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第七章三相异步电动机的电力拖动,第一节三相异步电动机的机械特性,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。,一、机械特性的三种表达式,（一）物理表达式,随电机转差率S变化,2,（二）参数表达式,根据异步机的简化等效电路，可得,代入上式得,3,固定,、,时,可以将之间的关系画成曲线，,称为,曲线,（1）额定工作点B,4,（2）起动点A,（3）理想空载转速点H,起动转矩倍数：,5,（4）最大转矩点P,转矩过载系数：,6,（三）实用表达式,将式,代入上式得:,7,在将式,代入上式并简化得:,忽略,简化：,8,二、固有机械特性,三相异步电动机在额定电压、额定频率不变，定、转子回路不接入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。,9,三、人为机械特性,（一）改变定子电压的人为机械特性,10,（二）定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性,11,(三)定子电路串联对称电抗,12,（四）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性,13,第二节三相异步电动机的启动,一、异步电动机的启动性能,1生产机械对电动机启动的主要要求,（1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动,（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。,（3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。,（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。,（5）启动过程中的功率损耗越小越好。,14,2异步电动机的启动特性,（1）启动电流大：,一般启动电流Ist可达额定电流IN的57倍；,（2）启动转矩小：,一般Tst=(0.8-1.5)TN。,15,二、三相笼型异步电动机的启动,（一）直接起动,直接起动的方法就是将额定电源电压直接接到笼型异步电动机的定子绕组上。,异步电动机直接起动时对电网的影响还取决于供电电网容量的大小。一般直接起动只能在以下的小功率电动机中使用。当电动机功率大于时，可用下面经验公式计算起动电流倍数是否满足直接起动的要求，即,16,（二）降压启动,1.星-三角形启动,（Y）,在正常运行时是接成形,17,即,2.自耦变压器降压启动,18,自耦变压器从电网汲取的电流：,其中：,电压降低到：,起动转矩降低到：,自耦变压器二次侧一般有三个抽头，分别为一次侧电压的,和,即：,19,三、转子回路串电阻启动,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。,绕线式异步电机可以采用转子电路串接三相对称电阻或频敏变阻器的起动方法，这种起动方法不仅可以减小起动电流，还可以增加起动转矩，使起动性能大为改善，这是笼型异步电动机所不具有的特点。下面介绍绕线式异步电机的这两种起动方法。,（一）转子串电阻分级起动,在绕线式异步电机转子回路串多级电阻，起动时逐级切除转子串接电阻的起动过程。,20,21,（二）转子回路串频敏变阻器起动,把频敏变阻器接入电动机转子绕组回路，用来起动绕线式异步电动机，可以获得无级起动的效果。,铁心等效电阻与铁心绕组电流频率的平方成正比。,22,第三节三相异步电动机的电气制动,阻止电动机转动,使之减速或停车的措施称为制动。,电气制动有以下几种方式:,一、能耗制动,23,能耗制动时的机械特性为,24,二.反接制动,当异步电动机带动负载稳定运行在电动状态时，突然改变定子电源相序，使异步电机的旋转磁场瞬间与转速相反，电动机便进入了反接制动状态。,对于绕线式异步电机，为了限制反接制动时过大的电流冲击，电源相序反接的同时在转子电路中串接较大电阻，对于笼型异步电机可在定子回路中串入电阻。,25,1、反抗性负载,当：,异步电机将准确停车在D点,当：,异步电机将准确停车在C点,2、位能性负载,当异步电机拖动位能性负载反接制动到C点时，运行点沿曲线2从,最后稳定运行到E点,异步电机工作在反向回馈制动状态。关于回馈制动状态要在后面专题分析。,26,三、回馈制动,异步电机的转速超过同步转速时，便进入回馈制动运行状态。,（一）正向回馈制动,正向回馈制动是指异步电动机在正向电动机运转时，超过同步转速而进入回馈制动状态（象限）。正向回馈一般发生在电传动机车牵引车辆下坡、电动机正向运行时降低定子电流频率或增加定子绕组的极对数等情况下。,当异步电机在固有特性上A点运行，从曲线上看：,运行点从曲线1的A点平移至曲线2的B点，电磁转矩变负。在电磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机很快减速，运行点沿,最终稳定运行在点。