电机及电力拖动自动控制系统第7章三相交流异步电动机的电力拖动

第6章三相交流异步电动机的电力拖动第7章三相异步电动机的电力拖动,电枢,励磁绕组,三相异步电动机磁极1,第6章三相交流异步电动机电力拖动,2,6.1三相异步电动机的机械特性6.2三相异步电动机的起动6.3三相异步电动机的调速6.4三相异步电动机的制动,6.5异步电动机的各种运行状态,=pm2kW2N2,3,第6章三相交流异步电动机电力拖动三相异步电机电磁转矩的物理表达式Pem=m2E2I2cos2E2=4.44f1kW2N2m,Tem=,Pem1,60Pem=2n1,Tem=CTmI2cos2电磁转矩常数:,pPem=2f1,4.44pm2kw2N22,CT=,12,4,第6章三相交流异步电动机电力拖动,第6章三相交流异步电动机电力拖动,5,第6章三相交流异步电动机电力拖动,6,7,第6章三相交流异步电动机电力拖动结论：当f1和电机参数不变时，异步电机的Tm与电源相电压U1的平方成正比。当U1和f1一定时，Tm近似与定、转子漏抗之和成反比。Tm与R2无关，而sm与R2成正比。如R2变大时，Tm不变，但sm则随之增大。,如忽略R1，Tm与,成正比。,U1f1,过载倍数(最大转矩倍数)Km：,TmTN,Km=,2,第6章三相交流异步电动机电力拖动,8,9,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.1三相异步电动机的机械特性6.1.1固有机械特性当U1L=U1N、f1=fN，且绕线型转子中不外串任何电路参数时的机械特性。,nn1,S,M,同步点：n=n1，s=0，Tem=0,起动点：n=0，s=1，Tem=Tst,临界工作点：Os=sm，n=(1sm)n1，Tem=Tm,TmTem,(1sm)n1,dTem,第6章三相交流异步电动机电力拖动,Tem,O,S,1.稳定运行区域,工作段,N,nn1nM,dTLdn,稳定运行条件：dn,额定运行点N：,n=nN，s=sN，Tem=TN，P2=PN。,额定状态说明了电动机长期运行的能力：TLTN，P2PN，I1IN。sN=0.010.09很小，Tem增加时，n下降很少硬特性。10,硬特性M,TL,2f1,R2,U12,(X1X2)2,11,第6章三相交流异步电动机电力拖动2.固有机械特性的实用表达式,T=sm=,pm1U124f1(X1X2)R2X1X2,忽略R1的影响，则m1pTem=,2,R2s,s,2(X1X2),R2,Tm,(X1X2)2,(Tem),sm=Tem1,第6章三相交流异步电动机电力拖动,将Tem与Tm相除得：R2Tems=2s,2=smsssm,Tem=sms,2Tmssm,即,sms,=,解上述方程，可得,根据s和sm的相对大小，取“”或取“”。12,sTmTm2,第6章三相交流异步电动机电力拖动,13,若忽略T0，则在额定负载时,sN=sm(kmkm21)sm=sN(kmkm21),实用公式计算简单、使用方便，,但只适用于一定的范围内，即0s,14,电源总容量(kVA),SN=1.732*380v*500A/1000,2.12,=3,IN=3kI=34.92,33,故不允许直接起动。(2)Y减压起动计算,因为,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-5】一台Y280S-4型三相异步电动机，额定容量PN=75kW，三角形联结，全压起动电流倍数kI7.0，起动转矩倍数kst1.9，电源容量为1250kVA。若电动机带额定负载起动，试问应采用什么方法起动?解：(1)直接起动计算电源允许的起动电流倍数为,3,14,电源总容量(kVA)电动机容量(kW),=4.92kI,14,125075,IstY17,13,TstY=,Tst=,13,kstTN=,1.93,TNTN,Ista,2=k24.92,2=k2TNTN,第6章三相交流异步电动机电力拖动所以不能采用Y起动。(3)自耦变压器起动计算,=INTsta=,1.193ka1.38,kI7kaaTst1.9kaa,所以可以选用QJ3型三相自耦变压器，取ka=1.25。34,36,VT1,VT2,VT3,M3,3,电动机的线电压很低。起动过程中，逐渐减小触发角，电动机的线电压逐渐升高。,第6章三相交流异步电动机电力拖动3.