电机和拖动基础18

1、教学题目：（章、节）第五章三相异步电动机的电力拖动 1三相异步电动机的机械特性2.三相异步电动机的起动学时数2第11周第1次课教学目标：1. 了解三相异步屯动机机械特性三种表达方式。2. 掌握三相异步屯动机机械特性实用表达式的求取方法。3. 了解三相异步电动机的启动方法。4. 掌握二相异步电动机启动电阻的计算。教学重点与难点：三相异步电动机机械特性实用表达式的求取方法、三相异步电动机的启动方法。教学方式、方法：讲授法、讨论法教学过程：课前复习：检测学生对上节课的掌握情况情况，并对较难知识点做相应的复习，检测学生对本 节课的预习情况，并对机械特性做出相应的提问，让学生带着问题听课，达到有的放矢,

2、 提高本次听课的效率。讲授新课：一、机械特性的表达式（一）、机械特性物理表达式t孑ct2 gs勉（51）（二）、机械特性的参数表达式3pu聲為=r?h1（52）a $）式（5-2）是用电机参数表示的tem = /（5）关系式。等弍右边包含了定子电阻尽、定 子漏抗x"、转子归算电阻尺、转子归算漏抗x2.,这些参数当电机制造成以后就有确定 值，供屯频率/不变时这些参数不变，屯机极对数为常值。这就是三相异步电机的机 械特性参数表达式。固定4、时，可以将tem = f（s）之间的关系画成曲线，称为t-£曲 线，如图51所示。图51三相异步电动机的t-s曲线1. t-s曲线分析从图7

3、-1中可见，异步电动机的机械特性是一条曲线，并且跨i、ii及iv三个象 限。下面就异步电动机的t-s曲线进行分析。(1) 额定工作点b异步电动机工作在额定点b时，电动机的各项参数均为额定值。其特点是，n = nn,s - sn 9 丁阿=tn ,- iin。(2) 起动点a起动点a的转速72 = 0,转差率5 = 1,启动电流为匚，匚=(57)几，对应的电磁 转矩为tsj = tem , 7；称为起动转矩。将$ = 1代入式(52),可得到异步电动机的起动转矩 公式为tsl =.严哉(53)2砒(/?,+/?2)2 + (x1(t + x2a)2由式(5-3)可知：当电源频率/和电动机的参数为

4、常数时，起动转矩7；与定子相电压的 平方成正比。所以电源电压较低吋，起动转矩明显降低。增加转子冋路的电阻斥，可以 增加起动转矩7；。起动转矩7；的大小常用起动转矩倍数表示，即(54)k”反映了电动机的起动能力，是笼型异步电动机的一个重要技术参数，可在产品目 录中查得。起动时，只有当起动转矩7；大于负载转矩近时，拖动系统才能起动。(3) 同步转速点iih点所对应的转速是理想空载转速，即同步转速q。从t-s曲线中可见，h点的特点是77 = /(5 = 0),电磁转矩：=0，转子屯流/2=0,定子电流= /10 o在实际运行中, 没有外转矩拖动电机，电机转速是不能达到厲点的。所以电机的实际空载转速是

5、小于q 的。(4) 最大转矩点p最大转矩点p对应的电磁转矩为异步电机电磁转矩的最大值7；,称为最大转矩。最大转矩7；对应的转差率几称为临界转差率。最大转矩7；可以通过对式(52)中的s求导，并令dtem/ds = 0求出tem=tm时的转差率几,即=±&jr；+(x + x2 界(55)从式(5-5)可见，必仅与电动机的参数有关，与电机电压和转速无关，与转子回路的电阻尺成正比，因此改变转子回路电阻，可以改变产生最大转矩时的转差率几。当 绕线式异步电动机转子冋路串入电阻时，几将变大，当几=1吋，起动转矩ts,=tm.达到 最大。将几代入式(52),即可求得最大电磁转矩7；为(5

6、6)式(56)取正号时，对应于t-s中的p点，是异步电机电动机运行状态时可产生的最大电磁转矩取负号时，则对应图中的p点是发电运行状态时的最大转矩-匚。由 于式(56)中的尺前有正负号，所以7；和-7；的绝对值并不相等，即氐-加。当忽略k时,m =从式(56)可见，异步电动机的最大转矩7；与电源电压s的平方成正比，与电源频率z成反比，但与转子电阻尺无关。当转子回略串电阻时，虽然几变大，但7；保持不 变。在实际使用中，不允许负载转矩兀大于7；。如果电动机所带负载转矩tl>tm,拖动 系统就会减速而停转。为保证不会因短期过载而停转，异步电动机应有一定的过载能力。 过载能力可以用转矩过载系数表示

