异步电机电力拖动（注册电气工程师考试课件）.ppt

第十章异步电机的电力拖动,10.1三相异步电动机的机械特性10.2电力拖动系统的运行状态,10.1三相异步电动机的机械特性,一、电磁转矩公式1.电磁转矩的物理公式,Pe=m2E2I2cos2E2=4.44f1kw2N2m,T=CTmI2cos2,转矩常数:,2.电磁转矩的参数公式,利用简化等效电路:,临界转差率：,最大（临界）转矩：,电动状态取“+”，发电状态取“”。R1(X1+X2),结论:,TU12，sM与U1无关;sMR2，TM与R2无关。,3.电磁转矩的实用公式,忽略R1：,二、固有机械特性,当U1、f1、R2、X2=常数时：T=f(s)n=f(T),转矩特性机械特性,当U1L=U1N、f1=fN，且绕线型转子中不外串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。,1.额定状态（N点）,额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。N点：n=nN，s=sN，T=TN，P2=PN。,额定状态说明了电动机长期运行的能力：TLTN，P2PN，I1IN,（Nm）,2.起动状态（S点）,对应：s=1，n=0的状态。又称为堵转状态。起动时：T=Tst，I1L=Ist,Tst直接起动的能力。起动条件：(1)TstTL(2)Ist线路允许值起动转矩倍数（笼型异步电动机）:,Tst,起动电流倍数:,临界转速,3.临界状态（M点）,对应：s=sM，T=TM的状态。,临界状态明了电动机的短时过载能力。过载倍数：,临界转差率sM（由转矩的实用公式得出）,=22.2,4.回馈制动状态,n0,当：nn0时，s0回馈制动状态。|sM|=|sM|TM|TM|,工作段,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。,a点TL,直至新的平衡,a点,TTL0,n,电动机的自适应负载能力,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。,I2,T,I1P1,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。,二、人为机械特性,1.降低定子电压时的人为特性,UN,0.81Tst,0.9UN,降低定子电压转速稳定后：nnNssNT=TL,I2I2N,2.转子电路串联对称电阻时的人为特性,R2,sMR2TM与R2无关,R2+R1,R2+R1+R2,转子串联合适的电阻:TstTM,3.定子电路串联对称电抗或电阻时的人为特性,X1(R1),sM、TM、Tst,4.改变定子电源频率时的人为特性,(1)f1fN,为保持：m=常数,n0f1,nM=n0nM=sMn0,（不变）,而且：TM不变（忽略R1）,f1,fN,(2)f1fN，U1=UN（不变）,调频时：f1,m,n0f1,nM=n0nM=sMn0(不变),而且：,f1,fN,(a)p=2,(b)p=1,5.改变磁极对数时的人为特性,(a)YY(p),(b)Y(2p),(c)(2p),定子绕组常用的接法：,(1)YYY：,p2p：,n0n0/2。,X1(R1)4X1(R1)，N12N1(kZ4kZ)，U1不变：sM不变。nM=n0nM=sMn0sMn0/2。TM(Tst)TM(Tst)/2。,Y,YY,(2)YY：,p2p：,n0n0/2。,X1(R1)4X1(R1)，N12N1，,YY,sM不变。nM=n0nM=sMn0sMn0/2。TM(Tst)1.5TM(Tst)。,补充:三相异步电动机参数计算,一、技术数据:PN(kW)、U1N(V)、I1N(A)、nN(r/min)N(%)、cos1N、MT、GD2(Nm2)绕线型：U2N(V)、I2N(A)笼型：st、sc二、依据技术数据计算其他参数:TN、TM、sM、R1、X1、k、R2、X2、I0。,2.最大转矩和临界转差率：,Tm=KTTN(Nm),3.绕线型电动机的转子绕组每相电阻：,4.电压比：,(定子Y联结),(定子联结),如果m1=m2,则：k=ke=ki,5.转子绕组每相电阻的折算：r2=k2r26.定子绕组每相电阻：,(定子Y联结),(定子联结),7.定、转子电抗(m1=3，f1=50Hz)：,x=x1+x2=,x1x20.5x,8.空载电流I0：,I0=I1Nsin1NI2Nsin2NI1Ncos1N=I1Ncos2NI0=I1N(sin1Ncos1Ntan2N),(1)用实用表达式绘制固有特性；(2)当st=2时，求转子串联的电阻并绘制人为特性；(3)当Tst=TM时，求转子串联的电阻。