第6章 三相异步电动机的电力拖动

1、电机与拖动1三三 相相 异异 步步 电电 动动 机机 的的 电电 力力 拖拖 动动第第 6 章章电机与拖动2本章要求 熟练掌握三相异步电动机熟练掌握三相异步电动机机械特性机械特性的概念的概念；自然机械特性和各种人工机械特性的意义及；自然机械特性和各种人工机械特性的意义及其形状；掌握机械特性上几个特殊点的意义及其形状；掌握机械特性上几个特殊点的意义及其使用；会利用其使用；会利用力矩实用公式绘制机械特性力矩实用公式绘制机械特性。 掌握三相掌握三相异步电动机的起动异步电动机的起动方法；并能进方法；并能进行简单的起动计算，行简单的起动计算， 能利用机械特性分析起动能利用机械特性分析起动的物理过程；可根

2、据需要选用合适的起动方法的物理过程；可根据需要选用合适的起动方法； 会判断并排除简单的起动故障会判断并排除简单的起动故障 。电机与拖动3 掌握三相异步电动机常用的掌握三相异步电动机常用的调速方法调速方法；会；会利用机械特性阐述调速的物理过程；掌握调速利用机械特性阐述调速的物理过程；掌握调速计算；能根据需要选用合适的调速方法计算；能根据需要选用合适的调速方法 。 掌握三相异步电动机的各种掌握三相异步电动机的各种制动方法制动方法及其及其应用场合；能利用机械特性阐述电磁制动的物应用场合；能利用机械特性阐述电磁制动的物理过程；掌握简单的制动计算。理过程；掌握简单的制动计算。 掌握三相异步电动机的掌握三

3、相异步电动机的四象限机械特性四象限机械特性 。电机与拖动4 电动机的转速与电磁转矩的关系，即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。称为电动机的机械特性。 在在UN， fN， Ra=0的额定条件下，的额定条件下，n=f(Tem)称称为电动机的固有机械特性（自然机械特性）。在为电动机的固有机械特性（自然机械特性）。在非额定条件下，非额定条件下，n=f(Tem)称为电动机的人工机械称为电动机的人工机械特性。特性。一、自然机械特性一、自然机械特性1、 Tem =f（S）曲线）曲线1)1 (nsn 因为因为 ，所以机械特性，可以，所以机械特性，可以通过通过Tem =f（S

4、） 曲线得到。曲线得到。6.1 6.1 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性电机与拖动5.2Ir1jx1 +-.1U.1Ir2jx2 rss12 电磁功率：电磁功率：Pem=m1 I2 2 (r2 /s)srx) s/ rr (UmP2k2212121em 电磁转矩为：电磁转矩为：kememxsrrsrUfpmPT2212212111)/ (2 电磁转矩参数表达式电磁转矩参数表达式由公式可以得出由公式可以得出Tem=f(s)曲线曲线电机与拖动6由由n=(1-s)n1，可以从，可以从Tem-S曲线，计算出机械特性。曲线，计算出机械特性。Temno o同步点：同步点：s=0,Tem=0

5、;n=(1-s)n1=n1, Tem=0;n1额定点：额定点：s= sN ,Tem=TN;n=(1- sN)n1=nN, Tem=TN;TNnNTk最大值点：最大值点：s= sm ,Tem=Tmax;n=(1- sm)n1=nm, Tem=Tmax;Tmax起动点：起动点：s= 1 ,Tem=Tk;n=(1- sm)n1=0, Tem=Tk;TemSO1smTmaxTksNTN2、n=f(Tem)曲线曲线电机与拖动7由由dT/ds=0，可以求出正、负最大电磁转矩。，可以求出正、负最大电磁转矩。最大转矩对应的转差率最大转矩对应的转差率称为临界转差率，为：称为临界转差率，为：式中，式中，+号适用于

6、电动机状态；号适用于电动机状态；-号适用于发电机状态。号适用于发电机状态。二、机械特性的实用公式二、机械特性的实用公式221211121m)x(xrr2f3pU21T221212m)x(xrrs21222m22m2122212212212112mr2rs)(rs)s(r)sr(r2r)x(x)sr(rs)x(xrr2rTT电机与拖动8如何使用实用公式：如何使用实用公式：必须先知道最大转矩与临界转差率。必须先知道最大转矩与临界转差率。o o)1(ss2Nmssss2TTmmmTemnn1TNnNTkTmaxssmNmTT 为过载能力（倍数）为过载能力（倍数）直线表达式：直线表达式：（仅适用于机械

