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1、异步电动机的电力拖动,定义：异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到稳态转速的整个过程，它包括最初起动状态和加速过程。主要指标：起动电流和起动转矩希望：起动电流小、起动转矩大实际：起动电流大、起动转矩不大（不宜说起动转矩小）,第一部分 三相异步电动机的起动,8.1 三相异步电动机直接起动的问题三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的起动。这时，三相异步电机的起动却不象直流电动机那样，其起动性能存在着起动电流很大而起动转矩不大两方面的问题，这恰恰不能满足生产机械对异步电动机起动性能的要求：起动转矩要大，以保证生产机械的正常起动,缩小起动时间；起动电流要小，以减
2、小对电网的冲击。,由三相异步电动机机械特性的物理表达式中分析知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率 S 1，主磁通，功率因数cos 很小，造成了起动电流 Is 相当大而起动转矩 Ts 并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流 Is KIIN（47）IN（KI为起动电流倍数）。起动转矩 Ts KTTN（0.91.3）TN。对于绕线式三相异步电动机的起动转矩 Ts TN。,一般地，尽管三相异步电动机起动时存在短时间较大的电流，由于三相异步电动机不存在换向问题，而对于不频繁起动的异步电动机是可以承受的；对于频繁起动的异步电动机，只要限制每小时最高起动次数，也是可以承受的。起
3、动电流过大，会造成以下影响：（1）使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。（2）造成过流保护装置误动作、跳闸。,（3）起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对于异步电动机的前端供电变压器造成很大影响。使得变压器输出电压下降幅度很大，超过了额定值的允许偏差 U 10%或更严重。这样，一方面反过来影响了异步电动机本身，由于起动转矩 Ts与电压U1的平方成正比，启动电流过大使电压损失过大，导致Ts下降更多，当负载较重时，异步电动机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电动机可能停转等。,因此，电动机启动时，在保证一定大
4、小的启动转矩的前提下，还要求限制启动电流在允许的范围内。综上所述，三相异步电动机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于7.5KW 的小容量鼠笼式异步电动机。符合下列经验公式,降低启动电流：降低电源电压；加大定子边电阻或电抗；加大转子边电阻或电抗。加大启动转矩：适当加大转子电阻，但不能过分。,8.2 三相鼠笼式异步电动机的降压起动,8.2.1 定子串接电抗器或电阻起动(1)接线原理图三相鼠笼式异步电动机在定子回路中串接电抗器,启动时接触器K1闭合，K2断开，电动机定子绕组通过启动电阻或电抗接入电网，加在定子绕组电压降为U1，减小了启动电流。启动后，K2闭合，切除电阻或电抗，电动
5、机进入正常运行。,(2)起动电流和起动转矩的分析与计算三相异步电动机定子串电抗器X起动时的简化等值电路由如图（a）的直接起动变为图（b）,（a）（b）,串电阻：损耗增加串电抗：起动功率因数更低,定子串电抗器起动，降低了起动电流，但也降低了起动电压，使的起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器降压起动只适用于电动机的轻载起动。,（3）电抗器X的计算 P259例8-1 一台鼠笼式三相异步电动机的有关数据为：PN60 KW,UN 380 V,IN 136 A,KI 6.5,KT1.1,供电变压器限制该电动机最大启动电流为500 A。1、若空载启动，定子串电抗器启动，求每相串入的电抗最少应是多大？2、若
6、拖动 TL0.3TN 恒转矩负载，可不可以采用定子串电抗器启动方法启动？若可以，计算每相串入的电抗值的范围是多少?,解：（1）空载启动每相串入电抗值计算直接启动的启动电流为 IS KIIN 6.5*136884 A 串电抗（最小值）时的起动电流与IS 的比值为 u 0.566短路阻抗为ZK 0.248每相串入电抗最小值计算为X=0.190,(2)拖动 TL0.3TN恒转矩负载起动的计算 串电抗起动时最小起动转矩为 1.1 TL 1.10.3 TN 0.33 TN 起动转矩与直接起动转矩之比值为=0.3 串电抗器起动电流与直接起动电流比值=0.548 起动电流为=0.548884484.4 A
7、500A,以串电抗起动。每相串入的电抗最大值为=0.205每相串入的电抗最小值为X 0.190 时，起动转矩 0.352,因此电抗值的范围即为0.1900.205。,8.2.2 Y降压起动（1）接线原理图对应运行时定子绕组接成形的三相鼠笼式异步电动机，起动时接成形，则定子每相电压降为额定电压的，从而实现了降压起动。即起动时，开关2K合到下方，电动机定子绕组接成形，电动机开始起动；当转速升到一定程度后，开关2K从下方断开合向上方。定子绕组接成形，电动机进入正常运行。启动方法简单,只需一个转换开关,价格便宜,在轻载下优先采用.,8.2.3 自耦变压器降压起动,（1）接线原理图三相鼠笼式异步电动机采
