05-三相異步機機械特性.ppt

1,三相異步電動機 的電力拖動 electric power driving of three phase asynchronous motor,三相異步電動機的機械特性 torque-speed characteristic of three phase asynchronous motor,2,三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的三種表達方式,一、物理表達式,二、參數(shù)表達式,三、實用表達式,3,物理表達式,表明：三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由主磁通 與轉(zhuǎn)子電流的有功分量 相互作用產(chǎn)生的。,4,參數(shù)表達式推導：,利用三相異步電動機的簡化等效電路（勵磁支路前移），得到轉(zhuǎn)子電流的有效值為,代入得：,5,參數(shù)表達式：,說明：電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)（、f）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（r、x、m、p）和運行參數(shù)（s）有關(guān)。 當定子電壓u1、電源頻率f1以及電機參數(shù)確定時，改變轉(zhuǎn)差率s，就能按此式算出對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩tem。,6,三相異步電動機的固有機械特性,n1,7,有一臺繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其技術(shù)數(shù)據(jù)為：pn=280kw,u1n=6000v,i1n=36.2a,nn=490rpm,n=0.905, cos1n=0.78。kt=2.35,u2n=484v,i2n=353a。試用實用表達式繪制其機械特性。,8,%torque-speed characteristic for an anynchronous motor sm=0.08953;tm=12824.3;n0=500; for i=1:1:100 s=0.01*i; n=n0*(1-s); t=(2*tm)/(s/sm)+(sm/s); s1(i)=s; t1(i)=t; n1(i)=n; end plot(t1,n1),xlabel(torque(n.m),ylabel(speed(r/min),grid on,9,實用表達式,已知電機的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、過載能力,忽略空載轉(zhuǎn)矩，有,將tm和sm代入即可得到機械特性方程式,10,三相異步電動機機械特性曲線可以反映電動機所處的不同狀態(tài)： （1）當0n1時，電磁轉(zhuǎn)矩tem為負，n為正，電機處于異步發(fā)電狀態(tài)。 （3）當s1即n0時，電磁轉(zhuǎn)矩tem為正，轉(zhuǎn)速n為負，電機處于制動狀態(tài)。 下面對機械特性上幾個特殊點作分析說明。,11,1、臨界轉(zhuǎn)差率 sm 和最大電磁轉(zhuǎn)矩tm,將機械特性表達式對s求導，并令dt/ds=0,可得出,式中tm為最大轉(zhuǎn)矩，sm為最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率，或者稱臨界轉(zhuǎn)差率；“”對應(yīng)電動狀態(tài)，“”用于發(fā)電狀態(tài)。,12,當其它參數(shù)一定時：,1、最大電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓u1的平方成正比； 臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓無關(guān)。,3、頻率越高，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越??； 漏抗越大，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越?。?2、轉(zhuǎn)子回路電阻越大，臨界轉(zhuǎn)差率越大；最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。,由sm、tm表達式可見,13,臨界轉(zhuǎn)差率 sm 和最大電磁轉(zhuǎn)矩tm,過載能力,y系列中小型鼠籠式三相異步電動機，其過載倍數(shù)t=2.02.2;起重、冶金機械用三相異步電動機t=2.22.8，因為某種原因負載轉(zhuǎn)矩有可能突然增大。