相异步电动机的电力拖动.ppt

河南工业大学电气工程学院,6.1 三相异步电动机的机械特性,6.4 三相异步电动机的调速,6.5 三相异步电动机的制动,第 6 章 三相异步电动机的电力拖动,6.1 三相异步电动机的机械特性,6.2 笼型异步电动机的起动,6.3 绕线转子异步电动机的起动,6.4 三相异步电动机的调速,6.5 三相异步电动机的制动,电机与拖动,返回主页,河南工业大学电气工程学院,6.1 三相异步电动机的机械特性,一、机械特性的物理表达式,T = CTm I2 cos2,第 6 章 异步电动机的电力拖动,河南工业大学电气工程学院,I2=,二、机械特性的参数表达式,(6-7),(6-8),将式（6-8）代入式（6-7）可得,T =,(6-9),推导,机械特性曲线（图6-4） 特定点 同步运行点,临界点 （最大转矩点）,临界转差率,临界（最大）转矩,为了求出Tmax，可对式（6-9）求导。,通常r1(x1+x2)，忽略r1则有,讨论,Tmax与r2无关,U1、f1恒定，,起动点,讨论,增加r2 ，可以增加Tst；,把s=1代入式（6-9），可得：,河南工业大学电气工程学院,三、 机械特性的实用表达式,（不依赖于电机参数，根据产品目录给出的数据进行计算 ）,推导,两式相除，得,有,实用表达式 ：,（6-14）,则,式中,机械特性的计算：,产品目录给出：,Tmax的求法,求Sm和Tmax,机械特性的线性化,Sm的求法：,河南工业大学电气工程学院,【例 6-1 】 Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n = 1455 r/min，试问该电动机的负载转矩 TL 是多少？若负载转矩 TL = 45 Nm，则电动机的转速 n 是多少？,由电工手册查到该电机的 PN = 7.5 kW， n1 = 1500 r/min， nN = 1440 r/min， m = 2.2。 由此求得,解：,河南工业大学电气工程学院,= 0.166,Tmax= m TN,= 2.249.74 Nm = 109.43 Nm,忽略 T0，则,TL = T2,河南工业大学电气工程学院,当 TL = T2 = T = 45 Nm 时,= 0.036,n = ( 1s ) n1 = ( 10.036 )1 500 r/min = 1 446 r/min,s =,实际固有机械特性（图6-6 ） 讨论：低速（sms1）时，公式计算的机械特性与实际特性曲线存在较大偏差，原因在于： 定、转子电流大，槽磁动势大，漏磁路饱和，定、转子漏抗值减小；此外，s=1时，转子导条的挤流效应（转子阻值增大）。 存在寄生转矩：气隙高次谐波磁场与转子电流作用产生的一系列谐波转矩。 “蠕动”问题：Y系列笼型异步电动机设计要求最小转矩,河南工业大学电气工程学院,四、固有机械特性,A B C,固有（自然）机械特性条件： 定子电压：额定 频率：额定 定子绕组接线：按规定接线 转子绕组：短接,河南工业大学电气工程学院,额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。 A点： n = nN ， s = sN ， T = TN ，P2 = PN。,1. 额定工作点（A点）,sN = 0.012 0.05 很小， T 增加时，n 下降很少 硬特性。,工作段,河南工业大学电气工程学院,临界转速,2. 最大转矩点（B 点）,对应 s = sm，T = Tmax 的状态。,nm,Tmax,临界状态明了电动机的 短时过载能力。 过载倍数,Y 系列三相异步电动机 m = 2.4 3,河南工业大学电气工程学院,3. 堵转点（ C 点）,对应 s = 1，n = 0 的状态。,堵转状态说明了电动机直接 起动的能力。 堵转转矩倍数,堵转电流倍数,Y 系列三相 异步电动机 KT = 1.7 2.2 KI = 4 7,河南工业大学电气工程学院,五、人为机械特性,1. 降低定子电压时的人为特性,U1 UN,同步转速n1=60 f1/p不变 sm 与U1无关 T 正比于 U12,河南工业大学电气工程学院,2.定子串三相对称电阻（电抗）的人为机械特性,同步转速n1不变； 临界转差率sm、 Tmax与Tst随外串电阻（电抗） 的增大而减小。,河南工业大学电气工程学院,3.