第6章三相異步電動機電力拖動(3)

1、本章重點,第6章 三相異步電動機的電力拖動,本章內(nèi)容,內(nèi)容提要：,本章介紹三相異步電動機機械特性的特點及參數(shù)表達式和實用表達式，討論三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性，闡述三相異步電動機的起動、調(diào)速和制動的各種方法、特點和應(yīng)用。,下 頁,上 頁,返 回,1. 機械特性的特點、表達式,3. 三相異步電動機的常用起動方法、特點和適用范圍,重點：,2. 三相異步電動機的人為機械特性,4. 三相異步電動機的各種調(diào)速方法、原理和應(yīng)用,5. 三相異步電動機的各種制動方法、原理和應(yīng)用,下 頁,上 頁,返 回,本次課程內(nèi)容和教學(xué)要求,內(nèi)容： 異步電動機各種運行狀態(tài)。 要求： 掌握各種制動原理和機械特性

2、以及應(yīng)用 場合。,下 頁,上 頁,返 回,6.6三相異步電動機的制動,電動運行狀態(tài) T與n方向一致，nn1，0s1， T為拖動轉(zhuǎn)矩，特性在 第、象限。,下 頁,上 頁,返 回,下 頁,上 頁,返 回,制動運行狀態(tài),電磁制動分為能耗制動，反接制動，回饋制動 (再生發(fā)電制動)。 電磁制動是使三相異步電動機在運行中快速停 車、反向或限速。電磁制動的特 點是產(chǎn)生一個與電動機轉(zhuǎn)向相反 的電磁轉(zhuǎn)矩，且希望與起動時的 要求相似，即限制制動電流， 增大制動轉(zhuǎn)矩，使拖動系統(tǒng) 有較好的制動性能。,下 頁,上 頁,返 回,6.6.1 能耗制動,1.制動方法及制動原理 方法 將正在運行的三相異步 電動機定子繞組斷開三

3、相交 流電源，同時在定子兩相繞 組內(nèi)通入直流電流。電動運 行狀態(tài)時，KM1閉合，能耗 制動時KM1斷開，KM2閉合,下 頁,上 頁,返 回,下 頁,上 頁,返 回,制動原理,當定子繞組拉開三相交流電，通入 直流電時，定子磁場變?yōu)楣潭ú粍拥暮?定磁場。轉(zhuǎn)子由于慣性仍順時針方向旋 轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢 和感應(yīng)電流的方向與電動狀態(tài)時相反， 從而使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與電動狀 態(tài)時相反，即T為逆時針方向，這時T與 n方向相反，故為制動狀態(tài)。當轉(zhuǎn)速n=0 時，T=0，電動機不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。從 而能準確停車。,下 頁,上 頁,返 回,制動過程中， n0，T0，所以 特性在象限 能量關(guān)系為：

4、 動能電能 消耗 在轉(zhuǎn)子電阻上。,制動過程中，電磁轉(zhuǎn)矩始終為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路電阻上，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，當轉(zhuǎn)子動能消耗完，轉(zhuǎn)子就停止轉(zhuǎn)動能耗制動。,下 頁,上 頁,返 回,2.能耗制動時的機械特性,(1)能耗制動時轉(zhuǎn)差 電動機處于電動狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子以n切割定子旋轉(zhuǎn)磁 場，其轉(zhuǎn)差率為s=(n1-n)/n1。 能耗制動時，定子繞組通入直流I-產(chǎn)生固定磁勢F-， 轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n切割定子固定磁場。將轉(zhuǎn)子看成不動，定子固 定磁場朝相反方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，結(jié)果與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時相同。 這時能耗制動的轉(zhuǎn)差率s=n/nb， nb為制動瞬間電機轉(zhuǎn)速。 當n=0時，能耗制動的轉(zhuǎn)差率sn=0；剛制動時

