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1、第6 章三相交流电机港湾第1页，本讲稿共85页补充：电力拖动系统稳定运行的条件 我们知道，电力拖动系统由电动机与负载两部分组成，并可以从电力拖动系统运动方程式知道，系统稳定运行即恒速不变的必要条件是动转矩为零，即n不变，T=TL 分析系统运行情况时，往往把电动机的机械特性与负载的转矩特性画在同一坐标平面上，如图所示。其中曲线1是他励直流电动机的机械特性，曲线2是恒转矩负载的转矩特性。系统稳定运行时，T=TL，那么图中的两条特性曲线的交点A满足这个条件，A点称为工作点。nn1A21TLT第2页，本讲稿共85页 从运动方程分析，电力拖动系统运行在工作点上，就是一个平衡的运行状态。但是，实际运行的电
2、力拖动系统，经常会出现一些小的干扰，比如电源电压或负载转矩的波动等。这样就存在下面的问题：系统在工作点上稳定运行时，若突然出现了干扰，待干扰消除后，该系统是否仍能够回到原来工作点上继续稳定运行？如果能够，我们就说是处于稳定运行状态，该工作点就是稳定工作点；如果不能够，则认为是不稳定运行状态，该工作点称为不稳定工作点。事实上，电力拖动系统在电动机机械特性与负载转矩特性的交点上并不一定都能够稳定运行，也就是说，T=TL仅仅是系统稳定运行的一个必要条件，而不是充分条件。要想稳定运行，还需要电动机与负载的两条特性在交点T=TL处配合得好。对于一个电力拖动系统，稳定运行的充分必要条件是T=TL，且在T=
3、TL处，dT/dndTL/dn补充：电力拖动系统稳定运行的条件第3页，本讲稿共85页一般来说，对于拖动恒转矩负载，只要电动机机械特性是下降特性，两特性的交点总是稳定的；而如果电动机的机械特性是上升特性，则两特性的交点便是不稳定的。补充：电力拖动系统稳定运行的条件nn1abcTLT0a点电动机机械特性斜率小于0c点电动机机械特性斜率大于0注：恒转矩负载的dTL/dn=0第4页，本讲稿共85页n起动的定义起动的定义 三相异步电动机的起动就是转子转速从零开始到稳定运三相异步电动机的起动就是转子转速从零开始到稳定运行为止的这一过程。行为止的这一过程。n起动的要求起动的要求v电动机应有足够大的起动转矩。
4、电动机应有足够大的起动转矩。v在保证一定大小的起动转矩的前提下，起动电流越小越在保证一定大小的起动转矩的前提下，起动电流越小越好。好。n起动电流起动电流（刚起动时（刚起动时s=1s=1，忽略励磁电流），忽略励磁电流）I Is sUU1 1/（r r1 1+r+r2 2）2 2+（X X1 1+X+X2 2）2 26.3 三相异步电动机的起动第5页，本讲稿共85页n大起动电流的危害v使电源和线路上产生很大的压降。v引起电机发热。n鼠笼式异步电动机的起动v直接起动 v降压起动 n绕线式异步电动机的起动v转子串接电阻器起动 v转子串频敏变阻器起动6.3 三相异步电动机的起动第6页，本讲稿共85页6.
