電機及拖動基礎(chǔ)8章

1、v 我們知道異步電動機的作用就是拖動負載工作，那么關(guān)于它的起動、制動和調(diào)速問題就是我們關(guān)心的重點。v 在三相異步電動機電力拖動系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩等物理量的正方向，都按電動機慣例規(guī)定。本章討論三相異步電動機的起動、制動及各種運行狀態(tài)。v對于電動機來說最簡單、最直接的起動方法就是我們大家能最先想到的直接起動法。由前面所介紹的機械特性出發(fā)，我們知道如果在額定電壓下直接起動三相異步電動機，由于最初起動瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)cos2 很低，造成了起動電流相當大而起動轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。221jTcosICT2212211s2s1)XX()RR(U IIR21U2 IR

2、1jX1jX221 EEv 普通鼠籠式三相異步電動機，啟動電流 Is=KI IN=(47)IN ,啟動轉(zhuǎn)矩 Ts=KTTN=(0.91.3)TN 啟動電流較大有什么影響呢？啟動電流較大有什么影響呢？2212211s2s1)XX()RR(U II221jTcosICTv啟動電流較大有什么影響呢？ 1、首先對于繞組來說是非常不利的，如果電機是屬于頻繁起動的，頻繁出現(xiàn)短時大電流會使電動機內(nèi)部發(fā)熱較多而過熱。 2、變壓器容量卻是有限的。若變壓器額定容量相對不夠大時，電動機短時較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓短時下降幅度較大，超過了正常規(guī)定值。1）使當電動機負載較重時，啟動不了。2）影響由同一臺配電變

3、壓器供電的其他負載，比如說電燈會變暗，數(shù)控設(shè)備可能失常，重載的異步電動機可能停轉(zhuǎn)等。v啟動必須滿足的條件是：啟動電流要足夠小；啟動轉(zhuǎn)矩要足夠大。2212211s2s1)XX()RR(U II)XX()RR(f2RpU3T2212211221s 降低起動電流的方法有：降低電源電壓；加大定子邊電抗或電阻；加大轉(zhuǎn)子邊電阻或電抗。加大起動轉(zhuǎn)矩的方法只有適當加大轉(zhuǎn)子電阻，但不能過份，否則起動轉(zhuǎn)矩反而可能減小。 而直接起動的最大優(yōu)點就是不需要專門的起動設(shè)備。啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩：啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩：一般地說，容量在一般地說，容量在7.5kw以下的小容量鼠籠式異步電動機都可直接起動。以下的小容量鼠籠式異步電動

4、機都可直接起動。8.2.1 定子串接電抗器起動：定子串接電抗器起動： 三相異步電動機定子串電抗器起動，起動時電抗器接入定子三相異步電動機定子串電抗器起動，起動時電抗器接入定子電路；起動后，切除電抗器，進入正常運行。電路；起動后，切除電抗器，進入正常運行。S1IRkjXk1US1IRkjXk1UjX1Uks11ks11Z IU)jXZ(IU11skUI Zv顯然，定子串電抗器起動，降低了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩降顯然，定子串電抗器起動，降低了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動，只能用于空載和輕載。低得更多。因此，定子串電抗器起動，只能用于空載和輕載。11kkZUuUZX2kk22

5、11ss)XZZ(u)UU(TT 串電抗起動時，可以近似把 Zk看成是電抗性質(zhì)。設(shè)串電抗時電動機定子電壓與直接起動時電壓比值為u。ks11ks11Z IU)jXZ(IUS1IRkjXk1US1IRkjXk1UjX1U11skUI Z=SkSkIZuIZX在這里主要是利用了Y一一 電壓之間的關(guān)系，我們知道在Y接中線電壓是相電壓的3倍，注意這種方法只適用與繞組在起動的時候是Y接，而運行的時候是 接。v直接啟動時每相起動電壓為31IISS每相啟動電流NUU 1IIs33311NUUUI啟動線電流 Y一一 啟動時每相啟動電壓為每相啟動電流3IIIYS3IIY啟動線電流31UUTT211SS13YIIv

