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1、3.1 三相异步电动机的运行原理3.1.1基本结构和工作原理定子、转子、气隙第1页/共151页第2页/共151页定子定子由定子铁芯、定子绕组和机壳（机座、端盖等）构成。机座只做为支撑，不做为磁路的一部分。第3页/共151页定子铁芯用0.5mm厚的硅钢片冲压而成，再经叠装压紧制成第4页/共151页定子绕组在铁芯槽内按一定的规律嵌放。绕组三相对称：数量、规格一样，每相绕组轴线在空间互差120。第5页/共151页转子小型电机常用高强度漆包线绕制的散嵌线圈放入槽内，槽内绝缘通常用聚脂薄膜及青壳纸。第6页/共151页第7页/共151页转子按结构分类：鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如
2、绕线式。绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。第8页/共151页第9页/共151页 气隙气隙气隙大则磁阻大，要产生同样大小的旋转磁场，需要较大励磁电流。励磁电流是无功电流，会使电机的功率因素降低。但气隙过小会使电机装配困难，并导致运行不可靠。电机容量（KW）10以下101001001500气隙（mm）0.200.450.500.800.851.50第10页/共151页第11页/共151页3.1.1.2 额定数据额定功率PN：电动机在额定运行时轴上输出的机械功率额定电压UN：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压额定电流IN：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，
3、定子绕组中的线电流。第12页/共151页额定频率f1：我国工业用电标准频率 50HZ额定转速n：指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时电机的转速。额定功率因数cosN：指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。第13页/共151页第14页/共151页接法：；相电流Y接法：；相电流，额定功率：输入功率：第15页/共151页3.1.1.3工作原理工作原理1.旋转磁场旋转磁场(1)旋转磁场的产生旋转磁场的产生 W2 W1V2 V1U1 U2 三相三相(多相多相)电流电流 三相三相(多相多相)绕组绕组 旋转磁场。旋转磁场。三相绕组三相绕组第16页/共151页横截面横截面U1U2V1V
4、2W2W1U1 V1 W1U2 V2 W2 流出流出 流入流入 第17页/共151页U V WU1U2V1V2W2W1i1=Imsin ti2=Imsin(t120O)i3=Imsin(t120O)i1 i2 i3 t =0O 时时i1=0，i2 0，i3 0NSIm tOi1第18页/共151页 t=0O 时时i1=0，i2 0，i30U1U2V1V2W2W1NS t=120O 时时i10，i2=0，i3 0U1U2V1V2W2W1NS第19页/共151页U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS t=240O 时时i1 0，i20，i3=0 t=360O 时时i1=0，i2 0，
5、i30NS第20页/共151页i 变化一周变化一周i 每秒钟变化每秒钟变化 f1 周周旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈 旋转磁场转旋转磁场转 f1 圈圈(2)旋转磁场的转速旋转磁场的转速 n0 同步转速同步转速 n0=60 f1 (r/min)同步转速同步转速 n0 的大小怎样改变？的大小怎样改变？前面的例子里：前面的例子里：第21页/共151页U1U2V1V2W2W1每相绕组由每相绕组由一个线圈组成一个线圈组成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由两个每相绕组由两个线圈串联组成线圈串联组成第22页/共151页U1
6、U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t=0O 时时 i1=0，i2 0，i3 0 NSNS 磁极对数磁极对数 p p=2 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转旋转磁场转半半圈圈 n0 当磁极对数当磁极对数 p=3 时时 n0 60 f1 2=60 f1 3=60 f1pn0=第23页/共151页 f=50 Hz 时：时：1 2 3 4 5 6 3 000 1 500 1 000 750 600 500 pn0/(r/min)(3)旋转磁场的转向旋转磁场的转向(n0 的方向的方向)U(i1)V(i2)W(i3)由超前相转向滞后相。由超前相转向滞后相。由通入绕组中的电流的相序决定的。由通
