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第5章異步電機(jī)

河北科技大學(xué)電氣教研室安國慶電機(jī)學(xué)5.1異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)5.1.1異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成為了保證轉(zhuǎn)子能在定子內(nèi)自由轉(zhuǎn)動,定、轉(zhuǎn)子之間必須有一定的間隙,稱為氣隙。

籠型三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)下面是它主要部件的拆分圖。1、按相數(shù)分:單相、三相2、按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分:鼠籠式、繞線式異步電機(jī)的分類1.定子:機(jī)座、定子鐵心、定子繞組機(jī)座:中小型異步電動機(jī)的機(jī)座一般都采用鑄鐵鑄成,小機(jī)座也有用鋁合金鑄成的。大型異步電動機(jī)的機(jī)座大多采用鋼板焊接而成。機(jī)座上設(shè)有接線盒,用以連接繞組引線和接入電源。為了便于搬運,在機(jī)座上面還裝有吊環(huán)。定子鐵芯由0.5mm厚硅鋼片疊壓而成定子鐵心為定子的導(dǎo)磁部分定子繞組放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)為定子的導(dǎo)電部分(感應(yīng)電動勢、流過電流)

2.轉(zhuǎn)子:鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸1、轉(zhuǎn)子鐵心:由硅鋼片疊成,也是磁路的一部分。在轉(zhuǎn)子鐵芯每個槽中放置導(dǎo)體或繞組轉(zhuǎn)子繞組1)鼠籠式轉(zhuǎn)子:轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導(dǎo)條,形成一個多相對稱短路繞組。2)繞線式轉(zhuǎn)子:對稱三相繞組,一般接成星型。將三個出線端分別接到轉(zhuǎn)軸上三個滑環(huán)上,再通過電刷引出電流。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸氣隙

異步電動機(jī)的氣隙是均勻的。

在中、小型電機(jī)中,氣隙一般為0.2-1.5毫米。氣隙大小對電機(jī)性能有很大的影響。氣隙大:磁阻大,勵磁電流大,功率因數(shù)低氣隙?。喊醇庸た赡芗皺C(jī)械安全所限制。5.1.2三相異步電機(jī)的工作原理U2U1W2V1W1V2n1、電生磁:三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2、磁生電:旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢和電流。3、電磁力:轉(zhuǎn)子載流(有功分量電流)體在磁場作用下受電磁力作用,形成電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為一臺三相異步電動機(jī)的電源頻率=50Hz,若該電動機(jī)是四極電機(jī),即電動機(jī)的極對數(shù)=2,電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

=1500r/min

電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速應(yīng)略小于ns5.1.3異步電機(jī)的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的重要參數(shù)之一,在分析異步電動機(jī)的運行狀態(tài)時非常有用。當(dāng)三相異步電動機(jī)在額定負(fù)載下運行時,轉(zhuǎn)差率約為2%~5%。定義轉(zhuǎn)差率通常用百分?jǐn)?shù)表示轉(zhuǎn)差率

計算實例見P159例5-15.1.3異步電機(jī)的運行狀態(tài)5.1.4異步電動機(jī)的型號和額定值型號實例:Y132S1-2三相異步電動機(jī)機(jī)座中心高機(jī)座號長短代號鐵心長短代號極數(shù)異步電機(jī)的額定值額定功率PN(W,kW)輸出的機(jī)械功率定子額定電壓U1N(V,kV)線電壓值定子額定電流I1N(A,kA)線電流值額定頻率fN(Hz)我國50Hz額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)額定功率因數(shù)cosφN額定效率ηN三相異步電動機(jī)的接法

(a)星形接法(b)三角形接法U1V1

W1U2V2

W2U1V1

W1W2U2V2U1V1

W1U2V2

W2首端尾端5.2三相異步電動機(jī)的基本方程、等效電路和相量圖5.2.1轉(zhuǎn)子繞組開路時的繞線式異步電動機(jī)

轉(zhuǎn)子繞組開路,沒有電流通過,因此轉(zhuǎn)子是靜止不動的,此時的異步電動機(jī)和變壓器空載運行是相似的。異步電動機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組,而異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的二次繞組。

