异步电机拖动第4版.ppt

第,5,章 三相异步电动机的电力拖动,5.1,三相异步电动机的机械特性,5.2,三相异步电动机的起动,5.3,三相异步电动机的制动,5.4,三相异步电动机的调速,思考题与习题,本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。,基本要求：,1.,熟练掌握三相异步电动机电磁转矩的物理表达式和参数表达式、掌握实用表达式及其计算；,2.,熟练掌握三相异步电动机固有机械特性曲线，深入理解特性曲线上的起动点、最大转矩点，额定运行点和同步点的意义；,3.,掌握三相异步电动机降低定子电压的人为机械特性和绕线转子异步电动机串联对称电阻的人为机械特性以及与固有特性比较，人为机械特性的最大转矩、起动转矩和临界转差率的变化情况；,4.,了解三相笼型异步电动机直接起动的特点，熟练掌握星一三角形降压起动和自耦变压器降压起动的方法及其有关计算；,5.,掌握三相绕线转子异步电动机的转子串电阻起动方法；,6.,了解三相绕线转子异步电动机的转子串接频敏变阻器起动方法及其特点；,7.,了解三相异步电动机软起动的工作原理和起动方法；,8.,掌握能耗制动的方法及转子电阻大小和直流励磁电流大小对制动的影响，了解能耗制动机械特性曲线的特点；,9.,掌握电源两相反接制动和倒拉反转反接制动的方法制动时的能量关系；,10.,掌握回馈制动的条件、回馈制动机械特性的形状，了解生产实践中出现回馈制动的例子；,11.,掌握三相异步电动机的三种调速方法。,教学内容：,5.1.1,三相异步电动机机械特性的三种表达式,5.1.2,三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,教学目的与要求：,1,熟练掌握异步电动机机械特性表达式,2,熟练掌握各物理量对机械特性的影响,3,掌握机械特性的求取方法,5.1,三相异步电动机的机械特性,5.1,三相异步电动机的机械特性,一、物理表达式,5.1.1,三相异步电动机机械特性的三种表达式,二、参数表达式,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。,说明：电磁转矩与电源参数（,1,、,f,1,）、结构参数（,R,、,X,、,m,、,p,）和运行参数（,s,）有关。,三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即 ，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。,三相异步电动机的机械特性 曲线,分析：,（,1,）,0,n,n,1,，,0,S,1,，,n,1,、,T,em,0,，电动机状态，第一象限；,（,2,）,n,n,1,，,S,0,，,n,0,，发电机状态，第二象限；,（,3,）,n,0,，,S,0,，,n,0,，,T,em,0,，电磁制动状态，第四象限,1.,额定转矩,2.,最大转矩,（停转转矩）,在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界,转差率，可令 求得,:,2,）越大，越大；与 无关；,1,）与 成正比；与 无关；,3,）和 都近似与漏抗成反比；,忽略,R,1,忽略,R,1,讨论：,4,）,最大转矩与额定转矩之比称为过载能力,:,3.,过载能力,反映电动机短时过载能力,为满足要求,一般：,1.6,2.2,，起重、冶金机械专用电动机,2.2,2.8,4.,起动转矩,时的 称为 ，当,时，电机才能起动。,讨论：,2,）频率越高，起动转矩越小；,4,）在一定范围内，增大转子回路电阻，起动转矩增加。,5,）起动转矩倍数,1,）参数、频率一定时，起动转矩与电源电压平方成正比；,当转子回路串入 后，当 时，,即起动转矩达最大值。,串入电阻计算：,一般：,=1.0,2.0,，起重、冶金专用的笼型电动机：,=2.8,4.0,3,）漏抗越大，起动转矩越小；,三、实用,表达式,工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：,利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式,：,第一步：,kW,r/min,（,N,m,）,第二步：由 ，求出 。,第三步：,将,T,m,和,s,m,代入即可得到机械特性方程式，可作出,。,5.1.2,三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,一、固有机械特性,固有机械特性,是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,s,n,0,n,N,s,N,n,m,s,m,1,0,T,N,T,st,T,m,T,em,几个特殊点：,A,B,C,D,1.,起动点,A:,2.,最大转矩点,B:,3.,额定运行点,C,4.,同步运行点,D,二、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械特性。,1.,降压时的人为机械特性,s,n,s,m,1,0,T,L,U,N,0,T,st,T,m,T,em,n,1,0.8U,N,0.64T,st,0.64T,m,下降后,和 均下降,但 不变,和 减少。,如果电机在额定负载下运行,下降后,下降,增大,转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,2.,转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后,、不变，增大。,在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻，减小。,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，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。