第六章三相异步电动机的电力拖动.ppt

第六章三相异步电动机的电力拖动,本章主要研究三相异步电动机的机械特性及在各种运转状态下机械特性的计算。,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在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n（或转差率s）之间的函数关系。一、机械特性的物理表达式,该式虽不显含转差率s，但式中的m、I2,及2都是s的函数。可以定性地分析出机械特性曲线的大致形状。,1.I2与s的关系：,s较小时，I2与s成正比地增加；s较大时，I2增加逐步减慢，最后基本保持不变。,2.cos2与s的关系：,s=0，cos2=1;随着n的逐步下降，s增加，cos2将逐步下降。,3.合成曲线：,两条曲线相乘，并乘以常数CTm(实际上m随S增大而降低，见教材）,即得n=f(T)的曲线，称为异步电动机的机械特性。,机械特性的物理表达式，反映了不同转速时T与m及转子电流的有功分量I2cos2间的关系；在物理上，这三个量的方向遵循左手定则。,二、机械特性的参数表达式,采用参数表达式可直接建立异步电动机工作时转矩和转速关系，并进行定量分析。,由异步电动机的近似等效电路：代入电磁转矩公式中，即得机械特性的参数表达式:,三、固有机械特性,1.固有机械特性曲线:由机械特性的表达式，可作出相应的特性曲线。根据条件的不同，特性曲线又可以分为固有机械特性曲线和人为特性曲线。固有机械特性：异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何阻抗时的机械特性。如图：,可以看出异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：,（1）在0S1，即0nn1的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向，如图所示。电动机工作在这范围内是电动状态。这也是我们分析的重点；（2）在s0范围内，nn1，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示,机械特性在S0和s0两个范围内近似对称；,（3）在s1范围内，n0，特性在第象限，T0，也是一种制动状态，如图右下部所示。B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点n=n1，T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点D点n=0，转矩为TS，是起动点（见图）。,2.最大电磁转矩:正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得，令,得到最大电磁转矩:,最大转矩对应的转差率称为临界转差率,一般情况下，值不超过的5%，可以忽略。这样一来，有:也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率相等，机械特性具有对称性。,过载倍数：最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值，又称过载能力，用m表示：,一般三相异步电动机m=1.62.2，起重、冶金用的异步电动机m=2.22.8。,3.起动转矩:满足n=0，s=1的电磁转矩，将s1代入，得到起动转矩为:,从式中看出，Tst与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大；漏电抗越大，起动转矩越小。,起动转矩倍数：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用KT表示：电动机起动时，只有Tst大于负载转矩才可顺利起动。,4.稳定运行问题:机械特性上看，当0ssm机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行；当sms1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行；拖动泵类负载时，满足T=TL处dT/dndTL/dn的条件，即可以稳定运行；但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势E2s=sE2比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。因此三相异步电动机长期稳定运行的范围为0ssm。,四、人为机械特性改变一些参数所得机械特性曲线更满足用户的需要，即为人为机械特性曲线。1.降低定子端电压的人为机械特性:保持其参数都不变，只改变定子电压的大小时的机械特性。由于电机的磁路在额定电压下已近饱和，故不宜再升高电压。只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。,最大转矩Tm及起动转矩Tst与U12成正比地降低；sm与U1的降低无关。,降低定子端电压对电动机的影响,过载能力下降；负载电流上升；从机械特性物理表达式进行分析，因为电网电压下降，电动机气隙磁通下降，所以在电动机带一定负载转矩情况下，转子电流增加。,2转子回路串三相对称电阻的人为机械特性:绕线式三相异步电动机通过滑环，将三相对称电阻串入转子回路，而后三相再短路。,最大转矩Tm不变；sm随串联电阻增大而增加。,转子回路串联对称电阻的用途：(1)绕线转子异步电动机的起动；(2)调速。,从图看出，转子回路稍串入一些电阻，可以增大起动转矩，串的电阻合适时,但是若串入转子回路的电阻再增加，则sm1因此，转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度，如图所示；除了上面两种方法,还可以改变定子电源频率,这种方法我们异步电动机调速方法中介绍。