相異步電動機的起動與制動李發(fā)海.ppt

第八章 三相異步電動機的電力拖動,我們知道異步電動機的作用就是拖動負載工作，那么關于它的起動、制動和調速問題就是我們關心的重點。 在三相異步電動機電力拖動系統(tǒng)中，電動機轉速、電磁轉矩、負載轉矩等物理量的正方向，都按電動機慣例規(guī)定。本章討論三相異步電動機的起動、調速及各種運行狀態(tài)。,電動機的起動指定子接通電網(wǎng)，轉速從 n=0到n=nN 。 起動要求： 1） 起動力矩Ts盡可能的大； 2） 起動電流Is盡可能的??； 在滿足Ts足夠大的條件下，盡量減少Is 。 3） 起動設備盡可能的簡單。,81籠型三相異步電動機的起動 一、三相異步電動機的直接起動 對于電動機來說最簡單、最直接的起動方法就是我們大家能最先想到的直接起動法。由前面所介紹的機械特性出發(fā)，我們知道如果在額定電壓下直接起動三相異步電動機，由于最初起動瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù) 又很低，造成了起動電流相當大而起動轉矩并不大的結果。以普通鼠籠式三相異步電動機為例，起動電流,起動轉矩 如圖所示為三相異步電動機直接起動時的固有機械特性與電流特性，其中 為定子每相電流，而 一般地說，容量在7.5kw以下的小容量鼠籠式異步電動機都可直接起動。 起動電流較大有什么影響呢？ 1、首先對于繞組來說是非常不利的，如果電機是屬于頻繁起動的，頻繁出現(xiàn)短時大電流會使電動機內部發(fā)熱較多而過熱。 2 對于變壓器而言，整個交流電網(wǎng)的容量相對于,單個的三相異步電動機來講是非常大的。但是具體到直接供電的變壓器來講，容量卻是有限的。若變壓器額定容量相對不夠大時，電動機短時較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓短時下降幅度較大，超過了正常規(guī)定值，例如 U 10或更嚴重。這樣一來，影響了幾個方面： （1）起動電動機本身，由于電壓太低起動轉矩下降很多（ ），當負載較重時，可能起動不了。 （2）影響由同一臺配電變壓器供電的其他負載，比如說電燈會變暗，數(shù)控設備可能失常，重載的異步電動機可能停轉等。,* 考慮對電網(wǎng)的沖擊 7.5kW以下可采用 * 較大容量需考慮供電設備的容量,起動轉矩不大有什么影響呢 ？ 很顯然，電機的起動是非常吃力的， 的條件下，電動機才能正常起動。一般地說，如果異步電動機輕載和空載起動，直接起動時的起動轉矩就夠大了，但是如果是重載起動例如 ，且要求起動過程快時，某些異步電動機例如繞線式三相異步電動機， 往往小于1，直接起動的起動轉矩就不夠大了。,從上面分析看出，三相異步電動機直接起動有些情況下是可行的，而下面兩種情況下是不可行的：變壓器與電動機容量之比不足夠大；起動轉矩不能滿足要求。 不能直接起動的第種情況下需要減小起動電流，第種情況下需要加大起動轉矩。 即起動必須滿足的條件是： 起動電流要足夠?。黄饎愚D矩要足夠大。 起動電流：,從上面兩個表達式我們可以看出，降低起動電流的方法有：降低電源電壓；加大定子邊電抗或電阻；加大轉子邊電阻或電抗。加大起動轉矩的方法只有適當加大轉子電阻，但不能過份，否則起動轉矩反而可能減小。 而直接起動的最大優(yōu)點就是不需要專門的起動設備。,1.定子串電阻或電抗分壓起到降壓作用 2.自耦變壓器降壓起動 3.星形-三角形起動，用于可以有2種接法的電機，正常運行時用三角形接法，起動時用星形接法，相電壓降為正常運行時的 4.延邊三角形起動 對不同的起動要求，需專門設計電機。