电机与拖动基础11

1、电机与拖动基础三相异步电动机的起动及起动设备的计算三相异步电动机的起动及起动设备的计算异步电动机定子绕组接入电网后，转子从静止状态到稳定运行状态的过程，称为异步电动机的起动。在电力拖动系统中，通常要求电动机应具有足够大的起动转矩，以拖动负载较快地达到稳定运行状态起动电流不要太大，以免引起电网电压波动过大，而影响电网上其它负载的正常工作。 因此，衡量异步电动机起动性能的主要指标是起动转矩倍数KT=Tst/TN和起动电流倍数KI=Ist/IN 普通的异步电动机 如果不采取任何措施 而直接接入电网起动时，往往起动电流Ist 很大，而起动转矩Tst 不足。三相异步电动机的起动及起动设备的计算电动机机械

2、特性物理表达式而在起动初始，异步电动机转速为n = 0，转差率s = 1，转子电流的频率f2=sf1，转子绕组的电动势sE2，比正常运行时（s=0.010.05）的电动势值大20倍以上，此时转子电流I2很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；其次，由于转子频率很高（f2=sf150Hz），转子漏磁sX2R2，使得转子内的功率因数cos2很小，所以尽管起动时转子电流I2很大，但其有功分量I2cos2并不大，而且，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势E2和与之成正比的主磁通m减小，因此起动转矩Tst并不大三相异步电动机的起动方法一、三相笼式异步电

3、动机的起动方法三相笼式异步电动机有直接起动、减压起动和软起动三种（一）直接起动起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定子绕组，显然，这时起动电流较大，可达额定电流的47倍，根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机甚至可达812倍一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动三相异步电动机的起动方法如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法（二）减压起动减压起动可以有四种方式1电阻减压或电抗减压起动串电阻或电抗起动，即起动时，在电动机定子电路中串接电阻或电抗，待电动机转

4、速基本稳定时再将其从定子电路中切除。由于起动时，在串接电阻或电抗上降掉了一部分电压，所以加在电动机定子绕组上的电压就降低了，相应地起动电流也减小了该起动方法的优点是起动电流冲击小，运行可靠，起动设备构造简单；缺点是起动时电能损耗较多笼式异步电动机定子串接电阻（抗）降压起动时，串接电阻的大小应根据电动机的参数及起动要求来选择计算， 具体计算方法可参阅教材相关内容三相异步电动机的起动方法笼型异步电动机电阻减压起动的原理图笼型异步电动机电抗减压起动的原理图 电阻减压或电抗减压起动，Tst与电压的平方成正比减小， 因此这些方法一般用于轻载起动的场合三相异步电动机的起动方法2、自耦补偿起动自耦补偿起动方

5、法就是利用三相自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流的起动方法自耦变压器的减压原理图异步电动机自耦补偿起动的原理线路图三相异步电动机的起动方法采用自耦变压器降压起动时，自耦变压器的一次侧（高压边）接电网，二次侧（低压边）接到电动机的定子绕组上，待其转速基本稳定时，再把电动机直接接到电网上，同时将自耦变压器从电网上切除由变压器原理，有：起动电流关系：通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为自耦变压器补偿起动适用容量较大的低压电动机减压起动三相异步电动机的起动方法3、星型三角（Y）起动在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子

6、绕组电压与电流都只有三角形联结时的 ，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的 ，而星形联结时两者则是相等的。因此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1/3笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图三相异步电动机的起动方法三相异步电动机的起动方法4、延边三角形起动笼型异步电动机定子三相绕组连接成延边三角形引出9个出线端的定子三相绕组三相异步电动机的起动方法图示为正常运行时为三角形联结的电动机（380/660V）的定子三相绕组，每相绕组的中间引出一个出线端，故定子三相绕组共有9个出线端。如起动时将绕组的1、2、3三个出线端接电源；4、5、6三个出线端分别与三个中间出线端

