电机原理与拖动(一)新教材——第4章..ppt
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电机原理与拖动（一） 东北大学 边春元 2015.03 内容介绍 变压器 交流电机基础及三相异步电动机 电磁理论基础知识 绪论 三相异步电动机的电力拖动 第一节 电力拖动的基础知识 第二节 三相异步电动机的3种机械特性表达式 第三节 异步电动机固有机械特性和人为机械特性 第四节 三相笼型异步电动机的起动 第五节 三相绕线式异步电动机的起动 第六节 三相异步电动机的调速 第七节 三相异步电动机的运行状态 第八节 异步电动机拖动系统的过渡过程及能量损耗 一、电力拖动系统的运动方程 第一节 电力拖动的基础知识 式中： J —— 转动惯量（kg·m2） d /dt —— 角加速度 J (dΩ/dt)—— 惯性转矩 *TL——总负载转矩，包含T0 忽略 T0 ，则 TL = T2 正方向规定 Te与n同向 TL与n反向 飞轮矩 (N·m2) ∵ J = mρ2 G g = D 2 （） 2GD2 4g = 旋转部分的 质量（kg） 回转半径 (m) GD2 4g J = Ω = 2πn 60 Te-TL = GD2 dn 375 d t 重力加速度 二、 负载的机械特性 n = f (TL) ● 转速和转矩的参考方向： O Te n +TL －TL 1、恒转矩负载特性 (1) 反抗性恒转矩负载特性： n Te TL ●由摩擦力产生的。
●当 n＞0， TL＞0 ●当 n＜ 0，TL＜0 ●如机床平移机构、 压延设备等 O Te n O Te n (2) 位能性恒转矩负载特性： ●由重力作用产生的 ●当 n＞0， TL＞0 ●当 n＜ 0，TL＞0 ●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 ● TL∝ n 1 O Te n 3、 风机泵类负载特性 ● TL∝n2 ● TL 的始终与 n 的方向相反 ● 如通风机、水泵、油泵等 O Te n T0 TL = T0 + k n2 实际的通风机负载 三、电动机的机械特性 1. 机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即 机械特性 负载机械特性 电动机机械特性 固有机械特性 人为机械特性 2. 运行状态： 转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向 电动：转矩与转速的方向一致 制动：转矩与转速的方向相反 3. 四象限运行： 电动机的固有机械特性 a）他励直流电动机 b）异步电动机 e）同步电动机 工作点： 在电动机的机械特性与负载机械 特性的交点上 稳定运行:即：Te－TL = 0 运动方程: Te－TL＞ 0 →加速 Te－TL＜ 0 →减速 n = 常数 过渡过程: 四、电力拖动系统稳定运行的条件 n0 Te n O TL a b 干扰→n↓ 稳定运行点 不稳定 运行点 → a点 →Te↑ →n ↑ →Te↓ b 点: a 点: 干扰→n↓→Te↓ 干扰→n↑ →Te↑ →n↑ ↓→ n = 0→堵转 →n ↓ ↑ → a 点 稳定运行的充要条件: dTe dn ＜ dTL dn →Te＞TL → Te = TL →Te＜TL →Te＞TL Te＝TL，且 n0 Te n O 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 TL a TL' a'点 a' Te－TL ＜ 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——自适应负载能力 →I2 ↑ →Te↑ I1↑→P1↑ 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 五、调速方式及调速性能指标 （一）电动机的调速方式 （1）恒转矩调速方式 以电动机在恒定，其电磁转矩也各种转速下都能充分利用为条件， 如果电动机调速过程中，保持电机电流恒定，也就是说其电磁转矩 T与转速n之间无关，这种调速方式称为恒转矩调速方式，如直流电 动机电枢串入电阻调速和降压调速、三相异步电动机的恒磁通变频 调速均属于恒转矩调速 （2）恒功率调速方式 以电动机在恒定，其电磁转矩也各种转速下都能充分利用为条件， 如果电动机调速过程中，保持电机电流恒定，其电磁转矩变化，且 电磁转矩 T与转速 n的变化之间存在“ ”的关系，这种 调速方式称为恒功率调速方式，如直流电动机的弱磁调速即恒功率 调速 （二）调速性能指标 1. 调速范围 D = nmax nmin = ni ni-1 4. 调速的稳定性 —— 静差率 δ= ×100% n0 －nN n0 = ×100% △nN n0 2. 经济性——主要考虑调速设备的初投资、 调速时电能的损耗及运行时的维修费用等。
3. 调速的平滑性 —— 平滑系数 Te n O n01 n02 TN nmax nmin ※重型铣床的进给机构： D = 300 (2 ~ 600 r/min) 第二节 异步电动机的3种机械特性表达式 定义: 当定子电压、频率及绕组参数都 固定时，电 动机的转速与电磁转矩之间的函数关系n=f（T） 因S=（1-n/n1）使机械特性呈非线性，故常写成 T=f（s）形式 物理表达式 T=f（s） 参数表达式 实用表达式 • 物理表达式 – 表达式 – 曲线 • 图6-1： • 图6-2 ： • 图6-3 ： • 机械特性曲线（图6-4 ） • 参数表达式 – 推导（ “Γ”型等效电路：图5-45、46、48） – 机械特性曲线（图6-4） • 象限分析与说明 • 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 { 讨论 ª ª Tmax与r2无关 ª U1、f1恒定， ª 起动转矩： （绕线式：转子外串电阻加大起动转矩） – 起动点 （s=1） { 讨论 ª ª 改变r2 ，可以改变Tst；（绕线电机：转子外串电阻可加大起 