第8章_异步电动机的电力拖动

第八章 三相异步电动机的电力拖动 三相异步电动机的电力拖动 三相异步电动机的机械特性 笼型转子异步电动机的起动 绕线转子异步电动机的起动 三相异步电动机的调速 三相异步电动机的电磁制动 三相异步电动机的不正常运行 三相异步电动机的电力拖动 本章要求 第一节三相异步电动机的机械特性 电动机的转速与电磁转矩的关系 即n f Tem 称为电动机的机械特性 在UN fN Ra 0的额定条件下 n f Tem 称为电动机的固有机械特性 自然机械特性 在非额定条件下 n f Tem 称为电动机的人工机械特性 一 自然机械特性 1 Tem f s 曲线 因为n 1 s n1 所以机械特性 可以通过Tem f s 曲线得到 电磁功率 Pem m1I2 2 r2 s 电磁转矩为 电磁转矩参数表达式 由公式可以得出Tem f s 曲线 Xk 1 当s较小时 分母中r2 s数值较大 2 当s较大时 分母中r2 s数值较小 起动点 临界转差率 最大值点 同步点 动画 由n 1 s n1 可以从Tem s曲线 计算出机械特性 Tem n o 同步点 s 0 Tem 0 n 1 s n1 n1 Tem 0 额定点 s sN Tem TN n 1 sN n1 nN Tem TN TN nN Tk 最大值点 s sm Tem Tmax n 1 sm n1 nm Tem Tmax Tmax 起动点 s 1 Tem Tk n 1 sm n1 0 Tem Tk 2 n f Tem 曲线 固有机械特性曲线 电动状态 制动状态 发电状态 1 电动状态 在0 s 1 即0 n n1的范围内 特性在第 象限 电磁转矩T和转速n都为正 从正方向规定判断 T与n同方向 2 发电状态 在s 0范围内 n n1 特性在第 象限 电磁转矩为负值 是制动性转矩 电磁功率也是负值 机械特性在s 0和s 0两个范围内近似对称 3 制动状态 在s 1范围内 n 0 特性在第 象限 T 0 二 最大电磁转矩和过载能力 决定电动机短时带负载能力的物理量是Tmax和过载能力 最大转矩倍数 称临界转差率 式中 为电动状态 为发电状态 结论 1 Sm与电压无关 与转子电阻成正比 约为0 1 0 2 2 Tmax与电压平方成正比 与转子电阻无关 3 一般设计为1 8 3 0 4 最大力矩与漏抗成反比 对于绕线式转子异步电动机 当转子电路串联某一恰当电阻Rst时 可使sm 1 n 0 即启动时 转矩达最大值 三 起动电磁转矩 起动时n 0 s 1 结论 1 Tk与电压平方成正比 与转子电阻有关 转子电路串联附加电阻 可增大Tk 可改善起动特性 2 f1增加Tk减小 3 起动转矩倍数 i Tk TN 一般设计为1 8 2 0 电磁转矩 四 电磁转矩实用公式 在知道电机额定值和一些技术数据 PN nN 时 利用实用公式可以计算Tem与S 或n 的关系 由此可计算出sm 即 当Tmax及sm已知时 利用实用公式可绘制机械特性曲线的大致形状了 o 机械特性曲线 稳定工作区 非稳定工作区 1 当0 s sm 机械特性下斜 拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行 2 当sm s 1 机械特性上翘 拖动恒转矩负载不能稳定运行 4 三相异步电动机稳定运行在0 s sm范围内 长期稳定运行在0 s sN范围内 五 稳定运行问题 3 拖动泵类负载时 满足处的条件 即可以稳定运行 但是由于这时候转速低 转差率大 转子电动势比正常运行时大很多 造成转子电流 定子电流均很大 不能长期运行 六 人工机械特性 1 降压人工机械特性 与自然特性比较 特性变软 S相同点 Tem随U成平方减小 Sm未变 降压时Tmax Tk下降 会影响电机稳定运行和起动 降压特性 动画 例 设当U1 UN时 Tk 1 1TN Tmax 2TN 能满载起动并运行 当U1 