7、8、9、7相连，如图所示，即成了所谓的延边三角形联结法三相绕组联结成延边三角形时，绕组的相电压低于电源电压，且降低值与绕组的中间引出端的抽头比例有关。因此在起动过程中，将定子绕组联结成延边三角形，可使定子绕组的电压降低，也能减小起动电流延边三角形起动具有体积小、质量轻、允许经常起动等优点，而且采用不同的抽头比例，可以得到延边三角形联结法的不同相电压，其值比星形-三角形换接起动时星形联结法的电压值高，因此其起动转矩比星形-三角形换接起动时大，它能用于重载起动。三相异步电动机的起动方法（三）软起动方法应用自动控制线路组成的软启动器实现笼式异步电动机的无级平滑调速1限流或恒流起动方法。用电子软起动器

8、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转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制起动法类似，其差别在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动5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三相异步电动机的起动方法二、三相绕线式转子异步

9、电动机的起动方法方法有：转子串电阻和转子串频敏变阻器二种方案（一）转子串联电阻起动电动机起动时，变阻器应调在最大电阻位置，然后将定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，均匀地减小电阻，直到将电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷三相异步电动机的起动方法（二）转子串联频敏变阻器起动当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，Rm值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及Rm值跟着下降，使电动机起动平滑频敏变阻器的结构三相异步电动机的起动方法三相异步电动机的起动方法笼式异

10、步电动机起动转矩小，起动电流大。为了改善电动机的起动性能，通过改进其内部的结构，可以获得有较好起动性能的特殊型式的笼型异步电动机，主要有高转差率笼型异步电动机、深槽式异步电动机、双笼型异步电动机等。这些特殊形式的笼型异步电动机的共同特点是起动转矩较大一、深槽异步电动机这种电动机是靠适当改变转子的槽形，充分利用电动机起动过程中转子导条内的“集肤效应”，以达到既改善起动性能又不降低正常运行效率的目的三相异步电动机的起动方法结构上，电动机的槽形窄而深。槽深与槽宽比值为1012使用中转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率f2仅为13Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条

11、电阻变为较小的直流电阻三相异步电动机的起动方法二、双笼型异步电动机这种异步电动机的转子上有两套导条，如图示的上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小双笼型转子的结构与漏磁通三相异步电动机的起动方法起动时，转子电流频率较高，下笼漏抗大，电流小，转子电流大部流过上笼，集肤作用显著。上笼电阻大，流过电流又大，则产生较大的起动转矩上笼称为起动笼对应机械特性曲线T1起动结束，电动机进入正常运行转子频率很小，二笼的漏抗很小，电流在二笼间的分配主要决定于电阻。又机械特性曲线T2合成特性曲

12、线为T双笼异步电动机的机械特性三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算定子串联电阻可以在电动机起动时，减少起动电流。串入的电阻为Rst在电源电压全部加到电动机上，电动机的起动电流为I1st,起动转矩为Tst电动机串入电阻Rst，起动电流变为I1st，起动转矩变为Tst则有：三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算起动时s=1,忽略I0，有I1=I2。得到有关系式：设：得到或按一般电动机的平均数，可令三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算定子绕组为星型联结定子绕组为三角型联结而定子串入对称电阻，电动机减少了起动电流，同时更多减少了起动转矩为使电动机能够起动起来，电动机降低的起动转矩必须大于负载

13、转矩TstTz三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算例：一笼型异步电动机，试就下列二种情况，求定子串接电阻Rst起动电流减小到直接起动时的一半起动转矩减小到直接起动时的一半解：定子星型接法时：三相笼型电动机起动自耦变压器的计算笼型异步电动机采用自耦变压器起动，要选择与电动机的额定电压和功率相当功率的自耦变压器自耦变压器容量PTA(KVA)的计算式:式中Pd电动机额定容量(KVA)KI电动机起动电流的倍数UTA%自耦变压器的抽头电压，以额定电压百分数表示N起动次数t起动一次的时间 电动机起动时，自耦变压器的起动功率为PTAst三相笼型电动机起动自耦变压器的计算例：电动机容量500KVA，若KI

