電機拖動之三相異步電動機的電力拖動要求

1、電機拖動之三相異步電動機的電力拖動要求 ，是一個與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，也叫折算到定子邊的異步電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。式中， 與 成正比，表明做功的是轉(zhuǎn)子電流有功分量，故與直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 相類似。由于 、 與 三者必須符合左手定則，體現(xiàn)了電磁力定律，物理概念清楚，故稱為電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式。從式中還不能直接看出 與 （或 ）的關(guān)系，但是， 、 與 卻都是 的函數(shù)。所以上式也為異步電動機機械特性的物理表達(dá)式。 與 絕不是線性關(guān)系。在轉(zhuǎn)速 較高（ 較?。┑姆秶鷥?nèi)，已知 、 變化都不大， 的變化規(guī)律基本上由 確定，即 隨著轉(zhuǎn)速 的下降、 的增加而增加。當(dāng) 進(jìn)一步降低時，由于 變化不大， 將隨著 與 的下降

2、而減小，即 隨 降低而減小。顯然，從 到 之間， 隨 的變化是由小變大，又由大變小。可以斷定在某一轉(zhuǎn)速下會出現(xiàn)一個最大轉(zhuǎn)矩，成為臨界值。故三相異步電動機的機械特性 曲線是非線性的。 、 的參數(shù)表達(dá)式與機械特性曲線上的特殊點 ，由異步電動機的簡化等值電路求得： （）臨界點 電動機運行在臨界點的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率，以 表示。此時的電磁轉(zhuǎn)矩是電動機所能提供的極限轉(zhuǎn)矩，稱為最大轉(zhuǎn)矩，以 表示。 “”號對應(yīng)于電動工作狀態(tài)，“”號對應(yīng)于發(fā)電工作狀態(tài)。 對于一般的異步電動機， ，一般不超過 的，可以忽略 ，有 的大小，標(biāo)志著電動機允許過負(fù)載的能力，當(dāng)阻轉(zhuǎn)矩（負(fù)載轉(zhuǎn)矩 或與空載轉(zhuǎn)矩 之和）大于 時，電機將停

3、轉(zhuǎn)。通常以最大轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 的比值大小來表示這種過載能力，且令： 稱為過載倍數(shù)。對于一般異步電動機， ，對于起重、冶金機械用的電動機， 左右。 （）起始點 起動轉(zhuǎn)矩 同最大轉(zhuǎn)矩 一樣，都是衡量異步電動機運行性能的重要指標(biāo)。因為 的大小將影響到電力拖動系統(tǒng)的加速度大小和加速時間長短。如果 太小，在一定負(fù)載下，有可能電動機起動不起來。為供用戶選擇，電機技術(shù)數(shù)據(jù)中都以起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 給出。一般鼠籠式異步電動機 ，對起重和冶金用的系列異步電動機 。（3）理想空載點D 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 就是異步電動機的理想空載轉(zhuǎn)速 。 、 的實用表達(dá)式與機械特性曲線的繪制由于 相對其它參數(shù)很小，忽略 后 考慮到 ， ，

4、代入上式后得： 或既是的實用表達(dá)式，也是機械特性方程式。根據(jù)已知數(shù)據(jù)：、，求出未知數(shù)與，使得上式只反映與的關(guān)系。 考慮到電動機拖動額定負(fù)載運行時，（忽略），又知，于是 解得，的計算公式為： 其中額定功率的單位為千瓦，額定轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分。 綜合上述分析可知，電磁轉(zhuǎn)矩的三種表達(dá)式，也是異步電動機的機械特性方程式。一般地說，物理表達(dá)式適用于對電機的運行狀態(tài)作定性分析；參數(shù)表達(dá)式則可用于作精確計算，評價電機參數(shù)對電機運行的影響；實用表達(dá)式常用于機械特性的工程計算。這就是說，電磁轉(zhuǎn)矩的三種表達(dá)式都能表征電機運行性能，只是應(yīng)用場合有所不同。二、異步電動機的自然機械特性當(dāng)三相異步電動機的定子繞組按規(guī)定接

