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1、第三章三相异步电动机的电力拖动,第一节 三相异步电动机的机械特性,第二节 三相异步电动机的起动,第三节 三相异步电动机的制动,第四节 三相异步电动机的四象限运行(应用实例),第五节 三相异步电动机拖动系统的调速,第一节 三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的电磁转矩,式中:为极对数，,为电磁功率它有两种表达式,分别为折算到定子边的转子电阻和漏抗,为转子边的功率因数。,一、机械特性表达式,1、物理表达式,是常数。,定子绕组每相串联匝数。,为基波绕组系数。,二、机械特性的参数表达式,1、机械特性参数表达式的推导,异步电动机的T形等效电路,、,异步电动机的机械特性,第一象限，nn1，,，为电动机
2、运行状态,第二象限，,，为发电回馈制动状态,称为临界转差率,定子的漏电感。,曲线的形状可分析如下。,转子的漏电感。,当 时,当很 小时,2最大转矩和临界转差率,式中（+）为电动状态，（-）为发电状态。,通常，则有：,3起动转矩,与 之比称为起动转矩倍数，即,4稳定运行范围,负载转矩特性为通风机类负载,负载转矩特性1为恒转矩负载,5固有机械特性和人为机械特性,三相异步电动机的固有特性,三相异步电动机的固有机械特性是指异步电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时的转速n与电磁转矩T 的关系。,人为机械特性,（1）降低定子电压时的人为机械特性,异步电动机降压时的人为
3、机械特性,（2）转子电路中串对称电阻时的人为特性,绕线转子异步电动机转子电路串接对称电阻 a）电路图 b）人为机械特性,（3）定子电路串接电阻或电抗的人为特性,异步电动机定子电路串接对称电抗 a）电路图 b）人为机械特性,三、机械特性的实用表达式,如忽略，得到机械特性的实用表达式为：,由,机械特性的近似计算公式：,其中：,第二节 三相异步电动机的起动,一、对异步电动机起动性能的要求,（4）起动过程的能量损耗越小越好，起动时间越短好。,（3）起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便；,（1）具有足够大的起动转矩。,（2）在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流越小越好；,二、异步电动机
4、的固有起动特性,不论是鼠笼电机还是绕线式电机，如果不采取措施直接接入电源起动，这样的起动特性称为固有起动特性，主要指起动电流和起动转矩。,三、鼠笼式异步电动机的起动,1、直接起动小容量电动机起动方法,直接起动降压起动,直接起动也称为全压起动。若能满足下列要求，就允许直接起动。,为笼型异步电动机的起动电流倍数,2、降压起动大中容量电动机轻载起动方法,定子电路串电阻器或电抗器降压起动,（1）起动线路,笼型异步电动机电阻减压起动原理图,（2）起动电流和起动转矩,设加在定子绕组上的电压为，并令,直接起动时，,降压起动时，,由式,式中，分别为每相的短路电阻和电抗。,令,（3）起动电阻或电抗的计算,设起动
5、时，定子绕组串入的电阻为,则,将 代入上式,化简后可得,如定子串电抗起动，则 的计算公式为,最后还应校核起动转矩，应使之满足以下关系,式中，为起动时的负载转矩。,当定子Y接时,当定子（三角形）接时,设电动机直接起动时的功率因数为，则,按一般电动机的平均数值，可认为,（4）和 的估算,（1）起动线路,自耦变压器降压启动,异步电动机自耦变压器减压起动原理线路图 a）接线图 b）自耦变压器一相电路,（2）起动电流和起动转矩,自耦变压器降压起动时，设自耦变压器的变比为Ka,由图可见,为由电网供给的起动电流,为额定电压下直接起动时的起动电流。,起动转矩与加在定子绕组上的电压平方成正比,（1）起动线路,Y
