《异步电机拖动》

1、第 3 章 异步电动机的电力拖动3.1 三相异步电动机的机械特性 3.2 三相异步电动机的起动 3.3 三相异步电动机的制动 3.4 三相异步电动机的调速 3.1 三相异步电动机的机械特性1. 电磁转矩公式电磁转矩两种表达式转子边功率因数(1) 物理表达式由其中为转矩常数机械特性物理表达式：异步机等效电路及其简化 E1 = E2U1I1R1 jX1jX2 R2I21s R2 sRmjXmI0 E1 = E2U1I1R1 jX1 jX2 R2I21s R2 sRmjXmI0(2) 机械特性的参数表达式(由T型等效电路中略去励磁电流得到)对s求导，由= 0，得: dTds 临界转差率 最大（临界）

2、转矩 +号对应电动状态，-号对应发电状态。若考虑到 ,可得到：由此可见： 当电动机参数和电源频率不变时，最大转矩Tm与电源电压U1的平方成正比，临界转差率SM与电源电压无关，即T (TM) U12 , sM 与 U1 无关。 当电源电压和频率不变时，临界转差率SM与转子电阻成正比，最大转矩与转子电阻无关，即 sMR2 ，TM 与 R2 无关。当电源电压和频率不变时，临界转差率SM与最大转矩都与（x1+x2）成反比例关系。(3) 电磁转矩的实用公式 两式相除机械特性实用表达式：额定电磁转矩 TmTNT =当 过载倍数 若忽略T0，则 = 1 s sM TmT( )2TmT解实用公式方程，可得 根

3、据 s 和 sm 的相对大小，取“”或取“”。 由于 sN sm，则 ( )2 = 1 sNsmTmTNTmTN即有下面的关系 Sm = sN (T T21 ) 小结： 三种机械特性表达式，参数表达式、实用公式主要用于计算。物理表达式用于定性讨论。【例 3.1.1 】 Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n = 1 455 r/min，试问该电动机的负载转矩 TL 是多少？若负载转矩TL = 45 Nm，则电动机的转速 n 是多少？ 由电工手册查到该电机的 PN = 7.5 kW， n0 = 1 500 r/min，nN = 1 440 r/min，T = 2.2。由此求得 n0

4、n n0s = = 0.03 1 5001455 1 500 n0nN n0sN = = 0.04 1 50014401 500解： = 0.04 ( 2.2 2.221 ) = 0.1664 602TN =PNnN602= Nm = 49.76 Nm 7 500 1 440Tm = T TN= 2.249.76 Nm = 109.47 Nm 忽略 T0，则TL = T2 sm s= T = 2Tm ssm = Nm = 38.32 Nm +2 109.47 0.03 0.1660.166 0.03 sm = sN (T T21 )当 TL = T2 = T = 45 Nm 时 = 0.166

5、 1 ( )2 109.47 45 109.47 45= 0.036 n = ( 1s ) n0 = ( 10.036 )1 500 r/min = 1 446 r/minTMTs = sm 1 TMT( )2OMs2. 固有特性 当 U1 、f1、r2、x2 为常数时： T = f (s ) 转矩特性 n = f (T ) 机械特性 当 U1L = U1N 、f1 = fN，且绕线型转子中不外串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。1n0TnO P SNB P AH 额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。B点： n = nN ， s = sN ， T= TN ，P2 = PN。 额定

6、状态说明了电动机 长期运行的能力 TLTN，P2PN，I1IN。(1) 额定状态（B点） nNTNn0TnOB sN = 0.01 0.09 很小， T 增加时，n 下降很少 硬特性。工作段(2) 起动状态（ A 点） 对应 s = 1，n = 0 的状态。 又称为堵转状态。 起动时 T = Tst， I1L = Ist Tst 直接起动的能力。 起动条件 Tst TL。 Ist线路允许值。 起动转矩倍数n0TnOATst KT = TstTN 异步电动机 KT = 0.9 1.3 临界转速 (3) 临界状态（P 点）n0nTOP 对应 s = sm，T = Tm 的状态。nMTm 临界状态明

7、了电动机的 短时过载能力。 过载倍数T =TmTN Y 系列三相异步电动机 T = 2 2.2 临界转差率smsm = sN (T T21 )3. 人为特性(1) 降低定子电压时的人为特性三相异步电动机降压时的人为机械特性nsm0TLUNTstTmaxTn10.8UN0.64Mst0.64Mm(2) 转子电阻增加时的人为特性 根据 sM = r2 /(x1+x2) , Tm 与 r2 无关。r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs11 0TstTmTems n0n1smr2Rs1 Rs2Xs , Rs1Rs1 0TmTsms n0n1xs1TmSmXs , RsTm ,