7、特（仅适用于机械特性的直线段）性的直线段）ssm 且随且随Rc的增加而增加，的增加而增加，但最大转矩但最大转矩Tm不变；不变；sm 1时，时， Ts随随Rc的增加而减小。的增加而减小。Ts0 0n1Tmnsm101sm电机与拖动12 一台三相绕线式异步电动机，已知额定功率一台三相绕线式异步电动机，已知额定功率PN=150KW,额定电压额定电压UN=380V,额定频率额定频率f1=50HZ,额额定转速定转速nN=1460r/min,过载倍数过载倍数=2.3。求电动机的。求电动机的转差率转差率s=0.02时的电磁转矩及拖动恒转矩负载时的电磁转矩及拖动恒转矩负载860Nm时电动机的转速。时电动机的转

8、速。解：解：根据额定转速根据额定转速nN的大小可以判断出同步转速的大小可以判断出同步转速n1=1500r/min,则额定转差率则额定转差率临界转差率临界转差率例题：例题：0.027150014601500nnns1N1N0.118)12.30.027(2.3)1(ss22Nm电机与拖动13当当s=0.02时的电磁转矩时的电磁转矩mN 5743020118011800202981322ssss2TTmmm.电磁转矩为电磁转矩为860Nm时转差率为时转差率为s ,则则ssssT2TmmNs0.1180.118s981.22.32608求出求出02340. s电动机转速电动机转速1465r/min1

9、5000.0234)(1)ns(1nsnn111电机与拖动14一、起动要求一、起动要求电动机的起动指定子接通电网，转速从电动机的起动指定子接通电网，转速从n=0到到n=nN 。起动要求：起动要求： 1） 起动力矩起动力矩Tst尽可能的大；尽可能的大；2） 起动电流起动电流Ist尽可能的小；尽可能的小；在满足在满足Tst足够大的条件下，尽量减少足够大的条件下，尽量减少Ist 。3） 起动设备尽可能的简单。起动设备尽可能的简单。6.2 6.2 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动6.2.1 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动电机与拖动15二、直接起动二、直接起动kI.rkjxk+-NU.

10、 直接起动瞬间，直接起动瞬间，n=0,s=1;相当于堵转。相当于堵转。NKNkIZUI11)74( 直接起动电流大，其危害直接起动电流大，其危害1）使电网）使电网U降低，影响其降低，影响其 它设备运行。（主害）它设备运行。（主害）2）本身发热严重，绝缘）本身发热严重，绝缘 易损坏。易损坏。 直接起动操作简单，当供电变压器的容量足够大，直接起动操作简单，当供电变压器的容量足够大，电网电网U下降不大，可以采用直接起动。但当直接起动电下降不大，可以采用直接起动。但当直接起动电流太大，就需采用降压起动，限制流太大，就需采用降压起动，限制Ik。电机与拖动16三、降压起动三、降压起动21UTem U1Tk

11、 降压起动降压起动,只适合对起只适合对起动转矩要求不高的场合。动转矩要求不高的场合。降压起动常用的方法有：降压起动常用的方法有：大型车床大型车床1）定子串电抗起动；）定子串电抗起动；3）星）星-三角起动。三角起动。2）自耦变压器降压起动）自耦变压器降压起动;电机与拖动171）定子串电抗或电阻起动）定子串电抗或电阻起动XzzUUIIkk111s1s2kk211ssXzzUUTT 显然，定子串显然，定子串电抗器起动，降低电抗器起动，降低了起动电流，但却了起动电流，但却付出了较大的代付出了较大的代价价起动转矩降低起动转矩降低得更多。因此，只得更多。因此，只能用于空载和轻载。能用于空载和轻载。其中，短

12、路阻抗其中，短路阻抗N1NsNkIK3UI3Uz电机与拖动182）自耦变压器降压起动）自耦变压器降压起动设自耦变压器的变比设自耦变压器的变比21NNk 则：则：2sskTT 而自耦变压器原边即电源而自耦变压器原边即电源所提供的起动相电流为：所提供的起动相电流为：21s1s1kTI电机与拖动193）星）星-三角起动三角起动 应用于运行时定应用于运行时定子绕组接成三角形的子绕组接成三角形的三相鼠笼式异步电动三相鼠笼式异步电动机，即起动时，定子机，即起动时，定子绕组星接，起动后换绕组星接，起动后换成角接。成角接。电机与拖动2031UUTT211ss31IIss起动电流与角接法直接起起动电流与角接法直