6、启动,异步电动机Y-起动原理线路图,（2）起动电流和起动转矩,设接法时电网供给的起动电流为,Y接法时电网供给的起动电流为,Y形和形联结时的电压和电流,减压起动方法的比较,四、特种笼型转子异步电动机的起动,（一）深槽式异步电动机,深槽笼型转子异步电动机a）槽漏磁分布 b）导条内电流密度分布c）导条有效截面,（二）双笼型异步电动机,双笼型异步电动机a）槽漏磁 b）机械特性,五、三相绕线转子异步电动机的起动,（一）转子串接频敏变阻器起动,转子串接频敏变阻器转子串接电阻。,三相绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器的起动a）线路图 b）频敏变阻器等值电路 c）机械特性,（二）转子串接电阻起动,1起动过程,
7、三相绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动a）接线图 b）机械特性,a,g,f,e,d,c,b,曲线1对应于转子电阻为 的人为特性,曲线2对应于转子电阻为 的人为特性,曲线3对应于电阻为,曲线4为固有机械特性。,其中：,2起动电阻的计算,常数，即s常数时，转矩与成反比，即 而，故在一定转速下,在图中，特性4与特性3相对应的转子电阻为，根据 两点的转速相等，由式得,对于d,e两点则得,对于三级起动显然可得,为起动转矩比，即相邻两级起动总电阻之比,已知转子每相电阻 和起动转矩比 时，各级总电阻为：,在一般情况下，当起动级数为 时，则最大起动总电阻为：,以下确定 和：,在图中，特性4和特性1在 时，由
8、上式可得,从固有特性曲线4和直线构成的相似三角形可得,由此代入得,如推广到一般情况，代入上式可得,所以,如起动级数未知时，将式两边求对数,至此可归纳出计算起动电阻的步骤：,1）当起动级数 已知时，则,预选，计算,验算，是否满足。，如不满足，则应重选较大的值或增加级数，重新计算,计算，用 和 计算各级电阻值。式中 为转子额定电势，可在电动机铭牌上查得，这个值即为定子加额定电压转子开路时两集电环间的电压；为转子额定电流。,2）当起动级数未知时，则,预选 和，求；,计算,取接近的整数，再修正 和；,计算，由 和 值计算各级电阻值。至于起动电阻每段的电阻值，可由相邻两级总电阻值相减得。,六、异步电动机
9、起动时间和起动时能耗的计算,（一）起动时间的计算,设异步电动机是空载起动，即。这时电机拖动系统的运动方程式为,考虑到异步电动机机械特性的实用表达式为,故,为异步电机拖动系统的机电时间常数。,将式两边积分，求得起动时间为,和 分别为加速时转差率的起始值和终了值。,将上式整理后可得计算起动时间的一般公式为,在工程实践中，当 时即认为起动过程结束，可得空载起动时间为：,这就是说，当时，空载起动时间为最短。,（二）起动时的能量损耗,如果忽略空载电流，则，代入上式得：,当电动机拖动系统是在空载情况下起动时，即负载转矩，拖动系统的运动方程式为：,异步电动机起动时，定子和转子中的铜耗可用下式求得,因，代入上
10、式可得：,另外转子电路中的能量损耗还可以用下列关系来推得：,式中：,电磁转矩,电磁功率,旋转磁场的同步机械角速度,由上式可知：,整理后：,如果电动机是从静止状态（）起动到同步转速（），则,通过上述分析可以看出，要减小起动时的能量损耗，其措施是：,（1）减小拖动系统动能的贮存量。,（2）降低同步转速。,（3）提高转子电路的电阻。,第三节 三相异步电动机的制动,一、能耗制动,制动运行状态的特点是：电磁转矩T与转速n反方向，转矩T对电动机起制动作用。,能耗制动反接制动回馈制动,（一）制动原理,三相异步电动机能耗制动a）接线图 b）制动原理,（二）机械特性曲线,异步电动机能耗制动时的机械特性,机械特性
11、曲线的特点：,当直流励磁一定，而转子电阻增加时，产生最大制动转矩时的转速也随之增加，但是产生的最大转矩值不变。,转子电路电阻不变，而增大直流励磁时，则产生的最大制动转矩增大，但产生最大转矩时的转速不变。,（三）制动过程,（四）能耗制动经验公式,在绕线转子异步电动机的拖动系统中，采用能耗制动时：,式中：,为异步电动机的空载电流，一般取。,为转子每相绕组的电阻。,二、反接制动,转子转向不变，使定子旋转磁场的方向改变，而定子磁场方向改变只有藉助于定子两相电源反接，故这一种叫定子两相反接的反接制动。,保持定子旋转磁场方向不变，使转子反转，这叫转子反转的反接制动。,（一）转子反转的反接制动,1制动原理及
