相异步电动机的电力拖动.ppt

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1、河南工业大学电气工程学院,6.1 三相异步电动机的机械特性,6.4 三相异步电动机的调速,6.5 三相异步电动机的制动,第 6 章 三相异步电动机的电力拖动,6.1 三相异步电动机的机械特性,6.2 笼型异步电动机的起动,6.3 绕线转子异步电动机的起动,6.4 三相异步电动机的调速,6.5 三相异步电动机的制动,电机与拖动,返回主页,河南工业大学电气工程学院,6.1 三相异步电动机的机械特性,一、机械特性的物理表达式,T=CTm I2 cos2,第 6 章 异步电动机的电力拖动,河南工业大学电气工程学院,I2=,二、机械特性的参数表达式,(6-7),(6-8),将式（6-8）代入式（6-7）

2、可得,T=,(6-9),推导,机械特性曲线（图6-4）特定点同步运行点,临界点（最大转矩点）,临界转差率,临界（最大）转矩,为了求出Tmax，可对式（6-9）求导。,通常r1(x1+x2)，忽略r1则有,讨论,Tmax与r2无关,U1、f1恒定，,起动点,讨论,增加r2，可以增加Tst；,把s=1代入式（6-9），可得：,河南工业大学电气工程学院,三、机械特性的实用表达式,（不依赖于电机参数，根据产品目录给出的数据进行计算）,推导,两式相除，得,有,实用表达式：,（6-14）,则,式中,机械特性的计算：,产品目录给出：,Tmax的求法,求Sm和Tmax,机械特性的线性化,Sm的求法：,河南工业

3、大学电气工程学院,【例 6-1】Y132M4 型三相异步电动机带某负载运行，转速 n=1455 r/min，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，n1=1500 r/min，nN=1440 r/min，m=2.2。由此求得,解：,河南工业大学电气工程学院,=0.166,Tmax=m TN,=2.249.74 Nm=109.43 Nm,忽略 T0，则,TL=T2,河南工业大学电气工程学院,当 TL=T2=T=45 Nm 时,=0.036,n=(1s)n1=(10.036)1 500 r/min

4、=1 446 r/min,s=,实际固有机械特性（图6-6）讨论：低速（sms1）时，公式计算的机械特性与实际特性曲线存在较大偏差，原因在于：定、转子电流大，槽磁动势大，漏磁路饱和，定、转子漏抗值减小；此外，s=1时，转子导条的挤流效应（转子阻值增大）。存在寄生转矩：气隙高次谐波磁场与转子电流作用产生的一系列谐波转矩。“蠕动”问题：Y系列笼型异步电动机设计要求最小转矩,河南工业大学电气工程学院,四、固有机械特性,A B C,固有（自然）机械特性条件：定子电压：额定 频率：额定 定子绕组接线：按规定接线 转子绕组：短接,河南工业大学电气工程学院,额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。A点：

5、n=nN，s=sN，T=TN，P2=PN。,1.额定工作点（A点）,sN=0.012 0.05 很小，T 增加时，n 下降很少 硬特性。,工作段,河南工业大学电气工程学院,临界转速,2.最大转矩点（B 点）,对应 s=sm，T=Tmax 的状态。,nm,Tmax,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 m=2.4 3,河南工业大学电气工程学院,3.堵转点（C 点）,对应 s=1，n=0 的状态。,堵转状态说明了电动机直接 起动的能力。堵转转矩倍数,堵转电流倍数,Y 系列三相 异步电动机 KT=1.7 2.2 KI=4 7,河南工业大学电气工程学院,五、人为机械特性

6、,1.降低定子电压时的人为特性,U1 UN,同步转速n1=60 f1/p不变 sm 与U1无关 T 正比于 U12,河南工业大学电气工程学院,2.定子串三相对称电阻（电抗）的人为机械特性,同步转速n1不变；临界转差率sm、Tmax与Tst随外串电阻（电抗）的增大而减小。,河南工业大学电气工程学院,3.转子串三相对称电阻（绕线式）的人为机械特性,特点：sm 正比于 r2，Tmax与 r2 无关。,Tmax,r2,r2+R,接线：图6-10,机械特性图组,讨论：转子串入电阻，为保证T=C（0TTmax），有：,三相异步电机转差率的比例推移法：转差率与转子回路电阻成正比的规律,外串电阻的计算：,转子

7、每相绕组电阻r2 的估算（依据：sNsNx2）,【例 6-2】一台绕线转子异步电动机的技术数据为PN=75 kW，nN=720 r/min，I1N=148A，E2N=213V，I2N=220A，最大转矩倍数 m=2.4。(1)为了使起动初始瞬间电动机产生的电磁转矩为最大转矩Tmax，求转子回路每相应串入得电阻值；(2)电动机拖动恒转矩负载TL=0.8TN，要求电动机的转速为n=500r/min，求转子回路每相应串入得电阻值。,（1）初始起动转矩等于最大转矩时 转子回路外串电阻的计算额定转差率sN,解：,转子绕组每相电阻r2,=0.183,在起始初始瞬间Tst=Tmax，故sm=1，按比例推移，