7、入绕组中的电流的相序决定的。怎样改变怎样改变 n0 的方向的方向?V(i1)U(i2)W(i3)第24页/共151页n0n0转子转动原理 NS1)1)定子三相对称绕组通入三定子三相对称绕组通入三相对称电流产生旋转磁场。相对称电流产生旋转磁场。2)2)转子导条切割定子旋转子导条切割定子旋转磁场感应电动势、转磁场感应电动势、感应电流感应电流3)3)载流的转子导体在磁场载流的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，中受到电磁力的作用，产生电磁转矩产生电磁转矩第25页/共151页n转差率转差率s s定义：定义：（0s1）n“异步异步”的物理意义：转子转速低于同步的物理意义：转子转速低于同步速速nnnn0 0
8、，（异步电动机工作的必要条件）。，（异步电动机工作的必要条件）。第26页/共151页在电动机起动瞬间，n=0，s=1，转差率最大；空载运行时，转子转速最高，转差率最小；额定负载运行时，转子转速较空载要低，SN大约为0.010.07。第27页/共151页 机械负载机械负载 旋转起来旋转起来对称三相绕组对称三相绕组 通入对称三相电流通入对称三相电流 旋转磁场旋转磁场（磁场能量）（磁场能量）磁感线切割磁感线切割 转子绕组转子绕组 转子绕组中转子绕组中 产生产生 e 和和 i 转子绕组在磁场中转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用受到电磁力的作用 转子旋转起来转子旋转起来 三三相相 交交流流 电电能能电磁
9、电磁转矩转矩感感应应第28页/共151页第29页/共151页3.1.2 基本方程和等效电路异步电动机定子与转子之间只有磁的耦合，无电的直接联系，异步电动机定子绕组从电源吸取的能量借助于电磁感应作用传递给转子。异步电动机正常运行时通常是旋转的，随转速变化，转子中感应电动势及电流的频率也要随之变化，与定子感应电动势及电流频率不相等。同时，转子回路各物理量也会相应变化，故异步电动机分析比较复杂。第30页/共151页U1U2V1V2W2W1 t=0o 时时 U相绕组轴线相绕组轴线NSFVFWF3030iU=0iV=Imsin(120o)iW=Imsin 120oFU=0FV=Fm sin(120o)F
10、W=Fm sin120o F=2FW cos30o F=32Fm三相绕组的旋转磁势三相绕组的旋转磁势第31页/共151页U1U2V1V2W2W1 t=90o 时时iU=Im iV=Imsin(30o)=Im/2iW=Imsin 210o =Im/2 FWFV60FVFWFU60FFU=FmFV=FW =23Fm F=FUFW FVF=FmFm/2 结论：结论：F 的大小不变，的大小不变，转过相应的角度。转过相应的角度。=Fm/2NS第32页/共151页转子磁动势转子绕组是一个对称的多相绕组，转子绕组中的电流也是一个对称的多相电流，那么由此而产生的磁势也是一个旋转磁势。这个旋转磁势相对于转子的转
11、速为由于转子中的电流是由定子磁势感应产生，其相序必然与之相同，而转子电流的相序又决定了转子磁势的旋转方向，所以F2的转向与的转向与F1的转向是一致的的转向是一致的。转子有机械转速，于是转子磁势F2在空间的转速为：其中第33页/共151页由上可见：无论感应电动机的转速如何变化，定子磁势F1与转子磁势F2的旋转方向是一致的，转速是相同的。这就意味着F1与F2始终保持相对静止。第34页/共151页为削弱谐波的作用，交流电动机是分布、短距绕组，因此对交流电动机存在绕组系数KW1和KW2绕组系数绕组系数第35页/共151页脉振磁势脉振磁势 脉振磁场：脉振磁场：轴线不变，轴线不变，大小和方向大小和方向 随
12、时间交变随时间交变 的磁场。的磁场。脉振磁势：脉振磁势：产生脉振磁产生脉振磁 场的磁势。场的磁势。U1U2NS12FU1U2U1 按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波磁势分解为基波和一系列的谐波之和；第36页/共151页从电磁关系看，异步电动机和变压器非常相似：定子绕组相当于一次绕组，从电源吸收电流和功率；转子绕组相当于二次绕组，通过电磁感应产生电动势和电流。不同之处在于，变压器输出电功率；异步电动机输出机械功率。第37页/共151页定、转子磁动势与变压器类似，气隙磁通由由定子电压U1和频率f1决定，由于从空载到负载，定子的电压和频率不变，气隙磁通也基本不变，所以象变压器一样，三相异步电动机也
