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1、第 十章 异步电机的电力拖动,10.1 三相异步电动机的机械特性10.2 电力拖动系统的运行状态,10.1 三相异步电动机的机械特性,一、电磁转矩公式1.电磁转矩的物理公式,Pe=m2 E2 I2 cos2E2=4.44 f1 kw2N2m,T=CTm I2 cos2,转矩常数:,2.电磁转矩的参数公式,利用简化等效电路:,临界转差率：,最大（临界）转矩：,电动状态取“+”，发电状态取“”。R1(X1+X2),结论:,T U12，sM 与 U1 无关;sMR2，TM 与 R2无关。,3.电磁转矩的实用公式,忽略 R1：,二、固有机械特性,当 U1、f1、R2、X2=常数时：T=f(s)n=f(
2、T),转矩特性 机械特性,当 U1L=U1N、f1=fN，且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。,1.额定状态（N点）,额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。N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,（Nm）,2.起动状态（S 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：(1)Tst TL(2)Ist线路允许值 起动转矩倍数（笼型异步电动机）:,Tst,起动电流倍数:,临界转速,3.临界状态（M 点）,对应：s=sM，
3、T=TM 的状态。,临界状态明了电动机的 短时过载能力。过载倍数：,临界转差率sM（由转矩的实用公式得出）,=2 2.2,4.回馈制动状态,n0,当：nn0 时，s0回馈制动状态。|sM|=|sM|TM|TM|,工作段,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。,a点TL,直至新的平衡,a点,TTL 0,n,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整这种能力称为自适应负载能力。,I2,T,I1P1,如:柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。,二、人为机械特性,1.降低定子电压时的人为特性,UN,0.81Tst,0.9UN,降低定子电压转速
4、稳定后：nnN ssN T=TL,I2 I2N,2.转子电路串联对称电阻时的人为特性,R2,sMR2TM 与 R2 无关,R2+R1,R2+R1+R2,转子串联合适 的电阻:Tst TM,3.定子电路串联对称电抗 或电阻时的人为特性,X1(R1),sM、TM、Tst,4.改变定子电源频率时的人为特性,(1)f1 fN,为保持：m=常数,n0 f1,nM=n0nM=sM n0,（不变）,而且：TM 不变（忽略R1）,f1,fN,(2)f1fN，U1=UN（不变）,调频时：f1,m,n0 f1,nM=n0nM=sM n0(不变),而且：,f1,fN,(a)p=2,(b)p=1,5.改变磁极对数时的
5、人为特性,(a)YY(p),(b)Y(2p),(c)(2p),定子绕组常用的接法：,(1)YYY：,p2p：,n0 n0/2。,X1(R1)4X1(R1)，N12N1(kZ4kZ)，U1不变：sM 不变。nM=n0nM=sM n0 sMn0/2。TM(Tst)TM(Tst)/2。,Y,YY,(2)YY：,p 2p：,n0 n0/2。,X1(R1)4X1(R1)，N1 2N1，,YY,sM 不变。nM=n0nM=sM n0 sMn0/2。TM(Tst)1.5TM(Tst)。,补充:三相异步电动机参数计算,一、技术数据:PN(kW)、U1N(V)、I1N(A)、nN(r/min)N(%)、cos1
6、N、MT、GD2(Nm2)绕线型：U2N(V)、I2N(A)笼型：st、sc二、依据技术数据计算其他参数:TN、TM、sM、R1、X1、k、R2、X2、I0。,2.最大转矩和临界转差率：,Tm=KT TN(Nm),3.绕线型电动机的转子绕组每相电阻：,4.电压比：,(定子Y联结),(定子 联结),如果 m1=m2,则：k=ke=ki,5.转子绕组每相电阻的折算：r2=k 2r26.定子绕组每相电阻：,(定子Y 联结),(定子联结),7.定、转子电抗(m1=3，f1=50Hz)：,x=x1+x2=,x1x2 0.5x,8.空载电流 I0：,I0=I1Nsin1NI2N sin2NI1Ncos1N
7、=I1Ncos2NI0=I1N(sin1Ncos1N tan2N),(1)用实用表达式绘制固有特性；(2)当st=2 时，求转子串联的电阻并绘制人为特性；(3)当Tst=TM 时，求转子串联的电阻。解：(1),例1：一台绕线型异步电动机的技术数据为：PN=280 kW，U1N=6 kV，I1N=36.2 A，nN=490 r/min，N=90.5%，cos1N=0.78，U2N=484 V，I2N=353 A，MT=2.35。,=0.02,=5457.14 Nm,=0.0158,=0.08953,TM=MTTN,=2.355457.14,=12 824.286 Nm,nM=(1sM)n0,=5
