三相异步电动机电力拖动运行.ppt

2020/5/4,1,第6章三相异步电动机电力拖动运行,2020/5/4,2,6.1三相异步电动机的机械特性,6.3三相异步电动机的调速,6.2三相异步电动机的起动,6.4三相异步电动机的制动,6.5异步电动机的各种运行状态,2020/5/4,3,三相异步电机电磁转矩物理表达式,Pem=m2E2I2cos2E2=4.44f1kW2N2m,Tem=CTmI2cos2,电磁转矩常数:,2020/5/4,4,三相异步电机转矩转差特性（参数表达式）,根据:,2020/5/4,5,Tems曲线,M,S,s0s=0n=n1n=0nn1n0n0,2020/5/4,6,1.最大（临界）转矩Tm,临界转差率：,电动状态取“”，发电状态取“”。,2020/5/4,7,结论：,当f1和电机参数不变时，异步电机的Tm与电源相电压U1的平方成正比。当U1和f1一定时，Tm近似与定、转子漏抗之和成反比。Tm与R2无关，而sm与R2成正比。如R2变大时，Tm不变，但sm则随之增大。如忽略R1，Tm与成正比。,过载倍数(最大转矩倍数)KT：,2020/5/4,8,2.起动转矩Tst,s=1时：,结论：,当f1和电机参数不变时，异步电机的Tst与电源相电压U1的平方成正比。当U1和f1一定时，Tst近似与定转子漏抗之和成反比。在一定的范围内增加R2时，可增大Tst。当sm=1时，Tst=Tm，Tst最大。,起动转矩倍数,2020/5/4,9,三相异步电动机的主要性能指标,1.额定效率NN=72.5%96.2%（Y系列）2.额定功率因数cosNcosN=0.70.9（Y系列）3.最大转矩倍数kmkT=1.82.2（Y系列）4.堵转转矩倍数kstkst=1.62.2（Y系列）5.堵转电流倍数kIkI=57（Y系列）,2020/5/4,10,6.1三相异步电动机的机械特性,6.1.1固有机械特性,当U1L=U1N、f1=fN，且绕线型转子中不外串任何电路参数时的机械特性。,n1,S,M,同步点：n=n1，s=0，Tem=0,起动点：n=0，s=1，Tem=Tst,临界工作点：s=sm，n=(1sm)n1，Tem=Tm,(1sm)n1,2020/5/4,11,1.稳定运行区域,工作段,N,nM,稳定运行条件：,额定运行点N：n=nN，s=sN，Tem=TN，P2=PN。额定状态说明了电动机长期运行的能力：TLTN，P2PN，I1IN。,sN=0.010.06很小，Tem增加时，n下降很少硬特性。,硬特性,TL,2020/5/4,12,2.固有机械特性的实用表达式,忽略R1的影响，则,2020/5/4,13,将Tem与Tm相除得：,即,解上述方程，可得,根据s和sm的相对大小，取“”或取“”。,2020/5/4,14,若忽略T0，则在额定负载时,实用公式计算简单、使用方便，但只适用于一定的范围内，即0ssm。,2020/5/4,15,【例6-1】Y280M-4型三相异步电动机，额定功率PN=90kW，额定频率fN=50Hz，额定转速nN=1480r/min，最大转矩倍数KT=2.2。试求：(1)该电动机的电磁转矩实用公式；(2)当转速n=1487r/min时的电磁转矩；(3)当负载转矩TL=450Nm时的转速。,解：(1)额定转差率为,额定转矩为,最大转矩为Tm=kTTN=2.2580.7Nm=1277.5Nm,2020/5/4,16,实用电磁转矩公式为,临界转差率为,(2)当转速n=1487r/min时转差率为,电磁转矩为,2020/5/4,17,(3)当TL=Tem=450Nm时的转差率为,转速为n=(1s)n1=(10.0101)1500r/min=1485r/min,2020/5/4,18,6.1.2人为机械特性,1.降低定子端电压时的人为机械特性,降低U1转速稳定后若TL=TN，则ssN，nnN,结论：sm不变；稳定运行段的特性变软了；起动能力和过载能力显著降低。,0.8UN,2020/5/4,19,解：(1)在额定电压下的额定转矩为,【例6-2】Y315S-6型三相异步电动机的额定功率PN=75kW，额定转速nN=990r/min，起动转矩倍数Kst1.6，过载能力KT=2.0。求：(1)在额定电压下的Tst和Tm；(2)当电网电压降为额定电压的80时，该电动机的Tst和Tm。