,1 0,T,st,T,m,T,em,s,n,0,n,1,s,m,R,2,T,st,s,m,R,2,+R,s,3.,定子串接对称电抗或电阻时 的人为机械特性,教学重点：,1,机械特性的表达式,2,各物理量对机械特性的影响,教学难点：,各物理量对机械特性的影响,作业：,P182,：,5.5,小结,3,机械特性的求取,5.2,三相异步电动机的起动,教学内容：,5.2.1,三相笼型异步电动机的起动,5.2.2,三相绕线型异步电动机的起动,教学目的与要求：,2,掌握起动的方法和原理,1,掌握起动电流大而起动转矩不大的原因,5.2,三相异步电动机的起动,1.,定义：,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。,2.,起动性能指标,(Starting of three-phase asynchronous motor),概述：,（,1,）起动电流倍数,（,2,）起动转矩倍数,（,3,）起动时间,（,4,）起动设备的简易性、可靠性,3.,对起动的要求,（,1,）希望起动电流小,（,2,）希望起动转矩大,（,3,）起动时间,（,4,）起动设备简单、经济、可靠，操作方便。,（,1,）起动电流大的原因,物理概念上讲：起动时,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大,.,5.2.1,三相笼型异步电动机的起动,(Starting of three-phase basket rotor winding asynchronous motor),一、直接起动,又称全压起动，起动方法简单，不需要起动设备，起动性能差。主要表现：,为什么起动电流大，而起动转矩不大呢？,等效电路上：起动时,2.,起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时,远大于运行时的,转子漏抗 很大,很低,尽管 很大,但 并不大,.,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小,.,由上述两个原因使得起动转矩不大,.,起动电流大的影响：,1,）线路压降大，造成电网电压降低；,2,）线路及电机热损耗大；,3,）在端部产生电磁力使其变形，损坏绝缘，转子鼠笼条断条。,可以直接起动的条件：起动电流倍数,二、降压起动,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,Y,接；运行时,接。,1.Y-,降压起动,一般情况下，直接起动只用于小容量电动机（,7.5kW,以下），大容量电动机是否允许直接起动，取决于电源容量。,降压的目的是限制起动电流。限流的同时起动转矩也降低，适用于对起动转矩要求不高的场合。,起动电流关系,:,设电动机额定电压为,U,N,，,每相漏阻抗为,Z,s,，得：,Y,起动电流：,起动电流：,据 ，可得起动转矩关系,:,Y-,降压起动时，和 都降为直接起动时的 ，故,Y-,降压起动,多用于空载或轻载起动。,2.,自耦变压器降压起动,直接起动时的起动电流：,降压后二次侧起动电流：,设自耦变压器变比为,k,，则,自耦变压器一次侧电流，即降压后电网供给的电流,自耦变压器二次侧电流，即降压后流过电动机定子绕组的电流,自耦变压器的一次侧，即电网提供的起动电流：,电网提供的起动电流减小倍数：,QJ,2,型三个抽头比（即,1/k),分别为：,55%,、,64%,、,73%,。,起动转矩降低的倍数为：,结论：,（,1,）采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩都,降低到直接起动时的 。,（,2,）适用于容量较大的低压电动机，可获得较大的起动转矩。,（,3,）起动用自耦变压器有,QJ,2,和,QJ,3,两个系列，,QJ,3,型三个抽头比（即,1/k),分别为：,40%,、,60%,、,80%,。,二、深槽式及双笼型异步电动机,1.,深槽式电动机,P,N,100kW,时，为改善起动性能常制成双笼式或深槽式电动机。,槽深与槽宽之比，,起动时，,s=1,，,f,2,=f,1,，,X,2,，,集肤效应，,R,2,；,运行时，,s,很小，,f,2,=sf,1,，,X,2,，,电流分布取决于,R,2,，,均匀分布。,和普通电机相比，槽深、漏磁多，转子漏抗大，过载能力和功率因数均低。,2.,双笼型异步电动机,上笼,（黄铜或铝青铜），,A ,R,下笼,（紫铜），,A ,R,起动时，,s=1,，,f,2,=f,1,，,X,2,，,下笼槽漏电抗大，上笼槽漏电抗小，所以，电流集中于上笼，,R,2,大，上笼又称起动笼；,运行时，,s,很小，,f,2,=sf,1,，,X,2s,，,电流分布取决于电阻，上笼电阻大，下笼电阻小，所以电流集中于下笼，下笼又称运行笼。,，,起动时，,R,2,大，增大起动转矩，运行时，,R,2,小。,5.2.2,三相绕线型异步电动机的起动,Starting of three-phase phase-wound rotor AM,一、转子回路串电阻起动,导言：三相笼型异步电动机直接起动时，起动电流大，起动转矩不大。降压起动时，起动电流小，但起动转矩也小，故笼型电动机只适用于空载或轻载起动。,绕线式转子异步电动机，若在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。故适用于大中容量异步电动机重载起动。,一、转子回路串电阻起动,为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。,两种起动方法：,（,1,）转子串接电阻；（,2,）转子串接频敏变阻器。,（,1,）限流；（,2,）,一般取最大加速转矩,T,1,=,（,0.7,0.85)T,m,切换转矩,T,2,=,（,1.1,1.2)T,L,。,1,、起动过程,28,异步电动机串电阻启动过程,.swf,电动机由,a,点开始起动，经,bcdef gh,，完成起动过程。,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。,起动时，,Q2,断开，转子串入频敏变阻器,Q1,闭合，电机通电开始起动。