13、要满足下述的磁势平衡方程式气隙磁场基波磁动势定子基波磁动势转子基波磁动势第38页/共151页I1定子电流有效值(A)；I2s转子电流有效值(A)；I0励磁电流的有效值(A)；N1、N2定、转子每相绕组的串联总匝数；Kw1、Kw2定、转子的基波绕组系数;m1、m2定、转子绕组的相数第39页/共151页定子绕组的处在一个旋转磁场中，其工作情况与处于交变磁场中的普通铁芯线圈没有两样，所以其负载时的定子每相电压平衡式为v定子绕组的感应电势 当磁场在空间旋转时，必然切割定子绕组而感应电势。第40页/共151页我们也可以把转子绕组看成一个处于交变磁场中的铁芯线圈因为感应电动机的转子自成回路，端电压U2=0
14、，所以转子的电势平均方程式为：注意：转子的阻抗不固定 X2s2f 2L第41页/共151页三相感应电动机的等值电路感应电动机的定、转子与变压器的一、二次绕组一样，只有磁的耦合，而没有电的联系，因此建立等值电路的主要目的是为了分析与计算的方便，实际是并不存在这样的电路。第42页/共151页频率折算只有转子静止时，转子频率才能等于定子频率。频率折算的目的是用静止的转子代替旋转的转子保证转子电路对定子电路的影响不变，即转子磁动势F2不变，则只要转子电流的大小和相位不变，转子电路功率和损耗不变。转子不动时转子转动时转子感应电势转子漏抗第43页/共151页转子电流的大小和相位不变，可保证转子磁动势F2不
15、变第44页/共151页第45页/共151页n0R1 R2jX1jX2+频率折合后异步电动机的定、转子电路图m1，N1kw1m2，N2kw2f1 f1 相当于用静止转子的代替转动的转子后，应在转子上多附加一个电阻，这个附加的电阻实际上是电机负这个附加的电阻实际上是电机负载载在电路上的体现。在电路上的体现。第46页/共151页绕组折算通过频率折算后，定、转子的频率已相同，感应电动机的定、转子就相当于双绕组变压器的一、二次绕组。但定、转子所产生的感应电动势不一样，需要依照变压器的方法，对绕组进行折算。即把实际上相数为m2、每相匝数为N2、绕组系数为Kw2的转子绕组折算成与定子绕组完全相同的一个等效绕
16、组。第47页/共151页=式中电流变比；折合后的转子等效电流的有效值。a、电流折算：折算前后转子磁势不变这样，磁势平衡式就可以写成第48页/共151页b、转子电动势折算：折算前后主磁通不变-电动势变比c、转子阻抗折算：折算前后转子铜耗和无功功率不变相应转子阻抗的折合值为第49页/共151页第50页/共151页T T型等值电路型等值电路思考1、堵转时的工作情况2、转子转速接近同步转速时的工作情况。第51页/共151页三相异步电动机的功率定子铜耗定子铁耗输入功率转子铁心与气隙磁场相对速度很小，转子铁耗远小于定子铁耗电磁功率第52页/共151页转子铜耗总机械功率转差转差S越大，电磁功率消耗在转子铜耗
17、中的比重就越大越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大，电动机的效率就越低。Pe:Pcu2:Pm=1:s:(1s)第53页/共151页输出功率功率平衡式第54页/共151页三相异步电动机的转矩根据功率、转矩和角速度三者之间的关系得到T2-输出转矩（也是稳态运行时的负载转矩）T0-空载制动转矩（由机械摩擦转矩和附加损耗转矩构成）T -为电磁转矩 同步机械角速度（rad/s）第55页/共151页-物理表达式，用于定性分析第56页/共151页3.1.3三相异步电动机的工作特性 转速特性理想空载时，I2=0，故n=n0，随着负载的增加，转子电流I2增大，意味着转子与旋转磁场的相对切割变速度加快，也就
18、是转差加大，即转速下降。为保证电机有较高的效率，负载时转差一般限制在一个额定转差附近。第57页/共151页三相异步电动机空载时，输出转矩为零，随着输出功率的增大，由于转速变化不大，输出转矩与近似于正比关系。所以输出转矩特性曲线近似为一条直线。输出转矩特性第58页/共151页定子电流特性效率特性由磁势平衡方程式随负载的增大，转子电流增大，定子电流的负载分量也跟随增大，所以，I1随P2的增大而增大。对于各种类型的电机，其效率特性形状是相同的.第59页/共151页功率因素特性感应电动机是从电网吸取滞后的无功电流进行励磁的。空载时，定子电流基本是励磁电流，功率因素很低，仅为0.10.2；随负载的增加，
19、定子电流的有功分量增加，功率因素逐渐上升，在额定负载附近，功率因素达到最大值；超过额定负载后，由于转速下降，转差增加，转子功率因素下降较多，使定子中与之平衡的无功分量也增大，总的功率因素反而所下降。因此如果电动机选择不当，长期处于轻载或空载运行，是很不经济的。第60页/共151页3.2 三相异步电动机的机械特性 定义三相异步电动机在电压、电源频率以及电机固定的条件下，其电磁转矩T与转子转速n之间的关系，就是三相异步电动机的机械特性。在电机拖动系统分析中习惯上以纵坐标表示转速n(或转差s)，以横坐标表示电磁转矩T，即n=f(T)，或s=f(T)第61页/共151页3.2.1 电磁转矩的参数表达式
