電機原理與拖動(一)新教材-第4章

電機原理與拖動（一）東北大學邊春元2015.03內(nèi)容介紹變壓器交流電機基礎及三相異步電動機電磁理論基礎知識緒論三相異步電動機的電力拖動第四章三相異步電動機的電力拖動第一節(jié)電力拖動的基礎知識第二節(jié)三相異步電動機的3種機械特性表達式第三節(jié)異步電動機固有機械特性和人為機械特性第四節(jié)三相籠型異步電動機的起動第五節(jié)三相繞線式異步電動機的起動第六節(jié)三相異步電動機的調(diào)速第七節(jié)三相異步電動機的運行狀態(tài)第八節(jié)異步電動機拖動系統(tǒng)的過渡過程及能量損耗一、電力拖動系統(tǒng)的運動方程第一節(jié)

電力拖動的基礎知識式中：

J——轉動慣量（kg·m2）

d

/dt——角加速度

J(dΩ/dt)——慣性轉矩*TL——總負載轉矩，包含T0

忽略T0，則

TL=T2正方向規(guī)定Te與n同向TL與n反向飛輪矩(N·m2)∵J=mρ2Gg=D2（）2GD24g=旋轉部分的質量（kg）回轉半徑(m)GD24gJ=Ω=2πn60Te-TL=GD2dn375d

t重力加速度二、

負載的機械特性

n=f(TL)●

轉速和轉矩的參考方向：OTen+TL－TL1、恒轉矩負載特性(1)

反抗性恒轉矩負載特性：nTeTL●由摩擦力產(chǎn)生的。●當

n＞0，TL＞0?！癞?/p>

n＜0，TL＜0?！袢鐧C床平移機構、壓延設備等。OTenOTen(2)位能性恒轉矩負載特性：●由重力作用產(chǎn)生的?！癞?/p>

n＞0，TL＞0?！癞?/p>

n＜0，TL＞0?！袢绺鞣N起重機。2、恒功率負載特性●

TL

n=常數(shù)?！?/p>

如機床的主軸系統(tǒng)等?！?/p>

TL∝n1OTen3、風機泵類負載特性●

TL∝n2●

TL

的始終與n的方向相反?！?/p>

如通風機、水泵、油泵等。OTenT0TL=T0+kn2實際的通風機負載三、電動機的機械特性1.機械特性是指轉速與轉矩之間的關系曲線，即機械特性負載機械特性電動機機械特性固有機械特性人為機械特性2.運行狀態(tài)：轉速n、轉矩T都有正、負值,要選定參考正方向。電動：轉矩與轉速的方向一致制動：轉矩與轉速的方向相反3.四象限運行：電動機的固有機械特性a）他勵直流電動機b）異步電動機e）同步電動機工作點：在電動機的機械特性與負載機械特性的交點上。穩(wěn)定運行:即：Te－TL=0運動方程:Te－TL＞0→加速Te－TL＜0→減速n=常數(shù)過渡過程:四、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件n0TenOTLab干擾→n↓穩(wěn)定運行點不穩(wěn)定運行點→a點→Te↑→n↑→Te↓b點:a點:干擾→n↓→Te↓干擾→n↑→Te↑→n↑↓→n=0→堵轉→n↓↑→a點穩(wěn)定運行的充要條件:dTedn＜dTLdn→Te＞TL→Te

=TL→Te＜TL→Te＞TLTe＝TL，且n0TenO工作段自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點。a點→TL↑直至新的平衡TLaTL'

a'點a'Te－TL

＜0→n↓●

電動機的自適應負載能力電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整——自適應負載能力?！鶬2↑→Te↑I1↑→P1↑如:柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載。五、調(diào)速方式及調(diào)速性能指標