5、3 三相异步电动机的起动6.3.1 直接起动n大起动电流的危害v使电源和线路上产生很大的压降。v引起电机发热。n鼠笼式异步电动机的起动v直接起动 v降压起动 n绕线式异步电动机的起动v转子串接电阻起动 v转子串频敏变阻器起动第7页，本讲稿共85页第8页，本讲稿共85页6.3 三相异步电动机的起动6.3.3 绕线转子异步电动机的起动1、转子串接电阻器起动方法 起动时，在转子回路中串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因转子回路中电阻的增大也限制了起动电流；起动结束，切除转子回路所串电阻。为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。n起动接线图和特性曲线 n特点 在整个起动过程
6、中产生的转矩都是比较大的，适合于重载起动，广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备。其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，起动级数也较少。第9页，本讲稿共85页R3 KM3 KM2 KM1R2R16.3 三相异步电动机的起动6.3.3 绕线转子异步电动机的起动图6-10 绕线转子电动机起动接线图第10页，本讲稿共85页6.3 三相异步电动机的起动6.3.3 绕线转子异步电动机的起动图6-10 绕线转子电动机起动特性曲线r2+R+R+RTst2r2+R+RTst1r2+R1 0TstTsTems n0n1r2TL第11页，本讲稿共85页6.3 三相异步电动机的起动6
7、.3.3 绕线转子异步电动机的起动2、转子串频敏变阻器起动n频敏变阻器 实质上是一台铁损很大的电抗器。它是一个三相铁心线圈，其铁心不用硅钢片而用厚钢板叠成。铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗，铁心损耗相当于一个等值电阻，其线圈又是一个电抗，其电阻和电抗都随频率变化而变化。n接线图n特点v具有结构简单、造价便宜、维护方便、无触点、运行可靠、起动平滑等优点。v它具有一定的线圈电抗，功率因数较低，起动转矩要小一些，故一般适用于电机的轻载起动。第12页，本讲稿共85页6.3 三相异步电动机的起动6.3.3 绕线转子异步电动机的起动 A B CKM 图6-11 异步电动机串频敏变阻器起动第13页，本讲稿
8、共85页6.4 三相异步电动机的调速s=s=（n n1 1-n-n）/n/n1 1 n=n n=n1 1（1-s1-s）n=60f n=60f1 1（1-s1-s）/p/p n n1 1=60f=60f1 1/p/p从公式可以看出，调速方法有三种：从公式可以看出，调速方法有三种：（1 1）变极）变极p p调速；调速；（2 2）变频）变频f f调速；调速；（3 3）变转差率）变转差率s s调速。方法有改变电压调速（笼型），串电阻调速。方法有改变电压调速（笼型），串电阻调速和串级调速（绕线型）。调速和串级调速（绕线型）。第14页，本讲稿共85页6.4 三相异步电动机的调速6.4.1 变极调速定义
9、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。原理 变极一般采用反向变极法，即通过改变定子绕组的接法，使之半绕组中的电流反向流通，极数就可以改变。这种因极数改变而使其同步速发生相应变化的电机，我们称之为多速电动机。其转子均采用鼠笼式转子，因其感应的极数能自动与定子变化的极数相适应。第15页，本讲稿共85页接线图左图为四极右图为两级6.4 三相异步电动机的调速6.4.1 变极调速A UN B C A B C图6-14 异步电动机Y/YY变极调速接线第16页，本讲稿共85页6.4 三相异步电动机的调速6.4.2 变频调速n原理原理 在定子绕组极对数
10、一定的情况下，旋转磁场的转速在定子绕组极对数一定的情况下，旋转磁场的转速n n1 1与电源频率与电源频率f f1 1成正比，所以连续成正比，所以连续地调节频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。地调节频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。n注意注意 在变频调速中，由定子电势方程式在变频调速中，由定子电势方程式U1E1=4.44f1N1K1m可以看出，当降低电可以看出，当降低电源频率源频率f f1 1调速时，若电源电压调速时，若电源电压U U1 1不变，则磁通不变，则磁通m m将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电机温升过高，这是不允许的。因此
11、流和铁损耗的大量增加，电机温升过高，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保在变频调速的同时，为保持磁通持磁通m m不变，就必须降低电源电压，使不变，就必须降低电源电压，使U U1 1/f f1 1为常数为常数。另在变频调速中，为保证电。另在变频调速中，为保证电机的稳定运行，应维持电机的过载能力机的稳定运行，应维持电机的过载能力不变。不变。n特点特点一是能平滑无级调速、调速范围广、效率高。二是因特性硬度不变，系统稳定一是能平滑无级调速、调速范围广、效率高。二是因特性硬度不变，系统稳定性较好。三是可以通过调频改善起动性能。主要缺点是系统较复杂、成本较高。性较好。三是可以通过调频改善起动性能。主要
