电机原理与拖动(一)新教材-第4章

电机原理与拖动（一）东北大学边春元2015.03内容介绍变压器交流电机基础及三相异步电动机电磁理论基础知识绪论三相异步电动机的电力拖动第四章三相异步电动机的电力拖动第一节电力拖动的基础知识第二节三相异步电动机的3种机械特性表达式第三节异步电动机固有机械特性和人为机械特性第四节三相笼型异步电动机的起动第五节三相绕线式异步电动机的起动第六节三相异步电动机的调速第七节三相异步电动机的运行状态第八节异步电动机拖动系统的过渡过程及能量损耗一、电力拖动系统的运动方程第一节

电力拖动的基础知识式中：

J——转动惯量（kg·m2）

d

/dt——角加速度

J(dΩ/dt)——惯性转矩*TL——总负载转矩，包含T0

忽略T0，则

TL=T2正方向规定Te与n同向TL与n反向飞轮矩(N·m2)∵J=mρ2Gg=D2（）2GD24g=旋转部分的质量（kg）回转半径(m)GD24gJ=Ω=2πn60Te-TL=GD2dn375d

t重力加速度二、

负载的机械特性

n=f(TL)●

转速和转矩的参考方向：OTen+TL－TL1、恒转矩负载特性(1)

反抗性恒转矩负载特性：nTeTL●由摩擦力产生的。●当

n＞0，TL＞0。●当

n＜0，TL＜0。●如机床平移机构、压延设备等。OTenOTen(2)位能性恒转矩负载特性：●由重力作用产生的。●当

n＞0，TL＞0。●当

n＜0，TL＞0。●如各种起重机。2、恒功率负载特性●

TL

n=常数。●

如机床的主轴系统等。●

TL∝n1OTen3、风机泵类负载特性●

TL∝n2●

TL

的始终与n的方向相反。●

如通风机、水泵、油泵等。OTenT0TL=T0+kn2实际的通风机负载三、电动机的机械特性1.机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即机械特性负载机械特性电动机机械特性固有机械特性人为机械特性2.运行状态：转速n、转矩T都有正、负值,要选定参考正方向。电动：转矩与转速的方向一致制动：转矩与转速的方向相反3.四象限运行：电动机的固有机械特性a）他励直流电动机b）异步电动机e）同步电动机工作点：在电动机的机械特性与负载机械特性的交点上。稳定运行:即：Te－TL=0运动方程:Te－TL＞0→加速Te－TL＜0→减速n=常数过渡过程:四、电力拖动系统稳定运行的条件n0TenOTLab干扰→n↓稳定运行点不稳定运行点→a点→Te↑→n↑→Te↓b点:a点:干扰→n↓→Te↓干扰→n↑→Te↑→n↑↓→n=0→堵转→n↓↑→a点稳定运行的充要条件:dTedn＜dTLdn→Te＞TL→Te

=TL→Te＜TL→Te＞TLTe＝TL，且n0TenO工作段自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。a点→TL↑直至新的平衡TLaTL'

a'点a'Te－TL

＜0→n↓●

电动机的自适应负载能力电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整——自适应负载能力。→I2↑→Te↑I1↑→P1↑如:柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。五、调速方式及调速性能指标

（一）电动机的调速方式（1）恒转矩调速方式以电动机在恒定，其电磁转矩也各种转速下都能充分利用为条件，如果电动机调速过程中，保持电机电流恒定，也就是说其电磁转矩T与转速n之间无关，这种调速方式称为恒转矩调速方式，如直流电动机电枢串入电阻调速和降压调速、三相异步电动机的恒磁通变频调速均属于恒转矩调速。（2）恒功率调速方式以电动机在恒定，其电磁转矩也各种转速下都能充分利用为条件，如果电动机调速过程中，保持电机电流恒定，其电磁转矩变化，且电磁转矩T与转速n的变化之间存在“”的关系，这种调速方式称为恒功率调速方式，如直流电动机的弱磁调速即恒功率调速。（二）调速性能指标1.调速范围

