第五章三相异步电动机的电力拖动-必修课

1、第五章第五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电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第一节第一节 三相异步电动机的电磁转矩表达式三相异步电动机的电磁转矩表达式 异步电动机的机械特性是由电磁转矩和转差率的关系特性演化而来的。因此首先研究与之相关的异步电动机的各种电磁转矩表达式 。一、电磁转矩的物理表达式一、电磁转矩的物理表达式 TCIT122cos异步电动机的电磁转矩T与主磁通主磁通、转子电流的有功分量转子电流的有功分量成正比，物理意义非常明确，所以称为电磁转矩的物理物理表达式表达式。它常用来定性分析定性分析三相异步电动机的运行问题。 转矩常数

2、电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、电磁转矩的参数表达式二、电磁转矩的参数表达式由相关公式可推得：TPm Irsfpm pUrsfrrsXXem11 22211122112212222, 上式反映了三相异步电动机的电磁转矩T与电源相电压U1、频率f1、电动机的的参数(r1 、r2、 X1、 X2、p及m1)以及转差率s之间的关系，称为参数表达式参数表达式。 当U1、f1及电动机的参数不变时，电磁转矩T仅与转差率s有关，对应于不同s的值，有不同的T值，将这些数据绘成曲线，就是T=f(s)曲线，也称T T - -s s曲线曲线 。电机及拖动基础电机及拖动

3、基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动21,2XXrsm211211max4XXfpUmT三相异步电动机的T-s曲线 (1) 电动状态(0s1) s=0时，T=0当s， s0区间，Ts 221221122112XXsrrfsrpUmT当s继续至s1区间，T1/s 最大转矩点最大转矩倍数 mNTTmax Tm pU rfrrXXst112211221222,过载能力 一般：2.02.2 起动时，s=1，代入公式：起动转矩KTTMstN起动转矩倍数一般：1.82.0 临界转差率 最大转矩 电机及拖动基础电机及拖动基础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T-

4、s曲线 (2) 发电状态(s 1 )转子受外力拖动，nn n1s0，T1磁场反向 snnn111转子反向 111nnns）（对应的T- s曲线是电动状态T- s曲线的延伸 产生的T与n转向相反，起制动作用，此时电机处于制动状态电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 例例5-2 一台三相Y联结的绕线转子异步电动机，其UN=380V，fN=50Hz，nN=950r/min参数r1=r2=1.4，X1=3.12，X2=4.25，不计T0，试求： 1) 额定转矩TN； 2) 临界转差率、最大转矩及过载能力； 3) 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值 (折

5、算到定子侧)。 解解 由nN=950r/min，则对应的n1=1000 r/min 05. 01000950100011nnnsN 1) 额定转矩 略T0，以sN=0.05代入参数表达式，得额定负载时的电磁转矩T=TN 2 21221122112XXsrrfsrpUmTNmNmN4225. 412. 305. 04 . 14 . 114. 350205. 04 . 1)3/380(33222电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 2) 临界转差率、最大转矩及过载能力 临界转差率 19. 025. 412. 34 . 121,2XXrsmmNmNXXfpUm

6、T6 .9325. 412. 35014. 34)3/380(3342211211max最大转矩 过载能力 23. 2426 .93maxNmTT3) 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值（折算到定子侧)据题意srRXXmst2121,97. 5)4 . 125. 412. 3(,221 rXXRst得电机及拖动基础电机及拖动基础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、电磁转矩的实用表达式三、电磁转矩的实用表达式 电机手册和产品目录中的PN、nN、 m等值来计算TTssssmm2max三种异步电动机的电磁转矩表达式应用场合：一般物理表达式适用于定性分析T与1及I2cos2间

7、的关系；参数表达式可分析参数的变化对电动机运行性能的影响；实用表达式适用于工程计算。 Tmax=mTN=9.55m PN /nN )1(2mmNmss式中实际使用时，先根据巳知数据计算出Tmax和sm，再把它们代入实用表达式，取不同的s值即可得到不同的T值了。 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第二节第二节 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性机械特性n=f(T)曲线与T-s曲线的变换关系如下： T- s曲线变换为n-T曲线最大转矩点同步点 一、固有机械特性一、固有机械特性 指三相异步电动机工作在UN和fN下，由电动机本身固有的参数所决定的