异步电动机的软起动(1)软起动器的原理起动之初，晶闸管的触发角很大，,软起动的特点：,无冲击电流。有软停车功能，即平滑减速、逐渐停机。起动参数可根据不同负载进行调整，,有很强的负载适应性。具有轻载节能和多种保护功能。,37,第6章三相交流异步电动机电力拖动,第6章三相交流异步电动机电力拖动,38,第6章三相交流异步电动机电力拖动,39,40,频敏变阻器,自动切除变阻器。,第6章三相交流异步电动机电力拖动2.转子串频敏变阻器起动频敏变阻器频率高：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，Tst大，Ist小。转子电路正常运行时f2低，电阻小，,第6章三相交流异步电动机电力拖动,41,频敏变阻器起动的特点：,起动设备结构简单，低格低廉。,运行可靠，坚固耐用，使用维护方便。控制系统简单，便于实现自动控制。,能获得接近恒转矩的机械特性，减少冲击，,实现电动机的平稳起动。,cos较低，一般为0.50.75，,使Tst的增大受到限制。,适用于频繁起动、对Tst要求不高的生产机械。,(1)变极调速(2)变频调速,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.3三相异步电动机的调速异步电动机的转速公式,60f1p,改变n1调压调速,(3)变转差率调速转子串电阻调速不改变n1串级调速42,n=(1s)n1=(1s)调速方法：,n1=,60f1p,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.3.1变极调速变极调速为有级调速：f1=50Hz时：,p123456n1/(r/min)300015001000750600500,变极调速适用于笼型异步电动机：因为笼型转子的极对数能自动随定子磁场的极对数改变而改变，而绕线型转子的极对数则不能自动随定子磁场极对数的改变而改变。改变定子绕组的极对数有两种方法：(1)双绕组变极(2)单绕组变极43,44,U2,U1,U2,U1,p=2,N,S,S,p=1,N,S,N,S,U1,U2,U1,U1,U2,U1,U2,U2U1,U2,U1,U2,N,S,U1,U2,U1,U2,U1,U2,S,N,第6章三相交流异步电动机电力拖动1.变极原理结论：对于由两个半相绕组构成的一相绕组，只要改变其中一个半相绕组的电流方向，就可将极对数增加一倍(正串)或减少一半(反串或反并)。,45,(b)Y(2p),(c)(2p),第6章三相交流异步电动机电力拖动2.两种典型的变极方法(a)YY(p),第6章三相交流异步电动机电力拖动,46,3.变极调速电机的种类,(1)双速电动机,采用YYY和YY方式变极。,其极对数成倍地变化，如2/4极、4/8极等。,(2)多速电动机,如国产YD250M-4/6/8/12型多速电机，有4极、6极、8极、12极四种极数。,4.变极调速电机的特点,操作简单方便、机械特性硬、效率高。,只能有级调速，可获得恒转矩和恒功率调速。,5.变极调速的应用场合,YYY应用于起重机、运输传送带等恒转矩负载；YY应用于如各种机床切削等恒功率负载。,47,第6章三相交流异步电动机电力拖动,X2,4,4,f1,f1,2L2f1f1,X2,第6章三相交流异步电动机电力拖动,在不同频率下，产生最大转矩时的转速降落为,对上式进行求导，并令,=0，可得,dTemds,14L2,sm=,3pE12f13pE12=,60f1p,nm=smn1=,R22L2f1,=,R2602L2p,Tm=R2R21,结论：当保持恒电动势频率比调速时，Tm和nm是与频率无关的常数。48,49,f1fN,fNf1TmTem,nn1n1O,第6章三相交流异步电动机电力拖动恒电动势频率比调速时的机械特性,采用恒电动势频率比控制方式具有以下优点：电动机的机械特性硬、调速范围宽且稳定性好。由于正常运行时转差率s较小，转差功率小，电动机的高。由于Tm不变，这种控制方式适合于带恒转矩负载调速。,就目前而言，是最常用的异步交流电机调速方式,2,U1,R2,U1,2f1,R1(X1X2)2,RR2(XX)2,4f1,第6章三相交流异步电动机电力拖动,当保持恒压频比调速时，Tm已不是常数，Tm随着频率降低而减小。