（一）電動機的調(diào)速方式（1）恒轉矩調(diào)速方式以電動機在恒定，其電磁轉矩也各種轉速下都能充分利用為條件，如果電動機調(diào)速過程中，保持電機電流恒定，也就是說其電磁轉矩T與轉速n之間無關，這種調(diào)速方式稱為恒轉矩調(diào)速方式，如直流電動機電樞串入電阻調(diào)速和降壓調(diào)速、三相異步電動機的恒磁通變頻調(diào)速均屬于恒轉矩調(diào)速。（2）恒功率調(diào)速方式以電動機在恒定，其電磁轉矩也各種轉速下都能充分利用為條件，如果電動機調(diào)速過程中，保持電機電流恒定，其電磁轉矩變化，且電磁轉矩T與轉速n的變化之間存在“”的關系，這種調(diào)速方式稱為恒功率調(diào)速方式，如直流電動機的弱磁調(diào)速即恒功率調(diào)速。（二）調(diào)速性能指標1.調(diào)速范圍

D=nmax

nmin

=ni

ni-14.調(diào)速的穩(wěn)定性——靜差率δ=×100%n0－nN

n0

=×100%

△nN

n02.經(jīng)濟性——主要考慮調(diào)速設備的初投資、調(diào)速時電能的損耗及運行時的維修費用等。3.調(diào)速的平滑性——平滑系數(shù)TenOn01n02TNnmaxnmin※重型銑床的進給機構：D=300(2~600r/min)

第二節(jié)異步電動機的3種機械特性表達式定義:

當定子電壓、頻率及繞組參數(shù)都固定時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的函數(shù)關系n=f（T）。因S=（1-n/n1）使機械特性呈非線性，故常寫成T=f（s）形式。物理表達式

T=f（s）參數(shù)表達式實用表達式物理表達式表達式曲線

圖6-1：圖6-2：圖6-3：機械特性曲線（圖6-4）參數(shù)表達式推導（“Γ”型等效電路：圖5-45、46、48）機械特性曲線（圖6-4）象限分析與說明特定點同步運行點

臨界點（最大轉矩點）臨界轉差率

臨界（最大）轉矩

討論

Tmax與r2無關

U1、f1恒定，

起動轉矩：

（繞線式：轉子外串電阻加大起動轉矩）

起動點（s=1）討論

改變r2

，可以改變Tst；（繞線電機：轉子外串電阻可加大起動轉矩；電網(wǎng)不允許（大功率）電機直接起動（（1-s）/s=0，功率因數(shù)低：0.3），否則影響其它設備的正常運行）：圖5-45~48額定點（s=sN（n=nN），T=TN）實用表達式（不依賴于電機參數(shù)，根據(jù)產(chǎn)品目錄給出的數(shù)據(jù)進行計算）

推導

注意：

（符合實際）

分析

：

實用表達式

：

產(chǎn)品目錄給出：s=f(T)：sm的求法：n=f(T)：機械特性的計算：先求sm和Tmax

（通常取“+”）

機械特性的線性化

固有（自然）機械特性條件：定子電壓：額定頻率：額定定子繞組接線：按規(guī)定接線轉子繞組：短接固有機械特性和定子電流示意圖固有機械特性sn0sN1TNTkNTmaxTABCDSmIkNI1特殊點額定工作點：最大轉矩點：堵轉轉矩：堵轉電流：堵轉點：起動轉矩倍數(shù)：起動電流倍數(shù)：籠型銘牌給出：和，繞線式不給。機械特性參數(shù)表達式和實用表達式的計算參數(shù)表達式：實用表達式：直流機（電磁轉矩）：額定轉矩：異步機（輸出轉矩）：計算舉例：異步機，求：1、機械特性表達式；

2、已知：T，求：s和n。

基本計算：（額定點）（轉矩最大點）機械特性表達式：（實用表達式）

（實用表達式）已知：T，求：s和n。

方法一：方法二：線性化條件練習：實際固有機械特性（圖6-6

）討論：低速（sm<s<1）時，公式計算的機械特性與實際特性曲線存在較大偏差，原因在于：定、轉子電流大，槽磁動勢大，漏磁路飽和，定、轉子漏抗值減??；此外，s=1時，轉子導條的擠流效應（轉子阻值增大）。存在寄生轉矩：氣隙高次諧波磁場與轉子電流作用產(chǎn)生的一系列諧波轉矩?！叭鋭印眴栴}：Y系列籠型異步電動機設計要求最小轉矩人為機械特性從參數(shù)表達式出發(fā)：降低定子電壓的人為特性

