第6章三相异步电动机的电力拖动.ppt

电机与拖动基础,第6章三相异步电动机的电力拖动,异步电动机的启动与制动同直流电机有相同的地方，也有不同的特点。应该在掌握直流电机启动与制动的原理的基础上，重点学习异步电动机特性曲线的特点，在异步电动机的启动与制动过程中有那些特殊的情况。,6-1三相异步电动机的机械特性,与直流电机相似三相异步电动机的机械特性也是表示转矩和转速的函数关系，即：Tf（n）,三相异步电机的机械特性方程,有三种方式：物理表达式：TMI2cos2（形式类似直流电机的TCTIa）参数表达式:（用等值电路中的参数表达转矩）实用表达式:,异步电机的固有机械特性,异步电机固有（自然）特性的条件：施加电源电压额定N；电源频率额定N；定子按规定方式接线；定转子不串R、L、C。异步电机机械特性由下三点确定曲线：同步转速点（T，）最大转矩点（TT，）起动点（，TTst）,n,Sm,Tm,Tst,D,T,Q,S,0,0,1,T,n0,异步电机的人为机械特性,降压人为特性不变，T不变，T12，Tst1注意：若负载转矩接近额定,降压对电动机运行极为不利。当TTN时（但转速和功率因数变化不大）则从下式看出：TNTI2COS2I2I2N，I1I1N不可长期运行。,n,T,Tm,0.64Tm,Tst,0.64Tst,Sm,U1N,0.8U1N,0.5U1N,异步电机的人为机械特性,转子回路串对称电阻人为特性在绕线式异步电动机转子回路三相串对称电阻no不变，T；Sr2+R，Tm不变；S=1在适当范围RTst（但R太大Tst）,n,s,sm,sm,r2,r2+r1,r2+r1,1,0,0,Tst,Tst1,Tst2,T,异步电机的人为机械特性,定子回路串接三相对称电阻或电抗人为特性一般用于鼠笼式异步电动机的降压起动，以限制起动电流。串电抗起动，比串电阻损耗小得多。no不变，T=oSm，TmS1，Tst在笼型异步电动机的三相定子回路中分别串对称电阻或电抗不影响同步转速的大小,故no不变；但随R（或x）增大，Sm、Tm及Tst.都减小。,n,T,Sm,Sm,s,异步电机的变频人为机械特性,改变电源的频率f改变了同步转速ns=60f/p特性曲线上下平移使用区的硬度不变形同直流电机的变压人为特性，被人为是异步电机的最佳调速特性曲线！,n,T,s,fN,f2fNf1,f2,f1,6-2三相异步电动机的起动,一、直接起动（固有特性起动）直接起动也称全压起动，起动时通过三相闸刀或磁力起动器将定子绕组直接通上额定电压的电源。这种方法设备简单，操作方便，但起动电流较大，可达额定电流的倍。会引起电网电压的波动，此波动不能超过容许范围。一般功率在7.5kw下电机直接起动，若供电力变压器容量相对电机容量比较大，符合下经验公式，也能采用直接起动。直接起动时，起动转矩要大于负载转矩，否则不能带额定负载起动或采取措施提高Mst.,供电变压器容量(KVA),电动机容量（KW）,二、中大容量电动机轻载起动降压起动,相对于配电的容量，称电动机为中、大容量，由于不带负载或轻载起动，主要矛盾是电流。,1、定子串电阻或电抗降压起动,直接起动电流为I1st，降压起动电流为I1stI1stI1st(1为起动电流所需降低的倍数)而TstTst(起动转矩阵Tst比电流下降得多)电抗电阻计算：直接起动时UstI1st=ZK=rk2+xK2串电阻R后UstI1st=(R+rk)2+xK2而I1staI1st则(R+rk)2+xK2=ark2+xK2R=a2rk2+(a21)xK2rK同理串电抗：=a2xk2+(a21)rK2xK,2、自耦变压器降压起动,自耦变压器降压起动器由一台三相形连接的自耦变压器和切换开关组成，又称起动补偿器。右图为自耦变压器一相绕组接线图N1u1I2其变比为：-N2u2I1降压起动时，自耦变压器原边电压U1为UN；副边电压U2就是异步电动机降低了的电压U1其降压倍数为：U1Ue-U2U1设，全压起动电流为I1st；自耦变压器降压起动电流为I1st(I2)I1st=I2aI1sta2同样：Tst=Tst/a2由上可知Tst与I1st降低倍数相同,这是自耦变压器降压起动的优点。可将自耦变压器做成不同变比的抽头,以适应不同起动转矩的要求,QJ2：a=1.8,1.56,1.37分别降压55,64,73%QJ3：a=2.5,1.67,1.25分别降压40,60,80%,3、星三角（Y）起动,对哪些正常运行时接法,且又有首尾6个出线端的电动机可在起动时Y接法，正常运行时又改成接法,从而实现降压3倍起动。