,在正向回馈制动过程中，转差率,27,电动机输出的机械功率为,这时的三相异步电动机实际上是一台发电机，它把系统减小的动能转变为电能送入交流电网。,28,(二)反向回馈制动运行,当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，并且电源为负相序时，电动机会高速运行于第象限，此时电磁转矩为,转速为,如图中的B点。,29,反向回馈制动时的同步转速为,电机转速为,因此转差率为,因此，反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。,30,近年来，随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流电动机调速系统的趋势。从异步电动机的转速关系式n=n1(1-s)=可以看出，异步电动机的调速可分以下三大类：(1)改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速；(2)改变供电电源的频率f1，称为变频调速；(3)改变电动机的转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速和串级调速。,在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。,第四节三相异步电动机的调速,31,若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向，如图所示，产生一对磁极。,图8.10三相四极电动机定子U相绕组,图8.11三相二极电动机定子U相绕组,通常用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机称多速电动机。其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。下面以一相绕组来说明变极原理。先将其两个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图所示，产生两对磁极。,32,目前，在我国多极电动机定子绕组联绕方式最多有3种，常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图所示；另一种是从三角形改成双星形，写作/YY，如图所示，这两种接法可使电动机极数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、质量轻，但电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。,图8.12异步电动机Y/YY变极调速接线,33,二、变频调速,三相异步电动机的同步转速为因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。,1.变频调速的条件,三相异步电动机的每相电压U为UE1=4.44f1N1K1若电源电压Ul不变，当降低电源频率f1调速时，则磁通将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通不变，就必须降低电源电压，使或为常数。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。,34,2.从基频向下调变频调速,降低电源频率时，必需同时降低电源电压。降低电源电压U1，有以下两种控制方法：(1)保持为常数。降低电源频率f1时，保持为常数，则为常数，是恒磁通控制方式，也称恒转矩调速方式。降低电源频率f1调速的人为机械特性，如图8.14所示。,降低电源频率f1调速的人为机械特性特点为：同步速度n1与频率f1成正比；最大转矩不变；转速降落n=常数，特性斜率不变(与固有机械特性平行)。这种变频调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定静差率的要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好，另外，转差功率Ps较小，效率较高。,35,(2)保持为常数。降低电源频率f1，保持为常数，则近似为常数，在这种情况下，当降低频率f1时，n不变。但最大转矩会变小，特别在低频低速时的机械特性会变坏，如图8.15所示。其中虚线是恒磁通调速时为常数的机械特性，以示比较。保持为常数，则低频率调速近似为恒转矩调速方式。,36,3.从基频向上调变频调,升高电源电压()是不允许的。因此，升高频率向上调速时，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况，其机械特性如图所示。,保持不变升速，近似为恒功率调速方式。随着，而p2近似为常数。异步电动机变频调速具有良好的调速性能，可与直流电动机媲美。,37,4.变频电源,异步电动机变频调速的电源是一种能调压的变频装置。如何能取得经济、可靠的变频电源，是实现异步电动机变频调速的关键，也是目前电力拖动系统的一个重要发展方向。目前，多采用由晶闸管或自关断功率晶体管器件组成的变频器。