转子串三相对称电阻（绕线式）的人为机械特性,特点： sm 正比于 r2 ， Tmax与 r2 无关。,Tmax,r2,r2+R,接线：图6-10,机械特性图组,讨论：转子串入电阻，为保证T=C（0TTmax），有：,三相异步电机转差率的比例推移法：转差率与转子回路电阻成正比的规律,外串电阻的计算：,转子每相绕组电阻r2 的估算（依据： sNsNx2 ）,【例 6-2 】一台绕线转子异步电动机的技术数据为PN = 75 kW， nN = 720 r/min，I1N =148A，E2N =213V，I2N =220A，最大转矩倍数 m = 2.4。 (1)为了使起动初始瞬间电动机产生的电磁转矩为最大转矩Tmax，求转子回路每相应串入得电阻值； (2)电动机拖动恒转矩负载TL=0.8TN，要求电动机的转速为n =500r/min，求转子回路每相应串入得电阻值。,（1）初始起动转矩等于最大转矩时 转子回路外串电阻的计算 额定转差率sN,解：,转子绕组每相电阻r2,= 0.183,在起始初始瞬间Tst =Tmax，故sm=1，按比例推移， 转子每相应串入的电阻值Rc为,(2)转子外串电阻的计算,河南工业大学电气工程学院,6.2 笼型异步电动机的起动,一、电动机的起动指标 起动电流不超过允许范围。 电网对起动电流的要求 起动转矩足够大 要求：,KV：电压波动系数（0.850.95）；,Ks：加速转矩系数（1.151.2）。,河南工业大学电气工程学院,二、笼型异步电动机的直接起动,一般，小容量的电动机（PN 7.5kW）允许直接 起动。 2. 如果功率大于7.5kW，而电网供电变压器容量较大，满足如下要求，电动机也可允许直接起动：,电机电流减小：,（减压系数）,初始起动电流：,全压起动电流：,三、笼型异步电动机的减压起动,河南工业大学电气工程学院,1. 定子串联电阻或电抗减压起动,M 3,起动,运行,原理（等效电路见教材图6-15）：,电阻和电抗的计算 确定减压系数： 要求：,设电网允许：,解得：,同理：,rk和xk可根据铭牌进行估算：,定子串阻抗的特点：适用于空载或轻载起动 。,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y D 起动）,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y D 起动）,Y 起动,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y D 起动）, 运行,起动电流比,Ist,IKN,河南工业大学电气工程学院,Y-D起动时的减压系数,起动转矩比,=,特点：,河南工业大学电气工程学院,3. 自耦变压器减压起动,河南工业大学电气工程学院,3. 自耦变压器减压起动,起动,河南工业大学电气工程学院,3. 自耦变压器减压起动,运行,河南工业大学电气工程学院,3. 自耦变压器减压起动,U,3. 自耦变压器减压起动,自耦变压器电压比,kA =,电动机减压系数,=,=,电动机的起动电流,河南工业大学电气工程学院,3. 自耦变压器减压起动,电网供给的起动电流,Ist =,电网供给的起动电流比,起动转矩比,河南工业大学电气工程学院,自耦变压器电压比 kA 可调。 特点：,表6-2 笼型异步电动机几种常用起动方法的比较,河南工业大学电气工程学院,【例 6-3 】 一台Y系列三相笼型异步电动机， PN = 110 kW， UN = 380 V，cosN=0.89，N=0.925， nN = 2910 r/min， 联结， KT = 1.8，KI= 7。如果要求 电动机起动时， 最小转矩Tmin=1.2TN，过载倍数m=2.63， 电网允许的最大起动电流Ismax= 1000A，起动过程中最大 负载转矩TLmax=220Nm。 试问：(1) 能否直接起动？(2) 能否采用 Y 起动？ (3) 能否采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动？,解： (1) 能否直接起动,直接起动时电网供给的最大起动电流为 Ist = KI IN = 7203 A = 1421 A,IN =,河南工业大学电气工程学院,Ist Ismax=1000 A，不能采用直接起动。