（圖6-7

）方法：（不允許：磁飽和（磁化曲線和“恒壓系統(tǒng)”），絕緣）特點：同步轉速n1=60f1/p不變；臨界轉差率sm與定子電壓無關；

最大轉矩：初始起動轉矩：機械特性圖組（圖6-8）定子串三相對稱電阻（電抗）的人為特性特點：同步轉速n1不變；臨界轉差率sm、Tmax與Tst隨外串電阻（電抗）的增大而減小。機械特性圖10TmaxTsms

n0n1Tmaxsm轉子串三相對稱電阻（繞線式）接線：圖6-10特點：同步轉速n1和Tmax不變；臨界轉差率sm與Tst隨外串電阻的增大而增大。機械特性圖組（下頁）討論：轉子串入電阻，為保證T=C（0<T<Tmax），有：三相異步電機轉差率的比例推移法：轉差率與轉子回路電阻成正比的規(guī)律r2+Rc3Tst2sm2r2+Rc2Tst1sm1r2+Rc110TstTmaxTs

n0n1smr2B

AC

D

外串電阻的計算：轉子每相繞組電阻r2

的估算（依據(jù)：sN<<1，

r2

>>sNx2）（轉子繞組Y接）E2N

：轉子額定電動勢（轉子開路線電勢）；I2N

：轉子額定線電流。人為機械特性的應用示例轉子串電阻起動（圖6-24

）轉子反向的反接制動（圖6-51

）第四節(jié)籠型異步電動機的起動關于起動繞線式：起動可調(diào)到最佳籠型：Ik大，電網(wǎng)可能不允許；Tk不大，降壓時Tst更?。M足電網(wǎng)），適于輕載起動。（直接起動）特殊籠型：深槽、雙籠、高滑差。（起動轉矩大）籠型電機起動的要求滿足：電網(wǎng)（希望Ik?。┖拓撦d（希望Tk大）。電網(wǎng)對起動電流的要求如果不滿足要求，應降低起動電流。辦法：負載對起動轉矩的要求

要求：

如果不滿足要求，應加大起動電流。圖6-6問題：蠕動要求：

KV：電壓波動系數(shù)（0.85~0.95）；Ks：加速轉矩系數(shù)（1.15~1.2）。結論：良好起動，以上兩項要求應權衡。直接起動一般，首選直接起動。7.5kW以下電機可以直接起動?，F(xiàn)代設計的籠型異步電動機：根據(jù)直接起動的電磁力和發(fā)熱設計其機械強度和熱穩(wěn)定性。減壓起動不滿足電網(wǎng)要求時采用減壓起動。基本問題（減壓時的起動電流）設U為電機端電壓I0很?。梢院雎裕┑贸跏计饎与娏鳎憾罗D電流：電機電流減?。海p壓系數(shù)）

希望：只要

，就滿足

達到減小起動電流的目的。

定子串電阻、電抗接線圖（圖6-14）（小電機：串電阻，大電機：串電抗）原理（等效電路見教材圖6-15）：

電阻和電抗的計算

確定減壓系數(shù)：

要求：

設電網(wǎng)允許：

（或）計算：

解得：同理：

rk和xk可根據(jù)銘牌進行估算：

定子串阻抗的特點：適用于空載或輕載起動。

起動

（6端子電機）接線圖：教材圖4-20：K1、K3閉合（降壓起動）K3斷開、k2閉合（正常運行）。由教材圖4-21可看出加到一相的電壓不同。

星形起動時,初始起動電流為如用三角形起動時,初始起動電流為因此有減壓系數(shù)UUNIstWVUWVUNUUNIstWVUWVUNIKN（a）（b）特點：優(yōu)缺點：起動電流?。▽﹄娋W(wǎng)）、設備簡單、價格便宜、操作方便；起動轉矩小，降壓系數(shù)不可調(diào)；僅適合于30kW以下的小功率電動機空載或輕載起動。自耦變壓器起動

