电机及应用 异步电动机的控制ppt课件.ppt

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1、模块2 异步电动机,学习情境7：异步电动机的控制,7.1学习目标,学习目标,方法能力,培养学生自主学习能力、分析问题与解决问题的能力、组织实施的能力、电气设备规程规范的使用能力、自我管理能力和沉着应变能力。,社会能力,培养学生安全用电意识、团队协作能力、协调沟通能力和语言表达能力。,专业能力,培养学生设计三相异步电动机简单的电力拖动控制电路能力。,知识目标,掌握三相异步电动机的机械特性及起动、调速、制动和反转；掌握单相异步电动机的起动、调速、制动和反转；掌握三相异步电动机电力拖动最基本的控制电路的设计方法。,7. 2.1 电力拖动基础,7.2.1.1、电力拖动的动力学基础知识,运动方程：,运动

2、方程的实用形式：,拖动系统的三种状态,1) 或 ,属于静止或恒速运行状态， 即稳态。,2) 或 ,属于加速运行状态， 即处于动态。,3) 或 ,属于减速运行状态， 即处于动态。,常把 或 称为动负载转矩, 把 称为静负载转矩.,2、运动方程式中转矩正、负号的规定,首先确定电动状态时的转向为转速的正方向， 然后规定：,（1）电磁转矩 与转速 的正方向相同时为正， 相反时为负。,（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负， 相反时为正。,(3)惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。,7.2.1.2、生产机械的负载特性,生产机械运行时常用负载转矩标志其大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律

3、不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩 之间的关系 。各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。,1、恒转矩负载特性,1）反抗性恒转矩负载 属于这类特性的生产机械有轧 钢机和机床的平移机构等。,2）位能性恒转矩负载 起重设备提升重物,2、恒功率负载特性（反抗性）,例如，车床粗加工时，切削量大（ 大），用低速挡；精加工时，切削量小( 小), 用高速挡。,3、通风机型负载特性（反抗性）,如风机、水泵、油泵等。,应该指出，以上3类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的

4、反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两个转矩之和。,7.2.1.3、三相异步电动机的力矩转差特性和固有机械特性,一、力矩转差特性,1、物理表达式,2、力矩转差特性参数表达式,结论(1) ； （2） 仅与s、或 n 有关。,三相异步电动机的机械特性 曲线,电磁制动,电动机反转,发电机,电动机,（二）三相异步电动机的固有机械特性,4,1,2,3,1、固有机械特性是指额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,起动点D,拐点C,额定点A,同步点n1,固有特性曲线上特殊点的电磁力矩,1、额定运行点A,2、拐点C,一般,起重冶金用的异步电动机,3、起动点D,3、

5、实用表达式,7.2.1.4、三相异步电动机的人为机械特性,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,1.）降压时的人为机械特性,如果电机在定额负载下运行, 下降后, 下降, 增大, 转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,2.）转子回路串电阻时的人为机械特性（只适用于绕线式）,在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻， 减小。,特点：串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。,3.）改变磁极对数时的人为机械特性（只适用于鼠笼式）,TM,2p,s,p,特点：1、特性的硬度不变。2、 改变。3、 、 与 成正比变化

6、。,4.）改变频率的人为机械特性：,TM,s,f1,f2,f3,特点：1、特性的硬度不变。2、 改变。3、 、 与f反正比变化。,定子电路串电阻或电抗时的人为机械特性,1、因为 ，所以定子电路 不变；,2、串入,随,的增大而减小；,3、串入,随,的增大而减小。,7.2.1.5、电力拖动系统稳定运行的条件,由 可知,必要条件,充分条件,在 处,（图a）,（图b）,7. 2.2 异步电动机的起动,起动转矩要大,起动电流要小,起动设备简单，操作和维护方便,起动过程中能量损耗尽量小,4,1,2,3,起动要求,7.2.3.1三相笼型异步电动机的起动,一、直接起动（条件）,一般容量在7. 5 kW以下；,