,二、 三相鼠籠異步電動機的降壓起動,降壓起動的分析,（一）定子串接電抗器起動： 三相異步電動機定子串電抗器起動，起動時電抗器接入定子電路；起動后，切除電抗器，進入正常運行。顯然此時的電抗器起到了分壓的作用。三相異步電動機直接起動時，其每相等值電路如圖（a）所示，電源電壓 直接加在短路阻抗 上。定子邊串入電抗X起動時，每相等值電路如圖（b）所示，,加在（jX ）上，而 上的電壓是 。定子邊串電抗起動可以理解為增大定子邊電抗值，也可以理解為降低定子實際所加電壓，其目的是減小起動 電流。根據(jù)等值電路，可以得出 我們知道，三相異步電動機直接起動時轉子功率因數(shù)很低，這是由于電動機設計時，短路阻抗,所至，一般說來， 因此，串電抗起動時，可以近似把 看成是電抗性質。設串電抗時電動機定子電壓與直接起動時電壓比值為u，則,顯然，定子串電抗器起動，降低了起動電流，但起動轉矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動，只能用于空載和輕載。 工程實際中，往往先給定線路允許電動機起動電流的大小 ，再計算電抗X的大小。計算公式推導如下： 其中短路阻抗為,串電抗或電阻,可等效為 1阻抗,接法不變，所以: 電網(wǎng)線電流變化的倍數(shù)=相電流變化倍數(shù),若定子回路串電阻起動，也屬于降壓起動，也可以降低起動電流。但由于外串的電阻上有較大的有功功率損耗，特別對中型、大型異步電動機更不經濟，因此這里不予介紹。 (二) 起動 在這里主要是利用了星三角電壓之間 的關系，我們知道在星接中線電壓是相電壓的 倍，注意這種方法只適用與繞組在起動的時候是星形接，而運行的時候是三角形接。如圖所示：,試想一下，如果起動的時候是三角形聯(lián)接，這樣，相電壓等于線電壓 每相起動電流為 線上的起動電流為 。而如果起動時定子繞組Y接，如圖（b）所示，每相起動電壓為 每相起動電流，則,線起動電流為 :,上式說明， 起動時，盡管相電壓和相電流與直接起動時相比降低到原來的 ，但是對供電變壓器造成沖擊的起動電流則降低到直接起動時的13。 直接起動時起動轉矩為 ， 起動 時起動轉矩為 ，則： Y一 起動可以用于拖動 的輕負載。在輕載起動條件下，應該優(yōu)先采用。,Y-起動,相電壓減少,電網(wǎng)線電流減小為原線電流的3分之一,（三）自耦變壓器降壓起動 如圖所示： 我們在前邊已經學過了自耦變壓器的工作原理，在這里就是利用了自耦變壓器有抽頭可供選用，比較靈活，可以實現(xiàn)不同要求的降壓。 電動機起動電壓下降為 ， 與直接起動時電壓的關系為,電動機降壓起動電流為 ，與直接起動的起動電流 之間關系是： 自耦變壓器原邊的起動電流為 ，與 之間關系為： 因此降壓起動與直接起動相比，供電變壓器的起動電流的關系為：,自耦變壓器起動時記起動轉矩為 ，與直接起動時起動轉矩 之間的關系為： 采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相比較，電壓降低到 倍，起動電流與起動轉矩降低到 倍。,實際上起動用的自耦變壓器，備有幾個抽頭供選用。例如QJ 2型有三種抽頭，分別為55%（即=55%）、64%、73%（出廠時接在73%抽頭上）；QJ 3型也有三種抽頭，分別為40、 60%、80%（出廠時接在 60抽頭上）等。這也是我們前面所講的優(yōu)點，但是，自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶重負載起動。自耦變壓器降壓起動在較大容量鼠籠異步電動機上廣泛應用。,自耦變壓器降壓,自耦變壓器變比,（四）延邊三角形起動,到目前為止，前面所介紹的幾種鼠籠式異步電動機降壓起動方法，主要目的都是減小起動電流，但同時又都程度不同地降低了起動轉矩，因此只適合空載或輕載起動。