6、利用了自耦變壓器有抽頭可供選用，可以實現(xiàn)不同要求的降壓。自耦變壓器二次電壓與一次電壓的關(guān)系21=NNUIUNI12NNUUIINss 12NNIIss 212)(NNIIss2122NssNNUUTTv降壓啟動轉(zhuǎn)矩與直接啟動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系v自耦變壓器一次電流與啟動電流的關(guān)系v降壓啟動自耦變壓器一次電流與直接啟動時電流的關(guān)系降壓為 啟動時電流與直接啟動時電流的關(guān)系v采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相比較，電壓降低采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相比較，電壓降低到到 倍，起動電流與起動轉(zhuǎn)矩降低到倍，起動電流與起動轉(zhuǎn)矩降低到 倍。倍。12NN212)NN(v采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相

7、比較，電壓降低到 倍，起動電流與起動轉(zhuǎn)矩降低到 倍。12NN212)NN(v 實際上起動用的自耦變壓器，備有幾個抽頭供選用。例如QJ2型有三種抽頭，分別為55%（即=55%）、64%、73%（出廠時接在73%抽頭上）；QJ3型也有三種抽頭，分別為40、 60%、80%（出廠時接在 60抽頭上）等。這也是我們前面所講的優(yōu)點，但是，自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶重負載起動。自耦變壓器降壓起動在較大容量鼠籠異步電動機上廣泛應(yīng)用。v前面所介紹的幾種鼠籠式異步電動機降壓起動方法，主要目的都是減小起動電流，但同時又都程度不同地降低了起動轉(zhuǎn)矩，因此只適合空載或輕載起動。對于重載起動，尤其要求起動過程很快

8、的情況下，則需要起動轉(zhuǎn)矩較大的異步電動機。加大起動轉(zhuǎn)矩的方法是增大轉(zhuǎn)子電阻。對于繞線式異步電動機，則可在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串電阻。對于鼠籠式異步電動機，只有設(shè)法加大鼠籠本身的電阻值，這類電動機有高轉(zhuǎn)差率鼠籠式異步電動機、雙鼠籠式異步電動機和深槽式鼠籠異步電動機。下面介紹繞線式三相異步電動機的起動下面介紹繞線式三相異步電動機的起動。 v前面我們已經(jīng)分析了繞線式異步電動機的相關(guān)特性知識前面我們已經(jīng)分析了繞線式異步電動機的相關(guān)特性知識,從從中我們知道通過給繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻可以中我們知道通過給繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻可以很好的改善電機的起動性能。很好的改善電機的起動性能。8.4.1 轉(zhuǎn)子串

9、頻敏變阻器起動轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動pppjXRZ 頻敏變阻器勵磁阻抗：21112212312 2()()mmpUTf XXRsXX 和v頻敏變阻器與一般變壓器勵磁阻抗不完全相同，主要表現(xiàn)在以下兩點：（1）頻率為50Hz的電流通過時，阻抗比一般變壓器勵磁阻抗小得多。這樣串在轉(zhuǎn)子回路中，既限制了起動電流，又不致使起動電流過小而減小起動轉(zhuǎn)矩。（2）頻率為50Hz的電流通過時, RpXp，其原因是：頻敏變阻器中磁密取得高，鐵心處于飽和狀態(tài)，勵磁電流越大，因此勵磁電抗較小。而鐵心是厚鐵板或厚鋼板的、磁滯渦流損耗都很大，頻敏變阻器的單位重量鐵心中的損耗，與一般變壓器相比較要大幾百倍，因此較大。v 啟動時，

10、s1，轉(zhuǎn)子回路中的電流的頻率為5OHz。轉(zhuǎn)子回路串入Zp，而RpXp ，因此轉(zhuǎn)子回路主要是串入了電阻。這樣，轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)大大提高了，既限制了起動電流，又提高了起動轉(zhuǎn)矩。v為了使整個起動過程中盡量保持較大的起動轉(zhuǎn)矩、繞線式異為了使整個起動過程中盡量保持較大的起動轉(zhuǎn)矩、繞線式異步電動機可以采用逐級切除起動電阻的轉(zhuǎn)子串電阻分級起動。步電動機可以采用逐級切除起動電阻的轉(zhuǎn)子串電阻分級起動。 主要優(yōu)點：可得到最大的起動轉(zhuǎn)矩；而且轉(zhuǎn)子回路只有電阻沒有電抗，啟動過程中功率因數(shù)比串頻敏變阻器還要高；啟動電阻同時可兼作調(diào)速電阻。 但當要求啟動盡可能轉(zhuǎn)矩大時，啟動級數(shù)多，特別是容量大的電動機，將需要較多的設(shè)備，

