1、4.1 三相异步电动机的机械特性,4.3 三相异步电动机的起动,4.4 三相异步电动机的调速,4.5 三相异步电动机的制动,5.1 三相异步电动机的机械特性,5.2 三相异步电动机的起动,5.3 三相异步电动机的调速,5.4 三相异步电动机的制动,第五章 感应电机拖动基础,一、固有特性,当 U1 、f1、R2、X2 = 常数时：T = f (s ) 转矩特性； n = f (T ) 机械特性当 U1L = U1N 、f1 = fN，且绕线型转子中不外 串电阻或电抗时的特性称为固有特性。,e MS N,NMS,固有机械特性曲线,固有转矩特性曲线,5.1 三相异步电动机的机械特性,额定状态是指各个
2、物理量都等于额定值的状态。 N点： n = nN ， s = sN ，Te = TN ，P2 = PN。,1. 额定状态（N点）,sN = 0.01 0.09 很小，Te 增加时，n 下降很少 硬特性。,工作段,额定状态说明了电动机长期运行的能力TLTN，P2 PN，I1 IN。,临界转速,2. 临界状态（M 点）,对应 s = sM， Te = TM 的状态。,nM,Tmax,临界状态说明了电动机的短时过载能力。,Y 系列三相异步电动机 KT = 1.6 2.5,过载倍数,sM,3. 起动(堵转)状态（ S 点）,对应 s = 1，n = 0 的状态。 又称为起动状态。,起动状态说明了电动机
3、直接 起动的能力。起动条件(1)Tst (1.1 1.2)TL。(2)Ist允许值。 起动转矩倍数,TS,起动电流倍数,Y 系列三相异步电动机 KST = 1.6 2.2 KSC = 5.5 7.0,【例 4.1.2 】 一台Y225M2 型三相异步电动机, 若 TL = 200 Nm，试问能否带此负载： (1) 长期运行；(2) 短时运行； (3) 直接起动（设 Is 在允许范围内）。,解：,查电工手册得知该电机的 PN = 45 kW， nN = 2 970 r/min，KT = 2.2， KST= 2.0。,由于 TNTL ，故不能带此负载长期运行。,(1) 电动机的额定转矩,(2) 电
4、动机的最大转矩Tmax = KT TN = 2.2145 Nm = 319 Nm 由于 Tmax TL ，故可以带此负载短时运行。,(3) 电动机的起动转矩 Tst = KSTTN = 2.0145 Nm = 290 Nm 由于 TstTL ，且超过 1.1 倍 TL ，故可以带此负 载直接起动。,二、人为特性,由电动机的机械特性参数表达式可见：,异步电动机电磁转矩 T 的数值是由某一转速n(或 s )下，电源电压 U1、电源频率 f1、磁极对数 p、定子及转子电路的电阻R1、R2及电抗 x1、x2等参数决定。,人为地改变电源电压、电源频率、定子极对数、定子和转子电路的电阻及电抗等参数，可得到
5、不同的人为机械特性。,Te,U1U1“,1. 降低定子电压U1时的人为特性,U1U1“,sM 与U1无关 Tmax(Tst )正比于 U12,2. 增加转子电阻时的人为特性,sM 正比于 R2 ，TM 与 R2 无关。,T,s,O,TM,sM1,sM=1,sM1,当 sM1，R2TS当 sM = 1，TS= TM当 sM1，R2TS ,R2增加后， Tst大小变化规律。,(1) f1 fN,为保持 m = 常数,3. 改变定子频率时的人为特性,若f1 fN, 则m ，磁路更饱和，pFe，cos。应要求m不能变。,因为 ns f1 ,所以 n = nsnM = sM ns,（不变）,( ),因为
6、 Tmax,U1 f1,2,所以 Tmax不变。,f1fN,ns,Te,n,O,fN,Tmax,n,n,因为 ns f1，,所以 n = nsnM = sM ns (不变),f1fN,若f1 fN, 则m， 电机得不到充分利用。,(2) f1fN,4. 改变磁极对数时的人为特性,(a) p = 2,S N N S,NS,(b) p = 1,电流反向变极法, 绕组改接后，使其中一半绕组中的 电流改变方向，从而改变极对数。,Y(2p ),YY(p ),(2p ),定子绕组常用的接法,1. Y YY变极,Y,YY,2. YY变极,0.5ns,5.2 三相异步电动机的起动,当异步电动机接到三相对称电源
7、后，如果电磁转矩大于负载转矩，转子就从静止状态旋转起来，并逐步过渡到稳定运行状态，这个过程叫做异步电动机的起动。,一、电动机的起动指标 1. 起动转矩足够大。Tst TL 。 一般要求 Tst (1.1 1.2) TL 2. 起动电流不超过允许范围。 3. 起动设备应力求结构简单、操作方便、价格低廉、制造和维修方便。 4.应力求降低起动过程中的能量损耗。,- 电流小了，转矩哪里来？ - “既要马儿少吃草，还要马儿快快跑” - 有没有可以兼顾的方法？,问题：上述要求合理否？,异步电动机的实际起动情况起动电流大：Ist = KSCIN = (5.57) IN起动转矩小：Tst = KStTN =