12、其机械特性,异步电动机转子反转的反接制动a）制动原理图 b）机械特性,2能量关系,（二）定子两相反接的反接制动,1制动原理与机械特性,异步电动机定子两相反接的反接制动 a）制动原理图 b）机械特性,三、回馈制动,（一）回馈制动的概念,能量关系与转子反转的反接制动时的相同。,2能量关系,特点：电机向电网输送功率。,（二）能量关系,电动机运行状态，则，说明电机从电网吸收电功率，电磁转矩T和n同方向，电动机输出机械能。,回馈制动状态时，,则 说明电机向电网输送有功功率，电磁转矩T和n反方向。,至于无功功率，两种运行状态下，均有,电动机状态的相量图,发电机状态的相量图,（三）机械特性和制动的应用,1下
13、放重物时的回馈制动,异步电机回馈制动a）制动原理图 b）机械特性,2变极调速过程中的回馈制动,异步机在变极或变频时的机械特性,3变频调速过程中的回馈制动,异步电动机如果采用改变电源频率的方法调速，当频率降低时，和上述变极调速方法类似，在频率降低瞬间，同步速降低，在这种情况下采用回馈制动还是能耗制动，与变频装置的类型有关，在后续课程中再作介绍。,异步电动机各种制动方法的比较,第四节 三相异步电动机的四象限运行(应用实例),一、笼型异步电动机应用实例,1反抗性负载以拖动运送钢锭的辊道为例,（1）快速正反向转,对电动机的要求是：正向起动恒速正转快速停转反向起动恒速反转快速停转重新正向起动。,（2）正
14、向转,对电动机的要求是：正向起动恒速转动快速停转。,笼型异步电动机的应用实例a）反抗性负载 b)位能性负载,2位能性负载 以起重机的提升和下降重物为例,提升重物时，使电动机正转运行，以A点转速恒速提升重物。,下放重物有两种方法：,如要求高速下放重物，将电动机定子两相反接。,如果要求低速下放重物，可采用能耗制动方法，即 将定子绕组改接直流电源。,二、绕线转子异步电动机应用实例,1反抗性负载,绕线转子异步机在拖动反抗性负载时，与笼型转子异步机的情况相似。,2位能性负载,以桥式起重机提升与下放重物的主钩的拖动系统为例。,起重机提升机构的工艺要求是：空钩下放负载提升负载下放空钩提升。,（1）提升重物电
15、动机始终处于电动状态。,（2）下降重物电机处于制动状态,若要求以较高速度下放重物，电机通常都采用回馈制动状态工作。,（3）空钩升降,提升空钩时电动机运行于正向电动状态。下放空钩时，电动机运行于反向电动状态，强迫空钩下放。,若下降速度较低，则电动机采用转子反转的反接制动状态。,异步电动机拖动主钩时的应用实例a）接线图 b）机械特性,三、绕线转子异步电机在各运转状态下转子附加电阻的计算,（一）根据铭牌数据计算异步机的有关参数,计算时要注意的是：在不同运转状态下，方程中各参量的正、负符号。,额定转差率,额定转矩,固有特性上的临界转差率,转子绕组每相电阻,转于串附加电阻时，最大转矩与固有特性上的最大转
16、矩 相同，但对应的临界转差率将增大为,（二）计算人为机械特性上的临界转差率,人为机械特性的实用式应为：,如果已知人为特性上某点X的转差率为，转矩为，代人上式即可求得,整理后得：,解得：,式中，其正负号由机械特性所处的象限决定。,（三）计算转子每相附加电阻,由式已知，临界转差率与转子电阻成正比，所以,第五节 三相异步电动机拖动系统的调速,异步电动机的转速表达式：,实现异步电动机速度的调节的方法：,改变供电电源的频率f1，进行变频调速。,改变定子极对数，进行变极调速。,改变电动机的转差率进行调速,从评价调速系统效率高低出发，调速方法又可以分成三类：,1转差功率消耗型调速系统,2转差功率回馈型调速系
