后电动机的转向不变,在改变定子绕组接线的同时,必须把V、W两相出线端对调,使接入电动机的电源相序改变,这是在工程实践中必须注意的问题。,3变极调速时的机械特性,1)Y/YY变变极调速时的机械特性,由Y形连接变为YY形连接后,极数减少一半,同步转速增大一倍，即,n1YY=2n1Y。,设Y形相绕组的参数为r1,X1，则半相绕组的参数为r1/2、X1/2、，连接成YY形时，每相绕组的参数为r1/4、X1/4,由Y形连接变YY形连接时每相绕组的电压保持不变,可推导出：,Y/YY变极调速时的机械特性,如图5-27所示。,变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好,可用于恒转矩负载。,适用：不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备等。,2)YY变极调速时的机械特性,同样假设形连接时,每相绕组的参数为,r1、X1、；,而YY形连接时,每相绕组的参数则为,r1/4、X1/4、,YY形连接时每相绕组的电压是形连接时的1,可见，-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少,一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。,4变极调速时的允许输出,在讨论变极前后的输出功率及输出转矩的变化之前，先假设变极前后的电源线电压UN,通过线圈的电流IN不变,效率N和功率因数也近似不变,Y形连接时,YY形连接时,Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速。,形连接时,YY形连接时,从形连接变成YY形连接后,极对数减少一半,转速增加一倍,输出转矩近似减小一半,而输出功率近似保持不变,所以这种变极调速属于恒功率调速方式,适用于车床切削等恒功率负载。如粗车时,进刀量大、转速低；精车时,进刀量小、转速高，但两者的功率近似不变。,变极调速时,不论是星接/双星接（Y/YY）变极调速联结方式还是三角接/双星接（/YY）变极调速联结方式，其转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但都具有较硬的机械特性,稳定性好,可用于恒功率和恒转矩负载。,变频调速,改变电源频率从而达到调速目的。变频调速说成是频率电压调速系统更贴切。,1变频与调压的配合,若忽略电动机定子漏阻抗压降,则三相电动机的定子电压,当电源频率f1从基频50Hz降低时,若电压U1的大小保持不变,则主磁通1将增大,使原来接近饱和的磁路更加过度饱和,导致励磁电流I0急剧增大,铁损耗显著增加,电动机发热严重,效率降低,功率因数降低,电动机不能正常运行。,因此一般在降低电源频率f1的同时,也成比例地降低电源电压,保持U1/f1=常数,使1基本恒定。,当电源频率f1从基频50Hz升高时,由于电源电压不能大于电动机的额定电压,因此电压U1不能随频率f1成比例升高,只能保持额定值不变,这样使得电源频率f1升高时,主磁通1将减小,相当于电动机弱磁调速。,2变频调速时的机械特性,我们将通过分析三相异步电动机机械特性的几个特殊点的变化规律,来分析变频调速时的机械特性,1)同步点因为n1=60f1p,所以n1f1。2)最大转矩点由式（5-3）可知,对应于最大转矩的临界转速降为,（5-3）,变频时机械特性的硬度是近似不变的,即变频时的人为机械特性与固有机械特性平行。同时由式（5-4）可知,忽略定子电阻r1时最大转矩为,注意：该结论只有在频率f1较高时才是正确的,因为在频率f1较低时,定子电阻r1不能忽略，所以从基频向下变频调速时,由于U1f1为常数,当,频率f1刚开始降低时，频率较高,根据该结论可知,Tmax基本不变,电动机的过载能力不变。当频率f1降至较低时,只能根据式（5-4）推知Tmax将减小,电动机的过载能力降低；从基频向上变频调速时,由于电压U1不变,根据该结论可知Tmax将减小,电动机的过载能力降低。,3)启动点,忽略定、转子电阻r1和时,启动转矩为,同样,该结论只有在频率f1较高时才是正确的。从,基频向下变频调速时,由于U1f1为常数,当频率f1刚开始降低时Tst增大;当频率f1降至较低时,Tst减小；从基频向上变频调速时,由于电压U1不变,Tst将减小。,3变频调速时的允许输出,当从基频向下变频调速时,一般保持U1/f1=常数,使1基本恒定。下面来分析变频前后电磁转矩的变化情况。,为了充分合理地利用电动机,调速过程中要求转子电流保持调速前的额定值不变,即,则有,由于（K为常数）,因此由上式可得,即变频后与变频前转子电路的功率因数相等。,由电磁转矩的物理表达式可知变频调速前后的电磁转矩相等,所以基频以下的变频调速为恒转矩调速方式,适宜带恒转矩负载。,从基频向上变频调速时,保持电压U1不变,调速过程中随着频率f1的升高,主磁通1减小,导致电磁转矩减小,下面讨论调速过程中电磁功率的变化情况。,电动机正常运行时s很小,相对较大,因此忽略了r1和。,向上变频调速时,由于1不变,s变化很小,因此由上式结果可知电磁功率Pem近似不变。由此可见,基频以上的变频调速为近似恒功率调速方式,适宜带恒功率负载。,综上所述恒转矩变频调速时，如能保持U1/f1=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，可以推断出，因此，在恒功率调速中，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。如果此时按恒转矩调速满足U1/f1=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。,变频调速的优点是：调速范围大；机械特性硬,转速稳定性好；电源频率可连续调节,转速可平滑改变,为无级调速；变频时,电源电压按不同规律变化,既可实现恒转矩调速,也可实现恒功率调速,以适应不同负载的要求。变频调速的缺点是：必须有专用的变频电源；恒转矩调速时,低速段电动机的过载能力大为降低,甚至不能带动负载。所以变频调速具有优越的调速性能,尤其对笼型异步电动机,它是最有发展前途的一种调速方法。,改变转差率调速,改变转差率的方法很多,这里主要介绍转子电路串电阻调速、串级调速和改变定子电压调速。这些调速方法的共同特点是：在调速过程中转差率s增大,转差功率sPem也增大。,1转子电路串电阻调速,对绕线转子异步电动机,改变转子电路串电阻时的机械特性如图530所示。,当电动机转子电路不串附加电阻,拖动恒转矩负载L=TN时,电动机稳定运行在a点,转速为na。若转子电路串入Rp1时,串电阻的瞬间,转子转速不变,转子电流I2减小,电磁转矩T也减小,因此电动机开始减速,转差率s增大,使转子电动势、转子电流和电磁转矩均增大,直到b点满足T=TL为止,此时电动机将以转速nb稳定运行,显然nbna。若转子电路所串电阻增大到Rp2和Rp3时,电动机将分别以转速nc和nd稳定,运行.显然,转子电路所串电阻越大,稳定运行转速越低,机械特性越软,从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当