D=nmax

nmin

=ni

ni-14.调速的稳定性——静差率δ=×100%n0－nN

n0

=×100%

△nN

n02.经济性——主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。3.调速的平滑性——平滑系数TenOn01n02TNnmaxnmin※重型铣床的进给机构：D=300(2~600r/min)

第二节异步电动机的3种机械特性表达式定义:

当定子电压、频率及绕组参数都固定时，电动机的转速与电磁转矩之间的函数关系n=f（T）。因S=（1-n/n1）使机械特性呈非线性，故常写成T=f（s）形式。物理表达式

T=f（s）参数表达式实用表达式物理表达式表达式曲线

图6-1：图6-2：图6-3：机械特性曲线（图6-4）参数表达式推导（“Γ”型等效电路：图5-45、46、48）机械特性曲线（图6-4）象限分析与说明特定点同步运行点

临界点（最大转矩点）临界转差率

临界（最大）转矩

讨论

Tmax与r2无关

U1、f1恒定，

起动转矩：

（绕线式：转子外串电阻加大起动转矩）

起动点（s=1）讨论

改变r2

，可以改变Tst；（绕线电机：转子外串电阻可加大起动转矩；电网不允许（大功率）电机直接起动（（1-s）/s=0，功率因数低：0.3），否则影响其它设备的正常运行）：图5-45~48额定点（s=sN（n=nN），T=TN）实用表达式（不依赖于电机参数，根据产品目录给出的数据进行计算）

推导

注意：

（符合实际）

分析

：

实用表达式

：

产品目录给出：s=f(T)：sm的求法：n=f(T)：机械特性的计算：先求sm和Tmax

（通常取“+”）

机械特性的线性化

固有（自然）机械特性条件：定子电压：额定频率：额定定子绕组接线：按规定接线转子绕组：短接固有机械特性和定子电流示意图固有机械特性sn0sN1TNTkNTmaxTABCDSmIkNI1特殊点额定工作点：最大转矩点：堵转转矩：堵转电流：堵转点：起动转矩倍数：起动电流倍数：笼型铭牌给出：和，绕线式不给。机械特性参数表达式和实用表达式的计算参数表达式：实用表达式：直流机（电磁转矩）：额定转矩：异步机（输出转矩）：计算举例：异步机，求：1、机械特性表达式；

2、已知：T，求：s和n。

基本计算：（额定点）（转矩最大点）机械特性表达式：（实用表达式）

（实用表达式）已知：T，求：s和n。

方法一：方法二：线性化条件练习：实际固有机械特性（图6-6

）讨论：低速（sm<s<1）时，公式计算的机械特性与实际特性曲线存在较大偏差，原因在于：定、转子电流大，槽磁动势大，漏磁路饱和，定、转子漏抗值减小；此外，s=1时，转子导条的挤流效应（转子阻值增大）。存在寄生转矩：气隙高次谐波磁场与转子电流作用产生的一系列谐波转矩。“蠕动”问题：Y系列笼型异步电动机设计要求最小转矩人为机械特性从参数表达式出发：降低定子电压的人为特性

（图6-7

）方法：（不允许：磁饱和（磁化曲线和“恒压系统”），绝缘）特点：同步转速n1=60f1/p不变；临界转差率sm与定子电压无关；

最大转矩：初始起动转矩：机械特性图组（图6-8）定子串三相对称电阻（电抗）的人为特性特点：同步转速n1不变；临界转差率sm、Tmax与Tst随外串电阻（电抗）的增大而减小。机械特性图10TmaxTsms

n0n1Tmaxsm转子串三相对称电阻（绕线式）接线：图6-10特点：同步转速n1和Tmax不变；临界转差率sm与Tst随外串电阻的增大而增大。机械特性图组（下页）讨论：转子串入电阻，为保证T=C（0<T<Tmax），有：三相异步电机转差率的比例推移法：转差率与转子回路电阻成正比的规律r2+Rc3Tst2sm2r2+Rc2Tst1sm1r2+Rc110TstTmaxTs