5、法（或）聯(lián)接，施加的電壓及其頻率都為額定值，而電機參數(shù)又為本身固有參數(shù)的條件下，由參數(shù)表達(dá)式或?qū)嵱帽磉_(dá)式求得的關(guān)系曲線，便是電機的固有機械特性曲線，或稱自然特性曲線。 （）當(dāng) 時，轉(zhuǎn)速 與電磁轉(zhuǎn)矩同方向， 為拖動轉(zhuǎn)矩，電機運行于電動狀態(tài)；（）當(dāng) 時， 與 方向相反， 為制動轉(zhuǎn)矩，電機運行于發(fā)電狀態(tài)；（）當(dāng) 時， 與 方向相反， 也為制動轉(zhuǎn)矩，電機運行于制動狀態(tài)。 在電動運行區(qū)間里，自然特性曲線明顯地分為D與兩段（圖）下面分別進(jìn)行討論。（）D段：在該段內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速 的下降電磁轉(zhuǎn)矩 增加。同直流電動機的自然特性相似，是一條略向下傾斜的曲線。如拖動的是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，運行于a點，則滿足第二章提出的穩(wěn)定運行

6、條件： 拖動系統(tǒng)獲得穩(wěn)定運行，因此工程上通常稱D段為穩(wěn)定運行區(qū)。 （）段：如仍拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不難判斷b點不是穩(wěn)定運行點。工程上通常稱段為非穩(wěn)定運行區(qū)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩，在交點只能平衡而不能穩(wěn)定運行。 須知，上述穩(wěn)定與非穩(wěn)定區(qū)間的劃分是相對負(fù)載特性而言的。如對于通風(fēng)機型負(fù)載與電動機機械特性的交點d，雖然處于段，但它仍能滿足穩(wěn)定運行條件，拖動系統(tǒng)能在d 點穩(wěn)定運行。不過在實際中，一般通風(fēng)機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點也不設(shè)計在段，而是D段。所以將段稱為非工作段較為確切。P156 例5-1三、異步電動機的人工機械特性由參數(shù)表達(dá)式可見，人為地在 、 、 、 中的任一個量上串入相應(yīng)的參數(shù)或改變 、 、 中

7、的任一個數(shù)值，都可得到相應(yīng)的人工機械特性，以滿足生產(chǎn)機械不同運行狀態(tài)的要求。、降低電源電壓時的人工機械特性 時即為 可知，當(dāng)電動機其他參數(shù)不變，僅降低外加電壓 時， 與 都與 成比例地降低，但 大小卻保持不變，而且由于電動機的同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速） 與 無關(guān)，所以 改變時 保持不變。這就是說不同電壓下的人工機械特性曲線都通過 這一點。考慮到上述各量與 的大小關(guān)系，便得到一族降低 的人工特性曲線。實用表達(dá)式 ，其中 ， 為小于 的定子相電壓。也可用直線表達(dá)式 ，其中 ，同樣 為小于 的定子相電壓。 2、轉(zhuǎn)子回路串接對稱電阻時的人工機械特性 在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路中，串接對稱電阻（即三相

8、分別串入同樣大小的電阻） 且改變其大小時，可以得到不同的人工機械特性。 已知， 與轉(zhuǎn)子回路電阻大小無關(guān)， 卻隨電阻增大而增大，而 卻不隨轉(zhuǎn)子電阻變化。因此得到改變轉(zhuǎn)子回路電阻的人工機械特性 。 所串電阻越大，機械特性穩(wěn)定運行段的斜率也越大，也就是說特性越軟。然而 卻隨著電阻 的增加而增加，這是因為轉(zhuǎn)子回路串入電阻后的 ，其值隨 增大而增加，使得最大轉(zhuǎn)矩點下移。當(dāng) 大小使得 ， 時， 達(dá)到最大值，即 ，如果再增加電阻 ， 反而逐步減小。 實用表達(dá)式 ，其中 直線表達(dá)式 ，其中 同實用表達(dá)式。 3、定轉(zhuǎn)子回路串對稱三相電抗的人為機械特性 籠型異步電動機，可以在定子回路中串入對稱的三相電阻或電抗；繞

9、線式異步電動機，定轉(zhuǎn)子回路都可以串入對稱的三相電阻或電抗，來獲得人工特性。定子回路串入三相對稱電阻或電抗時，相當(dāng)于增大了電動機定子回路的漏阻抗，這不影響電動機同步轉(zhuǎn)速 的大小，所以其人為機械特性都要通過 點。而由 ， ，知：串入電抗后， 、 、 都隨外串電抗的增大而減小。 P158 例5-25、2三相異步電動機的起動 就啟動來說，對異步電動機所提出的要求為：、電動機應(yīng)有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；、在保證一定大小的啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，啟動電流應(yīng)越小越好；、啟動所需的設(shè)備應(yīng)盡量簡單，價格力求低廉，操作及維護(hù)方便；、啟動過程中的功率損耗越小越好。 異步電動機啟動時，由于靜止的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與定子旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對切