7、由专用变压器供电；,电动机的容量小于变压器容量的20%,起动电流倍数Ki、容量与电网容量满足下列经验公式,7.2.2.2、笼型异步电动机起动方法,1、定子三相电路串电阻或电抗器降压起动,降压起动,当电动机的起动电压减少到1/K时，由电网所供给的起动电流也减少到1/K。起动转矩减少到 。通常用于高压电动机。,2、星三角(丫-)转换降压起动,Y系列容量在4 kW以上的小型三相笼型异步电动机都设计成三角形联结，以便采用星/三角降压起动。,3、自耦变压器降压起动,自耦变压器一般有三个分接头可供选用。适用于容量较大的低压电动机降压起动，手动、自动均可控制，应用广泛。,4、延边三角形降压起动,当抽头在每相

8、绕组中心时，,抽头越靠近尾端， 与 降低得越多。该起动法的缺点是定子绕组接线复杂。,5、四种降压起动方法比较,起动方法,直接起动,定子串电抗起动,Y起动,自耦变压器起动,延边三角形起动,起动电压比值,起动电流比值,起动转矩比值,起动设备,应用场合,1,1,1,0.66,0.5,0.5,最简单,一般,简单,较复杂,简单,电动机容量小于7.5KW,任意容量，轻载起动,正常运行为，可频繁起动,较大容量电动机，较大负载，不能频繁起动,专门设计的电动机，较大负载，可频繁起动,1、转子回路串入三相对称电阻起动,为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除

9、起动电阻。,7.2.2.2、绕线型异步电动机的起动,既能限制起动电流，又能增大起动转矩，还可以提高功率因数，适用于大、中容量异步电动机重载起动。,电动机由a点始，经bcdef gh，完成起动过程。,起动过程,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。如果参数选择适当，可以在起动中保持转矩近似不变，使起动过程平稳。优点：减小起动电流、增大起动转矩；等效起动电阻随转速升高自动连续减小；结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便。目前被大量地推广与应用。,7.2.2.3、深槽型和双笼型异步电动机,1、深槽型异步电动机,原理：集肤效应 转子导条的截面窄而深（一般槽宽与槽深之比为1:10

10、12); 起动等效电阻随转速和频率的变化自动的由大变小，以达到改善起动性能。缺点：由于导条截面的改变，使它们的槽漏磁通增多，转子漏抗比普通笼形电动机增大。这将使电动机的功率因数、过载能力比普通笼型电动机稍差。,2、双笼型异步电动机,原理：集肤效应上笼用电阻系数较大的黄铜或青铜材料，截面积较小；下笼用电阻系数较小的紫铜材料，截面积较大。上、下鼠笼导条之间有一窄缝，其作用是使主磁通与下笼磁通相互交链以及改变槽漏磁通分布，使下笼漏抗较大，上笼漏抗较小。,7.2.2.4、单相异步电动机的起动,根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机,一、分相起动电动机,1、电容起动电动机,特点：电容

11、起分相和提高功率因数的作用。由于电容按短时工作设计，因此，当n达7580%n1时，离心开关自动打开。,欲改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕组的两个出线端对调，也就是改变起动时旋转磁场的旋转方向即可。此类电动机起动电流及起动转矩均大，但价格稍贵，用于冰箱、洗衣机、压缩机、小型水泵等。,电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容器按长期工作设计；过载能力、功率因数和效率均较高；容量能做到五十瓦至几千瓦；应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。,2、电容运转电动机,3、电容起动运转电动机,电容运转电动机工作时比起动时所需的电容量小。所以常用电容起动运转电动机，起动结束后，用离心开

12、关把起动电容切除，而工作电容仍串在起动绕组。此类电动机起动电流及起动转矩均较大，功率因数高，但价格较贵，主要应用于电冰箱、洗衣机、水泵、小型机床等。,4、电阻起动电动机,起动绕组的电流用串联电阻的方法来分相，但由于分相的相位差较小，因此其起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。此类电动机起动电流大，但起动转矩不大，价格稍低，主要应用于搅拌机、小型鼓风机、研磨机等。,（二）罩极电动机,定子作成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面1/31/4处开有一个小槽，放入罩极绕组（短路环），短路环作起动绕组。罩极电动机的转子仍做成笼型。它结构简单，工作可靠，但起动转