,起动转矩和最大转矩分别为Tst=KstTN=1.6723.5.7Nm=1157.6NmTm=KTTN=2.0723.5.7Nm=1447.0Nm,(2)当U1L=80%UN时，起动转矩和最大转矩分别为,2020/5/4,20,2.转子回路串对称电阻的人为机械特性,设串联电阻为Rs：Tm不变。,Rs3Rs2Rs1,R2Rs1,R2Rs2,R2Rs3,结论：当sm1时，RssmTst。当sm=1时，Tst=Tm。当sm1时，RssmTst。,2020/5/4,21,【例6-3】一台绕线型三相异步电动机带恒转矩负载运行，当转子回路不串电阻时，n=1440r/min，若在转子回路串入电阻使转子电路每相电阻增加一倍，试问这时电机的转速是多少？,解：因为TL不变，由电磁转矩公式可知,，故串联电阻后的转差率为,而转速n=1440r/min时转差率为,=(10.08)1500r/min=1380r/min,2020/5/4,22,P165【例5-2】一台绕线型三相四极异步电动机，nN=1460r/min，PN=150kW，fN1=50Hz，UN1=380V，KT=2。求：（1）固有机械特性表达式；（2）起动转矩；（3）当负载转矩TL=755N.m时的转速。,2020/5/4,23,3.定子回路串对称电阻或电抗的人为机械特性,结论：定子回路串对称Rf或Xf不改变n1。Rf(Xf)Tm、Tst。Rf(Xf)sm，使临界点上移。,2020/5/4,24,6.2三相异步电动机的起动,电动机的起动指标起动电流倍数kI=Ist/IN。起动转矩倍数kst=Tst/TN。起动时间。起动时绕组中消耗的能量和绕组的发热。起动时的过渡过程。起动设备的简单性和可靠性。,2020/5/4,25,1.直接起动Ist=kIIN=(57)IN（较大）Tst=kstTN=(12)TN（较小）,6.2.1笼型异步电动机的起动,若变压器SN相对电动机PN不算大时，Ist会使变压器输出电压短时下降幅度较大。不利影响：影响自身的起动，当负载较重时，可能无法起动。影响同一台变压器供电的其他负载工作。频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。,2020/5/4,26,直接起动的使用条件(1)小容量的电动机（PN7.5kW）。(2)电动机容量满足如下要求：,如果不满足上述使用条件，则要采用降压起动，把Ist限制到允许的数值。,2020/5/4,27,2.减压起动,(1)定子串联电阻或电抗器减压起动,2020/5/4,28,(2)自耦变压器减压起动,M3,设TA的电压比为kaU1L=UN/kaI1L=Ist/ka起动电流为,起动转矩为,2020/5/4,29,优点：电压比ka可调。QJ2型三相自耦变压器：N2/N1=0.55、0.64、0.73ka=1.82、1.56、1.37QJ3型三相自耦变压器：N2/N1=0.4、0.6、0.8ka=2.5、1.67、1.25,缺点：自耦变压器体积大，价格高。适用：较大容量笼型异步电动机的起动。使用条件：IstaImax与TstaTL。,2020/5/4,30,适用：正常运行为联结的电动机。,(3)星三角降压起动（Y降压起动）,起动电流（定子线电流）为,2020/5/4,31,定子线电压比,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比,电源电流比,2020/5/4,32,起动转矩为,IstYImax与TstYTL。,Y减压起动的使用条件,优点：起动设备简单、价格低、维修方便。,2020/5/4,33,【例63】三相笼型异步电动机，PN=60kw，UN=380v，定子联结，IN136A，Kst1.1，KI6.5，供电变压器允许的最大起动电流为500A。若拖动负载转矩TL0.3TN(要求Tst=1.1TL)，能否采用星三角起动法？,2020/5/4,34,故不允许直接起动。(2)Y减压起动计算因为,【例6-4】一台Y280S-4型三相异步电动机，额定容量PN=75kW，三角形联结，全压起动电流倍数kI7.0，起动转矩倍数Kst1.9，电源容量为1250kVA。若电动机带额定负载起动，试问应采用什么方法起动?,解：(1)直接起动计算,电源允许的起动电流倍数为,KI,4.92,TN,2020/5/4,35,所以不能采用Y起动。(3)自耦变压器起动计算,4.92,TN,1.193ka1.38,所以可以选用QJ3型三相自耦变压器，取ka=1.25。