電機和拖動基礎(chǔ)18

1、教學題目：（章、節(jié)）第五章三相異步電動機的電力拖動 1三相異步電動機的機械特性2.三相異步電動機的起動學時數(shù)2第11周第1次課教學目標：1. 了解三相異步屯動機機械特性三種表達方式。2. 掌握三相異步屯動機機械特性實用表達式的求取方法。3. 了解三相異步電動機的啟動方法。4. 掌握二相異步電動機啟動電阻的計算。教學重點與難點：三相異步電動機機械特性實用表達式的求取方法、三相異步電動機的啟動方法。教學方式、方法：講授法、討論法教學過程：課前復習：檢測學生對上節(jié)課的掌握情況情況，并對較難知識點做相應的復習，檢測學生對本 節(jié)課的預習情況，并對機械特性做出相應的提問，讓學生帶著問題聽課，達到有的放矢,

2、 提高本次聽課的效率。講授新課：一、機械特性的表達式（一）、機械特性物理表達式t孑ct2 gs勉（51）（二）、機械特性的參數(shù)表達式3pu聲為=r?h1（52）a $）式（5-2）是用電機參數(shù)表示的tem = /（5）關(guān)系式。等弍右邊包含了定子電阻盡、定 子漏抗x"、轉(zhuǎn)子歸算電阻尺、轉(zhuǎn)子歸算漏抗x2.,這些參數(shù)當電機制造成以后就有確定 值，供屯頻率/不變時這些參數(shù)不變，屯機極對數(shù)為常值。這就是三相異步電機的機 械特性參數(shù)表達式。固定4、時，可以將tem = f（s）之間的關(guān)系畫成曲線，稱為t-£曲 線，如圖51所示。圖51三相異步電動機的t-s曲線1. t-s曲線分析從圖7

3、-1中可見，異步電動機的機械特性是一條曲線，并且跨i、ii及iv三個象 限。下面就異步電動機的t-s曲線進行分析。(1) 額定工作點b異步電動機工作在額定點b時，電動機的各項參數(shù)均為額定值。其特點是，n = nn,s - sn 9 丁阿=tn ,- iin。(2) 起動點a起動點a的轉(zhuǎn)速72 = 0,轉(zhuǎn)差率5 = 1,啟動電流為匚，匚=(57)幾，對應的電磁 轉(zhuǎn)矩為tsj = tem , 7；稱為起動轉(zhuǎn)矩。將$ = 1代入式(52),可得到異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩 公式為tsl =.嚴哉(53)2砒(/?,+/?2)2 + (x1(t + x2a)2由式(5-3)可知：當電源頻率/和電動機的參數(shù)為

4、常數(shù)時，起動轉(zhuǎn)矩7；與定子相電壓的 平方成正比。所以電源電壓較低吋，起動轉(zhuǎn)矩明顯降低。增加轉(zhuǎn)子冋路的電阻斥，可以 增加起動轉(zhuǎn)矩7；。起動轉(zhuǎn)矩7；的大小常用起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)表示，即(54)k”反映了電動機的起動能力，是籠型異步電動機的一個重要技術(shù)參數(shù)，可在產(chǎn)品目 錄中查得。起動時，只有當起動轉(zhuǎn)矩7；大于負載轉(zhuǎn)矩近時，拖動系統(tǒng)才能起動。(3) 同步轉(zhuǎn)速點iih點所對應的轉(zhuǎn)速是理想空載轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速q。從t-s曲線中可見，h點的特點是77 = /(5 = 0),電磁轉(zhuǎn)矩：=0，轉(zhuǎn)子屯流/2=0,定子電流= /10 o在實際運行中, 沒有外轉(zhuǎn)矩拖動電機，電機轉(zhuǎn)速是不能達到厲點的。所以電機的實際空載轉(zhuǎn)速是

5、小于q 的。(4) 最大轉(zhuǎn)矩點p最大轉(zhuǎn)矩點p對應的電磁轉(zhuǎn)矩為異步電機電磁轉(zhuǎn)矩的最大值7；,稱為最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩7；對應的轉(zhuǎn)差率幾稱為臨界轉(zhuǎn)差率。最大轉(zhuǎn)矩7；可以通過對式(52)中的s求導，并令dtem/ds = 0求出tem=tm時的轉(zhuǎn)差率幾,即=±&jr；+(x + x2 界(55)從式(5-5)可見，必僅與電動機的參數(shù)有關(guān)，與電機電壓和轉(zhuǎn)速無關(guān)，與轉(zhuǎn)子回路的電阻尺成正比，因此改變轉(zhuǎn)子回路電阻，可以改變產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率幾。當 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子冋路串入電阻時，幾將變大，當幾=1吋，起動轉(zhuǎn)矩ts,=tm.達到 最大。將幾代入式(52),即可求得最大電磁轉(zhuǎn)矩7；為(5