8、(1.62.2) TN,不利影响 (1)大的 Ist使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。 (2) 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。,思考：为什么异步电动机起动电流大而起动转矩并不大？,起动电流大的原因：起动瞬间 s = 1，根据等效电路可见，起动时，电动机的阻抗显著减小，电流显著增大。Ist = (5.57) IN,起动转矩不大的原因： (1)起动电流大，阻抗压降大，感应电势小，说明磁通m小 (2)s=1时， 很小。Tst = (1.62.2) TN 若起动转矩Tst过小，将无法直接起动电动机。,二、笼型异步电动机的直接起动 1. 小容量的电动机（PN 7.5kW） 2. 电动机容
9、量满足如下要求：,三、笼型异步电动机的减压起动,1. 定子串联电阻或电抗减压起动,M 3,起动,运行,适用于：正常运行为形联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y 起动）,适用于：正常运行为形联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y 起动）,Y 起动,适用于：正常运行为形联结的电动机。,2. 星形三角形减压起动（Y 起动）, 运行,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比(线),电源电流比,起动转矩比,IY I,ISY IS,=,=,1 3,(2) ISYImax （线路中允许的最大电流）。 (3) TSY(1.1 1.2)TL 。,Y 起动的使用条件,(1) 正常运行时应采用 形连接的
10、电动机。,该起动方法只适用于轻载或空载起动。优点是体积小重量轻、运行可靠、检修方便。缺点是起动电压不能根据负载选择。,2. 自耦变压器减压起动,大连理工大学电气工程系,2. 自耦变压器减压起动,起动,2. 自耦变压器减压起动,Q1FU,运行,2. 自耦变压器减压起动,定子线电压比,= KA,定子相电压比,定子相电流比,大连理工大学电气工程系,2. 自耦变压器减压起动,起动电流比(线),电源电流比,= KA2,起动转矩比,= KA2,降压比 KA 可调QJ2 型三相自耦变压器：KA = 0.55、0.64、0.73QJ3 型三相自耦变压器：KA = 0.4、0.6、0.8,(1) ISTaIma
11、x （线路中允许的最大电流） (2) TSTa(1.1 1.2)TL,自耦变压器减压起动的使用条件,自耦变压器适用于大中型电动机的减压起动。其优点是电压抽头可供不同负载时选择。缺点是自耦变压器的体积大而重、价格高、控制线路较复杂、且不允许频繁起动。,【例 4.3.1 】 一台 Y250M6 型三相笼型异步电动 机，UN = 380 V， 联结，PN = 37 kW， nN = 985 r/min， IN = 72 A，KST= 1.8，KSC = 6.5。如果要求电动机起动时， 起 动转矩必须大于 250 Nm，从电源取用的电流必须小于 360 A。试问：(1) 能否直接起动？(2) 能否采用
12、 Y 起动？ (3) 能否采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动？,解： (1) 能否直接起动,直接起动时起动转矩和起动电流为TST = KST TN = 1.8359 Nm = 646 Nm IST = KSC IN = 6.572 A = 468 A,虽然 TST250 Nm，但是 IST 360 A，所以 不能采用直接起动。,(2) 能否采用 Y 起动,虽然 ISTY360 A，但是 TSTY250 Nm，所以 不能采用 Y 起动。(3) 能否采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动TSTa = KA2TST = 0.82646 Nm = 413 NmISTa = KA2IST = 0
13、.82468 A = 300 A,由于 TSTa 250 Nm，而且 ISTa360 A，所以 能采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动。,4. 软起动器起动,限压起动模式的起动过程,限流起动模式的起动过程,(1) 起动过程分析,串联 RST1 和 RST2 起动（特性 a）总电阻 R22 = R2 + RST1+ RST2,n0,a (R22),T2,a1,a2,T1,切除 RST2,四、绕线型异步电动机转子电路串联电阻起动,b (R21),b1,b2, 合上 Q2 ，切除 RST2（特性 b）总电阻 R21 = R2+ RST1,切除 RST1, 合上 Q1 ，切除 RST1（特性 c）
