三相异步电动机的电力拖动资料.ppt

6.三相异步电动机的电力拖动,本章主要教学内容1.三相异步电动机的机械特性2.三相异步电动机的启动3.三相异步电动机的制动4.三相异步电动机的调速,6.1三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指固定定子电压、频率和绕组参数时，电动机的转速或转差率与电磁转矩之间的函数关系。,n=f(T)或s=f(T),从异步电动机的内部电磁关系看，电磁转矩的变化是由转差率的变化引起的，转矩随转差率变化的规律为转矩转差率特性。,T=f(s),6.1.1电磁转矩表达式(1)物理表达式,(2)参数表达式,将,代入得，,有,异步电动机T=f(s)的曲线,(3)实用表达式,由参数表达式可求得,整理后得：,将式中的略去，实用表达式为,6.1.2固有机械特性电动状态,额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子电路中不外接电阻、电感或电容时的机械特性。,三相异步电动机的固有机械特性,（1）电动状态AC段近似为直线，对任何负载均能稳定运行，是机械特性的工作段。,理想同步运行点A，T=0,s=0,n=n1，额定运行点B，转速、转差率、转矩、电流和功率都是额定值。最大转矩点C，对应最大转矩Tm,临界转差率Sm，m=Tm/TN，称为最大转矩倍数或过载能力。,(1)电动状态CD段恒转矩负载在CD段不能稳定运行，风机和泵类负载可以稳定运行，但转差率大，定、转子电流都很大，不宜长期运行。,三相异步电动机的固有机械特性,(2)发电状态,，电磁转矩是制动转矩，,电磁功率,上面图第象限为发电状态,，向电网回馈电能。,(3)制动状态,上面图中曲线1第象限部分为电磁制动状态,，称为转速反向的反接制动（绕线型异步电动机）。,三相异步电动机制动电磁转矩示意图,例6-1一台三相六极笼型异步电动机定子绕组Y连接，额定电压额定转速电源频率，电机等值电路参数：，求额定电磁转矩、临界转差率、最大电磁转矩、过载倍数、启动转矩及启动转矩倍数。,6.1.3人为机械特性（1）降低定子电压人为机械特性,一组过同步运行点，保持,同步转速n1与临界转差率sm不变，电磁转矩T、最大转矩Tm和启动转矩Tst与U12成正比例降低。降压后,的人为机械特性的工作段特性变软，转差率增大，电机的过载能力降低。,不变的曲线簇,降低定子端电压U1,三相异步电动机定子降压的人为机械特性,（2）定子回路串接三相对称电阻或电抗的人为机械特性一组过同步运行点的曲线簇相当于增加定子回路电阻或电抗的值，同步转速n1不变，临界转差率Sm、电磁转矩T、最大转矩Tm和启动转矩Tst都减小。一组过同步运行点的曲线簇。人为机械特性的工作段特性变软，转差率增大，电机过载能力降低。,定子回路串接对称电阻或电抗的人为机械特性,（3）转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性一组过同步运行点，最大转矩Tm不变的曲线簇，同步转速n1、最大转矩Tm不变，临界转差率Sm增大，电磁转矩T减小。,工作点A与工作点B有如下关系:,反而减小。,启动转矩,随转子电阻增大而增大，,电阻再增大，,即人为机械特性与固有机械特性上相同电磁转矩的工作点有如下关系：,转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性,6.1.4利用电磁转矩实用表达式计算机械特性,（1）已知固有机械特性若已知额定功率PN（kW），额定转速nN（r/min）和过载能力,则有,忽略空载转矩，近似认为,，则,解得：,（2）已知人为机械特性（TL，s）求sm已知工作点的负载转矩TL和转差s,则有,，解得,（3）求取人为机械特性转子回路外串电阻的电阻值,例6-2,一台三相异步电动机，额定功率PN=70kW，额定电压380V/220V，额定转速nN=725r/min，最大转矩倍数,求转矩的实用公式。,例6-3,一台绕线型三相异步电动机，有关参数为：PN=75kW,nN=720r/min，,转子每相绕组,求,（1）使启动转矩,，转子每相回路应串多大电阻？,，要求电机转速n=500r/min，转子每相回路应串多,（2）负载转矩,大电阻？,（2）计算时，转子外串电阻有两种方法：,解法一：利用下图中所示的工作点A与工作点B,6.2三相异步电动机的启动,6.2.1直接启动的问题启动要求：启动电流不能太大，减小对电网冲击；有足够启动转矩，缩短启动时间；设备简单，价格低廉，便于操作及维护。