6、6)式(56)取正號時，對應于t-s中的p點，是異步電機電動機運行狀態(tài)時可產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩取負號時，則對應圖中的p點是發(fā)電運行狀態(tài)時的最大轉(zhuǎn)矩-匚。由 于式(56)中的尺前有正負號，所以7；和-7；的絕對值并不相等，即氐-加。當忽略k時,m =從式(56)可見，異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩7；與電源電壓s的平方成正比，與電源頻率z成反比，但與轉(zhuǎn)子電阻尺無關(guān)。當轉(zhuǎn)子回略串電阻時，雖然幾變大，但7；保持不 變。在實際使用中，不允許負載轉(zhuǎn)矩兀大于7；。如果電動機所帶負載轉(zhuǎn)矩tl>tm,拖動 系統(tǒng)就會減速而停轉(zhuǎn)。為保證不會因短期過載而停轉(zhuǎn)，異步電動機應有一定的過載能力。 過載能力可以用轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)表示

7、，即kt=(57)tn(5) 穩(wěn)定運行區(qū)域異步電動機的機械特性分為以下兩個區(qū)域。(a)轉(zhuǎn)差率0必區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)差率s比較小，轉(zhuǎn)矩公式(5-2)可以近似冷尺(58)2馮(鞏+叮+卜(x2 + x223川/?2 _3pu；s =2兀疝22砒5從式(5-8) ht見，幾與s(n)近似成盲線關(guān)系，該區(qū)域是異步電動機的穩(wěn)定區(qū)域, 一般情況下異步電機要求運行在這一區(qū)域。只要負載轉(zhuǎn)矩小于電動機的最大轉(zhuǎn)矩，電動 機就可以在該區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行。(b)轉(zhuǎn)差率幾1區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)差率幾=1,轉(zhuǎn)矩公式(5-2)可以近似為3pu匹tem = r7 r y"(59)2兀 f、盡+ +(xw + x2 s)3

8、pu： hr -i2(/?,)2+(xic74-x2<t)2j$從式(5-9)可見，厶“與s)近似成反比關(guān)系。即s增大時，在該區(qū)域為異步電 動機的不穩(wěn)定區(qū)域。但水泵、風機類負載可以在此區(qū)域穩(wěn)定運行。2. 異步電動機在三個不同彖限的運行(1) i象限，電機轉(zhuǎn)速在osvq、轉(zhuǎn)差率在0<5<1的范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩心為 正值，轉(zhuǎn)了旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，電動機處于電動運行狀態(tài)。(2) ii象限，電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率$<0,電磁轉(zhuǎn)矩厶”為負值，轉(zhuǎn)速為正，轉(zhuǎn) 子的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，此時，電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)，也是一種 制動狀態(tài)。(3) 在iv象限，電機轉(zhuǎn)速*0、

9、轉(zhuǎn)差率5>1,電磁轉(zhuǎn)矩打為正，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反，電動機運行于制動狀態(tài)。4(三) 機械特性的實用表達式(510)異步電動機的實用公式很簡單，使用起來也較方便。同時最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)差率幾的公式也是很有用的。例一臺三相繞線式異步電動機，已知額定功率7=150 ,額定電壓un = 380v ,額定頻率/=50wz,額定轉(zhuǎn)速 =1460" min,過載倍數(shù)kt = 2.3 o求屯動 機的轉(zhuǎn)差率s = 0.02時的電磁轉(zhuǎn)矩及拖動恒轉(zhuǎn)矩負載860n m時電動機的轉(zhuǎn)速。解：根據(jù)額定轉(zhuǎn)速®的大小可以判斷岀旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速q =150（k/min。則額定轉(zhuǎn) 差率q

10、_ _ 1500-1460 _ °1500- _ 臨界轉(zhuǎn)差率 幾=幾(心 + jk； -1) = 0.027(2.3 + a/2.32-1) = 0.118額定轉(zhuǎn)矩tn =9550 竝9550 旦1460= 981.2n"當5 = 0.02時的電磁轉(zhuǎn)矩2k幾=篇事零£ = 7435"加s 匚 0.020.118設(shè)電磁轉(zhuǎn)矩為860/v m的轉(zhuǎn)差率s,由實用公式得2k忑代入數(shù)據(jù)得860：二2x2.3x981.2（由于定、轉(zhuǎn)子回路阻抗沒變，所以幾不變）上式0.118sm.+s0.118是一個二次方程，解得峙=0.0234, 6=0.596。根據(jù)t-s曲線可知，