,3定子电路串联对称电抗、对称电阻的人为机械特性,最大转矩Tm随串联电抗增大而减小；sm随串联电抗增大而减小。,用途：用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流,4转子电路接入并联阻抗,起动初期：因为转子频率相当大，感抗较大，转子电流的大部分将流过电阻Rst，所以起动转矩相当大,相当于转子电路串大电阻；转子加速：转子频率逐步降低，转子频率将变得很小，Xst之值很小，所以相当于电动机转子串联很小对称电阻时的机械特性；几乎恒定的转矩：适当的参数配合，可使电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩。,电抗器参数选取：,五、机械特性的实用表达式实际应用时，三相异步电机的参数不易得到，为了便于工程计算,可将参数表达式变换成能根据电机产品目录中给出的数据进行计算的形式。,已知:,代入上式,于是上式变为:,由于，有：其中sm大约在0.10.2范围内，上式中，显然在任何s值时，都有而q上，即x2下x2上。,(2).运行原理,起动时：s=1，f2最大，转子漏抗x2大，电流分布取决于x2，x2下x2上，转子电流集中于上笼（趋肤效应）起动笼起主要作用，又r2上大cos2Tst，同时限制了起动电流；正常运行：sN=0.010.06很小f2很小x2很小电流分布取决于r2，r2下小电流分布在下笼，此时漏抗x2小，cos2T。,双笼型异步电动机机械特性T1上笼；T2下笼；T-合成,(3).优缺点,优点：较大的Tst和较小Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。,（三）、深槽笼型异步电动机,深槽笼型异步电动机的槽型窄而深，处于槽底等效线匝的漏电抗大于处于槽口等效线匝的漏电抗；起动时，由于异步电动机转子电路频率较高，电流大部分集中在槽口部分的导体（集肤效应），转子的等效电阻大；起动结束以后，异步电动机转子电路频率较低（1-3Hz），集肤效应消失，转子导条电阻变为较小的直流电阻。,深槽笼型异步电动机的工作原理与双笼异步电动机基本一致。,深槽异步电动机槽内导条电流分布,双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。,6.3绕线转子异步电动机的起动,一、转子串三相对称电阻分级起动：在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩T1=(0.70.85)Tm，切换转矩T2=(1.11.2)TN。,转子：一般均接成Y形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接情况下起动，与笼型电机一样，Ist大，Tst不大。,转子串电阻起动电路原理图,如图所示：,优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩。适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。,二、转子串频敏变阻器起动,对于单纯为了限制起动电流、增大起动转矩的绕线式异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动。,转子串频敏变阻器起动电路原理图,接触器触点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用表示。但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现于下：,(1)频率为5OHz的电流通过时,Rmxm，其原因是：xm正比与f2，且与铁心饱和程度有关；Rm则主要取决于铁耗，与（Bf2）2成正比。频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流越大，励磁电抗xm越小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此Rm较大；（2）随f2的降低，Rm、xm都将减小；,绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时，s1，转子回路中的电流的频率为5OHz。转子回路串入，而Rmxm，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩；频敏变阻器是铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。,6.4三相异步电动机的各种运行状态,电动状态：异步电动机的电磁转矩和转子的转速同方向；制动状态：电磁转矩和转速的方向相反。根据转矩和转速的不同情况，制动运行状态又可分为：回馈制动、反接制动及能耗制动。,一、电动运行状态前面所分析的各种正常运行状态，（回顾！）,二、反接制动,1.定子两相反接的反接制动,反接制动过程：处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。如图所示:,（b）图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从ABC，到C点后，-TLTTL，可以准确停车。在反接制动过程中，n11。转子回路总电阻折合值为,机械功率则为:,即负载向电动机内输入机械功率。显然负载提供机械功率是靠转动部分减少动能来实现的。