电机应用技术 教学课件 ppt 作者 徐虎 吴加国 第五章三相异步电动机的应用110126

1、第五章 三相异步电动机的应用,课件制作 吴加国,第五章 三相异步电动机的应用,在第四章中，对三相异步电动机进行了详细地分析和讨论，掌握了它的转动原理和主要结构、绕组的构成规律、运行时的电磁物理过程以及运行时的特性。这一章将分析由异步电动机和生产机械组成的电力拖动系统中的应用，即异步电动机拖动生产机械作起动、制动和调速等各种运转状态时的应用。,异步电动机的机械特性是描述电力拖动系统各种运行状态的有效工具，它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，然后分析各种特性的应用。,第一节 三相异步电动机的电磁转矩表达式,一、电磁转矩的物理表达式,在第四章中， 是三相异步电动机电磁转矩的基本公式，为了使用方便，将驱动转子运转的电磁转矩以下三种表达式来表示。,与直流电机相似，异步电动机的电磁转矩表达式为,式中 CT 是转矩常数。,上式表明异步电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流的有功分量成正比，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。,（5-1）,例5-1 为何在农村的“双抢”期间，作为动力

2、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“双抢”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，使线路压降增大，则电源电压下降较多，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，由式（5-1）可知转子电流大为增加，尽管主磁通下降，空载电流会下降，但它下降的程度远小为转子电流增加的程度，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,由于电磁转矩的物理表达式不能直接反映转矩与转速的关系，而电力拖动系统则常常需要用转速或转差率与转矩的关系式进行运行分析，故推导如下,根据三相异步电动机的简化等效电路及式（4-22），转子电流为,将上式和 代入式（4-30）得,（5-2）,式（5-2）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、X1、p及m1）以及转差率s之间的关系，称为参数表达式。显然，当U1、f1及电动机的参数不变时，电磁转矩仅与转差率s有关，对应于不同s的值，有不同的T值，将这些数据

3、绘成曲线，就是T=f（s）曲线，也称T-s曲线，如图5-1所示。下面定性解释该曲线的形状。,图5-1 三相异步电动机的T-s曲线,（1）电动状态（0s1）,把上式代入式（5-2），得最大转矩Tmax为,我们分析几个特殊的点或区域：当s=0时，T=0；当s，但在s0区间，因 /sr1，X1+ ，所以r1，X1+ 可忽略不计，得到电磁转矩正比于转差率，即Ts；当s继续至s1区间 /s ，此时漏抗X1+ 比绕组电阻r1+ 大，所以忽略参数表达式分母中的r1+ /s项，得到电磁转矩反比于转差率，即T1/s。根据数学知识，电磁转矩T从正比于s到反比于s，中间必有一最大转矩Tmax 。Tmax可以用高等数学中求最大值的方法求得。令导数dT/ds=0，求得产生Tmax时的临界转差率sm,（5-3）,（5-4）,上两式中，因定子绕组r1（X1+ ），忽略r1得近似表达式。在正常情况下，工程中常采用近似式，以简化计算。Tmax是异步电动机能够产生的最大转矩，为使电动机在运行过程中不会因可能出现的短时过载而停机，要求其额定运行时的转矩TN小于Tmax，因而具有一定的过载能力。我们称最大转矩Tmax与额定转

4、矩TN之比为最大转矩倍数，或过载能力，用m表示。即,m是异步电动机的一个重要性能指标，它表明了电动机短时过载的极限。一般Y系列的三相异步电动机的m2.02.2。,4） 当U1不变时，最大转矩反比于频率的平方，即Tmax1/ f12。,1） 当电源频率f1及电动机参数不变的情况下，最大转矩与定子相电压平方成正比，而临界转差率与U1无关。,2） 当U1、f1及其他参数不变而仅改变转子回路电阻（通常是绕线转子回路外串电阻R）时，最大转矩不变而临界转差率与（ + ）成正比。,3） 当U1、f1及其他参数不变而仅改变定、转子漏抗（X1+ ）时，Tmax和sm都近似与（X1+ ）成反比。,由式（5-4）可知，最大转矩主要与下述因素有关：,除了最大转矩Tmax之外，异步电动机的起动转矩Tst也是重要的运行性能指标，将s=1代入式（5-2）即得三相异步电动机的起动转矩的参数表达式为,（5-5）,由式（5-5）可知，起动转矩也与电源电压、及电机的参数有关。如：,1） 当电源频率f1及电动机参数不变的情况下，起动转矩与定子相电压平方成正比。,2） 当U1、f1及其他参数不变而使转子回路电阻适当增大，Tst

5、也增大。利用此特点，可在绕线转子异步电动机的转子回路中外串电阻来增加起动转矩Tst。如要求起动时转子串电阻Rst而使起动转矩Tst增大到等于最大转矩Tmax，这时临界转差率sm应为1，即,则,3） 当U1、f1及其他参数不变，则总（X1+ ）增加时，Tst 减少。,在额定电压、额定频率及电机固有参数的条件下的起动转矩Tst与额定转矩TN的比值，称为电动机的起动转矩倍数KM，即,起动转矩大一些好，特别是重载起动可以缩短起动时间，减少损耗，提高生产率。显然，只有Tst 大于TN时，电动机才能顺利重载起动。一般Y系列三相异步电动机的KM=1.82.0。,（2）发电状态（s0）,如果电机的转子受外力拖动，使转速加速到nn1，这时转差率变为负值，旋转磁场相对切割转子导体的方向与电动状态时相反，转子导体感应电动势和电流方向均改变，它受到的电磁力和电磁转矩方向也改变，即T0，是制动性质的；又因为电磁功率也变为负值，说明电机向电网输送电功率，故电机处于发电状态。忽略r1，由式（5-2）可见，s0时的T-s曲线与电动状态时的曲线是关于原点对称的，如图5-1所示。,（3）制动状态（s1）,当旋转磁场转向与

