4-5三相异步电动机的机械特性.ppt

1、4-5 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一定条件下，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即n= (Tem)，也用Tem= (s)的形式表示。 一、固有机械特性的分析 三相异步电动机的固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时的机械特性。整个机械特性可看作由两部分组成： 1)HP部分(转矩由0Tm，转差率由0sm)。工作部分，特性接近于一条直线 。 2)PA部分(转矩由TmTst，转差率由sm1)。称为机械特性的非工作部分，曲线部分 。,图4-18 异步电动机的固有机械特性,4-5 三相异步电动机的机械特性,几

2、个反映电动机工作的特殊点: (一)理想空载点H 这时n = n1，s = 0, Tem=0, I2=0，I1=I0。 (二)最大转矩点P 这时s = sm, Tem=Tm。 sm = (4-45) Tm = (4-46) 式中正号对应于电动运行状态，负号则对应于发电运行状态。,4-5 三相异步电动机的机械特性,几点重要结论: (1)最大转矩Tm 与电源电压U12成正比，而临界转差率sm仅与电动机本身的参数有关，而与U1无关。 (2) 临界转差率sm与转子电阻r2成正比，而最大转矩Tm与转子电阻r2无关。Tm 和sm 都近似地与（x1+ x2）成反比。 感应电动机的过载能力 :m= Tm /TN

3、 一般 m=1.62.2,(三)起动点A 特点：n = 0，s = 1，Tem=Tst 由上式可得出： （1）起动转矩Tst与电源电压U12成正比； （2）（x1+ x2）越大，Tst越小； （3）在一定范围内增大转子电阻r2，Tst增大。 对于绕线转子电动机，若在一定范围内增大转子电阻(转子电路串接电阻)可以增大起动转矩，以改善起动性能，若使Tst= Tm，则sm=1，即 sm= =1 则 rst=（x1+ x2）- r2 而对于笼型转子感应电动机，其转子回路不能用串接电阻的方法。 Tst与TN之比，称为起动转矩倍数Kst Kst = Tst/TN (4-49),4-5 三相异步电动机的机械

4、特性,二、人为机械特性的分析 人为机械特性是人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性。 (一)降低定子电压的人为机械特性,4-5 三相异步电动机的机械特性,(二)转子电路串接电阻的人为机械特性,图4-20 转子串接对称电阻的人为机械特性,在一定范围内增加转子电阻，可以增大电动机的起动转矩，如果串接某一数值的电阻后使Tst =Tm，这时若再增大转子电路，起动转矩将开始减小。,转子电路串接附加电阻，适用于绕线转子感应电动机的起动和调速。,4-5 三相异步电动机的机械特性,（三）定子回路中串接电阻或电抗的人为机械特性,4-5 三相异步电动机的机械特性,图4-21 定子电路外接电阻或电抗的人为机械

5、特性,定子回路中串接电抗一般用于笼型感应电动机的降压起动，以限制起动电流。,(四)改变定子电源频率时的人为机械特性,4-5 三相异步电动机的机械特性,图4-22 改变定子电源频率的人为机械特性,一般变频调速采用恒转矩调速，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使U/ = 常数，即保持气隙磁通不变。,三、电磁转矩的实用表达式,4-5 三相异步电动机的机械特性,上式中Tm及sm可用下述方法求出 TN = 9.55PNnN Tm = mTN = 9.55mPNnN (4-51) 忽略T0,将T=TN，s = sN代入式(4-50)，可得 sm = sN (4-52) 式中sN 额定转差率，

6、sN = (n1- nN)n1。,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,采用电动机拖动生产机械，对电动机起动性能的要求： 要有足够大的起动转矩，保证生产机械能正常起动。 在满足起动转矩要求的前提下，起动电流越小越好。 要求起动平滑，即要求起动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。 起动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。,笼型电动机有两种起动方法：直接起动和降压起动,直接起动也称全压起动，它的起动性能特点： (1)起动电流Ist大。对于普通笼型异步电动机，起动电流倍数Ki= Ist/IN = 47。 (2)起动转矩Tst 不大。,一、三相笼型异步电动机的直接起动与控制,一般低于7.5kW以下