11、當電機負載轉(zhuǎn)矩860/v-m小于額定轉(zhuǎn)矩q=981.2n"時，對應轉(zhuǎn)差率s也應小于 =0.027。所以$2 =0.596不合題意舍去。電機轉(zhuǎn)速為n = （1 - s、'）q = （1 - 0.0234） x 1500 = 1465r / min二、固有機械特性和人為機械特性1、固有機械特性三相異步電動機在額定電壓、額定頻率不變，定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何電路元件條件 下的機械特性稱為固有機械特性。一般講，對于任一異步電動機，固有的機械特性曲線只有一條。當改變式中任一參數(shù)時，就變?yōu)橐粭l人為機械特性曲線了。2、人為機械特性三相異步電動機用于電力拖動時，固有的機械特性遠遠不能滿足負載運

12、行的要求， 因此常常需要人為地改變電機的機械特性。人為地改變界步電機的電源電壓"、電源頻 率士、定子極對數(shù)、定子回路的電阻尺、電抗xy和轉(zhuǎn)子回路電阻忌、電抗x"這些參 數(shù)中的一個或兩個吋，異步電機的機械特性就會發(fā)生變化，從而得到不同的人為特性。 下面介紹幾種常用的人為機械特性。（1）、改變定子電壓的人為機械特性一般情況下，改變定子電壓口的大小指的是降低定子電壓，這是由于異步電機的磁 路在額定電壓下已有些飽和以及電機絕緣的限制，因而不宜再升高電壓。下面只討論降 低定子端電壓5時的人為機械特性。在降低定子電壓時，電機其它參數(shù)均不變。其特點 是：1異步電機的同步轉(zhuǎn)速耳二竺，與電壓

13、s無關(guān)，可見，不管5降至何值，勺的p大小不會改變。就是說，不同電壓5的人為機械特性，都通過4點;2.異步電機臨界轉(zhuǎn)差率“血2+（亂+乞丿，與電壓5無關(guān)，不同電壓s的人為機械特性，幾相同;3. 異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩tem - uf o因此，最大轉(zhuǎn)矩7；以及起動轉(zhuǎn)矩7；都要隨s的降圖52改變定子電壓的人為機械特性(2)、定子回路串接三相對稱電阻的人為機械特性在其它量不變條件下，僅改變異步電機定子冋路電阻，如串入三相對稱電阻匕。顯 然，定子回路串入電阻，不影響同步轉(zhuǎn)速厲。但是，從式(52)、(53)、(5-5)和(5 6)看出，電磁轉(zhuǎn)矩7；沁起動轉(zhuǎn)矩幾、最大電磁轉(zhuǎn)矩7；和臨界轉(zhuǎn)差率幾都隨著定子回路 電

14、阻值增大而減小。在分析計算異步電機定子回路串接三相對稱電阻的各種情況時，其 計算公式中的尺代入定子回路的電阻和串接值耳z和(一相值)即可。用繪制固定機械特 性曲線的同樣方法，可以畫出定子串三相對稱電阻人為機械特性，如圖53所示。°tem圖53 定子串三相對稱電阻的人為機械特性三、定子回路串三相對稱電抗的人為機械特性異步電機定子回路串入三相對稱電抗.時，q不變，但是由式(53)、(55)、(56)可知幾、幾及7；均減小了，其人為機械特性如圖54所示。這種情況一般用于籠 型異步電機的降壓啟動。圖54定子回路串入三相對稱電抗時的人為機械特性四、轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻的人為機械特性繞線式三

15、相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組可以串入三相對稱電阻。串入三相對稱電阻后"不 變，從式（5-6）看出，最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子每相電阻值無關(guān)，即轉(zhuǎn)子串入電阻后，7；不 變。從式（55）看出，臨界轉(zhuǎn)差率oe oc 7?2 ,這里凡是包括串接電阻心后的總電阻。 可見轉(zhuǎn)子回路串電阻后，只有幾的值隨電阻的增加而增加。轉(zhuǎn)子回路串三相對稱電阻后 的人為機械特性如圖5-5所示。圖55轉(zhuǎn)子回路串三相對稱電阻的人為機械特性五、籠型異步電動機的起動方法三相籠型異步電動機轉(zhuǎn)子不能串電阻，所以只能采用直接起動、降壓起動和軟起動。 （一）、三相籠型異步電動機的直接起動直接起動的方法就是將額定電源電壓直接接到籠型異步電動機的定子

