《電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)》課件第３章 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第3章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性3.3三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)3.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速本章實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)

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從式（3.2）可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與每相電壓的有效值平方成正比，也就是說(shuō)，當(dāng)電源電壓變動(dòng)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的影響。此外，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻也有關(guān)。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

圖3.1

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

圖3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

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圖3.5單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

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圖3.6電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩方向的規(guī)定第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

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第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)反抗轉(zhuǎn)矩也叫摩擦轉(zhuǎn)矩，是由于物體的摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)床切削過(guò)程中的切削力所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩就是反抗轉(zhuǎn)矩。反抗轉(zhuǎn)矩的方向恒與運(yùn)動(dòng)方向相反，若運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也會(huì)發(fā)生改變，因此它總是阻礙運(yùn)動(dòng)的。其特性曲線在第一象限或第三象限，具體方向判定如圖3.7（ａ）所示。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.7恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載機(jī)械特性第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

圖3.8恒功率型負(fù)載機(jī)械特性第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.9

通風(fēng)機(jī)型負(fù)載機(jī)械特性第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械是連成一體的，為了使系統(tǒng)合理運(yùn)行，就要想辦法使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載的機(jī)械特性盡量相配合。特性配合好的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行包含兩重含義：一是系統(tǒng)應(yīng)能以一定的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。二是系統(tǒng)受到某種外部干擾而使運(yùn)行速度稍有變化，應(yīng)保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)只有在某交點(diǎn)上工作而遇到外界的臨時(shí)干擾打破了原來(lái)的平衡，使得轉(zhuǎn)速稍有變化時(shí)，在干擾過(guò)后，系統(tǒng)仍能恢復(fù)到原來(lái)的轉(zhuǎn)速，回到原來(lái)的交點(diǎn)工作，這才是真正的穩(wěn)定運(yùn)行。否則在該交點(diǎn)上的運(yùn)行仍然是不穩(wěn)定的。這就是說(shuō)，若遇到瞬時(shí)干擾，使轉(zhuǎn)速ｎ減小，即轉(zhuǎn)速的變化量Δｎ＜０時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化量必須ΔＴ＞ΔＴＬ使得Ｔ＞ＴＬ，轉(zhuǎn)速才能自動(dòng)恢復(fù)。反之，當(dāng)ｎ增加，即Δｎ＞０時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化必須ΔＴ＜ΔＴＬ使得Ｔ＜ＴＬ，轉(zhuǎn)速才能自動(dòng)恢復(fù)。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)因此電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載機(jī)械特性交點(diǎn)，而且在該交點(diǎn)處滿足公式圖3.10穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)因此電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載機(jī)械特性交點(diǎn)，而且在該交點(diǎn)處滿足公式第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

現(xiàn)以三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為例說(shuō)明這一問(wèn)題。如圖3.10所示，1為電機(jī)機(jī)械特性曲線，2為負(fù)載機(jī)械特性曲線。以臨界點(diǎn)ｃ為界分成性質(zhì)不同的兩段，電機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性有可能存在兩個(gè)交點(diǎn)ｂ和Ｂ。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

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第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)用同樣的分析方法，可知在圖3.10中，３為通風(fēng)機(jī)型負(fù)載機(jī)械特性曲線，如果是通風(fēng)型負(fù)載，系統(tǒng)在交點(diǎn)Ｂ上的運(yùn)行是穩(wěn)定的。圖3.10穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)一般規(guī)定，7.5ｋＷ以下的籠型異步電動(dòng)機(jī)可以直接啟動(dòng)。7.5ｋＷ以上，電源容量能滿足下述條件者也可以直接啟動(dòng)，即啟動(dòng)電流倍數(shù)不滿足上述條件或啟動(dòng)過(guò)于頻繁時(shí)，就不允許直接啟動(dòng)了，必須采用能夠減小啟動(dòng)電流的其他啟動(dòng)方法。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)降壓?jiǎn)?dòng)是用降低三相異步電動(dòng)機(jī)端電壓的方法來(lái)減小啟動(dòng)電流。由于異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，所以采用此方法時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)同時(shí)減小。該方法只適用于對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場(chǎng)合，即空載或輕載的場(chǎng)合。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)1.Ｙ／△啟動(dòng)法Ｙ／△啟動(dòng)法適用于正常運(yùn)行時(shí)繞組為三角形連接的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的三相繞組的六個(gè)出線端都要引出，并接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上。啟動(dòng)時(shí)，將正常運(yùn)行時(shí)三角形接法的定子繞組改接為星形連接，啟動(dòng)結(jié)束后再換為三角形連接。這種方法只適用于中小型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。圖3.12所示的是這種方法的電路圖。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.12Ｙ／△啟動(dòng)電路圖第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)由三相交流電路知識(shí)可推得：星形連接時(shí)的啟動(dòng)電流為三角形連接直接啟動(dòng)時(shí)的１／３，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也為后者的１／３。Ｙ／△啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，操作方便，動(dòng)作可靠，使用壽命長(zhǎng)。目前，4～100