20、根据感应电动机的简化等效电路：上式称为转矩的参数表达式，显然这个公式过于复杂，并且有关数据不方便获得。我们一般把它绘成曲线使用。第62页/共151页最大转矩TM与临界转差SM1、当电机的参数与电源频率不变时，最大转矩TM与定子相电压U1的平方成正比,与参数f1成反比。而产生最大转矩TM的临界转差率SM与U1和f1无关。2、增大转子回路的电阻值，只能使SM增大，而最大转矩TM却保持不变。第63页/共151页过载倍数过载倍数最大转矩TM与额定转矩TN之比叫过载倍数，也叫过载能力*一般三相感应电动机，过载倍数KM22.2；*起重、冶金机械用三相感应电动机，过载倍数KM2.22.8左右。*电动机拖动负
21、载时，负载转矩超过电机最大转矩，电机的转速有可能大幅度下降，甚至停转。第64页/共151页起动转矩起动转矩电动机接上电源开始起动时，n=0(或s=1)时的电磁转矩称为起动转矩。起动转矩倍数起动转矩倍数 *起动转矩倍速反映了电动机起动能力的大小。*一般Y系列笼型三相异步电动机的Kst1.72.2。*起重和冶金用YZ系列电动机Kst2.04.0。第65页/共151页3.2.3 稳定运行问题*在直线段HP，各种负载转矩特性与机械特性的交点(a、b、c)处均能满足稳定运行条件。因此，工程上通常称该段为稳定运行区。*在PA段，只有通风机类负载(负载转矩特性与机械特性的交点为c)才能满足稳定运行条件。因此
22、，工程上称该段为不稳定运行区。第66页/共151页3.2.23.2.2电磁转矩的实用表达式电磁转矩的实用表达式 由于异步电动机的参数在应用现场难以得到运行时只需要了解稳定运行范围内的机械特性电磁转矩的实用表达式*实用公式只适用于转差率在0ssM范围。*计算起动转矩时误差较大。第67页/共151页已知过载能力KM，额定转速nN，额定功率PN，可以求出TM和sM可得TM将额定点数据（SN，TN）代入实用表达式第68页/共151页当异步电动机在额定负载内运行时，它的转差率很小，故简化表达式只适用于转差率为0s1.1TL）；尽可能小的起动电流，减少对电网的冲击；起动设备简单经济，操作方便；起动过程的能
23、量损失尽可能小三相异步电动机的固有起动特性电机固有起动电流较大，一般为47IN；起动转矩比较小，当满载起动时必须采取起动措施。第78页/共151页直接起动利用电磁开关设备，将电动机的定子绕直接接到额定电压的电网上。起动条件（1）在一般电网容量下，7.5kW以下的三相笼型电动机可以直接起动；（2）如果变压器容量大，直接起动时的起动电流引起电网的电压降不超过额定电压的(1015)，就允许容量更大些电机直接起动；（3）在工程实践中，直接起动方式可参考下面经验公式核定：第79页/共151页图3.25直接起动和Y-D起动时的电压和电流关系星-三角（Y-）起动正常运行时定子绕组接成形的笼型异步电动机；起动
24、时接成Y形；则定子每相电压降为额定电压的，从而实现了降压起动，第80页/共151页每相起动电流之比为：再转化为线电流之间的关系，可得起动电流之比为：起动转矩之比为：第81页/共151页结论：起动电流和起动转矩都降为直接起动时的 。星三角起动条件：只适用与轻载起动；只适用正常运行时定子绕组三角接的异步电动机；第82页/共151页自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动第83页/共151页第84页/共151页软起动电动机起动方式、电流大小均可选择和任意调节，使电动机处于最佳起动过程，并减小起动的能量损失。斜坡电压软起动恒流软起动斜坡恒流软起动脉冲恒流软起动第85页/共151页3.3.2深槽式和双笼形异
25、步电动机的起动以上介绍的几种笼型异步电动机起动方法都是以降低定子电压来是减小起动电流，但它是以牺牲起动转矩为代价的，因此其起动性能不够理想。为了进一步改善笼型异步电动机的起动性能，人们在电机转子绕组和转子槽形结构上采取了一些改进措施，以增加笼型异步电动机转子本身的起动电阻，改善电机的起动性能。第86页/共151页深槽式异步电动机（1）结构特点：它的转子槽深而窄，槽深与槽宽之比为10-12；（2）集肤效应第87页/共151页（3）工作原理：起动瞬间，s=1，转子频率f2=Sf1很高，电抗很大，且槽底漏抗远大于槽口漏抗，转子电流大部分集中槽口，相当于减小导体截面积，使转子电阻增大，所以增加了起动转
26、矩，且限制了起动电流；起动完毕，转差率s减小，转子电流的频率为1-2Hz，集肤效应基本消失，电流主要按电阻分布，电流减小。X2s2f 2L第88页/共151页双笼型异步电动机（1）结构特点：上笼的导条截面积较小，并用黄铜或铝青铜等电阻系数较大的材料制成，电阻较大。下笼导条的截面积大，并用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。下笼处于铁芯内部，交链的漏磁通多，上笼靠近转子表面，交链的漏磁通较少，故下笼的漏电抗较上笼漏电抗大得多。第89页/共151页（2）工作原理 起动时，起动时上笼起主要作用，由于上笼电阻大，可以限制起动电流，产生较大的起动转矩，上笼称为起动笼。电动机正常运行，电流从电阻较小的下笼流
