电机及拖动基础第2版 教学课件 ppt 作者 浙江机电职业技术学院 胡幸鸣 主编 第五章 三相异步电动机的电力拖动

第五章 三相异步电动机的电力拖动,电气工程系 胡幸鸣,前一章分析异步电动机的基本电磁关系，是与电磁关系相似的变压器对比，运用基本方程式、等效电路和相量图的三大分析方法。,第五章 三相异步电动机的电力拖动,本章将分析由异步电动机和生产机械组成的电力拖动系统的运行性能，即异步电动机拖动生产机械作起动、制动和调速等各种状态运转时的性能。,而在分析异步电动机的电力拖动时，是与直流电动机对比，运用机械特性和基本方程对起动、制动和调速分析其原理和进行相关计算，得出各种运行状态时的不同的性能特点,第一节 三相异步电动机的电磁转矩表达式,描述电力拖动系统各种运行状态的有效工具是机械特性。而异步电动机的机械特性是由电磁转矩和转差率的关系特性演化而来的。因此首先研究与之相关的异步电动机的各种电磁转矩表达式 。,一、电磁转矩的物理表达式,由相关公式可推得：,异步电动机的电磁转矩T与主磁通、转子电流的有功分量成正比，与主磁通成正比，物理意义非常明确，所以称为电磁转矩的物理表达式。它常用来定性分析三相异步电动机的运行问题。,转矩常数,例5-1 为何在农村用电高峰期间，作为动力设备的三相异步电动机易烧毁？,解 电动机的烧毁是指绕组过电流严重，绕组的绝缘因过热损坏，造成绕组短路等故障。由于用电高峰期间，水泵、打稻机等农用机械用量大，用电量增加很多，电网线路电流增大大，线路压降增大，使电源电压下降较多，这样影响到农用电动机，使其主磁通大为下降，在同样的负载转矩下，由电磁转矩的物理表达式可知转子电流大为增加，尽管主磁通下降，空载电流会下降，但它下降的程度远为转子电流增加的程度大，根据磁通势平衡方程式，定子电流也将大为增加，长期超过额定值就会发生“烧机”现象。,二、电磁转矩的参数表达式,由相关公式可推得：,上式反映了三相异步电动机的电磁转矩T与电源相电压U1、频率f1、电动机的的参数(r1 、r2、 X1、 X2、p及m1)以及转差率s之间的关系，称为参数表达式。,当U1、f1及电动机的参数不变时，电磁转矩T仅与转差率s有关，对应于不同s的值，有不同的T值，将这些数据绘成曲线，就是T=f(s)曲线，也称T -s曲线 。,三相异步电动机的T-s曲线,(1) 电动状态(0s1),s=0时，T=0,当s， s0区间，Ts,当s继续至s1区间，T1/s,最大转矩点,最大转矩倍数,过载能力,一般：2.02.2,起动时，s=1，代入公式：,起动转矩,起动转矩倍数,一般：1.82.0,临界转差率,最大转矩,三相异步电动机的T-s曲线,(2) 发电状态(s 0 ),(3) 制动状态(s 1 ),转子受外力拖动，nn n1 s0，T0，T为制动转矩 曲线与电动状态关于原点对称,当n1与n转向相反时，s1,磁场反向,转子反向,对应的T- s曲线是电动状态T- s曲线的延伸,产生的T与n转向相反，起制动作用，此时电机处于制动状态,例5-2 一台三相Y联结的绕线转子异步电动机，其UN=380V，fN=50Hz，nN=950r/min参数r1=r2=1.4，X1=3.12，X2=4.25， 不计T0，试求： 1) 额定转矩TN； 2) 临界转差率、最大转矩及过载能力； 3) 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值 (折算到定子侧)。,解,由nN=950r/min，则对应的n1=1000 r/min,1) 额定转矩,略T0，以sN=0.05代入参数表达式，得额定负载时的电磁转矩T=TN,2) 临界转差率、最大转矩及过载能力,临界转差率,最大转矩,过载能力,3) 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值（折算到定子侧),据题意,得,三、电磁转矩的实用表达式,在实际中用参数表达计算T，需电动机的内部参数，比较麻烦。