10、割速度很大，因此轉(zhuǎn)子繞組中的電流 很大，但由于轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) 較低，故啟動轉(zhuǎn)矩 并不很大。通過計算及實際測定，異步電動機啟動瞬間的轉(zhuǎn)子電流通?？蛇_(dá)額定狀態(tài)時的倍，由于轉(zhuǎn)子電流是從定子繞組內(nèi)感應(yīng)而來的，從而使定子繞組內(nèi)的電流也相應(yīng)增為額定值的倍。 、使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動（特別是容量較大的電動機啟動時），從而影響到接在電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常運行；、使電動機繞組發(fā)熱、絕緣老化，從而縮短了電動機的使用壽命。特別是對經(jīng)常需要啟動的電動機影響較大。 一、鼠籠式異步電動機的啟動方法 （一）直接起動直接啟動將電動機定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上來啟動，即啟動時加在電動機定子繞組上的電壓為額定電壓，所以又稱

11、全壓啟動。這時的機械特性稱為固有啟動特性， 優(yōu)點：起動設(shè)備與操作都比較簡單、啟動時間短，所需成本低。缺點：受到固有起動性能的限制，起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩小。 、容量在千瓦以下的三相異步電動機一般均可采用直接起動。電動機在啟動瞬間造成的電網(wǎng)電壓的變化不大于電源電壓正常值的10，對于不經(jīng)常啟動的電動機可放寬到15。如用戶有專用的變壓器供電，則當(dāng)電動機容量 變壓器容量的20時，允許頻繁起動；小于30時，不允許經(jīng)常啟動。、用下面經(jīng)驗公式來粗估電動機是否可以直接啟動其中， 為電動機的啟動電流； 為電動機的額定電流； 為電源的總?cè)萘?，即變壓器容量（千伏安）?為電動機的額定功率（千瓦）。 鼠籠式異步電動機直

12、接啟動的常用電氣控制設(shè)備有：萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、組合開關(guān)、按鈕與接觸器、自動空氣斷路器等。P159例5-3（二）鼠籠式異步電動機的降壓啟動降壓啟動電動機在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，啟動結(jié)束時加額定電壓運行的啟動方式。、定子串電阻器（或電抗器）降壓起動如何求取 或 的值？設(shè)將直接起動電流 降低倍， 為降低后的啟動電流，則 或 求所需串入的電阻（或電抗）值。 與 在不能直接測得的情況下，也可以估算。已知： 式中 是起動電流倍數(shù)； 與 分別是定子相電壓和相電流的額定值。當(dāng)定子繞組接時 ， 當(dāng)定子繞組 接時 ，于是，定子接時 定子 接， ，由于起動時的功率因數(shù) ，所以有定子串電阻器（或電抗器）降壓起動

13、時，起動轉(zhuǎn)矩 與電壓成平方關(guān)系降低，故應(yīng)校驗降壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩 是否能滿足負(fù)載要求。如認(rèn)為定子端電壓由 降到 時，電機參數(shù)仍保持不變，（ ， ， 不變，）則起動電流與定子繞組端電壓成正比，于是有：在電機參數(shù)不變的前提下，起動轉(zhuǎn)矩與定子端電壓平方成正比，故有：或一般來說，負(fù)載要求 顯然定子串電阻（或電抗）降壓起動，只適用于空載或輕載啟動。由于采用電阻降壓起動時損耗較大，因此與定子串電抗器降壓起動相比，串電阻降壓起動很少采用。、自耦變壓器（起動補償器）降壓啟動起動時，利用自耦變壓器將電網(wǎng)電壓降低后再加到電機的定子繞組上。待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時再將電機直接接到電網(wǎng)上。 為說明采用自耦變壓器降壓啟動對啟動

14、電流的限制和對啟動轉(zhuǎn)矩的影響，取自耦變壓器一相電路分析。 已知自耦變壓器的變比 設(shè)直接起動時，電網(wǎng)提供給電機的起動電流為 ，加給定子繞組的相電壓為 。根據(jù)啟動電流與定子端電壓成正比的關(guān)系（繞組參數(shù)不變），電機定子降壓前后的電流比為：已知， ，代入后得 或 起動轉(zhuǎn)矩降低的比值又如何呢？由起動轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比的關(guān)系可知： 說明，起動轉(zhuǎn)矩降低的倍數(shù)與起動電流降低的倍數(shù)相同，顯然，從增加啟動轉(zhuǎn)矩角度來選取變比 小些好，即選取大于計算值的抽頭 。 自耦變壓器副邊有23組抽頭，其電壓可以分別為原邊電壓的80、65或80、60、40。在實際應(yīng)用中都把自耦變壓器、開關(guān)觸頭、操作手把等組合在一起構(gòu)成自耦減壓

