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第 6 章 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 三相异步电动机的起动,6.3 三相异步电动机的制动,6.4 三相异步电动机的调速,6.1 三相异步电动机的机械特性,1. 电磁转矩公式,电磁转矩两种表达式,转子边功率因数,(1) 物理表达式,由,其中,为转矩常数,机械特性物理表达式：,异步机等效电路及其简化,(2) 机械特性的参数表达式,(由T型等效电路中略去励磁电流得到),对s求导，由,临界转差率,最大（临界）转矩,+号对应电动状态，-号对应发电状态。 若考虑到 ,可得到：,由此可见： 当电动机参数和电源频率不变时，最大转矩Tm与电源电压U1的平方成正比，临界转差率SM与电源电压无关，即T (TM) U12 , sM 与 U1 无关。 当电源电压和频率不变时，临界转差率SM与转子电阻成正比，最大转矩与转子电阻无关，即 sMR2 ，TM 与 R2 无关。 当电源电压和频率不变时，临界转差率SM与最大转矩都与（x1+x2）成反比例关系。,(3) 电磁转矩的实用公式,两式相除,机械特性实用表达式：,当,过载倍数,若忽略T0，则, ,= 1,s sM,Tm T,( )2,Tm T,解实用公式方程，可得, 根据 s 和 sm 的相对大小，取“”或取“”。,由于 sN sm，则,即有下面的关系,小结： 三种机械特性表达式，参数表达式、实用公式主要用于计算。物理表达式用于定性讨论。,【例 3.1.1 】 Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n = 1 455 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， n0 = 1 500 r/min，nN = 1 440 r/min，T = 2.2。 由此求得,解：,= 0.1664,Tm = T TN,= 2.249.76 Nm = 109.47 Nm,忽略 T0，则,TL = T2,当 TL = T2 = T = 45 Nm 时,= 0.036,n = ( 1s ) n0 = ( 10.036 )1 500 r/min = 1 446 r/min,2. 固有特性,当 U1 、f1、r2、x2 为常数时： T = f (s ) 转矩特性 n = f (T ) 机械特性 当 U1L = U1N 、f1 = fN，且绕线型转子中不外 串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。,P S N,B P A,H,额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。 B点： n = nN ， s = sN ， T= TN ，P2 = PN。 额定状态说明了电动机 长期运行的能力 TLTN，P2PN，I1IN。,(1) 额定状态（B点）,sN = 0.01 0.09 很小， T 增加时，n 下降很少 硬特性。,工作段,(2) 起动状态（ A 点）,对应 s = 1，n = 0 的状态。 又称为堵转状态。 起动时 T = Tst， I1L = Ist,Tst 直接起动的能力。 起动条件 Tst TL。 Ist线路允许值。 起动转矩倍数,Tst,异步电动机 KT = 0.9 1.3,临界转速,(3) 临界状态（P 点）,对应 s = sm，T = Tm 的状态。,nM,Tm,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 T = 2 2.2 临界转差率sm,sm = sN (T T21 ),3. 人为特性,(1) 降低定子电压时的人为特性,三相异步电动机降压时的人为机械特性,(2) 转子电阻增加时的人为特性,根据 sM = r2 /(x1+x2) , Tm 与 r2 无关。,Tst1,sm1,r2+Rs1,1 0,Tst,Tm,Tem,s n,0,n1,sm,r2,Rs1 Rs2Rs3,(3) 定子电路串对称电阻或对称电抗的人为特性,Xs1 Xs , Rs1Rs,1 0,Tm,T,sm,s n,0,n1,Xs , Rs,Tm , Sm均减小，n1不变,6.2 三相异步电动机的起动,1. 电动机的起动指标 (1) 起动转矩足够大 Tst TL Tst (1.1 1.2) TL (2) 起动电流不超过允许范围。 异步电动机的实际起动情况 起动电流大：Ist = k1 IN= (47) IN 起动转矩小：Tst = kmTN = (1.62.2) TN,启动电流倍数,启动转矩倍数,不利影响 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。,大的 Ist 使电网电压降低，影响自身及其他负载 工作。 起动电流大，起动功率因数低，起动转矩小。 2. 笼型异步电动机的直接起动 (1) 小容量的电动机（PN 7.5kW） (2) 电动机容量满足如下要求：,优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，起动转矩不大。,3. 笼型异步电动机的减压起动,(1) 定子串联电阻或电抗减压起动,M 3,起动,运行,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2) 星形三角形减压起动（Y 起动）,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2) 星形三角形减压起动（Y 起动）,Y 起动,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2) 星形三角形减压起动（Y 起动）, 起动,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比,Y 型起动的起动电流,起动转矩比,Y型起动的起动转矩,(1) IstYImax （线路中允许的最大电流）； (2) TstYTL 。 否则不能采用此法。,Y 起动的使用条件,(3) 自耦变压器减压起动,(3) 自耦变压器减压起动,起动,(3) 自耦变压器减压起动,运行,(3) 自耦变压器减压起动,A,U2,电压比,= KA,定子相电流比,定子起动电流,I1st,I2st,UN,O,定 子 一 相 绕 组,N1,N2,起动转矩比,自耦变压器减压起动的起动电流,自耦变压器减压起动的起动转矩,Ist = Ist/KA2,Tst = Tst /KA2,降压比 K=1/KA可调 QJ2 型三相自耦变压器： K = 0.55、0.64、0.73 QJ3 型三相自耦变压器： K = 0.4、0.6、0.8,(1) IstaImax （线路中允许的最大电流）。 (2) TstaTL 否则不能采用此法。,自耦变压器减压起动的使用条件,P58 表3-1：降压起动方法性能比较,3. 改善起动性能的三相笼型异步电动机,(1) 深槽异步电动机 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 。,(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。,(1) 起动过程,4. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,串联 Rst1 和 Rst2 起动（特性 a） 总电阻 R22 = R2 + Rst1+ Rst2,n0,a (R22),T2,a1,a2,T1,切除 Rst2,(1) 起动过程,b (R21),b1,b2, 合上 S2 ，切除 Rst2（特性 b） 总电阻 R21 = R2+ Rst1,4. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,切除 Rst1, 合上 S1 ，切除 Rst1（特性 c） 总电阻: R2,4. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,c (R2),c1,c2,(1) 起动过程,p,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。,5. 绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动,频敏变阻器,6.3 三相异步电动机的制动,1. 能耗制动 (1) 制动原理 制动前 S1 合上，S2 断开， M 为电动状态。 制动时 S1 断开，S2 合上。 定子: U I1 转子: n E2 I2 T 为制动状态。,n,T,(2) 能耗制动时的机械特性,特点： 因T 与 n 方向相反， nT 曲线在第二、 四象限。 因 n = 0 时， T = 0， nT 曲线过原点。 制动电流增大时， 制动转矩也增大； 产生最大转矩的转速不变。,I1“,I1,(3) 能耗制动过程 迅速停车, 制动原理 制动前：特性 1。 制动时：特性 2。,原点 O (n = 0，T = 0)，,a,b,(T0，制动开始),制动过程结束。, 制动效果 Rb,I1 T ,制动快。, 制动时的功率 定子输入：P1 = 0，,轴上输出：P2 =T0 。,动能 P2, 转子电路的电能, PCu2消耗掉。,(4) 能耗制动运行 下放重物,a,(T0，制动开始),b,c,c 点(T = TL),制动运行状态,以速度 nc 稳定下放重物。 制动效果： 由制动回路的电阻决定。,转子串联电阻（经验公式）,2. 反接制动,(1) 定子反相的反接制动, 迅速停车,制动前的电路,制动时的电路, 制动原理,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n0 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， T 将可能反向起动。,d,相对切割方向改变，转子电势方向变化,取决于 Rb 的大小。, 制动效果, 制动时的功率,0,PCu2 = m1(R2Rb ) I22 = PePm = Pe|Pm|,0,Pm = (1s ) Pe,三相电能,电磁功率Pe,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,(2) 转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d, 制动原理 定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rb。,d 点( nd0，Td = TL ),制动运 行状态, 制动效果 改变 Rb 的大小， 改变特性 2 的斜率，,改变 nd 。,低速提 升重物,3. 回馈制动,特点：| n | | n0 |，s0。 电机处于发电机状态。 (1) 调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,a,b,c,d,变频调速,变极调速,(2) 下放重物时的回馈制动,b,a,c,正向电动,反接制动,d,回馈制动,反向电动,6.4 三相异步电动机的调速,1. 改变磁极对数 p 2. 改变转差率 s 3. 改变电源频率 f1(变频调速),调速方法：, 有级调速。,1. 电动机的调速指标,(1) 调速范围 (2) 调速方向 (3) 调速的平滑性 平滑系数 (4) 调速的稳定性 静差率 D、nN 的关系 (nN = nmax),例如：nN = 1 430 r/min，nN = 115 r/min ， 要求30%、则 D = 5.3。,要求20%、则 D = 3.1。 再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，5%， 则 nN = 3.76 r/min。 (5) 调速的经济性 (6) 调速时的允许负载 不同转速下满载运行时： 输出转矩相同 恒转矩调速。 输出功率相同 恒功率调速。,2. 笼型异步电动机的变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz, f1 fN,为保持 m = 常数,因为 n0 f1 ,所以 n = n0nM = sM n0,（不变）,所以 TM 不变。,f1fN, f1fN ， U1L = UN（不变） 调频时：f1 m 因为 n0 f1，,所以 n = n0nM = sM n0 (不变),f1fN,因为,m 基本不变， 基本不变。,所以,T = CTm I2N cos2, f1fN 时, 恒转矩调速。,P2 = T2,T, f1 fN 时 因为 U1L = UN,所以 T = CTm I2N cos2,T n,= 常数, 恒功率调速。,(1) 调速方向 f1fN 时：n 。 (2) 调速范围 D 较大。 (3) 调速的平滑性 平滑性好（无级调速）。 (4) 调速的稳定性 稳定性好。 (5) 调速的经济性 初期投资大；运行费用不大。 (6) 调速时的允许负载,f1fN 时：n 。,变频器,优点： (1) 一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。 (2) 变速驱动，输出功率范围宽（如从 120 W到 7.5 kW）。 (3) 在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。 (4) 高起动转矩。,电机变频器一体化产品,(a) p = 2,S N N S,N S,(b) p = 1,3. 笼型异步电动机的变极调速,(a) YY(p ),(b) Y(2p ),(c) (2p ),定子绕组常用的接法