對于重載起動，尤其要求起動過程很快的情況下，則需要起動轉矩較大的異步電動機。加大起動轉矩的方法是增大轉子電阻。對于繞線式異步電動機，則可在轉子回路內串電阻。對于鼠籠式異步電動機，只有設法加大鼠籠本身的電阻值，這類電動機有高轉差率鼠籠式異步電動機、雙鼠籠式異步電動機和深槽式鼠籠異步電動機。,8.3 高起動轉矩的三相鼠籠式異步電機,8.3.1轉子電阻值較大的鼠籠式異步電動機 一般澆注式的鼠籠都采用鋁，有些電動機鼠籠由合金鋁澆注而成，或者還采用轉子小槽，減小導條截面積，這樣使轉子電阻增大； 一般焊接式的鼠籠都采用紫銅，有些電動機鼠籠材料用黃銅，黃銅的電阻率比紫銅高，所以轉子電阻較大,8.3.2 深槽式鼠籠異步電動機 1、轉子槽結構 槽高/槽寬=1020 2、特點 將轉子導體看成小導體并聯(lián)組成，當有I2時，漏磁通分布如圖。 底部漏電抗X大 起動時f2 很大，轉子漏電抗比電阻大很多， I2大小由X決定；由于底部漏電抗X大， I2被擠到槽口，該現(xiàn)象稱為集膚效應。電流密度分布如圖。,8.3.3 雙鼠籠異步電動機,外籠：導條截面積小，用電阻率較高的黃銅制成，電阻較大； 內籠：導條截面積大，用電阻率較低的紫銅制成，電阻較??； 當導條里有電流流過時，內籠漏磁鏈多、漏電抗較大，外籠漏磁鏈少、電抗較小,利用集膚效應/ 1.深槽轉子或刀形槽轉子 2.雙鼠籠轉子,起動時，轉子頻率大，集膚效應使電阻大，起動轉矩大。,降壓起動在限制起動電流的同時，大大降低了起動轉矩。在需要較大起動轉矩的應用場合，人們不得不選擇價格昂貴的繞線式異步電動機。 繞線式異步電動機的特點是可以在轉子回路中接入附加電阻，以改善其起動和調速性能。,82 三相繞線式異步電動機的起動,*轉子可串電阻 轉子可串頻敏電阻,下面我們將進行詳細的介紹.,如圖所示：,1、起動過程如下： （l）接觸器觸點KI，K2，K3斷開，繞線式異步電動機定子接額定電壓、轉子每相串入起動電阻（ ），電動機開始起動。起動點為機械特性曲線 3上的a點，起動轉矩為 ， 。 （2）轉速上升，到b點時， （ ），為了加大電磁轉矩加速起動過程，接觸器觸點K3閉合，切除起動電阻 。忽略異步電動機的電磁慣性，只計拖動系統(tǒng)的機械慣性， 則電動機運行點從 b變到機械特性曲線2上的C點，該點上電動機電磁轉矩,轉速繼續(xù)上升，經 h點最后穩(wěn)定運行在 j點。上述起動過程中，轉子回路外串電阻分三級切除，故稱為三級起動。T1為最大起動轉矩，T2為最小起動轉矩或切換轉矩。,2.作圖法計算起動電阻,當起動級數(shù)確定時，例如m3，起動機械特性作圖步驟如下：,（1）先畫固有機械特性。 （2）確定最大起動轉矩T1及切換轉矩T2。,3.解析法計算起動電阻,轉子串頻敏變阻器起動： 繞線式異步電機轉子回路串電阻起動方法，要想獲得良好的起動特性，需要較多的起動級數(shù)，這樣，控制設備復雜，增加設備投資和維修的困難。人們通過實踐，創(chuàng)造了一種運用于繞線式異步電動機，而結構比較簡單的起動元件敏變阻器起動。,頻敏變阻器是一種靜止的無觸點電磁元件，它具有以下特點：,1.結構簡單，制造容易，造價低廉 2.運行可靠，堅固耐用，使用維護方便 3.由于它的阻抗隨頻率而自動變化，可使控制系統(tǒng)大大簡化，宜于實現(xiàn)自動控制 4.頻敏變阻器是一種感性元件，因而功率因數(shù)較低,如圖所示：接觸器觸點K斷開時，電動機轉子串入頻敏變阻器起動。起動過程結束后，接觸器觸點K再閉合，切除頻敏變阻器，電動機進入正常運行 。 