7、的小容量电动机允许直接起动。 如果电动机容量大于7.5kW，若电网容量很大，能满足下列经验公式： =Ki (4-53) 则电动机也可允许直接起动，否则应采用降压起动方法。,(一)单向旋转控制电路 三相笼型电动机单向旋转可采用开关或接触器控制。 1.开关控制电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4-23 电动机单向旋转开关控制电路 a）刀开关控制电路 b）断路器控制电路,2.接触器控制电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4-24 电动机单向旋转接触器控制电路,电路保护环节： 短路保护 过载保护 欠压和失压保护,（二）点动控制电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4

8、-25 电动机点动控制电路 a)线路一 b) 线路二 c) 线路三,（三）可逆旋转控制电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,1倒顺转换开关可逆旋转控制电路,图4-26 倒顺开关控制电动机正反转电路 a)由倒顺开关直接控制电动机正反转 b)由倒顺开关接触器控制,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,2按钮控制的可逆旋转电路,图4-27 按钮控制电动机正反转的电路 a)方案一 b) 方案二 c) 方案三,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,3由行程开关控制的具有自动往返功能的可逆旋转电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,二、减压起动与控制 （一） 定子串电阻(或电抗)减压起动

9、 原理 t 特点：优点是起动较平稳，运行可靠，设备简单。缺点是起动转矩随电压的平方降低，只适合轻载起动，同时起动时电能损耗较大。 线路,图4-29 时间原则自动短接电阻减压起动电路 a）自动短接电阻减压起动 b)自动与手动短接电阻减压起动,（二）自耦变压器减压起动控制 原理： 特点：起动转矩较大；通过自耦变压器二次绕组上多个抽头，可获得不同电压比k，一般有80%UN、65%UN和50%UN三种。缺点是线路较复杂，设备价格较贵，不允许频繁起动。 线路：自耦减压起动分手动控制和自动控制两种。工厂常采用XJ01系列自耦减压起动器来实现减压起动的自动控制。,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,4-

10、6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4-30 XJ0l系列自耦减压起动器电路图,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,（三)星一三角减压起动控制电路 原理： 特点：Y-减压起动时，起动电流和起动转矩都下降为直接起动时的13。这种起动方法简便、经济，运行可靠。 Y系列电动机采用Y-降压起动不仅适用于轻载起动，也可适用于中型负载下的起动。 线路：两接触器式 -用于13kW以下电动机的控制 三接触器式- -用于13kW以上电动机的控制,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4-31 两接触器控制电动机星三角减压起动电路,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,图4-32 QX3-13系列自动

11、星一三角起动器电路图（三接触器式 ）,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,（四）延边三角形减压起动 特点：延边三角形减压起动是一种既不增加专用起动设备，又可提高起动转矩的一种减压起动方法。它适用于电动机定子绕组具有9个端头的笼型感应电动机。 原理：定子绕组相电压与电源线电压的关系将取决于每相定子绕组两部分的匝数比。 线路：,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,三、深槽式和双笼型异步电动机 三相笼型异步电动机减压起动时，为降低起动电流而使起动转矩也减小。 实际应用中常用深槽式和双笼型两种槽型 ，不仅减小起动电流，而且增大起动转矩。 1深槽式笼型异步电动机 深槽式异步电动机是利用转子槽漏磁

12、通分布不同，所引起的集肤效应来改善起动性能的。,图4-35 深槽式异步电动机转子导条集肤效应 a)转子槽漏磁 b)电流密度的分布 c)导条的有效截面,4-6 三相笼型异步电动机的起动与控制,2双笼型异步电动机 上笼（起动笼 ）导条截面较小,且由电阻率较大的黄铜或铝青铜等制成，因而电阻较大。但它交链的槽漏磁通较少，故漏抗小；下笼（工作笼）导体截面较大，用紫铜制成，电阻较小，但它交链的槽漏磁通较多，漏抗大。,双笼型异步电动机的起动性能比深槽式异步电动机的起动性能好，也可满载起动。但深槽式电动机制造简单，也比较便宜。 共同的缺点是转子漏抗较普通笼型异步电动机大，因此其功率因数及过载能力要低些。,图4

