工學(xué)第5章異步電機(jī)拖動課件

1、第五章三相異步電動機(jī)的電力拖動5.1三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性（一）、物理表達(dá)式一、機(jī)械特性的三種表達(dá)式表明：三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是與主磁通 與轉(zhuǎn)子電流的有功分量 的乘積成正比的物理本質(zhì)。（二）、參數(shù)表達(dá)式由簡化的等效電路，得：將上式及代入 說明：電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)（1、f1）、結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)（s）有關(guān)。當(dāng)U1、f1及電機(jī)的參數(shù)不變時，可畫出T=f(s)的曲線。如圖所示。經(jīng)簡單坐標(biāo)變換，可得異步電動機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)發(fā)電狀態(tài)電動狀態(tài)電磁制動狀態(tài)在特性曲線上有兩個最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率，可令 求得: 說明：（）上式中取“+”為電動狀態(tài)；取“”為發(fā)電狀態(tài)（）實(shí)際發(fā)

2、電狀態(tài)的|Tm|電動狀態(tài)的Tm,但工程上認(rèn)為兩者相等。令：稱為過載倍數(shù)（或過載能力），它是電動機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，通常結(jié)論：在特性曲線上還有一個起動轉(zhuǎn)矩，即 時的轉(zhuǎn)矩: 結(jié)論：當(dāng)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?。宦┛乖酱?，起動轉(zhuǎn)矩越小；3、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)理想空載點(diǎn)臨界運(yùn)行點(diǎn)起動狀態(tài)點(diǎn)以臨界運(yùn)點(diǎn)為界，三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線分為兩個運(yùn)行區(qū)域：1、穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域： 0SSm2、不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域： Sm S1三、實(shí)用表達(dá)式利用電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式除以最大電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，并且忽略r1(因?yàn)閞1r2/s),可得電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式： 工程上常根據(jù)電機(jī)的額定功率、

3、額定轉(zhuǎn)速、過載能力來求出實(shí)用表達(dá)式。方法是：將Tm和sm代入即可得到機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式。當(dāng)Ssm(即特性的直線段），則：直線表達(dá)式用起來更為簡便，但使用時需注意兩點(diǎn)：（2）求臨界轉(zhuǎn)差率Sm必須用：（）必須事先確認(rèn)電機(jī)運(yùn)行于機(jī)械特性的直線段，即SSm二、三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性是指定子對稱三相繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)接，不經(jīng)任何阻抗而直接施以額定電壓和額定頻率的對稱三相電壓，轉(zhuǎn)子電路也不串任何阻抗而直接自行短路，n=f(T)的關(guān)系曲線。sn0nNsNnmsm10TNTQTmT幾個特殊點(diǎn)：ABCD1.起動點(diǎn)A:2.最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)B:3.額定運(yùn)行點(diǎn)C4.同步運(yùn)行點(diǎn)D直接起動轉(zhuǎn)矩代表電機(jī)短

4、時過載極限代表電機(jī)處于理想空載運(yùn)行點(diǎn)補(bǔ)充說明：sn0nNsNnmsm10TNTQTmT根據(jù)電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件，以臨界運(yùn)行點(diǎn)B為界，三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線可分為兩個運(yùn)行區(qū)域：ABCD（）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：圖中DCB之間的曲線，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為0SSm（）不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：圖中AB之間的曲線，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為SmS1結(jié)論：三相異步電動機(jī)一般只能穩(wěn)定運(yùn)行在0SSm區(qū)間內(nèi)。例5-1三、人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性是指人為改變電源參數(shù)或電動機(jī)參數(shù)而得到的機(jī)械特性。1. 降壓定子端電壓時的人為機(jī)械特性特點(diǎn)：2. 轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻時的人為機(jī)械特性(繞線式）特點(diǎn)：1 0TQTmTs n0n1smR2TQsmR

5、2+R3. 定、轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻時的人為機(jī)械特性特點(diǎn)：5.2三相異步電動機(jī)的起動 一、固有起動特性直接起動定子相電流直接起動：異步電動機(jī)按其額定的接法，定、轉(zhuǎn)子回路不串任何阻抗，直接投入額定電壓、頻率的電網(wǎng)，電機(jī)從靜止到穩(wěn)定運(yùn)行的過程。這時的起動性能稱為固有起動特性。剛起動時，S=1,n=0,轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于短路。由起動等值電路得：但是，起動轉(zhuǎn)矩不大，原因?yàn)椋?起動電流大而起動轉(zhuǎn)矩小是普通異步電動機(jī)固有起動性能的主要矛盾。過大的起動電流可引起供電電網(wǎng)的電壓波動，對電機(jī)及其它用戶帶來不良影響。另外，小的起動轉(zhuǎn)矩對重載起動會造成困難。為此，必須采取措施來解決上述問題。二、 三相籠型異步電動機(jī)的起動