14、总电阻: R20R2,c (R20),c1,c2,p,分级起动时使每一级的I1（或T1）与I2（或T2）取得大小一致，可以使电动机较均匀加速，并能改变电动机的换向情况，缓和起动转矩对传动机构和工作机械的有害冲击。,频敏变阻器频率高：损耗大，电阻大。 频率低：损耗小，电阻小。转子电路起动时f2 高，电阻大， TST 大， IST 小。转子电路正常运行时 f2 低，电阻小，自动切除变阻器。,五、绕线型异步电动机转子电路串联频敏变阻器起动,频敏变阻器,六、改善起动性能的三相笼型异步电动机,1. 深槽型异步电动机槽深 h 与槽宽 b 之比为：h / b = 8 12,漏电抗小 漏电抗大,增大 电流密度
15、,起动时，f2 高，漏电抗大，电流的集肤效应使导条的等效面积减小，即 R2 ，使 TST 。运行时， f2 很低，漏电抗很小，集肤效 应消失，R2 。,大连理工大学电气工程系,2.双笼型异步电动机,电阻大 漏抗小电阻小 漏抗大,上笼 （外笼）下笼 （内笼）,起动时， f2 高，漏抗大，起主要作用，I2 主要集中在外笼，外笼 R2 大 TST 大。外笼 起动笼。运行时， f2 很低 ，漏抗很小，R2 起主要作用，I2 主要集中在内笼。内笼 工作笼。,5.3 三相异步电动机的调速,1. 改变磁极对数 p 2. 改变转差率 s 3. 改变电源频率 f1(变频调速),调速方法：, 有级调速。,一、笼型
16、异步电动机的变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,大连理工大学电气工程系,1. 调速方向 f1fN 时：n 。2. 调速范围D 较大。3. 调速的平滑性平滑性好（无级调速）。4. 调速的稳定性 稳定性好。5. 调速的经济性初期投资大；运行费用不大。 6. 调速时的允许负载,f1fN 时：n 。,因为,m 基本不变，基本不变。,所以,Te = CTm I2N cos2,(1) f1fN 时, 恒转矩调速。,P2 = T2,T,(2) f1 fN 时 因为 U1L = UN,所以 Te = CTm I2N cos2,T n,= 常数, 恒功率调速。,变频器,优点： (1) 一体
17、化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。 (2) 变速驱动，输出功率范围宽（如从 120 W7.5 kW）。 (3) 在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。 (4) 高起动转矩。,电机变频器一体化产品,2p,p,低速倍极数Y接法，高速少极数YY接法,变极后相序发生了变化。为保持高速与低速时电机的转向不变，应将B、C两相的出线端交换。,二、笼型异步电动机的变极调速,2p,p,低速倍极数D接法，高速少极数YY接法 。,变极后相序发生了变化。为保持高速与低速时电机的转向不变，应将B、C两相的出线端交换。,1. 调速方向Y()YY ：n YYY () ： n 2. 调速范围 D =
18、2 4,3. 调速的平滑性 平滑性差。 4. 调速的稳定性稳定性好。,静差率：,(基本不变）,5. 调速的经济性经济性好。,6. 调速时的允许负载 (1) YYY 恒转矩调速。,(2) YY,（近似）恒功率调速。,三、笼型异步电动机的变压调速,TL,1. 调速方向U1(UN) n 2. 调速范围 D 较小。,3. 调速的平滑性 若能连续调节U1， n 可实现无级调速。,4. 调速的稳定性 稳定性差。 U1 5. 调速的经济性经济性较差。(1)需要可调交流电源。(2)cos1 和 均较低。 6. 调速时的允许负载既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,因为,TU1P2,所以,U1 ,T (n) , P
19、2,五、绕线型异步电动机转子串联电阻调速,1. 调速方向 n 2. 调速范围D 较小。,3. 调速的平滑性 取决于 Rr 的调节方式。 4. 调速的稳定性稳定性差。,Rr 。 5. 调速的经济性初期投资不大，但运行效率较低。 6. 调速时的允许负载 因为 调速前后 U1 、 f1 不变，, 恒转矩调速。,*六、绕线型异步电动机的串级调速,1. 串级调速的原理在转子电路中串联一个与 e2s 频率相等、相位 相同或相反的附加电动势 ead ，以代替 Rr 上的电压 降，从而使这部分能量不致损耗掉。 转子相电流：,转子串电阻调速要消耗电能，不经济。在绕线式异步电动机的转子回路中外加一个附加电势 Ea
20、d ，用以控制转差功率来实现调速，这种调速方法称为串级调速。,e2s 与 ead 同相位时：,在引入 ead 的瞬间：,I2s,T ,n ,sE2,I2s ,T , T =TL ,在引入 ead 的瞬间：I2s,e2s与ead 相位相反时：,T ,n ,sE2 ,I2s ,T ,T =TL ,如能用某一装置使附加电势 Ead的数值平滑改变，则异步电动机将实现平滑调节转速。,3. 串级调速的调速性能,(1)调速方向 (2)调速范围D 较大。 (3)调速的平滑性 平滑性好。 (4)调速的稳定性稳定性好。 (5)调速的经济性初期投资大； 运行效率较高， 运行费用不大。,(6)调速时的允许负载因为 调