8、转子每相应串入的电阻值Rc为,(2)转子外串电阻的计算,河南工业大学电气工程学院,6.2 笼型异步电动机的起动,一、电动机的起动指标起动电流不超过允许范围。电网对起动电流的要求起动转矩足够大要求：,KV：电压波动系数（0.850.95）；,Ks：加速转矩系数（1.151.2）。,河南工业大学电气工程学院,二、笼型异步电动机的直接起动,一般，小容量的电动机（PN 7.5kW）允许直接 起动。2.如果功率大于7.5kW，而电网供电变压器容量较大，满足如下要求，电动机也可允许直接起动：,电机电流减小：,（减压系数）,初始起动电流：,全压起动电流：,三、笼型异步电动机的减压起动,河南工业大学电气工程学

9、院,1.定子串联电阻或电抗减压起动,M3,起动,运行,原理（等效电路见教材图6-15）：,电阻和电抗的计算 确定减压系数：要求：,设电网允许：,解得：,同理：,rk和xk可根据铭牌进行估算：,定子串阻抗的特点：适用于空载或轻载起动。,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2.星形三角形减压起动（Y D 起动）,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2.星形三角形减压起动（Y D 起动）,Y 起动,河南工业大学电气工程学院,适用于：正常运行为D联结的电动机。,2.星形三角形减压起动（Y D 起动）,运行,起动电流比,Ist,IKN,河南工业大学电气

10、工程学院,Y-D起动时的减压系数,起动转矩比,=,特点：,河南工业大学电气工程学院,3.自耦变压器减压起动,河南工业大学电气工程学院,3.自耦变压器减压起动,起动,河南工业大学电气工程学院,3.自耦变压器减压起动,运行,河南工业大学电气工程学院,3.自耦变压器减压起动,U,3.自耦变压器减压起动,自耦变压器电压比,kA=,电动机减压系数,=,=,电动机的起动电流,河南工业大学电气工程学院,3.自耦变压器减压起动,电网供给的起动电流,Ist=,电网供给的起动电流比,起动转矩比,河南工业大学电气工程学院,自耦变压器电压比 kA 可调。特点：,表6-2 笼型异步电动机几种常用起动方法的比较,河南工业

11、大学电气工程学院,【例 6-3】一台Y系列三相笼型异步电动机，PN=110 kW，UN=380 V，cosN=0.89，N=0.925，nN=2910 r/min，联结，KT=1.8，KI=7。如果要求电动机起动时，最小转矩Tmin=1.2TN，过载倍数m=2.63，电网允许的最大起动电流Ismax=1000A，起动过程中最大负载转矩TLmax=220Nm。试问：(1)能否直接起动？(2)能否采用 Y 起动？(3)能否采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动？,解：(1)能否直接起动,直接起动时电网供给的最大起动电流为 Ist=KI IN=7203 A=1421 A,IN=,河南工业大学电气工程

12、学院,Ist Ismax=1000 A，不能采用直接起动。,(2)能否采用 YD 起动,Tmin=2Tmin,=()2 433.2 Nm=144.4 Nm,13,Tmin TLmax，不能采用 Y 起动。(3)能否采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动 Ist=IKN=0.821421 A=909.4 A,Y-D起动时减压系数=1/3，起动过程中电动机产生的最小转矩为,kA2,1,为保证起动有足够的加速转矩，取Ks=1.2，则在起动过程中电动机应产生的最小转矩为,河南工业大学电气工程学院,由于 Tmin Tmin，而且 IstIsmax，所以 能采用 抽头为 0.8 的自耦变压器起动。,Tmi

13、n=KsTLmax=1.2220 Nm=264 Nm,Tmin=Tmin=0.82433.2 Nm=277.2 Nm,电动机实际产生的最小转矩为,kA2,1,河南工业大学电气工程学院,四、具有高起动转矩的笼型异步电动机,1.深槽型异步电动机 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。,河南工业大学电气工程学院,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

14、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。,河南工业大学电气工程学院,(1)起动过程分析,串联 rc1 和 rc2 起动（特性 1）总电阻 R1=r2+rc1+rc2,n1,1(R1),T2,a,b,T1,切除 rc1,一、转子串三相对称电阻分级起动,6.3 绕线转子异步电动机的起动,河南工业大学电气工程学院,2(R2),c,d,合上 Q2，切除 rc1（特性 2）总电阻 R2=r2+rc2,切除 rc2,河南工业大学电气工程学院,合上 Q1，切除 rc2（特性 3）总电阻:R3r2