6、（一）、直接起動可以直接起動的條件：起動電流倍數(shù)方法兩種：直接起動和降壓起動（）、PN7.5KW時，能否直接起動，一般按下列經(jīng)驗(yàn)公式來核定?；\型電動機(jī)的兩個固有起動性能指標(biāo)（產(chǎn)品目錄中可查到）(二)、降壓起動(只用于輕載或空載的場合）設(shè)電源電壓為U1N,定子串電抗XQ后的端電壓為U1,則1.定子回路串電抗起動圖5-實(shí)際工程中，往往限定IQ的大小，要求計(jì)算XQ,則根據(jù)得：相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓其中：(2)、降壓起動(只用于輕載或空載的場合）設(shè)自耦變壓器的變比:1.自耦變壓器的降壓起動（又稱補(bǔ)償器起動）圖5-5圖5-6 一相等值電路圖原副邊電壓、電流關(guān)系為:直接起動時的起動相電流：降壓后二次

7、側(cè)起動相電流：降壓后一次側(cè)起動相電流：電網(wǎng)提供的起動電流減小倍數(shù)：起動轉(zhuǎn)矩減小的倍數(shù)：自耦變壓器一般有三個抽頭可供選用：直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩：降壓起動時的起動轉(zhuǎn)矩：結(jié)論：自耦變壓器降壓起動時，對電網(wǎng)而言起動電流降低倍數(shù)與起動轉(zhuǎn)矩降低倍數(shù)相同。與串電阻降壓起動相比，在限定相同起動電流的前提下，可以帶較大的負(fù)載起動。QJ2系列：55%、64%、73%QJ3系列：40%、60%、80%適用于正常運(yùn)行時定子繞組為三角形接線的電動機(jī)。起動時 Y接；運(yùn)行時接。圖5-7起動線電流關(guān)系:(3).Y- 降壓起動起動轉(zhuǎn)矩關(guān)系:直接起動時的起動相電流：直接起動時的起動線電流：Y起動時的起動相電流：Y起動時起動線電流

8、：直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩：Y起動時的起動轉(zhuǎn)矩： 可見，Y-起動相當(dāng)于自耦降壓起動時抽頭變比K=0.577的情況，適用于空載或輕載起動，是籠型異步電動機(jī)起動的基本方法之一。正常運(yùn)行時定子繞組為接法的電動機(jī)長期處于空載運(yùn)行時，可將其改為Y接法，以提高功率因數(shù)和效率，節(jié)約電能。因此，國產(chǎn)4KW以上的籠型電動機(jī)，都設(shè)計(jì)為額定電壓為380V,定子繞組接法為。例5-4三、 繞線式異步電動機(jī)的起動一、轉(zhuǎn)子回路串電阻起動 在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩。可見，只要R足夠大，就可使起動電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，根據(jù)前面對轉(zhuǎn)子串電阻的人為特性分析知，當(dāng)Sm1時，TQ隨R的增加而減小。因

9、而繞線式轉(zhuǎn)子串電阻起動，可獲得比籠型電機(jī)優(yōu)越的起動性能。起動相電流：適用于重載起動或頻繁起制動的拖動系統(tǒng)。 為了有較大的起動轉(zhuǎn)矩、使起動過程平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，并隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸切除起動電阻。（稱為分級起動） 電動機(jī)由a點(diǎn)開始起動，經(jīng)bcdef gh，完成起動過程。起動過程二、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器。 起動時，S2斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器,S1閉合，電機(jī)通電開始起動。起動時, ,頻敏變阻器鐵損大,反映鐵損耗的等效電阻 大,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子回路串入一個較大電阻。隨著 上升, 減小,鐵損減少,等效電阻 減小,相當(dāng)于逐漸切除 ,起動結(jié)束,S2閉合，切除

10、頻敏變阻器，轉(zhuǎn)子電路直接短路。 三相異步電動機(jī)的制動方式有三種：反接制動、回饋制動、能耗制動。5.3三相異步電動機(jī)的制動一、 反接制動反接制動是指通過外部條件使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)或通過改變外加三相交流電源的相序，引起電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反的一種制動狀態(tài)。（一）、轉(zhuǎn)向反向的反接制動相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)的電勢反向反接制動。實(shí)現(xiàn)：在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)適當(dāng)大電阻R。電機(jī)工作點(diǎn)由AB C，n=0，制動過程開始，電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到D點(diǎn)。在第四象限才是制動狀態(tài)。由于電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，n1。適用場合: 適用于重物（位能性負(fù)載）勻低速下放。（二）、定子兩相對調(diào)的反接制動實(shí)現(xiàn)：將電動機(jī)電源兩相對調(diào)可實(shí)現(xiàn)反接制動。機(jī)械特性由曲線1變?yōu)榍€

