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1、第五章异步电动机拖动第1页，本讲稿共34页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异步电动机的机械特性通常用 表示。表示。表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的有功分量有功分量 相互作用产生的。相互作用产生的。说明：电磁转矩
2、与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（）、结构参数（R R、X X、m m、p p）和运）和运行参数（行参数（s s）有关。）有关。第2页，本讲稿共34页 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 曲线曲线第3页，本讲稿共34页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，可令转差率，可令 求得求得:最大转矩与额定转矩之比称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:2 2、越大，越大，越大；越大；与与 无关。无关。1 1、与与 成正比；成正比；与与 无关。无关。3 3、和和
3、都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比第4页，本讲稿共34页在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩时的转矩:结论：当其它参数一定时结论：当其它参数一定时1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数第5页，本讲稿共34页三、实用表达式 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求工程上
4、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：出实用表达式。方法是：将将T Tm m和和s sm m代入即可得到机械特性方程式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6页，本讲稿共34页5.1.25.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性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。子电路不外接阻
5、抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：几个特殊点：A AB BC CD1.起动点A:2.最大转矩点B:3.额定运行点C4.同步运行点D第7页，本讲稿共34页二、人为机械特性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是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。性。1.1.降压时的人为机械特性降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 下降后下降后,和和 均下降均下降,但但 不变不变,和和 减减少。少。如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行,下降后下降后,下降下降
6、,增大增大,转子电流因转子电流因 增大增大而增大而增大,导致电机过载。长期导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。减少使用寿命。第8页，本讲稿共34页2.2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后,、不变，不变，增大。增大。在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻，减小。减小。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。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，还有改除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机变电源
7、频率、极对数等人为机械特性。械特性。1 0TstTmTems n0n1smR2TstsmR2+Rs第9页，本讲稿共34页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：起动电流小对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。起动转矩不大。1.1.起动电流大的原因起动电流大的原因 起动时起动时,转子感应电动势大转子感应电动势大,使转子电流大使转子电流大,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系,定子电流必然增大定子电流必然增大.2.2.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下
8、述公式分析从下述公式分析 起动时起动时,远大于运行时的远大于运行时的 ,转子漏抗转子漏抗 很大很大,很低很低,尽管尽管 很大很大,但但 并不大并不大.由于起动电流大由于起动电流大,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小使定子感应电动势减小,对应对应的气隙磁通减小的气隙磁通减小.由上述两个原因使得起动转矩不大由上述两个原因使得起动转矩不大.第10页，本讲稿共34页5.2.15.2.1 三相笼型异步电动机的起动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：起动电流倍数可以直接起动的条件：起动电流倍数二、降压起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的适用于正常运行时定子绕组
9、为三角形接线的电动机。电动机。起动时起动时 Y Y接；运行时接；运行时接。接。起动电流关系:Y-Y-降压起动多用于空载或轻载起动降压起动多用于空载或轻载起动1.Y-1.Y-降压起动降压起动起动转矩关系:第11页，本讲稿共34页2.2.自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动直接起动时的起动电流：直接起动时的起动电流：降压后二次侧起动电流：降压后二次侧起动电流：变压器一次侧电流：变压器一次侧电流：电网提供的起动电流减小倍数：电网提供的起动电流减小倍数：起动转矩减小的倍数：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。自耦变压器一般有三个分接头可供选用。第12页，本讲稿共34页5.2.2 三
10、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在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起既能限制起动电流，又能增大起动转矩。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，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。速的升高，逐渐切除起动电阻。第13页，本讲稿共34页 电动机由电动机由a a点开点开始起动，经始起动，经bcdef bcdef ghgh，完成，完成起动过程。起动过程。起动过程起动过程第14页，本讲稿共34页二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器
11、是一铁损很大的三相电抗器。频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏变断开，转子串入频敏变阻器阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。闭合，电机通电开始起动。起动时起动时,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻 大大,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。随着子回路串入一个较大电阻。随着 上上升升,减小减小,铁损减少铁损减少,等效电阻等效电阻 减小减小,相当于逐渐切除相当于逐渐切除 ,起动结束起动结束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。路直接短路。第15页，本讲稿共34页5.3
12、三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动实现实现：制动时，：制动时，S1S1断开断开,电机脱离电网，同时电机脱离电网，同时S2S2闭合闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。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，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，制当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。动过程结束。制动
13、过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。能耗制动。第16页，本讲稿共34页nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机对笼型异步电动机,可以增大直可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩流励磁电流来增大初始制动转矩 。对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机,可以可以增大转子回路电阻来增大初始增大转子回路电阻来增大初始制动转矩制动转矩 。制动电阻大小：制动电阻大小：第17页，本讲稿共34页一、电源两相反接的反接制动5.3.25.3.2 反接制动反接制动实现实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。：将电动机电源两相反接可实现反接制