13、接起动线电流的关系为：动线电流的关系为：起动转矩：起动转矩：电机与拖动21一、转子串三相对称电阻起动一、转子串三相对称电阻起动 转子串电阻后，限制转子串电阻后，限制Ik，且增，且增加了加了Tk 。起动过程：起动过程：转子先串入全部电阻，定子再加额定电压；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；随着转速的增加，逐步切除电阻；起动完毕，切除所有电阻。起动完毕，切除所有电阻。R45 R34 R23 R12 r r2R4R3R2R1Rpr6.2.2 绕线异步电动机的起动绕线异步电动机的起动ik1NkRzUI22TkcosICT电机与拖动22二、转子串频敏变阻器起动二、转子串

14、频敏变阻器起动 频敏变阻器是一个三相铁心线圈，其铁损耗的频敏变阻器是一个三相铁心线圈，其铁损耗的大小与频率的平方成正比。起动过程中，随着转速大小与频率的平方成正比。起动过程中，随着转速升高，转子回路电流频率升高，转子回路电流频率sf1逐渐降低。逐渐降低。 铁心损耗越大，则铁心损耗越大，则Rm越大。开始起动时，越大。开始起动时，s较大，较大，故故f2较大，较大，Rm也较大；随着起动过程的进行，也较大；随着起动过程的进行，s逐渐逐渐变小，所以变小，所以f2变小，所以变小，所以Rm变小。变小。 电机与拖动23起动过程：起动过程：转子串入频敏变阻器；转子串入频敏变阻器；起动完毕，切除频敏变阻器起动完毕

15、，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。，电动机进入正常运行。KKABC频敏变阻器静止无触点，结频敏变阻器静止无触点，结构简单，成本低，所以应用构简单，成本低，所以应用较为广泛。较为广泛。 电机与拖动24一、转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机一、转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机1、转子电阻大，直接起动时的、转子电阻大，直接起动时的起动转矩大，最大转矩也大，起动转矩大，最大转矩也大，但同时额定转差率较大，运行但同时额定转差率较大，运行段机械特性较软，段机械特性较软，2、高转差率异步电动机适用于带、高转差率异步电动机适用于带冲击性负载的机械。这些机械中常冲击性负载的机械。这些机械中常常有机械惯性较大的

16、飞轮，当冲击常有机械惯性较大的飞轮，当冲击负载来到时，转速降落大，由飞轮负载来到时，转速降落大，由飞轮释放出来的动能大，帮助电动机克释放出来的动能大，帮助电动机克服高峰负载。服高峰负载。6.2.3 高起动性能的三相笼型异步电动机高起动性能的三相笼型异步电动机Ts0 0n1Tmnsm101sm121普通鼠笼，普通鼠笼，2高转差率高转差率缺点：转子电阻大，正常运行时效率较低，且价格贵。缺点：转子电阻大，正常运行时效率较低，且价格贵。电机与拖动25二、深槽异步电动机二、深槽异步电动机1、转子槽结构、转子槽结构槽高槽高/槽宽槽宽=10202、特点、特点 将转子导体看成小导体将转子导体看成小导体并联组成

17、，当有并联组成，当有I2时，漏磁时，漏磁通分布如图。通分布如图。底部漏电抗底部漏电抗X大大iL 起动时起动时f2 很大，转子漏电抗比电阻大很多，很大，转子漏电抗比电阻大很多， I2大大小由小由X决定；由于决定；由于底部漏电抗底部漏电抗X大，大， I2被挤到槽口，被挤到槽口，该现象称为集肤效应。该现象称为集肤效应。电流密度分布如图。电流密度分布如图。Jh电机与拖动26电机与拖动电机与拖动 由于集肤效应作用，由于集肤效应作用， I2被挤到槽口，转子导体的有被挤到槽口，转子导体的有效面积被减小，转子电阻增效面积被减小，转子电阻增加，起动性能改善。加，起动性能改善。 随着随着n升高，升高，f2变小，变