7、，即kt=(57)tn(5) 稳定运行区域异步电动机的机械特性分为以下两个区域。(a)转差率0必区域。在此区域内转差率s比较小，转矩公式(5-2)可以近似冷尺(58)2冯(巩+叮+卜(x2 + x223川/?2 _3pu；s =2兀疝22砒5从式(5-8) ht见，几与s(n)近似成盲线关系，该区域是异步电动机的稳定区域, 一般情况下异步电机要求运行在这一区域。只要负载转矩小于电动机的最大转矩，电动 机就可以在该区域内稳定运行。(b)转差率几1区域。在此区域内转差率几=1,转矩公式(5-2)可以近似为3pu匹tem = r7 r y"(59)2兀 f、尽+ +(xw + x2 s)3

8、pu： hr -i2(/?,)2+(xic74-x2<t)2j$从式(5-9)可见，厶“与s)近似成反比关系。即s增大时，在该区域为异步电 动机的不稳定区域。但水泵、风机类负载可以在此区域稳定运行。2. 异步电动机在三个不同彖限的运行(1) i象限，电机转速在osvq、转差率在0<5<1的范围内，电磁转矩心为 正值，转了旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，电动机处于电动运行状态。(2) ii象限，电机转速转差率$<0,电磁转矩厶”为负值，转速为正，转 子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，此时，电动机处于发电运行状态，也是一种 制动状态。(3) 在iv象限，电机转速*0、

9、转差率5>1,电磁转矩打为正，转子的旋转方向 与旋转磁场的旋转方向相反，电动机运行于制动状态。4(三) 机械特性的实用表达式(510)异步电动机的实用公式很简单，使用起来也较方便。同时最大转矩对应的转差率几的公式也是很有用的。例一台三相绕线式异步电动机，已知额定功率7=150 ,额定电压un = 380v ,额定频率/=50wz,额定转速 =1460" min,过载倍数kt = 2.3 o求屯动 机的转差率s = 0.02时的电磁转矩及拖动恒转矩负载860n m时电动机的转速。解：根据额定转速®的大小可以判断岀旋转磁场的转速q =150（k/min。则额定转 差率q

10、_ _ 1500-1460 _ °1500- _ 临界转差率 几=几(心 + jk； -1) = 0.027(2.3 + a/2.32-1) = 0.118额定转矩tn =9550 竝9550 旦1460= 981.2n"当5 = 0.02时的电磁转矩2k几=篇事零£ = 7435"加s 匚 0.020.118设电磁转矩为860/v m的转差率s,由实用公式得2k忑代入数据得860：二2x2.3x981.2（由于定、转子回路阻抗没变，所以几不变）上式0.118sm.+s0.118是一个二次方程，解得峙=0.0234, 6=0.596。根据t-s曲线可知，

11、当电机负载转矩860/v-m小于额定转矩q=981.2n"时，对应转差率s也应小于 =0.027。所以$2 =0.596不合题意舍去。电机转速为n = （1 - s、'）q = （1 - 0.0234） x 1500 = 1465r / min二、固有机械特性和人为机械特性1、固有机械特性三相异步电动机在额定电压、额定频率不变，定、转子回路不接入任何电路元件条件 下的机械特性称为固有机械特性。一般讲，对于任一异步电动机，固有的机械特性曲线只有一条。当改变式中任一参数时，就变为一条人为机械特性曲线了。2、人为机械特性三相异步电动机用于电力拖动时，固有的机械特性远远不能满足负载运

12、行的要求， 因此常常需要人为地改变电机的机械特性。人为地改变界步电机的电源电压"、电源频 率士、定子极对数、定子回路的电阻尺、电抗xy和转子回路电阻忌、电抗x"这些参 数中的一个或两个吋，异步电机的机械特性就会发生变化，从而得到不同的人为特性。 下面介绍几种常用的人为机械特性。（1）、改变定子电压的人为机械特性一般情况下，改变定子电压口的大小指的是降低定子电压，这是由于异步电机的磁 路在额定电压下已有些饱和以及电机绝缘的限制，因而不宜再升高电压。下面只讨论降 低定子端电压5时的人为机械特性。在降低定子电压时，电机其它参数均不变。其特点 是：1异步电机的同步转速耳二竺，与电压

