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1、电机拖动之三相异步电动机的电力拖动本讲稿第一页，共五十二页 ，是一个与电机结构有关的常数，也叫折算到定子边的异步电机转矩常数。式中，与 成正比，表明做功的是转子电流有功分量，故与直流电动机的电磁转矩 相类似。由于 、与 三者必须符合左手定则，体现了电磁力定律，物理概念清楚，故称为电磁转矩的物理表达式。从式中还不能直接看出 与 （或 ）的关系，但是，、与 却都是 的函数。所以上式也为异步电动机机械特性的物理表达式。本讲稿第二页，共五十二页 与 绝不是线性关系。在转速 较高（较小）的范围内，已知 、变化都不大，的变化规律基本上由 确定，即 随着转速 的下降、的增加而增加。当 进一步降低时，由于 变
2、化不大，将随着 与 的下降而减小，即 随 降低而减小。显然，从 到 之间，随 的变化是由小变大，又由大变小。可以断定在某一转速下会出现一个最大转矩，成为临界值。故三相异步电动机的机械特性 曲线是非线性的。本讲稿第三页，共五十二页、的参数表达式与机械特性曲线上的特殊点，由异步电动机的简化等值电路求得：本讲稿第四页，共五十二页（）临界点 电动机运行在临界点的转差率称为临界转差率，以 表示。此时的电磁转矩是电动机所能提供的极限转矩，称为最大转矩，以 表示。本讲稿第五页，共五十二页 “”号对应于电动工作状态，“”号对应于发电工作状态。对于一般的异步电动机，一般不超过 的，可以忽略 ，有 本讲稿第六页，
3、共五十二页 的大小，标志着电动机允许过负载的能力，当阻转矩（负载转矩 或与空载转矩 之和）大于 时，电机将停转。通常以最大转矩 与额定转矩 的比值大小来表示这种过载能力，且令：称为过载倍数。对于一般异步电动机，对于起重、冶金机械用的电动机，左右。（）起始点 本讲稿第七页，共五十二页 起动转矩 同最大转矩 一样，都是衡量异步电动机运行性能的重要指标。因为 的大小将影响到电力拖动系统的加速度大小和加速时间长短。如果 太小，在一定负载下，有可能电动机起动不起来。为供用户选择，电机技术数据中都以起动转矩倍数 给出。一般鼠笼式异步电动机 ，对起重和冶金用的系列异步电动机 。（3）理想空载点D 旋转磁场的
4、转速 就是异步电动机的理想空载转速 。本讲稿第八页，共五十二页、的实用表达式与机械特性曲线的绘制由于 相对其它参数很小，忽略 后 考虑到 ，代入上式后得：本讲稿第九页，共五十二页或既是的实用表达式，也是机械特性方程式。根据已知数据：、，求出未知数与，使得上式只反映与的关系。考虑到电动机拖动额定负载运行时，（忽略），又知，于是 本讲稿第十页，共五十二页解得，的计算公式为：其中额定功率的单位为千瓦，额定转速的单位为转/分。本讲稿第十一页，共五十二页综合上述分析可知，电磁转矩的三种表达式，也是异步电动机的机械特性方程式。一般地说，物理表达式适用于对电机的运行状态作定性分析；参数表达式则可用于作精确计
5、算，评价电机参数对电机运行的影响；实用表达式常用于机械特性的工程计算。这就是说，电磁转矩的三种表达式都能表征电机运行性能，只是应用场合有所不同。本讲稿第十二页，共五十二页二、异步电动机的自然机械特性二、异步电动机的自然机械特性当三相异步电动机的定子绕组按规定接法（或）联接，施加的电压及其频率都为额定值，而电机参数又为本身固有参数的条件下，由参数表达式或实用表达式求得的关系曲线，便是电机的固有机械特性曲线，或称自然特性曲线。（）当 时，转速 与电磁转矩同方向，为拖动转矩，电机运行于电动状态；（）当 时，与 方向相反，为制动转矩，电机运行于发电状态；（）当 时，与 方向相反，也为制动转矩，电机运行
6、于制动状态。本讲稿第十三页，共五十二页 在电动运行区间里，自然特性曲线明显地分为D与两段（图）下面分别进行讨论。（）D段：在该段内随着转速 的下降电磁转矩 增加。同直流电动机的自然特性相似，是一条略向下倾斜的曲线。如拖动的是恒转矩负载，运行于a点，则满足第二章提出的稳定运行条件：拖动系统获得稳定运行，因此工程上通常称D段为稳定运行区。本讲稿第十四页，共五十二页（）段：如仍拖动恒转矩负载，不难判断b点不是稳定运行点。工程上通常称段为非稳定运行区。如果负载转矩等于最大转矩，在交点只能平衡而不能稳定运行。须知，上述稳定与非稳定区间的划分是相对负载特性而言的。如对于通风机型负载与电动机机械特性的交点d
