起重机电气控制第四章

1、第五节第五节 三相异步电动机的机械特性及运转状态三相异步电动机的机械特性及运转状态 三相异步电动机的转速三相异步电动机的转速n与转差率与转差率s之间存在一定之间存在一定关系：关系：n=(1-s)n0 ，异步电动机的机械特性用，异步电动机的机械特性用曲线曲线表表示时，习惯上纵坐标同时表示转速示时，习惯上纵坐标同时表示转速n和转差率和转差率s ，横，横坐标表示电磁转矩坐标表示电磁转矩 T 。但三相异步电动机的机械特。但三相异步电动机的机械特性性表达式表达式则一般不用则一般不用n=f（T）或或 s=f（T）的形式，的形式，而用而用T=f（s）表示。表示。 电动机的机械特性是指转速电动机的机械特性是指

2、转速n与转矩与转矩T之间的关系之间的关系n=f（T）。电动机作为一种将电能转化成机械能的）。电动机作为一种将电能转化成机械能的设备，最重要的就是电动机的机械特性。设备，最重要的就是电动机的机械特性。OTnnsTmaxTstTNnNTNTstTmaxTssm1O(a) T=f(s)曲线 (b) n=f(T)曲线nssm1几个基本概念几个基本概念异步电机定子磁场转速异步电机定子磁场转速-同步转速同步转速60sfnpp异步电机的磁极对数异步电机的磁极对数f电源的频率电源的频率60(1)(1)sfnnssps转差率转差率ssnnns异步电机转速异步电机转速-转子机械转速转子机械转速调调速速一、机械特性

3、的物理表达式一、机械特性的物理表达式mTjcosICT22 三相异步电动机的三相异步电动机的转矩公式转矩公式为为：式中式中：CTj转矩系数转矩系数(常数常数) m每极磁通每极磁通(U1不变时近似为常数不变时近似为常数) 22222222XsRRcoscos 222222X)s/R(EI 均为均为 s 的函数。的函数。 U1不不变时变时 近似为常近似为常数。另数。另R2、X2为常数。为常数。12EE 则上式可表征为则上式可表征为 T=f(s)T=f(s) ，即，即机械特性机械特性。从分析转子相电流及转子功率因数从分析转子相电流及转子功率因数 与转差率与转差率 之间的关系，间接之间的关系，间接地找

4、出电磁转矩地找出电磁转矩T与转差率与转差率 s之间变化规律。之间变化规律。 a.作曲线：作曲线：和和 分别如图。分别如图。 b.两条曲线逐点相乘，并乘两条曲线逐点相乘，并乘以常数以常数 ，据此可得机，据此可得机械特性械特性 。 c.纵坐标改为纵坐标改为n(s=0处处n=ns；s=1处处n=0)，得，得 。)s(fcos 2)s(fI 2mTjC )s(fT )n(fT 机械特性方程为一个二次机械特性方程为一个二次方程，则转矩方程，则转矩T必有一最大必有一最大值值Tm ，称为称为最大转矩最大转矩。对对应的转差率应的转差率 sm称为称为临界转差临界转差率率 。令令dT/ds = 0，得：，得：22

5、1212)XX(RRsm 对应的最大转矩值：对应的最大转矩值： 221211211)(2XXRRUmTsm 式中，“”号适用于电动机状态，“”号适用于发电机状态。异步电动机的机械特性具有对称性，即发电机状态和电动机状态的最大转矩绝对值及对应的临界转差率可认为近似相等。 mXXRs212 )(221211XXUmTsm 忽略忽略R1的影响，上式可简化为：的影响，上式可简化为：n 当电源的频率及电机的参数不变时，当电源的频率及电机的参数不变时，Tm与与定子绕组相电压定子绕组相电压U1的平方成正比的平方成正比。sm不变，与不变，与U1无关无关。n 当电源的频率、电压不变时，当电源的频率、电压不变时，

6、Tm和和Sm近似与近似与 成反成反比。比。(频率越高，最大转矩和临界转差率越小频率越高，最大转矩和临界转差率越小) )n Tm与与R2无关无关，而，而Sm则与则与R2成正比成正比。(R(R2 2为转子回路总电阻为转子回路总电阻) )机械特性的定性分析：机械特性的定性分析：XX21 异步电机异步电机稳定运行问题稳定运行问题恒转矩负载恒转矩负载恒功率负载恒功率负载风机类负载风机类负载sn0nNsNnmsm10TNTstTABCDTm机械特性可分为两部分：机械特性可分为两部分：a.a.T TT TN N，S SS SN N部分部分( (图中图中DBDB段段) ) ：近似为直线，任：近似为直线，任何负

