相异步电动机的机械特性

第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.1 三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性5.2 三 相 异 步 电 动 机 的 起 动5.3 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动5.4三 相 异 步 电 动 机 的 调 速思 考 题 与 习 题 本 章 首 先 讨 论 三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性 ， 然 后 以 机 械特 性 为 理 论 基 础 ， 分 析 研 究 三 相 异 步 电 动 机 的 起 动 、 制 动 和调 速 等 问 题 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.1三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性一、物理表达式5.1.1 三 相 异 步 电 动 机 机 械 特 性 的 三 种 表 达 式二、参数表达式 三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性 是 指 电 动 机 的 转 速 与 电 磁 转 矩之 间 的 关 系 ， 由 于 电 机 的 转 速 与 转 差 率 之 间 存 在 一 定 的 关 系 ，所 以 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性 通 常 用 表 示 。)s(fTem 0 2 2em TT C I cos 表 明 ： 三 相 异 步 电 动 机 的 电 磁 转 矩 是 由 主 磁 通 与 转 子 电 流 的有 功 分 量 相 互 作 用 产 生 的 。 022 cosI 2 21 12 221 1 1 22em Rm pU sT Rf (R ) ( X X )s 说 明 ： 电 磁 转 矩 与 电 源 参 数 （ 1、 f1） 、 结 构 参 数 （ R、 X、 m、p） 和 运 行 参 数 （ s） 有 关 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动 三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性 曲 线)( emTfn 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动在 特 性 曲 线 上 有 两 个 最 大 转 矩 ， 最 大 转 矩 对 应 的 转 差 率 称 为 临 界转 差 率 ， 可 令 求 得 : 0dsdTem mT NTT 2 22 2 1 21 1 2 m R Rs X XR (X X ) 2 21 1 1 12 2 1 1 21 1 1 1 2 44 m m pU m pUT f ( X X )f R R ( X X ) 最 大 转 矩 与 额 定 转 矩 之 比 称 为 过 载 能 力 :2、 越 大 ， 越 大 ； 与 无 关 。2R 2Rms emT1、 与 成 正 比 ； 与 无 关 。mT 21U mT 1U3、 和 都 近 似 与 漏 抗 成 反 比mT ms 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动在 特 性 曲 线 上 还 有 一 个 起 动 转 矩 ， 即 时 的 转 矩 : )1(0 sn21 1 22 21 1 2 1 22 st m pU RT f ( R R ) ( X X ) 结 论 ： 当 其 它 参 数 一 定 时1、 起 动 转 矩 与 电 源 电 压 平 方 成 正 比 ；2、 频 率 越 高 ， 起 动 转 矩 越 小 ； 漏 抗 越 大 ， 起 动 转 矩 越 小 ；3、 绕 线 式 电 动 机 ， 转 子 回 路 电 阻 越 大 ， 起 动 转 矩 先 增 后 减 。 stst NTK T4、 起 动 转 矩 倍 数 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动三、实用表达式2 mem m m TT ss s s 工 程 上 常 根 据 电 机 的 额 定 功 率 、 额 定 转 速 、 过 载 能 力 来求 出 实 用 表 达 式 。 方 法 是 ：9550 NN NPT n m T NT T 1 1 NN n ns n2 1m N T Ts s ( ) 将 Tm和 sm代 入 即 可 得 到 机 械 特 性 方 程 式 。