12、缺点是系统较复杂、成本较高。第17页，本讲稿共85页6.4 三相异步电动机的调速6.4.3 变转差率调速n改变定子电压调速（适用于笼型异步电动机）n转子串电阻调速（适用于绕线转子异步电动机）n串级调速（适用于绕线转子异步电动机）1、改变定子电压调速（适用于笼型异步电动机）n原理 对于转子电阻大、机械特性曲线较软的鼠笼式异步电动机，如所加在定子绕组上的电压发生改变，则负载转矩TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点，从而获得不同的转速。（为加大转子电阻常用电阻率大的黄铜条）n特点 v电动机的调速范围很宽。v缺点是低压时机械特性太软，转速变化大。第18页，本讲稿共85页6.4
13、三相异步电动机的调速6.4.3 变转差率调速2、转子串电阻调速（适用于绕线型异步电动机）n原理 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，则运行段机械特性的斜率越大。转子串电阻R1前后有n特点转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机，如桥式起动机等。第19页，本讲稿共85页6.4 三相异步电动机的调速6.4.3 变转差率调速3、串级调速（适用于绕线型异步电动机）n概念 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势，其频率与转子电势相同，改变附加电势的大小和相位，就可以调节电动机的转速。n分类v低同步串级调速 转速低于同步转速v超同步串
14、级调速 转速高于同步转速n应用 水泵和风机的节能调速，不可逆轧钢机、压缩机等。第20页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.1 三相异步电动机的反转原理 电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相异步电动机反转。方法 互换电源的任意两相，就可实现反转。接线图正转A B CM3电 源反转M3电 源A B C第21页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动制动的含义v在负载转矩为位能性负载转矩的机械设备中（例如起重机下放重物时，运输工具在下坡运行时）使设备保持一定的运行速度。v在机械设备需要
15、减速或停止时，电动机能实现减速和停止。制动的方法 v机械制动利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。最常见的是电磁抱闸。v电气制动 使异步电动机所产生的电磁转矩T和电动机转子的转速n的方向相反。电气制动分为：(1)能耗制动。(2)反接制动。(3)回馈制动。第22页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动1、能耗制动方法：将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电源上。原理：当定子绕组通入直流电源，将在电机中将产生一个恒定磁场。当转子因机械惯性按原转速方向继续旋转时，转子导体会切割这一恒定磁场，从而在转子绕组中产生感应电势和
16、电流。转子电流又和恒定磁场相互作用产生电磁转矩T，根据右手定则可以判断电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，则T为一制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速将迅速下降，当n=0时，T=0，制动过程结束。转子的动能变为电能，消耗在转子回路电阻上。第23页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动特点：v能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳。v缺点是需要一套专门的直流电源供制动用。nTaTLb120能耗制动机械特性图1-固有机械特性 2-能耗制动机械特性能耗制动接线图第24页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动2、反接
17、制动：电源反接制动和倒拉反接制动。（a）电源反接制动方法：改变电动机定子绕组与电源的联接相序。原理：当电源的相序发生变化，旋转磁场n1立即反转，从而使转子绕组中的感应电势、电流和电磁转矩都改变方向。因机械惯性，转子转向未发生变化，则电磁转矩T与转子的转速n方向相反，电机进入制动状态，这个制动过程我们称为电源反接制动。第25页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动（a）电源反接制动nTaTLb120b b3n1-n1c绕线转子异步电动机电源反接制动接线图电源反接制动的机械特性第26页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步
18、电动机的制动（b）倒拉反接制动 方法：当绕线式异步电动机拖动位能性负载时，在其转子回路中串入很大的电阻。原理：在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线，因机械惯性，工作点向下移。此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电机减速至n=0，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，电动机反转，工作点继续下移。此时因n0，电机进入制动状态，直至电磁转矩等于负载转矩，电机才稳定运行。第27页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动nTaTL10b2cn1 图6-23 倒拉反接制动机械特性第28页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.