7、，虽然处于段，但它仍能满足稳定运行条件，拖动系统能在d 点稳定运行。不过在实际中，一般通风机系统的稳定运行点也不设计在段，而是D段。所以将段称为非工作段较为确切。P156 例5-1本讲稿第十五页，共五十二页三、异步电动机的人工机械特性三、异步电动机的人工机械特性由参数表达式可见，人为地在 、中的任一个量上串入相应的参数或改变 、中的任一个数值，都可得到相应的人工机械特性，以满足生产机械不同运行状态的要求。、降低电源电压时的人工机械特性 时即为 本讲稿第十六页，共五十二页 可知，当电动机其他参数不变，仅降低外加电压 时，与 都与 成比例地降低，但 大小却保持不变，而且由于电动机的同步转速（即旋转
8、磁场转速）与 无关，所以 改变时 保持不变。这就是说不同电压下的人工机械特性曲线都通过 这一点。考虑到上述各量与 的大小关系，便得到一族降低 的人工特性曲线。本讲稿第十七页，共五十二页实用表达式 ，其中 ，为小于 的定子相电压。也可用直线表达式 ，其中 ，同样 为小于 的定子相电压。本讲稿第十八页，共五十二页2、转子回路串接对称电阻时的人工机械特性、转子回路串接对称电阻时的人工机械特性 在绕线式异步电动机的转子回路中，串接对称电阻（即三相分别串入同样大小的电阻）且改变其大小时，可以得到不同的人工机械特性。已知，与转子回路电阻大小无关，却随电阻增大而增大，而 却不随转子电阻变化。因此得到改变转子
9、回路电阻的人工机械特性。本讲稿第十九页，共五十二页 所串电阻越大，机械特性稳定运行段的斜率也越大，也就是说特性越软。然而 却随着电阻 的增加而增加，这是因为转子回路串入电阻后的 ，其值随 增大而增加，使得最大转矩点下移。当 大小使得 ，时，达到最大值，即 ，如果再增加电阻 ，反而逐步减小。实用表达式 ，其中 本讲稿第二十页，共五十二页直线表达式 ，其中 同实用表达式。3、定转子回路串对称三相电抗的人为机械特性 笼型异步电动机，可以在定子回路中串入对称的三相电阻或电抗；绕线式异步电动机，定转子回路都可以串入对称的三相电阻或电抗，来获得人工特性。定子回路串入三相对称电阻或电抗时，相当于增大了电动机
10、定子回路的漏阻抗，这不影响电动机同步转速 的大小，所 以 其 人 为 机 械 特 性 都 要 通 过 点。而 由 ，知：串入电抗后，、都随外串电抗的增大而减小。P158 例5-2本讲稿第二十一页，共五十二页5、2三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 就启动来说，对异步电动机所提出的要求为：、电动机应有足够大的启动转矩；、在保证一定大小的启动转矩的前提下，启动电流应越小越好；、启动所需的设备应尽量简单，价格力求低廉，操作及维护方便；、启动过程中的功率损耗越小越好。本讲稿第二十二页，共五十二页 异步电动机启动时，由于静止的转子导体与定子旋转磁场之间的相对切割速度很大，因此转子绕组中的电流 很大
11、，但由于转子电路的功率因数 较低，故启动转矩 并不很大。通过计算及实际测定，异步电动机启动瞬间的转子电流通常可达额定状态时的倍，由于转子电流是从定子绕组内感应而来的，从而使定子绕组内的电流也相应增为额定值的倍。、使电网电压产生波动（特别是容量较大的电动机启动时），从而影响到接在电网上的其他设备的正常运行；、使电动机绕组发热、绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。特别是对经常需要启动的电动机影响较大。本讲稿第二十三页，共五十二页一、鼠笼式异步电动机的启动方法一、鼠笼式异步电动机的启动方法（一）直接起动（一）直接起动直接启动将电动机定子绕组直接接到额定电压的电网上来启动，即启动时加在电动机定子绕组