5、，n=nb， s=1，這時轉(zhuǎn)子電勢最大 sE2=E2，電抗為 sX2=X2 。 所以能耗制動時其轉(zhuǎn)差為0s1。,下 頁,上 頁,返 回,(2)機械特性,由于定子繞組接入直流電，磁場的旋轉(zhuǎn)速度為零，所以機械特性由電動狀態(tài)時的過同步點變成能耗制動時的過原點。即機械特性曲線的形狀也與電動機相似，只是n=0時，T=0 。,下 頁,上 頁,返 回,對籠型異步電動機,可以增大直流勵磁電流來增大初始制動轉(zhuǎn)矩（c點）。,對繞線型異步電動機,可以增大轉(zhuǎn)子回路電阻來增大初始制動轉(zhuǎn)矩（d點）。,制動電阻大?。?c,d,剛制動時，n=nb，s=1，制動電流過大而制動轉(zhuǎn)矩較小 （b點）,I1 Tm Tb,（ r2+Rb

6、k） sm Tb,B,下 頁,上 頁,返 回,(3)特點與應(yīng)用,特點：機械特性過原點，即n=0時T=0；能耗制動時，制動平穩(wěn)，能準確快速地停車；由于定子繞組和電網(wǎng)脫開，電機不從電網(wǎng)吸取交流電能（只吸取少量的直流勵磁電能），從能量的角度看，能耗制動比較經(jīng)濟；拖動系統(tǒng)制動至轉(zhuǎn)速較低時，制動轉(zhuǎn)矩也較小，低速時制動效果不理想 。 應(yīng)用： 位能性負載，可以放下重物，如圖B點以穩(wěn)定 速度nB下放重物。 反抗性負載，用以迅速，準確停車。,下 頁,上 頁,返 回,6.6.2 反接制動,反接制動狀態(tài)是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場方 向相反，即轉(zhuǎn)速n和同步轉(zhuǎn)速n1反向的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制

7、動。,下 頁,上 頁,返 回,1.電源反接制動,(1)方法及制動原理 方法 將三相定子繞組二相出線頭對調(diào)一下，則n1反轉(zhuǎn)，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變，稱反接正轉(zhuǎn)，n10，s1； 同時在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)(繞線型異步電動機)串入三相對稱電阻Rbk。,電源反接制動又稱定子兩相反接的反接制動。,下 頁,上 頁,返 回,磁場模型,下 頁,上 頁,返 回,原理,反接瞬間：n1-n1, n由于慣性來不及變化。,這時s較大 sE2較大I2很大。為限制轉(zhuǎn) 子電流，要串制動電阻(轉(zhuǎn)子回路中Rbk) 。,制動瞬間：,制動瞬間因sa很小，na n1，所以sb 2。,制動瞬間轉(zhuǎn)子回路串入大電阻，若改變串入的電阻值可改變制動特性的斜率

8、。,下 頁,上 頁,返 回,特性,定子繞組兩相對調(diào)，旋轉(zhuǎn)磁場反向，機械特性曲線過-n1點（同步點）。,機械特性由曲線1變?yōu)榍€2，在電動機轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩共同作用下，迫使電動機很快減速到C點，工作點由AB C，n=0，制動過程結(jié)束。,BC段為電源反接制動的制動特性,設(shè)電機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載,下 頁,上 頁,返 回,要想停車，需在n=0時拉 閘。否則，若電機拖動反抗 性負載，而且C點的電動機 轉(zhuǎn)矩T大于負載轉(zhuǎn)矩，則反 向起動到D點穩(wěn)定運行。CD 段為反向電動狀態(tài)特性。,注意：,若電動機拖動位能性負載，則要從反向電動狀態(tài) 繼續(xù)加速到-n1 (E)點，再到反向回饋制動狀態(tài)的F 點，才能穩(wěn)定運行。,下 頁,

9、上 頁,返 回,(3)能量關(guān)系(BC段特性),電源反接制動時， s1,電源上輸入電功率,系統(tǒng)儲存的機械功率,機械功率為負，說明電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為正說明電機從電源輸入電功率，并從定子向轉(zhuǎn)子傳遞功率。,表明，軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變成電功率后，連同定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，所以反接制動的能量損耗較大。,而,下 頁,上 頁,返 回,繞線式電動機在定子兩相反接同時,可在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)制動電阻來限制制動電流和增大制動轉(zhuǎn)矩。,(4) 制動電阻的計算,設(shè)sg為固有機械特性上對應(yīng)任意給定轉(zhuǎn)矩T的轉(zhuǎn)差率,當ssN，特性可視為直線，采用機械特性直線表達式,轉(zhuǎn)子串入電阻的人為機械