19、5.2 三相异步电动机的制动3、回馈制动方法：电动机在外力（如起重机下放重物）作用下，使电动机的转速超过旋转磁场的同步转速。原理：起重机下放重物。在下放开始时，nn1，电动机处于电动状态。在位能性转矩的作用下，电动机的转速大于同步转速时，转子中感应电势、电流和转矩的方向都发生了变化，电磁转矩方向与转子转向相反，成为制动转矩。此时电动机将机械能转变为电能馈送电网，所以称回馈制动。第29页，本讲稿共85页6.5 三相异步电动机的反转与制动6.5.2 三相异步电动机的制动NSn1TnNSn1nT 回馈制动原理图a)nn1 回馈制动第30页，本讲稿共85页起动前的准备起动时的注意事项运行中的监视电动机
20、的定期维修（1）定期小修主要内容（2）定期大修主要内容常见故障的诊断及排除方法（1）电源接通后电动机不起动的可能原因。（2）电动机温升过高或冒烟的可能原因。（3）电机振动的可能原因。（4）运行时有异声的可能原因（5）电动机带负载时转速过低的可能原因。（6）电动机外壳带电的可能原因。6.6 三相异步电动机故障分析及维护第31页，本讲稿共85页6.8 习题1、试分析三相异步电动机的每种参数变化时如何影响最大转矩。2、三相异步电动机电磁转矩的三种表达式及其应用有哪些？3、一般三相异步电动机的起动转矩倍数、最大转矩倍数、临界转差率及额定转差率的大致范围怎样？4、一台三相异步电动机当转子回路的电阻增大时
21、，对电动机的起动电流、起动转矩和功率因数带来什么影响？5、说明三相异步电动机转矩特性曲线上的稳定工作区及不稳定工作区的含义。并指出图6-27上a、b、c三个点中哪个点能稳定运行？哪个点能长期稳定运行？6、两台三相异步电动机额定功率都是PN=40kW，而额定转速分别为nN1=2960r/min，nN2=1460r/min，求对应的额定转矩为多少？说明为什么这两台电动机的功率一样但在轴上产生的转矩却不同？第32页，本讲稿共85页6.8 习题7 7、一台三相八极异步电动机数据为：额定容量、一台三相八极异步电动机数据为：额定容量P PN N=260kW=260kW，额定，额定电压电压U UN N=38
22、0V=380V，额定功率，额定功率f fN N=50Hz=50Hz，额定转速，额定转速n nN N=722r/min=722r/min，过载，过载能力能力=2.13=2.13。求：。求：（1 1）额定转差率；（）额定转差率；（2 2）最大转矩对应的转）最大转矩对应的转差率；（差率；（3 3）额定转矩；（）额定转矩；（4 4）最大转矩；（）最大转矩；（5 5）s=0.02s=0.02时的电磁时的电磁转矩。转矩。8 8、一台、一台三相六极笼型异步电动机，定子绕组为三相六极笼型异步电动机，定子绕组为Y Y形。形。U UN N=380V=380V，n nN N=975r/min=975r/min，f
23、f1 1=50Hz=50Hz，r r1 1=2.08=2.08,X,X1 1=3.12=3.12,r r2 2=1.53=1.53,X,X2 2=4.25=4.25。求。求该电机的额定转矩该电机的额定转矩T TN N、最大转矩、最大转矩T Tmaxmax、过载倍数过载倍数 和临界转差率和临界转差率s sm m？9 9、一台、一台三相六极绕线转子异步电动机接在频率为三相六极绕线转子异步电动机接在频率为50Hz50Hz的电网上的电网上运行。已知电机定、转子总电抗每相为运行。已知电机定、转子总电抗每相为0.10.1，折合到定子边的，折合到定子边的转子每相电阻为转子每相电阻为0.0.0 02 2。求：
24、。求：（1 1）最大转矩对应的转速是多少？）最大转矩对应的转速是多少？（2 2）要求最初起动转矩是最大转矩的）要求最初起动转矩是最大转矩的2/32/3倍，须在转子中串入倍，须在转子中串入多大的电阻（折合到定子边的值，并忽略定子电阻）？多大的电阻（折合到定子边的值，并忽略定子电阻）？第33页，本讲稿共85页6.8 习题10、什么叫三相异步电动机的减压起动？有哪几种常用的方法？各有何特点？11、当三相异步电动机在额定负载下运行时，由于某种原因，电源电压降低了20%，问此时通入电动机定子绕组中的电流是增大还是减小？为什么？对电动机将带来什么影响？12、某三相笼型异步电动机，PN=300kW，定子绕组