11、投資大，維修不方便。而且啟動過程中能量損耗大，不經(jīng)濟。21112212312 2()()mmpUTf XXRsXX 和v異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是同方向時，電動機運行在電動狀態(tài)，若電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方向相反時，電動機處于制動狀態(tài)。8.5.1 電動運行：當工作在第象限時為正向電動狀態(tài)。工作在第象限時為反向電動狀態(tài)。v 而在制動運行狀態(tài)中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同情況，又可分為：回饋制動、反接制動、到拉反轉(zhuǎn)及能耗制動等。1. 能耗制動基本原理能耗制動基本原理切斷電動機的三相交流電源，同時把直流電源通入它的定子繞組，三相異步電動機內(nèi)形成了一個不旋轉(zhuǎn)的空間固定磁動勢。v 空間固定不轉(zhuǎn)的磁動勢F=相對

12、于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來說變成了一個旋轉(zhuǎn)磁動勢,旋轉(zhuǎn)方向為順時針。顯然T與n反方向，電動機處于制動運行狀態(tài)，T為制動性的阻轉(zhuǎn)矩。在此轉(zhuǎn)矩作用下電動機減速運行，直到n0，T0，減速過程才完全終止。上述制動停車過程中，系統(tǒng)原來貯存的動能上述制動停車過程中，系統(tǒng)原來貯存的動能消耗了，這部分能量主要被電動機轉(zhuǎn)換為電消耗了，這部分能量主要被電動機轉(zhuǎn)換為電能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。因此，上述過程亦稱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。因此，上述過程亦稱之為能耗制動過程。之為能耗制動過程。v三相異步電動機能耗制動過程中電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機能耗制動過程中電磁轉(zhuǎn)矩T的產(chǎn)生，是由的產(chǎn)生，是由于轉(zhuǎn)子與定于磁動勢之間有相對運動；至于定子磁動勢相于

13、轉(zhuǎn)子與定于磁動勢之間有相對運動；至于定子磁動勢相對于定子本身是旋轉(zhuǎn)的還是靜止的，以及相對轉(zhuǎn)速是多少，對于定子本身是旋轉(zhuǎn)的還是靜止的，以及相對轉(zhuǎn)速是多少，都是無關(guān)緊要的。因此，分析能耗制動狀態(tài)下運行的三相都是無關(guān)緊要的。因此，分析能耗制動狀態(tài)下運行的三相異步電動機，可以用三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢等效異步電動機，可以用三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢等效替代直流磁動勢，在等效替代后，就可以使用電動運行狀替代直流磁動勢，在等效替代后，就可以使用電動運行狀態(tài)時的分析方法與所得結(jié)論態(tài)時的分析方法與所得結(jié)論。等效替代的條件是：等效替代的條件是：v（1）保持磁動勢幅值不變，即）保持磁動勢幅值不變，即 = ;

14、v （2）保持磁動勢與轉(zhuǎn)子之間相對轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)差）不變，）保持磁動勢與轉(zhuǎn)子之間相對轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)差）不變，為為FFnn0IpkNFFNlBA1214IpkNFNl12143 2.定子等效電流定子等效電流: 異步電動機定子通入直流異步電動機定子通入直流電流產(chǎn)生磁動勢，其幅值的電流產(chǎn)生磁動勢，其幅值的大小與定子繞組的接法及通大小與定子繞組的接法及通入的方法有關(guān)。例如圖所示入的方法有關(guān)。例如圖所示的，合成磁動勢的大小為的，合成磁動勢的大小為 :v 把把 等效為三相交流電流產(chǎn)生的等效為三相交流電流產(chǎn)生的,每相交流電流的有效每相交流電流的有效大小為大小為 , 則交流磁動勢大小為則交流磁動勢大小為:v等效的結(jié)果

15、是等效的結(jié)果是F1I1122423IpkNFNl1122423IpkNNlIpkNNl12143II321v 3.轉(zhuǎn)差率與等值電路轉(zhuǎn)差率與等值電路: 磁通勢磁通勢 與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速為與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速為(-n), 的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速 即同步轉(zhuǎn)即同步轉(zhuǎn)速為速為 ,能耗制動轉(zhuǎn)差率用能耗制動轉(zhuǎn)差率用 表示表示,則為則為:v v v 轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢 的大小與頻率則為的大小與頻率則為:FFpfn11601nn2E22EE12ffv三相異步電動機能耗制動的等值電路如圖所示。注意，等三相異步電動機能耗制動的等值電路如圖所示。注意，等值電路中各電量是等效電流值電路中各電量是等效電流 產(chǎn)生磁動勢產(chǎn)生磁

