电机及拖动 精品课件——三相异步电动机的电力拖动

1、第五章 三相异步电动机的电力拖动5.15.1三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性电动机作为一种将电能转化成机械能，从而带动其他电动机作为一种将电能转化成机械能，从而带动其他机械进行工作的设备，我们最关心的是电动机的机械机械进行工作的设备，我们最关心的是电动机的机械特性。所谓三相异步电动机的机械特性是指在一定条特性。所谓三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速件下，电动机的转速n n与转矩与转矩T T之间的关系之间的关系n n= =f f（T T）。三相异步电动机的转速三相异步电动机的转速n n与转差率与转差率s s之间存在一定关系，之间存在一定关系， 所以三相异步电动

2、机的机械特性也往往用所以三相异步电动机的机械特性也往往用T T= =f f（s s）的形式表示。的形式表示。 11nnns5.1.1 5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式三相异步电动机机械特性的三种表达式根据前面章节的学习，我们知道三相异步电动机的等效电路图可以化简为如图所示。 从电路的观点分析知，电磁功率为； srImIEmPem22212221cos mNmNkNfkNfE 1111112244. 4pfp1112 22122112xxsrrUIr1 jx1E1 = E2I11ssr2I2jx2 r2I0rmxm+U1一、电磁转矩的物理表达式一、电磁转矩的物理表达式我们把 公式进

3、行整理（利用前面已学的公式）可得； （5-1） 式中 转矩常数 上式表明三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。1emmecPPT22cos ICTmTJ2111NTJkNpmCm22cos I二、电磁转矩的参数表达式二、电磁转矩的参数表达式22122112211)()(2xxsrrfsrpUmTem 1emPTsrImPem2221将代入可得该式表明了电磁转矩与转差率之间的关系称为转矩特性该式表明了电磁转矩与转差率之间的关系称为转矩特性T= f(s)T= f(s)， 由于转速由于转速n=(1-s)nn=(1-s)nl l，故可将故可将T= f(s)T= f(

4、s)曲线转化为异步电动机转速曲线转化为异步电动机转速n n与电磁转矩与电磁转矩T T之间的关系，称之为之间的关系，称之为机械特性机械特性。（5-2）机械特性曲线机械特性曲线如果把如果把T,s,nT,s,n1 1画在同一个坐标系中画在同一个坐标系中, ,并且机械特性上还有几个特并且机械特性上还有几个特殊的点殊的点1.1.起动点起动点A A起动转矩起动转矩。电动机起动时。电动机起动时n=0,s=1,n=0,s=1,代入（代入（5-25-2）式）式中可求得起动可求得起动转矩为，转矩为，2.2.最大电磁转矩点最大电磁转矩点 B B最大电磁转矩最大电磁转矩T Tm m与临界转差率与临界转差率s sm m

5、。用数学方法将式用数学方法将式(5-2)(5-2)对对s s求求导，令导，令dT/ds=0, dT/ds=0, 即可求得产生最大电磁转矩即可求得产生最大电磁转矩T Tm m的的s sm m称为临界称为临界转差率，且转差率，且画在机械特性中过载系数过载系数 。为了保证电动为了保证电动机不会因短时过载而停转，机不会因短时过载而停转，一般电动机都具有一定的过一般电动机都具有一定的过载能力。最大电磁转矩愈大，载能力。最大电磁转矩愈大，电动机短时过载能力愈强，电动机短时过载能力愈强，因此把最大电磁转矩与额定因此把最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载转矩之比称为电动机的过载能力，用能力，用 表示，即

6、表示，即m m NmmTT 2.2.额定运行点额定运行点C C异步电动机带额定负载运行，异步电动机带额定负载运行，s sN N=0.01-0.06=0.01-0.06，其对应的电磁其对应的电磁转矩为额定转矩转矩为额定转矩T TN N。若忽略空载转矩，若忽略空载转矩，T TN N即为额定输出转矩。即为额定输出转矩。4.4.理想空载运行点理想空载运行点D D该点该点n=nn=nl l=60f/p, s=0=60f/p, s=0，电磁转距电磁转距T=0T=0机械特性曲线三、电磁转矩的三、电磁转矩的实用表达式实用表达式ssssTTmmmem2已知电机的额定功率、额定转速、过载能力将将Tm和和sm代入即