,(2) 能否采用 YD 起动,Tmin = 2Tmin,= ( )2 433.2 Nm = 144.4 Nm,1 3,Tmin TLmax ，不能采用 Y 起动。 (3) 能否采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动 Ist = IKN = 0.821421 A = 909.4 A,Y-D起动时减压系数=1/ 3，起动过程中电 动机产生的最小转矩为,kA2,1,为保证起动有足够的加速转矩，取Ks=1.2， 则在起动过程中电动机应产生的最小转矩为,河南工业大学电气工程学院,由于 Tmin Tmin，而且 IstIsmax，所以 能采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动。,Tmin = KsTLmax = 1.2220 Nm = 264 Nm,Tmin = Tmin = 0.82433.2 Nm = 277.2 Nm,电动机实际产生的最小转矩为,kA2,1,河南工业大学电气工程学院,四、具有高起动转矩的笼型异步电动机,1. 深槽型异步电动机 槽深 h 与槽宽 b 之比为：h / b = 8 12,漏电抗小 漏电抗大,增大 电流密度,起动时，f2 高， 漏电抗大，电流的集 肤效应使导条的等效 面积减小，即 r2 ， 使 TST 。 运行时， f2 很低， 漏电抗很小，集肤效 应消失，r2。,河南工业大学电气工程学院,2.双笼型异步电动机,电阻大 漏抗小 电阻小 漏抗大,上笼 （外笼） 下笼 （内笼）,起动时， f2 高， 漏抗大，起主要作用， I2 主要集中在外笼， 外笼 r2 大 TST 大。 外笼 起动笼。 运行时， f2 很低 ， 漏抗很小，r2 起主要作用， I2 主要集中在内笼。 内笼 工作笼。,河南工业大学电气工程学院,(1) 起动过程分析,串联 rc1 和 rc2 起动（特性 1） 总电阻 R1 = r2 + rc1+ rc2,n1,1 (R1),T2,a,b,T1,切除 rc1,一、转子串三相对称电阻分级起动,6.3 绕线转子异步电动机的起动,河南工业大学电气工程学院,2 (R2),c,d, 合上 Q2 ，切除 rc1（特性 2） 总电阻 R2 = r2+ rc2,切除 rc2,河南工业大学电气工程学院, 合上 Q1 ，切除 rc2（特性 3） 总电阻: R3r2,3 (r2),e,f,g,河南工业大学电气工程学院,频敏变阻器 频率高：损耗大，电阻大。 频率低：损耗小，电阻小。 转子电路起动时 f2 高，电阻大， Tst 大， Ist 小。 转子电路正常运行时 f2 低，电阻小， 自动切除变阻器。,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器,原因：串电阻分级起动结构复杂、维护量大。 起动转矩改善（教材图6-27）。（在起动过程中，能保持 较大的起动转矩）,（二）转子串接频敏变阻器起动,频敏变阻器：实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。 特点：其电阻值随转速的上升而自动减小。,当电动机起动时，转子频率较高，f2=f1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻rm也较大。,在起动过程中 ，随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻rm也就随之减小，这就相当于在起动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻。,铁耗与频率的平方成正比,起动结束后，转子频率很低，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切除，转子绕组直接短路。 在起动过程中，它能够自动、无级地减小电阻，如果频敏变压器的参数选择恰当，可以在起动过程中保持起动转矩不变，这时的机械特性图中曲线2所示，曲线1为固有特性。,河南工业大学电气工程学院,6.4 三相异步电动机的调速,1.改变转差率 s 2.改变电源频率 f1(变频调速) 3. 