8、00(10.08953),=455.235 r/min,=2 278.06 Nm,依据：(Tst，0)、(TM，nM)、(TN，nN)和(0，n0)绘制固有特性。,(2)当st=2 时，求转子串联的Rst并绘制人为特性,sM2 MTsM+1=0,nM=(1sM)n0,依据：,则：,当 sM=0.558 时：,当 sM=1.792 时：,sN=0.1246，2.498,sN=0.4，8.022,（舍去）,（舍去）,nN=(1sN)n0,依据：(Tst，0)、(TM，nM)、(TN，nN)和(0，n0)绘制人为特性。,TN,验算：sM=0.558 时：Tst=10 914.28 Nm sM=1.7
9、92 时：Tst=10 914.28 Nm,(3)当Tst=TM 时，,Tst,=0.161,即：sM=1,10.2 电力拖动系统的运行状态,一、负载的机械特性 n=f(TL)转速和转矩的参考方向：,1.恒转矩负载特性(1)反抗性恒转矩负载特性：,由摩擦力产生的。当 n0，TL0。当 n 0，TL0。如机床平移机构、压延设备等。,(2)位能性恒转矩负载特性：,由重力作用产生的。当 n0，TL0。当 n 0，TL0。如各种起重机。,2.恒功率负载特性,TL n=常数。如机床的主轴系统等。,3.通风机负载特性,TLn2 TL 的始终与 n 的方向相反。如通风机、水泵、油泵等。,T0,TL=T0+k
10、 n2,实际的通风机负载,实际的机床平移机构,二、稳定运行条件,工作点：,在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上。,稳定运行:,即：TTL=0,运动方程:,TTL 0,加速,TTL 0,减速,n=常数,过渡过程:,干扰n,稳定运行点,不稳定运行点,a点,T,n,T,b 点:,a 点:,干扰n,T,干扰n,T,n,n=0,堵转,n,a点,稳定运行的充分条件:,TTL,T=TL,TTL,TTL,第 十一章 异步电机的起动与制动,11.1 三相异步电动机的起动11.2 三相异步电动机的制动,11.1 三相异步电动机的起动,一、电动机的起动指标：起动转矩足够大。起动电流不超过允许范围。异步机的实际
11、起动情况：起动电流大：Ist=sc IN=(5.57)IN 起动转矩小：Tst=stTN=(1.62.2)TN 不利影响：(1)大电流使电网电压降低，影响自身及其他负载 工作。(2)频繁起动时造成热量积累,易使电动机过热。,二、笼型异步电动机的直接起动,1.小容量的电动机（7.5kW）2.电动机容量满足如下要求：,三、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：,R(L),Q1,Q2,FU,运行,起动,适用于：正常运行为联结的电动机。Y型起动，型运行。,2.Y 减压起动：,Y型起动,型起动（型运行）,Y型起动的起动电流为：,T U12，,Y型起动的起动转矩为：,Y 减压起动的特
12、点：(1)电源电压不变，改变定子绕组接法；(2)减压比为:,否则不能采用此法。,(1)IstYImax（线路中允许的最大电流）；(2)TstYTL。,Y 减压起动的使用条件：,定子电流：kAIst,线路电流：,IstA=kA2Ist,3.自耦变压器减压起动,UN,=kAUN,降压比为:,U1,U1,定子电压：,自耦变压器减压起动的起 动电流为：,IstA=kA2Ist,自耦变压器减压起动的特点：(1)定子绕组接法不变，改变定子绕组的电压；(2)降压比 KA 可调:U1=(0.4、0.6、0.8)UN U1=(0.55、0.64、0.73)UN,自耦变压器减压起动的起动转矩为：,TstA=kA2
13、 Tst,(1)IstAImax（线路中允许的最大电流）；(2)TstATL 否则不能采用此法。自耦变压器电压比的选择：,自耦变压器减压起动的使用条件：,kA2 Ist ImaxkA2 Tst TL,4.延边三角形减压起动,适用于：正常运行为联结的电动机。延边三角形起动，型运行。,说明：关于起动转矩大小的几点考虑,设减压起动的起动转矩为：Tst 起动电流为：Ist 带负载起动时，要求：Tst TL1.考虑加速转矩 Tst(1.11.2)TL2.考虑电源电压波动,3.考虑谐波的影响,四、改善起动性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=10 12,漏电抗
14、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,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,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,上笼（外笼）下笼（内笼）,Tst 大;,运行时 f2 很低：漏抗很小，R2 起主要作用，I2 主要集中在内笼,外笼 起动笼。,内笼 工作笼。,1.分级起动过程,3(R22),2(R21),1(R2),(1)串联 Rst1和 Rst2 起动(特性3)：总电阻 R22=R2+Rst1+Rst2,(2)合上 Q1
