第14章三相异步电机的启动及速度调节.ppt

14.1三相异步电动机的起动,起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。,1.起动电流大的原因,起动时,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.,2.起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时,远大于运行时的,转子漏抗很大,很低,尽管很大,但并不大.,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小.,由上述两个原因使得起动转矩不大.,起动电流倍数、起动转矩倍数、,起动时间及起动过程中的功率损耗及起动设备的简单性和可靠性等。我们对第一个指标最为关注，因为很大的起动电流会使供电变压器输出电压明显下降，这样会影响变压器的其它用户的正常用电，以及对本身电机的起动产生不利影响。,起动性能指标有：,数47，起动转矩倍数1.42.2。,异步电动机在额定电压下直接起动时，起动电流倍,三相异步电动机的直接起动,由于起动瞬间，主磁通约减少为额定值的一半，功率因数又很低，造成了起动电流很大，起动转矩确并不太大。通常，只有在7.5kW容量的小型鼠笼型电动机可采用直接起动。,直接起动,14.2三相笼型异步电动机的起动,一、直接起动,可以直接起动的条件：起动电流倍数,二、降压起动,适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时Y接；运行时接。,起动电流关系:,Y-降压起动多用于空载或轻载起动,1.Y-降压起动,起动转矩关系:,对于正常运行时定子绕组采用“D”联结的异步电动机，起动时定子“Y”联结，起动完毕后换成“D”联结。这样起动时，每相起动电压大小和直接起动时每相电压大小之间的关系：,每相起动电流为:,起动线电流为:,起动转矩为:,，,2.自耦变压器降压起动,直接起动时的起动电流：,降压后二次侧起动电流：,变压器一次侧电流：,电网提供的起动电流减小倍数：,起动转矩减小的倍数：,自耦变压器一般有三个分接头可供选用。,电动机降压起动时电流为，与直接起动时的起动电流之间关系为,自耦变压器高压侧的起动电流，与之间的关系为,自耦变压器降压起动与直接起动相比，供电变压器供给的起动电流之间关系为,自耦降压起动，与直接起动时，起动转矩之间关系为,3.定子绕组串电阻或者电抗器启动,在定子绕组的电路中串入一个三相电阻器或者电抗器来产生一定的电压降，使得达到降低启动电流的目的。串电阻器启动时，要消耗较大的功率；串电抗器启动时，当K2短接启动电抗器时还会产生较大的短路电流，所以串电抗器适合于启动转矩要求不大且启动不频繁的场合。,Ust=UN/k;Ist/Ist=1/k;Tst/Tst=1/k*k,设串电抗时定子电压与直接起动时定子额定电压的比值为。则,定子串电抗器起动,定子串电抗器（电阻器）起动,三、软启动,应用自动控制线路组成软启动器，无级平滑启动，分为：磁控式和电子式。启动时过程中，所加电压不是一个固定值，启动器输出电压按指定要求上升电子启动器采用智能化控制,这里介绍的几种鼠笼型电动机降压起动的方法，主要目的是限制起动电流，但同时起动转矩也不同程度的降低了，因此只适用于轻空载起动。,14-3绕线式异步电动机的启动,降压启动在限制启动电流的同时，大大降低了启动转矩。在需要较大启动转矩的应用场合，人们不得不选择价昂贵的绕线式异步电动机。绕线式异步电动机的特点是可以在转子回路中接入附加电阻，以改善其启动和调速性能。如果R2+Rst=sqrtR12+(X1s+X2s)2，则获得最大启动转矩。,一、转子回路串电阻起动,在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。,为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。,启动电阻器有金属丝电阻器、铸铁电阻器、水电阻器等，但都按短时方式设计,，电机的起动转矩为最大电磁转矩。,1）转子回路串电阻起动：这种起动方法可以减小起动电流，但所串电阻合适时，还能增加起动转矩，当所串电阻满足：,为了有较大平均起动转矩，减小电流和转矩冲击，常采用电阻逐级切除法。,电动机由a点开始起动，经bcdefgh，完成起动过程。,起动过程,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。,起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。,起动时,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着上升,减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。,三相异步电动机的制动,1能耗制动,实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。,直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。,制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。,对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩。,对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩。,制动电阻大小：,一、电源两相反接的反接制动,2反接制动,实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。,机械特性由曲线1变为曲线2，工作点由ABC，n=0,制动过程结束。,绕线式电动机在定子两反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩,曲线3。,二、倒拉反转的反接制动,条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。,实现：在转子回路串联适当大电阻RB。,电机工作点由ABC，n=0，制动过程开始，电机反转子，直到D点。在第四象限才是制动状态。,由于电机反向旋转，n1。,反接制动时，s1，所以有,机械功率为,电磁功率为,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，并轴定子向转子传递功率。,而,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。,3回馈制动,实现：电动机转子在外力作用下，使nn1.,回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。,一、下放重物时的回馈制动,首先将定子两相反接,定子旋转磁场的同步速为-n1，特性曲线变为2。工作点由A到B。经过反接制动过程（由B到C）、反向加速过程（C到-n1变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到C点保持稳定运行。,电机机械特性曲线1，运行于A点。,二、变极或变频调速过程中的回馈制动,电机机械特性曲线1，运行于A点。,电机工作点由A变到B，电磁转矩为负，电机处于回馈制动状态。,当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为2。同步速变为。,1.深槽式异步电动机（Deepbarmotor）,集肤效应挤流效应,a起动时在刚起动时，f2=f1。