利 用 电 磁 转 矩 除 以 最 大 电 磁 转 矩 可 得 电 磁 转 矩 的 实 用 表 达 式 ： 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.1.2 三 相 异 步 电 动 机 的 固 有 机 械 特 性 和 人 为 机 械 特 性一、固有机械特性固 有 机 械 特 性 是 指 电 动 机 在 额 定 电 压 和 额 定 频 率 下 ， 按 规 定 的 接线 ， 定 、 转 子 电 路 不 外 接 阻 抗 时 的 机 械 特 性 。s n0 nNsN n msm1 0 TNTst Tm Tem几 个 特 殊 点 ： A BCD1.起 动 点 A: 0 1 em stn ,s ,T T 2.最 大 转 矩 点 B: m m em mn n ,s s ,T T 3.额 定 运 行 点 C N m em Nn n ,s s ,T T 4.同 步 运 行 点 D 1 0 0emn n ,s ,T 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、人为机械特性人 为 机 械 特 性 是 指 人 为 改 变 电 源 参 数 或 电 动 机 参 数 而 得 到 的 机械 特 性 。1. 降 压 时 的 人 为 机 械 特 性 s ns m1 0 TL UN0 Tst Tm Temn1 0.8UN0.64Tst 0.64Tm 下 降 后 , 和 均 下 降 , 但 不 变 , 和 减 少 。1U mT stTms stkT 如 果 电 机 在 定 额 负 载 下 运行 , 下 降 后 , 下 降 , 增 大 , 转 子 电 流 因 增 大 而 增大 ,导 致 电 机 过 载 。 长 期 欠 压过 载 运 行 将 使 电 机 过 热 ， 减少 使 用 寿 命 。1U n s2 2sE sE 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动2. 转 子 回 路 串 对 称 电 阻 时 的 人 为 机 械 特 性串 电 阻 后 , 、 不 变 ， 增 大 。n mT ms在 一 定 范 围 内 增 加 电 阻 ， 可 以增 加 。 当 时 ， 若再 增 加 电 阻 ， 减 小 。 stT 1ms st mT TstT 串 电 阻 后 ， 机 械 特 性 线 性 段 斜 率 变 大 ， 特 性 变 软 。 除 了 上 述 特 性 外 ， 还 有改 变 电 源 频 率 、 极 对 数 等 人为 机 械 特 性 。 1 0 Tst Tm Tems n0 n1sm R2Tstsm R2+Rs 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.2三 相 异 步 电 动 机 的 起 动 起 动 指 电 动 机 接 通 电 源 后 由 静 止 状 态 加 速 到 稳 定 运 行 状 态 的过 程 .对 电 动 机 的 起 动 性 能 要 求 二 ： 起 动 电 流 小 ,起 动 转 矩 不 大 。1.起 动 电 流 大 的 原 因 起 动 时 , ,转 子 感 应 电 动 势 大 ,使 转 子 电 流 大 ,根 据 磁动 势 平 衡 关 系 ,定 子 电 流 必 然 增 大 .1,0 sn2.起 动 转 矩 不 大 的 原 因从 下 述 公 式 分 析 0 2 2st em TT T C I cos 起 动 时 , ,远 大 于 运 行 时 的 ,转 子 漏 抗 很 大 , 很 低 ,尽 管 很 大 ,但 并 不 大 .1s s 22 sXX s 2cos2I 22 cosI 由 于 起 动 电 流 大 ,定 子 漏 阻 抗 压 降 大 ,使 定 子 感 应 电 动 势 减 小 ,对 应 的 气 隙 磁 通 减 小 .由 上 述 两 个 原 因 使 得 起 动 转 矩 不 大 . 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.2.1 三 相 笼 型 异 步 电 动 机 的 起 动一、直接起动可 以 直 接 起 动 的 条 件 ： 起 动 电 流 倍 数 )kW( )kVAkI 电 动 机 容 量电 源 容 量 （341二、降压起动 13stYstTT 适 用 于 正 常 运 行 时 定 子 绕 组 为 三 角 形 接 线的 电 动 机 。 起 动 时 Y接 ； 运 行 时 接 。起 动 电 流 关 系 :Y- 降 压 起 动 多 用 于 空 载 或 轻 载 起 动1.Y- 降 压 起 动 13stYstII 起 动 转 矩 关 系 : 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动2.自 耦 变 压 器 降 压 起 动 Nst SUI Z直 接 起 动 时 的 起 动 电 流 ： 1 1 Nst S sU UI Z kZ 降 压 后 二 次 侧 起 动 电 流 ： 1 21 1 Nst st sUI Ik k Z 变 压 器 一 次 侧 电 流 ： 21ststII k 电 网 提 供 的 起 动 电 流 减 小 倍 数 ：21ststTT k 起 动 转 矩 减 小 的 倍 数 ：自 耦 变 压 器 一 般 有 三 个 分 接 头 可 供 选 用 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.2.2 三 相 绕 线 型 异 步 电 动 机 的 起 动一、转子回路串电阻起动 在 转 子 回 路 中 串 联 适 当 的 电 阻 ,既 能限 制 起 动 电 流 ， 又 能 增 大 起 动 转 矩 。 