12、上的电压为额定电压，所以又称全压启动。这时的机械特性称为固有启动特性，优点：起动设备与操作都比较简单、启动时间短，所需成本低。缺点：受到固有起动性能的限制，起动电流大，起动转矩小。本讲稿第二十四页，共五十二页 、容量在7.5千瓦以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动。电动机在启动瞬间造成的电网电压的变化不大于电源电压正常值的10，对于不经常启动的电动机可放宽到15。如用户有专用的变压器供电，则当电动机容量 变压器容量的20时，允许频繁起动；小于30时，不允许经常启动。、用下面经验公式来粗估电动机是否可以直接启动其中，为电动机的启动电流；为电动机的额定电流；为电源的总容量，即变压器容量（千伏安
13、）；为电动机的额定功率（千瓦）。本讲稿第二十五页，共五十二页 鼠笼式异步电动机直接启动的常用电气控制设备有：万能转换开关、组合开关、按钮与接触器、自动空气断路器等。P159例5-3（二）鼠笼式异步电动机的降压启动（二）鼠笼式异步电动机的降压启动降压启动电动机在启动时降低加在定子绕组上的电压，启动结束时加额定电压运行的启动方式。、定子串电阻器（或电抗器）降压起动本讲稿第二十六页，共五十二页本讲稿第二十七页，共五十二页如何求取 或 的值？设将直接起动电流 降低倍，为降低后的启动电流，则 或 求所需串入的电阻（或电抗）值。本讲稿第二十八页，共五十二页 与 在不能直接测得的情况下，也可以估算。已知：式
14、中 是起动电流倍数；与 分别是定子相电压和相电流的额定值。当定子绕组接时 ，当定子绕组 接时 ，于是，定子接时 定子 接，本讲稿第二十九页，共五十二页由于起动时的功率因数 ，所以有定子串电阻器（或电抗器）降压起动时，起动转矩 与电压成平方关系降低，故应校验降压启动的启动转矩 是否能满足负载要求。如认为定子端电压由 降到 时，电机参数仍保持不变，（，不变，）则起动电流与定子绕组端电压成正比，于是有：本讲稿第三十页，共五十二页在电机参数不变的前提下，起动转矩与定子端电压平方成正比，故有：或一般来说，负载要求 显然定子串电阻（或电抗）降压起动，只适用于空载或轻载启动。由于采用电阻降压起动时损耗较大，
15、因此与定子串电抗器降压起动相比，串电阻降压起动很少采用。本讲稿第三十一页，共五十二页、自耦变压器、自耦变压器（起动补偿器）（起动补偿器）降压启动降压启动起动时，利用自耦变压器将电网电压降低后再加到电机的定子绕组上。待转速接近稳定值时再将电机直接接到电网上。本讲稿第三十二页，共五十二页 为说明采用自耦变压器降压启动对启动电流的限制和对启动转矩的影响，取自耦变压器一相电路分析。已知自耦变压器的变比 设直接起动时，电网提供给电机的起动电流为 ，加给定子绕组的相电压为 。根据启动电流与定子端电压成正比的关系（绕组参数不变），电机定子降压前后的电流比为：已知，代入后得 或本讲稿第三十三页，共五十二页 起
16、动转矩降低的比值又如何呢？由起动转矩与电压平方成正比的关系可知：说明，起动转矩降低的倍数与起动电流降低的倍数相同，显然，从增加启动转矩角度来选取变比 小些好，即选取大于计算值的抽头。自耦变压器副边有23组抽头，其电压可以分别为原边电压的80、65或80、60、40。在实际应用中都把自耦变压器、开关触头、操作手把等组合在一起构成自耦减压启动器（又称启动补偿器）。或本讲稿第三十四页，共五十二页 同定子串电阻（或电抗）相比，如将电网提供的起动电流降到同一允许值时，用自耦变压器降压启动的启动转矩要比串电阻器（或电抗器）起动时的转矩大一些。因此在电机容量较大，并带一定负载起动时，常采用自耦变压器起动。缺
17、点是自耦变压器体积大，重量重，价格高，维修麻烦，且不允许频繁起动。、星三角（、星三角（）降压启动）降压启动 对于正常运行时定子绕组规定是 联接的三相异步电动机，起动时可以采用接法，使电机每相所承受的电压降为额定电压的 ，所以称为 降压起动。对于采用这种方法起动的电机，要求定子绕组首尾六个接线端都引出来。本讲稿第三十五页，共五十二页本讲稿第三十六页，共五十二页 下面分析一下 降压启动时的起动电流与起动转矩。如果 接直接起动，则电机相电压为：电网供给电机的线电流为：（为定子启动相电流）如采用联接降压起动，电机相电压为：电网供给电机的线电流为：（为接时定子启动相电流）可见两种情况下的线电流之比为：考