27、过，产生正常时的电磁转矩，下笼在运行时起主要作用，下笼称为工作笼（运行笼）。双笼型异步电动机比深槽式异步电动机的起动性能要好些，但由于深槽式异步电动机结构简单，耗铜量少，价格相对较便宜，因此深槽式异步电动机应用得更为广泛。第90页/共151页3.3.3 绕线式异步电动机的起动绕线式异步电动机起动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，并且能以最大转矩TM起动。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的运行效率不受影响。对于重载和频繁起动的生产机械，当笼型电动机难以满足要求时，才选用绕线式电动机。因为，绕线式电动机与笼型电动机相比，结构较复杂，控制维护较困难，制造成本
28、较高，价格较贵。第91页/共151页转子串电阻起动转子串电阻起动 起动过程中尽量保持较大的起动转矩，逐级切除起动电阻。缺点是所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上，起动级数也较多。第92页/共151页转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动图3.38频敏变阻器 随着转子电流频率sf1的降低，Zp=Rp+jXp也自动减小。起动结束后，转子频率f2sf1很低，Zp=Rp+jXp很小，近似认为Zp0，频敏变阻器自动不起作用。第93页/共151页绕线式异步电动机转子串电阻分级起动或转子串频敏变阻器适用于大、中容量电动机的重载起动。转子串频敏变阻器起动具有结构简单，价格便宜，运动可靠，维护
29、方便，能自动操作等优点而获广泛应用。转子串电阻起动对于大容量电动机要求级数较多，故设备投资较大，维护不太方便。第94页/共151页3.4 三相异步电动机的调速三相异步电动机在运行使用，结构维护等方面都优于直流电动机；在调速及控制性能上不如直流电动机；随着电力电子技术和微型计算机的发展，再加上现代控制理论向电气传动领域的渗透，使得交流调速技术得到了迅速发展；可以预见的是，交流调速系统将在我国更多的领域取代直流调速系统。第95页/共151页1.电动机的调速指标电动机的调速指标(1)调速范围调速范围(2)调速方向调速方向(3)调速的平滑性调速的平滑性 平滑系数平滑系数(4)调速的稳定性调速的稳定性
30、静差率静差率 D、nN 的关系的关系 (nN=nmax)D=nmax nmin=ni ni1=100%n0n n0 TnOn01n02nNnND=nN nN(1)第96页/共151页异步电动机转速为：调速方法有：变转差率调速、变频调速和变极调速三种。负载转矩不变时，与之平衡的电磁转矩也不变，由上式看出，当f1 和p不变时，s是U1、R1、X1、R2、X2的函数其中变转差率调速的方法又分为以下四种：1）调压调速改变定子电压；2）绕线式电机转子电路串电组；（改变转子电流）3）绕线式电机转子串电动势；（改变转子电流）4）电磁离合器调速滑差电机调速。第97页/共151页3.4.1降电压调速降压调速对恒
31、转矩负载特性1，调速范围窄，价值小；对风机类负载2，调速范围大，但存在低速时电流大，功率因素低，转差功率大，电机发热的问题；低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求；第98页/共151页调压调速一般都采用带转速反馈的闭环调速系统第99页/共151页3.4.2转子回路串电阻调速有级调速，平滑性差；调速范围小，只适用于带负载调速转速越低，特性越软，低速运行时稳定性差；恒转矩调速；第100页/共151页机械特性近似直线后，当电磁转矩T=常数时，若T=TL，则可见，转子串电阻调速属于恒转矩调速方式。第101页/共151页3.4.3变极调速异步电动机旋转磁势的同步转速n0与电机的极对
32、数成正比，改变笼型三相电动机定子绕组的极对数，就改变了同步转速n0，从而改变电机转速，实现了调速。三相笼型异步电动机定子绕组产生的磁极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式得到的。绕线式异步电动机转子极对数不能自然随定子极对数变化，而同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变级调速。第102页/共151页 三相笼型电动机的定子绕组，若把每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化。变极后，三相绕组在空间按电角度排列的相序改变了，为了使电机的转向在调速前后的转向一致，就必须在改接定子绕组接线的同时，倒换电源的相序。第103页/共151页Y-YY接法接线方式与