解：(1),例1：一台绕线型异步电动机的技术数据为：PN=280kW，U1N=6kV，I1N=36.2A，nN=490r/min，N=90.5%，cos1N=0.78，U2N=484V，I2N=353A，MT=2.35。,=0.02,=5457.14Nm,=0.0158,=0.08953,TM=MTTN,=2.355457.14,=12824.286Nm,nM=(1sM)n0,=500(10.08953),=455.235r/min,=2278.06Nm,依据：(Tst，0)、(TM，nM)、(TN，nN)和(0，n0)绘制固有特性。,(2)当st=2时，求转子串联的Rst并绘制人为特性,sM2MTsM+1=0,nM=(1sM)n0,依据：,则：,当sM=0.558时：,当sM=1.792时：,sN=0.1246，2.498,sN=0.4，8.022,（舍去）,（舍去）,nN=(1sN)n0,依据：(Tst，0)、(TM，nM)、(TN，nN)和(0，n0)绘制人为特性。,TN,验算：sM=0.558时：Tst=10914.28NmsM=1.792时：Tst=10914.28Nm,(3)当Tst=TM时，,Tst,=0.161,即：sM=1,10.2电力拖动系统的运行状态,一、负载的机械特性n=f(TL)转速和转矩的参考方向：,1.恒转矩负载特性(1)反抗性恒转矩负载特性：,由摩擦力产生的。当n0，TL0。当n0，TL0。如机床平移机构、压延设备等。,(2)位能性恒转矩负载特性：,由重力作用产生的。当n0，TL0。当n0，TL0。如各种起重机。,2.恒功率负载特性,TLn=常数。如机床的主轴系统等。,3.通风机负载特性,TLn2TL的始终与n的方向相反。如通风机、水泵、油泵等。,T0,TL=T0+kn2,实际的通风机负载,实际的机床平移机构,二、稳定运行条件,工作点：,在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上。,稳定运行:,即：TTL=0,运动方程:,TTL0,加速,TTL0,减速,n=常数,过渡过程:,干扰n,稳定运行点,不稳定运行点,a点,T,n,T,b点:,a点:,干扰n,T,干扰n,T,n,n=0,堵转,n,a点,稳定运行的充分条件:,TTL,T=TL,TTL,TTL,第十一章异步电机的起动与制动,11.1三相异步电动机的起动11.2三相异步电动机的制动,11.1三相异步电动机的起动,一、电动机的起动指标：起动转矩足够大。起动电流不超过允许范围。异步机的实际起动情况：起动电流大：Ist=scIN=(5.57)IN起动转矩小：Tst=stTN=(1.62.2)TN不利影响：(1)大电流使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。(2)频繁起动时造成热量积累,易使电动机过热。,二、笼型异步电动机的直接起动,1.小容量的电动机（7.5kW）2.电动机容量满足如下要求：,三、笼型异步电动机的减压起动,1.定子串联电阻或电抗减压起动：,R(L),Q1,Q2,FU,运行,起动,适用于：正常运行为联结的电动机。Y型起动，型运行。,2.Y减压起动：,Y型起动,型起动（型运行）,Y型起动的起动电流为：,TU12，,Y型起动的起动转矩为：,Y减压起动的特点：(1)电源电压不变，改变定子绕组接法；(2)减压比为:,否则不能采用此法。,(1)IstYImax（线路中允许的最大电流）；(2)TstYTL。,Y减压起动的使用条件：,定子电流：kAIst,线路电流：,IstA=kA2Ist,3.自耦变压器减压起动,UN,=kAUN,降压比为:,U1,U1,定子电压：,自耦变压器减压起动的起动电流为：,IstA=kA2Ist,自耦变压器减压起动的特点：(1)定子绕组接法不变，改变定子绕组的电压；(2)降压比KA可调:U1=(0.4、0.6、0.8)UNU1=(0.55、0.64、0.73)UN,自耦变压器减压起动的起动转矩为：,TstA=kA2Tst,(1)IstAImax（线路中允许的最大电流）；(2)TstATL否则不能采用此法。自耦变压器电压比的选择：,自耦变压器减压起动的使用条件：,kA2IstImaxkA2TstTL,4.延边三角形减压起动,适用于：正常运行为联结的电动机。延边三角形起动，型运行。,说明：关于起动转矩大小的几点考虑,设减压起动的起动转矩为：Tst起动电流为：Ist带负载起动时，要求：TstTL1.考虑加速转矩Tst(1.11.2)TL2.