18、虑到起动时相电流与相电压成正比（定子绕组参数不变），则 本讲稿第三十七页，共五十二页根据起动转矩与电压平方成正比的关系，则两种情况下的起动转矩比为：说明 降压起动起动转矩降低的倍数与电流降低的倍数相同，即起动转矩降低很多，故只能用于空载或轻载起动的设备上。由于高压电机引出六个出线端子有困难，故 起动一般仅用于伏以下的低压电机，且又限于正常运行时定子绕组作 接法的电机。常见的额定电压标为/伏的电动机。本讲稿第三十八页，共五十二页 降压起动的最大优点是所需设备简单、价格低，运行比较可靠，维修方便，因而应用较广。起动方法比较P162（4）延边三角形降压启动（自学）例5-4P163本讲稿第三十九页，共
19、五十二页二、绕线式异步电动机的起动二、绕线式异步电动机的起动1、转子串电阻起动、转子串电阻起动 在绕线式异步电动机的转子回路串入适当的电阻，既可降低起动电流，又可提高起动转矩。同直流电动机一样，绕线式异步电动机也要分级切换起动电阻，图中所示为三级起动。电动机的定子绕组接到三相交流电网，转子绕组经集电环和电刷，接到起动电阻上。、转子串频敏变阻器起动、转子串频敏变阻器起动 自学P166 本讲稿第四十页，共五十二页5、3 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 电动机的运行状态可分为启动、调速和制动，电动机在下述情况下运行时，属于制动状态。、在负载转矩为位能转矩的机械设备中（例如起重机下放重物；运
20、输工具在下坡运行）使设备保持一定的运行速度。、在机械设备需要减速或停止时，电动机能实现减速和停止。本讲稿第四十一页，共五十二页三相异步电动机的制动方法：1、机械制动：利用机械装置（如电磁抱闸机构）来使电动机迅速停止。2、电气制动：使异步电动机所产生的电磁转矩和轴上所受的机械转矩方向（即电动机的旋转方向）相反。即电动机此时将从轴上吸收机械能变为电能，亦即电动机此时为发电机状态运行。（1）反接制动 （2）能耗制动 （3）再生制动（发电制动）本讲稿第四十二页，共五十二页一、反接制动一、反接制动 反接制动的原理和电动机的反转是一样的，即依靠改变电动机定子绕组中任意两相与电源接线的相序，使旋转磁场转向与
21、原来电动机旋转的方向相反，从而使转子导体所受的电磁转矩方向与转子旋转方向相反，则转子转速很快下降到零，当电动机转速接近零时，立即切断电源，以免电动机反转。因电动机正常运行时的转差率 ，在反接制动开始瞬间，电动机转速还来不及改变，但旋转磁场已反向，即 变为 ，此时转差率 ，故鼠笼电动机的转子电流将比起动瞬间的电流还要大。本讲稿第四十三页，共五十二页优点：停车迅速，所需设备简单。缺点：对电动机的冲击力大，不易准确停车。一般只用于小型异步电动机中。机械特性P171图5-15的，固有特性与电动状态完全对称。还有转速反向（带位能负载）曲线，原理同直流电机制动。二、能耗制动二、能耗制动本讲稿第四十四页，共
22、五十二页优点：制动力较强，制动较平稳，对电网影响小。主要缺点：需要一套专门的直流电源，而且由于制动转矩随电动机转速的减小而减小，因此不易制停。机械特性形状P178图5-22、曲线。本讲稿第四十五页，共五十二页三、回馈制动（发电制动）三、回馈制动（发电制动）在电动机工作过程中，由于外力的作用（如起重机在下放重物时）可使电机的转速 超过旋转磁场的同步转速 ，此时电机转子导体与旋转磁场的相对切割方向同电动机状态时相反，则转子电流及电磁转矩的方向也相反，即电磁转矩方向与转子旋转的方向相反，变为制动转矩。因此电机此时是将机械功率转变成电功率，向电网输送电能，故称为再生制动（发电制动），也可称回馈制动，即将电能回送给电网。本讲稿第四十六页，共五十二页优点：经济性能好，可将负载的机械能转换成电能反送到电网上。缺点：应用范围较窄，仅当电动机转速时才能实现制动。转速方向不发生变化时的回馈制动机械特性P174图5-17。本讲稿第四十七页，共五十二页本讲稿第四十八页，共五十二页本讲稿第四十九页，共五十二页本讲稿第五十页，共五十二页本讲稿第五十一页，共五十二页本讲稿第五十二页，共五十二页