8、机械特性。在正常工作情况下,与直流他励电动机一样固有机械特性是硬特性。 起动点电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第二节第二节 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 二、人为机械特性二、人为机械特性 人为机械：人为地改变异步电动机的任何一个参数人为地改变异步电动机的任何一个参数(U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗等)，都可以得到各不相同的机械特性。这些机械特性统称为人为机械特性。人为机械特性。 定性讨论几种人为机械特性的特点。注意：定性画人为机械特性时，只要先定性画出固有机械特性，然后抓住人为机械特性的同步点同步点、最大转

9、矩点最大转矩点、起动点起动点与固有机械特性比较有何变化，最终通过这三个特殊点，定性画出人为机械特性。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 二、人为机械特性二、人为机械特性 Tmax U12降压人为机械特性 2）最大转矩点 nm=n1(1sm)不变 3）起动点Tst U12端电压U1 ，n ；电动机的起动转矩Tst和过载能力(m =Tmax/TN)都显著地下降了，这在实际应用中必须注意。1）同步点若U1 太多，使Tmax1后，Tst随Rp ，反而减小 电机及拖动基础电机及拖动基础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、三相异步电动机的稳定运行

10、区域三、三相异步电动机的稳定运行区域 三相异步电动机的稳定运行区域 最大转矩点到起动点,n=f(T)曲线是上斜的曲线，对恒转矩负载和恒功率负载，不能稳定运行。充要条件：dT/dn(dTL/dn)。下斜的机械特性与恒转矩、恒功率、通风机型负载，都可稳定运行。从理想空载点即同步点到最大转矩点，n=f (T)曲线是下斜特性。 不能稳定运行 能稳定运行电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第三节第三节 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动一、概述一、概述 起动要求：尽可能限制起动电流限制起动电流，有足够大的起动足够大的起动转矩转矩，同时起动设备尽可能简单经济、

11、操作方便，且起动时间要短。 加全压起动时，n=0,s=1，等效电路中的附加电阻(1-s)r2/s=0，相当于电路短路，所以： 起动电流大：起动电流大：I Ist=(57) I IN。起动转矩并不很大，起动转矩并不很大， Tst=(1.82) TN。 Ist大， Z1 ， E1 ， 1；另s=1，X2s=X2最大， cos 2 ，由Tst=CT1I2cos2,得到Tst并不是很大电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、三相笼型异步电动机的起动二、三相笼型异步电动机的起动 1 全压起动全压起动 利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，又称

12、全压起动。 优点优点：起动设备和操作最简单。 缺点缺点：起动电流大、起动转矩不很大。344电源总容量电动机容量IIstN容量较大时满足：采用全压起动小容量的笼型异步电动机，常采用全压起动。 不满足上述经验公式，说明电动机起动电流太大，对电网不利，则采用减压起动。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动例例5-3 一台20kW电动机，起动电流与额定电流之比为6.5，其电源变压器容量为560kVA,能否全压起动？另有一台75kW电动机，其Ist/IN=7，能否全压起动？ 解解 对20kW的电动机 根据经验公式 3443456010420107756533电源总容

13、量电动机容量.该机的全压起动电流倍数小于电网允许的起动电流倍数，所以允许全压起动。对75 kW的电动机 根据经验公式 726. 210754105604344333电动机容量电源总容量 该电动机的全压起动电流倍数大于电网允许的起动电流倍数，所以不允许全压起动。可采用减压起动。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、三相笼型异步电动机的起动二、三相笼型异步电动机的起动2 减压起动减压起动 减压起动的目的是减小起动电流减压起动的目的是减小起动电流，但同时使电动机起动转矩减小(TU12)，对电网有利的，对负载不利。对电网有利的，对负载不利。对于某些机械负载在起

