异步电机电力拖动（注册电气工程师考试课件）

null第 十章 异步电机的电力拖动第 十章 异步电机的电力拖动10.1 三相异步电动机的机械特性 10.2 电力拖动系统的运行状态 null10.1 三相异步电动机的机械特性一、电磁转矩公式 1. 电磁转矩的物理公式 Pe = m2 E2 I2 cos2 E2 = 4.44 f1 kw2N2ΦmT = CTΦm I2 cos2※ 转矩常数: null2. 电磁转矩的参数公式利用简化等效电路: null◆ 临界转差率： ◆最大（临界）转矩： ● 电动状态取 “ + ”，发电状态取 “－”。 ● R1 ＜＜ (X1 + X2' ) null◆ 结论:① T ∝U12 ， sM 与 U1 无关; ② sM∝R2'，TM 与 R2'无关。3. 电磁转矩的实用公式忽略 R1 ：null二、固有机械特性当 U1 、f1、R2、X2 = 常数时： T = f (s ) n = f (T) —— 转矩特性 —— 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，机械特性称为固有机械特性。null1. 额定状态（N点） ※ 额定状态是指各个物理 量都等于额定值的状态。 N点： n = nN ， s = sN ， T = TN ，P2 = PN。※ 额定状态说明了电动机长期运行的能力： TL≤TN， P2≤PN，I1≤IN（N•m）null2. 起动状态（ S 点）对应：s = 1，n = 0 的状态。 ——又称为堵转状态。 起动时： T = Tst， I1L = IstTst ——直接起动的能力。 ◆ 起动条件： (1) Tst > TL (2) Ist＜线路允许值 ◆ 起动转矩倍数（笼型异步电动机）:Tst◆ 起动电流倍数:null临界转速3. 临界状态（M 点）对应：s = sM ，T = TM 的状态。◆ 临界状态明了电动机的 短时过载能力。 ◆ 过载倍数：◆ 临界转差率sM （由转矩的实用公式得出）= 2 ~ 2.2±null4. 回馈制动状态n0当：n＞n0 时， s＜0 ——回馈制动状态。 | sM' | = | sM | | TM' | ＞| TM |null工作段 自适应负载能力是 电动机区别于其它动力 机械的重要特点。 a点→TL↑直至新的平衡 a'点T－TL ＜ 0→n↓◆ 电动机的自适应负载能力 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动 调整这种能力称为自适应负载能力。→I2↑→T↑I1↑→P1↑如:柴油机当负载增加时， 必须由操作者加大油门， 才能带动新的负载。null二、人为机械特性1. 降低定子电压时的人为特性UN0.81Tst0.9UN降低定子电压转速稳定后： n＜nN s＞sN T = TLI2'＞ I2N'null2. 转子电路串联对称电阻时的人为特性R2sM∝R2' TM 与 R2' 无关R2+RΩ1R2+RΩ1+RΩ2◆ 转子串联合适 的电阻: Tst →TM3. 定子电路串联对称电抗 或电阻时的人为特性X1(R1)↑→ sM、TM、Tst ↓null4. 改变定子电源频率时的人为特性(1) f1 ＜ fN◆ 为保持：Φm = 常数 ∵ n0∝ f1 ,∴ △nM = n0－nM = sM n0（不变）而且：TM 不变（ 忽略R1 ）nullf1fN∨(2) f1＞fN ， U1 = UN（不变） 调频时：f1↑→ Φm ↓n0∝ f1△nM = n0－nM = sM n0 (不变)而且：f1fN∨null××(a) p = 2(b) p = 15. 改变磁极对数时的人为特性null(a) YY(p )(b) Y(2p )(c) △(2p )◆ 定子绕组常用的接法：null(1) YY－Y：● p－2p： n0 → n0/2。● X1(R1) → 4X1(R1)，N1→2N1 (kZ→4kZ) ，U1不变： ① sM 不变。 ②△nM = n0－nM = sM n0 →sMn0/2。 ③ TM (Tst) → TM (Tst) /2 。YYYnull(2) YY － △ ：● p －2p： n0 → n0/2。● X1(R1) → 4X1(R1)， N1 → 2N1，△YY① sM 不变。 ②△nM = n0－nM = sM n0 → sMn0/2。 ③ TM (Tst) → 1.5TM (Tst) 。补充: 三相异步电动机参数计算补充: 三相异步电动机参数计算一、技术数据: PN (kW) 、U1N (V) 、I1N (A) 、 nN ( r/min) ηN (%)、 cos1N 、αMT 、GD2 ( N·m2) 绕线型： U2N (V) 、I2N (A) 笼型： αst、αsc 二、依据技术数据计算其他参数: TN、TM、sM、R1、X1、k、R2、X2、I0。null2. 最大转矩和临界转差率：Tm = KT TN ( N·m) 3. 