直接启动问题：启动电流很大；启动转矩不大。解决方法：对笼型异步电动机，可采用：直接启动、降压启动、加大定子端电阻或电抗、改进结构、软启动；对绕线型异步电动机，还可以增加转子端电阻或电抗。,6.2.2笼型三相异步电动机的直接启动,对笼型异步电动机，若负载对启动过程要求不高，且供电电网允许，可采用直接启动方法。一般7.5kw以下的小容量异步电动机都可以直接启动。若供电变压器容量较小，符合下式要求，也允许直接启动。,6.2.3笼型三相异步电动机的降压启动(1)定子串三相对称电阻或电抗降压启动,由下图可知，若,，则,若回路串电阻，则有,若回路串电抗，则有,接线图,简化等效电路图,(2)Y-D降压启动正常运行时D接，启动时接成Y形,启动时电网供给电动机的启动电流为,若改为D形接法：,Y-D启动接线图,(3)自耦变压器降压启动由自耦变压器原理可知：,，自耦变压器启动时，,，,的电流：,启动接线图,启动一相电路图,(4)三种降压启动方法比较,确定启动方法时，应根据电网允许的最大启动电流、负载对启动转矩的要求及启动设备的复杂程度、价格与维护成本等条件综合考虑。,例6-4一台笼型三相异步电动机，定子绕组D接法，相关数据为：启动电流倍,，,数,，,启动转矩倍数,，过载能力,启动转矩为,，供电变压器要求启动电流小于,等于150A，,请选择合适的降压启动方法：能采用Y-D启动，优先选用；若采用定子串电抗器启动，需计算电抗数值；若采用自耦变压器降压启动，需从55、64、73三种抽头中确定一种。,解：电机额定转矩：,保证正常启动的最小转矩：,（1）校验能否采用Y-D启动,启动电流：,启动转矩：,虽然,不能采用Y-D启动。,（2）校验能否采用定子串电抗启动,不串电抗器启动电流：,减压倍数：,串电抗最大启动转矩,由于,不能串电抗器启动。,（3）校验能否采用自耦变压器启动,当抽头为55时，,当抽头为64时，,当抽头为73时，,无需计算启动转矩，因为,不能采用73抽头。,6.2.4高启动转矩的笼型三相异步电动机对于笼型异步电动机，改进电机结构可以增大启动时的转子回路电阻，从而增大启动转矩。1）转子电阻值较大的笼型异步电动机改变鼠笼金属材料，减小截面积等方法增大转子电阻。,1普通笼型；2高转差率；3起重冶金；4力矩式,转子电阻较大的笼型异步电动机的机械特性,2）深槽式笼型异步电动机转子槽形深而窄，通过集肤效应增大启动时的转子电阻。,3）双笼型异步电动机安装有两套鼠笼，外笼为启动笼，内笼为运行笼，改变外笼与内笼参数，可以得到不同形状的机械特性。,原理分析：两个笼型绕组图槽形如图，上笼导条用电阻系数大、截面小的黄铜或铝制成，电阻大，电流小，所交链的漏磁少，漏抗小。下笼导条用电阻系数小的紫铜制成，截面大，电阻小，故所交链的漏磁大，漏抗大。启动时f2f1，转子漏抗比转子电阻大，下笼导条漏抗大，电流小，上笼导条漏抗小，故电流集中在上笼。上笼导条电阻大，所以限制启动电流又提高了启动转矩，所以上笼称启动笼。转子接近工作转速时，转子电流频率低转子漏抗远小于电阻，所以电流大部分从电阻较小的下笼流过，正常运行时下笼起作用，所以称工作笼。,双笼异步电动机结构示意图,6.2.5笼型三相异步电动机的软启动通过改变定子电压满足启动要求，实质上是一台交流调压器。启动时，控制晶闸管的导通角调节定子电压。利用闭环控制限制启动电流，确保定子电流、电压或转矩按照设定的函数关系变化。启动过程结束，将软启动器切除。,异步电动机软启动器的组成框图,主要实现方法：电流斜坡启动；电压斜坡启动；转矩控制启动；阶跃启动,6.2.6绕线型三相异步电动机的启动当笼型电动机不能满足起动要求，可以用绕线电动机，因为绕线电动机转子可以在转子串入电阻，以限制起动电流和增大起动转矩转矩。启动过程，转子回路串接三相对称电阻，既能限制启动电流，又能增大启动转矩。（1）串频敏变阻器启动启动时，转子回路频率较高，频敏变阻器铁损耗较大，转子回路等效电阻较大，随着转子频率的降低，频敏变阻器作用逐渐减弱，启动结束后，频敏变阻器几乎不起作用。,串频敏变阻器接线图,串频敏变阻器启动机械特性,频敏变阻器一相等值电路,（2）转子串电阻分级启动以三级启动为例，逐级闭合开关的过程中，转子回路外接电阻依次为：,转子回路串电阻分级启动,若已知启动极数m：（1）按要求或者根据,选取T1,由公式,由,求取,，判断是否满足,，若满足继续步骤；,若不满足，重新选取,或增加启动级数，重复步骤；,估算或者试验方法确定r2；按照上页公式计算各级电阻值。