异步电机拖动.ppt

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1、第 3 章 异步电动机的电力拖动,3.2 三相异步电动机的起动,3.3 三相异步电动机的制动,3.1 三相异步电动机的机械特性,1.电磁转矩公式,电磁转矩两种表达式,转子边功率因数,(1)物理表达式,由,其中,为转矩常数,机械特性物理表达式：,异步机等效电路及其简化,(2)机械特性的参数表达式,(由T型等效电路中略去励磁电流得到),对s求导，由,临界转差率,最大（临界）转矩,+号对应电动状态，-号对应发电状态。若考虑到,可得到：,由此可见：当电动机参数和电源频率不变时，最大转矩Tm与电源电压U1的平方成正比，临界转差率SM与电源电压无关，即T(TM)U12,sM 与 U1 无关。当电源电压和频

2、率不变时，临界转差率SM与转子电阻成正比，最大转矩与转子电阻无关，即 sMR2，TM 与 R2 无关。当电源电压和频率不变时，临界转差率SM与最大转矩都与（x1+x2）成反比例关系。,(3)电磁转矩的实用公式,两式相除,机械特性实用表达式：,当,过载倍数,若忽略T0，则,=1,s sM,TmT,()2,TmT,解实用公式方程，可得,根据 s 和 sm 的相对大小，取“”或取“”。,由于 sN sm，则,即有下面的关系,小结：三种机械特性表达式，参数表达式、实用公式主要用于计算。物理表达式用于定性讨论。,【例 3.1.1】Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n=1 455 r/mi

3、n，试问该电动机的负载转矩 TL 是多少？若负载转矩TL=45 Nm，则电动机的转速 n 是多少？,由电工手册查到该电机的 PN=7.5 kW，n0=1 500 r/min，nN=1 440 r/min，T=2.2。由此求得,解：,=0.1664,Tm=T TN,=2.249.76 Nm=109.47 Nm,忽略 T0，则,TL=T2,当 TL=T2=T=45 Nm 时,=0.036,n=(1s)n0=(10.036)1 500 r/min=1 446 r/min,2.固有特性,当 U1、f1、r2、x2 为常数时：T=f(s)转矩特性 n=f(T)机械特性 当 U1L=U1N、f1=fN，且

4、绕线型转子中不外串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。,P SN,B P A,H,额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。B点：n=nN，s=sN，T=TN，P2=PN。额定状态说明了电动机 长期运行的能力 TLTN，P2PN，I1IN。,(1)额定状态（B点）,sN=0.01 0.09 很小，T 增加时，n 下降很少 硬特性。,工作段,(2)起动状态（A 点）,对应 s=1，n=0 的状态。又称为堵转状态。起动时 T=Tst，I1L=Ist,Tst 直接起动的能力。起动条件 Tst TL。Ist线路允许值。起动转矩倍数,Tst,异步电动机 KT=0.9 1.3,临界转速,(3)临界状

5、态（P 点）,对应 s=sm，T=Tm 的状态。,nM,Tm,临界状态明了电动机的 短时过载能力。过载倍数,Y 系列三相异步电动机 T=2 2.2 临界转差率sm,sm=sN(T T21),3.人为特性,(1)降低定子电压时的人为特性,三相异步电动机降压时的人为机械特性,(2)转子电阻增加时的人为特性,根据 sM=r2/(x1+x2),Tm 与 r2 无关。,Tst1,sm1,r2+Rs1,1 0,Tst,Tm,Tem,s n,0,n1,sm,r2,Rs1 Rs2Rs3,(3)定子电路串对称电阻或对称电抗的人为特性,Xs1 Xs,Rs1Rs,1 0,Tm,T,sm,s n,0,n1,Xs,Rs