变频器若按相分类，可以分为单相和三相；若按性能分类，可以分为交-直-交变频器和交-交变频器。变频器的作用是将直流电源(可由交流经整流获得)变成频率可调的交流电(称交-直-交变频器)或是将交流电源直接转换成频率可调的交流电(交-交变频器)，以供给交流负载使用。交-交变频器将工频交流电直接变换成所需频率的交流电能，不经中间环节，也称为直接变频器关于变频电源的具体情况，可参考有关变频技术一类的书籍。,5.变频技术的应用,变频调速由于其调速性能优越，即主要是能平滑调速、调速范围广、效率高，又不受直流电动机换向带来的转速与容量的限制，故已经在很多领域获得广泛应用，如轧钢机、工业水泵、鼓风机、起重机、纺织机、球磨机化工设备及家用空调器等方面。主要缺点是系统较复杂、成本较高。,38,三、改变转差率调速,改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。,1.改变定子电压调速,对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a2、a3，如图8.17所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。改变电源电压调速，这种方法主要应用于笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。过去都采用定子绕组串电抗器来实现，目前已广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。,39,2转子串电阻调速,绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。,图8.18转子串电阻调速的机械特性,根据电磁转矩参数表达式，当T为常数且电压不变时，则有因而绕线转子异步电动机转子串电阻调速时调速电阻的计算公式为R1=式中sa转子串电阻前电动机运行的转差率；sb转子串入电阻R1后新稳态运行时电动机的转差率；r2转子每相绕组电阻，,常数,40,如果已知转子串入的电阻值，要求调速后的电动机转速，则只要将前面式稍加变换，先求出s1，再求转速n。由于在异步电动机中，电磁功率PM，机械功率Pm与转子铜损PCu2三者之间的关系为PMPmPcu2=1(1-s)s若转速越低，转差率s越大，转子损耗越大，低速时效率不高。转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的绕线转子异步电动机如桥式起动机等。,3.串级调速,所谓串级调速，就是在异步电动机的转子回路串入一个三相对称的附加电动势，其频率与转子电动势相同，改变的大小和相位，就可以调节电动机的转速。它也是适用于绕线转子异步电动机，靠改变转差率s调速。(1)低同步串级调速若与相位相反，则转子电流I2为,41,电动机的电磁转矩为,上式中，T1为转子电势产生的转矩，而T2为附加电势所引起的转矩。若拖动恒转矩负载，因T2总是负值，可见串入后，转速降低了，串入附加电势越大，转速降得越多。引入后，使电动机转速降低，称低同步串级调速。(2)超同步串级调速若与组同相位，则T2总是正值。当拖动恒转矩负载时，引入后，导致转速升高了，则称为超同步串级调速。串级调速性能比较好，过去由于附加电势的获得比较难，长期以来没能得到推广。近年来，随着晶闸管技术的发展，串级调速有了广阔的发展前景。现已日益广泛用于水泵和风机的节能调速，应用于不可逆轧钢机、压缩机等很多生产机械。,42,解,43,44,45,46,（2）从电动状态（图1中A点）时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于（图中C点），则转子每相应该串接多大电阻？,（3）如果该电动机带位能负载，负载转矩，要求稳定的下放转速r/min，求转子每相的串接电阻值。,解,47,考虑异步机的机械特性为直线,对于固有特性,对于人为特性,（2）,48,取,取,考虑机械特性为直线,（3）,49,取（时不能稳定运转）,考虑机械特性为直线,50,例10-3,绕线转子异步电动机的铭牌数据同例10-2，设从额定点A换接到能耗制动状态的运行点E（见下图），如果要求制动转矩的开始值等于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制动时的接线如图，定子通入大小为的直流电流，假如电动机的空载电流。假定应考虑电动机磁路的饱和。,解,51,查图10-21的曲线，当时，,52,取,考虑能耗制动特性为直线,53,取,如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，则,54,例10-4,绕线转子异步电动机的技术数据同例10-2。如果使用能耗制动使电动机快速停车，要求保证最大制动转矩时，。接线如图所示。假定桥式整流后电压与交流电压有效值之比为0.9，整流电压经电容滤波后增高30%。试计算：（1）直流励磁电路中的附加电阻（2）异步机转子电路每相应串接的电阻,解（1）,查图10-21，当,55,（2）,
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