教材圖4-22為接線圖，教材圖4-23為一相電路。減壓系數(shù)：自耦變壓器變比：電機電流：

忽略變壓器空載電流：

設電壓比為kA=N1/N2減壓系數(shù)α=U/UN=1/KA電動機的起動電流電網(wǎng)供給的初始起動電流初始起動轉矩優(yōu)點：起動電流較小，起動轉矩較大。UNUN1N2IstIst特點：優(yōu)缺點：教材P123工業(yè)自耦變壓器抽頭比：0.8、0.65?？偨Y：教材P123表4-1

例4-2(看一下)

四、籠型異步電動機的軟起動

軟起動器通常利用其特性，采用如下3種起動方式。（1）電壓斜坡軟起動。起動電機時，軟起動器的電壓快速升至某一設定初值，然后在設定時間內(nèi)逐漸上升，電機隨著電壓上升不斷加速，達到額定電壓和額定轉速時，起動過程完成。主要用于重載軟起動。（2）限流起動。起動電機時，軟起動器的輸出電壓迅速增加，直到輸出電流達到限定值，保持輸出電流不大于該值，電壓逐步升高，使電動機加速，當達到額定電壓、額定轉速時，輸出電流迅速下降至額定電流，起動過程完成。該方式用于某些需快速起動的負載電機。（3）斜坡限流起動。起動電機時，輸出電壓在設定時間內(nèi)平穩(wěn)上升，同時輸出電流以一定的速率增加，當起動電流增至限定值時，保持電流恒定，直至起動完成。該方式適用于泵類及風機類負載電機。五、改善起動性能的三相異步電動機1、深槽異步電動機轉子頻率愈高，槽高愈大，集膚效應愈強。當起動完畢，頻率僅為1～3Hz，集膚效應基本消失，轉子導條內(nèi)的電流均勻分布，導條電阻變?yōu)檩^小的直流電阻2、雙籠型異步電動機雙籠異步電動機的機械特性雙籠型轉子的結構與漏磁通這種異步電動機的轉子上有兩套導條，如圖11-13a所示的上籠與下籠，兩籠間由狹長的縫隙隔開。上籠通常用電阻系數(shù)較大的黃銅或鋁青銅制成，且導條截面較小，故電阻較大；下籠截面較大，用紫銅等電阻系數(shù)較小的材料制成，故電阻較小。第五節(jié)繞線轉子異步電動機的起動分級起動理想起動特性（圖6-24

）內(nèi)容：什么是理想起動特性函數(shù)公式起動級數(shù)已知和未知，轉子電阻算法例題4-3串頻敏變阻器起動原因：串電阻分級起動結構復雜、維護量大。起動轉矩改善（教材圖4-29）。（在起動過程中，能保持較大的起動轉矩）

第五節(jié)繞線轉子異步電動機的起動

對于大功率重載起動的情況，或頻繁起制動，一般采用繞線轉子異步電動機，轉子串電阻或轉子串頻敏變阻器起動，以限制起動電流和增大起動轉矩，縮小起動時間減少電動機發(fā)熱。一、轉子串三相對稱電阻分級起動一般采取分級切除起動電阻的方法，以提高平均起動轉矩和減小電流與轉矩的沖擊。起動過程最大起動轉矩T1<0.9Tmax切換轉矩T2>TLJ點為起動結束后的穩(wěn)定運行點.T=TL起動電阻計算依據(jù)如已知sm和該機械特性上某點的轉矩T,則對應的sT1TLT2TSn10gecbdfjR1R2R3r2Tmaxa即T=T1時T=T2時σ---為轉矩函數(shù)由特性1可知a點的sa=sm1σ1,在b點sb=sm1σ2,因此有對特性曲線1及2,當T=T1時,按比例推移關系可知:考慮到sb=sc,則同理可推導出轉子回路總電阻之間存在等比級數(shù)關系,公比為q.轉矩函數(shù)比如起動為m級,則各起動級轉子回路總電阻為q的計算:在g點和a點,按比例推移關系可知在固有特性上,sg和sN之間有由上兩式可知為T=TN時的轉矩函數(shù)計算起動電阻的步驟:1.已知起動級數(shù)m(1)計算sN,σN及TN(2)確定σ1,一般取最大起動轉矩T1=(0.8---0.9)(3)計算q(4)校驗切換轉矩T2.(5)計算各級總電阻R1---Rm以及各段電阻