50,s,为常数f1f1R22sR2R12(X1X2)2,1112,(2)保持3pTem=Tm=sm=结论：,3pU12f1,51,第6章三相交流异步电动机电力拖动恒压频比调速时的机械特性,f1fN,f1,nn1,O,fN,TmTem,n1,结论：基频以下恒压频比调速,近似为恒磁通控制方式，同样适用于恒转矩负载调速。,为了使电动机在低频时,仍保持足够大的过载能力，通常可将U1适当抬高一些，以补偿一些定子阻抗压降。,2)=42(L1L2)f12,4f1(X1X,R2R2,sm=,2(L1L2)f1,X1X2,R260,2(L1L2)p,第6章三相交流异步电动机电力拖动,52,2.从基频向上调节(f1fN)f1fN，U1L=UN（保持不变）,f1m，类似于直流电动机的弱磁调速。当f1fN时，R1(X1X2)，忽略R1，则,Tm=,3pU13pU11,22,=,nm=smn1=,Tm2；,smf,；,第6章三相交流异步电动机电力拖动,f1fN,Tem,fN,结论：1f111nm保持不变。,f1,nn1n1O,基频向上调速时的机械特性结论：在基频以上调速时，由于m与f1成反比地降低，使得Tem也与f1近似成反比变化，故电动机近似为恒功率运行。53,54,调速范围宽，D=100。,调速平滑性好，可实现无级调速。机械特性硬，静差率小，转速稳定性好。基频以下为恒转矩调速，,基频以上为恒功率调速。调速时转差率小，转差功率小，运行效率高。变频器结构复杂，价格昂贵。,U、f可变M3,3,控制电路,50Hz整流电路直流逆变电路,第6章三相交流异步电动机电力拖动3.变频调速的特点,第6章三相交流异步电动机电力拖动,变频器,电机变频器一体化产品,优点：(1)一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。(2)变速驱动，输出功率范围宽（如从120W到7.5kW）。(3)在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。(4)高起动转矩。55,Tem,nn1nm,O,UN,TL1,TL2,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.3.3调压调速,TL3,Tem,nn1,O,U1UNU1,U1U1UNU1U1UN,TL1,改变U1调速是一种比较简便的调速方法，但低速时PCu2大，低，电机散热差，发热严重。56,异步电动机调压调速,高转差率异步电动机调压调速,第6章三相交流异步电动机电力拖动,57,结论：,调速方向：U1(UN)n,调速范围：D较小。,调速的平滑性：若能连续调节U1，n可实现无级调速。,调速的稳定性：稳定性差。,对于恒转矩负载不宜长期在低速下工作，比较适合于风机类负载的调速。调速的经济性：经济性较差。,需要可调交流电源，cos1和均较低。,调速时的适合负载：既非恒转矩又非恒功率调速。,因为TemU12，所以U1Tem(n)P2,58,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-6】一台Y280S-4型三相异步电动机，其额定值为PN=75kW，UN=380V，nN=1480r/min，三角形联结，最大转矩倍数km2.2，电动机带额定负载运行，若采用调压调速，将定子电压调为0.8UN，求此时电机的转速。解：额定转差率和临界转差率分别为n1nN=15001480n11500,sm=sN(km,km21),=0.0133(2.22.221)=0.0553因为TmU12，故调压后的最大转矩为,Tm=,0.8UN2UN,Tm=0.64Tm=0.64kmTN=1.408TN,=0.0133,(),Tm2,第6章三相交流异步电动机电力拖动因为sm与U1无关，即sm=sm因此调压后额定负载时的转差率为,1TN,TmTN,s=sm,=0.0553(1.4081.40821)=0.023调压后的转速为n=(1s)n1=(10.023)1500r/min=1465.5r/min59,60,O,TmTe,R2,TL,M,3R2+Rr,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.3.4绕线转子异步电动机转子串电阻调速3nn1,Rr,KM,第6章三相交流异步电动机电力拖动,61,结论：,调速方向：n,调速范围：D较小。