21、速前后 U1、f1 不变， m不变，且 cos2 也不变。 所以 T e = CTm I2N cos2 不变。, 恒转矩调速。,制动是从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能性负载下降速度的一种运转过程。,制动方式, 自然停车, 机械制动（抱闸）, 电气制动, 能耗制动, 反接制动, 回馈制动,电动状态：电磁转矩T与转速n同方向，电动机输入电能，输出机械能。,制动状态：电磁转矩T与转速n反方向，电动机输入机械能，输出电能。,5.4 三相异步电动机的制动,电动运行状态,转子旋转方向与旋转磁势的旋转方向相同， 且与电磁转矩的方向相同。,电动机从电网吸收电能，从轴上输出机械能。,第 I 象限为正向电动
22、状态；,第 III 象限为反向电动状态。,一、能耗制动,n,1. 制动原理,T,制动前Q1 合上，Q2 断开， M 为电动状态。制动时Q1 断开，Q2 合上。 定子: U I1 转子: n E2 I2 M 为制动状态。,2. 能耗制动时的机械特性,特点： (1) 因T 与 n 方向相反，nT 曲线在第二、四象限。 (2) 因 n = 0 时， T = 0，nT 曲线过原点。 (3) 制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。,I1“,I1,3. 能耗制动过程 迅速停车,(1) 制动原理 制动前：特性 1。制动时：特性 2。,原点 O (n = 0，T = 0)，,a,b,(T0，
23、制动开始),制动过程结束。,(2) 制动效果Rb,I1 T ,制动快。,(3) 制动时的功率定子输入：P1 = 0，,轴上输出：P2 = T0 。,动能 P2, 转子电路的电能, PCu2消耗掉。,转子,转子电阻消耗掉,机械功率P2,4. 能耗制动运行 下放重物,a,(T0，制动开始),b,c,c 点(T = TL),制动运行状态,以速度 nc 稳定下放重物。制动效果：由制动回路的电阻Rb决定。,二、反接制动,1. 定子反向的反接制动, 迅速停车,制动前的电路,制动时的电路,(1) 制动原理,制动前：正向电动状态。,制动时：定子相序改变， n0 变向。,O,n,T,1,n0,b,即：s 1 (
24、第二象限)。 同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a,c,制动结束。 到 c 点时，若未切断电源， M 将可能反向起动。,d,s,0,1,2,取决于 Rb 的大小。,(2) 制动效果,(3) 制动时的功率,三相电能,电磁功率Pe,转子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,2. 转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d,(1) 制动原理定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rb。,d 点( nd0，Td = TL ),制动运 行状态,(2) 制动效果改变 Rb 的大小， 改变特性 2 的斜率，,改变 nd 。,低速提 升重物,但必须使C点电磁转矩小于负载转矩TL ，否则只能降低提升速度，
25、不能稳定下放重物。,(3) 制动时的功率,第四象限：,1 (n0),0,PCu2 = PeP = Pe|P |,0,P = (1s ) Pe, 定子输入电功率, 轴上输入机械功率（位能负载的位能）, 电功率与机械功率均消耗在转子电路中。,三、回馈制动,特点：| n | | n0 |，s0。电机处于发电机状态。将系统的动能转化为电能送给电网。 1. 调速过程中的回馈制动,a,b,c,d,a,b,c,d,n n0,2. 下放重物时的回馈制动,O,n,T,n0,n0,b,a,c,正向电动,反接制动,d,回馈制动,反向电动,s,0,1,2,0 (nn0) 0定子发出电功率，向电源回馈电能。 0 轴上输
26、入机械功率(位能负载的位能)。PCu2 = PePm |Pe | = |P|PCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,制动时的功率,第四象限：,P = (1s ) Pe,制动效果,Rb 下放速度 。 为了避免危险的高速，一般不串联 Rb。,四、各种制动方法比较,1、能耗制动 优点：制动平稳，便于实现准确停车； 缺点：制动较慢，需增加一套直流电源； 应用场合：要求准确、平稳停车的场合；限制位能性负载下放速度；,2、反接制动 优点：制动强烈、停车迅速； 缺点：能量损耗大，控制复杂。不易实现准确停车； 应用场合：要求迅速停车或要求反转的场合。,3、回馈制动 优点：能向电网回馈电能，比较经济； 缺点：在nn1情况下采用。,