13、-36 双笼型异步电动机转子槽型 a)铜条槽型及槽漏磁 b)铸铝槽型,4-7三相绕线转子异步电动机的起动与控制,一 转子串电阻起动与控制,原理：适当增加转子电阻，可提高电动机的起动转矩,图4-37 按时间原则控制的转子电路串电阻减压起动控制电路,图4-38 绕线转子异步电动机转子串电阻三级起动特性 a)起动机械特性图 b)起动速度过程特性图,4-7三相绕线转子异步电动机的起动与控制,图4-39 按电流原则控制的转子电路串电阻起动控制电路,图4-40 短接转子电阻起动电流与转速过渡过程曲线,二、转子绕组串接频敏变阻器起动 频敏变阻器的阻抗随转子电流频率的减小（或转速的升高）而减小，常用于300k

14、W及以下的380V低压绕线转子感应电动机的起动控制。,频敏变阻器结构简单，占地面积小，运行可靠，无需经常维修，但其功率因数低，起动转矩小，对于要求有低速运转和起动转矩大的机械不宜采用。因此绕线转子感应电动机转子串接频敏变阻器起动尤为适用于反接制动和需要频繁正反转工作的机械。它广泛应用于冶金、化工等传动设备上。,图4-41 频敏变阻器结构示意图,4-7三相绕线转子异步电动机的起动与控制,4-7三相绕线转子异步电动机的起动与控制,图4-42 TGlK21型频敏变阻器起动电路,4-7三相绕线转子异步电动机的起动与控制,4-8三相异步电动机的制动与控制,异步电动机的制动方法有能耗制动、反接制动及回馈制

15、动三种。,一、能耗制动 方法：将定子绕组从三相交流电源上断开，然后立即加上直流励磁。 特点：三相异步电动机的能耗制动，制动平稳，能准确快速地停车；比较经济。但是拖动系统制动至转速较低时，制动转矩也较小，此时制动效果不理想。 线路： 按速度原则控制 按时间原则控制,4-8三相异步电动机的制动与控制,图4-46 速度原则控制的可逆运行能耗制动电路,二、反接制动 （一）电源反接制动 方法：将三相异步电动机的任意两相定子绕组的电源进线对调，适用于反抗性负载快速停车和快速反向。,4-8三相异步电动机的制动与控制,图4-47 电源反接制动 a)原理图 b)机械特性,特点：能耗大，经济性较差。但制动转矩即使

16、在转速降至很小时，仍较大，因此制动迅速。,4-8三相异步电动机的制动与控制,4-8三相异步电动机的制动与控制,4-8三相异步电动机的制动与控制,（三）倒拉反接制动 这种方法适用于将重物低速稳定下放。,图4-50 倒拉反接制动 a)原理图 b)机械特性,4-8三相异步电动机的制动与控制,三、回馈制动(再生发电制动),图4-51 反向回馈制动 a)原理图 b)机械特性,4-8三相异步电动机的制动与控制,4-8三相异步电动机的制动与控制,4-9三相异步电动机的调速与控制,改变感应电动机转速，可以有以下三种方法 变极调速 变频调速 改变电动机的转差率s，可采取的方法很多，如改变电压、改变定、转子参数调

17、速等及串级调速,一、变极调速 通常是利用改变定子绕组的接法来改变极数，这种电动机就称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，,图4-53 定子绕组改接以改变定子极对数 a) 2p=4 b) 2p=2 c) 2p=2,多极电动机定子绕组的接线方式很多，其中最常用的有两种： Y/YY 、/YY 。,4-9三相异步电动机的调速与控制,4-9三相异步电动机的调速与控制,设电网电压为U1，绕组每相额定电流为I1， 当接成Y形时，电动机的输出功率为 (4-54) 改成YY后，若保持支路电流为IN不变，假定改接前后功率因数和效率都近似不变，电动机的输出功率为 (4-55) 改接前后输出功率之比 (4-56)