n0n1smr2B

AC

D

外串电阻的计算：转子每相绕组电阻r2

的估算（依据：sN<<1，

r2

>>sNx2）（转子绕组Y接）E2N

：转子额定电动势（转子开路线电势）；I2N

：转子额定线电流。人为机械特性的应用示例转子串电阻起动（图6-24

）转子反向的反接制动（图6-51

）第四节笼型异步电动机的起动关于起动绕线式：起动可调到最佳笼型：Ik大，电网可能不允许；Tk不大，降压时Tst更小（满足电网），适于轻载起动。（直接起动）特殊笼型：深槽、双笼、高滑差。（起动转矩大）笼型电机起动的要求满足：电网（希望Ik小）和负载（希望Tk大）。电网对起动电流的要求如果不满足要求，应降低起动电流。办法：负载对起动转矩的要求

要求：

如果不满足要求，应加大起动电流。图6-6问题：蠕动要求：

KV：电压波动系数（0.85~0.95）；Ks：加速转矩系数（1.15~1.2）。结论：良好起动，以上两项要求应权衡。直接起动一般，首选直接起动。7.5kW以下电机可以直接起动。现代设计的笼型异步电动机：根据直接起动的电磁力和发热设计其机械强度和热稳定性。减压起动不满足电网要求时采用减压起动。基本问题（减压时的起动电流）设U为电机端电压I0很小（可以忽略）得初始起动电流：堵转电流：电机电流减小：（减压系数）

希望：只要

，就满足

达到减小起动电流的目的。

定子串电阻、电抗接线图（图6-14）（小电机：串电阻，大电机：串电抗）原理（等效电路见教材图6-15）：

电阻和电抗的计算

确定减压系数：

要求：

设电网允许：

（或）计算：

解得：同理：

rk和xk可根据铭牌进行估算：

定子串阻抗的特点：适用于空载或轻载起动。

起动

（6端子电机）接线图：教材图4-20：K1、K3闭合（降压起动）K3断开、k2闭合（正常运行）。由教材图4-21可看出加到一相的电压不同。

星形起动时,初始起动电流为如用三角形起动时,初始起动电流为因此有减压系数UUNIstWVUWVUNUUNIstWVUWVUNIKN（a）（b）特点：优缺点：起动电流小（对电网）、设备简单、价格便宜、操作方便；起动转矩小，降压系数不可调；仅适合于30kW以下的小功率电动机空载或轻载起动。自耦变压器起动

教材图4-22为接线图，教材图4-23为一相电路。减压系数：自耦变压器变比：电机电流：

忽略变压器空载电流：

设电压比为kA=N1/N2减压系数α=U/UN=1/KA电动机的起动电流电网供给的初始起动电流初始起动转矩优点：起动电流较小，起动转矩较大。UNUN1N2IstIst特点：优缺点：教材P123工业自耦变压器抽头比：0.8、0.65。总结：教材P123表4-1

例4-2(看一下)

四、笼型异步电动机的软起动

软起动器通常利用其特性，采用如下3种起动方式。（1）电压斜坡软起动。起动电机时，软起动器的电压快速升至某一设定初值，然后在设定时间内逐渐上升，电机随着电压上升不断加速，达到额定电压和额定转速时，起动过程完成。主要用于重载软起动。（2）限流起动。起动电机时，软起动器的输出电压迅速增加，直到输出电流达到限定值，保持输出电流不大于该值，电压逐步升高，使电动机加速，当达到额定电压、额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流，起动过程完成。该方式用于某些需快速起动的负载电机。（3）斜坡限流起动。起动电机时，输出电压在设定时间内平稳上升，同时输出电流以一定的速率增加，当起动电流增至限定值时，保持电流恒定，直至起动完成。该方式适用于泵类及风机类负载电机。五、改善起动性能的三相异步电动机1、深槽异步电动机转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率仅为1～3Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻2、双笼型异步电动机双笼异步电动机的机械特性双笼型转子的结构与漏磁通这种异步电动机的转子上有两套导条，如图11-13a所示的上笼与下笼，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。第五节绕线转子异步电动机的起动分级起动理想起动特性（图6-24