10、特性，Tm不變，sm變?yōu)閟m,下 頁,上 頁,返 回,人為機械特性上，存在,對比,式中：,下 頁,上 頁,返 回,(轉(zhuǎn)子Y接),(5) 特點與應(yīng)用,適用于迅速正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。 一些頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，經(jīng)常采用反接制動停車，接著反向起動。,反接制動的制動轉(zhuǎn)矩即使在轉(zhuǎn)速降至很小時，仍較大，因此制動迅速，停車比能耗制動停車速度快；但能量損失較大，經(jīng)濟性較差。,下 頁,上 頁,返 回,例 一橋式吊車的主鉤電動機采用某2p=8的三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機傳動。從產(chǎn)品目錄中查得該電動機的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：PN=22kW，UN=380V，nN=723r/min，IN=56.5A，E2N=197V，I2N=70

11、.5A。該電動機在固有機械特性上提升0.8TN的負載，今欲快速停車，采用電源反接制動，在制動瞬時制動轉(zhuǎn)矩為1.6TN，問須串入多大的制動電阻？（不計T0）,解：,作固有機械特性曲線1,下 頁,上 頁,返 回,T=0.8TN，a點的轉(zhuǎn)速na為,制動開始（跳變）點（na，-1.6TN）處于過（-n1，0）點的曲線2上，則它的轉(zhuǎn)差率為,下 頁,上 頁,返 回,尋找與s所在的人為機械特性相對應(yīng)的固有機械特性，它們必須過共同的同步點，因此對應(yīng)的是過-n1的反向固有機械特性，如圖中所示的曲線3（第象限），與曲線2上b點同轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)點是曲線3上的b點，b點的sg=1.6sN,曲線2上b點的轉(zhuǎn)差率為,制動電阻

12、,下 頁,上 頁,返 回,2. 倒拉反接制動,條件: 適用于繞線式異步電動機帶位能性負載情況，將重物勻低速放下。,倒拉反接制動又稱轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的反接制動。,(1)方法及制動原理,繞線式異步電動機定子接線 與正向電動狀態(tài)時一樣，轉(zhuǎn)子 串入適當較大的電阻。 正接反轉(zhuǎn) ，特性于象限 ， n10，n1 。,下 頁,上 頁,返 回,當電機提升重物G，電機以 na轉(zhuǎn)速提升重物。這時線路中轉(zhuǎn)子回路沒有外串電阻。,下 頁,上 頁,返 回,在轉(zhuǎn)子回路串入足夠大電阻Rbk，使 ，對應(yīng)的人為機械特性與位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性的交點落在第象限，如圖中曲線2所示。,電機工作點由ab c，n=0，制動過程開始，電機反轉(zhuǎn)，直到d點

13、。在第四象限cd段才是制動狀態(tài)。,串入電阻的瞬時，轉(zhuǎn)速n由于機械 慣性來不及變化，工作點從a點水平 跳變到曲線2的點b。由于Tb0而n0， T為制動轉(zhuǎn)矩起限速作用，使下放重物不會出現(xiàn)危險的高速度，電動機開始進入反接制動狀態(tài)。,下 頁,上 頁,返 回,電源上輸入電功率,系統(tǒng)儲存的機械功率,機械功率為負，說明電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為正說明電機從電源輸入電功率，并從定子向轉(zhuǎn)子傳遞功率。,表明，軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變成電功率后，連同定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，所以反接制動的能量損耗較大。,而,(2)能量關(guān)系（cd段）,轉(zhuǎn)差率：,下 頁,上 頁,返 回,(3)制動電阻的計