25、为Y形，UN=380V，IN=527A，nN=1475r/min，KI=6.7，KT=1.5，=2.5。车间变压所允许最大冲击电流为1800A，负载起动转矩为1000N m，试选择适当的起动方法。13、什么叫三相异步电动机的调速？对三相笼型异步电动机，有哪几种调速方法？并分别比较其优缺点。对三相绕线转子异步电动机通常用什么方法调速？14、在变极调速时，为什么要改变绕组的相序？在变频调速中，改变频率的同时还要改变电压，保持U/f=常值，这是为什么？第34页，本讲稿共85页15、一台三相四极绕线转子异步电动机，f=50Hz，nN=1485r/min，r2=0.02若定子电压、频率和负载转矩保持不变
26、，要求把转速降到1050r/min，问要在转子回路中串接多大电阻？16、能耗制动的接线与制动原理如何？反接制动时为什么要在转子回路串入制动电阻？17、一台绕线转子异步电动机，PN=60kW，nN=577r/min，I1N=133A，E2N=253V，I2N=160A，=2.9。如果电动机在回馈制动状态下下放重物，TL=0.8TN，转子串接电阻为0.06，求此时电动机的转速？18、一台搁置较久的三相笼型异步电动机，在通电使用前应进行哪些准备工作后才能通电使用？19、三相异步电动机在通电起动时应注意哪些问题？6.8 习题第35页，本讲稿共85页20、三相异步电动机在连续运行中应注意哪些问题？21、
27、如发现三相异步电动机通电后电动机不转动首先应怎么办？其原因主要有哪些？22、三相异步电动机在运行中发出焦臭味或冒烟应怎么办？其原因主要有哪些？6.8 习题第36页，本讲稿共85页6.8 习题答案1 1、答：、答：最大转矩公式如下：最大转矩公式如下：从以上公式可以看出，当电源的频率及电机的参数不变时，最大从以上公式可以看出，当电源的频率及电机的参数不变时，最大转矩与电压的平方成正比；当电源的频率和电压不变时，最大转转矩与电压的平方成正比；当电源的频率和电压不变时，最大转矩随着定子电阻矩随着定子电阻r r1 1及定、转子漏抗及定、转子漏抗X X1 1、X X2 2增大而减小；最大转增大而减小；最大
28、转矩与转子回路的电阻矩与转子回路的电阻r r2 2无关。无关。2 2、答：、答：22cosjICTmTF=一、物理表达式一、物理表达式应用：定性分析异步电动机电磁转矩应用：定性分析异步电动机电磁转矩T T与与F Fm m和和I I2 2coscosY Y2 2之间的之间的关系。关系。第37页，本讲稿共85页二、参数表达式：6.8 习题答案+=2212211221)()2xxsrrfsrpU3Tp(应用：便于分析参数变化对电机运行性能的影响。ssssTTmmmax+=2三、实用表达式：应用：如已知Tmax和Sm，应用该式可方便地作出异步电动机的转矩-转差率曲线。第38页，本讲稿共85页6.8 习
29、题答案3、答：一般起动转矩倍数KT约为0.8-1.8；最大转矩倍数=1.6-2.2；临界转差率约为0.1-0.2；额定转差率sN=0.02-0.06。4、起动电流变小，起动转矩变大，功率因数角Y2=arctg(sx2)/r2，r2增大Y2变小，功率因数cosY2变大。5、第39页，本讲稿共85页第40页，本讲稿共85页第41页，本讲稿共85页第42页，本讲稿共85页第43页，本讲稿共85页第44页，本讲稿共85页第45页，本讲稿共85页第46页，本讲稿共85页第47页，本讲稿共85页第48页，本讲稿共85页第49页，本讲稿共85页第50页，本讲稿共85页第51页，本讲稿共85页第52页，本讲稿
30、共85页第53页，本讲稿共85页第54页，本讲稿共85页第55页，本讲稿共85页第56页，本讲稿共85页第57页，本讲稿共85页第58页，本讲稿共85页第59页，本讲稿共85页第60页，本讲稿共85页第61页，本讲稿共85页第62页，本讲稿共85页第63页，本讲稿共85页第64页，本讲稿共85页第65页，本讲稿共85页第66页，本讲稿共85页第67页，本讲稿共85页第68页，本讲稿共85页第69页，本讲稿共85页第70页，本讲稿共85页第71页，本讲稿共85页第72页，本讲稿共85页第73页，本讲稿共85页第74页，本讲稿共85页第75页，本讲稿共85页第76页，本讲稿共85页第77页，本讲稿共85页第78页，本讲稿共85页第79页，本讲稿共85页第80页，本讲稿共85页第81页，本讲稿共85页第82页，本讲稿共85页第83页，本讲稿共85页第84页，本讲稿共85页第85页，本讲稿共85页