0 8UN时 Tk 0 8 0 8 1 1TN 0 704TN Tmax 0 8 0 8 2TN 1 28TN 此时不能满载起动 但能满载运行 降压时Tmax Tk下降 会影响电机稳定运行和起动 当U1 0 7UN时 Tk 0 7 0 7 1 1TN 0 539TN Tmax 0 7 0 7 2TN 0 98TN 此时不能满载起动和运行 2 定子外串对称阻抗人工机械特性 相当于定子阻抗变大 该人工机械特性与降压特性类似 3 绕线式转子外串电阻Ra人工机械特性 在U f相同条件下 产生相同力矩 Tem Tem 必须 电阻实际值 可见 转子串电阻后 其它条件不变时 产生相同Tem 负载转矩不变 S会增加 即n会减小 转子串电阻特性为 与自然特性比较 1 特性变软 2 Tmax不变 Sm变大 3 Tem相同点满足 例 绕线异步机 r2 0 5 nN 1450rpm sm 0 067 求 1 转子串多大Ra 使Tk Tmax 2 当TL 0 8TN时 串电阻后n 分析 1 Tk Tmax 串电阻后最大值点在横轴上 Sm 1 c d 两特性上c d点有 Temc Temd Tmax 即 0 8TN E F Ra 6 96 2 串电阻前工作于E点 串电阻后工作于F点 两特性上E F点有 TemE TemF 只要求出E点速度 就可以计算出F点的速度 有两种方法 方法一 利用相似三角形 方法二 Tem f S 曲线 当S较小时 Tem与s成正比 SE 0 8SN nF 902rpm 在计算特性曲线时 往往需要知道转子绕组本身的电阻r2 由前面转差率的说明可知 转子绕组r2 sNR2N 式中R2N为转子额定电阻 它与转子的额定电流I2N和转子不转时的感应电势E2N 线电势 有以下关系 该式表明 当转子回路电阻等于R2N时 电动机产生的起动转矩等于额定转矩 在固有特性上 当Tem TN时s sN 从而有 或 说明 转子串电阻可以增加起动转矩 但串入转子回路的电阻再增加 则sm 1 Tm Ts了 因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好 而是有一个限度 转子串电阻人为机械特性 4 变频人工机械特性 变f1一般往小于fN变 励磁电流会大大增加 电机发热严重 可能损坏电机 变f1一定要变压 保证磁通不变 变f1特性为与自然特性平行的曲线 例 计算一台YR型绕线转子异步电动机的固有特性和Ra 0 053 时的人为机械特性 电动机的铭牌数据 PN 60kW nN 720r min 2 2 E2N 175V I2N 216A 解 1 电动机额定转矩为 2 最大转矩为 4 临界转差率为 3 额定转差率为 5 固有机械特性为 取不同的s值 得出对应的Tem值 可绘出固有机械特性曲线 6 转子绕组每相电阻为 7 串入附加电阻的临界转差率为 8 串入附加电阻的人为机械特性为 取不同的s 值 得出对应的Tem 值 可绘出人为机械特性曲线 第二节笼型异步电动机的起动 一 起动要求 电动机的起动指定子接通电网 转速从n 0到n nN 起动要求 1 起动力矩Tk尽可能的大 Tk TL 2 起动电流Ik尽可能的小 不能超过允许值 在满足Tk足够大的条件下 尽量减少Ik 3 起动设备尽可能的简单 二 直接起动 全压起动 直接起动瞬间 n 0 s 1 相当于堵转 直接起动电流大 其危害 1 使电网U降低 影响其它设备运行 主害 2 本身发热严重 绝缘易损坏 由于转子回路的漏感抗相对转子电阻是比较大的 因此起动电流虽大 但其有功分量很小 故起动转矩比较小 一般等于或稍大于额定转矩 可参看机械特性曲线 对于经常起动的电动机 过大的起动电流将造成电动机发热 影响电动机寿命 同时电动机绕组 特别是端部 在电动力的作用下 会造成短路而烧坏电动机 过大的起动电流还会使线路压降增大 造成电网电压显著下降而影响接在同一电网的其他异步电动机的工作 