頻敏變阻器每一相的等值電路與變壓器空載運行時的等值電路是一致的，忽略繞組漏阻抗時，其勵磁阻抗為勵磁電阻與勵磁電抗串聯(lián)組成，用 表示。但是與一般變壓器勵磁阻抗不完全相同，主要表現(xiàn)在以下兩點：, 頻率為5OHz的電流通過時，阻抗比一般變壓器勵磁阻抗小得多。這樣串在轉子回路中，既限制了起動電流，又不致使起動電流過小而減小起動轉矩。 （2）頻率為5OHz的電流通過 ，其原因是：頻敏變阻器中磁密取得高，鐵心處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大，因此勵磁電抗較小。而鐵心是厚鐵板或厚鋼板的、磁滯渦流損耗都很大，頻敏變阻器的單位重量鐵心中的損耗，與一般變壓器相比較要大幾百倍，因此 rp 較大。,繞線式三相異步電動機轉子串頻敏變阻器起動時，s1，轉子回路中的電流的頻率為5OHz。轉子回路串入 ，而 ，因此轉子回路主要是串入了電阻。這樣，轉子回路功率因數(shù)大大提高了，既限制了起動電流，又提高了起動轉矩。 起動過程中，轉速升高，S變小，xp下降， f2sf1變小，頻敏變阻器中鐵耗的大小與頻率的平方成正比，頻率低，損耗小，電阻rp小。所以，在起動過程中，頻敏變阻器的阻抗zp= rp jxp是隨著頻率的降低而自動減小的。這樣使得電動機在整個起動過程中始終保持較大的起動轉矩。,8-5 三相異步電動機的各種運行狀態(tài),我們知道當異步電動機的電磁轉矩和轉子的轉速是同方向時，電動機運行與電動狀態(tài)，若電磁轉矩和轉速的方向相反時，電動機處于制動狀態(tài)，而在制動運行狀態(tài)中，根據(jù)轉矩和轉速的不同情況，又可分為：回饋制動、反接制動、到拉反轉及能耗制動等。,一、電動運行： 就是我們前面所分析的各種正常運行狀態(tài)，在這里不在進行詳細的介紹。 二、能耗制動： （1）能耗制動基本原理： 如圖所示：,三相異步電動機處于電動運行狀態(tài)的轉速為 n,如果突然切斷電動機的三相交流電源，同時把直流電 通入它的定于繞組，例如開關K1打開、K2閉合，結果，電源切換后的瞬間，三相異步電動機內形成了一個不旋轉的空間固定磁動勢，用 表示。 空間固定不轉的磁動勢相對于旋轉的轉子來說變成了一個旋轉磁動勢,旋轉方向為順時針，轉速大小為n。正如三相異步電動機運行于電動狀態(tài)下一樣，,轉子與空間磁動勢 有相對運動，轉子繞組則感應電動勢，產生電流；進而轉子受到電磁轉矩T。T的方向與磁動勢 相對于轉子的旋轉方向是一樣的，即轉子受到順時針方向的電磁轉矩T。轉子轉向為逆時針方向，受到的轉矩為順時針方向，顯然T與n反方向，電動機處于制動運行狀態(tài)，T為制動性的阻轉矩。轉速n0時，磁通勢與轉子相對靜止， ，減速過程才完全終止。 上述制動停車過程中，系統(tǒng)原來貯存的動能消耗了，這部分能量主要被電動機轉換為電能消耗在轉子回路中。因此，上述過程亦稱之為能耗制動過程。,三相異步電動機能耗制動過程中電磁轉矩T的產生，是由于轉子與定于磁動勢之間有相對運動；至于定子磁動勢相對于定子本身是旋轉的還是靜止的，以及相對轉速是多少，都是無關緊要的。因此，分析能耗制動狀態(tài)下運行的三相異步電動機，可以用三相交流電流產生的旋轉磁動勢等效替代直流磁動勢，在等效替代后，就可以使用電動運行狀態(tài)時的分析方法與所得結論。等效替代的條件是：,（1）保持磁動勢幅值不變，即 （2）保持磁動勢與轉子之間相對轉速（即轉差）不變，為 2.定子等效電流: 異步電動機定子通入直流電流產生磁動勢，其幅值的大小與定子繞組的接法及通入的方法有關。例如圖所示的，合成磁動勢的大小為 :,把 等效為三相交流電流產生的,每相交流電流的有效大小為 ,則交流磁動勢大小為: 等效的結果是,3.