14、=5，按生产机械要求，电动机起动容许最小电压为额定电压的60。设起动次数n=3，每次起动时间t=30s=0.5min试计算并选择自耦变压器（最大起动时间 =2min）解：选择UTA%=65%，将全部已知数据带入计算式，有可以选择电压抽头65时容量大于792KVA的自耦变压器，其最大起动时间为2min三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算三相绕线式异步电动机起动可以通过串入转子电阻的方法，具体电阻值的计算可以采用图解法和解析法图解法：为简化计算，异步电动机的机械特性可视为直线。方程为转子电路串入电阻，最大转矩Tm不变，而临界转差率sm则与转子电路的总电阻R成正比当转矩T一定时（Tm不变），

15、有当一定时，有说明在转矩为恒值条件下，转差率与转子电路的总电阻成正比 三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算起动过程图示一般取T10.85Tmax取T2(1.1-1.2)Tz三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算 为转子每相绕组电阻三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算解析法：由机械特性直线段方程，有说明T与转子电路的电阻成正比。根据上述机械特性图，有在多级（m级）电阻起动时，有三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算令：则有将带入得到三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算若求每极的各段电阻值，则可由相邻二级总电阻值相减，有三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计

16、算例：某生产机械用绕线转子异步电动机拖动，其技术数据为：试用空载起动时的三级起动电阻解：电动机转子每相电阻 为取T1=1.7TN，则三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻的计算每相各段电阻值为三相异步电动机的起动过程研究三相异步电动机起动过程可用图解法和解析法一、图解法异步电动机机械特性非线性变化，机械负载特性非恒定，导致电力拖动系统加速转矩为非线性。图解法研究方便比例法依据将运动方程的微分式，用有限增量比值表示，有当已知，便可求出相应的t三相异步电动机的起动过程令： 为比例尺。用线段长度表示运动方程可见，各比例尺必须有关系:其他三个比例尺系数根据图形尺寸而任意选择，而三相异步电动机的起动过程

17、求解机械特性过渡过程n=f(t)的步骤：作出电动机机械特性T=f(n)和负载机械特性Tz=f(n)作出二者差值Tad=f(n)。将Tad=f(n)曲线用阶梯线段表示定比例尺图示三相异步电动机的起动过程二、解析法以异步电动机空载(Tz=0)起动过程为例当 Tz=0，电力拖动运动方程式为代入机械特性的实用表达式，并考虑到有关系：令三相异步电动机的起动过程式中,sst，sx转差率的过渡过程开始与终了值空载起动时间 求 最短时的 ，令 ，得在空载起动时三相异步电动机的起动过程普通笼型异步电动机的sm=01-0.15。如欲得到较短的起动时间，必须采用电阻较高的高转差率笼型异步电动机三相异步电动机的起动过

18、程例：某机床的主拖动电动机为双速电动机，其技术数据见表。控制线路设计为：起动分两级，第一级为自n=0加速到接近1500r/min，电动机定子绕组接成三角形联结；第二级为自1500r/min左右加速到近3000r/min，定子绕组换接成双星形（YY）联结求第一级的起动时间。设拖动系统的飞轮矩为三相异步电动机的起动过程解：机床的拖动电动机为空载起动 起动时间为三相异步电动机过渡过程的能量损耗对于异步电动机只考虑定子与转子电路的铜耗，其他损耗忽略。对于空载起动、空载能耗制动和反接制动情况进行讨论异步电动机定子与转子电路均有铜耗，则过渡过程的能量损耗为由于 三相异步电动机过渡过程的能量损耗对于空载过渡

19、过程，电力拖动运动方程为(Tz=0) 得到化简则三相异步电动机过渡过程的能量损耗一、空载起动过程电动机的能量损耗空载起动时，sst=1，sx=0，得到空载起动过程电动机的能量损耗Wst二、空载反接制动过程电动机的能量损耗空载反接制动时，sst=2，sx=1，得到空载反接制动过程电动机的能量损耗AT三相异步电动机过渡过程的能量损耗三、空载能耗制动过程电动机的能量损耗空载能耗制动时，机械特性方程为能耗制动时的运动方程式： 得到空载能耗制动过程电动机的能量损耗WT2 异步电动机过渡过程能量损耗公式，R1/R2的比值将影响能量损耗的数值三相异步电动机过渡过程的能量损耗四、减少异步电动机过渡过程能量损耗