1.主磁通與定子漏磁通

主磁通同時交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組,其路徑為:定子鐵心→氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心。主磁通起傳遞能量的作用。漏磁通包括:槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通除了主磁通以外的磁通稱為漏磁通,它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次諧波磁通。漏磁通只起電抗壓降作用。

2.感應(yīng)電動勢(拿單相分析)

轉(zhuǎn)子不動時,主磁通以同步轉(zhuǎn)速切割定子和轉(zhuǎn)子繞組,感應(yīng)電動勢,可表示為:同樣,漏磁通也在繞組中感應(yīng)漏電動勢,與變壓器類似,漏電動勢用漏抗壓降來表示,有:=03.勵磁電流在定子、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生磁滯和渦流損耗,即鐵耗。和變壓器類似,勵磁電流也由鐵耗電流和磁化電流兩個分量組成。鐵耗電流提供鐵耗,是有功分量;磁化電流建立磁動勢產(chǎn)生磁通,是無功分量;4.電壓方程式和相量圖向量圖見書P166圖5-135.等效電路與三相變壓器空載運行時類似,空載電流即為勵磁電流同樣定義:5.2.2轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的異步電動機(jī)把繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的三相轉(zhuǎn)子繞組短路起來,并且將轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)。與轉(zhuǎn)子開路時運行情況:相同之處:轉(zhuǎn)子都不轉(zhuǎn),n=0;不同之處:轉(zhuǎn)子繞組流有電流;主磁通定子中的旋轉(zhuǎn)磁場會在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢便產(chǎn)生三相對稱電流,轉(zhuǎn)子也要產(chǎn)生轉(zhuǎn)子基波磁動勢F2。因此定、轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢F1和F2共同作用合成主磁通Fm。

因為轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)時,F(xiàn)1和F2沿氣隙圓周同轉(zhuǎn)向、同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),定、轉(zhuǎn)子電流的頻率是相同的。

漏磁通:轉(zhuǎn)子繞組短路時,也要產(chǎn)生轉(zhuǎn)子繞組漏磁通,它也是由前述三種漏磁通(轉(zhuǎn)子槽漏磁通、轉(zhuǎn)子端部漏磁通和諧波漏磁通)所組成。磁動勢平衡分析:F1+F2=Fm

F1=Fm

+(-F2)物理意義:

轉(zhuǎn)子磁動勢F2與定子磁動勢F1作用在同一條磁路上,它傾向于改變主磁通,破壞定子側(cè)的電壓平衡關(guān)系。此時,定子側(cè)會自動增加一個電流分量,用以產(chǎn)生磁動勢來抵消轉(zhuǎn)子磁動勢的作用。

電流平衡方程式電壓平衡方程式

為了得到一個統(tǒng)一的等效電路,也可以類比變壓器,將定轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行繞組歸算轉(zhuǎn)子繞組的歸算

歸算原則:歸算前后異步電動機(jī)的電磁關(guān)系、功率關(guān)系保持不變。將轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè):把實際相數(shù)為m2,每相串聯(lián)匝數(shù)為N2,繞組系數(shù)為kw2的轉(zhuǎn)子抽出來,換上一個相數(shù)為m1,每相串聯(lián)匝數(shù)為N1,繞組系數(shù)為kw1的新轉(zhuǎn)子。(1)轉(zhuǎn)子電流的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子磁動勢保持不變電流比(2)轉(zhuǎn)子電動勢的歸算歸算前后主磁通不變所以(3)轉(zhuǎn)子電阻的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗不變(4)轉(zhuǎn)子漏電抗的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子繞組的無功損耗不變(5)轉(zhuǎn)子漏阻抗和漏阻抗角的歸算歸算前后轉(zhuǎn)子側(cè)的功率因數(shù)沒有改變繞組歸算后的基本方程式等效電路5.2.3轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電動機(jī)