绕线型电动机的转子绕组每相电阻：4. 电压比：(定子Y联结)null(定子△ 联结)●如果 m1 = m2则： k = ke = ki5. 转子绕组每相电阻的折算： r2´ = k 2r2 6. 定子绕组每相电阻：(定子Y 联结)(定子△联结)null7. 定、转子电抗 (m1 = 3， f1 = 50Hz)：x = x1+ x2' =x1≈x2' ≈ 0.5x8. 空载电流 I0 ：I0= I1Nsin1N－I2N' sin2N I1Ncos1N = I1Ncos2N I0= I1N (sin1N－cos1N tan2N )null(1) 用实用表达式绘制固有特性；(2) 当αst' = 2 时， 求转子串联的电阻并绘制人为特性； (3) 当Tst' = TM 时，求转子串联的电阻。 解：(1) 例1：一台绕线型异步电动机的技术数据为： PN = 280 kW，U1N = 6 kV，I1N = 36.2 A， nN = 490 r/min，N = 90.5%， cos1N = 0.78， U2N = 484 V，I2N = 353 A，αMT = 2.35。= 0.02= 5457.14 N·m= 0.0158 Ωnull= 0.08953TM =αMTTN = 2.35×5457.14= 12 824.286 N·mnM = (1－sM) n0 = 500(1－0.08953) = 455.235 r/min = 2 278.06 N·m ※ 依据：(Tst，0) 、(TM，nM )、 (TN，nN) 和 (0，n0) 绘制固有特性。null(2) 当αst' = 2 时，求转子串联的Rst并绘制人为特性→ sM'2 －αMTsM' + 1 = 0→nM' =(1－sM' ) n0 null依据：则：当 sM' = 0.558 时：当 sM' = 1.792 时：sN' = 0.1246，2.498sN' = 0.4，8.022（舍去）（舍去）nN' = (1－sN' ) n0 ※ 依据：(Tst'，0 ) 、(TM，nM' )、 (TN，nN' ) 和 ( 0，n0 ) 绘制人为特性。－nullTN※ 验算： sM' = 0.558 时： Tst' = 10 914.28 N·m sM' = 1.792 时： Tst' = 10 914.28 N·m (3) 当Tst' = TM 时，Tst'= 0.161 Ω即： sM' = 1null10.2 电力拖动系统的运行状态一、负载的机械特性 n = f (TL) ◆ 转速和转矩的参考方向： 1. 恒转矩负载特性 (1) 反抗性恒转矩负载特性： ●由摩擦力产生的。 ●当 n＞0， TL＞0。 ●当 n＜ 0，TL＜0。 ●如机床平移机构、 压延设备等。null(2) 位能性恒转矩负载特性：●由重力作用产生的。 ●当 n＞0， TL＞0。 ●当 n＜ 0，TL＞0。 ●如各种起重机。2. 恒功率负载特性● TL n = 常数。 ● 如机床的主轴系统等。null3. 通风机负载特性● TL∝n2 ● TL 的始终与 n 的方向相反。 ● 如通风机、水泵、油泵等。T0TL = T0 + k n2实际的通风机负载实际的机床平移机构null二、稳定运行条件工作点：在电动机的机械特性与负载 的机械特性的交点上。稳定运行:即：T－TL = 0运动方程:T－TL＞ 0→加速T－TL＜ 0→减速n = 常数过渡过程:null干扰→n↓稳定运行点不稳定 运行点→ a点→T↑→n↑→T↓b 点:a 点:干扰→n↓→T↓干扰→n↑→T↑→n↑↓→n = 0→堵转→n↓↑→ a点稳定运行的充分条件: →T＞TL→T = TL→T＜TL→T＞TL第 十一章 异步电机的起动与制动第 十一章 异步电机的起动与制动 11.1 三相异步电动机的起动 11.2 三相异步电动机的制动11.1 三相异步电动机的起动 11.1 三相异步电动机的起动 一、电动机的起动指标： ◆ 起动转矩足够大。 ◆ 起动电流不超过允许范围。 ◆异步机的实际起动情况： 起动电流大：Ist = αsc IN = (5.5～7) IN 起动转矩小：Tst =αstTN = (1.6～2.2) TN ◆ 不利影响： (1) 大电流使电网电压降低，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。 null二、笼型异步电动机的直接起动1. 小容量的电动机（≤7.5kW） 2. 电动机容量满足如下要求：null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：R(L)Q1Q2FU运行起动null适用于：正常运行为△联结的电动机。 Y型起动，型运行。2. Y－  减压起动： Y型起动型起动（型运行）null◆ Y型起动的起动电流为：∵　T ∝U12 ，◆ Y型起动的起动转矩为：◆ Y－  减压起动的特点： (1) 电源电压不变，改变定子绕组接法； (2) 减压比为: null否则不能采用此法。