電力拖動：第三章 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性、起動制動

1、第三章 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性、起動和制動交流電力拖動系統(tǒng)：以交流電機(jī)為電動機(jī)拖動的系統(tǒng)。分類：異步電動機(jī) 同步電動機(jī)目前：交流電力拖動系統(tǒng)中的電動機(jī)多數(shù)為異步電動機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）。1工作原理直流電動機(jī)與三相異步電動機(jī)比較：直流電動機(jī)：靜止的磁場，以傳導(dǎo)當(dāng)時通入電樞繞組中的電流相互作用，從而產(chǎn)生一種恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。三相異步電機(jī)：當(dāng)對稱的三相定子繞組通入對稱的三相電源時，在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了旋轉(zhuǎn)磁場（以同步速旋轉(zhuǎn)），轉(zhuǎn)子上的閉合導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割。根據(jù)電磁感應(yīng)定律：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，旋轉(zhuǎn)磁場和感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)拖動作用。2第一節(jié) 三

2、相異步電動機(jī)機(jī)械特性定義：是指在電動機(jī)定子電壓、頻率以及繞組參數(shù)一定的條件下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。 但由于n與s存在一定的關(guān)系，所以三相異步電機(jī)的機(jī)械特性往往用 的形式來表示。3機(jī)械特性的表達(dá)式表達(dá)式有三種：分別是：物理表達(dá)式反應(yīng)電動機(jī)的物理本質(zhì)參數(shù)表達(dá)式U、R等參數(shù)對電磁轉(zhuǎn)矩有何影響實(shí)用表達(dá)式通過銘牌數(shù)據(jù)可以算出T4一、物理表達(dá)式式中：異步機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 異步機(jī)每極磁通 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)5物理表達(dá)式的幾點(diǎn)討論：1.三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T是由主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的（物理意義）2.T和氣隙磁通以及轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比；（因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流滯后于轉(zhuǎn)子電勢，在氣隙磁場同一極

3、性下面的各轉(zhuǎn)子有效導(dǎo)體中，電流方向不完全相同）6物理表達(dá)式的局限性：用于物理分析異步電動機(jī)在各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩和氣隙磁通及轉(zhuǎn)子電流有功分量之間的關(guān)系，但不能和具體的參數(shù)聯(lián)系起來。不利于定量地分析問題需要參數(shù)表達(dá)式7二、參數(shù)表達(dá)式 可得則得8由于異步電動機(jī)的電磁功率為分子分母同乘以（1-s），即得 由異步電動機(jī)的近似等效電路 得異步電動機(jī)的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式：91. 幾個狀態(tài)2. 4個特殊點(diǎn)三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性10臨界轉(zhuǎn)差率 使 ，即可求得 P點(diǎn)：最大轉(zhuǎn)矩 由于A點(diǎn) ：起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) TST僅與電動機(jī)本身參數(shù)有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)11說明“+”適用于電動機(jī)狀態(tài)，“-”適用于發(fā)電機(jī)狀態(tài)s

4、m和sm關(guān)于H點(diǎn)對稱Tmax和Tmax只在忽略R1的情況下才能關(guān)于n軸對稱電機(jī)參數(shù)不變，f1不變時，Tmax與電壓的平方成正比，sm與電源電壓無關(guān)。12B點(diǎn)：額定工作點(diǎn)H點(diǎn)：同步點(diǎn)，也稱為理想空載點(diǎn)13電動機(jī)的過載能力為什么要引入過載能力：如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)將會因?yàn)槌袚?dān)不了而停轉(zhuǎn)，為了保證電動機(jī)不會因?yàn)檫^載而停轉(zhuǎn)，一般電動機(jī)都具有一定的過載能力。（即反映電動機(jī)短時過載極限）一般取 = 1.6-3.014T,磁通，轉(zhuǎn)子電流的有功分量三者之間的關(guān)系：左手定則；n=f(I2)曲線 曲線n=f(T)曲線15三、實(shí)用表達(dá)式忽略 R1 得機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式：16第二節(jié) 三相異步電動機(jī)的固