,2020/5/4,36,起动之初，晶闸管的触发角很大，电动机的线电压很低。起动过程中，逐渐减小触发角，电动机的线电压逐渐升高。,(1)软起动器的原理,3.异步电动机的软起动,软起动的特点：无冲击电流。有软停车功能，即平滑减速、逐渐停机。起动参数可根据不同负载进行调整，有很强的负载适应性。具有轻载节能和多种保护功能。,2020/5/4,37,6.2.2高起动转矩的异步电动机,1.深槽转子异步电动机槽深h与槽宽b之比为：h/b=812,X2小X2大,起动时，f2高，X2大，电流的集肤效应使导条的等效面积减小，即R2，使Tst。运行时，f2很低，X2很小，集肤效应消失，R2。,2020/5/4,38,深槽式异步电动机的机械特性,2,凸形槽刀形槽,2020/5/4,39,起动时，f2高，漏抗大，起主要作用，I2主要集中在外笼，外笼R2大Tst大。外笼起动笼。运行时，f2很低，漏抗很小，R2起主要作用，I2主要集中在内笼。内笼工作笼。,2.双笼型异步电动机,R2大X2小R2小X2大,2020/5/4,40,双笼型异步电动机的机械特性,n1,1,3,2,3.高转差率异步电动机,转子电阻比一般笼型异步电动机的大：转子导条采用电阻率较高的合金铝(如锰铝或硅铝)浇注而成。,2020/5/4,41,国产YH系列高转差率异步电动机：sN=(714)%，Kst=2.42.7，kI=4.55。,适用于拖动飞轮转矩大和不均匀冲击负载以及频繁正、反转的工作场合。如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等。,采取改变转子槽形，减小导条截面积等措施。,高转差率异步电动机的机械特性,n1,YH系列,YZ系列,Y系列,2020/5/4,42,6.2.3绕线型异步电动机的起动,1.转子串电阻起动,起动过程,串联Rst1和Rst2起动（特性a）总电阻R22=R2+Rst1+Rst2,n1,a(R22),Ts2,a1,a2,Ts1,切除Rst2,2020/5/4,43,(1)起动过程,b(R21),b1,b2,合上KM2，切除Rst2（特性b）总电阻R21=R2+Rst1,切除Rst1,1.转子串电阻起动,2020/5/4,44,合上KM1，切除Rst1（特性c）总电阻:R2,c(R2),c1,c2,起动过程,p,1.转子串电阻起动,2020/5/4,45,频敏变阻器频率高：损耗大，电阻大。频率低：损耗小，电阻小。转子电路起动时f2高，电阻大，,2.转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器,转子电路正常运行时f2低，电阻小，自动切除变阻器。,2020/5/4,46,频敏变阻器起动的特点：起动设备结构简单，低格低廉。运行可靠，坚固耐用，使用维护方便。控制系统简单，便于实现自动控制。能获得接近恒转矩的机械特性，减少冲击，实现电动机的平稳起动。cos较低，一般为0.50.75，使Tst的增大受到限制。适用于频繁起动、对Tst要求不高的生产机械。,2020/5/4,47,6.3三相异步电动机的调速,(1)变极调速(2)变频调速(3)变转差率调速,异步电动机的转速公式,调压调速转子串电阻调速串级调速,调速方法：,2020/5/4,48,6.3.1变极调速,变极调速为有级调速：,变极调速适用于笼型异步电动机：因为笼型转子的极对数能自动随定子磁场的极对数改变而改变，而绕线型转子的极对数则不能自动随定子磁场极对数的改变而改变。,改变定子绕组的极对数有两种方法：(1)双绕组变极(2)单绕组变极,2020/5/4,49,1.变极原理,p=2,SNNS,NS,p=1,NSNS,NS,NS,结论：对于由两个半相绕组构成的一相绕组，只要改变其中一个半相绕组的电流方向，就可将极对数增加一倍(正串)或减少一半(反串或反并)。,2020/5/4,50,(a)YY(p),(b)Y(2p),(c)(2p),2.两种典型的变极方法,2020/5/4,51,变极时必须把三相绕组中任意两相的出线端对调再接到电源上，保证电动机的转向不变。,因为电角度=电机极对数p机械角度设当p=1时，UVW互差120o正序；当p=2时，UVW互差240o负序。对调为UV(W)W(V)正序。