改变磁极对数 p,调速方法：,n = n1 (1s) = (1s),60 f1 p,河南工业大学电气工程学院,二、三相异步电动机的变极调速,用改变定子绕组的接线方式来改变极对数，其转子一般采用笼型，因为它感应的极对数能自动与定子相适应。,1. 变极原理 在图6-28和图6-29中，定子每相绕组都由两个完全对称的“半相绕组”所组成。当两个“半相绕组”顺向串联（图6-28 ），形成的磁极数为2p=4；如果将任一“半相绕组”的电流反向（反串或反并）（图6-29），对应极数2p=2。 改变接法时，应同时变相序？ p=1，空间角度（）：0、120、240 p=2，空间角度（）：0、240、480（120）（反转）,河南工业大学电气工程学院,2、变极电动机三相绕组的联结方法 （1）YY/Y联结方法,可见，YY/Y变极调速为恒转矩 调速方式，适合于恒转矩负载 的调速。,河南工业大学电气工程学院,（2 ）YY/D联结方法,YY/D变极调速为恒功率调速方式，适合于恒功率负载的调速。,河南工业大学电气工程学院,三、三相异步电动机的变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,河南工业大学电气工程学院,Tmax,n,当f1fN的情况，要保持m恒定，定子电压U1 需要高于额定值。因U1不能高于额定电压，通常 保持U1=U1N。这样， m将随f1的升高而减小， 相当于弱磁调速，属于恒功率调速方式。,对变频调速的评价 （1）平滑性好，可实现无级调速； （2）机械特性硬，调速范围宽，转速稳定性好。,河南工业大学电气工程学院,【例 2 】 某三相笼型异步电动机，PN = 15 kW， UN = 380 V， 形联结，nN = 2 930 r/min，fN = 50 Hz，m = 2.2。拖动一恒转矩负载运行， T = 40 Nm 。求：(1) f1 = 50 Hz，U1 = UN 时的转速；(2) f1 = 40 Hz，U1 = 0.8UN 时的 转速； (3) f1 = 60 Hz，U1 = UN 时的转速。,解： (1),Tm = m TN = 2.248.91 Nm =107.61 Nm,河南工业大学电气工程学院,n = ( 1s ) n1 = ( 10.018 7 )3 000 r/min = 2 944 r/min (2),故 Tm = Tm = 107.61 Nm,河南工业大学电气工程学院,n = ( 1s) n1 = ( 10.023 3 ) 2 400 r/min = 2 344 r/min,河南工业大学电气工程学院,(3) f1增加，U1 不变时，,= ( 10.023 4 )3 600 r/min = 3 516 r/min,河南工业大学电气工程学院,四、降低定子电压调速,TL,河南工业大学电气工程学院,调速方式 既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,为了扩大恒转矩负载的降压调速范围，通常采用 高转差率电机或绕线式转子串接电阻，其机械特 性如图6-36所示，但是，因特性太软，稳定性差。,河南工业大学电气工程学院,【例 3 】 三相笼型异步电动机，PN = 15 kW， UN = 380 V，nN = 960 r/min，m = 2。试求： (1) U1 = 380V，TL = 120 Nm 时的转速； (2) U1 = 300V，TL = 100 Nm 时的转速。,解： (1) U1 = 380V，TL = 120 Nm 时,Tm = m TN = 2149.28 Nm = 298.56 Nm,河南工业大学电气工程学院,n = ( 1s ) n1 = ( 10.031 ) 1 000 r/min = 969 r/min,河南工业大学电气工程学院,n = ( 1s ) n1 = ( 10.044 ) 1 000 r/min = 956 r/min,(2) U1 = 300V，TL = 100 Nm 时 sm 不变，Tm U12 ，故 sm = 0.149,河南工业大学电气工程学院,五、绕线型异步电动机转子串电阻调速,机械特性： 特性变软 缺点：低；低速稳定性差。 调速方式：,根据比例推移，,属于恒转矩调速方式,河南工业大学电气工程学院,【例 4】 一台三相绕线型异步电动机，拖动一恒转矩负载运行。