17、统,3转差功率不变型调速系统,一、绕线转子异步电动机转子串电阻调速,（一）调速原理及调速性能,绕线转子异步电动机转子串电阻调速,（二）调速电阻的计算方法,转子电阻与转差率的关系,为转子中所串人附加电阻；,时，人为机械特性曲线2所对应 的转差率。,式中：,设在任一负载转矩时人为机械特性上转差率为sL，即图中的db段，因为oacobd，则ocod=cadb，可得：,把此式代入式中，得,或者,（三）调速时的容许输出,由式可知，当负载转矩 等于额定负载转矩 时，可将式改写成,式中，为调速时转子中总电阻,二、改变定子电压调速,1、调速原理及调速性能,改变定子电压时的机械特性,2、调压调速的闭环控制原理,
18、调压调速的闭环控制原理图,3、调压调速闭环控制系统的静态特性,调压调速闭环系统的机械特性,4、调压调速时电动机的容许输出,变极调压调速时机械特性,5、定子调压调速的优缺点,优点：调速平滑，采用闭环调速系统，其机械特性很硬，调速范围宽可达到10：1(即D=10)。,缺点：由于是变转差率调速，因此，低速时转差功率 大，效率低。采用变极调压调速可以克服这一缺 点，但其控制装置及定子绕组的接线都比较复杂。,三、改变定子极数调速,1、变极方法,改变异步电动机定子的磁极对数p，可以改变其同步转速，从而达到调速目的。,改变极对数时一相绕组的改接方法a）2p=4 b）2p=2 c）2p=2,2、三种常用的变极
19、接线方式,双速电动机常用的变极接线方式a）Y联线YY联结（2pp）b）Y联结反串Y联结（2pp）c）联结YY联结（2pp）,3、变极调速时容许输出,YYY，YY实用接线a）YYY b）YY,YYY变换,YY形接法的输出功率和输出转矩,设外施电压 不变及变极前后电动机的功率因数和效率近似相等，则Y形接法的输出功率和输出转矩,定子的线电压；,定子的线电流；,Y形接法，电动机功率因数；,YY形接法时，电动机功率因数；,Y形接法，电动机的运行效率；,YY形接法时，电动机的运行效率。,YY形接法电动机同步转速为Y形接法时同步转速 的2倍。,则两式相比，得：,可见，YYY变换时，电动机转速提高了一倍，输出
20、功率也增加一倍，电动机输出转矩不变，所以，是属于恒转矩调速。,-YY变换,接法的输出功率和输出转矩为：,接法时，电动机的功率因数；,为定子绕组的相电流；,接法时，电动机的运行效率。,式中：,同理，且 则两式比较：,由此可知，当YY变换时，电动机转速提高一倍，输出功率近似不变，但输出转矩几乎减小一半，所以可认为属于恒功率调速。,顺串Y-反串Y变换,四、变极调速电动机的机械特性,变极调速时的机械特性a）YYY b）YY,由Y 形改接成YY 形接法时，定，转子每相绕组的阻抗（）为Y 形接法时，相电压 不变，极对数减少一半，则有:,此时，YY接法最大转矩和起动转矩均为Y接法时的两倍，而临界转差率保持不
21、变。,由换接成YY时，定，转子每相绕组阻抗为接法时的14，极对数减少一半，相电压,将这些关系代入式中，可得:,此时，YY接法的最大转矩和起动转矩均为接法时 23，临界转差率不变。,五、变频调速,1、变频调速的基本控制方式,异步电动机的转速：,额定频率以上,电机转矩大体上反比于频率变化，作近似恒功率运行。,（2）恒气隙电势频率比（）控制，此时 保持恒定。,（1）恒电压频率比（）控制，此时 近似不变,（3）恒转子电势频率比（）控制，此时，转子绕组总磁通保持不变。,（4）恒功率运行,额定频率以下,2、变频调速时电动机的机械特性,恒电压/频率比（）控制,可得 机械特性，它具有以下特点:,同步速随运行频率 变化。,不同频率下机械特性近似为一组硬度相同的平行直线,这是因为负载时速度变化为，在S很小的机械特性直线段上可得:,最大转矩 随频率降低而减小。,由于,临界转差为:,对于恒压频比控制，则有,恒U1/f1控制变频调速异步电动机机械特性,恒气隙电势/频率比（）控制,转子电流,代入公式，可求得恒 比控制下电磁转矩的表达式为,恒E1/f1控制变频调速异步电机机械特性,恒转子电势/频率比（）控制,由,可得:,不同电压频率协调控制方式下的机械特性,恒功率运行,异步电机最大转矩:,代入 的关系。则,于是,或,恒功率负载性质为:,于是异步电机端电压随频率的变化规律为:,此时电机中气隙磁通大小为:,