13、s无关，可见，不管5降至何值，勺的p大小不会改变。就是说，不同电压5的人为机械特性，都通过4点;2.异步电机临界转差率“血2+（乱+乞丿，与电压5无关，不同电压s的人为机械特性，几相同;3. 异步电机的电磁转矩tem - uf o因此，最大转矩7；以及起动转矩7；都要随s的降图52改变定子电压的人为机械特性(2)、定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性在其它量不变条件下，仅改变异步电机定子冋路电阻，如串入三相对称电阻匕。显 然，定子回路串入电阻，不影响同步转速厲。但是，从式(52)、(53)、(5-5)和(5 6)看出，电磁转矩7；沁起动转矩几、最大电磁转矩7；和临界转差率几都随着定子回路 电

14、阻值增大而减小。在分析计算异步电机定子回路串接三相对称电阻的各种情况时，其 计算公式中的尺代入定子回路的电阻和串接值耳z和(一相值)即可。用绘制固定机械特 性曲线的同样方法，可以画出定子串三相对称电阻人为机械特性，如图53所示。°tem图53 定子串三相对称电阻的人为机械特性三、定子回路串三相对称电抗的人为机械特性异步电机定子回路串入三相对称电抗.时，q不变，但是由式(53)、(55)、(56)可知几、几及7；均减小了，其人为机械特性如图54所示。这种情况一般用于笼 型异步电机的降压启动。图54定子回路串入三相对称电抗时的人为机械特性四、转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性绕线式三

15、相异步电动机转子绕组可以串入三相对称电阻。串入三相对称电阻后"不 变，从式（5-6）看出，最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后，7；不 变。从式（55）看出，临界转差率oe oc 7?2 ,这里凡是包括串接电阻心后的总电阻。 可见转子回路串电阻后，只有几的值随电阻的增加而增加。转子回路串三相对称电阻后 的人为机械特性如图5-5所示。图55转子回路串三相对称电阻的人为机械特性五、笼型异步电动机的起动方法三相笼型异步电动机转子不能串电阻，所以只能采用直接起动、降压起动和软起动。 （一）、三相笼型异步电动机的直接起动直接起动的方法就是将额定电源电压直接接到笼型异步电动机的定子

16、绕组上。这种起动方法操作最简单，不需要另外的起动设备，而冃起动转矩7；比降压起动时大。对于-般笼型异步电动机则有:(5-11)4严k上厂（57）厶“异步电动机这么大的起动电流会引起电网电压下降，造成同一电网其它用电设备 的不能正常工作。一般直接起动只能在7.5rw以下的小功率电动机中使用。当电动机功 率大于7.5ew吋，可用下面经验公式计算起动电流倍数是否满足直接起动的要求，即电源总容量（kv-a） 起动电机功秦（kw）（512）（二）、降压起动当笼型异步电动机功率较大而起动负载转矩较小时，可以进行减压起动。通过降压来限制起动电流/申。界步电机的起动转矩为(513)t =空"&quo

17、t;wf'(/?, + /?2)2+(xi<t + x2j2从式（5-13）可见，起动时降低电压s，起动转矩以成正比减小。所以，对于一个 具体的拖动系统，一定要考虑到减压起动时是否有足够大的起动转矩。下面具体分析四 种降压起动的方法：1.定子串电阻或串电抗降压起动电机起动过程中，在定子电路中串联电阻或电抗，起动电流在电阻或电抗上产生 压降，降低了定子绕组上的电压，起动电流也减小。由于大型电动机串电阻起动能耗太 大，多釆用串电抗进行减压起动。如果用打、亿表示全压起动（直接起动）吋的起动电流和起动转矩，用人、7；表示电压降至s时的起动电流和起动转矩，则有 = k<5st电压降低

18、到/s时，起动转矩降低到tst （ 7；为s时的起动转矩），可见起显然降压起动降低了电流，但却付出了较大的代价转矩降低得更多。例如电压 降至直接起动电压的80%时，降压起动电流和起动转矩分别为0.8匚和0.647；。可见，在 电动机的定子回路串电阻或电抗的起动方法，只适用于轻载起动。2.自耦变压器降压起动由于自耦变压器降压起动时，异步电机的定子电压和起动电流与变压器二次侧相 等，分别为/和厶。设直接起动时异步电机的定子绕组所加电压为s吋，起动电流为匚。通过自耦变压器起动以后，自耦变压器从电网汲取的电流厶为(514)动转矩与起动电流降低同样的倍数，即(515)获得了较好的起动性能，起动电流和起动