有时甚至使它们停下来或无法带负载起动 因为起动转矩和最大转矩都与电压的平方成正比 电网电压显著下降 可使起动转矩和最大转矩小于负载转矩 一般规定 异步电动机的功率低于7 5kW时允许直接起动如果功率大于7 5kW 而电源总容量较大 能符合下式要求者 电动机也可允许直接起动 但当直接起动电流太大 就需采用降压起动 限制Ik 采取限流措施 一般是采用经电阻 电抗器或自耦变压器 又称起动补偿器 等将压办法 三 降压起动 降压起动 只适合对起动转矩要求不高的场合 降压起动常用的方法有 大型车床 1 定子串电抗起动 2 星 三角起动 3 自耦变压器降压起动 1 定子串联电阻或电抗减压起动 M3 起动 运行 当定子绕组直接加U1N时 定子串电抗后 定子绕组上电压减小为 U1 U1N k 特点 起动设备简单 投资少 起动力矩小 适用轻 空载起动 电抗减压起动通常用于高压电动机 电阻减压起动一般用于低压电动机 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 运行 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 IstY Imax 线路中允许的最大电流 2 TstY TL 否则不能采用此法 Y 起动的使用条件 鼠笼异步电动机的星形 三角形起动试验电路图 注意三角形连接方式 ABC ZXY ABC ABC ZXY ZXY 2 自耦变压器减压起动 2 自耦变压器减压起动 起动 2 自耦变压器减压起动 运行 2 自耦变压器减压起动 定子线电压比 KA 定子相电压比 定子相电流比 2 自耦变压器减压起动 起动电流比 电源电流比 KA2 起动转矩比 KA2 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 Ista KA2Ist Tsta KA2Tst 降压比KA可调QJ2型三相自耦变压器 KA 0 55 0 64 0 73QJ3型三相自耦变压器 KA 0 4 0 6 0 8 1 Ista Imax 线路中允许的最大电流 2 Tsta TL否则不能采用此法 自耦变压器降压比的选择方法 自耦变压器减压起动的使用条件 KA2Ist ImaxKA2Tst TL 第三节绕线异步电动机的起动 一 转子串三相对称电阻起动 转子串电阻后 限制Ik 且增加了Tk 起动过程 转子先串入全部电阻 定子再加额定电压 随着转速的增加 逐步切除电阻 起动完毕 切除所有电阻 1 起动过程 R12 R1 R2 R34 R3 R4 R23 R2 R3 R45 R4 R5 Ta 启动转矩上限 Tb 启动转矩下限 根据 在同一转矩下 转子电阻之比等于转差率之比 基本关系 切换点S不变 可推出各段电阻间的关系 2 各段电阻间的关系 当Tem Ta时 当Tem Tb时 S1 S2 S3 S4 S5 R1 各级电阻关系 若设计加速过程是从n 0开始的 则s1 1 上式为 同理可得到各电阻切换转差率间的关系为 同样可以推出各段电阻关系为 启动电阻分为n级 则 或 式中 sa为固有特性上Tem Ta的转差率 或 S1 S2 S3 S4 Sa R1 Sa 在计算特性曲线时 需要知道转子绕组本身的电阻r2 转子额定电阻R2N与转子的额定电流I2N和转子不转时的感应电势E2N 线电压 有以下关系 该式表明 当转子回路电阻等于R2N时 电动机产生的起动转矩等于额定转矩 在固有机械特性曲线上 当Tem TN时s sN 根据 在同一转矩TN下 转差率之比等于转子电阻之比 有 则有 或 可得 同理有 3 预备级电阻 在实际生产机械的传动中常带有减速器 而齿轮传动中存在有间隙 在间隙未消除的情况下突然加很大的起动转矩 对齿轮是有害的 另外 在有些生产机械中包含有弹性部件 如提升机械中的绳索 在绳索松弛的情况下突然加很大的加速力 在绳索中会产生很大的动态应力 