電機(jī)學(xué)課件-+三相異步電動機(jī)電力拖動

1、第五章 三相異步電動機(jī)的電力拖動5-1 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系，一般用曲線表示。欲求機(jī)械特性，先求T與n的數(shù)學(xué)關(guān)系式，稱為機(jī)械特性表達(dá)式。1一、三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的三種表達(dá)式（一） 物理表達(dá)式此式清楚表明了T和 、cos 之間的關(guān)系，雖然 、cos 與n密切有關(guān)，但不能清楚反映T與n的關(guān)系。 2（二） 參數(shù)表達(dá)式 電磁轉(zhuǎn)矩由異步電動機(jī)的近似等效電路，得代入T的公式，即得參數(shù)表達(dá)式3考慮到n=(1s)n0， ，即可由此式繪出異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線n=f(T) 4機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式為二次方程，電磁轉(zhuǎn)矩必有最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩Tm。將表達(dá)式對s求導(dǎo)

2、，并令 ，可求出產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩Tm時的轉(zhuǎn)差率SmSm稱為臨界轉(zhuǎn)差率。代入T的公式則可得Tm的公式式中正號對應(yīng)于電動機(jī)狀態(tài)，負(fù)號適用于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。一般 ，故可得近似公式5結(jié)論（1）當(dāng)電動機(jī)參數(shù)和電源頻率不變時，Tm ，而Sm與UX無關(guān)；（2）當(dāng)電源電壓和頻率不變時，Sm和Tm近似與（X1 ）成反比；（3）增大轉(zhuǎn)子回路電阻，只能使Sm相應(yīng)增大，而Tm保持不變。 6最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為過載倍數(shù)，也稱過載能力，用KT表示：一般異步電動機(jī)KT1.83.0。對于起重冶金機(jī)械用的電動機(jī)，可達(dá)3.5。異步電動機(jī)起動時，n0，s1，代入?yún)?shù)表達(dá)式，可得起動轉(zhuǎn)矩的公式由此式可知，對繞線式異步電動機(jī)，轉(zhuǎn)

3、子回路串接適當(dāng)大小的附加電阻，能加大起動轉(zhuǎn)矩Tst，從而改善起動性能。對于鼠籠式電動機(jī)，不能用轉(zhuǎn)子串電阻的方法改善起動轉(zhuǎn)矩，在設(shè)計(jì)電動機(jī)時就要根據(jù)不同負(fù)載的起動要求來考慮起動轉(zhuǎn)矩的大小。起動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst：Kst一般電動機(jī)Kst1.02.0，對于起重冶金機(jī)械用的電動機(jī)為2.84.0。 7（三）實(shí)用表達(dá)式參數(shù)表達(dá)式在理論分析時很有用，但定、轉(zhuǎn)子參數(shù)在產(chǎn)品目錄中找不到，使用起來不方便。為此，還需導(dǎo)出便于用戶實(shí)用的實(shí)用表達(dá)式。將T的公式與Tm的公式相除，并加以整理化簡，可得如果忽略R1，得上式的Tm及Sm可由電動機(jī)產(chǎn)品目錄查得的數(shù)據(jù)求得，故稱實(shí)用表達(dá)式。只要求得

4、Tm和Sm，就可得到T與s（n）的關(guān)系曲線。 8Tm與Sm的求法9機(jī)械特性的三種表達(dá)式，應(yīng)用場合個有不同。物理表達(dá)式適用于定性分析T與 及 之間的物理關(guān)系；參數(shù)表達(dá)式適用于分析各參數(shù)變化對電動機(jī)運(yùn)行性能的影響；實(shí)用表達(dá)式用于機(jī)械特性的工程計(jì)算。10二、相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性 （一） 固有機(jī)械特性定義：在額定電壓和額定頻率下。電動機(jī)按規(guī)定的接線，定子及轉(zhuǎn)子電路不外參數(shù)時機(jī)械特性曲線nf（T）。11描述固有機(jī)械特性的幾個特殊運(yùn)行點(diǎn)（1）起動點(diǎn)A特點(diǎn)是 n0（s1）；TTst。（2）額定工作點(diǎn)特點(diǎn)是 nnN (s=sN)； T=TN （3）同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)H特點(diǎn)是 nn0； T0；I1I