因此推导出电磁转矩的实用表达式为,电机手册和产品目录中的PN、nN、 m等值来计算,以上三种异步电动机的电磁转矩表达式，应用场合有所不相同。一般物理表达式适用于定性分析T与1及I2cos2间的关系；参数表达式可分析参数的变化对电动机运行性能的影响；实用表达式适用于工程计算。,Tmax=mTN=9.55m PN /nN,式中,实际使用时，先根据巳知数据计算出Tmax和sm，再把它们代入实用表达式，取不同的s值即可得到不同的T值了。,第二节 三相异步电动机的机械特性,我们常用机械特性n=f(T)曲线来分析拖动系统中电动机的电力拖动问题，它与T-s曲线的变换关系如下：,T- s曲线,变换为,n-T曲线,一、固有机械特性,指三相异步电动机工作在UN和fN下，由电动机本身固有的参数所决定的机械特性。在正常工作情况下,与直流他励电动机一样固有机械特性是硬特性。,最大转矩点,起动点,同步点,第二节 三相异步电动机的机械特性,二、人为机械特性,在分析电动机拖动系统的运行时，常利用人为机械来进行分析。由机械特性的参数表达式可知，人为地改变异步电动机的任何一个参数(U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗等)，都可以得到各不相同的机械特性。这些机械特性统称为：人为机械特性。 定性讨论几种人为机械特性的特点。注意：定性画人为机械特性时，只要先定性画出固有机械特性，然后抓住人为机械特性的同步点、最大转矩点、起动点与固有机械特性比较有何变化，最终通过这三个特殊点，定性画出人为机械特性。,二、人为机械特性,Tmax U12,降压人为机械特性,2）最大转矩点,nm=n1(1sm)不变,3）起动点,Tst U12,端电压U1 ，n ；电动机的起动转矩Tst和过载能力(m =Tmax/TN)都显著地下降了，这在实际应用中必须注意。,1）同步点,若U1 太多，使Tmax TL，电动机将停转。,1降低定子端电压的人为机械特性,n1不变,二、人为机械特性,转子回路串对称电阻的人为机械特性,1）同步点,n1不变,Tmax大小不变,2）最大转矩点,，nm,转子回路串电阻人为机械特性,3）起动点,p ，Tst ,绕线转子异步电动机转子回路串电阻，可以改变转速而用于调速，也可以改变起动转矩，从而改善异步电动机的起动性能。,当sm1后，Tst随Rp ，反而减小,三、三相异步电动机的稳定运行区域,三相异步电动机的稳定运行区域,最大转矩点到起动点,n=f(T)曲线是上斜的曲线，对恒转矩负载和恒功率负载，不能稳定运行。,由电力拖动系统稳定运行的必要和充分条件，下斜的机械特性与恒转矩、恒功率、通风机型负载，都可稳定运行。,从理想空载点即同步点到最大转矩点，n=f (T)曲线是下斜特性。,不能稳定运行,能稳定运行,第三节 三相异步电动机的起动,一、概述,与直流电动机一样，我们希望在起动电流较小的情况下能获得较大的起动转矩。但实际情况是，加全压：,起动时，n=0,s=1，等效电路中的附加电阻(1-s)r2/s=0，相当于电路短路，所以： 起动电流大：Ist=(57) IN。,起动转矩并不很大， Tst=(1.82) TN。,而Ist大， Ist Z1 ， E1 ， 1；另s=1，X2s=X2最大， cos 2 ，由Tst=CT1I2cos2,得到Tst并不是很大,第三节 三相异步电动机的起动,一、概述,三相异步电动机起动时的起动电流大主要是对电网不利，起动转矩并不很大主要是对负载不利。 前者引起电网电压下降，并影响并联在同一电网上的其它负载正常工作。后者是起动转矩按电压平方下降，可能会使电动机带不动负载起动。 不同类型的机械负载，不同容量的电网，对电动机起动性能的要求是不同的。有时要求有较大的起动转矩，有时要求限制起动电流，但更多的情况两个要求须同时满足。 总之，一般情况下起动要求是尽可能限制起动电流，有足够大的起动转矩，同时起动设备尽可能简单经济、操作方便，且起动时间要短。