14、动时要求带满负载起动，就不能用这种方法起动，但对于起动转矩要求不高的设备，这种方法是适用的。 常用的方法 定子串电阻或电抗减压起动 自耦变压器减压起动 星/三角(Y/)减压起动 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 2 减压起动减压起动 (1) 定子串电阻或电抗减压起动定子串电阻或电抗减压起动 电动机起动时，在定子电路中串入电阻或电抗，起动完毕切除。串入的电阻或电抗起分压作用，定子绕组上的U1 UN，此时Ist1电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 2 减压起动减压起动 (3) 星星/三角三角(Y/ )减压起动减压

15、起动 适用于正常工作时是联结的三相异步电动机。起动时Y联结，每相电压自然降为1/ 3ststYII3ststTT 3Y/起动线路图 Y起动原理图 限流效果好；但起动转矩也跌得厉害，为原来的1/3。因此只适于空载和轻载起动。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动3.软起动软起动 笼型异步电动机的软起动是使电动机的输入电压从零伏或低电压开始，按预先设置的方式逐步上升，直到全电压结束。 软起动依赖于串接在电源和电动机之间的软起动器软起动器，并以接触器接线相配合。 软起动优点：软起动优点：无冲击电流，恒流起动 ，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整

16、至最佳的起动电流；可重载起动。软起动接线示意图 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4改善起动性能的笼型异步电动机改善起动性能的笼型异步电动机 (1) 深槽式笼型异步电动机深槽式笼型异步电动机 h/b1012 深而窄深而窄 漏漏 磁磁 增增 大大hb 深槽式异步电动机转子导条集肤效应示意图 起动时，s=1，转子频率f2=f1，沿槽底漏抗大，电流挤向槽口，集肤效应集肤效应使导条有效截面,等效r2，Ist ，Tst 。随n 至起动结束，f2渐,集肤效应影响逐渐降低，r2逐渐降到正常值。优点：优点：起动性能改善，可重载起动。缺点：缺点：槽深漏抗大，工作性能中，

17、cos1、m 。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4改善起动性能的笼型异步电动机改善起动性能的笼型异步电动机 (2) 双笼型异步电动机双笼型异步电动机 起动笼（上笼）起动笼（上笼） 导条截面较小导条截面较小（电阻率较大的（电阻率较大的黄铜或铝青铜等黄铜或铝青铜等制成）电阻较大。制成）电阻较大。起动时的集肤效起动时的集肤效应使下笼电抗大，应使下笼电抗大，电流主要流过上电流主要流过上笼，起动电流减笼，起动电流减小，起动转矩增小，起动转矩增大，可重载起动。大，可重载起动。运行笼运行笼 （下笼）（下笼）导条的截面积较大（电阻率较小的导条的截面积较大（电阻率较小

18、的紫铜制成），电阻较小。运行时集紫铜制成），电阻较小。运行时集肤效应消失，电流主要流过下笼。肤效应消失，电流主要流过下笼。 双笼型异步电动机转子槽型及机械特性 电机及拖动基础电机及拖动基础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、三相绕线转子异步电动机的起动三、三相绕线转子异步电动机的起动 对于需要大、中容量电动机带动重载重载起动的生产机械或者需要频繁起动的电力拖系统，不仅要限制起动电流限制起动电流而且还要足够大的足够大的起动转矩起动转矩。这就需要用三相绕线转子异步电三相绕线转子异步电动机动机转子串电阻转子串电阻或或串频敏变阻器串频敏变阻器来改善起动来改善起动性能。性能。 电机及拖动

19、基础电机及拖动基础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、三相绕线转子异步电动机的起动三、三相绕线转子异步电动机的起动 转子串电阻三级起动图转子串电阻三级起动特性 1转子串电阻起动转子串电阻起动起动时，转子串入全部电阻，( r2+Rst)，Ist ，Tst 。常用分级切除电阻(称分级起动)，使起动较平稳。切换转矩 最大起动转矩 负载转矩 如三级起动起动过程：abcdefg最后将稳定运行于固有机械特性的h点。 可见串电阻起动，在可见串电阻起动，在逐级切除电阻的瞬时，逐级切除电阻的瞬时，转矩从转矩从Tst2跃至跃至Tst1，使起动不够平稳。当使起动不够平稳。当不需频繁起动或调速不需频繁