为 了 有 较 大 的 起 动 转 矩 、 使 起 动过 程 平 滑 ， 应 在 转 子 回 路 中 串 入 多 级对 称 电 阻 ， 并 随 着 转 速 的 升 高 ， 逐 渐切 除 起 动 电 阻 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动 电 动 机 由 a点开 始 起 动 ， 经b c d ef g h， 完成 起 动 过 程 。起 动 过 程 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、转子串频敏变阻器起动频 敏 变 阻 器 是 一 铁 损 很 大 的 三 相 电 抗 器 。 起 动 时 ， S2断 开 ， 转 子 串 入 频 敏变 阻 器 ,S1闭 合 ， 电 机 通 电 开 始 起 动 。起 动 时 , ,频 敏 变 阻 器 铁 损 大 ,反映 铁 损 耗 的 等 效 电 阻 大 ,相 当 于 转子 回 路 串 入 一 个 较 大 电 阻 。 随 着 上 升 , 减 小 ,铁 损 减 少 ,等 效 电 阻 减 小 ,相 当 于 逐 渐 切 除 ,起 动 结束 ,S2闭 合 ， 切 除 频 敏 变 阻 器 ， 转 子电 路 直 接 短 路 。 2 1f f n2f mRmR 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.3三 相 异 步 电 动 机 的 制 动5.3.1 能 耗 制 动实 现 ： 制 动 时 ， S1断 开 ,电 机 脱 离 电 网 ，同 时 S2闭 合 ,在 定 子 绕 组 中 通 入 直 流 励 磁电 流 。 直 流 励 磁 电 流 产 生 一 个 恒 定 的 磁 场 ，因 惯 性 继 续 旋 转 的 转 子 切 割 恒 定 磁 场 ，导 体 中 感 应 电 动 势 和 电 流 。 感 应 电 流 与磁 场 作 用 产 生 的 电 磁 转 矩 为 制 动 性 质 ，转 速 迅 速 下 降 ， 当 转 速 为 零 时 ， 感 应 电动 势 和 电 流 为 零 ， 制 动 过 程 结 束 。 制 动 过 程 中 ， 转 子 的 动 能 转 变 为 电 能 消 耗 在 转 子 回 路 电 阻 上 能 耗 制 动 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动n T emA0n1 C1B23 对 笼 型 异 步 电 动 机 ,可 以增 大 直 流 励 磁 电 流 来 增 大 初 始制 动 转 矩 。 对 绕 线 型 异 步 电 动 机 ,可以 增 大 转 子 回 路 电 阻 来 增 大初 始 制 动 转 矩 。 .101 s，n 所 以 能 耗 制 动 时由 于制 动 电 阻 大 小 ： 2 220 2 0 4 3 NB NER ( . . ) RI 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动一、电源两相反接的反接制动5.3.2 反 接 制 动实 现 ： 将 电 动 机 电 源 两 相 反 接 可 实 现 反 接 制 动 。., ,1 1 sn想 空 载 转 速 变 为 理改 变由 于 定 子 旋 转 磁 场 方 向机 械 特 性 由 曲 线 1变 为 曲 线2， 工 作 点 由 A B C，n=0,制 动 过 程 结 束 。绕 线 式 电 动 机 在 定 子 两 反接 同 时 ,可 在 转 子 回 路 串 联制 动 电 阻 来 限 制 制 动 电 流和 增 大 制 动 转 矩 ,曲 线 3。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、倒拉反转的反接制动条 件 : 适 用 于 绕 线 式 异 步 电 动 机 带 位 能 性 负 载 情 况 。实 现 ： 在 转 子 回 路 串 联 适 当 大 电 阻 RB。电 机 工 作 点 由 A B C， n=0， 制 动 过 程开 始 ， 电 机 反 转 子 ，直 到 D点 。 在 第 四 象限 才 是 制 动 状 态 。由 于 电 机 反 向 旋 转 ，n1。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动反 接 制 动 时 ， s1， 所 以 有机 械 功 率 为 21 2 21 0MEC sP m I Rs 电 磁 功 率 为 2 21 2 0em RP m I s 机 械 功 率 为 负 ， 说 明 电 机 从 轴 上 输 入 机 械 功 率 ； 电 磁 功 率 为正 说 明 电 机 从 电 源 输 入 电 功 率 ， 并 轴 定 子 向 转 子 传 递 功 率 。