,若启动级数m未知：,（1）按照要求或根据,和,选取,计算；,（2）由公式,利用上述公式重新计算，并确定T1或T2具体数值；,计算启动级数，取结果的相邻最大整数，,根据m值，,（3）估算或者试验方法确定r2；（4）按照上页公式计算各级电阻值。,例6-5一台绕线型三相异步电动机，定子绕组Y接法，相关数据为,启动时负载转矩,求转子串电阻三级启动的电阻值。,解：额定转差率:,转子每相电阻：,最大启动转矩:,启动转矩比:,校验切换转矩：,各级转子回路外串电阻:,启动时各级转子回路总电阻:,6.3.1能耗制动1)能耗制动-制动原理电机处于制动状态，电磁转矩与转速方向相反，为制动转矩，电机轴上输入的机械功率转换为电功率，消耗于转子电阻或回馈到电网中，机械特性在、象限.一般情况下，把两相绕组经限流电阻R通入直流电流，气隙建立固定磁场，这时转子产生感生电流，电流同固定磁场互相作用产生电磁转矩，与转子n的方向相反，制动。,能耗制动示意图,能耗制动将定子绕组切换到直流电源上，旋转的转子切割恒定磁场，产生具有制动性质的电磁转矩，实现拖动系统快速停车或使位能性负载匀速下放。,能耗制动接线图,2)能耗制动等效变换,直流电,产生的固定磁动势与大小为,的三相交流电产生的旋转磁动势等效。若定子绕组采用D形接法，,。,建立的固定不变的磁场看成是以转速,同时将转子相对转速变换为,旋转的旋转磁场，,。,磁动势等效变换前后的相对转速,定子绕组通入直流电时的磁动势,3)能耗制动-机械特性,能耗制动转差率:,由等效电路可知:,机械特性表达式:,能耗制动机械特性,能耗制动等效电路,4)能耗制动制动过程反抗性负载实现快速、准确停车。能耗制动切换瞬间，转速不会突变，工作点ABO，电动机转速降为零。位能性负载实现稳速下放。原点O工作点C，位能性负载稳速下放。电动机轴上输入的机械功率靠重物下降减少的位能提供，转换为电功率后消耗在转子回路中。,能耗制动过程,例6-6一台绕线型三相异步电动机，定转子绕组均为Y接，相关数据为：,空载电流,，现采用能耗制动，求：,（1）要求,时,转子回路应串多?,（2）外串电阻不变，要求电动机带位能负载转矩,稳速下放，求下放转速。,解:,额定转差率:,额定转矩:,最大制动转矩为:,6.3.2反接制动定子两相反接制动(定义),1）定义：改变电源相序，旋转磁场反向，转子转速不能突变，转子感应电动势与感应电流反向，电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态。,电动机既从电网吸收电功率，又从轴上输入机械功率(由拖动系统转动部分减少的动能提供）。都转变为转差功率，消耗在转子回路电阻中。,反接制动接线图,反接制动机械特性,2）反接制动定子两相反接制动(制动过程),反接制动机械特性,3）反接制动转速反向的反接制动（参照P186）绕线型异步电动机转子回路串入大电阻，电动机被位能性负载拖动反转，工作点进入第象限，如图所示工作点G。,电动机轴上输入的功率靠重物下放时减小的位能来提供。,例6-7参数与例题66相同,一台绕线型三相异步电动机，定转子绕组均为Y接，相关数据为：,空载电流,现采用能耗制动,求：（1）电动机额定运行时将定子任意两相对调，要求制动瞬间制动转矩为,（2）采用转速反向反接制动运行，使位能负载,，以速度稳速,下放，转子回路串入多大电阻？,应在转子回路每相串入多大电阻？,6.3.3回馈制动1)位能性负载拖动电动机反向回馈制动运行定子两相反接制动运行时，电动机在位能性负载拖动下进入第象限运行，。电磁转矩与转速方向相反，如图所示工作点C与工作点D,有,重物减小的位能变为电动机轴上输入的机械功率,，扣除机械损耗和转子铜损耗,后转变为电磁功率,扣除定子铜损耗和铁损耗后，余下的是回馈给电网的功率P1.,送给定子，,2)异步电动机正向回馈制动,笼型异步电动机采用变极调速或变频调速时，高速变换到低速的降速过程中，会发生回馈制动。降频调速时，电动机工作点,在降速过程曲线2的BC段，转速,，电磁转矩,电动机处于回馈制动状态。不过这种情况下是过渡状态，不能稳定运行。,（参照右图）,异步电动机正向回馈制动,，且，,例6-8某起重机吊钩由一台三相绕线型异步电动机拖动，电动机的额定数据为：,电动机下放重物,下放重物有低速、高速两档，低速时要求速度为,，高速时要求速度为,，电源两相反接。求在低速、高速两档转子回路需串多大电阻。,6.3.4异步电动机的各种运行状态1)电动运行状态、象限T与n同向，电机从电网吸收电能，转换为机械能输出。