18、小，漏电抗漏电抗变小，集肤效应消变小，集肤效应消失，失， I2分布均匀，转子电分布均匀，转子电阻减小。阻减小。 缺点：转子槽深，其漏缺点：转子槽深，其漏电抗比普通笼型电机大。电抗比普通笼型电机大。电机与拖动27电机与拖动电机与拖动三、双鼠笼异步电动机三、双鼠笼异步电动机1、结构、结构转子上装有两套并联的鼠笼。转子上装有两套并联的鼠笼。外笼导条截面积小，外笼导条截面积小，用电阻率较高的黄铜用电阻率较高的黄铜制成，电阻较大；内制成，电阻较大；内笼导条截面积大，用笼导条截面积大，用电阻率较低的紫铜制电阻率较低的紫铜制成，电阻较小。起动成，电阻较小。起动时外笼起主要作用，时外笼起主要作用，运行时内笼起

19、主要作运行时内笼起主要作用。用。电机与拖动28电机与拖动电机与拖动2、特点、特点 比普通异步电动机转子漏电抗大，功率因数比普通异步电动机转子漏电抗大，功率因数稍低，但效率却差不多，起动转矩较大，变更外稍低，但效率却差不多，起动转矩较大，变更外笼和内笼的参数，可以得到不同形状的机械特性。笼和内笼的参数，可以得到不同形状的机械特性。具有较好的机械强度，适用于高转速大容量的电具有较好的机械强度，适用于高转速大容量的电机。机。电机与拖动29电机与拖动电机与拖动调速方法调速方法pf60) s1(n) s1(n11 1、变极调速；、变极调速； 2、变频调速；、变频调速；3、变转差率、变转差率S调速调速1)

20、改变定子电压改变定子电压U1调速；调速；2)在定子绕组中串入阻抗，改变在定子绕组中串入阻抗，改变Z1调速；调速；3)在绕线式，转子绕组中串入电阻，改变在绕线式，转子绕组中串入电阻，改变r2调速；调速； 4)在绕线式，转子绕组中串入在绕线式，转子绕组中串入f2 =sf1的外加电动势，的外加电动势，叫串级调速。叫串级调速。6.3 6.3 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速电机与拖动30电机与拖动电机与拖动电动机生产机械TemnTL电动机生产机械TemnTL 电动状态电动状态 制动状态制动状态6.4 6.4 三相异步电动机的制动状态三相异步电动机的制动状态一、电动运行状态一、电动运行状态 电动

21、运行状态下的电动运行状态下的机械特性：机械特性：电机与拖动31电机与拖动电机与拖动制动方法：能耗制动；发电（回馈）制动；反制动方法：能耗制动；发电（回馈）制动；反接制动。接制动。二、制动运行状态二、制动运行状态 (一一) 能耗制动能耗制动由于定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形由于定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。成一固定磁场。当转子旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中当转子旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流。产生感应电动势及转子电流。根据左手定则，可以确定出转矩的方向与电动机根据左手定则，可以确定出转矩的方向与电动机的转速方向相反，电动机产生的转

22、矩为制动转矩的转速方向相反，电动机产生的转矩为制动转矩1.方法方法电机与拖动32电机与拖动电机与拖动2.电路图及机械特性电路图及机械特性机械特性公式：机械特性公式：ssss2TTmmmT电机与拖动33电机与拖动电机与拖动(二二) 反接制动反接制动1.转速反向的反接制动转速反向的反接制动1)转速反向反接制动电路图转速反向反接制动电路图2)机械特性机械特性 用于稳定下放位能性负载用于稳定下放位能性负载 电机与拖动34电机与拖动电机与拖动3)对转速反向反接制动的说明对转速反向反接制动的说明 转子转速方向与电动状态相反，因此转差率转子转速方向与电动状态相反，因此转差率:1nnnnn)(ns1111转子

23、由定子输入的电功率（电磁功率）为转子由定子输入的电功率（电磁功率）为sRR3IPfa22em转子轴上机械功率为转子轴上机械功率为 s)(1PPem2s 1，P2 为负值，即电动机由轴上输入机械功率为负值，即电动机由轴上输入机械功率转子电路的损耗为转子电路的损耗为2em2PPP所以反接制动时能量损耗极大所以反接制动时能量损耗极大 。电机与拖动35电机与拖动电机与拖动2.定子两相倒相的反接制动定子两相倒相的反接制动 1)定子两相倒相的反接制动电路图和机械特性定子两相倒相的反接制动电路图和机械特性 用于迅速停车或反向用于迅速停车或反向 优点：制动效果强优点：制动效果强缺点：能量损耗大，制动准确度差缺