而 2 2 221 2 2 1 2 1 2 21MEC em RsP P m I R m I m I Rs s 表 明 ， 轴 上 输 入 的 机 械 功 率 转 变 成 电 功 率 后 ， 连 同 定 子 传 递 给转 子 的 电 磁 功 率 一 起 消 耗 在 转 子 回 路 电 阻 上 ， 所 反 接 制 动 的 能量 损 耗 较 大 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.3.3 回 馈 制 动实 现 ： 电 动 机 转 子 在 外 力 作 用 下 ， 使 nn1. 回 馈 制 动 状 态 实 际 上 就 是 将 轴 上 的 机械 能 转 变 成 电 能 并 回 馈 到 电 网 的 异 步 发 电机 状 态 。一、下放重物时的回馈制动 首 先 将 定 子 两 相 反 接 ,定 子 旋 转 磁 场的 同 步 速 为 -n 1， 特 性 曲 线 变 为 2。 工 作点 由 A到 B。 经 过 反 接 制 动 过 程 （ 由 B到C） 、 反 向 加 速 过 程 （ C到 -n1变 化 ） ，最 后 在 位 能 负 载 作 用 下 反 向 加 速 并 超 过同 步 速 ， 直 到 C点 保 持 稳 定 运 行 。电 机 机 械 特 性 曲 线 1， 运 行 于 A点 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、变极或变频调速过程中的回馈制动电 机 机 械 特 性 曲 线 1， 运 行 于 A点 。电 机 工 作 点 由 A变 到 B， 电 磁 转 矩为 负 ， ， 电 机 处 于 回 馈 制动 状 态 。 1Bn n当 电 机 采 用 变 极 （ 增 加 极 数 ） 或 变频 （ 降 低 频 率 ） 进 行 调 速 时 ， 机 械特 性 变 为 2。 同 步 速 变 为 。1n 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.4三 相 异 步 电 动 机 的 调 速由 异 步 电 动 机 的 转 速 公 式 11 601 1fn n( s) ( s)p 可 知 ， 异 步 电 动 机 有 下 列 三 种 基 本 调 速 方 法 ：（ 1） 改 变 定 子 极 对 数 调 速 。p（ 2） 改 变 电 源 频 率 调 速 。 1f（ 3） 改 变 转 差 率 调 速 。s 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.4.1 变 极 调 速一、变极原理变 极 调 速 只 用 于 笼 型 电 动 机 。 以 4极 变 2极 为 例 ：U相 两 个 线 圈 ， 顺 向 串 联 ，定 子 绕 组 产 生 4极 磁 场 ： 反 向 串 联 和 反 向 并 联 ， 定 子 绕 组产 生 2极 磁 场 ： 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、三种常用变极接线方式Y反 并 YY， 2p-p Y反 串 Y， 2p-p YY， 2p-p 注 意 ： 当 改 变定 子 绕组 接 线时 ， 必须 同 时改 变 定子 绕 组的 相 序 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动三、变极调速时容许输出 容 许 输 出 时 是 指 保 持 电 流 为 额 定 值 条 件 下 ， 调 速 前 、 后 电动 机 轴 上 输 出 的 功 率 和 转 矩 。1. Y-YY联 结 方 式Y-YY后 ,极 数 减 少 一 半 ,转 速 增 大 一 倍 ,即 ， 保 持 每 一 绕组 电 流 为 ,则 输 出 功 率 和 转 矩 为 2 YY Yn nNI 2YY YYY YP PT T 可 见 ， Y-YY联 结 方 式 时 ， 电 动 机 的 转 速 增 大 一 倍 ， 容 许 输 出功 率 增 大 一 倍 ， 而 容 许 输 出 转 矩 保 持 不 变 ， 所 以 这 种 变 极 调 速 属于 恒 转 矩 调 速 ， 它 适 用 于 恒 转 矩 负 载 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动2. -YY联 结 方 式-YY后 ,极 数 减 少 一 半 ,转 速 增 大 一 倍 ,即 ， 保 持 每 一绕 组 电 流 为 ,则 输 出 功 率 和 转 矩 为 2YYn nNI 1 150 58 YYYYP . PT . T 可 见 ， -YY联 结 方 式 时 ， 电 动 机 的 转 速 增 大 一 倍 ， 容 许 输出 功 率 近 似 不 变 ， 而 容 许 输 出 转 矩 近 似 减 少 一 半 ， 所 以 这 种 变极 调 速 属 于 恒 功 率 调 速 ， 它 适 用 于 恒 功 率 负 载 。 