16、動勢 作作用的結(jié)果，并非指電機運行時的量。用的結(jié)果，并非指電機運行時的量。v有了等值電路，能耗制動的機械特性推導(dǎo)就與正常運行時有了等值電路，能耗制動的機械特性推導(dǎo)就與正常運行時的固有機械特性完全一樣了。的固有機械特性完全一樣了。1I FFv 4. 能耗制動的機械特性能耗制動的機械特性: 能耗制動時，電動機內(nèi)鐵損耗很小，可以將其忽略。這樣一來，根據(jù)能耗制動時，電動機內(nèi)鐵損耗很小，可以將其忽略。這樣一來，根據(jù)等值電路畫出電動機轉(zhuǎn)子電流、勵磁電流及轉(zhuǎn)子電流之間的相量關(guān)系等值電路畫出電動機轉(zhuǎn)子電流、勵磁電流及轉(zhuǎn)子電流之間的相量關(guān)系如圖所示。它們之間大小的關(guān)系為如圖所示。它們之間大小的關(guān)系為 )90co

17、s(22002202221IIIII22202022sin.(815)III ImmxExEI210忽略鐵損耗后忽略鐵損耗后,則有則有:2212222202().(816)mmmmEEI ZIRIXXXXX222 222sin.(81 7 )()XRX222122222()()mmIXIRXX另外另外,還有還有(8-16)(8-17)代入代入(8-15)整理后得到整理后得到2221202022sin.(815)IIII I 根據(jù)前一章的分析結(jié)果知道，電磁轉(zhuǎn)矩為電磁功率除以同步角速度，即根據(jù)前一章的分析結(jié)果知道，電磁轉(zhuǎn)矩為電磁功率除以同步角速度，即2222221222111233 ()()mMm

18、RRIIXPTRXX222122222()()mmIXIRXX對鼠籠式電動機?。簩κ蠡\式電動機?。篒=(45)I0對繞線式電動機?。簩@線式電動機取：I=(45)I0N2N2SI3E)4 . 02 . 0(R v上式便為能耗制動的機械特性表達式，其與電動運行上式便為能耗制動的機械特性表達式，其與電動運行狀態(tài)時的機械特性方程式是一致的，但是電動運行狀狀態(tài)時的機械特性方程式是一致的，但是電動運行狀態(tài)時，是用電源電壓態(tài)時，是用電源電壓 來表示，而能耗制動的這個式來表示，而能耗制動的這個式子，是用等效的定子電流子，是用等效的定子電流 來表示。能耗制動時，視來表示。能耗制動時，視 為已知量。為已知量。v

19、對上式微分，并使對上式微分，并使 ，則得到能耗制動運行時，則得到能耗制動運行時的最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為的最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為1U1I0ddT2211232()mmmI XTXX22mmRXXv根據(jù)上式畫出三相異步電動機能耗制動時的機械特性如圖根據(jù)上式畫出三相異步電動機能耗制動時的機械特性如圖所示。顯然，能耗制動時的機械特性與定子接三相交流電所示。顯然，能耗制動時的機械特性與定子接三相交流電源運行時的機械特性很相似。改變直流勵磁電流的大小，源運行時的機械特性很相似。改變直流勵磁電流的大小，或者改變繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路每相所串的電阻值或者改變繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路每相所串的電阻值R，就

20、都可以調(diào)節(jié)能耗制動時制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。就都可以調(diào)節(jié)能耗制動時制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。v能耗制動機械特性的實用公式為：能耗制動機械特性的實用公式為：mmmTTT2v處于正向電動運行的三相繞線式異步電動機，當改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r，電動機便進入了反接制動過程。同時，轉(zhuǎn)子回路串入較大的制動電阻。 電動機的運行點從A-B-C ，到C點后，-TLTTL 可以準確停車。v當拖動較小負載轉(zhuǎn)矩時，如果反接制動停車，在降速到n=0時切斷電源并停車，否則電動機會反向啟動。 與他勵直流電動機一樣，三相異步電動機反接制動停車不能耗制動快，但能量損失大。v鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子回路無法串電阻，因此反接制動不能過于頻繁。 11- -1-n nsn0Rss1I3P222m22230MRPIs反接制動停車的制動電阻