）内容：什么是理想起动特性函数公式起动级数已知和未知，转子电阻算法例题4-3串频敏变阻器起动原因：串电阻分级起动结构复杂、维护量大。起动转矩改善（教材图4-29）。（在起动过程中，能保持较大的起动转矩）

第五节绕线转子异步电动机的起动

对于大功率重载起动的情况，或频繁起制动，一般采用绕线转子异步电动机，转子串电阻或转子串频敏变阻器起动，以限制起动电流和增大起动转矩，缩小起动时间减少电动机发热。一、转子串三相对称电阻分级起动一般采取分级切除起动电阻的方法，以提高平均起动转矩和减小电流与转矩的冲击。起动过程最大起动转矩T1<0.9Tmax切换转矩T2>TLJ点为起动结束后的稳定运行点.T=TL起动电阻计算依据如已知sm和该机械特性上某点的转矩T,则对应的sT1TLT2TSn10gecbdfjR1R2R3r2Tmaxa即T=T1时T=T2时σ---为转矩函数由特性1可知a点的sa=sm1σ1,在b点sb=sm1σ2,因此有对特性曲线1及2,当T=T1时,按比例推移关系可知:考虑到sb=sc,则同理可推导出转子回路总电阻之间存在等比级数关系,公比为q.转矩函数比如起动为m级,则各起动级转子回路总电阻为q的计算:在g点和a点,按比例推移关系可知在固有特性上,sg和sN之间有由上两式可知为T=TN时的转矩函数计算起动电阻的步骤:1.已知起动级数m(1)计算sN,σN及TN(2)确定σ1,一般取最大起动转矩T1=(0.8---0.9)(3)计算q(4)校验切换转矩T2.(5)计算各级总电阻R1---Rm以及各段电阻

rc1---rcm.2.级数m尚没确定(1)确定T1和T2并计算σ1和σ2及q=σ1/σ2(2)计算m(3)按m计算q并校验T2(4)按校验通过的q计算各级起动电阻.m凑整后为m二、转子串频敏变阻器起动其为电阻大小随转子频率（或转速）自动变化而不必逐级切除电阻而实现无级起动的起动设备。结构：是由厚钢板叠成铁心，在铁心柱上绕有线圈的电抗器。特点：漏电阻Rm大与频率成正比。不足之处：功率因数低、起动转矩较小，最大转矩有所下降。适用于频繁起制动的机械。第六节异步电动机的调速调速方法转差功率消耗型：变s

转差功率回馈型：串级调速（转子串电阻的改进），η高

转差功率不变型：变p、变f，η高

转差功率:对于变s:变极调速原理异步机极数是定子绕组结构决定的（笼型）两个“半”绕组顺串（图6-28）：多级（低速）两个“半”绕组反串或顺并（图6-29）：少级（高速）变级（改变接法时，应同时变相序）？p=1，空间角度（α）：0、120、240p=2，空间角度（α）：0、240、480（120）（反转）变极前、后、转矩和功率关系气隙磁密电磁转矩输出功率接线举例YY/Y联结（图6-30

：改变相序）恒转矩调速

YY/D联结（图6-31

：改变相序）接近恒功率调速

变级调速：分级调速；电机工艺复杂，不经济。变频调速VVVF、DTC、矢量控制（SPWM、SVPWM）恒磁通变频的概念恒磁通变频：基速的提法基速：电机额定速度基速以下，恒转矩调速，U1与f1协调控制；基速以上，恒功率调速（弱磁调速），E1/f1=C时的人为特性恒磁通调速

讨论：分析人为特性的方法：Δn特性平行

Tmax机械特性曲线（教材图4-36）容许输出（恒转矩）功率因数U1/f1=C时的人为特性（近似恒磁通调速）忽略ΔnTmax讨论：机械特性曲线（教材图4-36）电压补偿（也称转矩补偿）：低速特性变坏（？）5038010370

5381028（应为37）

5471037（补偿）

向基频以上调节的变频调速当f1>fN时，要保持φm=C，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。办法：保持U1=UN，这样f1↑，φm↓，相当于弱磁调速。TmaxΔnm机械特性

