异步电机及其拖动

第一章异步电动机及其拖动第一节三相异步电动机机械特性的三种表达式一、物理表达式式中：异步机的转矩系数——异步机每极磁通异步电动机的机械特性二、参数表达式可得则得由于异步电动机的电磁功率为分子分母同乘以（1-s），即得由异步电动机的近似等效电路得异步电动机的机械特性参数表达式临界转差率使，即可求得最大转矩由于起动转矩起动转矩倍数三、实用表达式忽略

R1得机械特性的实用表达式可以求出（式中）第二节三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻〔电抗或电容〕时所获得的机械特性曲线。三相异步电动机的固有机械特性1〕起始点A；2〕额定工作点B；3〕同步转速点H；4〕最大转矩点P和P′。二、人为机械特性三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性（一）降低降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性（二）转子电路内串联对称电阻转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。〔三〕定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性定子电路串联对称电抗一般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。定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性（四）定子电路串联对称电阻与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动。〔五〕转子电路接入并联阻抗由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，在右图上绘出了这样的人为机械特性。转子电路接入并联阻抗时的电路图和人为机械特性转子电路接入并联阻抗时的转子等效电路图第三节三相异步电动机的各种运转状态一、电动运转状态电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。电动状态下异步电动机的机械特性二、制动运转状态异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。〔—〕回馈制动状态位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态异步电动机在回馈制动时的相量图当异步电动机由于某种原因〔例如位能负载的作用〕，使其转速高于同步速度时，转子感应电动势反向，转子电流的有功分量也改变了方向，其无功分量的方向那么不变。此时异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。当时转子电流的有功分量为转子电流的无功分量为也为负，与转速方向相反异步电动机轴上输出的机械功率也为负异步电动机回馈制动时的机械特性如果异步机定子脱离电网，又希望它能发电，那么必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星形的三组电容器。这时电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率，即供给建立磁场所需要的励磁电流。电容器接成三角形时电容器接成星形时转速反向的反接制动时的异步电动机特性异步电动机转速反向反接制动电路图〔二〕反接制动状态1．转速反向的反接制动转子轴上机械功率为负此时的转差率转子由定子输入的电功率即为电磁功率为正转子电路的损耗为两者之和，因此能量损耗极大。异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性2．定子两相反接的反接制动为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由A转移到B此时转差率为在两相反接时，电动机的转矩为－T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的BC段。在转速为零的C点，如不切断电源，电动机即反向加速，进入反向的电动状态〔对应于特性CD段〕，加速到D点时，电动机将稳定运转，实现了电动机的逆转过程。〔三〕能耗制动状态异步电动机能耗制动的电路图与机械特性当K1断开，电动机脱离电网时，立即将K2接通，那么在定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流。根据左手定那么，可确定出转矩的方向与转速的方向相反，即为制动转矩。各个电流之间有下列关系得机械特性方程式临界相对转速三、运转状态小结在正转方向，特性1与1′的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；在反转方向，特性2与2′的第二象限为反接制动特性，而第四象限那么为回馈制动特性。能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线3与3′表示，第二象限局部对应于电动机正转，而第四象限那么对应于反转。图中特性1＇，2′及3′对应于异步电动机转子有串联电阻时，而1，2及3那么对应于没有串联电阻。桥式起重机拖动主钩异步电动机的电路图对应手柄位置主钩异步电动机的机械特性转速逐级提升过程为转速逐级提升的机械特性空钩提升与下放时的负载转矩特性提升和下放空钩时的机械特性与负载转矩特性在空钩下放时也属电动状态。此时不但有空钩重量产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大，将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。〔二〕反接制动状态〔三〕回馈制动状态反接制动下放重物时的机械特性与负载转矩特性回馈制动下放重物时的机械特性与负载转矩特性第四节根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般可查到以下技术数据：1）额定功率