1.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)子各物理量的影響當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)后,電機(jī)主磁通仍以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,所以定子回路電動勢平衡方程不變。而轉(zhuǎn)子繞組以相對速度切割主磁通,所以轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢的頻率、大小及漏抗都將發(fā)生變化。(1)轉(zhuǎn)子電動勢(2)轉(zhuǎn)子漏電抗和轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻R2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小無關(guān),即為常數(shù)(3)轉(zhuǎn)子電流(4)轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)2.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子磁動勢定子磁場相對于定子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子磁場相對于定子的轉(zhuǎn)速兩磁場的轉(zhuǎn)速都是ns,總相對靜止幾個速度的計算實例見書P172例5-2轉(zhuǎn)子頻率的歸算轉(zhuǎn)子回路電壓方程的繞組歸算繞組折算前:繞組折算后:頻率和繞組都折算好的電路異步電機(jī)的T型等效電路異步電機(jī)向量圖T型等效電路的計算實例見書P177例5-3近似的等效電路將勵磁支路移動到輸入端為修正系數(shù)近似的等效電路實際的異步電機(jī)簡化的等效電路大型的異步電機(jī)書P175圖5-25有錯5.3籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)和相數(shù)

籠型轉(zhuǎn)子由兩個端環(huán)并聯(lián)了許多導(dǎo)條極數(shù):總是與感生它的氣隙磁場的極數(shù)相同相數(shù):籠型轉(zhuǎn)子的相數(shù),取決于一對極下有多少根不同相位的導(dǎo)條。

若≠整數(shù)各個導(dǎo)條中的感應(yīng)電動勢相位均不相同,有多少根導(dǎo)條就有多少相5.4異步電動機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程5.4.1異步電動機(jī)的功率方程異步電動機(jī)各種功率計算公式1)輸入功率2)定子繞組的銅耗3)鐵耗4)電磁功率5)轉(zhuǎn)子銅耗6)總機(jī)械功率異步電動機(jī)各種功率計算公式用電磁功率表示時,轉(zhuǎn)子繞組銅損耗總機(jī)械功率也可改寫成將電磁功率按比例分配異步電機(jī)總的功率方程異步電動機(jī)功率流程圖異步電動機(jī)功率計算實例見書P179例5-45.4.2異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程=其中=機(jī)械角速度5.4.3異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩兩邊同除以電磁轉(zhuǎn)矩Te其中同步角速度5.5感應(yīng)電動機(jī)參數(shù)的測定異步電機(jī)參數(shù)有兩種:勵磁參數(shù)和短路參數(shù)勵磁參數(shù):Rm、Xm、Zm,需空載試驗測定短路參數(shù):Rk、Xk、Zk,短路試驗測定5.5.1空載試驗試驗?zāi)康模簻y定勵磁電阻Rm、勵磁電抗Xm、鐵耗pFe、機(jī)械損耗pΩ試驗方法:試驗時電機(jī)轉(zhuǎn)軸空載,用三相調(diào)壓器使定子端電壓(1.1~1.3)UN開始,逐漸降低電壓,直到電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯下降,空載電流明顯回升為止。在這個過程中,記錄電動機(jī)的端電壓U1、空載電流I0、空載損耗p0、轉(zhuǎn)速n。空載特性曲線由于空載運行時轉(zhuǎn)子電流小,轉(zhuǎn)子銅耗可以忽略不計。在這種情況下:定義為鐵耗和機(jī)械損耗之和現(xiàn)想辦法把鐵耗和機(jī)械損耗分離!=機(jī)械損耗的求法

在p‘10的兩項損耗中,機(jī)械損耗pΩ與電壓U1無關(guān),在電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大時,可以認(rèn)為是常數(shù)。pFe可以近似認(rèn)為與磁密的平方成正比,因而可近似認(rèn)為與電壓的平方成正比。故p'0與U12的關(guān)系曲線近似為一直線。=因此該直線與縱軸的交點即為機(jī)械損耗激磁參數(shù)的計算2從接下來講的短路試驗測得的若已知鐵耗則5.5.2短路試驗1.試驗?zāi)康模簻y定短路阻抗Zk、短路電阻Rk和短路電抗Xk。2.試驗方法:將轉(zhuǎn)子堵住,在定子端施加電壓,從0.4UN開始逐漸降低,記錄定子繞組端電壓Uk、定子電流Ik、定子端輸入功率Pk,作出異步電機(jī)的短路特性Ik=f(Uk),Pk=f(Uk)短路特性曲線對于大、中型異步電動機(jī),可近似5.6異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線5.6.1異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式代入見P180公式(5-70)代入1.Tem與U12成正比。2.f1↑→Tem↓。3.漏電抗Xk↑→Tem↓。由公式可以看到:5.6.2異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線

Te-s曲線(Te=f(s))