使绳索受到损伤 在这种工作条件下 在正常起动加速之前 需要电动机产生一较小的转矩 使齿轮咬合或使绳索张紧 并逐渐加大起动转矩 为此 还需设计1 2条起动转矩较小的机械特性曲线 称为预备级起动特性曲线 预备级电阻计算 预备级电阻Rpr是根据起动开始所需转矩的大小来确定的 其中 转子额定电阻 转子为额定电阻时 起动力矩 电流 等于额定 4 转子起动电阻的计算步骤 1 根据生产机械的起动要求和电动机容量确定起动电阻的级数 预备级数为i 加速级数为n 2 根据加速度要求 初步确定起动转矩的上限 在没有加速度限制的情况下 可考虑充分利用电动机的起动转矩 选Ta 0 8 0 9 Tmax 3 利用实用公式 根据Ta计算第1加速级的额定转差率sN1 在第1加速级特性曲线上 Tem Ta s s1 1 则 解得 设 则 第 加速级的额定转差率sN1与其临界转差率sm1间的关系为 或 sN1 sN 4 求出公比q 5 求第 加速级电阻 6 确定各级电阻 7 确定各段电阻 8 求平均起动转矩 在加速过程中 起动转矩始终在Ta和Tb之间变动 其平均起动转矩可用算术平均值或几何平均值表示 或 sN1 sN 当Ta被选定后 Tb便是一个确定的值 为 此时 例 一台YR127 8型绕线转子异步电动机 铭牌数据 PN 130kW nN 730r min 2 3 E2N 314V I2N 263A 计算起动电阻 解 1 选用5级起动电阻 m 5 预备级数i 1 加速级数n 4 2 选 3 计算第1加速级的额定转差率 4 确定公比q 5 求第1加速级电阻 6 求各级电阻 7 求各段电阻 8 计算平均转矩 转子串电阻起动特点 1 起动力矩Tk可以调节 最大可使Tem Tmax 2 设备投资大 3 运行较可靠 提升机系统 二 转子串频敏变阻器起动 1 频敏变阻器的结构特点 它是只有原边的芯式变压器 1 匝数少 目的突出rm 2 铁芯用厚钢板组成 目的增加铁耗 rm大 3 B较高 目的突出rm 2 作用原理 起动时f2很大 且I2大B高 限制了Ik 且增加了Tk 随着n 相当于随着转速n升高 转子电阻自动切除 起动完后 将频敏变阻器切除 第四节深槽和双笼异步电动机的起动 笼型异步电动机的优点显著 但起动转矩较小 起动电流大 为了改善这种电动机的起动性能 可以从转子槽形着手 设法利用 集肤效应 使起动时转子电阻增大 以增大起动转矩并减小起动电流 在正常运行时转子电阻又能自动变小 深槽与双笼型电机就是能改善起动性能的异步电动机 一 深槽异步电动机 1 转子槽结构 槽高 槽宽 10 20 2 特点 将转子导体看成小导体并联组成 当有I2时 漏磁通分布如图 底部漏电抗X大 起动时f2很大 转子漏电抗比电阻大很多 I2大小由X决定 由于底部漏电抗X大 I2被挤到槽口 该现象称为集肤效应 电流密度分布如图 由于集肤效应作用 I2被挤到槽口 转子导体的有效面积被减小 转子电阻增加 起动性能改善 随着n升高 f2变小 漏电抗变小 集肤效应消失 I2分布均匀 转子电阻减小 缺点 转子槽深 其漏电抗比普通笼型电机大 二 双笼异步电动机 1 转子槽结构 2 特点 分上下两笼 下笼电阻小 漏抗大 3 工作原理 与深槽异步电动机一样 由于集肤效应作用 I2被挤到上笼 转子电阻增大 起动性能改善 起动时电流主要通过上笼 故上笼称为起动笼 运行时电流主要由下笼通过 故下笼称为运行笼 上笼电阻大 漏抗小 第五节异步电动机的调速 一 调速方法 1 变极调速 2 变频调速 3 变转差率S调速 1 改变定子电压U1调速 2 在定子绕组中串入阻抗 改变Z1调速 3 在绕线式 转子绕组中串入电阻 改变r2调速 4 在绕线式 转子绕组中串入f2 sf1的外加电动势 叫串级调速 二 变极调速 1 调速原理 2 变极方法 1 定子放两套不同p的绕组 2 定子放一套绕组 通过改变连接方法 得到不同p 1 变极接法基本原理 