ｋＷ三相異步電動(dòng)機(jī)多數(shù)設(shè)計(jì)成380

Ｖ的三角形連接，因此這種方法應(yīng)用非常廣泛。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.13自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)線路第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.繞線式電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)可以在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻啟動(dòng)，圖3.14為原理接線圖。啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組電路中接入外接電阻，在啟動(dòng)過(guò)程中逐步切除啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)完畢后將外接電阻全部短接，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。圖3.14繞線式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)線路圖第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子電路接入電阻以后，減小了啟動(dòng)電流，同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電路電阻的增加，可使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，可見(jiàn)，其啟動(dòng)性能優(yōu)于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，故常用于啟動(dòng)頻繁及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較大的生產(chǎn)機(jī)械上（如起重機(jī)械等）。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)3.4.1圖3.15三相異步電動(dòng)機(jī)的電源反接制動(dòng)第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)電源反接制動(dòng)如圖3.15所示，若三相異步電動(dòng)機(jī)正在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將定子電源線中的任意兩相反接，電動(dòng)機(jī)三相電源的相序突然轉(zhuǎn)變，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也立即隨之反向，轉(zhuǎn)子由于慣性的原因仍在原來(lái)的方向上旋轉(zhuǎn)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向剛好相反。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也同原來(lái)相反，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向也相反，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的制動(dòng)作用，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降為零，使被拖動(dòng)的負(fù)載快速剎車。這時(shí)，需及時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)將反向啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)這種制動(dòng)的特點(diǎn)是制動(dòng)時(shí)在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生很大的沖擊電流，從而也對(duì)電源產(chǎn)生沖擊。為了限制電流，在制動(dòng)時(shí)，常在鼠籠式電動(dòng)機(jī)定子電路中串接電阻限流。在電源反接制動(dòng)下，電動(dòng)機(jī)不僅從電源吸取能量，而且還從機(jī)械軸上吸收機(jī)械能（由機(jī)械系統(tǒng)降速時(shí)釋放的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)）并轉(zhuǎn)換為電能，這兩部分能量都消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。這種制動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)強(qiáng)度大，制動(dòng)速度快；缺點(diǎn)是能量損耗大，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電源產(chǎn)生的沖擊大，也不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.4.2能耗制動(dòng)使用異步電動(dòng)機(jī)電源反接制動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車有一定困難，因?yàn)樗菀自斐煞崔D(zhuǎn)，能耗制動(dòng)則能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。如圖3.16所示，能耗制動(dòng)方法就是在電動(dòng)機(jī)切斷三相電源同時(shí)，將一直流電源接到電動(dòng)機(jī)三相繞組中的任意兩相上，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)。由于異步電動(dòng)機(jī)及所帶負(fù)載有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)仍在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，對(duì)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用。在它的作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，此時(shí)機(jī)械系統(tǒng)存儲(chǔ)的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能后消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上，所以稱能耗制動(dòng)。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.16三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)這種制動(dòng)方式的特點(diǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)激磁直流電流的大小，來(lái)對(duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。當(dāng)轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，轉(zhuǎn)子不再切割磁場(chǎng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之為零。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.17異步電動(dòng)機(jī)的發(fā)電反饋制動(dòng)第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速就是電動(dòng)機(jī)在同一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)過(guò)程的需要。有些生產(chǎn)機(jī)械，為了加工精度的要求，例如一些機(jī)床，需要精確調(diào)整轉(zhuǎn)速。另外，像鼓風(fēng)機(jī)、水泵等流體機(jī)械，根據(jù)所需流量調(diào)節(jié)其速度，可以節(jié)省大量電能。所以三相異步電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)是它的一個(gè)非常重要的應(yīng)用方面。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)3.5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速變極調(diào)速就是改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)ｐ，從而使電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速，通常通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是只能有級(jí)調(diào)速，調(diào)速的級(jí)數(shù)不可能多，因此只適用于不要求平滑調(diào)速的場(chǎng)合。改變繞組的連接可以有多種方法，可以在定子上安裝一套能變換為不同磁極對(duì)數(shù)的繞組；也可以在定子上安裝兩套不同磁極對(duì)數(shù)的單獨(dú)繞組；還可以混合使用這兩種方法以得到更多的轉(zhuǎn)速。變極調(diào)速只適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槭蠡\轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)能自動(dòng)隨定子繞組磁極對(duì)數(shù)的變化而變化。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)采用改變定子繞組極數(shù)的方法來(lái)調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)稱為多速電動(dòng)機(jī)。最常見(jiàn)的是雙速電動(dòng)機(jī)。圖3.18所示為△／ＹＹ連接雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接線原理圖。雙速電動(dòng)機(jī)的定子繞組的連接方式常有兩種：一種是繞組從三角形改成雙星形，如圖3.18（ａ）所示的連接方式轉(zhuǎn)換成如圖3.18（ｃ）所示的連接方式，另一種是繞組從單星形改成雙星形，如圖3.18（ｂ）所示的連接方式轉(zhuǎn)換成如圖3.18（ｃ）所示的連接方式，這兩種接法都能使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的磁極對(duì)數(shù)減少一半即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高一倍。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖3.18雙速電動(dòng)機(jī)定子繞組接線第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，為了保證電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不變，就要保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通量不變。由式（2.6）可知，為了改變頻率ｆ１而保持磁通Φｍ不變，必須同時(shí)改變電源電壓，使比值Ｕ１／ｆ１保持不變。第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

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圖3.19晶閘管變頻調(diào)速裝置第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

第３章三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑，但由于一部分功率消耗在變阻器上，使電動(dòng)機(jī)的效率降低，且轉(zhuǎn)速太低時(shí)機(jī)