,异步电动机各种运行状态,2)制动运行状态、象限T与n反向，有能耗制动、反接制动和回馈制动等不同运行方式。,根据转差率可以区分异步电动机运行状态,6.4三相异步电动机的调速6.4.1调速方法由关系式:,可得调速方法分为：改变定子绕组极对数p、电源频率f1、转差率s等进行调速。其中改变转差率调速，主要有以下方法：1)降低电源电压调速；2)转子回路串电阻调速；3)串级调速；4)转差离合器调速。,6.4.2改变极对数调速（又称变极调速）适用于笼型异步电动机，通过改变定子绕组的接线方式及改变极对数，如图（下图所示。将两个半相绕组的联接方式改成如图（b）或c）的形式，改变半相绕组中的电流方向，根据电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通向，此时定子绕组产生的脉动磁动势是2极。由此可见，改变半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从而使同步转速增加一倍，对于拖动恒转矩负载，运行的转速也近似增加1倍。为保证调速前后电动机转向不变，应同时改变定子绕组的相序。,.swf,三相异步电动机的变级调速,6.4.3变频调速由基频向下调速(参见P192193)（定义见P191）（1）保持为常数，降频调速，由于为常数，恒磁通调速方式。,保持为常数时机械特性,各条机械特性曲线工作段相互平行，硬度相同。属恒转矩调速，适用于恒转矩负载，可实现无级调速,(2)保持为常数，降频调速由于感应电动势难测量，而，保持为常数，磁通近似为常数。,保持为常数时机械特性,由于最大转矩Tm随着,所以为近似恒转矩调速方式。,的降低而减小。,6.4.3变频调速由基频向上调速保持为额定值U1不变，随f1的升高，气隙磁通Qm减小。,保持U1为额定值时调速机械特性,f1越高，Tm与Sm越小，n不变，各机械特性运行段近似平行。基频向上变频调速属恒功率调速。,6.4.3变频调速特点设备结构复杂，价格较贵，容量有限。随着电力电子技术的发展，变频器向着性能优异，价格便宜，操作方便等趋势发展；变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广，平滑性高等特点，可实现无级调速；变频调速时，转差率较小，转差功率损耗较小，效率较高；变频调速时，基频以下的调速为恒转矩调速方式，基频以上调速时，近似为恒功率调速方式；变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域。,6.4.4改变转差率调速降低定子电压调速,同步转速n1临界转差率Sm不变，电磁转矩T和最大电磁转矩Tm与U12成正比减小。为提高机械特性的硬度，可采用如图所示的速度闭环控制系统。,三相异步电动机降压调速,具有速度反馈的降压调速系统,6.4.4改变转差率调速转子回路串电阻调速同步转速n1与最大转矩Tm不变，若负载转矩不变，外接电阻与转差率有如下关系:,绕线型异步电动机转子串电阻调速,属于恒转矩调速方式，只能实现分级调速，转子外串电阻越大，转差率越大，消耗在转子回路的转差功率越大，效率越低。低速下运行时机械特性软，稳定性不好。,对于绕线转子异步电动机，在其转子上不串入电阻，而是串入一个与转子电动势频率相同、相位相同或相反的交流附加电动势，如图右图所示，通过改变的幅值和相位来实现调速。这样，即使电动机运行在低速，也只有少量的转差功率消耗在转子电阻上，而转差功率的大部分被所吸收。,再利用产生的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈电网（或再送回电动机轴上输出），就能使电机在低转速时仍具有较高的效率。这种在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就称为绕线转子串级调速。,6.4.4改变转差率调速绕线转子串级调速,在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd，等效电路如下图所示。此时转子电流为:,正号表示E2s与Eadd同相，负号表示E2s与Eadd反相。电机处于电动状态时，I2与负载大小有直接关系。当电动机的负载转矩恒定时，可近似地认为恒定。设在未串入Eadd前，电动机在转差率S1下稳定运行，电磁转矩T=TL。引入同相的Eadd后，电动机转子回路的合成电动势增大，I2和T也相应增大。由于TL恒定，电动