6、,Tm,Sm均减小，n1不变,3.2 三相异步电动机的起动,1.电动机的起动指标(1)起动转矩足够大 Tst TL Tst(1.1 1.2)TL(2)起动电流不超过允许范围。异步电动机的实际起动情况 起动电流大：Ist=k1 IN=(47)IN 起动转矩小：Tst=kmTN=(12)TN,启动电流倍数,启动转矩倍数,不利影响 大的 Ist 使电网电压降低，影响自身及其他负载 工作。,频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。起动电流大，起动功率因数低，起动转矩小。2.笼型异步电动机的直接起动(1)小容量的电动机（PN 7.5kW）(2)电动机容量满足如下要求：,优点：设备简单，操作方便；缺点：起

7、动电流大，起动转矩不大。,3.笼型异步电动机的减压起动,(1)定子串联电阻或电抗减压起动,M3,起动,运行,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2)星形三角形减压起动（Y 起动）,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2)星形三角形减压起动（Y 起动）,Y 起动,适用于：正常运行为联结的电动机。,(2)星形三角形减压起动（Y 起动）,起动,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比,Y 型起动的起动电流,起动转矩比,Y型起动的起动转矩,(1)IstYImax（线路中允许的最大电流）；(2)TstYTL。否则不能采用此法。,Y 起动的使用条件,(3)自耦变压器减压起动,(3)自耦变压器减压起动,起动,

8、(3)自耦变压器减压起动,运行,(3)自耦变压器减压起动,A,U2,电压比,=KA,定子相电流比,定子起动电流,I1st,I2st,UN,O,定子一相绕组,N1,N2,起动转矩比,自耦变压器减压起动的起动电流,自耦变压器减压起动的起动转矩,Ist=Ist/KA2,Tst=Tst/KA2,降压比 K=1/KA可调 QJ2 型三相自耦变压器：K=0.55、0.64、0.73 QJ3 型三相自耦变压器：K=0.4、0.6、0.8,(1)IstaImax（线路中允许的最大电流）。(2)TstaTL 否则不能采用此法。,自耦变压器减压起动的使用条件,P58 表3-1：降压起动方法性能比较,3.改善起动性

9、能的三相笼型异步电动机,(1)深槽异步电动机 槽深 h 与槽宽 b 之比为：h/b=8 12,漏电抗小漏电抗大,增大电流密度,起动时，f2 高，漏电抗大，电流的集 肤效应使导条的等效 面积减小，即 R2，使 Tst。运行时，f2 很低，漏电抗很小，集肤效 应消失，R2。,(2)双笼型异步电动机,电阻大漏抗小电阻小漏抗大,上笼（外笼）下笼（内笼）,起动时，f2 高，漏抗大，起主要作用，I2 主要集中在外笼，外笼 R2 大 Tst 大。外笼 起动笼。运行时，f2 很低，漏抗很小，R2 起主要作用，I2 主要集中在内笼。内笼 工作笼。,(1)起动过程,4.绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,串联

10、Rst1 和 Rst2 起动（特性 a）总电阻 R22=R2+Rst1+Rst2,n0,a(R22),T2,a1,a2,T1,切除 Rst2,(1)起动过程,b(R21),b1,b2,合上 S2，切除 Rst2（特性 b）总电阻 R21=R2+Rst1,4.绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,切除 Rst1,合上 S1，切除 Rst1（特性 c）总电阻:R2,4.绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,c(R2),c1,c2,(1)起动过程,p,(2)起动级数未定时起动电阻的计算,选择 T1 和 T2 起动转矩：T1=(0.8 0.9)TM 切换转矩：T2=(1.1 1.2)TL 起切转矩比,

11、求出起动级数 m 根据相似三角形的几何关系来推导。,规律：对同一条特性曲线，转矩比等于转差率之比！,同理可得：,因为 sa2=sb1，sb2=sc1 sM R2,所以,因此有下面的关系,R21=R2 R22=R21=2R2对于 m 级起动，有 R2m=mR2式中 R2m=R2Rst1Rst2 Rstm 于是得到下式：,因为,对于 m 级起动，则有,在固有特性 c 上，有关系,因此可得,重新计算，校验是否在规定范围内。,求转子每相绕组的电阻 R2,计算各级总电阻和各级起动电阻 R21=R2 R22=R21 R2m=R2(m1),=2R2=m R2,Rst1=R21R2Rst2=R22R21Rst