14、算方法,以固有機械特性為準，求出,sg為固有機械特性上對應(yīng)任意給定轉(zhuǎn)矩T( a點)的轉(zhuǎn)差率,下 頁,上 頁,返 回,(4)特點和應(yīng)用,特點： s1 ，運行過程中能量消耗多，改變 轉(zhuǎn)子串接電阻，可變速度。 應(yīng)用： 適用于位能性負載下放重物。,下 頁,上 頁,返 回,異步電動機的回饋制動包括正向回饋制動過程和反向回饋制動運行。三相異步電動機正向（或反向）回饋時，電機處于異步發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)減小的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿虢涣麟娋W(wǎng)。,6.6.3 回饋制動 (再生發(fā)電制動),電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反，且|n|n1|、s0,1.反向回饋制動,電動機轉(zhuǎn)子在外力作用下，使|n|n1|，適用于將重物高速穩(wěn)定下放，稱

15、反向再生發(fā)電制動或下放重物時的回饋制動。,下 頁,上 頁,返 回,制動原理,當異步電動機拖動位能負載高速 下放重物時將定子兩相反接，定子 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為-n1，特性曲 線變?yōu)?。工作點由a到b，電磁轉(zhuǎn) 矩與負載轉(zhuǎn)矩同向，進入制動； 經(jīng)過反接制動過程（由b到c）、 反向電動加速過程（電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩共同作用、c到-n1變化），最后在位能負載作用下反向加速并超過同步速，直到d點(T=TL)保持穩(wěn)定運行。,電機機械特性曲線1，運行于a點。,在第四象限-n1到d段是回饋制動狀態(tài)。,轉(zhuǎn)子回路串電阻越大，下放速度越高，圖中曲線3的d點，一般為使反向回饋制動時下放重物的速度不至于太高，通常是將轉(zhuǎn)子回路

16、中的反接制動電阻切除。,下 頁,上 頁,返 回,電源上輸入電功率,系統(tǒng)儲存的機械功率,機械功率為負，說明電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為負說明由轉(zhuǎn)子輸入機械功率傳到定子，再返回電源，這時電機為一臺異步發(fā)電機，又因這時T、n方向相反故為制動狀態(tài)，稱回饋制動或再生發(fā)電制動。,(2)能量關(guān)系（ -n1到d段）,轉(zhuǎn)差率：,下 頁,上 頁,返 回,(3)特點和應(yīng)用,特點： n1|n1|，運行過程中從電 網(wǎng)吸收無功建立磁場，向電網(wǎng)輸送有功，經(jīng)濟性 好；但它的|n|n1| ，下放重物的安全性較差。 應(yīng)用： 適用于電機拖動位能性負載下放重物。,下 頁,上 頁,返 回,2.正向回饋制動,發(fā)生在采用變極（增加極

17、數(shù)）或變頻（降低頻率）進行調(diào)速時。,制動原理,當電機采用變極（增加極數(shù)）或變頻（降低頻率）進行調(diào)速時，機械特性變?yōu)?。同步速變?yōu)?。,電機工作點由a變到b，電磁轉(zhuǎn)矩為負， ，電機處于回饋制動狀態(tài)(b到n1段)。,特點,電源相序不變，電機轉(zhuǎn)速n高于同步轉(zhuǎn)速n1，正向回饋制動過程位于第II象限， n10，n0 ， s0。,下 頁,上 頁,返 回,三相異步電動機的各種運行狀態(tài),下 頁,上 頁,返 回,三相異步電機的四象限運行,三相異步電動機各種運行狀態(tài)實現(xiàn)條件,下 頁,上 頁,返 回,6.6.4 軟停車與軟制動（了解）,1. 轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式,轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式,制動停車方式,2. 制動停車方式,

18、下 頁,上 頁,返 回,軟停車方式通過調(diào)節(jié)軟啟動器的輸出電壓逐漸降低而切斷電源，這一過程時間較長且一般大于自由停車時間，故稱為軟停車方式。轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式，是在停車過程中，勻速調(diào)整電動機轉(zhuǎn)矩的下降速率，實現(xiàn)平滑減速。減速時間t1可設(shè)定。應(yīng)用如高層建筑、樓宇的水泵系統(tǒng)，要求電動機逐漸停機場合。,利用軟啟動器的能耗制動功能來實現(xiàn)電動機的快速停機。能耗制動時，軟啟動器向電動機定子繞組通入直流電?？稍O(shè)定制動電流加入的幅值IL1和時間t1，但制動開始到停車時間不能設(shè)定，時間長短與制動電流有關(guān)，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用情況，調(diào)節(jié)加入的制動電流幅值和時間來調(diào)節(jié)制動時間。,本章小結(jié)1,本章介紹了三相異步電動機的機械特