6、电机转向相反时，转差率s1，这有两种情况，即磁场反向,或转子反向,这时转子导条的感应电动势与电流方向和电动状态时相反，产生的电磁转矩与电机转向相反，起制动作用，此时电机处于制动状态。在s1时，转子电流的频率较大，漏抗较大，由式（5-2）可见，电磁转矩T随转差率s的增大而减小，所以制动状态的T- s曲线是电动状态T- s曲线的延伸，如图5-1所示。,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=957r/min参数r1= =1.53，X1=3.12， =4.25，不计T0，试求：,1） 额定转矩；,2） 临界转差率、最大转矩；,3） 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值（归算到定子侧）。,解 由nN=957r/min，最接近其的同步速是n1=1000 r/min，p=3。,1） 额定转矩,忽略T0，以sN=0.043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,临界转差率,最大转矩,3） 欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值（归算到定子侧）,三、电磁转矩的实用表达式,在实际中，用式（5-2）来进行计算比

7、较麻烦，而且在电机手册和产品目录中往往只给出额定功率、额定转速、过载能力等，而不给出电动机的内部参数。因此需要将式（5-2）进行简化（推导从略），得出电磁转矩的实用表达式为,（5-6）,上式中Tmax 及sm可用下述方法求出,TN=9.55PN/nN,Tmax=mTN=9.55m PN /nN,（5-7）,忽略T0，将TTN，s=sN代入式（5-6），可得,sm=sN（m+）,式中 sN是额定转差率，sN=（n1nN）/ n1。,（5-8）,实际中使用实用表达式时，先根据巳知数据计算出Tmax和sm，再把它们代入式（5-6），取不同的s值即可得到不同的T值了。 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cos2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。,第二节 三相异步电动机的机械特性,上节我们分析了T- s曲线，但在拖动系统中常用机械特性n-T即n=f（T）曲线来分析电动机的电力拖动问题，它与T-s曲线的变换关系如图5-2所示。,图5-2 由 T- s曲线变换为 n-T曲线,一、固有机械特性

8、,固有机械特性是指三相异步电动机工作在额定电压和额定频率下，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，如图（5-2）。,二、人为机械特性,在分析电动机拖动系统的运行时，常利用人为机械特性来进行阐述。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。,下面分别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。,1降低定子端电压的人为机械特性,如果异步电动机的其他条件都与固有特性时一样，仅降低定子相电压所得到的人为机械特性，称为降压人为机械特性，其特点如下：,1）同步转速n1不变，且sm或nm跟固有特性时一样，即不同U1的人为机械特性都通过固有机特性的同步点。,2）最大转矩Tmax随U12成比例下降。,3）起动转矩Tst也随U12成比例下降。为

9、此不同U1的人为机械特性的最大转矩点的变化规律如图（5-3）所示。,图5-3 降压人为机械特性,由图5-3可知，端电压U1下降后，电动机的Tst和过载能力（ ）都显著地下降了，这在实际应用中必须注意。例如，设原来运行于a点，端电压下降为后，工作点变为b点，显然这时转速降低了，起动转矩和最大转矩都变小了。从图中可以看到：如果电压下降太多，使 小于负载转矩，电动机将停转。,2转子回路串对称三相电阻的人为机械特性,对于绕线转子三相异步电动机，如果其他条件都与固有特性时一样，仅在转子回路串入对称三相电阻Rp，所得的人为特性简称为转子串电阻人为机械特性，其特点如下：,1）同步转速不变。,2）最大转矩的大小不变，但临界转差率则随Rp的增加而增加。,为此不同Rp的人为机械特性的最大转矩点的变化规律如图（5-4）所示。,由图5-4可知，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。,图5-4 转子回路串电阻人为 机械特性,3）当 增加， 1后，Tst随Rp 的增加而减小。,三、三相异步电动机的稳定运行区域,临界转差率sm或临界转速nm是三相异步电动机机械特性的“稳定”区域和“不稳定”区域的分界点。如图5-5所示，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。,图5-5 三相异步电动机的稳定 运行区域,由第二章第三节巳叙述过的电力拖动系统稳定运行的必要和充分条件，不难判断对常遇到的恒转矩、恒功率、通风机型负载，都可稳定运行。这是因为在电动机的下斜的机械特性部分和这三种不同负载的转矩特性的交点处，均满足dT/dndTL /dn。,从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均因与电动机机械特性的交点处，有dT/dndTL /dn，而不能稳定运行，只是对通风机型负载可以稳定运。例如图5-5中的恒转矩负载特性曲线1与三相异步电动机的机械特性有两个交点，在A点可以稳定运行，而在B点则不能稳定运行。通风机型负载特性曲线2与电动机的机械特性交点C虽然可以稳定运行，但转速太低，损耗大，效率低，对通风机工作

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