7、载均可稳定运行。称何负载均可稳定运行。称为为工作部分工作部分( (稳定运行区稳定运行区) )。b.b.S SS SN N部分部分( (图中图中ABAB段段) ) ：对风机类负载可稳定运行。对风机类负载可稳定运行。而对恒功率、恒转矩负载而对恒功率、恒转矩负载不能稳定运行。有时称为不能稳定运行。有时称为非工作部分非工作部分( (非稳定运行非稳定运行区区) ) 。二、异步电机的固有机械特性和人为机械特性二、异步电机的固有机械特性和人为机械特性1、固有机械特性固有机械特性 三相异步电动机工作在三相异步电动机工作在额定频率、额定相数、额定电压额定频率、额定相数、额定电压下，下，定子绕组定子绕组按规定的接

8、线方式联结按规定的接线方式联结(Y或或)，定子及转子回路，定子及转子回路不不外接任何阻抗或电器元件外接任何阻抗或电器元件的条件下的机械特性称为的条件下的机械特性称为固有机械固有机械特性特性。起动点起动点同步转速点同步转速点最大转矩点最大转矩点额定工作点额定工作点最大转矩点最大转矩点三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性2、人为机械特性人为机械特性 人为地改变电动机的某些参数或电源参数而得到的机械特性，人为地改变电动机的某些参数或电源参数而得到的机械特性，称为称为人为机械特性人为机械特性。 任意改变一个电动机参数：任意改变一个电动机参数：m1、P1、R1、R2、X1、X2或改或

9、改变一个电源参数：变一个电源参数：U1、f1，其机械特性都将发生改变。，其机械特性都将发生改变。 人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。由参数表人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。由参数表达式达式 可知：可知：2212212211)()/(/XXsRRsRUmTs (增大R2) 绕线型电机绕线型电机 Tm、ns不变，与不变，与R2无关。无关。 sm与与R2+R成正比增大，成正比增大，Tst先随先随R2+R增大。当增大。当Tst=Tm时，时，Tst有最大值，如有最大值，如R再增大，再增大，Tst随随R增大而减小。增大而减小。 其特性直线其特性直线部分与直流电部分与直流电机电枢串电阻

10、机电枢串电阻特性相似，可特性相似，可用于电机调速、用于电机调速、起动等。起动等。转子电路内串联对称电阻转子电路内串联对称电阻三、三相异步电机的运行状态三、三相异步电机的运行状态1、电动运转状态电动运转状态 电机有两大运转状态：电动状态和制动状态。取决于电机有两大运转状态：电动状态和制动状态。取决于电机运行时电机运行时T T、n n的关系的关系。特点：特点： T、n同向。同向。即即T、n真实方向相同，按正负判定惯例，则真实方向相同，按正负判定惯例，则T、n同号。同号。在机械特性图中，曲线位于在机械特性图中，曲线位于、象限。象限。能量关系：电机由电网吸收电能，转换为机械能输出。能量关系：电机由电网

11、吸收电能，转换为机械能输出。2、制动、制动运转状态运转状态特点：特点： T、n反向。反向。即即T、n真实方向相反，按正负判定惯例，则真实方向相反，按正负判定惯例，则T、n异号。异号。在机械特性图中，曲线位于在机械特性图中，曲线位于、象限。象限。能量关系：电机由轴上吸收机械能，转换为电能输出能量关系：电机由轴上吸收机械能，转换为电能输出(回馈回馈) ，或消耗于转子回路中；也可由电网吸收电能，也消耗于转子或消耗于转子回路中；也可由电网吸收电能，也消耗于转子回路中。回路中。 制动运行状态中，根据转矩和转速的不同情况，又可分制动运行状态中，根据转矩和转速的不同情况，又可分为：为：回馈制动回馈制动、反接