16、繞組上。這種起動方法操作最簡單，不需要另外的起動設(shè)備，而冃起動轉(zhuǎn)矩7；比降壓起動時大。對于-般籠型異步電動機則有:(5-11)4嚴k上廠（57）厶“異步電動機這么大的起動電流會引起電網(wǎng)電壓下降，造成同一電網(wǎng)其它用電設(shè)備 的不能正常工作。一般直接起動只能在7.5rw以下的小功率電動機中使用。當電動機功 率大于7.5ew吋，可用下面經(jīng)驗公式計算起動電流倍數(shù)是否滿足直接起動的要求，即電源總?cè)萘浚╧v-a） 起動電機功秦（kw）（512）（二）、降壓起動當籠型異步電動機功率較大而起動負載轉(zhuǎn)矩較小時，可以進行減壓起動。通過降壓來限制起動電流/申。界步電機的起動轉(zhuǎn)矩為(513)t =空"&quo

17、t;wf'(/?, + /?2)2+(xi<t + x2j2從式（5-13）可見，起動時降低電壓s，起動轉(zhuǎn)矩以成正比減小。所以，對于一個 具體的拖動系統(tǒng)，一定要考慮到減壓起動時是否有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。下面具體分析四 種降壓起動的方法：1.定子串電阻或串電抗降壓起動電機起動過程中，在定子電路中串聯(lián)電阻或電抗，起動電流在電阻或電抗上產(chǎn)生 壓降，降低了定子繞組上的電壓，起動電流也減小。由于大型電動機串電阻起動能耗太 大，多釆用串電抗進行減壓起動。如果用打、億表示全壓起動（直接起動）吋的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，用人、7；表示電壓降至s時的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，則有 = k<5st電壓降低

18、到/s時，起動轉(zhuǎn)矩降低到tst （ 7；為s時的起動轉(zhuǎn)矩），可見起顯然降壓起動降低了電流，但卻付出了較大的代價轉(zhuǎn)矩降低得更多。例如電壓 降至直接起動電壓的80%時，降壓起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為0.8匚和0.647；?？梢?，在 電動機的定子回路串電阻或電抗的起動方法，只適用于輕載起動。2.自耦變壓器降壓起動由于自耦變壓器降壓起動時，異步電機的定子電壓和起動電流與變壓器二次側(cè)相 等，分別為/和厶。設(shè)直接起動時異步電機的定子繞組所加電壓為s吋，起動電流為匚。通過自耦變壓器起動以后，自耦變壓器從電網(wǎng)汲取的電流厶為(514)動轉(zhuǎn)矩與起動電流降低同樣的倍數(shù)，即(515)獲得了較好的起動性能，起動電流和起動

19、轉(zhuǎn)矩降低了同樣的倍數(shù)。串自耦變壓器降壓起動方法適用于容量較大的低壓電動機降壓起動，應用廣泛，可 以手動也可以自動控制。其優(yōu)點是電壓抽頭可供不同負載選擇；缺點是體積大，質(zhì)量大, 價格高，需要維修。3. 星一三角（y）起動y降壓起動，是利用三相定子繞組的不同聯(lián)結(jié)實現(xiàn)降壓起動的一種方法。使用這 種起動方法的異步電機，在正常運行時是接成形的，而且每相繞組引出兩個出線端， 共引出六個出線端。起動時改接成y形，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時再接形。直接起動時的線電流/皿與y接降壓起動時的線電流/莎的關(guān)系為厶工二厶竺二丄 即/ = 11（5-16）b皿33直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩7；與y降壓起動時的起動轉(zhuǎn)矩7；浮的關(guān)系為

20、9;廠扎（5t7）y起動設(shè)備簡單，價格便宜，因此是首選的起動方法。所以y系列屮，4kw以上 的三相籠型異步電動機，定子繞組都設(shè)計成用形接法，以便采用y角起動。4. 軟起動上面介紹的三種降壓起動方法都是有級起動，所以平滑性不高?，F(xiàn)在先進的電子軟 起動器以已經(jīng)逐步取代老式的磁控式軟起動器。下面簡單介紹幾種電子式軟起動器的起動方法：1）限流或恒流起動方法。用電子軟起動器實現(xiàn)起動時限制電動機起動電流或保持恒 定的起動電流，主要用于輕載軟起動。2）斜坡電壓起動法。用電子軟起動實現(xiàn)電動機起動時定子電壓由小到大斜坡線性上 升，主要用于重載軟起動。3）轉(zhuǎn)矩控制起動法。用電子軟起動實現(xiàn)電動機起動時起動轉(zhuǎn)矩由小到