12、m=R2mR2(m1),(3)起动级数已定时起动电阻的计算 T1=(0.8 0.9)TM,，验算：T2=(1.1 1.2)TL，若不满足，重新调整，直到满足要求。计算各级总电阻和各级起动电阻。,【例 3.3.2】JR414 型三相绕线型异步电动机拖动某生产机械。已知电动机的 PN=40 kW，nN=1 435 r/min，MT=2.6，U2N=290 V，I2N=86 A。已知起动时的负载转矩 TL=200 Nm，采用转子电路串电阻起动。起动级数初步定为三级。求各级应串联的起动电阻。,解：(1)选择起动转矩 T1,TM=MT TN=2.6266.32 Nm=692.43 Nm T1=(0.8

13、0.9)TM=(553.94 623.19)Nm取 T1=580 Nm,(2)求出起切转矩比(3)求出切换转矩 T2,由于 T21.1TL，所以所选 m 和 合适。(4)求出转子每相绕组电阻 R2,(5)求出各级总电阻 R21=R2 R22=R21 R23=R22(6)求出各级起动电阻 Rst1=R21R2 Rst2=R22R21 Rst3=R23R22,=2.20.084 3=0.186=2.20.018 6=0.408=2.20.408=0.899,=(0.1860.084 3)=0.102=(0.4080.186)=0.222=(0.8990.408)=0.491,频敏变阻器 频率高：损

14、耗大，电阻大。频率低：损耗小，电阻小。转子电路起动时 f2 高，电阻大，Tst 大，Ist 小。转子电路正常运行时 f2 低，电阻小，自动切除变阻器。,5.绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动,频敏变阻器,3.3 三相异步电动机的制动,1.能耗制动(1)制动原理 制动前 S1 合上，S2 断开，M 为电动状态。制动时 S1 断开，S2 合上。定子:U I1 转子:n E2 I2 T 为制动状态。,n,T,(2)能耗制动时的机械特性,特点：因T 与 n 方向相反，nT 曲线在第二、四象限。因 n=0 时，T=0，nT 曲线过原点。制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。,I

15、1,I1,(3)能耗制动过程 迅速停车,制动原理制动前：特性 1。制动时：特性 2。,原点 O(n=0，T=0)，,a,b,(T0，制动开始),制动过程结束。,制动效果 Rb,I1 T,制动快。,制动时的功率 定子输入：P1=0，,轴上输出：P2=T0。,动能 P2,转子电路的电能,PCu2消耗掉。,(4)能耗制动运行 下放重物,a,(T0，制动开始),b,c,c 点(T=TL),制动运行状态,以速度 nc 稳定下放重物。制动效果：由制动回路的电阻决定。,转子串联电阻（经验公式）,2.反接制动,(1)定子反相的反接制动,迅速停车,制动前的电路,制动时的电路,制动原理,制动前：正向电动状态。,制

16、动时：定子相序改变，n0 变向。,b,即：s 1(第二象限)。同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a,c,制动结束。到 c 点时，若未切断电源，T 将可能反向起动。,d,相对切割方向改变，转子电势方向变化,取决于 Rb 的大小。,制动效果,制动时的功率,0,PCu2=m1(R2Rb)I22=PePm=Pe|Pm|,0,Pm=(1s)Pe,三相电能,电磁功率Pe,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,(2)转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d,制动原理 定子相序不变，转子电路串联对称电阻 Rb。,d 点(nd0，Td=TL),制动运 行状态,制动效果 改变 Rb 的大小，改变特性