(1) IstY＜Imax （线路中允许的最大电流）； (2) TstY＞TL 。◆ Y－  减压起动的使用条件：null定子电流： kAIst线路电流：IstA= kA2Ist3. 自耦变压器减压起动UN= kAUN降压比为:U1U1定子电压：◆ 自耦变压器减压起动的起 动电流为：IstA= kA2Istnull◆ 自耦变压器减压起动的特点： (1) 定子绕组接法不变，改变定子绕组的电压； (2) 降压比 KA 可调: U1 = ( 0.4、0.6、0.8) UN U1 = ( 0.55、0.64、0.73) UN◆ 自耦变压器减压起动的起动转矩为：TstA = kA2 Tstnull(1) IstA＜Imax （线路中允许的最大电流）； (2) TstA＞TL 否则不能采用此法。 ◆自耦变压器电压比的选择：◆自耦变压器减压起动的使用条件：kA2 Ist ＜Imax kA2 Tst ＞TLnull4. 延边三角形减压起动适用于：正常运行为△联结的电动机。 延边三角形起动，型运行。null说明：关于起动转矩大小的几点考虑※ 设减压起动的起动转矩为：Tst' 起动电流为：Ist' ※ 带负载起动时，要求： Tst' ＞TL 1.考虑加速转矩 Tst' ≥(1.1~1.2)TL 2.考虑电源电压波动3.考虑谐波的影响null四、改善起动性能的三相笼型异步电动机1.深槽异步电动机 槽深 h 与槽宽 b 之比为：h / b = 10 ~ 12漏电抗小 ↑ 漏电抗大增大 ↑ 电流密度◆ 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↑→ Tst↑◆ 运行时： f2 很低，漏电抗很小，集肤效应消失，R2↓null2.双笼型异步电动机电阻大 漏抗小 电阻小 漏抗大◆ 起动时 f2 高： 漏抗大，起主要作用， I2 主要集中在外笼， 外笼 R2 大上笼 （外笼） 下笼 （内笼）→ Tst 大;◆ 运行时 f2 很低 ： 漏抗很小，R2 起主要作用， I2 主要集中在内笼,外笼 —— 起动笼。内笼 —— 工作笼。null1. 分级起动过程3(R22)2(R21)1(R2)(1)串联 Rst1和 Rst2 起动(特性3)： 总电阻 R22 = R2 + Rst1+ Rst2(2) 合上 Q1 ，切除 Rst2 (特性2)： 总电阻 R21 = R2+ Rst1(3) 合上 Q2 ，切除 Rst1 (特性1)： 总电阻: R2五、绕线型异步机转子电路串电阻起动null2. 起动级数与起动电阻的计算(1) 选择 T1 和 T2: 起动转矩： T1 = (0.8 ~ 0.9) TM 切换转矩： T2 = (1.1 ~ 1.2) TL 起切转矩比：(2) 求出 R2 ：null(3) 起动级数与起动电阻的关系当 s＜＜sM 时：●当 s 不变时：b点和 c点d 点和 e点=β●当 sM 不变时： T ∝ snull= … ◆ 对于 m 级起动：=βR21 =βR2 R22 =βR21 … … R2m = βR2(m－1) =β2R2 … =βm R2Rst1 = R21－R2 Rst2 = R22－R21 … Rstm = R2m－R2(m－1)null ● 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， ● 转子电路正常运行时: f2 低，电阻小，Tst' 大， Ist' 小。自动切除变阻器。二、转子电路串频敏变阻器起动null11.2 三相异步电动机的制动一、能耗制动 1. 制动原理n + U －×●制动前： Q1 合上，Q2 断开， M 为电动状态。●制动时： Q1 断开，Q2 合上。 M 为制动状态。定子：U→I1→Φ转子：n→E2→ I2Tnull2. 能耗制动时的机械特性特点： ① 因T 与 n 方向相反， n ~ T 曲线在第Ⅱ、 Ⅳ象限。 ② 因 n = 0 时， T = 0， n ~ T 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'＜null3. 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。a 点b 点原点 O (n = 0，T = 0)，(T＜0，制动开始)制动过程结束。(2) 制动效果： Rb↓→I1↑→Φ↑→T↑→制动快(3) 制动时的功率： 定子输入：P1 = 0，轴上输出：P2 = TΩ＜0动能 P2 转子电路的电能， PCu2消耗掉。null4. 能耗制动运行 —— 下放重物a 点b 点(T＜0，制动开始)原点 O (n = 0，T = 0),在TL作用下 n 反向增加c 点(T = TL),制动运行状态以速度 nc 稳定下放重物。 ◆ 制动效果： 由制动回路的电阻决定。null二、反接制动1. 