,(1)YYY变极,p对磁极,2p对磁极,调速方向：YYY：nYYY：n调速范围：D=24调速的平滑性：差调速的稳定性：好静差率：,2020/5/4,52,(2)YY变极,p对磁极,2p对磁极,调速方向：YY：nYY：n调速范围：D=24调速的平滑性：差调速的稳定性：好静差率：,（基本不变）,2020/5/4,53,3.变极调速电机的种类,(1)双速电动机采用YYY和YY方式变极。其极对数成倍地变化，如2/4极、4/8极等。(2)多速电动机如国产YD250M-4/6/8/12型多速电机，有4极、6极、8极、12极四种极数。4.变极调速电机的特点操作简单方便、机械特性硬、效率高。只能有级调速，可获得恒转矩和恒功率调速。5.变极调速的应用场合YYY应用于起重机、运输传送带等恒转矩负载；YY应用于如各种机床切削等恒功率负载。,2020/5/4,54,6.3.2变频调速,1.从基频往下调节(f1fN),恒磁通控制方式,2020/5/4,55,在不同频率下，产生最大转矩时的转速降落为,nm=smn1,对上式进行求导，并令,结论：当保持恒电动势频率比调速时，Tm和nm是与频率无关的常数。,2020/5/4,56,f1fN,f1,恒电动势频率比调速时的机械特性,采用恒电动势频率比控制方式具有以下优点：,电动机的机械特性硬、调速范围宽且稳定性好。由于正常运行时转差率s较小，转差功率小，电动机的高。由于Tm不变，这种控制方式适合于带恒转矩负载调速。,2020/5/4,57,结论：当保持恒压频比调速时，Tm已不是常数，Tm随着频率降低而减小。,2020/5/4,58,恒压频比调速时的机械特性,f1fN,f1,结论：,基频以下恒压频比调速近似为恒磁通控制方式，同样适用于恒转矩负载调速。为了使电动机在低频时仍保持足够大的过载能力，通常可将U1适当抬高一些，以补偿一些定子阻抗压降。,2020/5/4,59,f1fN，U1L=UN（保持不变）f1m，类似于直流电动机的弱磁调速。当f1fN时，,2.从基频向上调节(f1fN),忽略R1，则,nm=smn1,2020/5/4,60,nm保持不变。,f1fN,基频向上调速时的机械特性,结论：,结论：在基频以上调速时，由于m与f1成反比地降低，使得Tem也与f1近似成反比变化，故电动机近似为恒功率运行。,2020/5/4,61,调速范围宽，D=100。调速平滑性好，可实现无级调速。机械特性硬，静差率小，转速稳定性好。基频以下为恒转矩调速，基频以上为恒功率调速。调速时转差率小，转差功率小，运行效率高。变频器结构复杂，价格昂贵。,3.变频调速的特点,2020/5/4,62,变频器,电机变频器一体化产品,优点：(1)一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。(2)变速驱动，输出功率范围宽（如从120W到7.5kW）。(3)在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。(4)高起动转矩。,2020/5/4,63,nm,6.3.3调压调速,TL3,n1,U1UN,改变U1调速是一种比较简便的调速方法，但低速时PCu2大，低，电机散热差，发热严重。,异步电动机调压调速,高转差率异步电动机调压调速,2020/5/4,64,结论：调速方向：U1(UN)n调速范围：D较小。调速的平滑性：若能连续调节U1，n可实现无级调速。调速的稳定性：稳定性差。对于恒转矩负载不宜长期在低速下工作，比较适合于风机类负载的调速。调速的经济性：经济性较差。需要可调交流电源，cos1和均较低。调速时的允许负载：既非恒转矩又非恒功率调速。,所以U1,Tem(n),P2,2020/5/4,65,【例6-5】一台Y280S-4型三相异步电动机，其额定值为PN=75kW，UN=380V，nN=1480r/min，三角形联结，最大转矩倍数KT2.2，电动机带额定负载运行，若采用调压调速，将定子电压调为0.8UN，求此时电机的转速。,解：额定转差率和临界转差率分别为,=0.64KTTN=1.408TN,2020/5/4,66,因此调压后额定负载时的转差率为,n=(1s)n1=(10.023)1500r/min=1465.5r/min,因为sm与U1无关，,调压后的转速为,2020/5/4,67,6.3.4绕线转子异步电动机转子串电阻调速,2020/5/4,68,结论：调速方向：n调速范围：D较小。D=23。调速的平滑性：取决于Rr的调节方式。一般为有级调速调速的稳定性：稳定性差。