5、有機(jī)械特性 與人為機(jī)械特性一、固有機(jī)械特性 固有機(jī)械特性是指異步電動機(jī)工作在額定電壓及額定頻率下，電動機(jī)按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉(zhuǎn)子電路中不外接電阻（電抗或電容）時所獲得的機(jī)械特性曲線 。三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性1）起始點(diǎn)A；2）額定工作點(diǎn)B；3）同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)H；4）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P和P。17二、人為機(jī)械特性三相異步電動機(jī)降低定子相電壓時的人為機(jī)械特性（一）降低 降低后電動機(jī)電流將大于額定值，電動機(jī)如長時連續(xù)運(yùn)行，最終溫升將超過允許值，導(dǎo)致電動機(jī)壽命縮短，甚至燒壞。轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻時的人為機(jī)械特性（二）轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻 轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)對稱電阻適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動，也可用于

6、調(diào)速。 18（三）定子電路串聯(lián)對稱電抗定子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電抗時的人為機(jī)械特性 定子電路串聯(lián)對稱電抗一般用于籠型異步電動機(jī)的降壓起動，以限制電動機(jī)的起動電流。定子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻時的人為機(jī)械特性（四）定子電路串聯(lián)對稱電阻 與串聯(lián)對稱電抗時相同，定子串聯(lián)對稱電阻一般也用于籠型異步電動機(jī)的減壓起動 。19例題3120一.異步電動機(jī)的起動指標(biāo)1.起動的要求：起動電流要小，以減小對電網(wǎng)的沖擊起動轉(zhuǎn)矩要大，以加速起動過程，縮短起動時間2.異步電動機(jī)的實(shí)際起動情況：（1）轉(zhuǎn)子電路的電阻降低很多，起動電流顯著增加，增加的起動電流還會使電機(jī)磁路飽和，使漏抗減小，這又會使電流進(jìn)一步增大?；\形異步電動機(jī)起動電流達(dá)

7、額定電流的47倍，某些型號甚至可達(dá)812倍第二節(jié) 三相籠形異步電動機(jī)的起動21過大的起動電流會造成：電動機(jī)發(fā)熱，影響電動機(jī)壽命；過大的起動電流還會使電網(wǎng)產(chǎn)生過大的電壓降落，影響接在電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。（2）起動電流大，但是異步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩并不大；因?yàn)楣β室驍?shù)小起動轉(zhuǎn)矩小則會對需滿載起動的機(jī)械造成困難。223.要改善異步電動機(jī)的起動性能，關(guān)鍵在于設(shè)法限制起動電流，增大起動轉(zhuǎn)矩。4.把異步電動機(jī)起動分成4種情況：（1）小容量電動機(jī)輕載起動（2）中大容量電動機(jī)輕載起動（3）小容量電動機(jī)重載起動（4）中大容量電動機(jī)重載起動23一般規(guī)定，異步電動機(jī)的功率小于7.5kW時允許直接起動。如果功率

8、大于7.5kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求者，電動機(jī)也可允許直接起動。一. 直接起動小容量電動機(jī)輕載起動如果不能滿足要求，則必須采用減壓起動的方法 。24還要考慮其他一些因素：起動是否頻繁供電線路的距離同一臺變壓器其他用戶的要求25輕載：對起動轉(zhuǎn)矩要求并不高，此時的主要矛盾是電流；降低起動電流的方法，主要靠降低電壓；由于籠形異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子本身不可能外接任何阻抗，那么只能在定子電路采取措施。二. 減壓起動大中容量電動機(jī)輕載起動 異步電動機(jī)的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式：26減壓起動減小起動電流的同時，也減小了起動轉(zhuǎn)矩；所以，只能用于對起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。若忽略勵磁電流，則： 降低每相繞組電壓的