在電壓U1、頻率f1為常數(shù)時,電機(jī)的參數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù),電磁轉(zhuǎn)矩僅與s有關(guān)

1.最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率

令=0此時對應(yīng)的自變量稱為臨界轉(zhuǎn)差率稱為最大轉(zhuǎn)矩±號中的正號對應(yīng)于電動機(jī)狀態(tài),負(fù)號對應(yīng)于發(fā)電機(jī)狀態(tài)通常<<R1可略去此時公式可進(jìn)一步簡化

1)最大轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比;

2)最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān);

3)臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比;但sm增大時最大轉(zhuǎn)矩保持不變;

4)最大轉(zhuǎn)矩與定、轉(zhuǎn)子漏電抗之和成反比;

5)異步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加而減小。通過以上公式可得到以下五點結(jié)論:最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(過載能力)一般三相異步電動機(jī)λ=1.6~2.2;起重、冶金等特殊用途的異步電動機(jī)λ

=2.2~2.8。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)就會停轉(zhuǎn)。為保證電動機(jī)不因短時過載而停轉(zhuǎn),電機(jī)的選擇應(yīng)有足夠大的過載能力,這樣當(dāng)電源電壓突然降低或負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大時,電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大,待干擾消失后又恢復(fù)正常運行。2.啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流n=0、s=1時的電磁轉(zhuǎn)矩,稱為啟動轉(zhuǎn)矩;

1)起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比;2)起動轉(zhuǎn)矩與定、轉(zhuǎn)子漏電抗之和成反比;3)當(dāng)轉(zhuǎn)子回路電阻與定、轉(zhuǎn)子漏電抗之和相等時起動轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩相等,起動轉(zhuǎn)矩為最大。

4)最大轉(zhuǎn)矩隨頻率的增加而減小。(繞線式電機(jī)有優(yōu)勢)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是反映了電動機(jī)起動負(fù)載能力的一個重要性能指標(biāo)。電動機(jī)啟動時,大于(1.1~1.2)倍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩就可以順利啟動。該倍數(shù)越大,電動機(jī)啟動就越快。一般異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.1~2.0。1)增大轉(zhuǎn)子電阻,起動轉(zhuǎn)矩將隨之增大,直到達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩值為止(綠線)。

繞線式的優(yōu)勢2)如果此時繼續(xù)增大轉(zhuǎn)子電阻(淺藍(lán)線),則起動轉(zhuǎn)矩將從最大轉(zhuǎn)矩值逐步下降。11啟動電流令s=1若忽略勵磁電流指代的是定子電流相關(guān)計算實例見書P187例5-55.6.3異步電動機(jī)的機(jī)械特性1.機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性是指定子繞組電壓、電源頻率和電動機(jī)的參數(shù)一定的條件下,電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系

nNTNn0TnON工作段把轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線的縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)對調(diào)

a點:當(dāng)負(fù)載突然增加后當(dāng)負(fù)載波動消除后

故a點為系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點。

異步電動機(jī)的機(jī)械特性生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性請同學(xué)們試分析一遍BC端3.機(jī)械特性的實用表達(dá)式已推導(dǎo)出簡化忽略R1綜合以上兩式該式即為異步電機(jī)機(jī)械特性實用表達(dá)式當(dāng)電機(jī)拖動額定負(fù)載時,則電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式若可以近似忽略空載轉(zhuǎn)矩,=相關(guān)計算實例見書P188例5-65.7異步電動機(jī)的工作特性三相異步電動機(jī)的工作特性是指在額定電壓和額定頻率下,各物理量之間的曲線關(guān)系:1、轉(zhuǎn)速特性

2、定子電流特性3、功率因數(shù)特性

異步電動機(jī)的功率因數(shù)總是滯后的。空載運行時,定子電流基本上用以建立磁場的無功磁化電流,所以很小,通常小于0.2。隨著負(fù)載的增加,有功分量隨之增加,使功率因數(shù)逐漸上升,在額定負(fù)載附近,功率因數(shù)達(dá)到最大值。若繼續(xù)增加負(fù)載,轉(zhuǎn)差率s較大,轉(zhuǎn)子電流頻率增加,使轉(zhuǎn)子繞組漏電抗增大,使功率因數(shù)重新下降。4、轉(zhuǎn)矩特性