,二、三相笼型异步电动机的起动,1 全压起动,利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，又称全压起动。 优点：起动设备和操作最简单。 缺点：起动电流大、起动转矩不很大。,容量较大时满足：,采用全压起动,小容量的笼型异步电动机，常采用全压起动。,不满足上述经验公式，说明电动机起动电流太大，对电网不利，则采用减压起动。,例5-3 一台20kW电动机，起动电流与额定电流之比为6.5，其电源变压器容量为560kVA,能否全压起动？另有一台75kW电动机，其Ist/IN=7，能否全压起动？,解,对20kW的电动机,根据经验公式,该机的全压起动电流倍数小于电网允许的起动电流倍数，所以允许全压起动。,对75 kW的电动机,根据经验公式,该电动机的全压起动电流倍数大于电网允许的起动电流倍数，所以不允许全压起动。可采用减压起动。,二、三相笼型异步电动机的起动,2 减压起动,减压起动时并不能降低电源电压，只是采用某种方法使加在电动机定子绕组上的电压降低。减压起动的目的是减小起动电流，但同时使电动机起动转矩减小(TU12)。所以这种起动方法是对电网有利的，对负载不利。对于某些机械负载在起动时要求带满负载起动，就不能用这种方法起动，但对于起动转矩要求不高的设备，这种方法是适用的。,常用的方法,定子串电阻或电抗减压起动,自耦变压器减压起动,星/三角(Y/)减压起动,2 减压起动,(1) 定子串电阻或电抗减压起动,电动机起动时，在定子电路中串入电阻或电抗，起动完毕切除。串入的电阻或电抗起分压作用，定子绕组上的U1 UN，此时Ist全压起动时的Ist。,调节所串电阻或电抗的大小，可以得到电网所允许通过的起动电流。,优点：起动较平稳，运行可靠，设备简单。,缺点：Tst U12 只适合空、轻载起动,笼型异步电动机定子串电阻减压起动,2 减压起动,(2) 自耦变压器减压起动,笼型异步电动机自耦变压器减压起动,起动时，自耦变压器的高压侧接至电网，低压侧(有抽头，按需要选择)接电动机定子绕组。起动完毕，切除自耦变压器。,k = N1 /N2=UN / U1 1,优点： 1）如果电网限制的起动电流相同时，用自耦变压器减压起动将获得较大的起动转矩。 2）起动自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，用户可根据电网允许的起动电流和机械负载所需的起动转矩进行选配。有73%、64%、55%（即1/k=0.73、0.64、0.55) 或：80%、60%、40%（即1/k=0.80、0.60、0.40)。,2 减压起动,(2) 自耦变压器减压起动,缺点：采用自耦变压器减压起动时的线路较复杂，设备价格较高，不允许频繁起动。,2 减压起动,(3) 星/三角(Y/)减压起动,适用于正常工作时是联结的三相异步电动机。起动时Y联结，每相电压自然降为1/,Y / 起动线路图,Y起动原理图,限流效果好；但起动转矩也跌得厉害，为原来的1/3。因此只适于空载和轻载起动。,例5-5 某厂的电源容量为560 kVA，一皮带运输机采用三相笼型异步电动机拖动，其技术数据为，PN=40kW，联结，全压起动电流为额定电流的7倍，起动转矩为额定转矩的1.8倍，要求带0.8TN的负载起动，试问应采用什么方法起动？,解 由题意，Ist /IN=7，Tst / TN=1.8,1)试用全压起动,由经验公式,因电网容许的起动电流倍数全压起动电流倍数，故不能全压起动。,2)试用电抗器减压起动,起动电流需降低的倍数,串电抗器后的起动转矩,可见起动转矩无法满足要求，故不能采用串电抗器起动。,3)试用Y减压起动,因电动机正常运行时是联结，可以讨论此问题。,虽起动电流电网容许值，但起动转矩不符合要求，不能采用。,4)试用自耦变压器减压起动,即,取标准抽头：0.73,从此例我们用具体的数据证实了在减压起动的相同限流条件下，采用自耦变压器减压起动的起