轉差率與等值電路: 磁通勢 與轉子相對轉速為(-n), 的轉速 即同步轉速為 ,能耗制動轉差率用 表示,則為: 轉子繞組感應電動勢 的大小與頻率則為:,三相異步電動機能耗制動的等值電路如圖所示。注意，等值電路中各電量是等效電流 產生磁動勢 作用的結果，并非指電機運行時的量。 有了等值電路，能耗制動的機械特性推導就與正常運行時的固有機械特性完全一樣了。,4. 能耗制動的機械特性: 能耗制動時，電動機內鐵損耗很小，可以將其忽略。這樣一來，根據(jù)等值電路畫出電動機定子電流、勵磁電流及轉子電流之間的相量關系如圖所示。它們之間大小的關系為 忽略鐵損耗后,則有:,另外,還有 整理后得到,根據(jù)前一章的分析結果知道，電磁轉矩為電磁功率除以同步角速度，即,上式便為能耗制動的機械特性表達式，其與電動運行狀態(tài)時的機械特性方程式是一致的，但是電動運行狀態(tài)時，是用電源電壓 來表示，而能耗制動的這個式子，是用等效的定子電流 來表示。能耗制動時，視 為已知量。 對上式微分，并使 ，則得到能耗制動運行時的最大轉矩及相應的轉差率為,根據(jù)上式畫出三相異步電動機能耗制動時的機械特性如圖所示。顯然，能耗制動時的機械特性與定子接三相交流電源運行時的機械特性很相似。改變直流勵磁電流的大小，或者改變繞線式異步電動機轉子回路每相所串的電阻值R，就都可以調節(jié)能耗制動時制動轉矩的數(shù)值。 能耗制動機械特性的實用公式為：,三、 反接制動: 反接制動過程: 處于正向電動運行的三相繞線式異步電動機，當改變三相電源的相序時，電動機便進入了反接制動過程. 反接制動過程中，電動機電源相序為負序， 如圖所示:,接觸器觸點K1閉合為正向電動運行，K1斷開K2閉合，則改變了電源相序。（b）圖為拖動反抗性恒轉矩負載，反接制動的同時轉子回路串入較大電阻時的反接制動機械特性。電動機的運行點從ABC ，到C點后， T 可以準確停車。 而在反接制動過程中,因為接的是反相序電源,所以,轉速大n 0時 ,相應的轉差率s 1。若轉子回路總電阻折合值為 ，機械功率則為,即負載向電動機內輸入機械功率。顯然負載提供機械功率是靠轉動部分減少動能。從定子到轉子的電磁功率為 轉子回路銅損耗:,因此，轉子回路中消耗了從電源輸入而來的電磁功率及由負載送入的機械功率，數(shù)值很大，在轉子回路中必須串入較大的外串電阻，以消耗大部分轉子回路銅損耗，保護電動機不致由于過熱而損壞。所謂大電阻是指比起動電阻阻值還要大。下圖就是反接過程中的機械特性圖:,從圖上我們可以看出,如果電動機拖動負載轉矩較小的反抗性恒轉矩負載運行，或者拖動位能性恒轉矩負載運行，這兩種情況下，如果進行反接制動停車，那么必須在降速到n0時切斷電動機電源并停車，否則電動機將會反向起動，三相異步電動機反接制動停車比能耗制動停車速度快，但能量損失較大。一些頻繁正、反轉的生產機械，經常采用反接制動停車接著反向起動，就是為了迅速改變轉向，提高生產率。,反接制動停車的制動電阻計算，根據(jù)所要求的最大制動轉矩進行。為了簡單起見，可以認為反接制動后瞬間的轉差率s 2，處于反接制動機械特性的s0 之間。 鼠籠式異步電動機轉子回路無法串電阻，因此反接制動不能過于頻繁。,四、 倒拉反轉制動運行: 我們知道，拖動位能性恒轉矩負載運行的三相繞線式異步電動機，若在轉子回路內串入一定值的電阻，電動機轉速可以降低。如果所串的電阻超過某一數(shù)值后，電動機還要反轉，稱之為倒拉反轉制動運行狀態(tài)。 倒拉反轉制動運行是轉差率s1的一種穩(wěn)態(tài)，其功率關系與反接制動過程一樣，電磁功率 0，機械功率0，轉子回路總銅耗。但是倒拉反轉運行時負載向電動