Ω可近似認(rèn)為不變5、效率特性可變損耗等于不變損耗時效率達(dá)到最大值5.8三相異步電動機(jī)的啟動電動機(jī)啟動要求:1)啟動轉(zhuǎn)矩足夠大,以加速啟動過程,縮短啟動時間;2)啟動電流盡量小,即在啟動轉(zhuǎn)矩滿足要求的前提下,盡量減小啟動電流,以減小對電網(wǎng)的沖擊;3)啟動所需要的設(shè)備簡單、成本低、操作方便、運行可靠。5.8.1籠型三相異步電動機(jī)的直接啟動當(dāng)定子直接加額定電壓啟動時:若忽略勵磁電流指代的是定子電流令s=1直接啟動的優(yōu)缺點:優(yōu)點:啟動設(shè)備、操作方便、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動快。缺點:啟動電流對電網(wǎng)的影響較大,如果電源的容量足夠大,應(yīng)盡量采用此方法。若電源容量不夠大,則電動機(jī)的啟動電流可能使電網(wǎng)電壓顯著下降,影響接在同一電網(wǎng)上的其它電動機(jī)和電氣設(shè)備的正常工作。因此,應(yīng)設(shè)法限制啟動電流,采用降壓啟動。電業(yè)部門對電動機(jī)直接啟動的規(guī)定有獨立的變壓器給電動機(jī)供電:對于不經(jīng)常啟動的異步電動機(jī),其容量小于變壓器容量的30%時,可允許直接啟動;對于需要頻繁啟動的電動機(jī),其容量小于變壓器容量的20%時,才允許直接啟動;無專用的變壓器給電動機(jī)供電:則只要電動機(jī)直接啟動時的啟動電流在電網(wǎng)中引起的電壓降落不超過10%~15%就允許采用直接啟動。5.8.2籠型三相異步電動機(jī)的降壓啟動隨著定子電壓的降低,電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩將按電壓平方的倍數(shù)下降。因此降壓啟動法多用于空載啟動或輕載啟動;

1.定子回路串電抗器降壓啟動當(dāng)啟動電壓變?yōu)?.8倍時,啟動轉(zhuǎn)矩變?yōu)?.64倍,因此該方法僅限于啟動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合M3~XstQ1FUQ23~電抗可否換為電阻?2.星-三角降壓啟動起動時,將定子三相繞組聯(lián)結(jié)成星形接到額定電壓的電源上,啟動后再將其改接為三角形聯(lián)結(jié)正常運行,稱為星-三角起動。顯然,這種方法只能適用于正常運行時定子繞組為三角形接法的電動機(jī)。優(yōu)勢:啟動電流為直接啟動的三分之一;缺點:啟動轉(zhuǎn)矩也降為原來的三分之一。下面我們分析原因!啟動電流和轉(zhuǎn)矩都降為三分之一的原因分析:星-三角啟動的接線電路1)只適用于正常運行時定子繞組為△接的異步電動機(jī),且必須引出六個出線端。2)由于啟動轉(zhuǎn)矩減小為直接啟動轉(zhuǎn)矩的1/3,所以只適用于空載或輕載啟動。3~UNQ1FUQ2U1U2V1V2W1W23.自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器的高壓側(cè)接電源,低壓側(cè)接電動機(jī)。設(shè)自耦變壓器的變比為ka(ka>1);若電壓降低為原來的啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩降低為原來直接啟動時的結(jié)論:5.8.3繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的啟動

1.轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動

方法:繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的端頭接到滑環(huán)上經(jīng)電刷引出,可接入外加電阻。轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動的優(yōu)勢轉(zhuǎn)子回路串附加電阻,一方面可以增加起動轉(zhuǎn)矩,另一方面可以減小起動電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路中串入電阻后,最大轉(zhuǎn)矩不變,但最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率隨串入電阻的增加而增大。因此,串入適當(dāng)電阻,使起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動所串的電阻值令=1=-歸算回二次側(cè)=繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)串電阻的啟動性能好,因此在對啟動性能要求較高的場合,例如卷揚機(jī)、起重機(jī)中,大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。缺點:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較高