17、 2 的斜率，,改变 nd。,低速提升重物,制动时的功率,第四象限：,1(n0),0,PCu2=m1(R2Rb)I22=PePm=Pe|Pm|,0,Pm=(1s)Pe,定子输入电功率,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,电功率与机械功率均 消耗在转子电路中。,3.回馈制动,特点：|n|n0|，s0。电机处于发电机状态。(1)调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,a,b,c,d,变频调速,变极调速,(2)下放重物时的回馈制动,b,a,c,正向电动,反接制动,d,回馈制动,反向电动,0(nn0)0 定子发出电功率，向电源回馈电能。0 轴上输入机械功率(位能负载的位能)。PCu2=PePm|Pe|=

18、|Pm|PCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,制动时的功率,第四象限：,Pm=(1s)Pe,制动效果,Rb 下放速度。为了避免危险的高速，一般不串联 Rb。,P75 表3-2异步电机三种制动方法的比较,3.4 三相异步电动机的调速,1.改变磁极对数 p2.改变转差率 s 3.改变电源频率 f1(变频调速),调速方法：,有级调速。,1.电动机的调速指标,(1)调速范围(2)调速方向(3)调速的平滑性 平滑系数(4)调速的稳定性 静差率 D、nN 的关系(nN=nmax),例如：nN=1 430 r/min，nN=115 r/min，要求30%、则 D=5.3。,要求20%、则 D=3

19、.1。再如：nN=1 430 r/min，D=20，5%，则 nN=3.76 r/min。(5)调速的经济性(6)调速时的允许负载 不同转速下满载运行时：输出转矩相同 恒转矩调速。输出功率相同 恒功率调速。,2.笼型异步电动机的变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,f1 fN,为保持 m=常数,因为 n0 f1,所以 n=n0nM=sM n0,（不变）,所以 TM 不变。,f1fN,f1fN，U1L=UN（不变）调频时：f1 m 因为 n0 f1，,所以 n=n0nM=sM n0(不变),f1fN,因为,m 基本不变，基本不变。,所以,T=CTm I2N cos2,f1fN

20、 时,恒转矩调速。,P2=T2,T,f1 fN 时 因为 U1L=UN,所以 T=CTm I2N cos2,T n,=常数,恒功率调速。,(1)调速方向 f1fN 时：n。(2)调速范围 D 较大。(3)调速的平滑性 平滑性好（无级调速）。(4)调速的稳定性 稳定性好。(5)调速的经济性 初期投资大；运行费用不大。(6)调速时的允许负载,f1fN 时：n。,变频器,优点：(1)一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。(2)变速驱动，输出功率范围宽（如从 120 W到 7.5 kW）。(3)在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。(4)高起动转矩。,电机变频器一体化产品,(a

21、)p=2,S NN S,NS,(b)p=1,3.笼型异步电动机的变极调速,(a)YY(p),(b)Y(2p),(c)(2p),定子绕组常用的接法,4.笼型异步电动机的变压调速,ML,(1)调速方向 U1(UN)n(2)调速范围 D 较小。,(3)调速的平滑性 若能连续调节U1，n 可实现无级调速。,(4)调速的稳定性 稳定性差。(5)调速的经济性 经济性较差。需要可调交流电源。cos1 和 均较低。(6)调速时的允许负载 既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,因为,TU1p2,所以,U1,T(n),P2,5.绕线型异步电动机转子串联电阻调速,(1)调速方向 n(2)调速范围 D 较小。,m不变，,(3)调速的平滑性 取决于 Rr 的调节方式。(4)调速的稳定性 稳定性差。,Rr。(5)调速的经济性 初期投资不大，但运行效率较低。(6)调速时的允许负载因为 调速前后 U1、f1 不变，,调速前,恒转矩调速。,调速后而且调速前调速后,可见，调速前后 cos2 不变，根据 T=CTm I2 cos2可知调速时允许的转矩不变，为恒转矩调速。,The end of chapter,