8、Sm均减小，n1不变 3.2 三相异步电动机的起动 1. 电动机的起动指标(1) 起动转矩足够大 Tst TL Tst (1.1 1.2) TL(2) 起动电流不超过允许范围。 异步电动机的实际起动情况 起动电流大：Ist = k1 IN= (47) IN 起动转矩小：Tst = kmTN = (12) TN 启动电流倍数启动转矩倍数 不利影响 大的 Ist 使电网电压降低，影响自身及其他负载 工作。 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。 起动电流大，起动功率因数低，起动转矩小。2. 笼型异步电动机的直接起动(1) 小容量的电动机（PN 7.5kW）(2) 电动机容量满足如下要求：IstI

9、Nk1 =143 +电源总容量(kVA)电动机容量(kW)优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，起动转矩不大。3. 笼型异步电动机的减压起动(1) 定子串联电阻或电抗减压起动M33 RSS1 FUS2起动运行M3XSS1 FUS23 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）3 UNS1 FUS2U1U2V1V2W1W2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）3 UNS1 FUS2U1U2V1V2W1W2Y 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） 起动S23 UNS1 FUU1U2V1V2W1W

10、2 定子相电压比 U1PYU1PUN 3UN=1 3 定子相电流比 I1PYI1PU1PYU1P=1 3 起动电流比IstYIstI1PY 3 I1P=13 Y 型起动的起动电流 IstY = Ist13 起动转矩比 TstYTstU1PYU1P=13( )2TstY = Tst13 Y型起动的起动转矩 (1) IstYImax （线路中允许的最大电流）；(2) TstYTL 。 否则不能采用此法。 Y 起动的使用条件 (3) 自耦变压器减压起动TA3 UNS1 FUS2M3(3) 自耦变压器减压起动3 UNS1 FUS2TAM3起动(3) 自耦变压器减压起动TA3 UNS1 FUS2M3运行

11、(3) 自耦变压器减压起动AU2变比 电压比 UNU2= KA 定子相电流比 = KAI2stI1st 定子起动电流I1stI2stUNO定子一相绕组N1N2I1st=I2stKA=U2ZkKA=UNZkK2A=I1stK2ATstTstU2UN=1K2A( )2 起动转矩比 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Ist = Ist/KA2 Tst = Tst /KA2 降压比 K=1/KA可调 QJ2 型三相自耦变压器： K = 0.55、0.64、0.73 QJ3 型三相自耦变压器： K = 0.4、0.6、0.8 (1) IstaImax （线路中允许的最大电流）。

12、(2) TstaTL 否则不能采用此法。 自耦变压器减压起动的使用条件 P58 表3-1：降压起动方法性能比较3. 改善起动性能的三相笼型异步电动机(1) 深槽异步电动机 槽深 h 与槽宽 b 之比为：h / b = 8 12漏电抗小漏电抗大增大电流密度 起动时，f2 高， 漏电抗大，电流的集 肤效应使导条的等效 面积减小，即 R2 ， 使 Tst 。 运行时， f2 很低， 漏电抗很小，集肤效 应消失，R2 。(2)双笼型异步电动机电阻大漏抗小电阻小漏抗大上笼（外笼）下笼（内笼） 起动时， f2 高， 漏抗大，起主要作用， I2 主要集中在外笼， 外笼 R2 大 Tst 大。 外笼 起动笼。

13、 运行时， f2 很低 ， 漏抗很小，R2 起主要作用， I2 主要集中在内笼。 内笼 工作笼。Rst1Rst23 M3S1 S2S(1) 起动过程4. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动 串联 Rst1 和 Rst2 起动（特性 a） 总电阻 R22 = R2 + Rst1+ Rst2n0TnOa (R22)TLT2a1a2T1切除 Rst2(1) 起动过程b (R21)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2 合上 S2 ，切除 Rst2（特性 b） 总电阻 R21 = R2+ Rst14. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动 3 M3S1 S2Rst1Rst2S切除 R

14、st1 合上 S1 ，切除 Rst1（特性 c） 总电阻: R24. 绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动 c (R2)b (R21)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2c1c2(1) 起动过程p3 M3S1 S2 Rst1Rst2S(2) 起动级数未定时起动电阻的计算 选择 T1 和 T2 起动转矩： T1 = (0.8 0.9) TM 切换转矩： T2 = (1.1 1.2) TL 起切转矩比 =T1T2 求出起动级数 m 根据相似三角形的几何关系来推导。规律：对同一条特性曲线，转矩比等于转差率之比！T1 n0 nc1TM n0 nMc=sc1sMcc (R2)b (R2