33、机械特性参数变化（电机充分利用）Y接时 YY接时 相电压 相电压 相电流 相电流级对数p=2 级对数p=1相漏阻 相漏阻 第104页/共151页Y接法YY接法最大转矩临界转差起动转矩第105页/共151页根据以上结果，定性画出Y-YY变极调速时异步电动机机械特性如图3.45所示。若拖动恒转矩负载TL运行时，从Y向YY变极调速，转速从几乎增加了一倍。第106页/共151页因此，Y-YY变极调速基本上属于恒转矩调速方式。第107页/共151页-YY接法参数变化（电机充分利用）接时 YY接时 相电压 相电压 相电流 相电流级对数p=2 级对数p=1相漏阻 相漏阻 第108页/共151页 接法 YY接
34、法最大转矩临界转差起动转矩第109页/共151页根据理想空载转速、最大转矩、最大转差率、最初起动转矩等，画出-YY变极调速时机械特性如图3.47所示。若拖动恒转矩负载运行，-YY变极调速使转速几乎相差一倍。第110页/共151页可见，-YY变极调速既非恒转矩调速方式，也非恒功率调速方式，但比较接近恒功率调速方式。第111页/共151页变极调速的特点和性能为：（1）变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便；（2）变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；（3）变极调速方法为有级调速，转速只能成倍增长，调速的级数不多，一般最多为四级。Y
35、-YY接法应用于起重车、运输传送带等，-YY接法应用于各种机床的粗加工(低速)和精加工(高速)等。（4）变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。第112页/共151页3.4.4变频调速由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。频率f1连续可调，则可平滑地调节转速，此为变频调速原理。由，降低电源频率f1时，必须同时降低电源电压，以达到控制磁通m的目的。第113页/共151页基频以下变频调速为了防止磁路的过饱和，在降低定子电源频率f1时，应使电压和频率成正
36、比地调节，使气隙每极磁通m为常数。其最大转矩和临界转差率为：当 f1降低时，最大转矩 TM不等于常数。基频以下的变频调速的调速性能相当于他励直流电机的降压调速。第114页/共151页基频以上变频调速在基频以上变频调速时，不允许按比例升高电源电压，只能保持电压为额定值UN不变，是一种弱磁升速的方法，相当于他励直流电动机的弱磁调速。第115页/共151页变频调速的特点和性能：(1)变频调速设备(简称变频器)结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展，应用日益广泛，有逐步取代直流调速的趋势(2)变频器具有机械特性较硬，静差率小，
37、转速稳定性好，调速范围广(可达10:1)，平滑性高等特点；可实现无级调速；(3)变频调速时，转差率s较小，则转差功率损耗较小，效率较高；(4)变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式（证明从略）。第116页/共151页3.4.5 串级调速图3.50可控硅串极调速系统所谓串级调速，就是在绕线型异步电动机转子电路中串入一个与 频率相同而相位相同或相反的三相对称附加电动势 ，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。第117页/共151页第118页/共151页串级调速的特点和性能：由于附加电势的获得较难，长期
38、以来没能得到推广。近年，随可控硅技术的发展，串级调速有了广阔的发展前景。(1)控制设备较复杂，成本较高，控制困难。因为转子回路 串入了一个频率与转子电压频率相同的外加电压，且要 随频率f2变化。在实际应用中，通常是将转子外加电压 用整流器整流成可控的直流电压来代替交变电压；(2)串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损 耗小，效率较高；(3)低速时转差功率损耗较大，过载能力较弱；(4)串级调速范围一般为(24):1，适用于大容量的通风 机，提升机等泵类负载。第119页/共151页 由于转差功率通过逆变器回馈给电网，它把异步电动机与电网串接起来，把电机本身不能输出的转差功率接过来，再送到
39、电网，故称作“串级”调速。第120页/共151页3.4.6 电磁调速异步电动机 电磁调速异步电动机亦称滑差电动机。它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的笼型异步电动机。第121页/共151页电磁调速异步电动机的主要优点：调速范围广，可达10:；调速平滑，可实现无级调速；且结构简单，操作维护方便，适用于恒转矩负载。v由于离合器是利用电枢中的涡流与磁场相互作用而工作的，故涡流损耗大，效率较低。v由于其机械特性较软，特别是在低转速下，其转速随负载变化很大，不能满足恒转速生产机械的需要。为此电磁调速异步电动机一般都配有根据负载变化而自动调节励磁电流的控制装置。其缺点是：第122页/共151页3.5 3.