5、0。是電動機(jī)狀態(tài)與回饋制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（4）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)a、 電動狀態(tài)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P：TTm、ssm。b、 回饋制動狀態(tài)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) ：T= , s= （均為負(fù)值），不忽略R1時， 、 。1213（二） 人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性的條件中有一條不滿足時，得到的機(jī)械特性就為人為機(jī)械特性。1降低電壓Uxn0不變，Tm與Tst均與 成正比，sm與Ux無關(guān)。為此可得降低Ux時的人為機(jī)械特性。UxUN、0.8UN、0.5UN時的人為特性。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩接近額定時，長期低壓運(yùn)行，會使電動機(jī)過熱損壞。14152轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻n0不變，Tm不變，sm則隨串接電阻 的增大而增大，Tst也隨之增大。當(dāng)增至 時sm1，

6、TstTm，如繼續(xù)增大 ，則Tst開始反而減小。如圖所示。16173定子電路串聯(lián)對稱電抗定子電路串聯(lián)對稱電抗Xst時，n0不變，Tm、Tst及sm將隨Xst的曾大而減小。特性如圖所示。一般用于籠型異步電動機(jī)的降壓起動。18194定子電路串聯(lián)對稱電阻定子電路串聯(lián)對稱電阻Rf，與串Xst相似，n0不變，Tm、Tst及sm將隨Rf的增大而減小。特性如圖所示。也用于籠型異步電動機(jī)的降壓起動。2052 三相異步電動機(jī)的起動一、三相籠型異步電動機(jī)的起動方法 1直接起動方法：通過把三相閘刀或磁力起動器，直接接通額定電壓的電路。性能：Tst（1.02.0）TNj 或 (2.84.0) TN0 ； Ist（47

7、）IN。特點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便，Tst較大，Ist很大。適用場合：適用于相對電源變壓器容量較小的電動機(jī)，一般7.5kW以下的電動機(jī)可以直接起動，7.5kW以上、電源容量滿足下述條件的也可以直接起動，公式為不能滿足上述條件或起動頻繁的電動機(jī)，應(yīng)采用降壓起動，將起動電流限制到允許的數(shù)值。212降壓起動起動時，設(shè)法降低加到定子上去的電壓，待電機(jī)轉(zhuǎn)速上升達(dá)一定值時，再加全電壓。起動電流減小，起動轉(zhuǎn)矩也隨之減小。（1）定子串電阻或電抗降壓起動方法：如圖67和68所示。性能：Ist與Ux成正比，Tst與 成正比減小。特點(diǎn)：設(shè)備簡單，運(yùn)行可靠，串電抗時能量損耗小，串電阻時轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)高，Tst比Ist

8、減小得更多。適用場合：適用于空載或載輕起動的電動機(jī)。2223（2）自耦補(bǔ)償起動（自耦變壓器降壓起動）方法：起動線路如圖69所示。性能： ， 特點(diǎn)：Tst和Ist降低的倍數(shù)相同，Tst和Ist可調(diào)（一般有40、60、和80三檔或55、64和73）可帶較重負(fù)載起動，但設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)麻煩，體積大，重量重，價格高。適用場合：適用于容量較大帶較重負(fù)載起動且不頻繁的場合。 24（3）星三角（Y）起動方法：起動線路如圖610所示。性能： ， 。特點(diǎn)：設(shè)備簡單、體積小、重量輕、無損耗、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、起動電流小，但起動轉(zhuǎn)矩小，且只能用于正常運(yùn)行時為接法的電動機(jī)。適用場合：適用于空載起動且正常運(yùn)行時為接法的

9、電動機(jī)。2526（4）延邊三角形起動方法：如圖611所示。性能：如果每相繞組抽頭在中點(diǎn)，Ist0.5Ist，Tst0.5Tst;如果Y接匝數(shù)為接匝數(shù)的，則Ist=0.6Ist ，Tst0.6Tst.特點(diǎn)：設(shè)備簡單，體積小，重量輕，能帶較重負(fù)載，允許經(jīng)常起動，只是電動機(jī)需專門設(shè)計(jì)、訂貨。適用場合：帶較重負(fù)載起動時取代自耦降壓起動 2728二、三相繞線型異步電動機(jī)的起動方法（一）轉(zhuǎn)子回路串電阻起動方法：如圖所示。性能：Ist且Tst。特點(diǎn)：電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，起動方法比較簡單，起動電流Ist小，起動轉(zhuǎn)矩Tst大。適用場合：適用于功率較大重載起動的電動機(jī)。2930（二）轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動方法：頻敏變