15、1)n0TnOa (R22)T2 T1a1a2TLb1b2c1c2pT2 n0 nc2TM n0 nMc=sc2sMc同理可得：T1TM=sa1sMa=sb1sMb=sc1sMcT2TM=sa2sMa=sb2sMb=sc2sMc因为 sa2 = sb1 ，sb2 = sc1 sM R2 =T1T2=sMasMb=R22R21所以 =T1T2=sMbsMc=R21R2因此有下面的关系 R21 =R2 R22 =R21 =2R2对于 m 级起动，有 R2m = mR2式中 R2m = R2Rst1Rst2 Rstm 于是得到下式：= R2m R2 m因为 sMcsMasc1 = sa1=R2R22

16、= 1R2R22对于 m 级起动，则有 sc1 =R2R2m在固有特性 c 上，有关系 T1TN=sc1sN= TN sNT1 m因此可得 = R2m R2 mm =TNsNT1 lg lg 重新计算 ，校验是否在规定范围内。 求转子每相绕组的电阻 R2R2 = sN U2N3 I2N 计算各级总电阻和各级起动电阻 R21 =R2 R22 =R21 R2m = R2(m1)=2R2 =m R2Rst1 = R21R2Rst2 = R22R21Rstm = R2mR2(m1)(3) 起动级数已定时起动电阻的计算 T1 = (0.8 0.9) TM = TN sNT1 mT2 = T1 ，验算：

17、T2 = (1.1 1.2) TL ，若不满足，重新调整，直到满足要求。 计算各级总电阻和各级起动电阻。R2 = sN U2N 3 I2N【例 3.3.2 】 JR414 型三相绕线型异步电动机拖动某生产机械。已知电动机的 PN = 40 kW，nN = 1 435 r/min，MT = 2.6， U2N = 290 V， I2N = 86 A。已知起动时的负载转矩 TL = 200 Nm ，采用转子电路串电阻起动。起动级数初步定为三级。求各级应串联的起动电阻。解： (1) 选择起动转矩 T1 602TN =PN nN= Nm = 266.32 Nm 6023.14401031 435 TM

18、= MT TN = 2.6266.32 Nm = 692.43 Nm T1 = ( 0.8 0.9 )TM = ( 553.94 623.19 ) Nm取 T1 = 580 Nm(2) 求出起切转矩比 (3) 求出切换转矩 T2T2 = T1 = Nm = 263.64 Nm 580 2.2由于 T21.1TL，所以所选 m 和 合适。(4) 求出转子每相绕组电阻 R2 = = 2.2 266.32 0.043 3580 3 n0 nN n0sN = 1 500 1 435 1 500= = 0.043 3 = TN sNT1 mR2 = sN U2N 3 I2N= = 0.084 3 0.0

19、43 3290 1.73286(5) 求出各级总电阻 R21 =R2 R22 =R21 R23 =R22 (6) 求出各级起动电阻 Rst1 = R21R2 Rst2 = R22R21 Rst3 = R23R22= 2.20.084 3 = 0.186 = 2.20.018 6 = 0.408 = 2.20.408 = 0.899 = (0.1860.084 3) = 0.102 = (0.4080.186) = 0.222 = (0.8990.408) = 0.491 频敏变阻器 频率高：损耗大，电阻大。 频率低：损耗小，电阻小。 转子电路起动时 f2 高，电阻大， Tst 大， Ist 小

20、。 转子电路正常运行时 f2 低，电阻小， 自动切除变阻器。5. 绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动 频敏变阻器 3.3 三相异步电动机的制动M33S11. 能耗制动(1) 制动原理 制动前 S1 合上，S2 断开， M 为电动状态。 制动时 S1 断开，S2 合上。 定子: U I1 转子: n E2 I2 T 为制动状态。nUS2 RbI1FFT T(2) 能耗制动时的机械特性OnT特点： 因T 与 n 方向相反， nT 曲线在第二、 四象限。 因 n = 0 时， T = 0， nT 曲线过原点。 制动电流增大时， 制动转矩也增大； 产生最大转矩的转速不变。I1I1(3) 能耗制

21、动过程 迅速停车MLOnT12 制动原理制动前：特性 1。制动时：特性 2。原点 O (n = 0，T = 0)，a 点 b 点惯性 ab(T0，制动开始)n制动过程结束。 制动效果 RbI1 T 制动快。 制动时的功率 定子输入：P1 = 0，轴上输出：P2 =T0 。 动能 P2 转子电路的电能 PCu2消耗掉。(4) 能耗制动运行 下放重物MLOnM12a a 点 b 点 惯性 (T0，制动开始)bn 原点 O (n = 0，T = 0),在TL作用下 n 反向增加 cc 点(T = TL), 制动运行状态以速度 nc 稳定下放重物。 制动效果： 由制动回路的电阻决定。 转子串联电阻（经

