交流异步电动机课件

第2章交流电动机2.1三相异步电动机的结构和工作原理2.2三相异步电动机的运行特性2.3三相异步电动机的启动2.4三相异步电动机的调速2.5异步电动机的制动2.6特殊异步电动机1三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较主要性能指标起动方法起动电压比值起动电流比值起动转矩比值起动设备应用场合直接起动111最简单电机容量小于7.5

定子串电抗起动

1/K

1/K

1/K2

一般任意容量，轻载起动ㄚ－△起动

1/3

1/3

简单正常运行为△形，电机可频繁起动自耦变压器

1/K

1/K2

1/K2

较复杂较大容量电机，较大负载不频繁起动延边三角形起动0.660.50.5简单专门设计的电机，较大负载可频繁起动2前面所介绍的几种鼠笼式异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动转矩较大的异步电动机。加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼式异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值，成为高起动转矩的鼠笼式异步电动机1高转差率鼠笼式异步电动机具有堵转转矩大、堵转电流小、转差率高和机械特性软等特点，适用于传动飞轮转矩大和不均匀冲击负载以及正、反转的工作场合。如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等设备。2.3.高起动转矩的异步电动机37-42深槽式鼠笼异步电动机深槽异步电动机的槽型窄而深，处于槽底等效线匝的漏电抗大于处于槽口等效线匝的漏电抗。起动时，由于异步电动机转子电路频率较高，电流大部分集中在槽口部分的导体（集肤效应），转子的等效电阻大。起动结束以后，异步电动机转子电路频率较低（1-3Hz），集肤效应消失，转子导条电阻变为较小的直流电阻。2.3高起动转矩的异步电动机452.3-63双鼠笼式异步电动机上笼导条细，采用黄铜制作，电阻率大，为起动笼；上笼导条粗，采用紫铜制作，电阻率小，为运行笼。2.3高起动转矩的异步电动机672.3.7转子回路串电阻起动为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。8最大起动转矩T1和切换转矩T2的选择起动过程分析1.a点2.b点3.d点4.f点5.在h点稳定。2.3.7转子回路串电阻起动92.3.8转子串频敏变阻器起动2.3-10转子串频敏变阻器起动的三相绕线式异步电动机接线原理图如图5.起动开始，开关K断开，电动机转子串入频敏变阻器起动。电机转速达到稳定值后，开关K接通，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。1接线原理10变阻器是一种无触点电磁元件，相当于一个等值阻抗。在电动机过程中，由于等值阻抗便随转子电流频率减小而自动下降（自动变阻），从而只须一级变阻器，就可以把电动机平稳地起动起来。变阻器实质上是一个铁芯损耗特大的三相电抗器。它由数片E型钢板叠合成的铁芯及线圈两个主要部份组成。钢板间来以垫圈，保持片间距离，以利散热。2结构2.3.8转子串频敏变阻器起动112.3.8转子串频敏变阻器起动2.3-12频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点：频率为50Hz的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，既限制了起动电流，又不致使起动电流过小而减小起动转矩。频率为50Hz的电流通过时,rp>>xp，其原因是：频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流越大，因此励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此较大。3工作原理122.3.8转子串频敏变阻器起动绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时，s＝1，转子回路中的电流的频率为50Hz。转子回路串入zp=rp+xp，而rp>>xp，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩。当转速上升，f2下降，rp下降，xp也下降。当参数设计的合适，可以获得恒转矩特性。3工作原理13附：异步电动机的软起动

笼型电机传统的降压起动方式有Y-△起动、自耦降压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级降压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。软起动与传统降压起动方式的不同之处是：（1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。

（2）恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。

（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。14三种起动过程的电流比较异步电动机的起动过程与电流冲击一级降压起动软起动器直接起动15现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图中曲线c），起动时间也短于一级降压起动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。16视起动时所带负载的大小，起动电流可在(0.5~4)IsN之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。17附：异步电动机的软起动运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动。什么是电动机的软起动软起动器适用于哪些场合？

原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应用范围是交流380V（也可660V），电机功率从几千瓦到800kW。

软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。

同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果18附：软起动器的主电路软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作。19附：软起动方式1斜坡电压软起动这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。20附：软起动方式3斜坡恒流软起动是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，也为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。2恒流软起动21附：软起动方式4脉冲恒流软起动在起动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。

该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。222.4异步电动机的调速2.4-23232.4异步电动机的调速2.4-24三相异步电动机的调速方法很多，大致可以分成以下几种类型：1)变极调速2)变频调速3)变转差率调速变转差率调速包括：包括降低电源电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻，串极调速。此外，还有电磁调速电动机242.4.1变极调速1.变极原理电动机转速使如何改变的？

改变定子的极对数便可改变异步电动机的同步转速，从而改变电动机的转速

n=60f1/p(1-s)