10、阻器的結(jié)構(gòu)和工作原理。性能：隨著n的上升，頻敏變阻器的等效電阻逐步下降，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子電路串接電阻隨n的上升自動相應(yīng)減小，以使起動過程中，起動轉(zhuǎn)矩大且較穩(wěn)定，起動過程快且平穩(wěn)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、起動性能好、便于自動操作，Ist和Tst可調(diào)。適用場合：適用于頻繁起動的繞線型異步電動機(jī)。 31三、改善起動性能的三相異步電動機(jī)改善籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子槽型，利用“集膚效應(yīng)”，從而改善起動性能。一、深槽式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：槽深h與槽寬b之比 。（普通電機(jī) ）。工作原理：如圖所示，根據(jù)槽漏磁通的分布，可見槽下部導(dǎo)體所鏈漏磁通比上部導(dǎo)體大，漏電抗較大，電流密度小，上部導(dǎo)體的電流密度大。如b）圖分布，這一

11、效應(yīng)稱為集膚效應(yīng)。使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有效截面減小，電阻較大，從而改善起動性能。隨著n的上升，轉(zhuǎn)子電路的頻率f2下降，集膚效應(yīng)逐步減小，相當(dāng)于電阻逐步下降，正常運(yùn)行時，基本不會影響電動機(jī)的性能。 3233（二）雙籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如圖所示，轉(zhuǎn)子上有兩套鼠籠，即上籠和下籠，上籠截面小且用電阻系數(shù)較大的材料，所以電阻大，電抗小，下籠則相反，電阻小而電抗大。工作原理：起動時，轉(zhuǎn)子電路頻率高，下籠電抗大，通過的電流小，大部分電流流過上籠，上籠電阻大，使Ist且Tst，而檔電動機(jī)城市運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子電路頻率低，電抗小，電流分配由電阻決定，電流主要流過下籠，電阻小，不影響運(yùn)行性能。也可分別考慮上、下籠受磁場作用產(chǎn)

12、生的機(jī)械特性，然后疊加，如圖所示，可見雙籠型電動機(jī)起動過程中，轉(zhuǎn)矩較大且基本穩(wěn)定，因而起動快而平穩(wěn)。343536以上兩種電動機(jī)，起動性能優(yōu)于普通籠型電動機(jī)，但轉(zhuǎn)子漏抗較大，cos 及Tm稍低，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材較高。一般用于要求起動轉(zhuǎn)矩較普通籠型電動機(jī)稍高的場合。3753 三相異步電動機(jī)的制動三相異步電動機(jī)通常工作在電動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T同向，機(jī)械特性位于第或第象限。但也可工作于制動狀態(tài)，這時n與T的方向相反，把機(jī)械能變成電能消耗掉或返回電網(wǎng)。和直流電動機(jī)一樣，異步電動機(jī)的制動亦分三類四種。38一、能耗制動方法：如圖所示。將KM1斷開，KM2接通，亦即讓電動機(jī)從三相電

13、源斷開，定子繞組通入一定大小的勵磁電流。工作原理：轉(zhuǎn)子由于慣性，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組切割定子繞組產(chǎn)生的恒定磁場，感應(yīng)電動勢和電流，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用。產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)進(jìn)入制動狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速的降低，制動轉(zhuǎn)矩亦隨之減少，到n0時，T0，故可用于準(zhǔn)確停車。3940能耗制動的機(jī)械特性 過0點(diǎn)，如圖b）中曲線所示，如果勵磁電流不變，加大轉(zhuǎn)矩電路所串電阻，特性斜率增大，Tm不變，如曲線3所示。如果電阻不變，加大勵磁電流，則曲線如圖中2所示，Tm增大，由機(jī)械特性曲線可以看出能耗制動用于快速停車的過程。 41這時一般取勵磁電流轉(zhuǎn)子回路串接的電阻為此可保證快速停車時最大制動轉(zhuǎn)矩為（

14、1.252.2）TN。異步電動機(jī)帶位能性負(fù)載時，可用于低速下放重物，此時的機(jī)械特性在第象限。轉(zhuǎn)子電路串接的電阻越大，下放速度越高；定子電流I-越大，下放速度越慢。42二、反接制動實(shí)現(xiàn)反接制動的方法有兩種：轉(zhuǎn)速反向的反接制動定子兩相反接的反接制動。43（一）轉(zhuǎn)速方向的反接制動如圖所示，繞線型異步電動機(jī)帶位能性負(fù)載時，若要下放重物，可在轉(zhuǎn)子回路串接較大電阻，使電動機(jī)的Tstn0時，s0 ，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢s反向，轉(zhuǎn)子電流的有功分量為 ，即轉(zhuǎn)子電流的無功功率分量為可見當(dāng)s0時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量變負(fù)，既改變方向，而無功分量的分向不變。相應(yīng)的相量圖如圖所示。4849由相量圖可見， 與 之間的相位差 大于