15、，切除 Rst2(特性2)：总电阻 R21=R2+Rst1,(3)合上 Q2，切除 Rst1(特性1)：总电阻:R2,五、绕线型异步机转子电路串电阻起动,2.起动级数与起动电阻的计算,(1)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：,(2)求出 R2：,(3)起动级数与起动电阻的关系,当 ssM 时：,当 s 不变时：,b点和 c点,d 点和 e点,=,当 sM 不变时：T s,=,对于 m 级起动：,=,R21=R2R22=R21 R2m=R2(m1),=2R2=m R2,Rst1=R21R2Rst2=R22R21Rst
16、m=R2mR2(m1),频敏变阻器：频率高：损耗大，电阻大；频率低：损耗小，电阻小。转子电路起动时:f2 高，电阻大，,转子电路正常运行时:f2 低，电阻小，,Tst 大，Ist 小。,自动切除变阻器。,二、转子电路串频敏变阻器起动,11.2 三相异步电动机的制动,一、能耗制动1.制动原理,n,+U,制动前：Q1 合上，Q2 断开，M 为电动状态。,制动时：Q1 断开，Q2 合上。M 为制动状态。,定子：,U,I1,转子：,n,E2,I2,T,2.能耗制动时的机械特性,特点：因T 与 n 方向相反，n T 曲线在第、象限。因 n=0 时，T=0，n T 曲线过原点。制动电流增大时，制动转矩也增
17、大；产生最大转矩的转速不变。,I1,I1,3.能耗制动过程 迅速停车,(1)制动原理：制动前：特性 1。制动时：特性 2。,a 点,b 点,原点 O(n=0，T=0)，,(T0，制动开始),制动过程结束。,(2)制动效果：Rb,I1,T,制动快,(3)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 点,b 点,(T0，制动开始),原点 O(n=0，T=0),在TL作用下n 反向增加,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。,二、反接制动,1.定子两相
18、反接的反接制动,迅速停车,电动状态,制动状态,(1)制动原理：,制动前：,正向电动状态；,制动时：,定子相序改变，n0 变向。,即：s 1(第象限)。同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a 点,b 点,(T0，制动开始),c 点(n=0，T 0),制动结束。,到 c 点时，若未切断电源，,M 将反向起动。,取决于 Rb 的大小。,(2)制动效果：,(3)制动时的功率：,0,PCu2=m1(R2+Rb)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,(1)制动原理：定子相序不变，
19、转子电路串联对称电阻 Rb。,a 点,b 点,(TTL),c 点(n=0，TTL),d 点(n0，T=TL),制动运行状态,(2)制动效果：改变 Rb 的大小，,改变特性 2 的斜率，,改变 nd。,下放重物：TcTL。,(3)制动时的功率：,第象限：,1(n0),0,pCu2=m1(R2+Rb)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。,三、回馈制动,用于高速下放重物，,不用于迅速停车。,在调速过程中也会自动出现回馈制动现象。1.下放重物时的回馈制动,反向电动,回馈制动,（1）制动时的功
20、率：,第象限：,0(nn0),0,PCu2=PePm|Pe|=|Pm|PCu2,0,Pm=(1s)Pe,定子发出电功率，向电源回馈电能。,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,机械能转换成电能（减去转子铜耗等）。,（2）制动效果：,Rb,特性 2 斜率,下放速度,为了避免危险的高速，一般不串联 Rb。,2.减压调速与变极调速时的回馈制动,例3：一台绕线型异步 M 的技术数据为：PN=75 kW，nN=1 460 r/min，MT=2.8，U2N=399 V，I2N=116 A。在固有特性上带动反抗性恒转矩负载运行，TL=0.8TN。为使电动机快速反转，采用反接制动。(1)要求制动之初的电磁转矩为
21、T=2TN，求转子每相应串联的电阻值Rb；(2)电动机反转后的稳定转速为多少？,=0.027,=0.0536,解：(1),固有特性上的临界转差率：,=0.146,=0.0213,sb=2sa=1.98,=4.71,=1.676,(2)M 反转后的稳定转速:,=0.687,nd=(1sd)n0,=(10.687)(1500),=469.5 r/min,例4：一台绕线型异步 M 的技术数据为：PN=75 kW，nN=1 460 r/min，MT=2.8，U2N=399 V，I2N=116A。该 M 拖动起重机的提升机构，如果：TL=0.8TN，下放速度为 300 r/min，问：应当采用什么制动方