教材图4-37特点：运行段近似平行；Tmax∝1/f12。PM不同频率，s变化不大，近似恒功率调速。真正恒功率条件：

变频调速特点

：基频以下，恒转矩调速；基频以上，恒功率调速；机械特性基本平行，硬特性，调速范围宽，转速稳定性好；运行时，s小，转差功率损耗小，效率高；可连续调节，能实现无级调速。

降低定子电压调速机械特性：（图6-8）特点：同步转速n1不变；sm不变；同一转速下：T∝U12，调速范围小。

为了改善D，绕线式电机可加大转子外串电阻（教材图6-11可以看出特性变软），（图6-36可以看出特性变软后，调速范围变大）。低速稳定性差（采用高滑差电机，特性软）。改进：速度闭环

性能分析：恒P？恒T？（都不是）（机械特性图）

充分利用，又不过热，即

恒转矩：

T与n无关；恒功率：

变极调压调速：结合变极调速的优点（ps小），可以改善调速性能。转子串电阻调速（绕线式）机械特性：特性变软（图6-24）缺点：η低；低速稳定性差。调速性能：性质根据比例推移，

恒转矩性质

效率：低速时，效率低

串级调速（ps回馈型）转子回路串附加电动势时的等效电路：（教材图4-41）功能：转差功率回馈电网方法：条件

由机械特性可知：从空载到额定负载，s变化不大。同频：同相或反相同步转速以下调速（次同步串级调速）超同步串级调速（技术不成熟）功率关系（看一下）：

六、笼型异步电动机的电磁转差离合器调速..1）电磁转差离合器的结构和工作原理电磁转差离合器调速系统是在鼠笼式异步电动机轴和负载之间串接电磁转差离合器（又称电磁离合器），通过调节电磁转差离合器的励磁来改变转差率进行调速。异步电动机本身并不调速，调节的是离合器的输出转速。电磁转差离合器的基本作用原理就是基于电磁感应原理，实质上就是一台感应电动机。.2）电磁转差离合器的机械特性式中，n0——笼型异步电动机的转速；

n——电磁转差离合器从动部分的转速；

T——电磁转差离合器的转矩；

K——与电磁转差离合器类型有关的系数；

If——直流励磁电流。转差离合器调速原理示意图：（

教材图4-44）效率低，低速稳定性差。第七节三相异步电动机的运行状态概述电动（0<s<1）特性：(1、3象限)特点：转子旋转方向与旋转磁动势的转向相同：

0<s<1；n<n1。T与n方向一致；电动机吸收功率；一、三象限。

TLTn-TLn1-n1反接制动（s>1：电源反接）笼型：（反相序）可直接反接绕线式：原理措施：反相序，同时转子回路串入大电阻。串入电阻后特性变软（图6-49：曲线2）。过程：B点：

C点：

反向加速，

D点：稳定

起始转差率：功率关系电磁：（因为s>1

，电网输入）

全机械：

（轴上输入）

转差：

能流图

特点

能量消耗大；二象限；可实现快制动，快反转；制动：应在n=0时，撤电源。反接制动（s>1：倒拉反接）倒拉反节制动（图6-51）

条件：位能负载措施：电源不变，串入足够大电阻（特性非常软）第四象限能量关系：同前D点：反接制动“运行”

例：4-4，4-5（仔细看一下）回馈制动（s<0：再生制动）原理反相序回馈制动（图5-52）。措施：位能负载，串电阻反相序接电源（曲线1）；串电阻，切电阻（曲线2）。物理过程：稳定时：

第四象限，

转差率功率关系（由转子送到定子

）

（由轴输入）

相量图（图6-53）由相量图，基本垂直，

与

向电网回馈能量：串电阻有可能出现极高速：应不串或串后撤去。第二象限回馈制动变频调速（图6-54）运行轨迹：

段为正向回馈。

小车下坡

YY/D变级调速能流图

能耗制动措施：切掉交流，定子通直流（定子串电阻）P153图4-54P153图4-55

定性分析通直流磁场静止