24、点：能量损耗大，制动准确度差电机与拖动36电机与拖动电机与拖动2)对定子两相倒相的反接制动的说明对定子两相倒相的反接制动的说明 n1 与原转速方向相反（与原转速方向相反（ 即对应于即对应于 原原n1 ） 1nnnnnns1111所以转差率所以转差率: 电机与拖动37电机与拖动电机与拖动(三三) 回馈制动回馈制动1.转向反向的回馈制动转向反向的回馈制动特点是电动机转速高于同步速度特点是电动机转速高于同步速度 此法相当于他励直流电动机此法相当于他励直流电动机的电压反向回馈制动，适于将位的电压反向回馈制动，适于将位能负载以较高速匀速下放。能负载以较高速匀速下放。 具体方法是将定子任意两相对调，使位能

25、负载最具体方法是将定子任意两相对调，使位能负载最后稳定运行于第四象限。为了使下放转速不要太高，后稳定运行于第四象限。为了使下放转速不要太高，通常将通常将Rc切除。切除。 位能负载使转速高于同步速度位能负载使转速高于同步速度 n1 ，即，即 n n1 时，时， s = ( n1- n )/ n1 0，转子感应电动势，转子感应电动势 sE2 反向。反向。电机与拖动38电机与拖动电机与拖动2. 转向不变的回馈制动转向不变的回馈制动此情况发生于电车下坡加速或变极或变此情况发生于电车下坡加速或变极或变频时降速过程中，对应第二象限。频时降速过程中，对应第二象限。机械特性机械特性向量图向量图电机与拖动39电

26、机与拖动电机与拖动3. 回馈制动特点回馈制动特点电机实际转向与同步转速方向一致，且电机实际转向与同步转速方向一致，且1nn 所以所以S0电机一方面从轴上输入机械功率，转换成电功率电机一方面从轴上输入机械功率，转换成电功率后返回电网，即电机处于再生发电状态，但是另后返回电网，即电机处于再生发电状态，但是另一方面电机又得从电网输入滞后的无功功率以建一方面电机又得从电网输入滞后的无功功率以建立磁场才能实现从机械能到电能的转换。立磁场才能实现从机械能到电能的转换。异步电动机定子接异步电动机定子接电容器的接线图：电容器的接线图：电机与拖动40电机与拖动电机与拖动1、三相四极异步机，、三相四极异步机， P

27、1 =10.7KW,pcu1 =450W,pFe =200W,s=0.029求：求：Pem，Pmec,pcu2 ,Tem.2、三相异步机，、三相异步机， PN =260KW,UN =380V,nN =722rpm, m =2.13,求：求：sm;s=0.02时，时，Tem；0.8TN,时时n=?3、三相绕线异步机，、三相绕线异步机， U1N /U2N =380/210V,Y/Y,nN =960rpm,cos 1N =0.89;转子静止时转子静止时,Z2 = r2 +jx2 =0.05+j0.2 ;pcu1=1.5 pcu2, pFe=pcu2 ,忽略忽略p0 。求额定。求额定运行时：运行时：I

28、2N, cos 2N , Tem, PN , I1N , P1N , N 。4、三相绕线异步机，、三相绕线异步机， PN =11KW,UN =380V,IN =30.8A, I2N =46.7A,nN =715rpm; m =2.9.求求1)高速下放高速下放0.8TN重重物时的自然转速物时的自然转速n？串入？串入3r2的附加电阻后的转速？的附加电阻后的转速？2）将额定重物以将额定重物以150rpm下放，需多大的附加电阻？下放，需多大的附加电阻？习题课习题课电机与拖动41电机与拖动电机与拖动解：解：W10050ppPPFe1cu1em W5 .9758P) s1(Pemmec W45.291sPpem2cu NmPTemem64601、三相四极异步机，、三相四极异步机， P1 =10.7KW,pcu1 =450W,pFe =200W,s=0.029求：求：Pem，Pmec,pcu2 ,Tem.电机与拖动42电机与拖动电机与拖动2、三相异步机，、三相异步机， PN =260KW,UN =380V,nN =722rpm, m =2.13,求：求：sm;s=0.02时，时，Tem；0.8TN,时时n=?解：解：0373.0750722750nnnS