11、2，工作點(diǎn)由AB C，n=0,制動過程結(jié)束。相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)的電壓反向的反接制動。適用場合: 適用于反抗性負(fù)載的快速停車。繞線式電動機(jī)在定子兩相對調(diào)的同時,可在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)制動電阻來限制制動電流和增大制動轉(zhuǎn)矩 ,曲線3。在C點(diǎn)若不及時切斷電源，可能有：（）負(fù)載為反抗性負(fù)載，且|TC|TL,系統(tǒng)就會反向起動而進(jìn)入第三象限，穩(wěn)定運(yùn)行于D點(diǎn)，是反向電動狀態(tài)。（）負(fù)載為位能性負(fù)載，在T和TL共同作用下，工作點(diǎn)下移到-n1點(diǎn)，然后在TL作用下進(jìn)入第四象限，穩(wěn)定運(yùn)行于H點(diǎn)，將重物高速下放，此時電機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。（）制動過程中n 與n1反向，S1(2)能量觀點(diǎn)：機(jī)械功率為電磁功率為機(jī)械功率為負(fù)，說明

12、電機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率；電磁功率為正說明電機(jī)從電源輸入電功率。而表明，軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成電功率后，連同定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，因此反接制動的能量損耗較大。（三）反接制動的運(yùn)行特點(diǎn)習(xí)題5-8 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子每相電阻的工程估算式例5-7二、回饋制動是指三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速超過同步速的一種制動狀態(tài)（一）、轉(zhuǎn)向反向的回饋制動 首先將定子兩相反接,定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為-n1，特性曲線變?yōu)?。工作點(diǎn)由A到B。經(jīng)過反接制動過程（由B到C）、反向加速過程（C到-n1變化），最后在位能負(fù)載作用下反向加速并超過同步速，直到D點(diǎn)保持穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A

13、點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)：電動機(jī)轉(zhuǎn)子在外力作用下，使nn1.相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)電壓反向的回饋制動適用場合：使位能負(fù)載勻高速下滑（二）、轉(zhuǎn)向不變的回饋制動電機(jī)機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A點(diǎn)。電機(jī)工作點(diǎn)由A變到B，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)， ，電機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)采用變極（增加極數(shù)）或變頻（降低頻率）進(jìn)行調(diào)速時，機(jī)械特性變?yōu)?。同步速變?yōu)?。、電車下坡、變極或頻率下調(diào)相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)電壓不反向的回饋制動（）|n| |n1|，S0(2)能量觀點(diǎn)：機(jī)械功率為電磁功率為機(jī)械功率為負(fù)，說明電機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率；電磁功率為負(fù)說明電機(jī)將軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋給電網(wǎng)。（三）回饋制動的運(yùn)行特點(diǎn)例5-8三、能耗制動實(shí)現(xiàn)：制

14、動時，S1斷開,電機(jī)脫離電網(wǎng)，同時S2閉合,在定子繞組中通入直流勵磁電流。 直流勵磁電流產(chǎn)生一個恒定的磁場，因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割恒定磁場，導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢和電流。感應(yīng)電流與磁場作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)，轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，感應(yīng)電動勢和電流為零，制動過程結(jié)束。 制動過程中，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路電阻上能耗制動。適用場合：使反抗性負(fù)載準(zhǔn)確停機(jī)，也可使位能負(fù)載勻速下放。 三相異步電動機(jī)能耗制動過程中電磁轉(zhuǎn)矩T的產(chǎn)生，是由于轉(zhuǎn)子與定子磁動勢之間有相對運(yùn)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，都是無關(guān)緊要的。 為了找到能耗制動的機(jī)械特性，引入等

15、效電流的概念。即將直流電流等效為三相交流電流。等效替代的原則：（1）保持磁動勢幅值不變，即F-=F;（2）保持磁動勢與轉(zhuǎn)子之間相對轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)差）不變. 設(shè)將F-等效為三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢F,定子每相電流的有效值為I ,則有：能耗制動等效電路為：能耗制動時，電動機(jī)內(nèi)鐵損耗很小，可以將其忽略，即rm=0，由等效電路得：上式為能耗制動的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式。能耗制動時最大轉(zhuǎn)矩：能耗制動時機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式：能耗制動時臨界轉(zhuǎn)差率：nTemA0n1C1B23 對籠型異步電動機(jī),可以增大直流勵磁電流來增大初始制動轉(zhuǎn)矩 。 對繞線型異步電動機(jī),可以增大轉(zhuǎn)子回路電阻來增大初始制動轉(zhuǎn)矩 。5.4三相異步電動機(jī)的調(diào)