15、啟動器（又稱啟動補償器）?；?同定子串電阻（或電抗）相比，如將電網(wǎng)提供的起動電流降到同一允許值時，用自耦變壓器降壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩要比串電阻器（或電抗器）起動時的轉(zhuǎn)矩大一些。因此在電機容量較大，并帶一定負(fù)載起動時，常采用自耦變壓器起動。缺點是自耦變壓器體積大，重量重，價格高，維修麻煩，且不允許頻繁起動。 、星三角（ ）降壓啟動 對于正常運行時定子繞組規(guī)定是 聯(lián)接的三相異步電動機，起動時可以采用接法，使電機每相所承受的電壓降為額定電壓的 ，所以稱為 降壓起動。對于采用這種方法起動的電機，要求定子繞組首尾六個接線端都引出來。 下面分析一下 降壓啟動時的起動電流與起動轉(zhuǎn)矩。如果 接直接起動，則電機相電

16、壓為： 電網(wǎng)供給電機的線電流為： （ 為定子啟動相電流）如采用聯(lián)接降壓起動，電機相電壓為： 電網(wǎng)供給電機的線電流為： （ 為接時定子啟動相電流）可見兩種情況下的線電流之比為： 考慮到起動時相電流與相電壓成正比（定子繞組參數(shù)不變），則 根據(jù)起動轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比的關(guān)系，則兩種情況下的起動轉(zhuǎn)矩比為：說明 降壓起動起動轉(zhuǎn)矩降低的倍數(shù)與電流降低的倍數(shù)相同，即起動轉(zhuǎn)矩降低很多，故只能用于空載或輕載起動的設(shè)備上。由于高壓電機引出六個出線端子有困難，故 起動一般僅用于伏以下的低壓電機，且又限于正常運行時定子繞組作 接法的電機。常見的額定電壓標(biāo)為/伏的電動機。 降壓起動的最大優(yōu)點是所需設(shè)備簡單、價格低，運行

17、比較可靠，維修方便，因而應(yīng)用較廣。起動方法比較P162（4）延邊三角形降壓啟動（自學(xué)）例5-4P163二、繞線式異步電動機的起動1、轉(zhuǎn)子串電阻起動 在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串入適當(dāng)?shù)碾娮瑁瓤山档推饎与娏?，又可提高起動轉(zhuǎn)矩。同直流電動機一樣，繞線式異步電動機也要分級切換起動電阻，圖中所示為三級起動。電動機的定子繞組接到三相交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)集電環(huán)和電刷，接到起動電阻上。 、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動 自學(xué)P166 5、3 三相異步電動機的制動 電動機的運行狀態(tài)可分為啟動、調(diào)速和制動，電動機在下述情況下運行時，屬于制動狀態(tài)。、在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為位能轉(zhuǎn)矩的機械設(shè)備中（例如起重機下放重物；運輸工具在下坡運

18、行）使設(shè)備保持一定的運行速度。、在機械設(shè)備需要減速或停止時，電動機能實現(xiàn)減速和停止。三相異步電動機的制動方法：1、機械制動：利用機械裝置（如電磁抱閘機構(gòu)）來使電動機迅速停止。2、電氣制動：使異步電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和軸上所受的機械轉(zhuǎn)矩方向（即電動機的旋轉(zhuǎn)方向）相反。即電動機此時將從軸上吸收機械能變?yōu)殡娔埽嗉措妱訖C此時為發(fā)電機狀態(tài)運行。 （1）反接制動 （2）能耗制動 （3）再生制動（發(fā)電制動）一、反接制動 反接制動的原理和電動機的反轉(zhuǎn)是一樣的，即依靠改變電動機定子繞組中任意兩相與電源接線的相序，使旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向與原來電動機旋轉(zhuǎn)的方向相反，從而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所受的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很快下降到零，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速接近零時，立即切斷電源，以免電動機反轉(zhuǎn)。 因電動機正常運行時的轉(zhuǎn)差率 ，在反接制動開始瞬間，電動機轉(zhuǎn)速還來不及改變，但旋轉(zhuǎn)磁場已反向，即 變?yōu)?，此時轉(zhuǎn)差率 ，故鼠籠電動機的轉(zhuǎn)子電流將比起動瞬間的電流還要大。優(yōu)點：停車迅速，所需設(shè)備簡單。缺點：對電動機的沖擊力大，不易準(zhǔn)確停車。 一般只用于小型異步電動機中。機械特性P171圖5-15的，固有特性與電動狀態(tài)完全對稱。還有轉(zhuǎn)速反向（帶位能負(fù)載）曲線，原