D=23。,调速的平滑性：取决于Rr的调节方式。一般为有级调速,调速的稳定性：稳定性差。,调速的经济性：初期投资不大，但运行效率较低。,属于转差功率消耗型调速方法，低速运行时PCu2大，,故不宜长期低速运行。,多用于对调速性能要求不高且断续工作的生产机械上，如桥式起重机、轧钢机的辅助机械等。,为恒转矩调速：,因为调速前后U1、f1不变，m不变。,62,第6章三相交流异步电动机电力拖动,调速前：调速后：如果转矩不变显然其转子电流的有功分量也不变，忽略漏抗，有：,R2=,电机带恒转矩负载运行时有近似关系s,R2Rs,s,63,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-7】一台YR280M-4型异步电动机带额定负载恒转矩运行，已知PN75kW，nN1480r/min，U1N=380V，三角形联结，I1N=140A，E2N354V，I2N=128A，km=3.0。试求：(1)当在转子回路串入0.1电阻时，电机的运行转速；(2)要求把转速降至1000r/min，转子回路每相应串多大电阻？解：(1)额定转差率和转子电阻值分别为n1nN15001480nN1500,sNE2N0.01333543I2N3128R2N,=0.0212=,=,=0.0133,64,第6章三相交流异步电动机电力拖动所以当串入电阻Rs=0.1时电机的转差率为,0.02120.10.0212,=,0.0133=0.076,R2RsR2,s=,sN,电机转速为n=(1s)n1=(10.076)1500r/min=1386r/min(2)当n=1000r/min时的转差率为n1-n1500-1000s=0.3333n11500转子每相应串电阻为,sRs=sN1R2=,10.0212=0.51,0.33330.0133,第6章三相交流异步电动机电力拖动,65,6.4三相异步电动机的制动,制动方法：,回馈制动、反接制动、能耗制动。,6.4.1回馈制动,1.实现回馈制动的条件及电动机中的能量传递,|n|n1|，s0；,电机处于异步发电机状态；,将机械能量转变为电能反馈回电网；,电磁转矩与旋转方向相反，起制动作用。,66,Tem,O,sm,Tm,M,smn1H,Tm,M,第6章三相交流异步电动机电力拖动2.回馈制动的机械特性ns回馈制动,67,n,fNf1Tem,fNf1,第6章三相交流异步电动机电力拖动3.异步电动机回馈制动的实现(1)调速过程中的回馈制动,a,b,cO,dTL,n,Y,YYTe,a,b,cdOTL,?,变频调速过程中的回馈制动,变极调速过程中的回馈制动,O,Tem,TL,nn1,第6章三相交流异步电动机电力拖动(2)下放重物时的回馈制动,G68,Rb,M3,Te,n,TL,3c,正向电动a,反接制动b,d回馈制动,n1反向电动,1)制动原理定子相序改变，转子电路串联对称电阻Rb。,69,第6章三相交流异步电动机电力拖动,第6章三相交流异步电动机电力拖动,3)制动效果Rb下放速度。为了避免危险的高速，一般不串联Rb。,TL,O,Te,nn1,n170,71,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-7】一台YR280S-8型绕线异步电动机，PN37kW，nN735r/min，E2N281V，I2N=81.5A，km=2.4，电动机轴上的位能性负载转矩为TL300Nm，假定电动机在下列两种情况下以回馈制动状态运行，求电机的转速。(1)电动机运行在固有机械特性上下放重物；(2)转子回路串入Rb0.12的制动电阻。解：(1)额定转差率和固有特性的临界转差率为n1nN=750735=0.02n1750,sm=sN(km,km21),=0.02(2.42.421)=0.0916转子每相电阻值为,R2=,sNE2N3I2N,0.02281381.5,=,=0.0115,72,第6章三相交流异步电动机电力拖动,s=,第6章三相交流异步电动机电力拖动(2)当Rb=0.12时，电动机的转差率为,0.01150.120.0115,(0.0121)=0.1384,R2RsR2转速为,s=,O,Tem,n=(n1)(1s)=750(10.1384)r/min=853.8r/minnn1,n173,TL,74,第6章三相交流异步电动机电力拖动6.4.2反接制动1.