18、 结论：由Y改接成YY后，电动机的输出功率增加一倍； 由于，虽然输出功率增加一倍，但转速也增加一倍，因此转矩不变; Y-YY变极调速适用于恒转矩负载，其机械特性如图4-56所示。 对于/YY接法，形时，输出功率 改接成YY后，电动机的输出功率 ，仍然假定cos1、1不变，则 (4-57) 上式说明改接前后，电动机的输出功率变化很小，而转矩T却几乎减小一半，因此这种接法适用于恒功率负载，其机械特性如图4-57所示。,4-9三相异步电动机的调速与控制,一般对倍极比变极，在绕组改接时，应把接到电动机的三根电源线任意对调两根;对于非倍极比变极，绕组的相序可能变也可能不变。 变极调速调速的平滑性差，但它

19、在每个转速等级运转时，和通常的感应电动机一样，具有较硬的机械特性，稳定性较好，所以对于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等，多速电动机得到比较广泛的应用。,4-9三相异步电动机的调速与控制,图4-58 双速电动机变速控制电路,（二）双速电动机控制电路,4-9三相异步电动机的调速与控制,二、变频调速（许晓峰p243-245） 因为一般转差率s很小，由于 ，可以近似地认为nn11； 单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化，其原因可分析如下： 从电动势公式 （6.4.8）可知，若1- m-磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增大；而当f1 - m -电磁转

20、矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。 为此变频的同时，改变定子电压U1，以维持 m不变，或者保持电动机的过载能力 不变。 析： 当f1较高时， ，又 则 式中常数 ,L1、L2为定，转子绕组的漏电感。 为了保持变频前后 不变，要求： （6.4.11）,4-9三相异步电动机的调速与控制,变频调速时，U1与f1的调节规律和负载性质有关 ： 1恒转矩变频调速 对于恒转矩负载， ，于是式（6.4.11）变为 （6.4.12） 结论：在恒转矩负载下，若能保持电压与频率成正比调节，则电动机在调速过程中，既保证了过载能力（6.4.11）不变，同时又满足主磁通也不变的要求(6.4.8

21、)，这也说明变频调速特别适用于恒转矩负载。 2恒功率变频调速 对于恒功率负载，要求在变频调速时电动机的输出功率保持不变，即 （6.4.13） 故 （6.4.14） 将式（6.4.14）代入式（6.4.11），得 （6.4.15） 即在恒功率负载下，如能保持的调节，则电动机的过载能力不变，但主磁通将发生变化。(6.4.8),4-9三相异步电动机的调速与控制,变频调速时电动机的机械特性 变频调速时电动机的机械特性可用以下公式（式中忽略了rl、r2）来分析。 最大转矩 起动转矩 临界点转速降 (6.4.16) 以电动机的额定频率f1N为基准频率，简称基频。在生产实践中，变频调速时电压随频率的调节规律

22、是以基频为分界线的： 1.在基频以下调速时，保持U1/f1=常数调节，即恒转矩调速。实际上，由于定子电阻r1的存在，随着f1的降低(U1/f1常数），Tm将减小，当f1很低时，Tm减小很多，如图 6.4.5中实线所示。为保证电动机在低速时有足够大的Tm值，U1应比f1降低的比例小一些，使Ulf1的值随f1的降低而增加，如图6.4.7中直线2，这样才能获得图6.4.5中虚线所示的机械特性。 2.在基频以上调速时，保持U1U1N。由式（6.4.8）可知，这将迫使磁通与频率成反比降低，又由式（6.4.16）可知，Tm和Tst均随频率f1的增高而减小，保持不变，其机械特性如图6.4.6所示，这近似为恒