,从定子到转子的电磁功率为：,转子回路铜损耗:,即转子回路中消耗了从电源输入的电磁功率及由负载送入的机械功率，数值很大，在转子回路中必须串入较大的外串电阻，以消耗大部分转子回路铜损耗，保护电动机不致由于过热而损坏。,反接制动的机械特性图,从图可知，如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩负载运行，或者拖动位能性恒转矩负载运行，这两种情况下，如果进行反接制动停车，那么必须在降速到n0时切断电动机电源并停车，否则电动机将会反向起动；三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车接着反向起动，就是为了迅速改变转向，提高生产率。,反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行；鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。P223图6-49分析，例6-4讲解,2.转子反向的反接制动拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低；如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，称之为转子反向的反接制动运行状态；n10,s1，其功率关系与定子两相反接制动过程一样，电磁功率0，机械功率0。此时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。,P224图6-51分析，例6-5,三、回馈制动,分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行。1.正向回馈制动运行将一部分机械能转换为电能并回馈回电源。从图上可以看出：,在这个降速过程中，电动机运行在第二象限BC这一段机械特性上时，转速n0，电磁转矩T0，是个制动运行状态，称之为正向回馈制动过程。整个回馈制动过程中，始终有nn1。转差率：,从三相异步电动机等值电路上看出，电动机总的机械功率为：,从定子到转子的电磁功率为：系统减少了动能而向电动机送入机械功率并转换为电功率，扣除了转子损耗后及机械损耗pm，变成了从转子送往定子的电磁功率了。那么主要送到哪里去了呢？为此，先看着转子过功率因数角的情况：,根据以上两式，画出正向回馈制动时异步电动机的相量图，如图所示。显然有：,这样一来，电动机的输入功率则为：,回馈制动过程中，转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组铜耗PCu1和铁损耗PFe消耗外，其余的回馈给电源了。这时的三相异步电动机实际上是一台发电机。,2.反向回馈制动当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序（A、C、B）时，电动机运行于第四象限，如图中的B点，电磁转矩T0，转速n0,称为反向回馈制动运行。,P225图6-52分析,起重机高速下放重物（指）时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的C点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。,四、能耗制动1.能耗制动基本原理：,三相异步电动机处于电动运行状态的转速为n,如果突然切断电动机的三相交流电源，同时把直流电I=通入它的定子绕组。结果，电源切换后的瞬间，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势，用表示；空间固定不转的磁动势相对于旋转的转子(设n逆时针旋转）来说变成了一个磁动势,旋转方向为顺，转速大小为n。正如三相异步电动机运行于电动状态下一样。,转子与空间磁动势有相对运动，转子绕组则感应电动势，产生电流；进而转子受到电磁转矩T。T的方向与磁动势相对于转子的旋转方向是一样的，即转子受到顺时针方向的电磁转矩T。转子转向为逆时针方向，受到的转矩为顺时针方向，显然T与n反方向，电动机处于制动运行状态，T为制动性的阻转矩。转速n0时，磁通势与转子相对静止，0，0，T0，减速过程才完全终止。上述制动停车过程中，系统消耗原来贮存的动能，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。,三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩T的产生，是由于转子与定子磁动势之间有相对运动；至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：（1）保持磁动势幅值不变，即=；（2）保持磁动势与转子之间相对转速（即转差）不变，为,2.定子等效电流异步电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如下图所示，其合成磁动势的大小为：,把等效为三相交流电流产生的，每相交流电流的有效大小为,则交流磁动势大小为:等效的结果是：,3.转差率与等值电路磁通势与转子相对转速为(-n),的转速即同步转速为，能耗制动转差率用表示,则为:转子绕组感应电动势的大小与频率则为:,三相异步电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流I1产生磁动势作用的结果，并非指电机运行时的量。有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。,4.能耗制动的机械特性能耗制动时，电动机内铁损耗很小，可以将其忽略。这样一来，根据等值电路画出电动机定子电流、励磁电流及转子电流之间的相量关系如图所示。