,起动时,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻 大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着 上升,减小,铁损减少,等效电阻 减小,相当于逐渐切除,起动结束,Q2,闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。,教学重点：,1,起动电流大而起动转矩不大的原因,2,各种起动方法和原理,教学难点：,起动的方法,作 业：,P243,：,5.6,；,5.21,小结,5.3,三相异步电动机的制动,导言：,1,、运行状态,电动状态：,（,1,）,T,em,与,n,同向，,T,em,驱动转矩；,（,2,）电能,机械能；,（,3,）机械特性位于第一或第三象限。,制动状态,：,（,1,）,T,em,与,n,反向，,Tem,制动转矩；,（,2,）机械能电能消耗在电机内部,反馈回电网,（,3,）机械特性位于第二或第四象限。,Braking of three-phase asynchronous motor,2,、制动的目的,（,1,）使电力拖动系统快速停车,（,2,）使拖动系统尽快减速,3,、制动方法,（,1,）能耗制动,（,2,）反接制动,（,3,）回馈制动,5.3.1,能耗制动（,energy loss braking,）,一、定义,转子动能转变为电能消耗在转子回路的电阻上，故称为能耗制动。,实现,：制动时，,Q1,断开,电机脱离电网，同时,Q2,闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。,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，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，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。,能耗制动,n,T,em,A,0,n,1,C,1,B,2,3,转子电阻较小时,初始制动转矩比较小,（如曲线,1,）,。,对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩,（如曲线,3,）,。,二、机械特性,右图为异步电动机能耗制动时的机械特性。,对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流，来增大初始制动转矩,（如曲线,2,）,。,三、能耗制动过程,A,点,B,点,n,工作点沿,曲线,1,变化，直到原点，,n=0,，,T,em,=0,反抗性负载，电动机停转,位能性负载：当转速过,零时，如不采取措施，,电动机将在位能性负载,转矩的倒拉下反转,C,点,（能耗制动）,制动瞬间,n,不突变,在制动转矩作用下,n,T,em,A,0,n,1,C,1,B,2,3,分析：,改变制动电阻,R,B,或直流励磁电流的大小可以获得不同的 稳定速度。,四、直流励磁电流和转子应串电阻的计算,制动电阻大小：,直流励磁电流：,I=,（,2-3)I,0,五、应用,适用于起重机一类带位能性负载的机械上，限制重物下放速度。,一、电源两相反接的反接制动,5.3.2,反接制动,(Braking in the reverse direction connection,实现,：将电动机电源两相反接可实现反接制动。,机械特性由曲线,1,变为曲线,2,，工作点由,AB C,，,n=0,制动过程结束。,绕线式电动机,在定子两相反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩,曲线,3,。,两种情况：,（,1,）拖动反抗性负载，且在,C,（,C,),点的电磁转矩大于负载转矩，系统将反向起动并加速到,D(D,),点，处于反向电动稳定运行。,（,2,）拖动位能性负载，则反向加速到第四象限中的,E,（,E,),点处于稳定运行。此时电动机的转速高于同步转速，电磁转矩与转向相反，称为回馈制动状态。,二、倒拉反转的反接制动,条件,:,适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。,实现,：在转子回路串联适当大电阻,R,B,。,电机工作点由,AB C,，,n=0,，制动过程开始，电机反转，直到,D,点。在第四象限才是制动状态。,由于电机反向旋转，,n1,。,反接制动时，,s1,，所以有,机械功率为,电磁功率为,机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。,而,表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所以反接制动的能量损耗较大。,反接制动的特点：,5.3.3,回馈制动（,feedback braking),实现,：电动机转子在外力作用下，使,nn,1,.,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。,一、下放重物时的回馈制动,首先将定子两相反接,定子旋转磁场的同步速为,-n,1,，,特性曲线变为,2,。工作点由,A,到,B,。经过反接制动过程（由,B,到,C,）、反向加速过程（,C,到,-n,1,变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到,D,点保持稳定运行。,电机机械特性曲线,1,，运行于,A,点。,二、变极或变频调速过程中的回馈制动,电机机械特性曲线,1,，运行于,A,点。,电机工作点由,A,变到,B,，电磁转矩为负，电机处于回馈制动状态。,当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为,2,。同步速变为,。