13、矩较小，功率因数低。但此类电动机价格低，主要应用于小型风扇、仪器仪表电动机、电唱机等。,7. 2.3 异步电动机的调速,7.2.3.1、三相异步电动机的调速,（1）改变定子极对数 调速（笼形）。,（2）改变电源频率 调速。,（3）改变转差率 调速。,降压调速转子串电阻调速（绕线型）串级调速,（一）变压调速,对于一般笼型电动机，降压调速范围很窄，最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。若拖动泵类负载，应注意电动机在低速运行时存在过电流及功率因数低的问题。,若拖动恒转矩负载并且有较宽的调速范围，则应选用转子电阻较大的高转差率笼型电动机，但电动机的机

14、械特性软，不能满足生产机械的要求，而且低压时的过载能力较低，一旦负载转矩或电源电压稍有波动，都会引起电动机转速的较大变化甚至停转。,（二）绕线型异步电动机转子回路中串变阻器调速,优点：简单，易于实现；缺点是调速电阻要消耗能量，有级调速，不平滑。转子的铜损 ，转速越低，转差率越大，铜损就越多，效率越低。同时电动机的机械特性变“软”，负载变化时电动机的转速变化显著。主要用在中、小容量的异步电动机中，如交流供电的桥式起重机。,（三）笼型三相异步电动机变极调速,2、三种常用变极接线方式,Y反并YY，2p-p,Y反串Y，2p-p,YY，2p-p,注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序,3

15、、变极调速时的机械特性,1)丫/丫丫变极调速时的机械特性,丫丫丫联结方式时，转速增大一倍，输出功率增大一倍，而转矩不变，这种变极调速属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载。,2)/丫丫变极调速时的机械特性,变成丫丫后，极对数减少一半，转速增加一倍，输出转矩近似减小一半，而输出功率近似保持不变，这种变极调速属于恒转矩调速方式，适用于车床切削等恒功率负载，如粗加工时，进给量大、转速低；精加工时，进给量小、转速高，但两者的功率近似不变。,优点：设备简单、运行可靠，机械特性硬、效率高、损耗小，为了满足生产机械的需要，采用不同的接线方式，可获得恒转矩或恒功率调速。缺点是定子绕组抽头多，转速只能成倍变化，平滑性

16、差，调速级数少。必要时需与齿轮箱配合，才能得到多极调速。除了利用上述倍极比变极方法获得多速电动机外，还可利用改变定子绕组接法达到非倍极比变极的目的，如4/ 6极等。另多速电动机体积比同容量普通笼型电动机大，运行特性稍差，价格贵，故多用于一些不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等。,变极调速总结,（四）变频调速,1、电压随频率调节的规律,频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：,1）恒转矩变频率调速,此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。,对恒转矩负载,2）恒功率变频率调速,此条件下变频调

17、速，电机的过载能力不变，但主磁通减小。,对恒功率负载,得,1)基频以下的变频调速,1)基频以下变频调速：为防磁路过饱和，降低 f1时保持 为常数，为恒转矩调速。这相当于他励直流电动机降压调速。,2)基频以上的变频调速,2）基频以上变频调速：只能保持 不变， 越高， 越低，近似为恒功率调速。这相当于他励直流电动机的弱磁调速。,三相异步电动机变频调速优点；,(1)从基频向下变频调速为恒转矩调速方式；从基频向上变频调速近似为恒功率调速方式；,(2)调速范围大；,(3)机械特性“硬”，转速稳定性好；,(4)运行时s小，效率高；,(5)频率可以连续调节，变频调速为无级调速。,变频调速的缺点及变频装置简介

18、,缺点：必须有专用的变频电源；恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低，甚至不能带动负载。由于变频调速具有优越的调速性能，尤其对于笼型异步电动机，所以它是最有发展前途的一种调速方法。,变频装置分间接、直接变频装置。间接变频装置是先将工频交流经整流器变成直流，再经过逆变器变成可控频交流，称为交一直一交变频装置。直接变频装置是将工频交流一次变换成可控频的交流，没有中间直流环节，称为交一交变频装置。目前应用较多的是间接变频装置。,（五）串极调速,1、串级调速的原理,串级调速是指在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个与转子同频率的附加电动势以实现调速，该附加电动势,可与转子电动势 的相位同相，也可