同 理 可 以 分 析 ， 正 串 Y-反 串 Y联 结 方 式 的 变 极 调 速 属 恒 功率 调 速 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动四、变极调速时的机械特性1. Y-YY联 结 方 式22mYY mY mYY mYstYY stYs sT TT T 2. -YY联 结 方 式2323mYY mmYY mstYY sts sT TT T 变 极 调 速 时 ,转 速 几 乎 是 成 倍 变 化 的 ,调 速 的 平 滑 性 较 差 ,但具 有 较 硬 的 机 械 特 性 ,稳 定 性 好 , 可 用 于 恒 功 率 和 恒 转 矩 负 载 . 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.4.2 变 频 调 速一、电压随频率调节的规律 当 转 差 率 s变 化 不 大 时 ， 电 动 机 的 转 速 n基 本 与 电 源 频 率 f1正 比 ， 连 续 调 节 电 源 频 率 ， 可 以 平 滑 地 改 变 电 动 机 的 转 速 。 但是 ， 1 1 0 1 1 1 1 1 12 21 1 121 1 2 14 44 4 444 w wmT N N NE U. f N k . f N kT m pU UcT f ( X X )T f T 频 率 改 变 将 影 响 磁 路 的 饱 和 程 度 、 励 磁 电 流 、 功 率 因 数 、 铁损 及 过 载 能 力 的 大 小 。 为 了 保 持 变 频 率 前 、 后 过 载 能 力 不 变 ， 要求 下 式 成 立 ： 2 2 1 1 1 12 21 1 1 1 NN N NU U U f Tf T f T U f T 及 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动1、 恒 转 矩 变 频 率 调 速此 条 件 下 变 频 调 速 ， 电 机 的 主 磁 通 和 过 载 能 力 不 变 。常 数 1111 ffUU对 恒 转 矩 负 载2、 恒 功 率 变 频 率 调 速 此 条 件 下 变 频 调 速 ， 电 机 的 过 载 能 力 不 变 ， 但 主 磁 通 发 生 变 化 。对 恒 功 率 负 载 1195509550 ffnnTTnTnTP NNNNNNNNN 常 数常 数 1111 fUfU得 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、频率调速时电动机的机械特性变 频 调 速 时 电 动 机 的 机 械 特 性 可 用 下 列 各 式 表 示21 12 1 2 18m m p UT ( )( L L ) f 最 大 转 矩 21 2 12 21 2 1 118st m pR UT ( )( L L ) f f 起 动 转 矩 2 1 21 1 1 2 1 260 302m R f Rn sn f ( L L ) p p( L L ) 临 界 点 转 速 降在 基 频 以 下 调 速 时 ,保 持 ,即 恒 转 矩 调 速 。常 数11 / fU 在 基 频 以 上 调 速 时 ,电 压 只 能 ， 迫 使 主 磁 通 与 频 率 成反 比 降 低 ， 近 似 为 恒 功 率 调 速 。 1 1NU U 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动5.4.3 变 转 差 率 调 速一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕 线 转 子 电 动 机 的 转 子 回 路 串 接 对 称 电 阻 时 的 机 械 特 性 为 从 机 械 特 性 看 ， 转 子 串 电 阻时 ， 同 步 速 和 最 大 转 矩 不 变 ， 但临 界 转 差 率 增 大 。 当 恒 转 矩 负 载时 ， 电 机 的 转 速 随 转 子 串 联 电 阻的 增 大 而 减 小 。 21ems ems TR ( )RsT 设 、 、 是 转 子 串 联 电 阻 前 的 量 ， 、 、 是 串 联 电 阻后 的 量 ， 则 转 子 串 接 的 电 阻 为 ：ms s emTms s emT sR 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动二、绕线转子电动机的串级调速在 绕 线 转 子 电 动 机 的 转 子 回路 串 接 一 个 与 转 子 电 动 势 同 步 频 率 的 附 加 电 动 势 。 sE2adE adE通 过 改 变 的 幅 值 和 相位 ， 也 可 实 现 调 速 ， 这 就是 串 级 调 速 。 第 5章 三 相 异 步 电 动 机 的 电 力 拖 动 改 变 电 动 机 的 电 压时 ， 机 械 特 性 为三、调压调速 调 压 调 速 既 非 恒 转 矩 调速 ， 也 非 恒 功 率 调 速 ， 它 最适 用 于 转 矩 随 转 速 降 低 而 减小 的 负 载 ， 如 风 机 类 负 载 ，也 可 用 于 恒 转 矩 负 载 ， 最 不适 用 恒 功 率 负 载 。