考虑电源电压波动,3.考虑谐波的影响,四、改善起动性能的三相笼型异步电动机,1.深槽异步电动机槽深h与槽宽b之比为：h/b=1012,漏电抗小漏电抗大,增大电流密度,起动时：f2高，,漏电抗大，,电流的集肤效应使导条的等效面积减小，即R2,Tst,运行时：f2很低，,漏电抗很小，,集肤效应消失，R2,2.双笼型异步电动机,电阻大漏抗小电阻小漏抗大,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,上笼（外笼）下笼（内笼）,Tst大;,运行时f2很低：漏抗很小，R2起主要作用，I2主要集中在内笼,外笼起动笼。,内笼工作笼。,1.分级起动过程,3(R22),2(R21),1(R2),(1)串联Rst1和Rst2起动(特性3)：总电阻R22=R2+Rst1+Rst2,(2)合上Q1，切除Rst2(特性2)：总电阻R21=R2+Rst1,(3)合上Q2，切除Rst1(特性1)：总电阻:R2,五、绕线型异步机转子电路串电阻起动,2.起动级数与起动电阻的计算,(1)选择T1和T2:起动转矩：T1=(0.80.9)TM切换转矩：T2=(1.11.2)TL起切转矩比：,(2)求出R2：,(3)起动级数与起动电阻的关系,当ssM时：,当s不变时：,b点和c点,d点和e点,=,当sM不变时：Ts,=,对于m级起动：,=,R21=R2R22=R21R2m=R2(m1),=2R2=mR2,Rst1=R21R2Rst2=R22R21Rstm=R2mR2(m1),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，,转子电路正常运行时:f2低，电阻小，,Tst大，Ist小。,自动切除变阻器。,二、转子电路串频敏变阻器起动,11.2三相异步电动机的制动,一、能耗制动1.制动原理,n,+U,制动前：Q1合上，Q2断开，M为电动状态。,制动时：Q1断开，Q2合上。M为制动状态。,定子：,U,I1,转子：,n,E2,I2,T,2.能耗制动时的机械特性,特点：因T与n方向相反，nT曲线在第、象限。因n=0时，T=0，nT曲线过原点。制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。,I1,I1,3.能耗制动过程迅速停车,(1)制动原理：制动前：特性1。制动时：特性2。,a点,b点,原点O(n=0，T=0)，,(T0，制动开始),制动过程结束。,(2)制动效果：Rb,I1,T,制动快,(3)制动时的功率：定子输入：P1=0，,轴上输出：P2=T0,动能P2,转子电路的电能，,PCu2消耗掉。,4.能耗制动运行下放重物,a点,b点,(T0，制动开始),原点O(n=0，T=0),在TL作用下n反向增加,c点,(T=TL),制动运行状态,以速度nc稳定下放重物。制动效果：由制动回路的电阻决定。,二、反接制动,1.定子两相反接的反接制动,迅速停车,电动状态,制动状态,(1)制动原理：,制动前：,正向电动状态；,制动时：,定子相序改变，n0变向。,即：s1(第象限)。同时：E2s、I2反向，,T反向。,a点,b点,(T0，制动开始),c点(n=0，T0),制动结束。,到c点时，若未切断电源，,M将反向起动。,取决于Rb的大小。,(2)制动效果：,(3)制动时的功率：,0,PCu2=m1(R2+Rb)I22=PePm=Pe+|Pm|,0,Pm=(1s)Pe,三相电能,电磁功率Pe,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,2.转子反向的反接制动,下放重物,(1)制动原理：定子相序不变，转子电路串联对称电阻Rb。,a点,b点,(TTL),c点(n=0，TTL),d点(n0，T=TL),制动运行状态,(2)制动效果：改变Rb的大小，,改变特性2的斜率，,改变nd。,下放重物：TcTL。,(3)制动时的功率：,第象限：,1(n0),0,pCu2=m1(R2+Rb)I22=PePm=Pe+|Pm|,0,Pm=(1s)Pe,定子输入电功率,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,电功率与机械功率均消耗在转子电路中。,三、回馈制动,用于高速下放重物，,不用于迅速停车。,在调速过程中也会自动出现回馈制动现象。1.下放重物时的回馈制动,反向电动,回馈制动,（1）制动时的功率：,第象限：,0(nn0),0,PCu2=PePm|Pe|=|Pm|PCu2,0,Pm=(1s)Pe,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）,机械能转换成电能（减去转子铜耗等）。