频率较高，导体漏抗大于电阻，漏抗占主要成分，槽电流的分布近似与漏抗成反比。槽底部分漏抗较大，该部分电流较小。愈接近于槽口漏抗愈小，该部分电流较大集肤效应。由于电流的分布不均匀，等效槽导体的有效面积减小集肤效应使槽导体电阻增加；,14.4改善启动性能的三相鼠笼异步电动机,b正常运行时在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布，转子电阻恢复到固有的直流电阻。由于槽深而窄，转子漏抗较普通鼠笼式转子漏抗大功率因数及过载能力有所降低。,集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩增大，改善了起动特性。启动瞬间，由于磁路饱和，转子漏抗将明显减小。,高起动转矩的三相鼠笼型异步电动机,转子电阻值较大的鼠笼型异步电动机：普通浇注的鼠笼都采用铝，有些鼠笼采用合金铝（锰铝或硅铝），或者改变转子槽型，减小导体截面积；普通焊接式的鼠笼采用紫铜，用些采用电阻率较高的黄铜，目的都是为了增加转子电阻值。机械特性曲线1为普通鼠笼电机的；曲线2为高转差率电机的；曲线3为起重冶金用电机的。,2.双鼠笼式异步电动机（Double-squirrel-cagerotor）,外笼Topbar：截面小，电阻大,内笼Bottombar：截面大，电阻小内笼交链的漏磁通比外笼多，漏抗也大,a起动时,转子电流的频率f2=f1，转子漏抗大于转子电阻，电流分配决定于漏抗。内层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较低，所产生的电磁转矩也较小。外层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。层鼠笼又称起动鼠笼。,b.起动过程结束后,转子电流的频率很小，内层鼠笼的漏抗很小，两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。内层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生电磁转矩方面起主要的作用，内层鼠笼称为运行鼠笼。,双鼠笼机械特性与等效电路,设内层鼠笼的电阻和漏抗为rin和xin，外层鼠笼的电阻为rou，两层鼠笼共同漏抗为xco,集肤效应的其他槽形,瓶形,梯形,凸形,14.5三相异步电动机的调速,由异步电动机的转速公式,可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：,（1）改变定子极对数调速。,（2）改变电源频率调速。,（3）改变转差率调速。,改变机械特性曲线形状调速（即改变电压、改变转子电阻、串级调速）。(1)和(2)适合于鼠笼式异步电动机，(3)中后两种用于绕线式异步电动机。,14.6三相异步电动机变极调速,一、变极原理,变极调速只用于笼型电动机。,以4极变2极为例：,U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场：,反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场：,变极原理,二、三种常用变极接线方式,Y反并YY，2p-p,Y反串Y，2p-p,YY，2p-p,注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序,三、变极调速时容许输出,容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。,1.Y-YY联结方式,Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为,可见，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，它适用于恒转矩负载。,2.-YY联结方式,-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为,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。,同理可以分析，正串Y-反串Y联结方式的变极调速属恒功率调速。,四、变极调速时的机械特性,1.Y-YY联结方式,2.-YY联结方式,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,可用于恒功率和恒转矩负载.,变极电机切换时注意事项,一般异步电动机在断开电源后，转子电流不会立即降为零，而是按一定的时间常数衰减。这个电流产生的磁通随转子一起旋转，并在定子绕组中产生感应电势。如果转子电流没有衰减到零以前再次合上定子电源，则电源电压和感应电势(残留电压)叠加可能产生比启动电流还大的冲击电流，影响电网和电机寿命。残留电压的衰减常数为Te=(Xm+X2s)/(2pfR2)Xm/(2pfR2)=Lm/R2变极电机在极数切换时，应该等到转子电流充分衰减后再进行。应该按照铭牌规定的接线方式接线，否则会导致严重后果。变极后异步电动机转速改变了，转向也将改变，这是由于“相带”改变的原因。,改变定子绕组极对数的方法，除了刚才介绍的单绕组变流法，获得不同的极对数以外，还有定子采种放置两套不同极对数绕组的方法，甚至这两套绕组本身又可以采用变流法，从而可以得到更多的极对数。这样出现了所谓的二速、三速甚至四速电机。,另外，我们把变速比为的调速称为倍极比调速；把变速比不是的，称为非倍极比调速，例如是的这种调速方式。最后说明一点：单绕组多速异步电动机的转子都是鼠笼型的，这时因为，鼠笼转子能自动适应定子的极对数，不必在采用其它措施。,14.7变频调速,一、电压随频率调节的规律,当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率f1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，,频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：,求出最大转矩及相应的临界转差率,Tmax，nm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速,a.降低电源频率时，Tmax不为常数。f1接近额定频率时，X1s+X2sR1，这时，Tmax变化不大。b.当f1较低时，X1s+X2s较小，随着f1的降低，Tmax变化较大。在低速时甚至拖不动负载。,二、从基频向上变频调速使用于恒功率负载,升高电源电压时不允许的，在频率上调时，只能保持电压不变。频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。T=PM/1=(m1pU12R2/s)/2f1(R1+R2/s)2+(X1s+X2s)2=m1p2U1R2/s/(2f1)/(R1+R2/s)2+(X1s+X2s)2频率较高时R1可以忽略，sm=R2/sqrtR12+(X1s+X2s)2R2/(X1s+X2s)1/f1Tmax()m1pU12/(2pf1)/R1+sqrtR12+(X1s+X2s)2（1/2）m1pU12/(2f1)/(X1s+X2s）1/f12最大转矩时的转差nm=smn1=C/f160f1/p=常数频率越高时，Tmax越小；sm也越小机械特性运行段近似平行。,1、恒转矩变频率调速,此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。,对恒转矩负载,2、恒功率变频率调速,此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。,对恒功率负载,得,二、频率调速时电动机的机械特性,变频调速时电动机的机械特性可用