16、速由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，異步電動機(jī)有下列三種基本調(diào)速方法：（1）改變定子極對數(shù) 調(diào)速。（2）改變電源頻率 調(diào)速。（3）改變轉(zhuǎn)差率 調(diào)速。改變定子電壓的調(diào)壓調(diào)速、繞線式轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、繞線式的串級調(diào)速等一、 變極調(diào)速設(shè)定子每相繞組由兩個完全對稱的“半相繞組”組成。兩個半相繞組順向串聯(lián)（即首尾相接）定子繞組產(chǎn)生4極磁場：兩個半相繞組反向串聯(lián)（尾尾相接）和反向并聯(lián)（頭尾相聯(lián)后再并聯(lián)），定子繞組產(chǎn)生2極磁場：由此可見，要想實(shí)現(xiàn)極對數(shù)的改變，只要改變定子繞組中任何一個半相繞組的電流方向即可。對于實(shí)際電機(jī)要產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)必須相等，因此，考慮實(shí)現(xiàn)的方便性，變極調(diào)速僅適用于

17、籠式異步電機(jī)（籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對數(shù)取決于定子的極對數(shù)）。說明：就三相異步電動機(jī)而言，為確保變極前后轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向不變，變極的同時必須改變?nèi)嗬@組的相序。由于變極調(diào)速只能成倍地改變極對數(shù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也只能成倍地變化，屬有級調(diào)速。二種常用變極接線方式注意：當(dāng)改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序、YYY接變極調(diào)速結(jié)論：YYY接變極調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式,用于起重機(jī)或傳送帶。機(jī)械特性圖5-25特點(diǎn)：Y接時半相繞組順串，極對數(shù)為2P, 同步轉(zhuǎn)速為n1YY半相繞組反并，極對數(shù)為P, 同步轉(zhuǎn)速為2n12、YY接變極調(diào)速注意：當(dāng)改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序結(jié)論：YY接變極調(diào)速屬近似恒功率調(diào)

18、速方式，用于機(jī)床加工。機(jī)械特性如圖5-26特點(diǎn)：接時半相繞組順串，極對數(shù)為2P, 同步轉(zhuǎn)速為n1YY半相繞組反并，極對數(shù)為P, 同步轉(zhuǎn)速為2n1二、變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子平滑調(diào)速、獲得較寬的調(diào)速范圍和足夠硬的機(jī)械特性。變頻調(diào)速分為：基頻以下的變頻調(diào)速、基頻以上的變頻調(diào)速通過改變定子繞組供電頻率來改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式。變頻調(diào)速應(yīng)滿足的兩個約束條件：（）主磁通不應(yīng)超過額定運(yùn)行時的數(shù)值原因：超過后易造成定子鐵心過飽和、勵磁電流大，導(dǎo)致功率因數(shù)和效率降低。（）過載能力保持不變。（是電機(jī)可靠運(yùn)行的必要條件）(一)、變頻調(diào)速時頻率與端電壓的關(guān)系、保持主磁通m不變，端電壓的變化關(guān)系可見：為保持主磁通m不

19、變，在變頻的同時必須調(diào)節(jié)定子電壓,即滿足：說明：對于基頻以下的變頻調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)上式；對于基頻以上的變頻調(diào)速，當(dāng)頻率上升時，由于受電機(jī)繞組絕緣耐壓限制，定子電壓只能維持額定值不變，此時，頻率上升，主磁通下降。2、過載能力保持不變，端電壓的變化規(guī)律為了保持變頻前、后過載能力不變，則：式中可見：為了保持變頻前、后過載能力不變，電壓隨頻率的變化還與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。、對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于TN=TN,所以只要對于恒功率負(fù)載，滿足上式雖然保證了過載能力不變，但主磁通要變化。保證了變頻時主磁通與過載能力均不變。、對于恒功率負(fù)載，由于PN=常數(shù),則對于通風(fēng)機(jī)負(fù)載，滿足上式雖然保證了過載能力不變，但主磁通要變化。

20、（作業(yè)：5-21)3、對于通風(fēng)機(jī)負(fù)載，T=Kn2,則（二）、頻率調(diào)速時電動機(jī)的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)速降臨界轉(zhuǎn)差率三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性如圖5-271、在基頻以下調(diào)速時,保持 .（）不同頻率下的機(jī)械特性平行，即機(jī)械特性的硬度不變。（）f1較高時（忽略r1的影響),隨著f1下降， Tm不變， TQ增大。圖中曲線（）f1較低時（考慮r1的影響），隨著f1下降， Tm下降， 圖中曲線。通常在低速時適當(dāng)提高電壓（低頻補(bǔ)償）、在基頻以上調(diào)速時,保持（）不同頻率下的機(jī)械特性平行，即機(jī)械特性的硬度不變。（）f1較高時（忽略r1的影響),隨著f1上升， Tm變?。ㄒ?yàn)榇藭r最大轉(zhuǎn)矩與頻率的平方成反比）。圖中曲線三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速特點(diǎn)：(1)基頻以下的變頻調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；基頻以上為恒功率調(diào)速基