9、措施：（1）定子繞組串電阻或電抗；（2）自耦變壓器（3）星形三角形起動（改變定子繞組接法）27（一）定子繞組串電阻或電抗減壓起動 籠型異步電動機(jī)電阻減壓起動的原理圖籠型異步電動機(jī)電抗減壓起動的原理圖28等值電路：29注意：（1）降壓起動方法雖然降低了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也顯著減小，只適用于空載或輕載起動；（2）串電阻降壓起動一般用于低壓電動機(jī)，串電抗降壓起動一般用于高壓電動機(jī)；（3）降壓起動除了限制起動電流，有時以減小起動轉(zhuǎn)矩為主要目的，以減輕對機(jī)構(gòu)的沖擊并保證平穩(wěn)加速。303. 起動電阻或電抗的計(jì)算4. Rk和Xk的估算5. 例題3231（二）自耦補(bǔ)償減壓起動 異步電動機(jī)自耦補(bǔ)償起動的原理線

10、路圖32所以通過自耦變壓器，電網(wǎng)所提供的起動電流降低為：自耦變壓器的減壓原理圖33總結(jié)：與直接起動相比，起動電壓降低為 ；電網(wǎng)所提供的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低為與定子串電阻電抗相比，同樣的起動電流，采用自耦變壓器減壓起動，電動機(jī)可產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，所以，可帶較大的負(fù)載；適用于容量較大的低壓電動機(jī)作降壓起動。34（三）星形一三角形（Y）起動 籠型異步電動機(jī)星形三角形起動的原理線路圖35在起動時，先將三相定子繞組聯(lián)結(jié)成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時再改聯(lián)結(jié)成三角形。這樣，起動時聯(lián)結(jié)成星形的定子繞組電壓與電流都只有三角形聯(lián)結(jié)時的 ，由于三角形聯(lián)結(jié)時繞組內(nèi)的電流是線路電流的 ，而星形聯(lián)結(jié)時兩者則是相等的。因

11、此，聯(lián)結(jié)成星形起動時的線路電流只有聯(lián)結(jié)成三角形直接起動時線路電流的1/3 。 36在起動時，先將三相定子繞組聯(lián)結(jié)成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時再改聯(lián)結(jié)成三角形。適用于定子繞組在正常工作時三角形聯(lián)接的三相異步電動機(jī)，且輕載。37三. 小容量電動機(jī)重載起動只要矛盾是起動轉(zhuǎn)矩不足解決的辦法：1.選擇容量大一號的電機(jī)2.選擇高起動轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)特殊電機(jī)（1）深槽式異步電動機(jī)（2）雙鼠籠異步電動機(jī)38一、深槽異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子頻率愈高，槽高愈大，集膚效應(yīng)愈強(qiáng)。當(dāng)起動完畢，頻率 僅為13Hz，集膚效應(yīng)基本消失，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)的電流均勻分布，導(dǎo)條電阻變?yōu)檩^小的直流電阻 39二、雙籠型異步電動機(jī)雙籠異步電動機(jī)的機(jī)械特性雙籠型

12、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與漏磁通這種異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上有兩套導(dǎo)條，上籠與下籠，兩籠間由狹長的縫隙隔開。上籠通常用電阻系數(shù)較大的黃銅或鋁青銅制成，且導(dǎo)條截面較小，故電阻較大；下籠截面較大，用紫銅等電阻系數(shù)較小的材料制成，故電阻較小。 40四. 中大容量電動機(jī)重載起動要求起動電流小，起動轉(zhuǎn)矩大采用繞線電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法41第三節(jié) 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動對于籠形異步電動機(jī)，無論采用哪一種降壓起動的方法，在減小起動電流的同時，電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩也隨之減??；對于某些重載起動的生產(chǎn)機(jī)械，不僅要限制起動電流，而且還要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩；在這種情況下，基本排除了采用籠形轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的可能性，而采用起動性能較好的繞

13、線式異步電動機(jī)。實(shí)現(xiàn)方法：轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器或轉(zhuǎn)子串接電阻42（一）轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動 當(dāng)電動機(jī)起動時，轉(zhuǎn)子頻率較高，頻敏變阻器內(nèi)的與頻率平方成正比的渦流損耗較大， 值也因之較大，起限制起動電流及增大起動轉(zhuǎn)矩的作用。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子頻率不斷下降，頻敏變阻器鐵心的渦流損耗及 值跟著下降，使電動機(jī)起動平滑。 頻敏變阻器的等效電路43總結(jié)：繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價格便宜，維護(hù)方便，能自動操作。因此，目前獲得了十分廣泛的應(yīng)用。44（二）轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，逐漸切除起動電阻。453.起動電阻的計(jì)算：解析法4.