15、,3(r2),e,f,g,河南工业大学电气工程学院,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，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。,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器,原因：串电阻分级起动结构复杂、维护量大。起动转矩改善（教材图6-27）。（在起动过程中，能保持较大的起动转矩）,（二）转子串接频敏变阻器起动,频敏变阻器：实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。特点：其电阻值随转速的上升而自动减小。,当电动机起动时，转子频率较高，f2=f1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻rm也较大。,在起动过程中，

16、随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻rm也就随之减小，这就相当于在起动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻。,铁耗与频率的平方成正比,起动结束后，转子频率很低，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切除，转子绕组直接短路。在起动过程中，它能够自动、无级地减小电阻，如果频敏变压器的参数选择恰当，可以在起动过程中保持起动转矩不变，这时的机械特性图中曲线2所示，曲线1为固有特性。,河南工业大学电气工程学院,6.4 三相异步电动机的调速,1.改变转差率 s2.改变电源频率 f1(变频调速)3.改变磁极对数 p,调速方法：,n=n1(1s)=(1s),60 f

17、1 p,河南工业大学电气工程学院,二、三相异步电动机的变极调速,用改变定子绕组的接线方式来改变极对数，其转子一般采用笼型，因为它感应的极对数能自动与定子相适应。,1.变极原理 在图6-28和图6-29中，定子每相绕组都由两个完全对称的“半相绕组”所组成。当两个“半相绕组”顺向串联（图6-28），形成的磁极数为2p=4；如果将任一“半相绕组”的电流反向（反串或反并）（图6-29），对应极数2p=2。改变接法时，应同时变相序？p=1，空间角度（）：0、120、240p=2，空间角度（）：0、240、480（120）（反转）,河南工业大学电气工程学院,2、变极电动机三相绕组的联结方法（1）YY/Y联

18、结方法,可见，YY/Y变极调速为恒转矩调速方式，适合于恒转矩负载的调速。,河南工业大学电气工程学院,（2）YY/D联结方法,YY/D变极调速为恒功率调速方式，适合于恒功率负载的调速。,河南工业大学电气工程学院,三、三相异步电动机的变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,河南工业大学电气工程学院,Tmax,n,当f1fN的情况，要保持m恒定，定子电压U1需要高于额定值。因U1不能高于额定电压，通常保持U1=U1N。这样，m将随f1的升高而减小，相当于弱磁调速，属于恒功率调速方式。,对变频调速的评价（1）平滑性好，可实现无级调速；（2）机械特性硬，调速范围宽，转速稳定性好。,河南

19、工业大学电气工程学院,【例 2】某三相笼型异步电动机，PN=15 kW，UN=380 V，形联结，nN=2 930 r/min，fN=50 Hz，m=2.2。拖动一恒转矩负载运行，T=40 Nm。求：(1)f1=50 Hz，U1=UN 时的转速；(2)f1=40 Hz，U1=0.8UN 时的转速；(3)f1=60 Hz，U1=UN 时的转速。,解：(1),Tm=m TN=2.248.91 Nm=107.61 Nm,河南工业大学电气工程学院,n=(1s)n1=(10.018 7)3 000 r/min=2 944 r/min(2),故 Tm=Tm=107.61 Nm,河南工业大学电气工程学院,n

20、=(1s)n1=(10.023 3)2 400 r/min=2 344 r/min,河南工业大学电气工程学院,(3)f1增加，U1 不变时，,=(10.023 4)3 600 r/min=3 516 r/min,河南工业大学电气工程学院,四、降低定子电压调速,TL,河南工业大学电气工程学院,调速方式 既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,为了扩大恒转矩负载的降压调速范围，通常采用高转差率电机或绕线式转子串接电阻，其机械特性如图6-36所示，但是，因特性太软，稳定性差。,河南工业大学电气工程学院,【例 3】三相笼型异步电动机，PN=15 kW，UN=380 V，nN=960 r/min，m=2。试求

21、：(1)U1=380V，TL=120 Nm 时的转速；(2)U1=300V，TL=100 Nm 时的转速。,解：(1)U1=380V，TL=120 Nm 时,Tm=m TN=2149.28 Nm=298.56 Nm,河南工业大学电气工程学院,n=(1s)n1=(10.031)1 000 r/min=969 r/min,河南工业大学电气工程学院,n=(1s)n1=(10.044)1 000 r/min=956 r/min,(2)U1=300V，TL=100 Nm 时 sm 不变，Tm U12，故 sm=0.149,河南工业大学电气工程学院,五、绕线型异步电动机转子串电阻调速,机械特性：特性变软