动转矩；电网不允许（大功率）电机直接起动（（1-s）/s=0 ，功率因数低：0.3），否则影响其它设备的正常运行）：图 5-45~48 – 额定点（s=sN（n=nN），T=TN） • 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 • 注意： （符合实际 ） • 分析 ： • 实用表达式 ： • 产品目录给出： üs=f(T)： – sm的求法： – n=f(T)： – 机械特性的计算： – 先求sm和Tmax （通常取“+”） – 机械特性的线性化 • 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 • 固有机械特性和定子 电流示意图 固有机械特性 sn 0 sN 1 TNTkNTmaxT A B C D Sm IkN I1 • 特殊点 – 额定工作点： – 最大转矩点： 堵转转矩： 堵转电流： – 堵转点： 起动转动转 矩倍数： 起动电动电 流倍数： 笼笼型铭铭牌给给出： 和，绕线绕线 式不给给。
• 机械特性参数表达式和实用表达式的计算 –参数表达式： – 实用表达式： • 直流机 （电磁转矩）： – 额定转矩： • 异步机 （输出转矩）： • 计算举例：异步机， 求：1、机械特性表达式； 2、已知：T，求：s和n – 基本计算： （额定点） （转矩最大点） – 机械特性表达式： （实用表达式） （实用表达式） – 已知：T，求：s和n • • – 方法一： – 方法二：线性化条件 – 练习： • 实际固有机械特性（图6-6 ） – 讨论：低速（smsNx2 ） （转转子绕组绕组 Y接） • E2N ：转子额定电动势（转子开路线电势）； • I2N ：转子额定线电流 • 人为机械特性的应用示例 – 转子串电阻起动（图6-24 ） – 转子反向的反接制动（图6-51 ） 第四节 笼型异步电动机的起动 • 关于起动 – 绕线式：起动可调到最佳 – 笼型：Ik大，电网可能不允许； Tk不大，降压时Tst更小（满 足电网），适于轻载起动 （直接起动） – 特殊笼型：深槽、双笼、高滑差起动转矩大） • 笼型电机起动的要求 – 满足：电网（希望Ik小）和负载（希望Tk大） – 电网对起动电流的要求 • 如果不满足要求，应降低起动电流。
• 办法： – 负载对起动转矩的要求 • 要求： – 如果不满足要求，应加大起动电流 – 图6-6 问题：蠕动 • 要求： KV：电压电压 波动动系数（0.85~0.95）； Ks：加速转转矩系数（1.15~1.2） – 结论：良好起动，以上两项要求应权衡 • 直接起动 – 一般，首选直接起动7.5kW以下电机可以直接起动 – 现代设计的笼型异步电动机 ： • 根据直接起动的电磁力和发热设计其机械强度和热稳定性 • 减压起动 – 不满足电网要求时采用减压起动 – 基本问题（减压时的起动电流） • 设U为电机端电压 • I0很小（可以忽略） • 得初始起动电流： • 堵转电流： • 电机电流减小： （减压压系数） • 希望：只要 ，就满满足 达到减小起动电动电 流的目的 – 定子串电阻、电抗 • 接线图（图6-14） （小电机：串电阻，大电机：串电抗） • 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： （或）计算： – – 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 。
– 起动 （6端子电机） • 接线图： 教材图4-20：K1、K3闭合（降压起动） K3断开、k2闭合（正常运行） • 由教材图4-21可看出加到一相的电压不同 星形起动时,初始起动电流为 如用三角形起动时,初始起动电流为 因此有 减压系数 U UN Ist W V U W V UN U UN Ist W V U W V UN IKN （a） （b） • 特点： • 优缺点： – 起动电流小（对电网）、设备简单、价格便宜、操作方便； – 起动转矩小，降压系数不可调； – 仅适合于30kW以下的小功率电动机空载或轻载起动 – 自耦变压器起动 • 教材图4-22为接线图，教材图4-23为一相电路 • 减压系数： • 自耦变压器变比： • 电机电流： – 忽略变压器空载电流： 设电压比为kA=N1/N2 减压系数α=U/UN=1/KA 电动机的起动电流 电网供给的初始起动电流 初始起动转矩 优点：起动电流较小，起动转矩较大 UN U N1 N2 Ist Ist • 特点： • 优缺点：教材 P123 • 工业自耦变压器抽头比：0.8、0.65 – 总结： 教材P123 表4-1 – 例4-2 (看一下) 四、笼型异步电动机的软起动 软起动器通常利用其特性，采用如下3种起动方式。
（1）电压斜坡软起动起动电机时，软起动器的电压快速升至某一设定初值 ，然后在设定时间内逐渐上升，电机随着电压上升不断加速，达到额定电压和 额定转速时，起动过程完成主要用于重载软起动 （2）限流起动起动电机时，软起动器的输出电压迅速增加，直到输出电流 达到限定值，保持输出电流不大于该值，电压逐步升高，使电动机加速，当达 到额定电压、额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流，起动过程完成该 方式用于某些需快速起动的负载电机 （3）斜坡限流起动起动电机时，输出电压在设定时间内平稳上升，同时输 出电流以一定的速率增加，当起动电流增至限定值时，保持电流恒定，直至起 动完成该方式适用于泵类及风机类负载电机 五、改善起动性能的三相异步电动机 1、深槽异步电动机 转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强当起动完毕，频率 仅 为1～3Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条 电阻变为较小的直流电阻 2、双笼型异步电动机 双笼异步电动 机的机械特性 双笼型转子的 结构与漏磁通 这种异步电。