8、用自耦变压器降压起动时。开关向下一边，电动机的定子绕组通过三相自耦变压器T的中间抽头接到三相电源上，从而降压起动。当转速升高到稳定值后，开关K投向上边。即“运行”端，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机正常运行。,（2）起动电流和起动转矩的分析和计算根据自耦变压器降压起动的一相电路图设原绕组匝数为 N1 绕组匝数为N2,且 N1 N2，即电动机降压起动电流 与直接起动电流 的关系为,自耦变压器原边绕组的电流 与副绕组的电流 的关系为,则=（）=自耦变压器降压起动时电动机的起动转矩为 与直接起动时起动转矩 的关系为（）2（）2 显然，采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，起动
9、电压降低 倍，而起动电流和起动转矩降低到 倍。,（3）自耦变压器的设计和选择实际应用的自耦变压器需要设计为多抽头式的，按一定比例设计。例如QJ2和QJ3系列自耦变压器都设计为三抽头。对于QJ2型，抽头的匝数比分别为55%、64%、73%（出厂时接到73%抽头上）；对于QJ3型，抽头得匝数比分别为41%、60%、80%（出厂时接在60%抽头上）。由于抽头可供选择，自耦变压器降压起动在较大容量的鼠笼式异步电动机上广泛应用。,表1 三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较,8.4 三相绕线式异步电动机的起动,对于三相绕线式异步电动机起动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动
10、转矩，且能使起动转矩 等于最大转矩。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。对于重载和频繁起动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时，才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机，结构较复杂，控制维护较困难，制造成本较高，价格较贵。,1.转子串电阻分级起动(1)接线原理图,绕线式三相异步电动机转子串电阻两极起动接线原理图及机械特性如图所示。R为转子串总电阻，R1 和R2 为分级起动电阻，1K、2K为开关。起动前，1K、2K断开，电机起动时接通三相电源，起动电阻 R 全部接入转子回路。对应的机械特性图中 T1 为起动转矩，T2 为切换转矩，T1 和T2 均大于TL。,（
11、2）起动电阻的计算起动电阻的计算有两种方法：作图法和解析法。下面仅对解析法进行分析。为简化计算，机械特性采用实用表达式简化后的近似表达式为 T=,根据转子回路串电阻后的机械特性和近似表达式，在线性段有下列两个结论：1)在同一条机械特性上，若 Tm 和Sm 为常数时，T S 2)转子回路串电阻后，对不同电阻值的机械特性，若 Tm为常数，当 s常数时，有 T,下面推导起动级数为 m 级的起动电阻的计算公式，即转子回路串接的分级电阻为Rm，Rm-1R2，R1，r2 根据结论2）有：,，,令，称为起动转矩比，则,起动时各级电阻为,1 2,由图（b）知，当 时，有,根据结论1）有,即,或,m,或,上两式
12、为起动电阻的近似计算公式。由于公式推导的前提是机械特性线性化的，故计算时有一定误差。起动电阻的计算步骤有两种情况：（1）已知起动级数m时，计算步骤如下：,1)根据公式 0.85，选取；2)计算值；3)校核 是否满足下式（1.11.2）若满足上式，则值有效，继续以下步骤；若不满足，重新选取 值或增加起动级数m，重复步骤2)；4)计算()；5)计算各级电阻。,2）若起动级数 未知时，则按下列方法计算 值。1)按要求或根据 0.85 和（1.11.2）选取 和；2)计算；3)计算,并对 取相邻的最大整数；4)根据 取值求 和；5)计算；6)计算各级电阻,例解：额定转差率 0.027转子每相电阻r 最
13、大起动转矩 0.85 取 2.21,起动转矩比 校核切换转矩 1.1，合适。,各级起动时转子回路总电阻,各级起动时外串起动电阻,2.转子绕组串频敏变阻器启动,根据上述分析知：要想获得更加平稳的启动特性，必须增加启动级数，这就会使设备复杂化。为此采用了在转子上串频敏变阻器的启动方法。所谓频敏变阻器，是由厚钢板叠成铁心并在铁心柱上绕有线圈的电抗器，其结构示意图如图a所示。它是一个铁损耗很大的三相电抗器，如果忽略绕组的电阻和漏抗时，其一相的等效电路如图b所示。,图a 频敏变阻器结构示意图 图b 频敏变阻器一相等效电路,频敏变阻器启动原理如图所示。合上开关Q，KM1闭合，电动机定子绕组接通电源电动机开
14、始启动时，电动机转子转速很低，故转子频率较高，f2f1，频敏变阻器的铁损很大，Rm和Xm均很大，且RmXm，因此限制了启动电流，增大了启动转矩。随着电动机转速的升高，转子电流频率下降，于是Rm、Xm随n减小，这就相当于启动过程中电阻的无级切除。当转速上升到接近于稳定值时，KM2闭合将频敏电阻器短接，启动过程结束。,转子串频敏变阻器的机械特性，只要 设计合理，就可得到近似恒起动转矩的机械特性。综上所述，绕线式异步电动机转子串电阻分级起动或转子串频敏变阻器适用于大、中容量电动机的起动。但转子串频敏变阻器起动具有结构简单，价格便宜，运动可靠，维护方便，能自动操作等优点，目前已获广泛应用，而转子串分级