UY1I1st11由-U3I1st(3)23TstTst3条件：1只能用于轻载和空载起动；2正常运行为接法的电机；3电动机必须有六个抽头。若Y/380/220这种电机则不行（在只有380V三相电源时）若Y/660/380只有380V电源时便可。,例：一台三相异步电动机定子接法，PN=1000KW,U1N=380V,I1N=235A,nN=593r/min,KI=6,Km=0.9,m=2.2,电网允许电流940A。,试问以下三种负载可采用哪些方法起动,空载,半载,满载。解：空载动1直接起动I1stKIIN62351410ATstKmTN0.9TN2定子串电阻aI1st/I1st1410/9401.5Tst=0.9TN/(1.5)20.4TN3Y-起动I1st14103470ATst0.9TN/30.3TN4自耦变压器起动,取40%，这样:aN10.4N12.5I1st14102.52225.6ATst0.9TN/6.250.144TN半载(上三种不能用)将自耦变压器抽头换一下，取80%aN10.8N11.25，I1st14101.252902.4ATst0.9TN/1.2520.576TN满载起动,上面方法均不能用.只能买同容量绕线式异步电机,在转子回路串电阻。,不可用,可用,可用,可用,可用,三、小容量电机重载起动,小容量电机重载起动，起动电流对电网冲击不大，主要矛盾是起动转矩小。为了改改善电动机的起动性能,可以改变转子槽形和绕组材料，利用“集肤效应”使起动时转子电阻增大，从而增大起动转矩并减小起动电流，在正常运行转子电阻又能自动变小,基本上不影响运行性能。,、深槽式异步电动机,槽深h-槽宽b一般电动机集肤效应使：下上下上导条下面部分漏抗大电流密度上大下小；起动时，此时集肤效应最严重，使转子阻抗增大，而减小起动电流，增大起动转矩。当转速上升，减小，到N，f2=()HZ，集肤效应基本消失，导条中电流均匀分布，导条的电阻变为较小的直流电阻，运行时基本不受影响。缺点：正常工作时漏抗大,cos低，过载能力小。,、双鼠笼式异步电动机,转子上有两套鼠笼,即上笼用电阻系数大的黄铜或铝青铜制成，且截面小;下笼用电阻系数较小的紫铜制成，且截面大。起动时，集肤效应使下笼通过电流小，而上笼电阻又大，将产生较大转矩。正常运行时，大部分电流通过下笼。称上笼为起动笼,下笼为运行笼。上图为特性曲线,n,T,下,上,、高转差率鼠笼异步电动机,转子导条截面小,且用电阻率高的铝合金制成，使转子电阻加大,限制起动电流,增大起动转矩。正常运行时转差率比普通鼠笼异步机高，因而称高转差率鼠笼电机。,n,s,sm,sm,r2,r2,R2”,1,0,0,Tst,Tst1,Tst2,T,四、大中容量电机重载起动,大中容量的异步电机重载起动时电流大、转矩小两种矛盾同时存在。为此，应采用绕线式异步电动机，在转子回路串电阻或频敏变阻器，改善起动和制动性能，这样不但可增大起动转矩，减小起动电流，而且把转子接入的电阻所发出的大部分热量于电机之外，减小电机本身发热。,一、转子串电阻起动,在实用公式中：SSmSmT(2Tm/Sm)STS一般选：T1TmT2=(1.11.2)Tz由T1T2=则：R12R1R12R22r2R2R2R1R33r2R2R3R2Rmmr2RmRmRm-1（一般SNX2n0为回馈制动。电机的回馈制动还可能出现在第二象限。,n,-n0,T,-TB,A,B,D,C,-nC,E,三、能耗制动的运行状态,与直流电机不同的是:异步电动机断开电源时,定子失去磁场,若想进行能耗制动，须在定子绕组另外施加直流励磁。右图K1合上K2断开电机处电动状态；若K1断开K2合上在定子绕组通入直流电流，于气隙中建立恒定磁场，由惯性旋转的转子切割磁力线感应电动势、产生电流、产生制动作用的电磁转矩，电机处于能耗制动。机械惯性转变为电能消耗在转子回路的电阻上。当n0动能降为零，制动过程结束。,能耗制动的特性曲线,能耗制动的机械特性分析较为复杂，可视为反向特性平移到原点。可推算出：等效的交流电流I1=0.816(直流电流),n,T,Tz,TB,A,B,64三相异步电动机的调速,直流电动机的调速性能虽好，但由于有换向器，带来的缺点是构造复杂，运行可靠性差，维修困难，换向器运行的火花在可燃性气体的环境下不能采用，另外，受换向条件的限制，电动机的单机动率不能做得太大。异步电动机没换向器,不存在直流电机的这些缺点。