（kW）2）额定定子线电压（V）

3）额定定子线电流（A）

4）额定转速（r/min）

5）额定效率

6）定子额定功率因数7）过载倍数

8）飞轮惯量（）

9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即a）转子额定线电动势（V）b）转子额定线电流（A）10）对于笼型异步电动机，没有转子数据，但给出下列两个数据

a）起动转矩倍数

b）起动电流倍数

此外，还可能给出定子极对数p；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为50Hz，即Hz。

在上述数据的根底上，可用工程计算法计算异步电动机参数解[例1-1]一绕线转子异步电动机的技术数据为：试用工程计算法计算异步电动机的下列参数：第五节绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算计算的方法是按条件，利用机械特性〔一般是实用表达式〕进行，计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点。[例1-2]某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：（1）当负载转矩，要求转速时，转子每相应串入多大的电阻（图中B点）？绕线转子异步电动机的机械特性（2）从电动状态（图1中A点）时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于（图中C点），则转子每相应该串接多大电阻？（3）如果该电动机带位能负载，负载转矩，要求稳定的下放转速r/min，求转子每相的串接电阻值。解取（不合理）（1）考虑异步机的机械特性为直线,对于固有特性对于人为特性（2）取取考虑机械特性为直线（3）取（时不能稳定运转）考虑机械特性为直线绕线转子异步电动机能耗制动接线图及特性[例1-3]绕线转子异步电动机的铭牌数据同例1-2，设从额定点A换接到能耗制动状态的运行点E（见下图），如果要求制动转矩的开始值等于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制动时的接线如图，定子通入大小为的直流电流，假如电动机的空载电流。假定应考虑电动机磁路的饱和。解查图10-21的曲线，当时，取考虑能耗制动特性为直线取如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，那么[例1-4]绕线转子异步电动机的技术数据同例1-2。如果使用能耗制动使电动机快速停车，要求保证最大制动转矩时，。接线如图所示。假定桥式整流后电压与交流电压有效值之比为0.9，整流电压经电容滤波后增高30%。试计算：（1）直流励磁电路中的附加电阻（2）异步机转子电路每相应串接的电阻解

（1）查图10-21，当绕线转子异步电动机能耗制动接线图（2）第六节三相异步电动机的起动方法一、三相笼型异步电动机的起动方法〔一〕直接起动起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压〔即全压〕直接加到电动机的定子绕组，显然，这时起动电流较大，可达额定电流的4～7倍，根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机甚至可达8～12倍。一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。≤如果不能满足要求，那么必须采用减压起动的方法。〔二〕减压起动1．电阻减压或电抗减压起动笼型异步电动机电阻减压起动的原理图笼型异步电动机电抗减压起动的原理图2．自耦补偿起动自耦变压器的减压原理图异步电动机自耦补偿起动的原理线路图所以通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为3．星形一三角形〔Y—Δ〕起动在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的，而星形联结时两者则是相等的。因此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1/3。笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图*4．延边三角形起动笼型异步电动机定子三相绕组连接成延边三角形引出9个出线端的定子三相绕组〔三〕软起动方法1．限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流，主要用于轻载软起动；2．斜坡电压起动法。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要用于重载软起动；3．转矩控制起动法。用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法；4．转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制起动法类似，其差异在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动；5．电压控制起动法。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的轻载软起动方法。二、三相绕线转子异步电动机的起动方法〔一〕转子串联电阻起动电动机起动时，变阻器应调在最大电阻位置，然后将定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，均匀地减小电阻，直到将电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷。〔二〕转子串联频敏变阻器起动当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及值跟着下降，使电动机起动平滑。频敏变阻器的结构频敏变阻器的等效电路带感应圈的频敏变阻器结构第七节改善起动性能的三相异步电动机一、深槽异步电动机转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率仅为1～3Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻二、双笼型异步电动机双笼异步电动机的机械特性双笼型转子的结构与漏磁通这种异步电动机的转子上有两套导条，如图11-13a所示的上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。第八节三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算定子串联对称电阻起动，在此介绍的计算方法设全压直接起动时，电动机的起动电流和起动转矩分别为、定子串电阻起动时，电动机的起动电流和起动转矩分别为、或按一般电动机的平均数值可令当定子绕组为星形联结时当定子绕组为三角形联结时[例1-5]一笼型异步电动机的电压为380V；电流为13.6A；起动电流倍数；起动转矩倍数，试就下列两种情况，求定子串接电阻；〔1〕起动电流减小到直接起动时的一半；〔2〕起动转矩减小到直接起动时的一半。解