定子两相反接的反接制动——迅速停车电动状态制动状态(1) 制动原理：null制动前：正向电动状态；制动时：定子相序改变， n0 变向。即：s ＞1 (第Ⅱ象限)。 同时：E2s、I2 反向，T 反向。a 点b 点(T＜0，制动开始)c 点(n = 0，T ≠ 0),制动结束。到 c 点时，若未切断电源，M 将反向起动。null取决于 Rb 的大小。(2) 制动效果：(3) 制动时的功率：＞0PCu2 = m1(R2' + Rb' ) I2'2 = Pe－Pm = Pe + |Pm|＜0Pm = (1－s ) Pe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null2. 转子反向的反接制动——下放重物(1) 制动原理： 定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rb。a 点b 点(T＜TL)c 点 ( n = 0，T＜TL )d 点( n＜0，T = 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 。下放重物： Tc＜TL 。null(3) 制动时的功率：第Ⅳ象限：＞1 (n＜0)＞0pCu2 = m1(R2'+ Rb' ) I2'2 = Pe－Pm = Pe + |Pm|＜0Pm = (1－s ) 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。null三、回馈制动用于高速下放重物，不用于迅速停车。在调速过程中也会自动出现回馈制动现象。 1. 下放重物时的回馈制动反向电动回馈制动null（1） 制动时的功率：第Ⅳ象限：＜0 (n＜－n0)＜0PCu2 = Pe－Pm |Pe | = |Pm|－PCu2＜0Pm= (1－s ) Pe——定子发出电功率， 向电源回馈电能。——轴上输入机械功率 （位能负载的位能）—— 机械能转换成电能 （减去转子铜耗等）。null（2） 制动效果：Rb↑→特性 2 斜率↑→下放速度↑※ 为了避免危险的高速，一般不串联 Rb。2. 减压调速与变极调速时的回馈制动null 例3：一台绕线型异步 M 的技术数据为： PN = 75 kW， nN = 1 460 r/min，αMT = 2.8 ， U2N = 399 V，I2N = 116 A。在固有特性上带动反抗 性恒转矩负载运行，TL= 0.8TN 。为使电动机快速 反转，采用反接制动。(1) 要求制动之初的电磁转 矩为T = 2TN ，求转子每相应串联的电阻值Rb； (2) 电动机反转后的稳定转速为多少？ = 0.027= 0.0536 Ω解： (1)null固有特性上的临界转差率：= 0.146= 0.0213sb = 2－sa = 1.98null= 4.71= 1.676 Ω(2) M 反转后的稳定转速:= 0.687nd = (1－sd' ) n0' =(1－0.687)(－1500)= －469.5 r/minnull 例4：一台绕线型异步 M 的技术数据为： PN = 75 kW， nN = 1 460 r/min，αMT = 2.8 ， U2N = 399 V，I2N = 116A。 该 M 拖动起重机的提升 机构，如果：TL= 0.8TN，下放速度为 300 r/min， 问：应当采用什么制动方法？并具体计算。= 0.027解：采用转子反转的反接制动法。= 0.0536 Ωnull= 0.146在固有特性上：当 TL = 0.8TN 时：= 0.0213在人为特性上， TL = 0.8TN 时( c 点)：= 1.2则：= 2.966 Ω◆ 三相异步电动机的反转◆ 三相异步电动机的反转第 十二章 异步电机的制动第 十二章 异步电机的制动12 三相异步电动机的调速12 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。null一、电动机的调速指标1. 调速范围 ※重型铣床的进给机构： D = 300 (2 ~ 600 mm/min) 2. 调速方向 3. 调速的平滑性 —— 平滑系数4. 调速的稳定性 —— 静差率◆ D、δ、△nN 的关系(nN = nmax)null例如：nN = 1 430 r/min，△nN = 115 r/min ， 要求δ≤30%、则 D = 5.3。 要求δ≤20%、则 D = 3.1。 再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，δ≤5%， 则 △nN = 3.76 r/min。 5. 调速的经济性 6. 调速时的允许负载 不同转速下满载运行时： 输出转矩相同 —— 恒转矩调速。 　输出功率相同 —— 恒功率调速。null二、变极调速1. 调速方向 YY→Y (△)：n↓ Y (△) →YY ： n↑ 2. 调速范围:D = 2 ~ 4null3. 