,5.4,三相异步电动机的调速,教学内容：,5.4.1,变极调速,5.4.2,变频调速,教学目的与要求：,1,掌握各种调速的方法和原理,2,掌握各种调速时的机械特性,5.4.3,变转差率调速,Speed regulation of three-phase asynchronous motor,5.4,三相异步电动机的调速,由异步电动机的转速公式,可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：,（,1,）改变定子极对数 调速,（,2,）改变电源频率 调速,（,3,）改变转差率 调速,绕线转子电动机的转子串接电阻调速,定子调压调速,串级调速,5.4.1,变极调速（,change pole adjustable-speed,）,p,，,n1,，,n,。,变极调速只用于笼型电动机。,要改变极数：,（,1,）在定子铁心槽内嵌放两套不同极数的三相绕组。,（,2,）利用改变定子绕组接法来改变极数，称多速电机。,一、变极原理,导言：,以,4,极变,2,极为例：,U,相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生,4,极磁场：,反向串联和反向并联，定子绕组产生,2,极磁场：,30,异步电动机变极调速,.swf,二、三种常用变极接线方式,Y,反并,YY,，,2p-p,Y,反串,Y,，,2p-p,YY,，,2p-p,注意,：,当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序,三、变极调速时容许输出,容许输出,时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。,1.Y-YY,联结方式,Y-YY,后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为,结论：,Y-YY,联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。,2.,-YY,联结方式,-YY,后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为,可见，,-YY,联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。,同理可以分析，,正串,Y-,反串,Y,联结方式的变极调速属恒功率调速。,3.,正串,Y-,反串,Y,联结方式,四、变极调速时的机械特性,1.,Y,-YY,联结方式,2.,-YY,联结方式,变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好,可用于恒功率和恒转矩负载,.,5.4.2,变频调速,一、电压随频率调节的规律,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，要求下式成立：,当转差率,s,变化不大时，电动机的转速,n,基本与电源频率 成正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，,1,、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。,对恒转矩负载,2,、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。,对恒功率负载,得,二、频率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下列各式表示,最大转矩,起动转矩,临界点转速降,在基频以下调速时,保持,即恒转矩调速。,在基频以上调速时,电压只能 ，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。,5.4.3,变转差率调速,（,change slip ratio adjustable-speed),一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速,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。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。,设 、是转子串联电阻 前的量，、是串联电阻后的量，则转子串接的电阻为：,二、绕线转子电动机的串级调速,在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。,通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。,改变电动机的电压时，机械特性为,三、,调压调速,调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。,5.4.4,电磁调速异步电动机,滑差电动机 （,electromagnetic speed asynchronous motor),一、构成,由四部分组成：,（,1,）笼型异步电动机；,（,2,）电磁滑差离合器；,（,3,）测速发电机；,（,4,）控制装置,电磁滑差离合器的结构：由电枢和磁极两个旋转部分组成,电枢：主动部分；磁极：从动部分,二、作用原理,1.,电枢由异步电动机带动以,n,速度旋转，电枢切割磁场，感应涡流，用右手定则判定方向。,2.,此涡流与磁场作用使电枢受电磁力，用左手定则判定 判定方向。,3.,磁极受力方向与电枢受力方向相反，,n,与,n,同向，但,n,n,，因,n=,n,时，电枢中就无感应涡流了，这个原理和异步电动机相同，故称滑差离合器。,滑差率,三、优缺点,1.,优点：调速范围广，调速比可达,10,：,1,，调速平滑，可实现无级调 速；结构简单，运行可靠，维护方便。,2.,缺点：涡流损耗大，效率较低。,四、应用,广泛应用于纺织、印染、造纸、船舶、冶金和电力等部门。,例如：火电厂中的锅炉给粉机常使用滑差电动机。,教学重点：,1,调速的方法和原理,2,各种调速时的机械特性,教学难点：,各种调速时的机械特性,作 业：,P183,：,5.13,；,5.25,小结,主编：,撰稿教师：,（以姓氏为序）,制作：,责任编辑：,电子编辑：,谢谢观看，再见！,