19、性、起 動、制動與調(diào)速。 機械特性則是異步電動機運行特性中最重要， 三相異步電動機的機械特性是指在電動機定子電 壓、頻率以及繞組參數(shù)一定的條件下，電動機電磁 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，即n=(T)或s=(T)。 機械特性可用函數(shù)表示，也可同曲線表示，用函數(shù) 表示時，有三種表達式：物理表達式、參數(shù)表達式 和實用表達式，三種表達式各有不同的適用場合。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)2,起動性能指標是起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動電流倍 數(shù)，影響起動性能指標的因數(shù)主要有定子端電壓 U1、定、轉(zhuǎn)子的漏電抗和轉(zhuǎn)子電阻。三相異步電動 機的起動應(yīng)考慮：要限制起動電流、要有足夠的起 動轉(zhuǎn)矩以及起動的經(jīng)濟性。具體起動方法

20、有：直接 起動、降壓起動、轉(zhuǎn)子回路串電阻或串頻敏變阻器 起動，各種起動方法各有優(yōu)缺點和適用場合，采用 時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇與校驗。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)3,三相異步電動機的調(diào)速方法主要有：變極調(diào) 速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。變極調(diào)速是通過改 變定子半相繞組的接線方式來實現(xiàn)調(diào)速的，其調(diào)速 范圍小，是有級調(diào)速，但設(shè)備簡單，特性硬，運行 可靠，效率高，一般適用于調(diào)速要求不高的場合。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)4,變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速又包括降低定子電壓的調(diào)速、 繞線轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速、串極調(diào)速和滑差電機調(diào)速 方法，其中降低定子電壓調(diào)速的方法，調(diào)速范圍 小，低速運行時功率因數(shù)和效率都很低，電機

21、發(fā)熱 嚴重。如果要求在拖動恒轉(zhuǎn)矩負載有較寬的調(diào)速范 圍，可選用高轉(zhuǎn)差率的電動機，但較軟的機械特性 會在擾動出現(xiàn)時引起較大的轉(zhuǎn)速降，甚至使系統(tǒng)無 法工作，為了提高調(diào)速的機械特性硬度，可采用轉(zhuǎn) 速閉環(huán)系統(tǒng)。繞線轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 方法，其調(diào)速范圍不大，效率低，但設(shè)備簡單，易 于實現(xiàn)。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)5,繞線轉(zhuǎn)子串極調(diào)速方法，機械特性較硬，調(diào)速 范圍較寬，效率高，可實現(xiàn)無級調(diào)速，但低速運行 的過載能力低，設(shè)備體積大，成本高?；铍姍C調(diào) 速結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，調(diào)速平滑性好，可實現(xiàn)無 級調(diào)速，閉環(huán)控制的調(diào)速范圍可擴大。但低速運行 損耗大、效率低，適用于通風(fēng)機類的設(shè)備。變頻調(diào)

22、速方法具有頻率連續(xù)可調(diào)，可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速 范圍大，機械特性硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，效率高等特 點，變頻調(diào)速是現(xiàn)代交流調(diào)速的方向。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)6,當電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反時異步電動機處于 制動狀態(tài)。實現(xiàn)三相異步電動機電氣制動方法主要 有：能耗制動、反接制動和回饋制動，其中能耗制 動在制動時不需電網(wǎng)供電，經(jīng)濟性好，并能在任何 轉(zhuǎn)速下實施制動，但需要整流設(shè)備提供直流電。反 接制動也能在任何轉(zhuǎn)速下開始制動，制動轉(zhuǎn)矩大， 制動迅速、效果好，制動過程中轉(zhuǎn)子具有的機械能 和從電網(wǎng)輸入的電能全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，故經(jīng) 濟性相對較差?；仞佒苿幽軐⑥D(zhuǎn)子具有的機械能反 饋給電網(wǎng)，經(jīng)濟性好。,下 頁,上 頁,返 回,本章小結(jié)7,三相異步電動機因電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間 的方向不