适用电动机

变极调速一般只适用于鼠笼式电动机调速注意磁通旋转方向

变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。251.变极原理

三相异步电动机定子绕组极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式实现的。一个四极电机相定子绕组的两个线圈头尾相连时，具有四个磁极；如果将定子绕组的联接方式改变，根据每相绕组中，一半线圈的电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通方向，此时定子绕组具有两个磁极。由此可见，让半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从而使同步转速增加一倍，运行的转速也接近成倍变化2.4.1变极调速26272.Y-YY变极接法Y接法2.4.1变极调速282.Y-YY变极接法YY接法2.4.1变极调速292.Y-YY变极接法YY接法Y接法2.4.1变极调速303.△-YY变极接法△接法2.4.1变极调速312.4.1变极调速3.△-YY变极接法△接法323.△-YY变极接法YY接法2.4.1变极调速333.△-YY变极接法YY接法△接法2.4.1变极调速342.4.1变极调速4.特点和性能变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便；变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；变极调速方法为有级调速，且调速的级数不多，一般最多为四级。普遍应用于各种机床、起重机和输送机等设备上；变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。35改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。1.从基频向下变频调速降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压有两种控的制方法。？2.4.2变频调速361)保持E1/f1=const2.4.2变频调速371)保持E1/f1=const2.4.2变频调速38当改变频率时，若保持E1/f1=const，最大转矩Tm也为常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。另外，电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高。1)保持E1/f1=const2.4.2变频调速39保持E1/f1=const，当T=TN时，I2’=I2N’,则I1=I1N。所以，为恒转矩的调速方式。1)保持E1/f1=const2.4.2变频调速402)保持U1/f1=const上式可以看出，当频率减小时，最大转矩不是一个常数2.4.2变频调速412)保持U1/f1=const已知（x1+x2’）与f1成正比变化，r1与f1无关。因此，在f1接近额定频率时，r1<<（x1+x2’）随着f1的减小，Tm减少得不多，但是，当f1较低时,（x1+x2’）比较小，相对变大了。这样一来，随着f1的降低，Tm就减小了。显然此时的机械特性上面的机械特性，特别在低频低速的机械特性变坏了。保持U1/f1=const降低频率调速近似为恒转矩调速方式。2.4.2变频调速422)保持U1/f1=const频率越低时最大转矩值越小，最大转矩是随着的频率降低而减小的。频率很低时Tm太小将限制电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力，低频时，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。Torqueboost2.4.2变频调速43升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为UN不变，频率越高，磁通Φm越低，但转速却升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。2.从基频向上变频调速2.4.2变频调速442.从基频向上变频调速因此，频率越高时，Tm越小，sm也减小。保持U1=UN，如果保持电流不变，电动机的电磁功率也不变。所以，为恒功率的调速方式2.4.2变频调速457-46恒压频比（U1/f1=const）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。恒E1/f1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。如果把电压-频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗的压降也抵消掉，得到恒Er/f1控制,可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照转子全磁通恒定进行控制即得Φm=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所追求的目标2.4.2变频调速467-47调速范围大；机械特性硬，静差率小频率可以连续调节，变频调速为无级调速。从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；运行效率高；3三相异步电动机变频调速具有以下几个特点2.4.2变频调速472.4.3变压调速当改变施加于定子绕组上的端电压进行调速时，如负载转矩不变，电动机的转速将发生变化，这可用T-s曲线来说明。电压改变时T-s曲线的变化如图所示。482.4.4转子串电阻调速1.调速原理由三相异步电动机转子回路串电阻的人为机械特性在同步转速和最大转矩不变的条件下，临界转差率与转子回路电阻值成正比，改变转子回路串入的电阻值R，可以改变临界转差率，即降低了转速，对于恒转矩负载，转子回路串入电阻越大，临界转差率越大，则转速越低,从而实现了转速的调节。492特点和性能绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方法简单，调速设备简单，易于实现;调速方法为分段多级调节，为有级调速系统，且调速的平滑性较差;不利于空载或轻载调速，表现于转速变化很小;低速时转差率大。转差功率大，效率低，经济性差;调速范围不大，一般为（2～3）︰1，负载小时，调速范围更小。这种调速方法多用于起重机一类的对调速性能要求不高的场合，对泵类负载也能应用。2.4.4转子串电阻调速50串极调速适用于绕线转子异步电动机，与其他电动机或电子设备串级联接以实现平滑调速，在异步电动机转子电路内引入与电动机转子频率相同的感应电动势Ef

，

以调节异步电动机的转速。定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，其中定于绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子电源电压的幅值、频率和相位则需按运行要求分别进行调节。也称为双馈调速。绕线式异步电动机多用在要求起动转矩大或要求调速的负载场合,在这两种场合下传统的方法是在转子回路中串联电阻.但这种调速方法的效率是比较低的,而且调速性能也不理想.。2.4.5串级调速51转子附加电动势绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图~~~~附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。引入可控的交流附加电动势521.Ef

和E2s

反相2.4.5串级调速531.Ef

和E2s

反相因此转子电流I2减少,异步电动机转矩T减少,

使电动机转速下降，转差率增加,

从而使E2s-Ef

增加,

一直下降到新的稳定点，调速过程结束。2.4.5串级调速542.Ef

和E2s

同相2.4.5串级调速552.Ef

和E2s

同相因此转子电流I2增加,异步电动机转矩T增加,

使电动机转速增加，转差率下降,

从而使E2s+Ef

下降,

一直加速到新的稳定点，调速过程结束。2.4.5串级调速562.4.5串级调速在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。电机在次同步转速下作电动运行电机在反转时作倒拉制动运行电机在超同步转速下作回馈制动运行电机在超同步转速下作电动运行电机在次同步转速下作回馈制动运行572.4.5串级调速3.串级调速系统对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。

58对直流附加电动势的技术要求首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。7.4.4串级调速59系统方案根据以上两点要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了功率变换单元CU2。按照上述原理组成的异步电机在低于同步转速下作电动状态运行的双馈调速系统如图所示，习惯上称之为电气串级调速系统。60图电气串级调速系统原理图系统组成61功率变换单元UR—三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势sEr整流为直流电压Ud。UI—三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压Ui，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。62工作原理（1）起动起动条件对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。63起动控制控制逆变角，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。64工作原理（2）调速调速原理：通过改变角的大小调节电动机的转速。调速过程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId（3）停车串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小角逐渐减速