定子星形接法时（1）（2）第九节三相笼型电动机起动自耦变压器的计算自耦变压器容量（kV·A）的计算公式如下式中——电动机额定容量（kV·A）；——电动机起动电流的倍数；——自耦变压器的抽头电压，以额定电压百分数表示；

n——起动次数；

t——起动一次的时间（min）；

T——最大起动时间。≥电动机起动时，自耦变压器的起动功率为[例1-6]电动机容量为；如直接起动时起动电流的倍数；按生产机械的要求，电动机起动时容许的最小电压为额定电压的60%；设起动器起动次数n=3，每次起动的时间t=30s=0.5min。试计算并选择自耦变压器（选择最大起动时间T=2min的类型）。可选择电压抽头65%时容量略大于的自耦变压器，其最大起动时间为2min。解选择≥第十节三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算〔一〕图解解析法为简化计算，异步电动机的机械特性可视为直线一般取≤≥为转子每相绕组电阻〔二〕解析法所以令[例1-7]某生产机械用绕线转子异步电动机拖动，其技术数据为：过载能力，试求空载起动时三级起动电阻（用解析法）。解：取转子每相各段起动电阻为转子每相串接总的电阻为第十一节三相异步电动机的起动过程一、图解法其他三个比例尺系数根据图形尺寸而任意选择，而二、解析法当，电力拖动运动方程式为代入机械特性的实用表达式，并考虑到令空载起动时间求最短时的，令，得在空载起动时[例1-8]某机床的主拖动电动机为双速电动机，其技术数据见表。控制线路设计为：起动分两级，第一级为自加速到接近1500r/min，电动机定子绕组接成三角形联结；第二级为自1500r/min左右加速到近3000r/min，定子绕组换接成双星形〔YY〕联结。求第一级的起动时间。设拖动系统的飞轮矩为解

机床的拖动电动机为空载起动起动时间为第十二节三相异步电动机过渡过程的能量损耗异步电动机定子与转子电路均有铜耗，那么过渡过程的能量损耗为粗略地可忽略I0，则由于则一、空载起动过程电动机的能量损耗空载起动时二、空载反接制动过程电动机的能量损耗空载反接制动时三、空载能耗制动过程电动机的能量损耗空载能耗制动时四、减少异步电动机过渡过程能量损耗的方法（一）减少拖动系统的动能储存量〔二〕合理选择电动机的起、制动方式〔三〕合理选择电动机的参数[例1-9]一台四速异步电动机的四个同步转速为：3000、1500、1000及500r/min。试计算空载直接起动（n=0～3000r/min）和分级起动（n=0经500，1000，1500到3000r/min）时电动机的能量损耗。如果电力拖动系统的转动惯量固定损耗可以忽略。解

（1）空载直接起动时电动机的能量损耗〔2〕空载分级起动时电动机的能量损耗空载分四级起动时电动机的能量损耗第十二节三相异步电动机的调速由异步电动机转速的表达式一、变极调速星形联结改变成两个并联的星形联结三角形联结改变成两个并联的星形联结Δ联结改成YY联结Y联结改成YY联结变极调速时，电动机的容许输出功率或转矩在变速前后的关系。输出功率为在高、低速运行时，电动机绕组内均流过额定电流，这样在两种联结法下的转矩之比为当定子绕组从一个三角形联结改成二个星形联结的并联时，极对数也减小一倍，也增加一倍。两种联结法的功率比为二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随成正比地变化，则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的。当定子频率较高时（式中为常数）可见，恒转矩变频调速时，如能保持=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通Φ

基本不变的要求。在恒功率调速时由此可见，在恒功率调速时，如能满足=定值的条件，调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化了。如果此时按恒转矩调速满足=定值的条件，则磁通将基本不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有开展前途的一种方法。三、能耗转差调速1、转子电路串联电阻调速在额定电压时，磁通定值，调速时当转速降低〔s增高〕时，效率下降，转子损耗功率增高，故经济性不高。转子电路串联电阻的数值愈大，人为机械特性愈软。转子损耗功率为输出功率为调速时转子电路的效率为转子电路串接不同电阻时的人为特性2、改变定子电压调速改变异步电动机定子电压的人为特性转子电路电阻较高时改变定子电压的人为特性多速电动机在变极变压时的机械特性3、滑差电动机〔一〕电磁滑差离合器的调速原理滑差离合器的示意图滑差离合器电枢内涡流的方向与路径当绕组内有电流通过时，在电枢与感应子之间便有磁通相链，如图中虚线所示。当异步电动机带动电枢旋转时，电枢便以相应的转速在感应子所建立的磁场内旋转，于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，电枢上将出现感应电动势。当感应子也旋转时，此感应电动势为在此感应电动势的作用下，电枢内将出现涡流，其值为涡流与感应子磁场相互作用力为转矩为如主动与从动部分间没有相对运动，即，则。因此电枢与感应子间必须存在转速差，这点与异步电动机的工作原理极为相似。其区别仅在于异步