19、反相。,当 引入之前，电动机在固有特性上稳定运行时，转子电流的有效值为,当 引入之后，转子电流的有效值为,当 与 反相或同相时，转子电流为：,式中“”号对应 与 反相，电动机减速到一定转速下稳定运行，提供 的装置通过转子电路吸收电能。同理，若转子串入 与 同相，电动机加速到一定转速下稳定运行，提供 的装备向转子回路输入电能。由于此时定子电源还向定子回路输入电能，即定子和转子回路两路同时输入电能，故串级调速又称为电动机的双馈调速。,2、串级调速的实现,在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个大小、相位可以自由调节，其频率能自动随转速变化并始终等于转子频率的附加电动势。要获得这样一个变频电源不是一件

20、容易的事，在工程上是先将转子电动势通过整流装置变成直流电动势，然后串入一个可控的附加直流电动势去和它作用，从而避免了随时变频的麻烦。根据附加直流电动势作用吸收转子转差功率后回馈方式的不同，可将串级调速方法分为电动机回馈式串级调速和晶闸管串级调速两种类型。,串级调速的特点和性能：,1）控制设备复杂，成本高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电压频率相同的外加电压，且要随转子频率变化，这是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电压用整流装置整流成可控的直流电压来代替交变电压。,2）串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率较高。,3）低速时，转差功率损耗大，功率因

21、数较低，过载能力较弱。,4）串级调速范围一般为（24）：1，适用于大容量的通风机、提升机等泵类负载。,目前常用的采用可控硅组成的交直交变频器串级调速系统和交交变频器串级调速系统。 由于转差功率通过逆变器回馈给电网，把异步电动机与电网串联起来，把电机本身不能输出的转差功率接过来，再送到电网，故称做”串级“调速。同时，逆变器给异步电动机转子回路提供外加直流电势。,串级调速系统的组成：,（六）电磁调速异步电动机,它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的鼠笼式异步电动机，是唯一一种没有改变异步电动机的实际转速的调速方法。,ui,ui,+,-,负载,滑环,磁极,电刷,电枢,离合器,机械特性：由于异步电动机的

22、固有机械特性较硬，可以认为电枢的转速是恒定不变的，而磁极的转速取决于励磁电流的大小。只要改变励磁电流的大小就可以改变磁场的强弱，则磁极和负载转速就不同，从而达到调速的目的。,n,T,o,4、特点：1）设备简单，控制方便，可平滑调速2）机械特性较软，转速稳定性差，调速范围小3）与三相笼形电动机装成一体时称为滑差电机，应用更方便4）低速时转差功率损耗较大，效率较低,7.2.3.2、单相异步电动机的调速,1、串电抗器调速这种调速方法将电抗器与电动机定子绕组串联，通电时，利用在电抗器上产生的电压降使加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，从而达到降压调速的目的。因此用串电抗器调速法时，电动机的转速只能

23、由额定转速向低速调速。,这种调速方法的优点是线路简单、操作方便；缺点是电压降低后，电动机的输出转矩和功率明显降低，因此只适用于转矩及功率都允许随转速降低而降低的场合。,2、绕组抽头调速,这样就省去了调速电抗铁芯，降低了产品成本，节约了电抗器的能耗。其缺点是使电动机嵌线比较困难，引出线头多，接线复杂。这种调速方法通常有L形接法和T形接法两种，如图所示。,电容运转电动机在调速范围不大时，普遍采用定子绕组抽头调速。这种调速方法是在定子铁芯上再放一个调速绕组(又称中间组)D1、D2，它与工作绕组及起动绕组连接后引出几个抽头，通过改变调速绕组与工作绕组、起动绕组的连接方式，调节气隙磁场大小及椭圆度来实现