它们之间大小的关系为,忽略铁损耗后,则有:,另外,还有：,整理后得到：,根据前一章的分析结果知道，电磁转矩为电磁功率除以同步角速度，即：,上式便为能耗制动的机械特性表达式，与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的，但是电动运行状态时，是用电源电压U1来表示，而能耗制动的这个式子，是用等效的定子电流I1来表示。能耗制动时，视I1为已知量。对上式微分，并使dT/dV=0，则得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为:,能耗制动时的机械特性,能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似；改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值R，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。能耗制动机械特性的实用公式为：,6.5三相异步电动机的调速,一、概述1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。2.转速公式：,3.调速方法：变极调速；变频调速；改变转差率S调速。,二、异步电动机的变极调速,1.变极调速的原理改变定子的极对数便可改变异步电动机的同步转速：n1=60f1/p从而改变电动机的转速适用电动机：变极调速一般只适用于鼠笼式电动机调速；改变异步电动机的极对数调速是有级调速。,如何改变异步电动机的极对数？,（1）改变定子绕组联结方法可以改变定子极对数：,如何改变定子极对数,（2）常用的两种三相绕组改变联结方法：,2.变极调速的机械特性,（1）异步电动机的容许输出功率为：P2=P1=3UxI1cos1（2）假定不同极对数情况下电动机的效率和功率因数保持不变，则有：P2正比于UxI1（3）如果忽略定子损耗，电动机的电磁功率PM等于输入功率P1,则电动机转矩为：T=9550PM/n1正比于UxI1/n1正比于pUxI1。,（4）如果在变极过程中施于异步电动机的线电压保持不变，电动机绕组流过额定电流，则由Y联结改为YY连接时的转矩比为：TY/TYY=UxIN(2p)/Ux(2IN)p=1此调速方法近似为恒转矩，其机械特性如下图：,（5）同样，如果在变极过程中施于异步电动机的线电压保持不变，电动机绕组流过额定电流，则由D联结改为YY连接时的功率比为：PD/PYY=UxIN/0.577Ux(2IN)=0.866使用此调速方法时，容许输出为近似恒功率，其机械特性如下图：,三、三相异步电动机的变频调速,变频调速的原理改变供电频率便可改变异步电动机的同步转速n1=60f1/p从而改变电动机的转速。变频调速的特点：变频调速可以适用于各种交流电动机调速，有较大的调速范围、很好的调速平滑性与足够硬度的机械特性。,变频调速应注意的问题变频调速时，希望调速过程中磁通F保持不变。为什么？N将引起磁路过分饱和；N将使电动机容许输出转矩T下降。如何使磁通保持不变？由电动势方程：U1E1=4.44f1N1kw1因此，在频率变化时若使E1/f1为定值即可，近似的U1/f1为定值也可。,如何在变频调速时使电动机的过载能力保持不变？由异步电动机的最大转矩公式：,可引出最大转矩公式的近似表达式：,考虑到：x1+x2=2f1(L1+L2)则可以得到：TmC(E1/f1)2或者当电压比较大时有：TmC(U1/f1)2额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。,1.从基频向下变频调速三相异步电动机每相电压：降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压U1有两种控的制方法。保持E1/f1=常数：这种方法是恒磁通控制方式.,上式是保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程式。下面根据该方程式，具体分析一下最大转矩Tm及相应的转差率sm。最大转矩处dT/ds=0，对应的转差率为sm，即：,式中为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值，=最大转矩处的转速降落为：,改变频率时，若保持E1/f1=常数，最大转矩Tm=常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。其机械特性如下图所示；这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。另外，电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高；恒磁通变频调速是属于为恒转矩调速方式。即当：I1=I1N，I2=I2N时，T=TN。,保持U1/f1=常数：,最大转矩Tm为：,从上式可以看出，当频率降低时,Tm减小，最大转矩不是一个常数。如图：,（）与f1成正比变化，r1与f1无关。因此在f1接近额定频率时，随着f1的减小，Tm减少得不多，但是，当f1较低时，（）比较小，r1相对变大了。这样一来，随着f1的降低，Tm就减小了。显然此时的机械特性上面的机械特性，特别在低频低速的机械特性变坏了;保持U1/f1=常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式。,2.从基频向上变频调速升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为UN不变，频率越高，磁通m越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。此时，电动机电磁转矩