14、特點(diǎn)：可得到最大的起動轉(zhuǎn)矩，但起動設(shè)備復(fù)雜，操作維修不便，特別是大容量電動機(jī)，轉(zhuǎn)子電流大，切除電阻時，轉(zhuǎn)矩變化大，對機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)沖擊大；同時，需要較多的電阻器、開關(guān)元件等，設(shè)備的投資大。46第四節(jié) 三相異步電動機(jī)的制動 1、電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點(diǎn)是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)的方向相同。 電動狀態(tài)下異步電動機(jī)的機(jī)械特性2、制動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 異步電動機(jī)可工作于回饋制動，反接制動及能耗制動三種制動狀態(tài)。其共同特點(diǎn)是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，以實(shí)現(xiàn)制動。此時，電動機(jī)由軸上吸收機(jī)械能，并轉(zhuǎn)換為電能。 47一、能耗制動 當(dāng)K1斷開，電動機(jī)脫離電網(wǎng)時，立即將K2接通，則在定子兩相繞組內(nèi)通入直流電流，在定

15、子內(nèi)形成一固定磁場。48當(dāng)轉(zhuǎn)子由于慣性而仍在旋轉(zhuǎn)時，其導(dǎo)體即切割此磁場，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)左手定則，可確定出轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，即為制動轉(zhuǎn)矩。 4950能耗制動經(jīng)驗(yàn)公式對繞線式異步電動機(jī)：求定子直流勵磁電流求轉(zhuǎn)子回路所串電阻利用估算的值，可以保證電動機(jī)拖動系統(tǒng)的快速停車51轉(zhuǎn)速反向的反接制動時的異步電動機(jī)特性異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速反向反接制動電路圖二、反接制動狀態(tài) 1轉(zhuǎn)速反向的反接制動 52轉(zhuǎn)子軸上機(jī)械功率 為負(fù)此時的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子由定子輸入的電功率即為電磁功率 為正轉(zhuǎn)子電路的損耗 為兩者之和，因此能量損耗極大 。53在該制動狀態(tài)，由位能負(fù)載提供的機(jī)械功率和電源輸入的電磁功率全

16、部消耗在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路的電阻上。特點(diǎn)：可使位能性負(fù)載獲得穩(wěn)定的下放速度，但能量損耗大。54異步電動機(jī)定子兩相反接的電路圖與機(jī)械特性2定子兩相反接的反接制動 為了迅速停車或反向，可將定子兩相反接，工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)移到B此時轉(zhuǎn)差率為 在兩相反接時 ，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為T，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速很快下降，這相當(dāng)于圖中機(jī)械特性的BC段。5556在轉(zhuǎn)速接近于0時，若想快速停車，應(yīng)切斷電源；在轉(zhuǎn)速為零的C點(diǎn)，如不切斷電源，電動機(jī)將反向加速，機(jī)械特性進(jìn)入第三象限，反向的電動狀態(tài)反抗性負(fù)載位能性負(fù)載57能量關(guān)系：和轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)一樣，系統(tǒng)儲存的動能變?yōu)檩S上輸入的機(jī)械功率，與定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起，全部消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上。58三、回饋制動狀態(tài) 位能負(fù)載帶動異步電動機(jī)進(jìn)入回饋制動狀態(tài) 1.下放重物時的回饋制動轉(zhuǎn)速高于同步速度 時，異步電動機(jī)既回饋電能，又在軸上產(chǎn)生機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩，即在制動狀態(tài)下工作。59602.變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動61第五節(jié) 三相異步電動機(jī)的四象限運(yùn)行一、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)注意：對于位能性負(fù)載：提升重物時，電動機(jī)始終處于電動狀態(tài)；下放重物時，電動機(jī)處于制動狀態(tài)下放速度低，可采用轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的反接制動下放速度高，可采用定子兩相反接時