rc1---rcm.2.級數(shù)m尚沒確定(1)確定T1和T2并計算σ1和σ2及q=σ1/σ2(2)計算m(3)按m計算q并校驗T2(4)按校驗通過的q計算各級起動電阻.m湊整后為m二、轉子串頻敏變阻器起動其為電阻大小隨轉子頻率（或轉速）自動變化而不必逐級切除電阻而實現(xiàn)無級起動的起動設備。結構：是由厚鋼板疊成鐵心，在鐵心柱上繞有線圈的電抗器。特點：漏電阻Rm大與頻率成正比。不足之處：功率因數(shù)低、起動轉矩較小，最大轉矩有所下降。適用于頻繁起制動的機械。第六節(jié)異步電動機的調(diào)速調(diào)速方法轉差功率消耗型：變s

轉差功率回饋型：串級調(diào)速（轉子串電阻的改進），η高

轉差功率不變型：變p、變f，η高

轉差功率:對于變s:變極調(diào)速原理異步機極數(shù)是定子繞組結構決定的（籠型）兩個“半”繞組順串（圖6-28）：多級（低速）兩個“半”繞組反串或順并（圖6-29）：少級（高速）變級（改變接法時，應同時變相序）？p=1，空間角度（α）：0、120、240p=2，空間角度（α）：0、240、480（120）（反轉）變極前、后、轉矩和功率關系氣隙磁密電磁轉矩輸出功率接線舉例YY/Y聯(lián)結（圖6-30

：改變相序）恒轉矩調(diào)速

YY/D聯(lián)結（圖6-31

：改變相序）接近恒功率調(diào)速

變級調(diào)速：分級調(diào)速；電機工藝復雜，不經(jīng)濟。變頻調(diào)速VVVF、DTC、矢量控制（SPWM、SVPWM）恒磁通變頻的概念恒磁通變頻：基速的提法基速：電機額定速度基速以下，恒轉矩調(diào)速，U1與f1協(xié)調(diào)控制；基速以上，恒功率調(diào)速（弱磁調(diào)速），E1/f1=C時的人為特性恒磁通調(diào)速

討論：分析人為特性的方法：Δn特性平行

Tmax機械特性曲線（教材圖4-36）容許輸出（恒轉矩）功率因數(shù)U1/f1=C時的人為特性（近似恒磁通調(diào)速）忽略ΔnTmax討論：機械特性曲線（教材圖4-36）電壓補償（也稱轉矩補償）：低速特性變壞（？）5038010370

5381028（應為37）

5471037（補償）

向基頻以上調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速當f1>fN時，要保持φm=C，定子電壓需要高于額定值，這是不允許的。辦法：保持U1=UN，這樣f1↑，φm↓，相當于弱磁調(diào)速。TmaxΔnm機械特性

教材圖4-37特點：運行段近似平行；Tmax∝1/f12。PM不同頻率，s變化不大，近似恒功率調(diào)速。真正恒功率條件：

變頻調(diào)速特點

：基頻以下，恒轉矩調(diào)速；基頻以上，恒功率調(diào)速；機械特性基本平行，硬特性，調(diào)速范圍寬，轉速穩(wěn)定性好；運行時，s小，轉差功率損耗小，效率高；可連續(xù)調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)無級調(diào)速。

降低定子電壓調(diào)速機械特性：（圖6-8）特點：同步轉速n1不變；sm不變；同一轉速下：T∝U12，調(diào)速范圍小。

為了改善D，繞線式電機可加大轉子外串電阻（教材圖6-11可以看出特性變軟），（圖6-36可以看出特性變軟后，調(diào)速范圍變大）。低速穩(wěn)定性差（采用高滑差電機，特性軟）。改進：速度閉環(huán)