22、验公式）2. 反接制动(1) 定子反相的反接制动 迅速停车3 M33 M3Rb制动前的电路制动时的电路 制动原理TLTL制动前：正向电动状态。 制动时：定子相序改变， n0 变向。OnT1 n02n0 bs = n0 n n0= n0n n0即：s 1 (第二象限)。同时：E2s、I2 反向，T 反向。aca 点 b 点(T0，制动开始)惯性 n c 点(n = 0，T 0)， 制动结束。到 c 点时，若未切断电源，T 将可能反向起动。d相对切割方向改变，转子电势方向变化取决于 Rb 的大小。 制动效果aOnT1n02n0bc 制动时的功率 Pe = m1I22 R2Rb s0 PCu2 =

23、m1(R2Rb ) I22 = PePm = Pe|Pm|0 Pm = (1s ) Pe 三相电能 电磁功率Pe转子机械功率Pm定子转子电阻消耗掉(2) 转子反向的反接制动下放重物On M 1n02bcTLad 制动原理 定子相序不变，转子电路串联对称电阻 Rb。a 点 b 点(TbTL)， 惯性 n c 点 ( n = 0，McML ) 在TL 作用下T 反向起动d 点( nd0，Td = TL ) 制动运 行状态 制动效果 改变 Rb 的大小，改变特性 2 的斜率，改变 nd 。3e 低速提升重物 制动时的功率s =n0nn0第四象限：1 (n0)Pe = m1I22R2Rb s0 PCu

24、2 = m1(R2Rb ) I22 = PePm = Pe|Pm|0 Pm = (1s ) Pe 定子输入电功率 轴上输入机械功率 （位能负载的位能） 电功率与机械功率均 消耗在转子电路中。MnOf1 f1f1 f13. 回馈制动 特点：| n | | n0 |，s0。 电机处于发电机状态。(1) 调速过程中的回馈制动MLabcdMnOYYYMLabcd?变频调速变极调速OnMMLn0n0(2) 下放重物时的回馈制动GRb T3 M3TnTLbac正向电动反接制动dn回馈制动反向电动 0 (nn0) 0 定子发出电功率，向电源回馈电能。 0 轴上输入机械功率(位能负载的位能)。 PCu2 =

25、PePm|Pe | = |Pm|PCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。 制动时的功率s =n0n n0=n0nn0第四象限：Pe = m1I22 R2Rb sPm= (1s ) Pe 制动效果 Rb 下放速度 。 为了避免危险的高速， 一般不串联 Rb。OnMMLn0n0P75 表3-2异步电机三种制动方法的比较3.4 三相异步电动机的调速1. 改变磁极对数 p2. 改变转差率 s 3. 改变电源频率 f1(变频调速)调速方法： n = (1 s) n0 = (1 s)60 f1 p 有级调速。无级调速。1. 电动机的调速指标(1) 调速范围(2) 调速方向(3) 调速的平滑性 平滑

26、系数(4) 调速的稳定性 静差率 D、nN 的关系 (nN = nmax) D =nmax nmin = ni ni1 = 100% n0n n0 TnOn01n02nNnND =nN nN (1) 例如：nN = 1 430 r/min，nN = 115 r/min ， 要求30%、则 D = 5.3。 要求20%、则 D = 3.1。 再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，5%， 则 nN = 3.76 r/min。(5) 调速的经济性(6) 调速时的允许负载 不同转速下满载运行时： 输出转矩相同 恒转矩调速。 输出功率相同 恒功率调速。2. 笼型异步电动机的变频调速

27、U、f 可 变M33整流电路逆变电路50 Hz控制电路 直 流n0TnOn0f1fNU1L= UN n0TnOn0f1f N ， =常数 U1f1 TLTL f1 fN E14.44 f1 kw1N1m = U14.44 f1 kw1N1为保持 m = 常数 = 常数U1f1 因为 n0 f1 ,sM1 f1所以 n = n0nM = sM n0 （不变） TM = KT pU12 2f1X2R2X2sM =( )因为 TM U1 f12所以 TM 不变。 f1fNn0f1n0TnOfNTMTM = KT pU12 2f1X2R2X2sM = f1fN ， U1L = UN（不变） 调频时：f

28、1 m 因为 n0 f1，sM1 f1所以 n = n0nM = sM n0 (不变) TM1 f1 2而且：f1fNn0f1n0TnOfN= 常数 U1f1 因为 m 基本不变， 基本不变。 所以 T = CTm I2N cos2 f1fN 时 恒转矩调速。 P2 = T2U1 4.44 f1 kw1N1 m=T f1 fN 时 因为 U1L = UN 所以 T = CTm I2N cos2 1f11n1 n T n = 常数 恒功率调速。 (1) 调速方向 f1fN 时：n 。(2) 调速范围 D 较大。(3) 调速的平滑性 平滑性好（无级调速）。(4) 调速的稳定性 稳定性好。(5) 调速的经济性 初期投资大；运行费用不大。 (6) 调速时的允许负载f1fN 时：n 。 变频器 优点：(1)