14、动。机械特性由曲线机械特性由曲线1 1变为曲线变为曲线2 2，工作点由，工作点由AB CAB C，n=0,n=0,制动过程结束。制动过程结束。绕线式电动机绕线式电动机在定子两反接同在定子两反接同时时,可在转子回路串联制动电可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动阻来限制制动电流和增大制动转矩转矩 ,曲线曲线3 3。第18页，本讲稿共34页二、倒拉反转的反接制动条件条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现实现：在转子回路串联适当大电阻：在转子回路串联适当大电阻R RB B。电机工作点由电机工作点由AB CAB C，n=0n=0，制动过程开
15、始，电，制动过程开始，电机反转子，直到机反转子，直到D D点。在点。在第四象限才是制动状态。第四象限才是制动状态。由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。第19页，本讲稿共34页反接制动时，反接制动时，s1s1，所以有，所以有机械功率为机械功率为电磁功率为电磁功率为机械功率为负，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。机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。而而表明，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表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定
16、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。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20页，本讲稿共34页5.3.3 回馈制动实现实现：电动机转子在外力作用下，使：电动机转子在外力作用下，使nnnn1 1.回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转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。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首先将定子两相反接,定子旋转磁场的同定子旋转磁场的同步速为步速为-n-n1 1，特性曲线变为特性曲线变为2 2。工作点由。工作点由A A到到B B。经过
17、反接制动过程（由经过反接制动过程（由B B到到C C）、反向加速过）、反向加速过程（程（C C到到-n-n1 1变化），最后在位能负载作用变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到下反向加速并超过同步速，直到C C点保持点保持稳定运行。稳定运行。电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。第21页，本讲稿共34页二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。电机工作点由电机工作点由A A变到变到B B，电磁转矩，电磁转矩为负，为负，电机处于回馈制，电机处于回馈制动状态。动状态。当电机采用变极（增加极数）
18、或变当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械频（降低频率）进行调速时，机械特性变为特性变为2 2。同步速变为。同步速变为 。第22页，本讲稿共34页5.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。第23页，本讲稿共34页5.4.1 变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。以以4 4极变极变2 2极
19、为例：极为例：U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定，定子绕组产生子绕组产生4 4极磁场：极磁场：反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组产生，定子绕组产生2 2极磁场：极磁场：第24页，本讲稿共34页二、三种常用变极接线方式Y反并反并YY，2p-pY反串反串Y，2p-pYY，2p-p注意注意：当改变当改变定子绕定子绕组接线组接线时，必时，必须同时须同时改变定改变定子绕组子绕组的相序的相序第25页，本讲稿共34页三、变极调速时容许输出 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。输出的功
20、率和转矩。1.1.Y-YYY-YY联结方式联结方式Y-YYY-YY后后,极数减少一半极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即 ，保持每一绕组，保持每一绕组电流为电流为 ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为 可见，可见，Y-YYY-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。于恒转矩负载。第26页，本讲稿共34页2.2.-YY-YY联结方式联结方式-YY-YY后后,极数减少一半极数减
21、少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即 ，保持每一，保持每一绕组电流为绕组电流为 ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为 可见，可见，-YY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近联结方式时，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。调速，它适用于恒功率负载。同理可以分析，同理可以分析，正串正串Y-Y-反串反串Y Y联结方式的变极调速属恒功率调联结方式的变极调速属恒功率调速。速。第27页，本讲稿共34页四、变极调速时的机械特性1.Y-YY
22、联结方式联结方式2.-YY联结方式联结方式 变极调速时变极调速时,转速几乎是成倍变化的转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差调速的平滑性较差,但具但具有较硬的机械特性有较硬的机械特性,稳定性好稳定性好,可用于恒功率和恒转矩负载可用于恒功率和恒转矩负载.第28页，本讲稿共34页5.4.2 变频调速一、电压随频率调节的规律 当转差率当转差率s s变化不大时，电动机的转速变化不大时，电动机的转速n n基本与电源频率基本与电源频率f f1 1正比，连续调正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因
23、数、铁损及过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：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：第29页，本讲稿共34页1 1、恒转矩变频率调速、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。此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。对恒转矩负载对恒转矩负载2 2、恒功率变频率调速、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。对恒功率负载对恒功率负载得第30页，本讲稿共34页二、频率调速时电动机的
24、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变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示最大转矩最大转矩起动转矩起动转矩临界点转速降临界点转速降在基频以下调速时在基频以下调速时,保持保持 ,即恒转矩调速。即恒转矩调速。在基频以上调速时在基频以上调速时,电压只能电压只能 ，迫使主磁通与频率成，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。反比降低，近似为恒功率调速。第31页，本讲稿共34页5.4.35.4.3 变转差率调速变转差率调速一、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
25、阻时，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的转速随转子串联电阻的增大而减小。小。设设 、是转子串联电阻是转子串联电阻 前的量，前的量，、是串联电阻后是串联电阻后的量，的量，则转子串接的电阻为：则转子串接的电阻为：第32页，本讲稿共34页二、绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势同步频率的附加电动势 。通过改变通过改变 的幅值和相的幅值和相位，也可实现调速，这就位，也可实现调速，这就是串级调速。是串级调速。第33页，本讲稿共34页 改变电动机的电压时，改变电动机的电压时，机械特性为机械特性为三、调压调速 调压调速既非恒转矩调速，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，转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。矩负载，最不适用恒功率负载。第34页，本讲稿共34页