如果過載倍數(shù)小，負載轉(zhuǎn)矩超過電機的最大轉(zhuǎn)矩，有可能電機轉(zhuǎn)速大幅下降而停車。實際使用中電機不能長期在最大轉(zhuǎn)矩下運行，因為這時電機已過載。,14,2、起動轉(zhuǎn)矩tst和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)kst,結(jié)論：當其它參數(shù)一定時,1、起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓平方成正比；,2、頻率越高，起動轉(zhuǎn)矩越??； 漏抗越大，起動轉(zhuǎn)矩越??；,3、繞線式電動機，轉(zhuǎn)子回路電阻越大，起動轉(zhuǎn)矩先增后減。,將s=1代入機械特性表達式得,15,2、起動轉(zhuǎn)矩tst和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)kst,4、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),起動轉(zhuǎn)矩的大小，反映了電動機起動負載的能力。kst越大，電動機的起動就越快，電機的成本也隨之增加。因此，需要根據(jù)實際需要確定起動轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)，一般為1.72.2，能滿足一般設(shè)備的要求。,16,三相異步電動機的固有機械特性,17,三相異步電動機降壓時的人為機械特性,18,轉(zhuǎn)子回路串電阻時的機械特性,19,定子串接電抗器時的機械特性,20,練習： 1.三相異步電動機最大電磁轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子電阻r2值 關(guān)，起動轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子電阻r2 關(guān)。 2.一臺繞線式異步電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載，若電源電壓下降，則電動機的臨界轉(zhuǎn)差率 ，轉(zhuǎn)差率 ，轉(zhuǎn)速 ，最大電磁轉(zhuǎn)矩 ，過載能力 ，起動轉(zhuǎn)矩 。 3.繞線式異步電動機保持負載轉(zhuǎn)矩不變下運行，若轉(zhuǎn)子串入電阻rt(r1+rtx1+x2)，則臨界轉(zhuǎn)差率將 ，轉(zhuǎn)速會 ，過載能力 ，起動轉(zhuǎn)矩 ，起動電流 。 4.異步電動機輕載運行時，其功率因數(shù)較 ，效率較 。,無,有,不變,增大,下降,減小,減小,減小,增大,下降,不變,增大,減小,低,低,21,練習： 一臺三相異步電動機，已知下列數(shù)據(jù)，pn=15kw，nn =1460rpm，un=380v，n=0.87 , cosn =0.85,tm/tn=2, tst/tn=1.1,ist/in=6.5，試求： （1）額定電流in；（2）額定轉(zhuǎn)矩tn；（3）直接啟動時的啟動電流ist；（4）當電動機帶額定負載運行時，由于電網(wǎng)電壓突然降到0.6un時，電機能否繼續(xù)運行？,22,23,5、三相感應(yīng)電動機的啟動 籠型電動機的啟動方法 （1）直接啟動 （2）降壓啟動 繞線式感應(yīng)電動機的啟動方法 （1）轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻啟動 （2）轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動 改善啟動性能的籠型電動機 （1）高轉(zhuǎn)差率感應(yīng)電動機 （2）深槽式感應(yīng)電動機 （3）雙籠感應(yīng)電動機,24,感應(yīng)電機的固有啟動特性： 由啟動等值電路可知，直接啟動時的定子相電流為： 由于u1=un很高，而zk很小，所以直接啟動的電流很大，其線電流約為額定電流in的47倍。 由于啟動時cos2比額定運行時小很多，而且啟動時過大的漏阻抗壓降i1stz1使主磁通m比額定運行時也小得多。因此由感應(yīng)電機機械特性的物理表達式可知，雖然啟動時電流i2很大，但啟動轉(zhuǎn)矩卻不大，一般僅為額定轉(zhuǎn)矩的(0.81.8)。,25,一般地，7.5kw以下的小容量感應(yīng)電動機，都可以直接啟動；對于7.5kw以上的電動機，就要考慮過大的直接啟動電流對供電系統(tǒng)的影響，一般按下列經(jīng)驗公式核定： 式中sh為供電電源的總?cè)萘縦va。