有級轉(zhuǎn)子串電阻啟動RST1RST23~M3~Q1Q2Qc(R20)b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2c1c2p隨速度的上升總保持較大的啟動轉(zhuǎn)矩,縮短啟動時間,且過程平滑。2.轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器啟動所謂頻敏變阻器實際上就是一個只有一次繞組的三相芯式變壓器。其渦流損耗與鐵心中磁通變化的頻率的平方成正比,當(dāng)頻率越大時,等效電阻越大,所以稱為頻敏變阻器。

啟動時f2高,電阻大,TST'大,IST'小。正常運行時

f2低,電阻小,自動切除變阻器。轉(zhuǎn)子串頻敏電阻啟動的接線圖避免了逐段切除啟動電阻后所引起的轉(zhuǎn)矩沖擊,整個啟動過程中轉(zhuǎn)矩曲線是很平滑的。頻敏變阻器是一種靜止的無觸點變阻器,其結(jié)構(gòu)簡單,材料和加工要求低,使用壽命長,維護(hù)方便。5.8.4改善啟動性能的籠型三相異步電動機(jī)1.深槽型異步電動機(jī)槽深h與槽寬b之比為:h/b=8~12漏電抗小↑漏電抗大增大↑電流密度

起動時,f2高,漏電抗大,電流的集膚效應(yīng)使導(dǎo)條的等效面積減小,即R2

,

使TST

運行時,f2很低,漏電抗很小,集膚效應(yīng)消失,R2→

。2.雙籠型三相異步電動機(jī)電阻大漏抗小電阻小漏抗大上籠(外籠)下籠(內(nèi)籠)

起動時,f2高,漏抗大,起主要作用,

I2主要集中在外籠,外籠R2大→TST大。外籠——起動籠。

運行時,f2很低,漏抗很小,R2起主要作用,

I2主要集中在內(nèi)籠。內(nèi)籠——工作籠。5.9三相異步電動機(jī)的調(diào)速1.改變磁極對數(shù)p2.改變轉(zhuǎn)差率s

3.改變電源頻率f1(變頻調(diào)速)調(diào)速方法:

n=(1-s)n0=(1-s)60f1

p——

有級調(diào)速。無級調(diào)速。5.9.1異步電動機(jī)的變極調(diào)速變極調(diào)速時,極對數(shù)的改變必須在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組上同時進(jìn)行。由于籠型轉(zhuǎn)子繞組本身沒有固定的極數(shù),它的極數(shù)隨定子繞組的極數(shù)而改變,所以僅改變定子繞組的極數(shù)即可,因此變極多速異步電動機(jī)都采用籠型轉(zhuǎn)子。實際應(yīng)用中,定子繞組極對數(shù)的改變一般都是通過一套定子繞組、幾種不同的接線方式來實現(xiàn)的,稱為單繞組雙速變極調(diào)速三相異步電動機(jī)。5.9.1異步電動機(jī)的變極調(diào)速5.9.2異步電動機(jī)的變頻調(diào)速在變頻調(diào)速時,希望主磁通Φm保持不變。若主磁通大于正常運行時的主磁通,則磁路過飽和而使勵磁電流增大,功率因數(shù)降低;若主磁通小于正常運行時的主磁通,則電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下降。在忽略定子漏阻抗的情況下,有

為了使變頻時Φm維持不變,則U1/f1應(yīng)為定值?!肿冾l調(diào)速同時希望電機(jī)過載能力不變

但有時和希望磁通不變是一對矛盾。若要求過載能力不變則下面分析三種典型負(fù)載變頻調(diào)速時電壓的調(diào)節(jié)方式1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

且在忽略定子漏阻抗的情況下,有這樣恰好主磁通變大,磁路易飽和,引起勵磁電流變大,功率因數(shù)降低;鐵耗增加,效率降低。主磁通變小,最大轉(zhuǎn)矩減小恒壓頻比調(diào)速法特別適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的情況主磁通變大變小都不好若要求過載能力不變2.恒功率負(fù)載

若要求過載能力不變功率恒定,則:即加到電動機(jī)上的電壓必須隨頻率的開方成比變化

很顯然,這種變頻調(diào)速方式的主磁通前后發(fā)生了改變!3.風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載

風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的特點是其轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的平方成正比變化。若要求過載能力不變即加到電動機(jī)上的電壓必須隨頻率的平方成正比變化很顯然,這種變頻調(diào)速方式的主磁通前后也發(fā)生了改變!大連理工大學(xué)電氣工程系