7、可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式异步电动机按规定方式接线，工作在额定电压、额定频率下，异步电动机按规定方式接线，工作在额定电压、额定频率下，定、转子电路均不外接电阻情况下的机械特性，称为固有机定、转子电路均不外接电阻情况下的机械特性，称为固有机械特性。当电机处于电动机运行状态时，其固有机械特性如械特性。当电机处于电动机运行状态时，其固有机械特性如图所示。图所示。 四四.固有机械特性固有机械特性五五.人为机械特性人为机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。械特性。1. 1. 降压时的人为机械特性降压

8、时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm0.5UN2 2. . 转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后, , 、 不变，不变， 增大。增大。nmTms在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻， 减小。减小。stT1ms stmTT stT 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。为

9、机械特性。Tstsmr2+Rs21 0TstTmTems n0n1smr2r2+Rs1r2+Rs3六六.稳定运行的条件稳定运行的条件线性段曲线段 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过程. .对电动机的起动性能要求二：起动电流大对电动机的起动性能要求二：起动电流大, ,起动转矩不大。起动转矩不大。1.1.起动电流大的原因起动电流大的原因 起动时起动时, , ,转子感应电动势大转子感应电动势大, ,使转子电流大使转子电流大, ,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系, ,定子电流必然增大定子电流必然增大. .1, 0sn2.2

10、.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下述公式分析从下述公式分析022stemTTTCI cos 起动时起动时, , ,远大于运行时的远大于运行时的 , ,转子漏抗转子漏抗 很大很大, , 很低很低, ,尽管尽管 很大很大, ,但但 并不大并不大. .1ss22sXXs2cos2I22cosI 由于起动电流大由于起动电流大, ,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大, ,使定子感应电动势减小使定子感应电动势减小, ,对应的气隙磁通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由上述两个原因使得起动转矩不大. .第二节第二节 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 一般地说，容量在容量

11、在7.57.5kwkw 以下的小容量鼠笼式异步电动以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。机都可直接起动。一、直接起动一、直接起动经验公式经验公式起动转矩倍数起动转矩倍数K KM M和起动电流倍数和起动电流倍数K KI5.2.15.2.1 三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动习题二二. .自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动21ststTTk 起动转矩减小的倍数：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。自耦变压器一般有三个分接头可供选用。直接起动时的起动电流：直接起动时的起动电流：111ZUINst降压后二次侧起动电流降压后二次侧起动电流:11122ZkUZUIN

12、st变压器一次侧电流变压器一次侧电流:1122111ZUkIkINstst电网提供的起动电流减小倍数电网提供的起动电流减小倍数2111kIIstst三三 、Y Y一一 起动起动31ststYTT 适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时时Y Y接线，运行时接线。接线，运行时接线。起动电流关系起动电流关系:特点： Y- 降压起动设备简单，成本低。但起动转矩降低很多，多用于空载或轻载起动的设备上。 31ststYII起动转矩关系起动转矩关系:四四. .延边三角形降压起动延边三角形降压起动5.2.25.2.2、三相绕线式异步电动机的起动、

13、三相绕线式异步电动机的起动1 1、转子回路串电阻分级起动、转子回路串电阻分级起动 为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异步电动机为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。起动时串入全部电阻，可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。起动时串入全部电阻，随着转速上升逐级切除所串电阻。起动完毕，起动电阻全部切除。随着转速上升逐级切除所串电阻。起动完毕，起动电阻全部切除。 为了有较大的为了有较大的起动转矩、使起动起动转矩、使起动过程平滑，应在转过程平滑，应在转子回路中串入多级子回路中串入多级对称电阻，并随着对称电阻，并

14、随着转速的升高，逐渐转速的升高，逐渐切除起动电阻。切除起动电阻。 起动过程中起动过程中功率因数高，但设功率因数高，但设备投资大，维修不备投资大，维修不便。便。2. 2. 转子回路串频敏变阻器起动转子回路串频敏变阻器起动 频敏变阻器类似只有一次绕组的三相三柱式变压器，其铁心是由几片或十几片厚钢板或铁板叠成。 频敏变阻器是利用铁心涡流损耗随频率变化而变化的原理改变起动电阻的。频敏变阻器的电阻随频率降低而逐渐减小。 频敏变阻器静止无触点，频敏变阻器静止无触点，结构简单，成本低，大大提高结构简单，成本低，大大提高了转子回路功率因数，既限制了转子回路功率因数，既限制了起动电流，又提高了起动转了起动电流，