40、5 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动方法有下列两类：机械制动和电气制动；三相异步电动机的制动方法有下列两类：机械制动和电气制动；电气制动是用电气的方法使异步电动机所产生的电磁转矩和电电气制动是用电气的方法使异步电动机所产生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反；动机的旋转方向相反；当当T T与与n n方向一致时为电动状态；当方向一致时为电动状态；当T T与与n n方向相反时为制动状态；方向相反时为制动状态；可分为能耗制动，反接制动和回馈制动。可分为能耗制动，反接制动和回馈制动。第123页/共151页M33S11.能耗制动能耗制动(1)制动原理制动原理 制动前制动前 S1
41、合上，合上，S2 断开，断开，M 为电动状态。为电动状态。制动时制动时 S1 断开，断开，S2 合上。合上。定子定子:U I1 转子转子:n E2 I2 M 为制动状态。为制动状态。nUS2 RbI1FFT T第124页/共151页(2)能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性特点：特点：因因T 与与 n 方向相反，方向相反，nT 曲线在第二、曲线在第二、四象限。四象限。因因 n=0 时，时，T=0，nT 曲线过原点。曲线过原点。对于笼型异步电动机，必须增大直流励磁电流来增对于笼型异步电动机，必须增大直流励磁电流来增大制动转矩；对于绕线式异步电动机，可以采用转子大制动转矩；对于绕线式异步电动机
42、，可以采用转子串电阻的方法来增大初始制动转矩。串电阻的方法来增大初始制动转矩。第125页/共151页(3)能耗制动过程能耗制动过程 迅速停车迅速停车TLOnT12 制动原理制动原理制动前：特性制动前：特性 1。制动时：特性制动时：特性 2。原点原点 O(n=0，T=0)，a 点点 b 点点惯性惯性 ab(T0，制动开始，制动开始)n制动过程结束。制动过程结束。制动时的功率制动时的功率 定子输入：定子输入：P1=0，轴上输出：轴上输出：P2=T0。动能动能 P2 转子电路的电能转子电路的电能 PCu2消耗掉。消耗掉。第126页/共151页(4)能耗制动运行能耗制动运行 下放重物下放重物TLOnT
43、12a a 点点 b 点点 惯性惯性 (T0，制动开始，制动开始)bn 原点原点 O(n=0，T=0),在在TL作用下作用下 n 反向增加反向增加 cc 点点(T=TL),制动运制动运行状态行状态以速度以速度 nc 稳定下放重物。稳定下放重物。第127页/共151页对于采用能耗制动的异步电动机，既要求有较大的制动转矩，又要求定、转子回路中电流不能太大而使绕组过热。根据经验，能耗制动时对笼型异步电动机取直流励磁电流为(45)I0，对绕线转子异步电动机取(23)I0，制动所串电阻 R(0.20.4)第128页/共151页2.反接制动反接制动(1)电源反接制动电源反接制动 迅速停车迅速停车3 M33
44、 M3Rb制制动动前前的的电电路路制制动动时时的的电电路路 制动原理制动原理第129页/共151页TLTL制动前：正向电动状态。制动前：正向电动状态。制动时：定子相序改变，制动时：定子相序改变，n0 变向。变向。OnT1 n02n0 bs=n0 n n0=n0n n0即即：s 1(第二象限第二象限)。同时同时：E2s、I2 反向，反向，T 反向。反向。aca 点点 b 点点(T0，制动开始，制动开始)惯性惯性 n c 点点(n=0，T 0)，制动结束。制动结束。到到 c 点时，若未切断电源，点时，若未切断电源，M 将可能反向起动。将可能反向起动。d第130页/共151页取决于取决于 Rb 的大