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) YY－Y：恒转矩调速。 满载输出功率：满载输出转矩：∵null如果 cos1η不变， 则：（恒转矩调速）(2) YY－△（近似）恒功率调速：∵如果cos1η不变， 则：≈1（恒功率调速）= 1.732null三、变转差率调速（能耗转差调速）1. 调压调速:TL(1) 调速方向: U1(＜UN)↓→n↓(2) 调速范围： D 较小。null(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： 经济性较差。 ① 需要可调交流电源； ② cos1和η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。∵T∝U1p2稳定性差。(5) 调速的经济性：∴U1↓→T (n)↓→P2↓↓null2. 转子串电阻调速(1) 调速方向:n↓(2) 调速范围：D 较小。null(3) 调速的平滑性:Rr↑ →δ%↑↑(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： 取决于 Rr 的调节方式。 (4) 调速的稳定性：稳定性差。 恒转矩调速。 ∵ 调速前后 U1 、 f1 不变，Φm不变，∴T = CTΦm I2N cos2 基本不变。null3. 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：● e2s 与 ead 同相位时：在引入 ead 的瞬间：I2s↑→T↑→n↑→sE2↓→I2s↓→T↓…→T =TL↓null● e2s与ead 相位相反时：在引入 ead 的瞬间：I2s↓→T↓→n↓→sE2↑→I2s↑→T↑…→T =TL↓(2) 串级调速 的机械特性null(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（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；运行效率较高，运行费用不大。 ⑥ 调速时的允许负载：恒转矩调速。 ∵ 调速前后 U1 、 f1 不变，Φm不变， 基本不变。∴ T = CTΦm I2N cos2 null三、变频调速 U、f 可 变 整流电路 逆变电路 50 Hznull1. 调速方向:f1＜fN 时：n↓ f1＞fN 时：n↑2. 调速范围:3. 调速的平滑性:5. 调速的经济性：4. 调速的稳定性：D 较大。平滑性好（无级调速）。稳定性好。 初期投资大；运行费用不大。 6. 调速时的允许负载： (1) f1＜fN 时：恒转矩调速。∵→Φm基本不变，∴ T = CTΦm I2N cos2 基本不变。null P2 = T2Ω≈TΩ(2) f1 ＞fN 时：恒功率调速。∵ U1L = UN∴ T = CTΦm I2N cos2 ∝T n P2 = 常数null(1) 转子转速 n；(2) 当 U1 = 0.8 UN 时的转子转速； (3) 当 U1L = 0.8 UN，f1 = 0.8 fN 时的转子转速; (4) 当 R2 + Rr = 0.05 Ω 时的转子转速。 例2：某三相异步 M 的技术数据为： PN = 30 kW， UN = 380 V，nN = 980 r/min， αMT = 2.2， R2 = 0.02 Ω，TL = 0.8 TN。求：解：(1)= 0.02= 0.083null= 0.0156n = (1－s) n0 = 1 000 (1－0.0156) = 984.4 r/min (2) 当 U1L = 0.8UN 时，n0、sM 不变，TM∝U12：TM = 0.82αMTTN= 0.82×2.2 TN = 1.408 TN = 0.026nulln = (1－s) n0 = 1 000 (1－0.026) = 974 r/min (3) 当 U1L = 0.8 UN，f1 = 0.8 fN 时：TM 不变， = 0.10375，n0∝ f1= 0.0195n0 = 0.8×1 000 n = (1－s) n0 = 800 (1－0.0195) = 800 r/min = 784.4 r/min null(4) 当 R2 + Rr = 0.05 Ω时:n0、TM不变，sM∝R2。 = 0.2075= 0.039 n = (1－s) n0 = 1 000 (1－0.039) = 961 r/min 或：s ∝R2 （n ~ T 曲线的工作段为直线）= 0.039null◆ 当关于调速方法与负载的配合问题 恒转矩调速方式应当用于恒转矩负载，恒功率调速方式应当用于恒功率负载。 (1) 如果恒功率负载采用恒转矩调速方式 调速电动机的选择： TN = TLmax nN = nmax 则= DPLnull(2) 如果恒转矩负载采用恒功率调速方式 调速电动机的选择：在低速时：= DTL= DPL