22、缺点：低；低速稳定性差。调速方式：,根据比例推移，,属于恒转矩调速方式,河南工业大学电气工程学院,【例 4】一台三相绕线型异步电动机，拖动一恒转矩负载运行。已知 PN=20 kW，nN=1 420 r/min，U2N=187 V，I2N=68.5 A，m=2.3，TL=100 Nm。试求：(1)转子电路未串电阻时的转速；(2)转子电路串联电阻 Rc=0.015 9 时的转速。,解：(1)转子电路未串联电阻时,Tm=m TN=2.3134.57 Nm=309.5 Nm,河南工业大学电气工程学院,n=(1s)n1=(10.038 7)1 500 r/min=1 442 r/min(2)转子串联电阻

23、 Rc 时，Tm 不变，sm(R2Rc),河南工业大学电气工程学院,由于 TL 不变，因此 s(R2Rc)n=(1s)n1=(10.046)1 500 r/min=1 431 r/min,河南工业大学电气工程学院,6.5 三相异步电动机的各种运行状态,一、电动运行状态,河南工业大学电气工程学院,二、反接制动,1.定子反向的反接制动,迅速停车,制动前的电路,制动时的电路,(1)制动原理,河南工业大学电气工程学院,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变，n1 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，M 将可能反

24、向起动。,d,河南工业大学电气工程学院,取决于 Rc 的大小。,(2)制动效果,(3)制动时的功率,0,PCu2=m1(r2Rc)I2 2=PMPm=PM|Pm|,0,Pm=(1s)PM,三相电能,电磁功率PM,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,【例 6-5】一台绕线型异步电动机，技术数据为 PN=75 kW，nN=1460 r/min，E2N=399 V，I2N=116 A，m=2.8。原先在固有机械特性上拖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)要求制动开始时电动机的电磁转矩为TL=2TN，求转子每相应串入的电阻值。(2)电动机反转后的稳定

25、速度是多少？,解：(1)制动电阻的计算1)额定转差率,2)转子绕组电阻,3)固有机械特性的临界转差率,4)在固有机械特性上TL=0.8TN时的转差率,=0.0211,5)在反接制动机械特性上开始制动时的转差率,6)反接制动机械特性的临界转差率,sB=2sA,=2-0.0211=1.976,=4.71,7)根据比例推移求出转子每相外串电阻,=1.674,(2)反转后稳定转速的计算,1)反转后稳定运行时的转差率,sD=sm-1,mTNTL,()2,mTNTL,=0.687,2)反转后稳定运行的转速,nD=n1(1sD)=-1 500(10.68 7)r/min=-469 r/min,河南工业大学电

26、气工程学院,2.转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d,(1)制动原理 定子相序不变，转子电路串联对称电阻 Rc。,d 点(nd0，Td=TL),制动运 行状态,河南工业大学电气工程学院,(2)制动时的功率,第四象限：,1(n0),0,PCu2=m1(r2Rc)I2 2=PMPm=PM|Pm|,0,Pm=(1s)PM,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。,【例 6-6】绕线型异步电动机的数据同例6-5，该电动机拖动起重机的提升机构。下放重物时，电动机的负载转矩TL=0.8TN，电动机的转速n=-300 r/min，求转子每相应串入的电

27、阻值。,解：由例6-5计算已知r2=0.053，sm=0.1445，在固有机械特性上TL=0.8TN时的转差率sA=0.0211。,(1)n=-300r/min时的转差率,(2)根据比例推移求出转子每相外串电阻,=2.96,河南工业大学电气工程学院,三、回馈制动,特点：|n|n1|，s0。电机处于发电机状态。,1.重物时的回馈制动,河南工业大学电气工程学院,三、回馈制动,特点：|n|n1|，s0。电机处于发电机状态。,1.重物时的回馈制动,b,a,c,正向电动,反接制动,e,回馈制动,反向电动,d,河南工业大学电气工程学院,0(|n|n1|)0 定子发出电功率，向电源回馈电能。0 轴上输入机械

28、功率(位能负载的位能)。PCu2=PMPm|PM|=|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)PM,河南工业大学电气工程学院,制动效果,Rc 下放速度。为了避免危险的高速，一般不串联 Rc。,河南工业大学电气工程学院,2.调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,河南工业大学电气工程学院,四、能耗制动1.制动原理 制动前 Q1 合上，Q2 断开，M 为电动状态。制动时 Q1 断开，Q2 合上。定子:U I1 转子:n E2 I2 M 为制动状态。,n,T,河南工业大学电气工程学院,2.能耗制动时的机械特性,特点：(1)因T 与 n 方向相反，

29、nT 曲线在第二、四象限。(2)因 n=0 时，T=0，nT 曲线过原点。(3)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。,I1,I1,河南工业大学电气工程学院,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。,原点 O(n=0，T=0)，,a,b,(T0，制动开始),制动过程结束。,(2)制动效果 R,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。,河南工业大学电气工程学院,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。,