在籠型感應(yīng)電動機的產(chǎn)品目錄中給出了固有啟動特性的兩個指標：啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)km和啟動電流倍數(shù)ki。 直接啟動的優(yōu)點是操作和啟動設(shè)備都很簡單，而且啟動轉(zhuǎn)矩大；缺點是啟動電流大。,26,不滿足直接起動條件，或起動過于頻繁，可采用降壓起動。,y:6,4,5,接成星點。1，2，3接電源。 ：1接6，2接4，3接5。,27,28,由此可見，y-啟動的啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩降低倍數(shù)都相同，都降到固有啟動特性的1/3。適用于空載或輕載啟動，是籠型電動機啟動的基本方法之一。而且凡是能夠采用y-啟動的電動機，當它長期處于空載或輕載時，可以將它改成y接法運行，從而提高功率因數(shù)，節(jié)約電能。為此，我國4kw以上的三相籠型感應(yīng)電動機，都采用額定電壓為380v，6個出線端都引出機外，正常運行為接法，就是為了給用戶提供一個y-啟動的可能性。,時間繼電器,29,fu1,km1,fr,sb1,sb2,kt,km2,fr,s,kt,km3,km1,km2,km1,u1,v1,w1,u2,v2,w2,kt,fu2,km3,km2,km2,km1,按sb2, km1通電, kt 通電, km2 斷電, km3 通電,(y 起動),km1斷電, km2通電, km3斷電,( 運行),km3, km1通電,延時,線路動 作次序,籠型電動機 y 起動控制線路,返回,30,延邊三角形降壓啟動 啟動時，將三個末端4，5，6分別跟三個中間抽頭8，9，7相聯(lián)，從三個首端引出接三相額定電壓，如圖。如果把中間抽頭7，8，9向首端移，則部分漸漸擴大，當7，8，9移至首端1，2，3時，就相當于全壓啟動，每相電壓為un。如果把中間抽頭7，8，9向末端移動，則部分漸漸縮小，當7，8，9移至末端4，5，6時，就相當于y接法降壓啟動，每相電壓為 。因此延邊三角形降壓啟動，它的啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩介于直接啟動和y接法啟動之間。當啟動結(jié)束時，在通過切換開關(guān)將定子三相繞組接成，使電機在全壓下運行。 采用這種啟動方法的電動機，定子三相繞組不僅每相的首末端要引出機外，而且每相繞組還有一個中間抽頭引出，因此共有9個接線端頭。,31,32,33,34,（2）深槽式感應(yīng)電動機 由圖可見，與轉(zhuǎn)子導條底部相交鏈的漏磁通遠比槽口部分相交鏈的多。因此，如果將導條看成是由若干沿槽高劃分的小導體并聯(lián)而成，則越靠近槽底的小導體具有越大的漏電抗，而越近槽口則漏電抗越小。 在啟動時，由于轉(zhuǎn)子電流頻率較高，f2=f1，而漏電抗較大，因此，各小導體中電流的分配將主要決定于漏電抗。漏電抗越大，則電流越小。這樣，在由氣隙主磁通所感應(yīng)的相同的電勢的作用下，導條中靠近槽底處的電流密度將很小，而越接近槽口則越大。因此電流的分布如圖所示。這種現(xiàn)象稱為電流的集膚效應(yīng)。電流大部分被擠到導條上部之后，槽底部分導條所起的作用很小，其效果相當于減小了導條的高度和截面。因此轉(zhuǎn)子電阻r2增大，而滿足了啟動時的要求。,35,36,啟動完畢，轉(zhuǎn)子電流的頻率很低（1-3hz），集膚效應(yīng)消失，轉(zhuǎn)子導條的電阻又重新變小，接近于直流電阻。滿足了減小轉(zhuǎn)子銅耗以提高電機效率的要求。 雙籠式異步電機的上籠截面積較小，通常用黃銅或鋁青銅等電阻系數(shù)較大的材料制成，故電阻較大；下籠導條截面積較大，用電阻系數(shù)較小的紫銅制成，故電阻較小。通常兩套籠各有自己的端環(huán)，可使上下籠因發(fā)熱而各自自由伸長。,37,38,練習：一臺三相鼠籠異步電動機，pn=30kw,un=380v,cosn=0.87,ist/in=6,tst/tn=2,用串電抗器起動，問 ：（1）當限制起動電流為4.5in時，起動電壓應(yīng)降至多少？（2）此時可否滿載起動？,39,一臺三相異步電動機pn=20kw,un=380v,接法，n=0.866,cos n=0.85,nn 1460rpm,tst/tn=1.5,ist/in=6.5,試求： （1）in;(2)最大能起動多大轉(zhuǎn)矩的負載？（3）全壓起動時的起動電流值；（4）y- 起動時的啟動電流值；（5）y- 起動時的起動轉(zhuǎn)矩值。,40,41,6、三相異步電動機的調(diào)速 如果采用電氣調(diào)速，就可以大大簡化機械變速機構(gòu)。