19、转矩降低了同样的倍数。串自耦变压器降压起动方法适用于容量较大的低压电动机降压起动，应用广泛，可 以手动也可以自动控制。其优点是电压抽头可供不同负载选择；缺点是体积大，质量大, 价格高，需要维修。3. 星一三角（y）起动y降压起动，是利用三相定子绕组的不同联结实现降压起动的一种方法。使用这 种起动方法的异步电机，在正常运行时是接成形的，而且每相绕组引出两个出线端， 共引出六个出线端。起动时改接成y形，当转速稳定时再接形。直接起动时的线电流/皿与y接降压起动时的线电流/莎的关系为厶工二厶竺二丄 即/ = 11（5-16）b皿33直接起动时的起动转矩7；与y降压起动时的起动转矩7；浮的关系为

20、9;厂扎（5t7）y起动设备简单，价格便宜，因此是首选的起动方法。所以y系列屮，4kw以上 的三相笼型异步电动机，定子绕组都设计成用形接法，以便采用y角起动。4. 软起动上面介绍的三种降压起动方法都是有级起动，所以平滑性不高。现在先进的电子软 起动器以已经逐步取代老式的磁控式软起动器。下面简单介绍几种电子式软起动器的起动方法：1）限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒 定的起动电流，主要用于轻载软起动。2）斜坡电压起动法。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上 升，主要用于重载软起动。3）转矩控制起动法。用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到

21、大线性上升， 起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法。4）电压控制起动法。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动 转矩，是较好的轻载软起动方法。六、绕线式异步电动机起动方法绕线式异步电机可以采用转子电路串接三相对称电阻或频敬变阻器的起动方法，这 种起动方法不仅可以减小起动电流，还可以增加起动转矩，使起动性能大为改善，这是 笼型异步电动机所不具有的特点。下面介绍绕线式异步电机的这两种起动方法。（一）、转子串电阻分级起动转子串电阻分级起动是指：在绕线式异步电机转子冋路串多级电阻，起动吋逐级切除 转子串接电阻的起动过程。图5-6为绕线式异步电机转子串三级电

22、阻的分级起动的接线 图与机械特性。现说明起动过程如下：图56绕线转子电动机串电阻多级起动接线及其起动特性(a)原理接线图；(b)三级起动特性起动时先闭合km接通定子绕组电源，km1、ki2、km3断开，三级起动电阻人“ r&、 3全部串入转子回路，其机械特性如图5-6(b)中曲线1所示。从图中可见，起动转矩 tst = tfll > tn ,如果电机在额定负载7；下起动，此时tstl > tv ,绕线式异步电机拖动负载 转动，转速斤沿曲线1上升。为了追求更大的起动加速度，当起动转矩降到人小 转速升 到b点时，km3闭合，转子回路串接的三相电阻尺3同时被短接，电动机立即切换到

23、特性 曲线2,运行点从b点平移到c点，转速川再沿曲线2上升。当转速升到d点时，切除电 阻/?边。这样电阻逐段切除，电动机逐段加速，直到在固有特性上的a点稳定运行时，起 动过程结束。为了保证起动过程平稳快速，一般使起动转矩的最大值几取(152)7；, 起动转矩最小值：取为(11.2)7；。起动电阻的计算方法可分两种情况：1.当已知起动级数时加和7；时，先按才=丄计算a,然后利用t、=贰计算7；,snt2并校核7； >(1.1-1.2)7；如不满足需修改7,甚至修改加，重新计算a,再校核直至r?c + r? = 2a石大小合适；最后按尺+%g +险)a"凡，计算电阻。r2 + r2

24、em =刃忌 + 略-1)= r2 .2.当已知起动级数时加和7；时，先按a = j込-计算cn再校核是否7； < 0.857；,如不满足需修改人，甚至修改加，直至合适，最后按险 + & = r?a丘+心2 =（尽+心=叭，计算电阻。尼 + rlc.n = gg + m-1）= a，ur2 .例某绕线式异步电动机拖动机械负载，电动机的技术数据为：pn = 40kw ,，2n=615a, kt = 2.6 , nn=1460r/min, e2n = 420v。起动负载转矩 tl = 0.75tv ,求采 用转子串电阻三级起动时各级起动电阻值。解：额定转差率转子每相电阻最人起动转矩q1500,_ sne2n _0.027x42073x61.55 085几=0.85k/.7；=(= 0.1060.85x2.6x7； =2.217；£取 7； =2.217；._ na -nn _ 1500-1460 n0.027x2.217； "2,56起动转矩比4=0.027校核切换转矩1.17； =1.1x0.757； =0.8257；t2>i.ltl ,满足要求计算各级起动特性曲线所需串接的外电阻为/?2ri =/?2(6r-1) = 0.106(2.56 -1) = 0.165qr2c2 = (z?2 += r