由此可见 得到的极对数成倍地变化 同步转速也成倍的变化 所以这种调速属于有级调速方法 2 三相变极绕组的实用接法 注意 绕组联结改变后 应将V W的两相出线端交换 以保证高速与低速时电动机的转向相同 图a 当定子绕组从一个 变为二个 的并联时 极对数减小一倍 n0增加一倍 若保证定子绕组内额定电流不变 变级调速时 电动机的容许输出功率与转矩的变化关系 输出功率 假设在不同的极对数下 保持不变 则 忽略定子损耗 则电磁功率Pem与输入功率P1相等 转矩为 则 即 这种变极调速是近似恒转矩的 其机械特性如图所示 分析 对图b 即 D联结改为YY联结的变极调速 容许输出是近似恒功率的 约相差13 4 其机械特性如图所示 3 特点 1 变极调速只适用笼型机 其定子绕组p可自动变化 2 设备简单 3 只能调两个或三个转速 4 变级调速也为有级调速 三 变频调速 1 调速原理 2 低于基频变频调速 为了保持 m不变 变f时必须变压 即 Tmax相同 特性平行 m不变属于恒转矩调速 3 高于基频变频调速 高于基频变频调速 应保持U1 U1N不变 f1增加时 m将减小 相当于弱磁调速 调速时保持I2 I2N 则 高于基频变频调速 属于恒功率调速 4 变f调速特点 1 低于基频调速 应保持U1 f1 常数 属于恒转矩调速 2 高于基频调速 应保持U1 U1N 属于恒功率调速 3 机械特性平行 特性硬 调速范围宽 4 效率高 5 控制设备复杂 索道 四 改变定子电压调速 1 调速原理 恒转矩负载时 TL 直到Tem TL 电机n重新稳定n减小 2 机械特性 恒转矩负载 变定子电压U1调速范围小 风机负载 变定子电压U1调速效果明显 五 绕线式转子串电阻调速 1 调速原理 恒转矩负载时 TL 2 机械特性 恒转矩负载 调速前后稳定工作点有 3 特点 串电阻越大 特性越软 稳定性差 2 轻 空载不能调速 3 调速不平滑 4 损耗大 效率低 5 运行可靠 操作简单 六 串级调速的基本原理 串级调速是在异步电动机转子回路中串入附加电动势去代替转子回路串的电阻 避免了绕线式电动机串电阻时 一部分功率白白消耗在电动机电阻上 转子电流为 改变转子电流 从而改变转差率 达到调速的目的 第六节异步电动机的制动 电动状态 制动状态 电动机制动的目的 停车 限速 电动机制动的方法有 机械制动 电磁制动 电磁制动分 能耗制动 发电制动 反接制动 一 反接制动 规定转速正方向 n1如图 当n与n1方向相反则n 0 1 正接反转制动 倒拉反转 用于绕线式电机 低速下放重物 电源接线与正转电动一样 但转子串大电阻 由于转子串大电阻 Temk1 正接反转制动 倒拉反转 机械特性 自然特性与倒拉反转特性上A B点Tem相等 有 注意 倒拉反转工作于第四象限 Tem 0 n1 能量分析 电机仍从电网吸收能量 电机将机械能转换为电能 转子电阻总损耗 2 反接线制动 电机正转时 为了停车 将定子接线任意对调两相 使n1反向 0 从而Tem反向 注意 为了限制电流 反接线同时 转子应串大电阻 改变电机转向 也是改变n1方向 0 0 1 反接线制动机械特性 反接线制动过程 反接线制动在第二象限 n 0时 应断电 否则反转 能量分析 电机仍从电网吸收能量 电机将机械能转换为电能 转子电阻总损耗 二 发电回馈制动 规定电机下放时n为正 电机为正转电动接线 用于高速下放重物 随着n E2s I2s 当n Tem kI2s n n1时 I2s 0 Tem 0 n n n1 I2s 0 Tem 0 随着n E2s Tem I2s Tem TL稳定 发电回馈制动机械特性 发电回馈制动工作于第二象限 n n1 0 s 0 Tem 0 能量分析 电机向电网释放电能 电机将机械能转换为电能 转子电阻总损耗 三 能耗制动 断开交流电 定子任意两相加直流电压 用于准确停车 电机工作于发电机状态 Tem为制动力矩 当n 0时