因為n=(1-s)n0=(1-s)60f1/p，所以改變電動機的轉(zhuǎn)速有三種可能，即改變電源頻率f1、極對數(shù)p、及轉(zhuǎn)差率s。前兩者是鼠籠式電動機的調(diào)速方法，后者是繞線式電動機的調(diào)速方法。 6.1、變頻調(diào)速 近年來變頻技術(shù)發(fā)展很快，目前采用的變頻調(diào)速裝置主要由整流器和逆變器兩大部分組成。整流器先將頻率f為50hz的三相交流電變換為直流電，再由逆變器變換為頻率f1可調(diào)、電壓有效值u1也可調(diào)的三相交流電，供給三相鼠籠式電動機。由此可得到電動機的無級調(diào)速，并具有硬的機械特性。通常有下列兩種變頻調(diào)速方式： （1）在f1f1n，即低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速時，應(yīng)保持u1/f1的比值近于不變，也就是兩者要成比例地同時調(diào)節(jié)。由u14.44f1n1kw1和t=cmi2cos2兩式可知，這時磁通和轉(zhuǎn),42,矩t也都近似不變。這是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 如果把轉(zhuǎn)速調(diào)低時u1=u1n保持不變，在減小f1時磁通會增加。這就會使磁路飽和（電動機磁通一般設(shè)計在鐵心磁飽和點），從而增加勵磁電流和鐵耗，導致電機過熱，這是不允許的。 （2）在f1f1n，即高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速時，應(yīng)保持u1u1n。這時磁通和轉(zhuǎn)矩t都將減少。轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)矩減小，將使功率近于不變。這是恒功率調(diào)速。 如果把轉(zhuǎn)速調(diào)高時u1/f1的比值不變，在增加f1的同時u1也要增加。u1超過額定電壓也是不允許的。 頻率調(diào)節(jié)范圍一般為0.5-320hz。目前在國內(nèi)由于逆變器中的開關(guān)元件（可關(guān)斷晶閘管、大功率晶體管和功率場效應(yīng)管等）的制造水平不斷提高，鼠籠式電動機的變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用也就日益廣泛。,43,6.2、變極調(diào)速 由式n1=60f1/p可知，如果極對數(shù)p減小一半，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1便提高一倍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n差不多也提高一倍。因此改變p可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如何改變極對數(shù)呢？這與定子繞組的接法有關(guān)。 下圖所示為定子繞組的兩種接法。把a相繞組分成兩半：線圈a1x1和a2x2，當這兩個半相繞組頭尾相串聯(lián)時，形成的是一個4極磁場；如果將這兩個半相繞組頭尾相并聯(lián)時，形成的是一個2極磁場。在換極時，一個線圈中的電流方向不變，而另一個線圈中的電流必須改變方向。 雙速電動機在機床上用得較多，像某些鏜床、磨床、銑床上都有。這種電動機的調(diào)速是有級的。,44,45,6.3、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 只要在繞線式電動機的轉(zhuǎn)子電路中接入調(diào)速電阻（和啟動電阻一樣接入）改變電阻的大小，就可得到平滑調(diào)速。如增大調(diào)速電阻時，轉(zhuǎn)差率s上升，而轉(zhuǎn)速n下降(tmax改變否？）。這種調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、投資少，但能量損耗大。這種調(diào)速方法廣泛應(yīng)用于起重設(shè)備中。 7、三相異步電動機的制動 因為電動機的轉(zhuǎn)動部分有慣性，所以把電源切斷后，電動機還會繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定時間而后停止。為了縮短輔助工時，提高生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率，并為了安全起見，往往要求電動機能夠迅速停車和反轉(zhuǎn)。這就需要對電動機制動。對電動機制動，也就是要求它的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反。