15、变阻器起动对于大容量电动机、要求级数较多，故设备的机械特性投资较大，维护不太方便。,8.5 三相异步电动机的电气制动,与直流他励电动机相似，三相异步电动机也有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。一.能耗制动 正常工作时，Q合上，KM1闭合，电动机处于电动运行状态。制动时，断开KM1，电动机脱离三相交流电源。同时迅速将KM2接通，将桥式整流电路输出的单相直流电源接入定子绕组的某二相中并串入电阻，电机进入能耗制动状态。,当断交流送直流时，在电动机定子绕组内产生一恒定磁场，此时转子导体切割直流磁场，产生感应电流，其方向由右手定则可以判断。通有电流的转子处在恒定磁场中将受力，其方向由左手定则判断为与
16、原转速方向相反，故为制动转矩。能耗制动的机械特性曲线如图1所示。当负载为反抗性负载时，将制动到转速为零停车，此时应断开直流电源，停止工作。当负载为位能性负载时，将反向下降，稳定工作在某一转速下，即实现限速下放。,能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到目的。如图曲线3或曲线2所示。,二.反接制动,反接制动有电源两相反接的反接制动和倒拉反接制动两种形式。1电源两相反接的反接制动 对正在启动运行的电动机，将KM1断开，闭合KM2并串入电阻，则进入
17、制动。,（1）反接制动原理三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。制动原理:由于电源两相相序交换，定子绕组中产生的旋转磁场的方向也发生改变，即与原方向相反。而电动机的转子此时在惯性作用下仍向原来方向旋转，转子相对旋转磁场的转向改变，于是转子电路中产生了一个与原方向相反的感应电动势,感应电流，进而产生了一个与原转向相反的转矩，实现制动。电动转速迅速下降，直到转速n=0，电机将停转，从而实现了快速制动停车。,（2）机械特性电动机的固有特性如图所示的曲线1。当定子两相反接时，旋转磁场改变方向，则同步
18、转速为-n1，转差率，反接制动机械特性变为曲线2。根据异步电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻，则机械功率为,即负载向电动机内输入机械功率。而定子传递到转子的电磁功率为,表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。由于表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。,（3）制动过程分析三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K 闭合2K 断开。当电机定子电源反接时，开关1K 断开2K 闭合，同
19、时转子回路串入大电阻，即3K 断开，电动机的运行点以，使得电动机快速停车。如果电动机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速 n=0 时切断电源并停车，否则电动机将反向起动到 点。,定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。,倒拉反接制动状态指三相绕线式异步电动机拖动位能性恒转矩负载时，在转子回路上串入较大电阻，使机械特性变为图所示的曲线2，电动机反转运行于第象限的B点。曲线1为电动机的固有特性。
20、例如，起重机将重物保持均匀速度下降时，使得位能性负载重物倒过来拉着电动机反转。如图（a）所示电动机定子电源断开时（既1K断开2K闭和）。工作运行于a 点，即转数 n=0，处于停车状态。电动机按提升方向接通电源（既1K闭和，并在转子回路串入电阻R，即2K断开）。由于起动转矩 Ts负载转矩TL,电机被重物拖着反转，电机运行点由A 点加速到 B点，电磁转矩T=TL,电动机处于稳定的反接制动运行状态，且电机以-nB的转速重物匀速下放。改变串入电阻RB的大小可以控制下降稳定运行速度。此时负载转矩起拖动作用，而电磁转矩起制动作用，故称倒拉反接制动。,2倒拉反接制动,三.回馈制动,若三相异步电动机原工作在电
21、动状态，由于某种原因（如带位能性负载下放或降压调速过渡过程），在转向不变的情况下，转子的转速n超过同步转速n1时，电动机便进入回馈制动状态，因为nn1，所以,这是回馈制动的特点。因为转差率S0，所以转子电动势 0，转子电流 反向，电磁转矩反向，为制动转矩。此时原动机带动电动机转子以高于同步转速旋转，电动机将原动机输入的机械功率转成电功率输出回馈电网，成为一台发电机。,三相异步电动用于拖动重物，在重物下降时，在位能负载转矩作用下，转子转速n大于同步转速n1，图（a）为转子转速低于同步转速时电动运行状态，图（b）为转子转速超过同步转速后制动运行状态，此时的运行点为D点，下放的速度受到限制，以保证设
22、备和人身的安全。回馈制动时转子回路不允许串入电阻，否则稳定运行速度将非常高，如图D点。,三相异步电动机的各种运行状态和直流电动机一样，三相异步电动机按其转矩 T与转速n的方向的异同，可分为电动运行状态和制动运行状态。1.电动运行状态当 T与 n同方向，机械特性及其稳定运行点在第、象限。若电机运行于第象限，称为正向电动状态，其稳定运行点A、B 称为正向电动运行点；若电机运行于第象限，称为反向电动状态，其稳定运行点C、D称为反向运行点。在电动状态，电机通过定子向电网吸收电能，经过转子转换成机械能输出。2.制动运行状态 当T与n反方向，机械特性及其稳定运行点在第、象限。能耗制动、反接制动、倒拉反接制动和回馈制动点等各种制动运行过程和状态根据上述分析结果绘于图中。,