12、制动反接制动及能耗制动等。及能耗制动等。制动运行制动运行反向电动运行反向电动运行发电运行发电运行电动运行电动运行制动运行制动运行回馈制动运行回馈制动运行发电运行发电运行回馈制动运行回馈制动运行(1)(1)、回馈制动状态、回馈制动状态0 s特点：特点： ， 即为回馈制动。即为回馈制动。snn 特性曲线位于特性曲线位于、象限。象限。 T、n反向，即反向，即制动。制动。 nns，s0，即回馈即回馈。将一部将一部分机械能转换为分机械能转换为电能并回馈电源电能并回馈电源(发电发电)。 电动机运行在第电动机运行在第II象限，如象限，如图图 中的中的A点，点， n0，T0，可称为正向回馈制动运行。可称为正向

13、回馈制动运行。 当异步电动机拖动位能性恒当异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电动机运行于第转矩负载，电动机运行于第IV象限，如图象限，如图 中的中的B点，点，T0， n0，称为反向回馈制动运行。，称为反向回馈制动运行。 对恒转矩负载，不论对恒转矩负载，不论、象限，象限，回馈制动均可稳定运行。回馈制动均可稳定运行。 如在转子回路串入电阻后，转速绝如在转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的对值加大，如图中的C点；串入电阻点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。值越大，转速绝对值越高。一般回一般回馈制动不串电阻馈制动不串电阻。 回馈制动适用于起重机高速下放重回馈制动适用于起重机高速下放重物。物。 回

14、馈制动时仍须接入电网。回馈制动时仍须接入电网。(2)(2)、反接制动状态、反接制动状态1 s特点：特点：n与与ns反向反向， 。特性曲线位于特性曲线位于、象限。象限。 反接制动可分为反接制动可分为转速反向的反接制动转速反向的反接制动和和两相反两相反接的反接制动接的反接制动两种。两种。(a) 、转速反向的反接制动转速反向的反接制动(倒拉反转) 拖动位能性恒转矩负载运行的三相拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机绕线式异步电动机，若在转子回路内若在转子回路内串入一定值的电阻串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值后，如果所串的电阻超过某一数值后

15、，TstI U KI1KI2KVKAKAKVKI1KI2SASA012012 弱磁保护一般由串入电动机励磁回路的欠电流继电器来弱磁保护一般由串入电动机励磁回路的欠电流继电器来实现的。实现的。 五、弱磁和失磁保护五、弱磁和失磁保护例例(1)(1)-运料小车的控制运料小车的控制设计一个运料小车控制电路，同时满足以下要求：设计一个运料小车控制电路，同时满足以下要求： 1. 小车启动后，前进到小车启动后，前进到A地。然后做以下往复运动：地。然后做以下往复运动： 到到A地后停地后停2分钟等待装料，然后自动走向分钟等待装料，然后自动走向B。 到到B地后停地后停2分钟等待卸料，然后自动走向分钟等待卸料，然后

16、自动走向A。 2. 有过载和短路保护。有过载和短路保护。 3. 小车可停在任意位置。小车可停在任意位置。 正程正程逆程逆程电机电机BA运料小车控制电路运料小车控制电路M3A BCKM1FUQ SFRKM2SQ1 、SQ2 为为A、B 两端的限位开关两端的限位开关 KT1 、KT2 为为 两个时间继电器两个时间继电器 主回路主回路KM1FRKM2SB2SB1KM1SQ1SQ1KT1SQ2KT2KM2KM2KM1SQ2KT1KT2SB3动作过程动作过程SB2KM2小车正向运行小车正向运行至至A端端撞撞SQ1 KT1 延时延时2分钟分钟KM2 小车小车反向运行反向运行至至B端端撞撞SQ2 KT2 延

17、时延时2分钟分钟KM2 小车正小车正向运行向运行如此往如此往反运行。反运行。KM1KM1FRKM2SB2SB1SQ1SQ1KT1SQ2KT2KM2KM2KM1SQ2KT1KT2SB3例例(2) -工作台位置控制工作台位置控制起动后工作台控制要求：起动后工作台控制要求： (1) 运动部件运动部件A从从1到到2 (2)运动部件运动部件B从从3到到4(3)运动部件运动部件A从从2回到回到1(4)运动部件运动部件B从从4回到回到3自动循环自动循环BM2AM1SQ3SQ4SQ2SQ11234工作台位置工作台位置控制电路控制电路(1)根据动作顺序根据动作顺序 设计控制电路。设计控制电路。(2)检查有无互锁。检查有无互锁。(3)检查能否正确检查能否正确 启动启动