性能分析：恒P？恒T？（都不是）（機械特性圖）

充分利用，又不過熱，即

恒轉矩：

T與n無關；恒功率：

變極調(diào)壓調(diào)速：結合變極調(diào)速的優(yōu)點（ps?。?，可以改善調(diào)速性能。轉子串電阻調(diào)速（繞線式）機械特性：特性變軟（圖6-24）缺點：η低；低速穩(wěn)定性差。調(diào)速性能：性質根據(jù)比例推移，

恒轉矩性質

效率：低速時，效率低

串級調(diào)速（ps回饋型）轉子回路串附加電動勢時的等效電路：（教材圖4-41）功能：轉差功率回饋電網(wǎng)方法：條件

由機械特性可知：從空載到額定負載，s變化不大。同頻：同相或反相同步轉速以下調(diào)速（次同步串級調(diào)速）超同步串級調(diào)速（技術不成熟）功率關系（看一下）：

六、籠型異步電動機的電磁轉差離合器調(diào)速..1）電磁轉差離合器的結構和工作原理電磁轉差離合器調(diào)速系統(tǒng)是在鼠籠式異步電動機軸和負載之間串接電磁轉差離合器（又稱電磁離合器），通過調(diào)節(jié)電磁轉差離合器的勵磁來改變轉差率進行調(diào)速。異步電動機本身并不調(diào)速，調(diào)節(jié)的是離合器的輸出轉速。電磁轉差離合器的基本作用原理就是基于電磁感應原理，實質上就是一臺感應電動機。.2）電磁轉差離合器的機械特性式中，n0——籠型異步電動機的轉速；

n——電磁轉差離合器從動部分的轉速；

T——電磁轉差離合器的轉矩；

K——與電磁轉差離合器類型有關的系數(shù)；

If——直流勵磁電流。轉差離合器調(diào)速原理示意圖：（

教材圖4-44）效率低，低速穩(wěn)定性差。第七節(jié)三相異步電動機的運行狀態(tài)概述電動（0<s<1）特性：(1、3象限)特點：轉子旋轉方向與旋轉磁動勢的轉向相同：

0<s<1；n<n1。T與n方向一致；電動機吸收功率；一、三象限。

TLTn-TLn1-n1反接制動（s>1：電源反接）籠型：（反相序）可直接反接繞線式：原理措施：反相序，同時轉子回路串入大電阻。串入電阻后特性變軟（圖6-49：曲線2）。過程：B點：

C點：

反向加速，

D點：穩(wěn)定

起始轉差率：功率關系電磁：（因為s>1

，電網(wǎng)輸入）

全機械：

（軸上輸入）

轉差：

能流圖

特點

能量消耗大；二象限；可實現(xiàn)快制動，快反轉；制動：應在n=0時，撤電源。反接制動（s>1：倒拉反接）倒拉反節(jié)制動（圖6-51）

條件：位能負載措施：電源不變，串入足夠大電阻（特性非常軟）第四象限能量關系：同前D點：反接制動“運行”

例：4-4，4-5（仔細看一下）回饋制動（s<0：再生制動）原理反相序回饋制動（圖5-52）。措施：位能負載，串電阻反相序接電源（曲線1）；串電阻，切電阻（曲線2）。物理過程：穩(wěn)定時：

第四象限，

轉差率功率關系（由轉子送到定子

）

（由軸輸入）

相量圖（圖6-53）由相量圖，基本垂直，

與

向電網(wǎng)回饋能量：串電阻有可能出現(xiàn)極高速：應不串或串后撤去。第二象限回饋制動變頻調(diào)速（圖6-54）運行軌跡：

段為正向回饋。

小車下坡

YY/D變級調(diào)速能流圖

能耗制動措施：切掉交流，定子通直流（定子串電阻）P153圖4-54P153圖4-55

定性分析通直流磁場靜止