已知 PN = 20 kW，nN = 1 420 r/min， U2N = 187 V， I2N = 68.5 A，m = 2.3，TL = 100 Nm 。试求： (1) 转子电路未串电阻时的转速； (2) 转子电路串联电阻 Rc = 0.015 9 时的转速。,解： (1) 转子电路未串联电阻时,Tm = m TN = 2.3134.57 Nm = 309.5 Nm,河南工业大学电气工程学院,n = ( 1s ) n1 = ( 10.038 7 ) 1 500 r/min = 1 442 r/min (2) 转子串联电阻 Rc 时，Tm 不变，sm(R2Rc),河南工业大学电气工程学院,由于 TL 不变，因此 s (R2Rc) n = ( 1s) n1 = ( 10.046 ) 1 500 r/min = 1 431 r/min,河南工业大学电气工程学院,6.5 三相异步电动机的各种运行状态,一、电动运行状态,河南工业大学电气工程学院,二、反接制动,1. 定子反向的反接制动, 迅速停车,制动前的电路,制动时的电路,(1) 制动原理,河南工业大学电气工程学院,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n1 变向。,b,即：s 1 (第二象限)。 同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a,c,制动结束。 到 c 点时，若未切断电源， M 将可能反向起动。,d,河南工业大学电气工程学院,取决于 Rc 的大小。,(2) 制动效果,(3) 制动时的功率,0,PCu2 = m1(r2Rc ) I2 2 = PMPm = PM|Pm|,0,Pm = (1s ) PM,三相电能,电磁功率PM,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,【例 6-5 】 一台绕线型异步电动机，技术数据为 PN = 75 kW，nN = 1460 r/min， E2N =399 V， I2N = 116 A，m = 2.8。原先在固有机械特性上拖动反抗性恒转矩负载运行，TL = 0.8TN。为使电动机快速反转，采用反接制动。 (1) 要求制动开始时电动机的电磁转矩为TL = 2TN，求转子每相应串入的电阻值。 (2) 电动机反转后的稳定速度是多少？,解： (1) 制动电阻的计算 1)额定转差率,2) 转子绕组电阻,3) 固有机械特性的临界转差率,4) 在固有机械特性上TL=0.8TN时的转差率,= 0.0211,5) 在反接制动机械特性上开始制动时的转差率,6) 反接制动机械特性的临界转差率,sB = 2sA,= 2 - 0.0211 = 1.976,= 4.71,7) 根据比例推移求出转子每相外串电阻,= 1.674 ,(2) 反转后稳定转速的计算,1) 反转后稳定运行时的转差率,sD = sm - 1,mTN TL,( )2,mTN TL,= 0.687,2) 反转后稳定运行的转速,nD= n1( 1sD ) = -1 500 ( 10. 68 7 ) r/min = -469 r/min,河南工业大学电气工程学院,2. 转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d,(1) 制动原理 定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rc。,d 点( nd0，Td = TL ),制动运 行状态,河南工业大学电气工程学院,(2) 制动时的功率,第四象限：,1 (n0),0,PCu2 = m1(r2Rc ) I2 2 = PMPm = PM|Pm|,0,Pm = (1s ) PM, 定子输入电功率, 轴上输入机械功率 （位能负载的位能）, 电功率与机械功率均 消耗在转子电路中。,【例 6-6 】 绕线型异步电动机的数据同例6-5，该电动机拖动起重机的提升机构。下放重物时，电动机的负载转矩TL = 0.8TN，电动机的转速n = -300 r/min，求转子每相应串入的电阻值。,解： 由例6-5计算已知r2=0.053，sm=0.1445， 在固有机械特性上TL = 0.8TN时的转差率sA=0.0211。,(1) n= - 300r/mi