20、起动或调速时，可用频敏变阻器时，可用频敏变阻器起动。起动。电机及拖动基础电机及拖动基础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、三相绕线转子异步电动机的起动三、三相绕线转子异步电动机的起动 2. 转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动 303050mm50mm厚钢片叠压成铁心，铁损大厚钢片叠压成铁心，铁损大起动时，s=1即f2=f1最高，频敏变阻器铁耗pFem最大，对应的等效电阻Rmp也很大。使Ist ，Tst ，获得较好的起动性能。随着n ，s，f2 , 因pFem f 2 ，Rmp (这时sXmp也)，即随n ，自动且连续地减小起动电阻值。当转速接近额定值时，sN很小即f2极低

21、，所以Rmp及sXmp都很小，相当于将起动阻抗全部切除。电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第四节第四节 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 制动目的：制动目的：快速停车、反向或限速 制动特点：制动特点：产生一个与电动机转向相反的电磁转矩 (、象限)制动要求：制动要求：限制制动电流，产生较大制动转矩 制动方法制动方法：能耗制动、反接制动、回馈制动电动状态下的异步电动机 电动状态电动状态：T、n同方向，、象限电动状态电动状态P1 Pem=m1I22r2/s 0P2Pm= T 0s=01吸收电功率，输出机械功率nn1电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步

22、电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动一、能耗制动一、能耗制动断开断开 交流交流接通接通直流直流转子在惯性作用下旋转，切割静止磁场，转子导体感应电动势电流电磁力制动转矩n迅速 。把转子的动能转化为电能消耗在转子回路电阻上，能量耗尽，系统停车能耗制动能耗制动制动电阻Rbk 作用限制制动电流，增大制动转矩异步电动机的能耗制动 三相异步电动机的能耗制动，制动平稳，能准确快速地停车；电机不从电网吸取交流电能，比较经济。 能耗制动机械特性 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、反接制动二、反接制动 1电源反接制动电源反接制动(反接正转)电源反接制动 任意任意对

23、调对调两相两相 n10 ，s1( II象限) E E2 2、s sE E2 2、I I2 2及及T T都与电动都与电动状态时相反，即状态时相反，即T T 起制起制动作用。动作用。制动过程制动过程: :a a b b n n快速至快速至0 瞬时，瞬时，T T0，若不切除电源，电若不切除电源，电机将反向起动。机将反向起动。制动电阻Rbk 作用:限制制动电流，增大制动转矩(Tb Tb)电机即从电网吸取电能，又从轴上吸取机械能，经济性较差。但制动效果优于能耗制动（n=0,T0)P1 Pem=m1I22r2/s 0P2Pm= T 0 ，n1 (IV象限象限 )(1)原理和机特原理和机特过程：过程：a b

24、 n至0 ，Tc0P20都转化为转子回路的铜耗，经济性差。电机及拖动基础电机及拖动基础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、三、回馈制动回馈制动(再生发电制动再生发电制动) 1反向回馈制动反向回馈制动n10，n0， s0 (IV象限) 两相两相对调对调 nn1适用于将重物高速稳定下放(1) 原理和机特原理和机特电机反向起动后电动加速(T0,n0),当加速到等于同步速n1时，虽T=0，但重力转矩的作用，使电动机继续加速至高于同步速( ) IV象限，s0，n0，n0，nn1，sn1，进入回馈制动，在T及TL的共同制动下系统开始减速，从b点到n1的降速过程中都是s0 ，所以是回馈制动过

25、程。从n1至c点，是电动降速过程。 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第五节第五节 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速)1 (60)1 (11spfsnn可得三相异步电动机调速方法：可得三相异步电动机调速方法： l改变电机极对数改变电机极对数l改变电源频率改变电源频率 l改变转差率改变转差率 改变定子电压改变转子电阻转子串转差电动势电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动电源频率恒定电源频率恒定 改变磁场极对数改变磁场极对数p同步转速同步转速n1改变。改变。 转子转速转子转速n跟随改变跟随改变只适用于笼型电动机