15、又提高了起动转矩，应用较为广泛。矩，应用较为广泛。练习填空:1.用Y-降压起动时,起动电流为直接用接法起动时的 ,所以对降低 很有效 但起动转矩也只有直接用接法起动时的 ，因此只适用于 启动。 2,笼型异步电机的降压起动方法有： 、 、 。 3.绕线型异步电机的降压起动方法有： 、 。 判断题1.三相异步电动机进行降压起动时，起动电流变小，起动转矩变大。（ ）2.三相异步电动机在起动的瞬间，由于某种原因，定子的一相绕组断路，电动机还能起动，但是电动机处于很危险的状态，电动机很容易烧坏。 （ ） 3.三相异步电动机不管其转速如何改变，定子绕组上的电压、电流的频率及转子绕组中电势、电流的频率总是固

16、定不变的。 （ ） .5.3 5.3 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动实现实现：制动时，：制动时，S1S1断开断开, ,电机脱离电网，电机脱离电网，同时同时S2S2闭合闭合, ,在定子绕组中通入直流励磁在定子绕组中通入直流励磁电流。电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，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，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，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，感应电转速迅速下降，当转速为零时，感

17、应电动势和电流为零，制动过程结束。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上能耗制动。能耗制动。nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机对笼型异步电动机, ,可以可以增大直流励磁电流来增大初始增大直流励磁电流来增大初始制动转矩制动转矩 。 对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机, ,可可以增大转子回路电阻来增大以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩初始制动转矩 。. 101s，n所以能耗制动时由于制动电阻大小：制动电阻大小：2220 20 43NBNER( . . )RI 5.3.25.3.2 反接制

18、动反接制动一、倒拉反转的反接制动(转子反向的反接制动)条件条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现实现：在转子回路串联适当大电阻：在转子回路串联适当大电阻R RB B。电机工作点由电机工作点由AB AB CC，n=0n=0，制动过程制动过程开始，电机反转，直开始，电机反转，直到到D D点。在第四象限点。在第四象限才是制动状态。才是制动状态。由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。二、电源两相反接的反接制动实现实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。：将电动机电源两相反接可实现反接制动。.,11sn想空载转速变为理改变由于定子旋转磁

19、场方向机械特性由曲线机械特性由曲线1 1变为曲线变为曲线2 2，工作点由，工作点由AB CAB C，n=0,n=0,制动过程结束。制动过程结束。绕线式电动机绕线式电动机在定子两反在定子两反接同时接同时, ,可在转子回路串联可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩和增大制动转矩 , ,曲线曲线3 3。5.3.3 回馈制动实现实现：电动机转子在外力作用下，使：电动机转子在外力作用下，使nnnn1 1. . 回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电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。能并回馈到电网的异步发电机状态。5. 3

20、. 4三相电动机各种运行状态反接反接制动制动能耗能耗制动制动固有固有特性特性反抗性负载位能性负载填空1.交流电动机常用的制动方法有： 制动、 制动和 制动 2.反接制动时，当电机接近于 时，应及时 防止 。3.三相异步电动机当电磁转矩T达到最大转矩Tm时，此时转差率为Sm叫 ，当电源电压下降时，Tm的变化是 ，Sm的变化是 ；电动机最终稳定运行机械特性曲线中段选择1.三相异步电动机在运行时出现一相电源断电，对电动机带来的影响主要是（ ）A 电动机立即停转 B 电动机转速降低、温度升高 C 电动机出现振动及异声2.把运行中的异步电动机三相定子绕组出线端的任意两相电源接线对调，电动机的运行状态变为

21、 （ ）A 反接制动 B 反转运行 C 先是反接制动随后是反转运行5.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s5.4.1 变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。 以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：A A相两个半相绕组线圈，相两个半相绕组线圈，正向串联正向串联，定

22、子绕组产生，定子绕组产生4 4极磁场：极磁场：若改变界线方式若改变界线方式, ,使两个半相绕组使两个半相绕组反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组产生定子绕组产生2 2极磁场：极磁场：2 2极磁场极磁场反向串联反向串联反向并联反向并联结论结论: :若使一相绕组中的一个半相绕组内电流改变方向若使一相绕组中的一个半相绕组内电流改变方向, ,就可就可以使极对数以使极对数P P成倍的改变成倍的改变, ,则转子的转速也成倍的改变则转子的转速也成倍的改变1) 1) Y-YY(Y-YY(双双Y)Y)变换变换 制造变极电动机时，在三相绕组中每一相绕组的中点都抽出一个头来三相绕组的接线方式三相绕组的接线