15、90度。此時定子功率P1m1U1I1cos 為負(fù)，說明定子向電網(wǎng)回饋電能，又由于 為負(fù)，則電磁轉(zhuǎn)矩也變負(fù)，與n反向，故為回饋制動狀態(tài)。異步電動機(jī)帶位能性負(fù)載下放重物時，工作于第象限，轉(zhuǎn)子電路電阻越大，下放速度越高，為避免下放速度太高，一般不串電阻。異步電動機(jī)變極調(diào)速由少極變?yōu)槎鄻O時亦會出現(xiàn)回饋制動幫助減速，這時工作在第象限。 5054 三相異步電動機(jī)的調(diào)速 由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可見，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法，可有改變極對數(shù)p（變極調(diào)速）、改變頻率f1（變頻調(diào)速）和改變s（改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速）三種。 51一、變極調(diào)速方法：改變定子繞組接法將每相定子繞組分成兩個“半相繞組”，改變它們之間的接法，使其

16、中一個“半相繞組”中的電流反向。極對數(shù)就成倍改變。如圖所示，a）圖為4極，b）和c）圖變?yōu)?極。三相繞組同時改接。但要注意，極數(shù)成倍變化時，必須同時改變出線端的相序（如將V、W對調(diào)）。例如極對數(shù)由p變?yōu)?p時，V相繞組與U相的相位差變?yōu)?40度，W相與U相差，相當(dāng)于120度，如果不改變電源相序，電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。另外，由于繞線式轉(zhuǎn)子繞組不易改變極對數(shù)而籠型轉(zhuǎn)子繞阻的極對數(shù)總與定子繞組的極對數(shù)相同，所以變頻調(diào)速只能用于籠型異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)變極調(diào)速的典型線路有YYY和-YY兩種。5253Y變極調(diào)速繞組改變接方法54Y變極調(diào)速機(jī)械特性55YY接時理想空載轉(zhuǎn)速為2n0，最大轉(zhuǎn)矩 56Y接時的同步

17、轉(zhuǎn)速為n0，最大轉(zhuǎn)矩可見 TmYY2TmY57YYY變極調(diào)速的容許輸出：Y接容許輸出功率和容許輸出轉(zhuǎn)矩分別為YY接容許輸出功率和容許輸出轉(zhuǎn)矩分別為可見Y 變頻調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 58YY變極調(diào)速繞組改接方法如圖所示接時的最大轉(zhuǎn)矩59故YY變極調(diào)速的機(jī)械特性如圖60接時的容許輸出功率可見YY變極調(diào)速方法近似為恒功率調(diào)速方法。優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合。61二、變頻調(diào)速改變f1，即改變n0，從而調(diào)節(jié)n 。變頻調(diào)速時，一般希望磁通保持不變。因?yàn)?或 都不利。根據(jù)為使 保持不變，就要保持 為定值，即改變f1的同時按比例改變UX，這時電動機(jī)容許輸出的轉(zhuǎn)矩不變，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。一般在額定頻率往下調(diào)時，采

18、取這種調(diào)速方式。但從額定頻率往上調(diào)時，電壓不容許按比例上升而只能保持額定，此時，f1越高， 越弱，容許輸出的轉(zhuǎn)矩越小，而輸出轉(zhuǎn)速越高，為恒功率調(diào)速方式。 62變頻電源采用電力電子器件變頻裝置。變頻調(diào)速的調(diào)速性能最好，只是目前裝置價格較高，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速的應(yīng)用將越來越廣。63三、轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速方法：轉(zhuǎn)子回路串接對稱電阻，由于轉(zhuǎn)子電流較大，所以電阻級數(shù)少，調(diào)節(jié)所串電阻，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。原理：可由轉(zhuǎn)子串電阻時的機(jī)械特性理解。優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備簡單，初投資低，操著方便，有級調(diào)速，調(diào)速范圍受允許靜差率限制，只能達(dá)到23。損耗大，效率低。 6465四、滑差電機(jī)（電磁調(diào)速異步電動機(jī)）滑差電機(jī)由三部分組成：普通籠型異步電動機(jī)、滑差離合器和勵磁調(diào)節(jié)裝置。電磁滑差離合器又稱為轉(zhuǎn)差離合器，示意圖如圖所示，一般由主動與