21、大線性上升， 起動的平滑性好，能夠降低起動時對電網(wǎng)的沖擊，是較好的重載軟起動方法。4）電壓控制起動法。用電子軟起動器控制電壓以保證電動機起動時產(chǎn)生較大的起動 轉(zhuǎn)矩，是較好的輕載軟起動方法。六、繞線式異步電動機起動方法繞線式異步電機可以采用轉(zhuǎn)子電路串接三相對稱電阻或頻敬變阻器的起動方法，這 種起動方法不僅可以減小起動電流，還可以增加起動轉(zhuǎn)矩，使起動性能大為改善，這是 籠型異步電動機所不具有的特點。下面介紹繞線式異步電機的這兩種起動方法。（一）、轉(zhuǎn)子串電阻分級起動轉(zhuǎn)子串電阻分級起動是指：在繞線式異步電機轉(zhuǎn)子冋路串多級電阻，起動吋逐級切除 轉(zhuǎn)子串接電阻的起動過程。圖5-6為繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串三級電

22、阻的分級起動的接線 圖與機械特性?，F(xiàn)說明起動過程如下：圖56繞線轉(zhuǎn)子電動機串電阻多級起動接線及其起動特性(a)原理接線圖；(b)三級起動特性起動時先閉合km接通定子繞組電源，km1、ki2、km3斷開，三級起動電阻人“ r&、 3全部串入轉(zhuǎn)子回路，其機械特性如圖5-6(b)中曲線1所示。從圖中可見，起動轉(zhuǎn)矩 tst = tfll > tn ,如果電機在額定負載7；下起動，此時tstl > tv ,繞線式異步電機拖動負載 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速斤沿曲線1上升。為了追求更大的起動加速度，當起動轉(zhuǎn)矩降到人小 轉(zhuǎn)速升 到b點時，km3閉合，轉(zhuǎn)子回路串接的三相電阻尺3同時被短接，電動機立即切換到

23、特性 曲線2,運行點從b點平移到c點，轉(zhuǎn)速川再沿曲線2上升。當轉(zhuǎn)速升到d點時，切除電 阻/?邊。這樣電阻逐段切除，電動機逐段加速，直到在固有特性上的a點穩(wěn)定運行時，起 動過程結(jié)束。為了保證起動過程平穩(wěn)快速，一般使起動轉(zhuǎn)矩的最大值幾取(152)7；, 起動轉(zhuǎn)矩最小值：取為(11.2)7；。起動電阻的計算方法可分兩種情況：1.當已知起動級數(shù)時加和7；時，先按才=丄計算a,然后利用t、=貳計算7；,snt2并校核7； >(1.1-1.2)7；如不滿足需修改7,甚至修改加，重新計算a,再校核直至r?c + r? = 2a石大小合適；最后按尺+%g +險)a"凡，計算電阻。r2 + r2

24、em =刃忌 + 略-1)= r2 .2.當已知起動級數(shù)時加和7；時，先按a = j込-計算cn再校核是否7； < 0.857；,如不滿足需修改人，甚至修改加，直至合適，最后按險 + & = r?a丘+心2 =（盡+心=叭，計算電阻。尼 + rlc.n = gg + m-1）= a，ur2 .例某繞線式異步電動機拖動機械負載，電動機的技術(shù)數(shù)據(jù)為：pn = 40kw ,，2n=615a, kt = 2.6 , nn=1460r/min, e2n = 420v。起動負載轉(zhuǎn)矩 tl = 0.75tv ,求采 用轉(zhuǎn)子串電阻三級起動時各級起動電阻值。解：額定轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子每相電阻最人起動轉(zhuǎn)矩q1500,_ sne2n _0.027x42073x61.55 085幾=0.85k/.7；=(= 0.1060.85x2.6x7； =2.217；£取 7； =2.217；._ na -nn _ 1500-1460 n0.027x2.217； "2,56起動轉(zhuǎn)矩比4=0.027校核切換轉(zhuǎn)矩1.17； =1.1x0.757； =0.8257；t2>i.ltl ,滿足要求計算各級起動特性曲線所需串接的外電阻為/?2ri =/?2(6r-1) = 0.106(2.56 -1) = 0.165qr2c2 = (z?2 += r