,（2）制动效果：,Rb,特性2斜率,下放速度,为了避免危险的高速，一般不串联Rb。,2.减压调速与变极调速时的回馈制动,例3：一台绕线型异步M的技术数据为：PN=75kW，nN=1460r/min，MT=2.8，U2N=399V，I2N=116A。在固有特性上带动反抗性恒转矩负载运行，TL=0.8TN。为使电动机快速反转，采用反接制动。(1)要求制动之初的电磁转矩为T=2TN，求转子每相应串联的电阻值Rb；(2)电动机反转后的稳定转速为多少？,=0.027,=0.0536,解：(1),固有特性上的临界转差率：,=0.146,=0.0213,sb=2sa=1.98,=4.71,=1.676,(2)M反转后的稳定转速:,=0.687,nd=(1sd)n0,=(10.687)(1500),=469.5r/min,例4：一台绕线型异步M的技术数据为：PN=75kW，nN=1460r/min，MT=2.8，U2N=399V，I2N=116A。该M拖动起重机的提升机构，如果：TL=0.8TN，下放速度为300r/min，问：应当采用什么制动方法？并具体计算。,=0.027,解：采用转子反转的反接制动法。,=0.0536,=0.146,在固有特性上：,当TL=0.8TN时：,=0.0213,在人为特性上，TL=0.8TN时(c点)：,=1.2,则：,=2.966,三相异步电动机的反转,第十二章异步电机的制动,12三相异步电动机的调速,1.改变磁极对数p2.改变转差率s3.改变电源频率f1(变频调速),调速方法：,有级调速。,一、电动机的调速指标,1.调速范围,重型铣床的进给机构：D=300(2600mm/min)2.调速方向3.调速的平滑性平滑系数,4.调速的稳定性静差率,D、nN的关系(nN=nmax),例如：nN=1430r/min，nN=115r/min，要求30%、则D=5.3。,要求20%、则D=3.1。再如：nN=1430r/min，D=20，5%，则nN=3.76r/min。5.调速的经济性6.调速时的允许负载不同转速下满载运行时：输出转矩相同恒转矩调速。输出功率相同恒功率调速。,二、变极调速,1.调速方向YYY()：nY()YY：n2.调速范围:,D=24,3.调速的平滑性：,平滑性差。4.调速的稳定性：,稳定性好。静差率：,(基本不变）,5.调速的经济性：,经济性好。6.调速时的允许负载：(1)YYY：恒转矩调速。满载输出功率：,满载输出转矩：,如果cos1不变，则：,（恒转矩调速）,(2)YY（近似）恒功率调速：,如果cos1不变，则：,1,（恒功率调速）,=1.732,三、变转差率调速（能耗转差调速）,1.调压调速:,TL,(1)调速方向:U1(UN),n,(2)调速范围：D较小。,(3)调速的平滑性:,若能连续调节U1，n可实现无级调速。(4)调速的稳定性：,经济性较差。需要可调交流电源；cos1和均较低。,(6)调速时的允许负载：既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,TU1p2,稳定性差。,(5)调速的经济性：,U1,T(n),P2,2.转子串电阻调速,(1)调速方向:,n,(2)调速范围：D较小。,(3)调速的平滑性:,Rr,%,(5)调速的经济性：初期投资不大，但运行效率较低。(6)调速时的允许负载：,取决于Rr的调节方式。(4)调速的稳定性：,稳定性差。,恒转矩调速。调速前后U1、f1不变，,m不变，,T=CTmI2Ncos2,基本不变。,3.串级调速,(1)串级调速的原理在转子电路中串联一个与e2s频率相等、相位相同或相反的附加电动势ead，以代替Rr上的电压降，从而使这部分能量不致损耗掉。转子相电流：,e2s与ead同相位时：,在引入ead的瞬间：,I2s,T,n,sE2,I2s,T,T=TL,e2s与ead相位相反时：,在引入ead的瞬间：,I2s,T,n,sE2,I2s,T,T=TL,(2)串级调速的机械特性,(3)串级调速的调速性能,调速方向:调速范围：D较大。调速的平滑性：平滑性好（无级调速）。调速的稳定性：稳定性好。调速的经济性：初期投资大；运行效率较高，运行费用不大。调速时的允许负载：恒转矩调速。调速前后U1、f1不变，,m不变，,基本不变。,T=CTmI2Ncos2,三、变频调速,U、f可变,整流电路,逆变电路,50Hz,1.调速方向:,f1fN时：nf1fN时：n,2.调速范围:,3.调速的平滑性:,5.调速的经济性：,4.调速的稳定性