45、小。的大小。制动效果制动效果aOnT1n02n0bc 制动时的功率制动时的功率 Pe=m1I22 R2Rb s0 PCu2=m1(R2Rb)I22 =PePm =Pe|Pm|0 Pm=(1s)Pe 三相电能三相电能 电磁功率电磁功率Pe转子转子机械功率机械功率Pm定子定子转子转子电阻电阻消耗消耗掉掉第131页/共151页制动电阻R的计算公式为其中第132页/共151页(2)电动势反接制动电动势反接制动下放重物下放重物On T 1n02bcTLad 制动原理制动原理 定子相序不变，转子定子相序不变，转子电路串联对称电阻电路串联对称电阻 Rb。a 点点 b 点点(TbTL)，惯性惯性 n c 点点
46、(n=0，TcTL)在在TL 作用下作用下M 反向起动反向起动d 点点(nd0，Td=TL)制动运制动运 行状态行状态 制动效果制动效果 改变改变 Rb 的大小，的大小，改变特性改变特性 2 的斜率，的斜率，改变改变 nd。3e 低速提低速提升重物升重物第133页/共151页 制动时的功率制动时的功率s=n0nn0第四象限第四象限：1(n0)Pe=m1I22R2Rb s0 PCu2=m1(R2Rb)I22 =PePm =Pe|Pm|0 Pm=(1s)Pe 定子输入电功率定子输入电功率 轴上输入机械功率轴上输入机械功率 （位能负载的位能）（位能负载的位能）电功率与机械功率均电功率与机械功率均 消
47、耗在转子电路中。消耗在转子电路中。第134页/共151页TnOf1 f1f1 f13.回馈制动回馈制动 特点：特点：|n|n0|，s0。电机处于发电机状态。电机处于发电机状态。(1)正向回馈制动（变频、变极调速，电车下坡）正向回馈制动（变频、变极调速，电车下坡）TLabcdTnOYYYTLabcd?第135页/共151页OnTTLn0n0(2)下放重物时的回馈制动下放重物时的回馈制动GRb T3 M3TnTLbac正向电动正向电动反接制动反接制动dn回馈制动回馈制动反向电动反向电动第136页/共151页 0(nn0)0 转子发出电功率，向电源回馈电能。转子发出电功率，向电源回馈电能。0 轴上输
48、入机械功率轴上输入机械功率(位能负载的位能位能负载的位能)。PCu2=PePm|Pe|=|Pm|PCu2 机械能转换成电能机械能转换成电能(减去转子铜损耗等减去转子铜损耗等)。制动时的功率制动时的功率s=n0n n0=n0nn0第四象限第四象限：Pe=m1I22 R2Rb sPm=(1s)Pe第137页/共151页 制动效果制动效果 Rb 下放速度下放速度 。为了避免危险的高速，为了避免危险的高速，一般不串联一般不串联 Rb。OnTTLn0n0第138页/共151页【例3.5】一台YR系列绕线转子异步电动机，PN=20kW，nN=720r/min，E2N=197V，I2N=74.5 A，kM=
49、3。如果拖动额定负载运行时，采用电源反接制动停车，要求制动开始时最大制动转矩为2TN，求转子每相串入的制动电阻值。第139页/共151页第140页/共151页【例3.6】例3.5的电动机负载为额定值，即TL=TN。求：(1)电动机欲以300r/min的速度下放重物，转子每相应串入多大的电阻?(2)转子串入电阻为R=9R2时，转速多大?运行在什么状态?(3)当转子串入电阻为R=39R2时，转速多大?运行在什么状态?【解】(1)通过例3.6知，sN=0.04，R2=0.061。起重机下放重物，TL=TN，因此工作点位于第象限，如图3.63中B点。第141页/共151页第142页/共151页【例3.
50、7】例3.6的电机，电动机轴上的负载转TL=100NM，假定电动机在下列两种情况下，以回馈制动状态运行，求下列两种情况下的转速。(1)电动机运行在固有机械特性上下放重物；(2)转子回路串入制动电阻R=0.112。第143页/共151页第144页/共151页0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3001）当负载转矩为0.8TN时，要求提升转速nB为500r/min，转子每相应串多大电阻？2）从额定状态到反接制动，要求起始转矩为2TN，转子每相应串多大电阻？在此电阻下，下放额定负载的稳定转速是多少？3）要求以-300r/min的速度下放0.8TN负载，转子每相应串入多大电阻？例已知