24、调速的目的，,3、串电容调速,将不同容量的电容器串入单相异步电动机电路中，也可调节电动机的转速。电容器容抗与电容量成反比，故电容量越小，容抗就越大，相应的电压降也就越大，电动机转速就低；反之电容量越大，容抗就越小，相应的电压降也就越小，电动机转速就高。由于电容器具有两端电压不能突变的特点，因此，起动瞬间，调速电容器两端的电压为零，即电动机的电压为电源电压，电动机起动性能好。正常运行时，电容器上无功率损耗，效率较高。,4、自耦变压器调速,图7-46a所示电路在调速时是使整台电动机降压运行，因此低速挡时起动性能较差。,图746b所示电路在调速时仅使工作绕组降压运行，因此低速挡时起动性能好，但接线较

25、复杂。,5、晶闸管调压调速,前面介绍的各种调速电路都是有级调速，目前采用晶闸管调压的无级调速已越来越多，如图776所示，整个电路只用了双向晶闸管、双向二极管、带电源开关的电位器、电容和电阻等五个元件，电路结构简单，调速效果好。,7.2.4.1、三相异步电动机的制动与反转,1、能耗制动,制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。,一、制动,7.2.4 异步电动机的制动与反转,对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 。,对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 。,制动电阻大小：,(1)能够使反抗性恒转矩负载准确停车；(2)制动平稳，但制动至

26、转速较低时，制动转矩也较小，制动效果不理想；(3)由于制动时电动机不从电网中吸取交流电能，只吸取少量的直流电能，因此制动比较经济。,特点,2、反接制动,绕线式电动机在定子两反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩 。,F,E,电源反接制动特点,反接制动时，s1，所以有,机械功率为负，说明电机从轴上输入机械能转换为电能；电磁功率为正说明电机从电源吸收电能，并由定子向转子传递电能。,这些电能全部消耗在转子电路的电阻上，因此制动时能耗大、效率差。,2）倒拉反转的反接制动,条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。,实现：在转子回路串联适当大电阻RB。,由于电机反向旋转，n

27、1。,倒拉反转的反接制动特点,(1)能够低速下放重物，安全性好；,(2)由于制动时s1，因此与电源反接制动一样，,0，,这说明在制动时，电动机既要从电网吸取电能，又要从轴上吸取机械能并转换为电能，这些电能全部消耗在转子电路的电阻上，因此制动时能耗大、经济性差。,0,倒拉反转的反接制动特点,倒拉反转的反接制动特点,(1),结论,(2),能够低速下放重物，安全性好；,(2)由于制动时s1，因此与电源反接制动一样，,0，,0,这说明在制动时，电动机既要从电网吸取电能，又要从轴上吸取机械能并转换为电能，这些电能全部消耗在转子电路的电阻上，因此制动时能耗大、经济性差。,3、回馈制动,实现：转子在外力作用

28、下，使nn1.,回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。,1）下放重物时的回馈制动,2）变极或变频调速过程中的回馈制动,电机工作点由A变到B，电磁转矩为 负， ，电机处于回馈制动状态。,回馈制动特点,(1)电动机转子的转速高于同步转速，即|n|,(2)只能高速下放重物，安全性差；,(3)制动时电动机不从电网吸取有功功率，反而向电网回馈有功功率，制动很经济。,二、反转：将接电源的A、B、C三相任意对调两相,7.2.4.2、单相异步电动机的反转控制,、分相电动机反转控制对于电容运转单相异步电动机，如洗衣机中的电动机，其正反转控制线路如图。当开关S掷于1或掷于2的

29、位置时，电容电动机的工作绕组和起动绕组互换使用，电容器从一个绕组改接到另一绕组中，工作绕组和起动绕组中电流的时间相位差在超前滞后关系上发生改变。当把起动绕组当成工作绕组使用时，原起动绕组中的电流由原来的超前90 近似变成滞后90 ，其旋转磁场方向改变，故可改变电动机的转向。,2.罩极式电动机的反转控制,罩极式单相异步电动机的旋转方向始终是从未罩部分转向被罩部分，罩极式异步电动机罩极部分固定，故不能用改变外部接线的方法来改变电动机的转向。如果想改变电动机的转向，其一是：拆下定子上各凸极铁芯，调转方向后装进去，也就是把罩极部分从一侧换到另一侧，这样就可以使罩极式异步电动机反转；其二是：定子上绕制两套起动绕组，一套负责正转，另一套负责反转。,7.2.5 三相异步电动机电力拖动控制电路设计举例,Thank You!,