23、方式 经经Y-YYY-YY变换以后，其中一个半相绕变换以后，其中一个半相绕组的电流反向，而且每相绕组的接组的电流反向，而且每相绕组的接法，都是从正向串联改为反向并联。法，都是从正向串联改为反向并联。从变极原理可知，此时电动机的极从变极原理可知，此时电动机的极对数减少一半，即由对数减少一半，即由P P=2=2变为变为P P=1=1。若若Y Y接法时同步转速为接法时同步转速为n n1 1, ,，则则YYYY接接法同步转速为法同步转速为2 2n n1 12) 2) D-YYD-YY变换变换端点1 ,2 ,3接电源，中点4 ,5 ,6空着，三相绕组的另一端依次首尾相接，形成D接法经过经过D-YYD-Y

24、Y后后, ,每相绕组的接法都从每相绕组的接法都从正向串联改为反向并联。其中一正向串联改为反向并联。其中一个半相绕组中的电流反向。因此个半相绕组中的电流反向。因此D D接法时极对数接法时极对数P=2P=2，同步转速为同步转速为n n1 1; ;变换成变换成YYYY接法时，接法时，P P= =1,1,同步转速同步转速为为2 2n n1 1 。变极调速时的机械特性变极调速时的机械特性1. Y-YY联结方式联结方式22mYYmYmYYmYstYYstYssTTTT 2. -YY联结方式联结方式2323mYYmmYYmstYYstssTTTT 变极调速时变极调速时, ,转速几乎是成倍变化的转速几乎是成倍

25、变化的, ,调速的平滑性较差调速的平滑性较差, ,但但具有较硬的机械特性具有较硬的机械特性, ,稳定性好稳定性好, , 可用于恒功率和恒转矩负载可用于恒功率和恒转矩负载. . 改变电动机的电压改变电动机的电压时，机械特性为时，机械特性为二、调压调速 调压调速既非恒转矩调调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。适用恒功率负载。三、三、电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速四、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转

26、子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为 从机械特性看，转子串电阻从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。的增大而减小。串入电阻的大小与转差率的关系串入电阻的大小与转差率的关系RrrssN22特点特点: :改变调速电阻的大小改变调速电阻的大小, , 可得到平可得到平滑调速滑调速, ,设备简单设备简单, ,投资少投资少, ,但能量消耗但能量消耗大大, ,广泛应用于起重设备中广泛应

27、用于起重设备中五 变频调速电压随频率调节的规律 当转差率当转差率s s变化不大时，电动机的转速变化不大时，电动机的转速n n基本与电源频率基本与电源频率f f1 1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，是，11011111122111211214 444 444wwmTNNNEU.f N k.f N kTm pUUcTf ( XX )Tf T 频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁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，要损及过载能力的大小。

28、为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：求下式成立：221111221111NNNNUUUfTf TfTUfT 及1 1、恒转矩变频率调速、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。此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。常数1111ffUU对恒转矩负载对恒转矩负载2 2、恒功率变频率调速、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。对恒功率负载对恒功率负载1195509550ffnnTTnTnTPNNNNNNNNN常数常数1111fUfU得练习练习一.填空1.三相异步电动机的调

29、速方法有：改变 调速、改变 调速、 调速。 2.电磁制动是使电动机产生一个与旋转方向 的方法实现的；按其产生的制动转矩方法的不同可分为： 、 、 。 3.异步电动机的同步转速与磁极对数成 ，与电流的变化频率成 4.绕线型异步电动机起动方法有 、 ，起动转矩 （变大或变小），所以它们适用的场所是 。 5. 改变交流电机的转向可以通过改变 实现。6.感应电动机起动时，转差率s= ，此时转子电流 的值 ， , 起动转矩 。 7.绕线型感应电动机转子串入适当的电阻，会使起动电流 ，起动转矩 。8.一台频率为 的三相感应电动机，用在频率为 的电源上（电压不变），电动机的最大转矩为原来的 ，起动转矩变为原

30、来的 。 9.三相感应电机转速为 ，定子旋转磁场的转速为 ，当 时为 运行状态；当 时为 运行状态；当 与 反向时为 运行状态 2I2cos 160Hzf Hz50n1n1nn1nn n1n选择选择 1. 绕线式三相感应电动机，转子串电阻起动时（ ）。 A 起动转矩增大，起动电流增大； B 起动转矩增大，起动电流减小； C 起动转矩增大，起动电流不变； D 起动转矩减小，起动电流增大。 2. 一台50HZ三相感应电动机的转速为980r/min,，该电机的级数和同步转速为（ ）。 2极, 3000r/min ； 4极， 1500r/min ； 6极，1000r/min ； 8极, 750r/min ， 3. 三相感应电动机等效电路中的附加电阻 上所消耗的电功率应等于（ ）： A 输出功率 ； B 输入功率 ； C 电磁功率 ； D 总机械功率 。4. 适当增加三相绕线式感