23、功率调速，相当于直流电动机弱磁调速的情况。 如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到宽的 调速范围。,4-9三相异步电动机的调速与控制,异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制，这类实现变频调速功能的变频调速装置称之为变频器。 变频调速的平滑性好，调速范围大，静态稳定性好，运行效效率高，调速范围广，尤其适用于笼型感应电动机的调速。但它需要专用的变频电源，成本较高。,4-9三相异步电动机的调速与控制,三、转子电路串接电阻调速 这是电动机改变转差率调速的方法之

24、一，它只能适用于绕线转子感应电动机。 从调速性质来看，转子串电阻属于恒转矩调速，这是因为当转矩一定时， 定值，所以转子电流I2也为一定值。 缺点：调速范围不大，仅为23；调速是有级的，不平滑；此外，转子串接电阻后，增加了转子铜耗，所以调速的经济性欠佳。 转子串电阻调速方法的优点是方法简单，设备投资不高，因此在中小容量的绕线转子感应电动机中得到广泛应用，如桥式起重机上的绕线转子感应电动机几乎都采用这种调速方法。,4-10其它种类的交流电动机,一、单相异步电动机 应用：单相异步电动机由单相电源供电，它广泛应用于家用电器和医疗器械上，如电扇、电冰箱、洗衣机、医疗器械中都使用单相异步电动机作为原动机。

25、 结构性能：单相异步电动机在结构上与三相笼型异步电动机相仿，转子也为一笼型转子，只是定子上只有一个单相工作绕组。和同容量的三相异步电动机相比较，单相异步电动机的体积较大，运行性能较差。因此，单相异步电动机只作成小容量的，功率约在8750W之间。 （一）单相异步电动机的工作原理 单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁势 ： F+-+-T+ F - -T,F,T,单相异步电动机有以下几个主要特点： 单相异步电动机无起动转矩，如不采取其他措施，电动机不能起动。 单相异步电动机虽无起动转矩，但一经起动，便可达到某一稳定转速工作，而旋转方向则取决于起动瞬间外力矩作用于转子的方向。 由于反向转矩的作用，使

26、合成转矩减小，最大转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载能力较低。,4-10其它种类的交流电动机,（二）单相感应电动机的主要类型和起动方法,凸极式罩极电动机,隐极式罩极电动机,凸极式罩极电动机,隐极式罩极电动机,凸极式罩极电动机,隐极式罩极电动机,凸极式罩极电动机,隐极式罩极电动机,4-10其它种类的交流电动机,4-10其它种类的交流电动机,4-10其它种类的交流电动机,二、 电磁调速异步电动机 电磁调速异步电动机是一种交流恒转矩无级调速电动机。它由笼型异步电动机、电磁滑差离合器、测速发电机和控制装置组成,如图4-69所示。,4-10其它种类的交流电动机,图4-70 电磁调速异步电动机的原理图

27、 (a)连接原理图 (b)电磁滑差离合器工作原理图,电磁调速异步电动机的优点是：调速范围广，其调速比可为10:1，而且调速平滑，可以实现无级调速；结构简单、运行可靠、维修方便。其缺点是涡流损耗大，效率较低。,三、同步电动机,4-10其它种类的交流电动机,4-10其它种类的交流电动机,（一）同步电机的基本工作原理,当f不变时，同步电动机的转速恒为同步速，与负载大小无关。这是同步电机和异步电机的基本差别之一。 当2p=2时，同步电动机的转速n为3000rmin；当2p=4时，n为1500rmin，依此类推。,4-10其它种类的交流电动机,（二）同步电机的结构与分类,4-10其它种类的交流电动机,（三）同步电动机的基本方程式和相量图,功率角 ，其物理定义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角。 角的大小，表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的大小。,4-10其它种类的交流电动机,（四）功角、矩角特性 同步电动机接在电网上运行时，当恒定励磁、恒定电压下角变化时，电磁功率Pem=f()的关系称为同步电动机的功角特性。,把上式等号两边同除以，得同步电动机的矩角特性表达式 ：,同步电动机额定运行时，N=2030。当=90时，Pem=Pmax，T=Tmax；当90，会出现“失步”现象，同步电动机不能正常运行。,4-10其它种类的交流电动机,