26、，因为笼型转子绕组只适用于笼型电动机，因为笼型转子绕组 的极对数是感应产生的，随定子磁场极对的极对数是感应产生的，随定子磁场极对 数改变而自动改变，使两磁场极对数保持数改变而自动改变，使两磁场极对数保持 一致，从而形成有效的平均电磁转矩。一致，从而形成有效的平均电磁转矩。一、笼型异步电动机的变极调速一、笼型异步电动机的变极调速 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动改变绕组连接改变绕组连接 改变电流方向改变电流方向 改变极对数改变极对数 一、笼型异步电动机的变极调速一、笼型异步电动机的变极调速 1变极原理变极原理 三相笼型异步电动机变极时一相绕组的接法 设

27、定子每相绕组都由两个完全对称的设定子每相绕组都由两个完全对称的“半相绕组半相绕组”所组成所组成 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动一、笼型异步电动机的变极调速一、笼型异步电动机的变极调速 2 两种常用的变极方案两种常用的变极方案 变极同时， 任两相出线端对调，保证电动机的转向不变。适用于电梯、传输带类恒转矩负载调速适用于车床切削等恒功率负载调速 三相笼型异步电动机常用的两种变极接线 每相顺串，再每相顺串，再Y Y联结联结每相每相反并反并每相顺串，再每相顺串，再联结联结Y联结联结等效等效YY等效等效YY每相每相反并反并Y联结联结电机及拖动基础电机及拖动基

28、础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、二、 变频调速变频调速U1E1=4.44f1N1kN11 结果：结果：铁心严重饱和, I0急剧增大，其后果是导致功率因数降低、损耗增加，效率降低，从而使电动机的负载能力变小。 改变电源频率，可以平滑调节同步速n1，从而使电动机获得平滑调速。 由1 变频与调压的配合变频与调压的配合 若f ,U1不变, 1 基频以下调速 UfUf1111常数基频以上调速 变频时1保持不变 U1 UN f , 1 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动二、变频调速二、变频调速 2变频调速时的机械特性变频调速时的机械特性三相异

29、步电动机变频调速机械特性 基频以下时 ,U/ f =常数同步点 n1f1 最大转矩点 常数2121max/ fCUT常数pfLLfrnsnmrm1 211,2160)(2 起动转矩点 Tst1/f1基频以上时Tmax， Tst 电机及拖动基础电机及拖动基础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、绕线转子异步电动机转子串电阻调速三、绕线转子异步电动机转子串电阻调速 绕线转子异步电动机转子串电阻后同步速不变，最大转矩不变，但临界转差率增大，机械特性运行段的斜率变大。在同一负载转矩下所串电阻值越大，转速越低。串电阻值越大，转速越低。 绕线转子串电阻的机械特性调速过程：调速过程：设电动机原

30、来运行于固有机械特性的a点，串入Rp1后，I2 ，T ，TTL，n ，s ，sE2 , I2和T 至T=TL时，电动机达到新的平衡状态，并在比na低的新转速nb下稳定运行。 gpsrsRr22计算：计算：（恒转矩负载）（恒转矩负载）电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动四、绕线转子异步电动机的串级调速四、绕线转子异步电动机的串级调速 串级调速：为了改善绕线转子异步电动机转子串电阻调速中低速时效率低的缺点，将消耗在外串电阻上的大部分sPem送回到电网，提高系统的运行效率。 1 串级调速原理串级调速原理 串级调速是指在转子上串入一个和转子同频率的附加同频率的附加电动势电动势Ef去代替原来转子所串的电阻。 (1) Ef与E2s反相时 (2) Ef与E2s同相时 I2fI2TTLn s sE2 I2f T T=TL若平滑地调节Ef，则就能平滑地调低速度调低速度 若平滑地调节Ef，则就能平滑地调高速度调高速度 电机及拖动基础电机及拖动基础三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动四、绕线转子异步电动机的串级调速四、绕线转子异步电动机的串级调速 晶闸管串级调速原理