這時的轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)矩。異步電動機的制動有下列幾種方法。 7.1 能耗制動,46,制動時定子接入直流電源產(chǎn)生固定磁場,i2 受到阻轉(zhuǎn)矩；當 n0, i20,t0。,制動: 將動能電能熱能。,優(yōu)點：能耗小，制動準確、平穩(wěn)，不會反轉(zhuǎn)。,缺點：需要另外加直流電源。,e2(i2),7.1 三相異步電動機的制動,7.1.1 能耗制動,47,將三相中的任意兩相對調(diào)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使 m 停機。,優(yōu)點：方法簡單，制動效果好。,缺點：能量消耗大。,旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速,為 (n1+ n) i2 i1。,必須在籠型電動機的定子或 繞線式電動機的轉(zhuǎn)子中串入電阻 r，以防止燒壞繞組。,7.1.2 反接制動,返回,48,能耗制動方法就是在切斷三相電源的同時，接通直流電源，使直流電流通入定子繞組。直流電流的磁場是固定不動的，而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)在原方向轉(zhuǎn)動。根據(jù)右手定則和左手定則不難確定這時的轉(zhuǎn)子電流與固定磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向。它與電動機的轉(zhuǎn)向相反，因而起制動的作用。制動轉(zhuǎn)矩的大小與直流電流的大小有關(guān)。直流電流的大小一般為電動機額定電流的0.5-1倍。 因為這種方法是用消耗轉(zhuǎn)子的動能（轉(zhuǎn)換為電能）來進行制動的，所以稱為能耗制動。 這種制動能量消耗小，制動平穩(wěn)，但需要直流電源。在有些機床中采用這種制動方法。 7.2 反接制動 在電動機停車時，可將接到電源的三根導線中的任意兩根的一端對調(diào)位置，使旋轉(zhuǎn)磁場反向旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子由于慣性仍在原,49,方向轉(zhuǎn)動。這時的轉(zhuǎn)矩方向與電動機的轉(zhuǎn)動方向相反，因而起制動的作用。當轉(zhuǎn)速接近零時，利用某種控制電器將電源自動切斷，否則電動機回反轉(zhuǎn)。 由于在反接制動時旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度（n1+n)很大，因而電流較大。為了限制電流，對功率較大的電動機進行制動時必須在定子電路（鼠籠式）或轉(zhuǎn)子電路（繞線式）中接入電阻。 這種制動比較簡單，效果較好，但能量消耗較大。對有些中型車床和銑床主軸的制動采用這種方法。 7.3 發(fā)電機反饋制動 當電機的轉(zhuǎn)速n超過旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1時，這時的轉(zhuǎn)矩也是制動的。 當起重機快速下放重物時，就會發(fā)生這種情況。,50,這時重物拖動轉(zhuǎn)子，使其快速nn1，重物受到制動而等速下降。實際上電動機已轉(zhuǎn)入發(fā)電機運行，將重物的位能轉(zhuǎn)換為電能而反饋到電網(wǎng)中去，所以稱為發(fā)電反饋制動。 另外，當將多速電動機從高速調(diào)到低速的過程中，也自然發(fā)生這種制動。因為剛將極對數(shù)p加倍時，磁場轉(zhuǎn)速立即減半，但由于慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只能逐漸下降，因此就出現(xiàn)nn1的情況。,51,52,53,練習 1、異步電動機啟動時轉(zhuǎn)子電動勢較 ，啟動電流較 ，此時啟動轉(zhuǎn)矩卻不大，是因為啟動時，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)較 ，氣隙磁通較穩(wěn)態(tài)運行時 。 2、一般鼠籠異步電動機全壓啟動時，啟動電流約為額定電流的 倍，啟動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的 倍。 3、繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入適當電阻啟動時，啟動轉(zhuǎn)矩將 ，啟動電流將 ，其原是 。 4、鼠籠電動機的啟動方法有 和 兩大類。 5、鼠籠電動機降