异步电动机具有结构简单，运行可靠维修方便，造价低等优点，而且随着电力电子学，微电子技术，计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，目前高性能的异步电动机调速系统的性能指标已达到了直流调速系统的水平。,三相异步电动机的调速方法,三相异步电动机运行时，其转速为：变极调速调压调速调速方法变调速转子串电阻调速变频调速串级调速电磁离合器调速,变极调速,一、变极原理：异步电动机的同步转速n0与极时数p成反比，改变极对数，就改变了同步转速，实现了变极调速。三相异步电机定子绕组极对数是由绕组接线方式决定的。双绕组变极:两套不同极对数定子绕组,每次用其中一套单绕组变极:改变绕组联结方式来获得两种或多种极对倍极比（如2/4极4/8极）单绕组变极非倍极比（4/6极6/8极）三速（2/4/8极4/6/8极等）,变极方法,倍极比单绕组变极原理,右图：两线圈正向串联，产生的脉振磁动势是四极的；右图：将其中一个线圈的电流方向改变，产生的磁动势就是二极的。,N,N,N,S,S,S,二、变极电动机三相绕组的联结方法,单绕组变极双速异步电动机，每相的两个半相绕组可以采用串联或并联两种不同联结方法。这样,三相之间一般可采用单Y（每相一条支路），双Y（每相两条支路）和（每相一条支路）三种联结方法。从少极数到多极数一般采用YY，YY1、Y/YY联结方法：变极前后：PYYPY，TYYTY说明YY变级调速基本属恒转矩调速方法。,变极电动机三相绕组的联结方法,2、/YY联结方法：变极前后TTYY3PPYY0.866/YY变级调速接近恒功率调速。注意：变极调速只能用在笼式三相异步电动机；为保证转向不变，变极时需改变电源相序。,调压调速,一、开环调压调速单用三相异步电动机的降压人为特性调节定子电压,得右图机械特性。存在问题：对恒转矩负载调速范围很窄；对风机类负载特性D较大，但低速时功率因数低，电流较大。解决方法：采用转子电阻较大的鼠笼机如图B转子串入频敏变阻器时有图C特性但带恒转矩负载时D虽大些,但低速时调速特性较软，并不理想。,图B,图C,n,n,n,T,T,M,二、闭环调压调速,采用速度反馈的降压调速系统：用测速发电机测出反应速度的电势en，与给定e0比较后，决定降低和提高电动机的定子电压Ux：闭环后,相当直流电机变压调速特性。缺点：损耗大，效率低。nSSPdc=pcu2若TzTzeneuXu2从工作；若不闭环则点速度下降很多。为何低速时cos低，电流大？2=tg-1(SX2/r2)nS21cos1又T=CTm2cos2在相同转矩下cos22,调压装置,F,D,u1,uX,en,e0,e,a,a,b,n,u1,u2,u2u1,T,Tz,Tz,滑差电机调速（电磁离合器调速）,1、滑差离合器的结构主动部分(电枢)由异步机带动(铸钢圆筒)从动部分(磁极)由负载联接2、工作原理励磁绕组通过滑环加直流电流f产生磁通；异步电动机带电枢旋转切割感应B(涡流)B产生力矩M反作用于磁极，使其以n2旋转。一对磁极下的涡流与作用产生的力F2BLI从主动部分输出的总电磁转矩MFRPR电枢平均半经P极对数,3、电磁转差离合器的机械特性,运用电磁离合器调速时，由于笼型异步电动机的转速变化不大，所以机械特性主要是电磁转差离合器本身的机械特性。当改变f进行调速n0笼型电机转速;n为从动部分转速;T为电磁离合器转矩;K为有关系数;为直流励磁电流。这种机械特性不实用,可采用转速闭环控制(如右图),领先转速反馈控制的作用,使转差离合器在负载转矩增加时引起的转速降低,由增加励磁电流来补尝，从而使转速稳定。,失控区,T,n,i1,i2,i3,i4,i4,i3,i2,i1,T,n,转子串电阻调速,转子电路串电阻调速属改变转差率调速。调速方法的特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。(消耗在转子电路）特点：设备较简单,初期投资小；只能为有级调速；属恒转矩调速方式；只宜带负载调速，空载时转速变化不大；低速运行时,特性软、损耗大、效率低、不宜长期工作。适用于起重机类型机械和通风机负载。,n,T,串级调速,为了克服以上调速不足，设法将转差功率利用起来，便出现了串级调速方法。所谓串级调速，就是在异步电机转子内引入与E2频率相同而且相位相同(或相反)的附加电势Ef，通过改变Ef值大小来实现调速。1、串入电势Ef与E2同相位：串入Ef后：SE2(SE2+Ef)2TTznS(SE2+Ef)2T=Tz当串入的Ef值足够大时,使电动机转速超过同