改变电源相序的反接制动迅速停车,KM1,KM2,M3,3,Rb,(1)制动原理制动前,KM1合，KM2断，一般Rb=0。制动时KM1断，KM2合。转子串入Rb。,n1,n1,第6章三相交流异步电动机电力拖动,TL,Tem,nn1O,n1,b,aTL,制动前：正向电动状态。制动时：定子相序改变，n1变向。n1nn1ns=即s1(第二象限)。,因s1，使E2s、I2反向，Tem反向。a点惯性b点(Tem0，制动开始),nc点(n=0，T,到c点时，若未切断电源，电机将可能反向起动。75,em0)，制动结束。,d,1R2,RbR22c,2R2Rb,Pem=m1I2,第6章三相交流异步电动机电力拖动,76,a,nn1O,n1,b,三相电能,电磁功率Pem,转子,机械功率Pm,定子,转差功率,(2)制动效果取决于Rb的大小。(3)制动时的功率0s,Pm=(1s)Pem0pCu2=m1(R2Rb)I22=PemPm=Pem|Pm|,1R2Te,RbR22c,77,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-10】一台YR280M-8型绕线异步电动机，PN=45kW，nN735r/min，E2N359V，I2N=76A，km=2.4，如果电动机拖动额定负载运行时，采用反接制动停车，要求制动开始时最大制动转矩为2TN，求转子每相串入的制动电阻值。解：额定转差率和固有特性的临界转差率为n1nN=750735=0.02n1750,sm=sN(km,km21),=0.02(2.42.421)=0.0916转子每相电阻值为,R2=,sNE2N3I2N,0.02359376,=,=0.0545,78,第6章三相交流异步电动机电力拖动,a点,b点(TbTL)，,c点(n=0，TcTL),d点(nd0，Td=TL),79,第6章三相交流异步电动机电力拖动2.倒拉反接制动下放重物,Tem,1,nn1b,TL,a,(1)制动原理定子相序不变，转子电,O制动运行状态,路串联对称电阻Rb。低速提惯性升重物n在TL作用下M反向起动(2)制动效果改变Rb的大小，改变特性2的斜率，改变下方速度nd。,ecd,R232,80,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,=Pem|Pm|,Pm=(1s)Pem0pCu2=m1(R2Rb)I22=PemPm,第6章三相交流异步电动机电力拖动,电功率与机械功率均消耗在转子电路中。,第6章三相交流异步电动机电力拖动【例6-11】某起重机由一台绕线型三相异步电动机拖动，已知PN30kW，UN380V，Y联结，nN730r/min，E2N390V，I2N=50A，km=3.0。电动机轴上的负载转矩TL0.8TN。(1)如果电动机以500r/min的速度反接下放重物，求转子每相串入的电阻值。(2)如果转子每相串入3.2的电阻，电动机的转速是多大，运行在什么状态？(3)如果转子每相串入6.2的电阻，电动机的转速是多大，运行在什么状态？解：额定转差率和固有特性的临界转差率为n1nN=750730=0.0267n1750,sm=sN(km,km21),=0.0267(3321)=0.155681,Tm2,=0.1556,sN1R2,82,(1)当电动状态，Te=TL0.8TN时转差率为,s=sm,1TL,TmTL,1=0.0211,30.8,30.8,2,第6章三相交流异步电动机电力拖动转子每相电阻值为,R2=,sNE2N3I2N,0.0267390350,=,=0.12,当电动机以500r/min的速度反接下放重物时，转差率为n1n=750500=1.6667n1750转子每相应串电阻为,Rb=,s1,第6章三相交流异步电动机电力拖动,(2)当转子每相串入3.2电阻时电动机的转差率为,s2=,s=,0.0211=0.584,R2RbR2,0.123.20.12,=,11.2=9.4,1.66670.0211,转子转速为n2=n1(1s2)=750(10.584)r/min=312r/min因n20，故电动机运行于电动状态(提升重物)。(3)当转子每相串入6.2电阻时电动机的转差率为,s3=,s=,0.0211