變頻器大連理工大學(xué)電氣工程系

優(yōu)點:(1)一體化的通用變頻器和電動機(jī)的組合可以提供最大效率。(2)變速驅(qū)動,輸出功率范圍寬(如從120W~7.5kW)。(3)在需要的時候,通用變頻器可以方便地從電動機(jī)上移走。(4)高起動轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)變頻器一體化產(chǎn)品5.9.3異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速特點:電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率不變。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(包括最大轉(zhuǎn)矩)與定子繞組電壓的平方成正比。

且降壓調(diào)速時容易引起電動機(jī)過熱!n0TnOnMUNTLTLTLU1n0TnOnMUNU15.9.4繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的調(diào)速1.轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時,為保持Te不變:則需不變:轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)缺點:優(yōu)點:初期投資小、方法簡單、調(diào)速范圍較寬廣;缺點:串入電阻越大,能量損耗越大,且機(jī)械特性斜率加大,動態(tài)精度變差,主要用于起重機(jī)等場合。注意:一般串電阻啟動用的變阻器都是短時工作的。而調(diào)速用的變阻器應(yīng)為長期工作的。2.轉(zhuǎn)子回路串級調(diào)速為了克服轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速效率低這一缺點,可采用串級調(diào)速方式,不串電阻,而采用電力電子線路串入一個電勢,該電動勢等效替代串電阻的壓降,以提高電機(jī)效率。由控制器控制逆變器,把直流轉(zhuǎn)換為和電源具有相同頻率的交流回饋給交流電源。逆變器的電壓可看成是加在轉(zhuǎn)子回路的附加電動勢,控制逆變器的移相角,就相當(dāng)于改變串接在轉(zhuǎn)子回路的電動勢,也就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

近年來常見的晶閘管串級調(diào)速方法5.10三相異步電動機(jī)的制動M3~3~Q15.10.1能耗制動1.

制動原理制動前

Q1合上,Q2斷開,

M為電動狀態(tài)。制動時

Q1斷開,Q2合上。定子:U→I1→Φ

轉(zhuǎn)子:n→E2→I2M為制動狀態(tài)。n+U-Q2

RbI1×ΦFFTT動能消耗在轉(zhuǎn)子銅耗中5.10.2異步電動機(jī)的反接制動反接制動方法:正轉(zhuǎn)反接和正接反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)反接制動異步電動機(jī)本來工作在正向電動狀態(tài),將定子兩相繞組的出線頭對調(diào)后再接到電源,這就是定子兩相反接的反接制動。

為了使反接制動時電流不致過大,繞線式異步機(jī),應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入制動電阻;籠型異步機(jī),應(yīng)在定子繞組電路中串聯(lián)限流電阻。

-TLTLOnT1n02-n0

bacd曲線2為轉(zhuǎn)子串入制動電阻后的特性曲線,b-c為制動段到

c點時,若未切斷電源,M將可能反向起動。2.正接反轉(zhuǎn)制動異步電動機(jī)定子電源正向連接,其定子磁動勢旋轉(zhuǎn)方向為n1正向旋轉(zhuǎn),但由于轉(zhuǎn)子回路串有較大的電阻,在轉(zhuǎn)軸上帶有較大的位能性負(fù)載(下放重物),電機(jī)起動時電磁轉(zhuǎn)矩Te與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2方向相反,在T2作用下,電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。OnT1n02bcTLad

制動運行狀態(tài)3e1.機(jī)車下坡或下放重物時的回饋制動機(jī)車先下坡,當(dāng)n>ns時,異步電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài),電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電動機(jī)運行狀態(tài)時相反,成為制動轉(zhuǎn)矩。

2.變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動TnOf1'f1"f1'>

f1"TLabcdTnOTLabcd變頻調(diào)速,頻率突降時的bc段變極調(diào)速,極數(shù)突增時的bc段5.11單相異步電動機(jī)定子上一般有兩個繞組:起動繞組、工作繞組,兩繞組在空間上相距90度電角度。轉(zhuǎn)子是籠型結(jié)構(gòu)。起動繞組只在起動時接入,起動完畢從電源斷開。單相交流電所建立的磁動勢為脈振磁動勢雙旋轉(zhuǎn)磁場理論:脈振磁場可以認(rèn)為是由兩個

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