22、法？并具体计算。,=0.027,解：采用转子反转的反接制动法。,=0.0536,=0.146,在固有特性上：,当 TL=0.8TN 时：,=0.0213,在人为特性上，TL=0.8TN 时(c 点)：,=1.2,则：,=2.966,三相异步电动机的反转,第 十二章 异步电机的制动,12 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。,一、电动机的调速指标,1.调速范围,重型铣床的进给机构：D=300(2 600 mm/min)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=nma
23、x),例如：nN=1 430 r/min，nN=115 r/min，要求30%、则 D=5.3。,要求20%、则 D=3.1。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。,二、变极调速,1.调速方向 YYY()：n Y()YY：n2.调速范围:,D=2 4,3.调速的平滑性：,平滑性差。4.调速的稳定性：,稳定性好。静差率：,(基本不变）,5.调速的经济性：,经济性好。6.调速时的允许负载：(1)YYY：恒转矩调速。满载输出功率：,满载输出转矩
24、：,如果 cos1不变，则：,（恒转矩调速）,(2)YY（近似）恒功率调速：,如果cos1不变，则：,1,（恒功率调速）,=1.732,三、变转差率调速（能耗转差调速）,1.调压调速:,TL,(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：,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。,TU1p2,稳定性差。,(5)调速的经济性：,U1,T(n),P2,2.转子串电阻调速,(1)调速方向:,n,(2)调速范围：D 较小。,(3)调速的平滑性
25、:,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：,取决于 Rr 的调节方式。(4)调速的稳定性：,稳定性差。,恒转矩调速。调速前后 U1、f1 不变，,m不变，,T=CTm I2N cos2,基本不变。,3.串级调速,(1)串级调速的原理 在转子电路中串联一个与 e2s 频率相等、相位相同或相反的附加电动势 ead，以代替 Rr 上的电压降，从而使这部分能量不致损耗掉。转子相电流：,e2s 与 ead 同相位时：,在引入 ead 的瞬间：,I2s,T,n,sE2,I2s,T,T=TL,e2s与ead 相位相反时：,在引入 ead 的瞬间：,I2s,T,n
26、,sE2,I2s,T,T=TL,(2)串级调速的机械特性,(3)串级调速的调速性能,调速方向:调速范围：D 较大。调速的平滑性：平滑性好（无级调速）。调速的稳定性：稳定性好。调速的经济性：初期投资大；运行效率较高，运行费用不大。调速时的允许负载：恒转矩调速。调速前后 U1、f1 不变，,m不变，,基本不变。,T=CTm I2N cos2,三、变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,1.调速方向:,f1fN 时：nf1fN 时：n,2.调速范围:,3.调速的平滑性:,5.调速的经济性：,4.调速的稳定性：,D 较大。,平滑性好（无级调速）。,稳定性好。,初期投资大；运行费用不大
27、。6.调速时的允许负载：(1)f1fN 时：恒转矩调速。,m基本不变，,T=CTm I2N cos2,基本不变。,P2=T2,T,(2)f1 fN 时：恒功率调速。,U1L=UN,T=CTm I2N cos2,T n,P2=常数,(1)转子转速 n；(2)当 U1=0.8 UN 时的转子转速；(3)当 U1L=0.8 UN，f1=0.8 fN 时的转子转速;(4)当 R2+Rr=0.05 时的转子转速。,例2：某三相异步 M 的技术数据为：PN=30 kW，UN=380 V，nN=980 r/min，MT=2.2，R2=0.02，TL=0.8 TN。求：,解：(1),=0.02,=0.083,
28、=0.0156,n=(1s)n0,=1 000(10.0156),=984.4 r/min,(2)当 U1L=0.8UN 时，,n0、sM 不变，,TMU12：,TM=0.82MTTN,=0.822.2 TN,=1.408 TN,=0.026,n=(1s)n0,=1 000(10.026),=974 r/min,(3)当 U1L=0.8 UN，f1=0.8 fN 时：,TM 不变，,=0.10375,，n0 f1,=0.0195,n0=0.81 000,n=(1s)n0,=800(10.0195),=800 r/min,=784.4 r/min,(4)当 R2+Rr=0.05 时:,n0、TM不变，sMR2。,=0.2075,=0.039,n=(1s)n0,=1 000(10.039),=961 r/min,或：,s R2（n T 曲线的工作段为直线）,=0.039,当关于调速方法与负载的配合问题,恒转矩调速方式应当用于恒转矩负载，恒功率调速方式应当用于恒功率负载。(1)如果恒功率负载采用恒转矩调速方式,调速电动机的选择：TN=TLmax nN=nmax则,=DPL,(2)如果恒转矩负载采用恒功率调速方式,调速电动机的选择：,在低速时：,=DTL,=DPL,