Rr。调速的经济性：初期投资不大，但运行效率较低。属于转差功率消耗型调速方法，低速运行时PCu2大，故不宜长期低速运行。多用于对调速性能要求不高且断续工作的生产机械上，如桥式起重机、轧钢机的辅助机械等。为恒转矩调速：因为调速前后U1、f1不变，m不变。,2020/5/4,69,【例6-6】一台YR280M-4型异步电动机带额定负载恒转矩运行，已知PN75kW，nN1480r/min，U1N=380V，三角形联结，I1N=140A，E2N354V，I2N=128A，KT=3.0。试求：(1)当在转子回路串入0.1电阻时，电机的运行转速；(2)要求把转速降至1000r/min，转子回路每相应串多大电阻？,解：(1)额定转差率和转子电阻值分别为,电机带恒转矩负载运行时有关系,2020/5/4,70,电机转速为,所以当串入电阻Rs=0.1时电机的转差率为,转子每相应串电阻为,(2)当n=1000r/min时的转差率为,=(10.076)1500r/min=1386r/min,n=(1s)n1,2020/5/4,71,6.4三相异步电动机的制动,制动方法：回馈制动、反接制动、能耗制动。,6.4.1回馈制动,1.实现回馈制动的条件及电动机中的能量传递|n|n1|，s0；电机处于异步发电机状态；将机械能量转变为电能反馈回电网；电磁转矩与旋转方向相反，起制动作用。,2020/5/4,72,2.回馈制动的机械特性,M,H,M,回馈制动,2020/5/4,73,调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,a,b,c,d,变频调速过程中的回馈制动,变极调速过程中的回馈制动,2020/5/4,74,第二象限,0(n1n),0,定子发出电功率向电源回馈电能。,轴上输入机械功率(位能负载的位能)。,Pm=(1s)Pem0,pCu2=PemPm|Pem|=|Pm|pCu2,机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,2.异步电动机回馈制动的功率,2020/5/4,75,6.4.2反接制动,1.改变电源相序的反接制动,迅速停车,(1)制动原理,制动前KM1合，KM2断，一般Rb=0。制动时KM1断，KM2合。转子串入Rb。,2020/5/4,76,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变，n1变向。,b,a,c,即s1(第二象限)。因s1，使E2s、I2反向，,Tem反向。,到c点时，若未切断电源，电机将可能反向起动。,制动结束。,d,R2,RbR2,2020/5/4,77,取决于Rb的大小。,(2)制动效果,(3)制动时的功率,0,Pm=(1s)Pem,三相电能,电磁功率Pem,转子,机械功率Pm,定子,转差功率,0,=PemPm=Pem|Pm|,R2,RbR2,2020/5/4,78,【例6-7】一台YR280M-8型绕线异步电动机，PN=45kW，nN735r/min，E2N359V，I2N=76A，KT=2.4，如果电动机拖动额定负载运行时，采用反接制动停车，要求制动开始时最大制动转矩为2TN，求转子每相串入的制动电阻值。,解：额定转差率和固有特性的临界转差率为,转子每相电阻值为,2020/5/4,79,在反接制动时瞬间，Tem=2TN，由于转速来不及变化，但旋转磁场的转向相反，所以，此时的转差率为,转子每相应串电阻为,2020/5/4,80,2.倒拉反接制动,下放重物,b,c,a,d,(1)制动原理定子相序不变，转子电路串联对称电阻Rb。,制动运行状态,d点(nd0，Td=TL),(2)制动效果改变Rb的大小，改变特性2的斜率，改变下方速度nd。,3,低速提升重物,R2,2020/5/4,81,(3)制动时的功率,第四象限,1(n0),0,0,Pm=(1s)Pem,定子输入电功率,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,=PemPm=Pem|Pm|,电功率与机械功率均消耗在转子电路中。,2020/5/4,82,【例6-11】某起重机由一台绕线型三相异步电动机拖动，已知PN30kW，UN380V，Y联结，nN730r/min，E2N390V，I2N=50A，KT=3.0。电动机轴上的负载转矩TL0.8TN。(1