05-三相異步機機械特性.ppt

1,三相異步電動機 的電力拖動 electric power driving of three phase asynchronous motor,三相異步電動機的機械特性 torque-speed characteristic of three phase asynchronous motor,2,三相異步電動機電磁轉矩的三種表達方式,一、物理表達式,二、參數表達式,三、實用表達式,3,物理表達式,表明：三相異步電動機的電磁轉矩是由主磁通 與轉子電流的有功分量 相互作用產生的。,4,參數表達式推導：,利用三相異步電動機的簡化等效電路（勵磁支路前移），得到轉子電流的有效值為,代入得：,5,參數表達式：,說明：電磁轉矩與電源參數（、f）、結構參數（r、x、m、p）和運行參數（s）有關。 當定子電壓u1、電源頻率f1以及電機參數確定時，改變轉差率s，就能按此式算出對應的電磁轉矩tem。,6,三相異步電動機的固有機械特性,n1,7,有一臺繞線轉子異步電動機，其技術數據為：pn=280kw,u1n=6000v,i1n=36.2a,nn=490rpm,n=0.905, cos1n=0.78。kt=2.35,u2n=484v,i2n=353a。試用實用表達式繪制其機械特性。,8,%torque-speed characteristic for an anynchronous motor sm=0.08953;tm=12824.3;n0=500; for i=1:1:100 s=0.01*i; n=n0*(1-s); t=(2*tm)/(s/sm)+(sm/s); s1(i)=s; t1(i)=t; n1(i)=n; end plot(t1,n1),xlabel(torque(n.m),ylabel(speed(r/min),grid on,9,實用表達式,已知電機的額定功率、額定轉速、過載能力,忽略空載轉矩，有,將tm和sm代入即可得到機械特性方程式,10,三相異步電動機機械特性曲線可以反映電動機所處的不同狀態(tài)： （1）當0n1時，電磁轉矩tem為負，n為正，電機處于異步發(fā)電狀態(tài)。 （3）當s1即n0時，電磁轉矩tem為正，轉速n為負，電機處于制動狀態(tài)。 下面對機械特性上幾個特殊點作分析說明。,11,1、臨界轉差率 sm 和最大電磁轉矩tm,將機械特性表達式對s求導，并令dt/ds=0,可得出,式中tm為最大轉矩，sm為最大轉矩對應的轉差率，或者稱臨界轉差率；“”對應電動狀態(tài)，“”用于發(fā)電狀態(tài)。,12,當其它參數一定時：,1、最大電磁轉矩與電源電壓u1的平方成正比； 臨界轉差率與電源電壓無關。,3、頻率越高，最大電磁轉矩和臨界轉差率越小； 漏抗越大，最大電磁轉矩和臨界轉差率越??；,2、轉子回路電阻越大，臨界轉差率越大；最大電磁轉矩與轉子電阻無關。,由sm、tm表達式可見,13,臨界轉差率 sm 和最大電磁轉矩tm,過載能力,y系列中小型鼠籠式三相異步電動機，其過載倍數t=2.02.2;起重、冶金機械用三相異步電動機t=2.22.8，因為某種原因負載轉矩有可能突然增大。如果過載倍數小，負載轉矩超過電機的最大轉矩，有可能電機轉速大幅下降而停車。實際使用中電機不能長期在最大轉矩下運行，因為這時電機已過載。,14,2、起動轉矩tst和起動轉矩倍數kst,結論：當其它參數一定時,1、起動轉矩與電源電壓平方成正比；,2、頻率越高，起動轉矩越小； 漏抗越大，起動轉矩越小；,3、繞線式電動機，轉子回路電阻越大，起動轉矩先增后減。,將s=1代入機械特性表達式得,15,2、起動轉矩tst和起動轉矩倍數kst,4、起動轉矩倍數,起動轉矩的大小，反映了電動機起動負載的能力。kst越大，電動機的起動就越快，電機的成本也隨之增加。因此，需要根據實際需要確定起動轉矩的倍數，一般為1.72.2，能滿足一般設備的要求。,16,三相異步電動機的固有機械特性,17,三相異步電動機降壓時的人為機械特性,18,轉子回路串電阻時的機械特性,19,定子串接電抗器時的機械特性,20,練習： 1.三相異步電動機最大電磁轉矩的大小與轉子電阻r2值 關，起動轉矩的大小與轉子電阻r2 關。 2.一臺繞線式異步電動機帶恒轉矩負載，若電源電壓下降，則電動機的臨界轉差率 ，轉差率 ，轉速 ，最大電磁轉矩 ，過載能力 ，起動轉矩 。 3.繞線式異步電動機保持負載轉矩不變下運行，若轉子串入電阻rt(r1+rtx1+x2)，則臨界轉差率將 ，轉速會 ，過載能力 ，起動轉矩 ，起動電流 。 4.異步電動機輕載運行時，其功率因數較 ，效率較 。,無,有,不變,增大,下降,減小,減小,減小,增大,下降,不變,增大,減小,低,低,21,練習： 一臺三相異步電動機，已知下列數據，pn=15kw，nn =1460rpm，un=380v，n=0.87 , cosn =0.85,tm/tn=2, tst/tn=1.1,ist/in=6.5，試求： （1）額定電流in；（2）額定轉矩tn；（3）直接啟動時的啟動電流ist；（4）當電動機帶額定負載運行時，由于電網電壓突然降到0.6un時，電機能否繼續(xù)運行？,22,23,5、三相感應電動機的啟動 籠型電動機的啟動方法 （1）直接啟動 （2）降壓啟動 繞線式感應電動機的啟動方法 （1）轉子回路串對稱電阻啟動 （2）轉子串頻敏變阻器啟動 改善啟動性能的籠型電動機 （1）高轉差率感應電動機 （2）深槽式感應電動機 （3）雙籠感應電動機,24,感應電機的固有啟動特性： 由啟動等值電路可知，直接啟動時的定子相電流為： 由于u1=un很高，而zk很小，所以直接啟動的電流很大，其線電流約為額定電流in的47倍。 由于啟動時cos2比額定運行時小很多，而且啟動時過大的漏阻抗壓降i1stz1使主磁通m比額定運行時也小得多。因此由感應電機機械特性的物理表達式可知，雖然啟動時電流i2很大，但啟動轉矩卻不大，一般僅為額定轉矩的(0.81.8)。,25,一般地，7.5kw以下的小容量感應電動機，都可以直接啟動；對于7.5kw以上的電動機，就要考慮過大的直接啟動電流對供電系統(tǒng)的影響，一般按下列經驗公式核定： 式中sh為供電電源的總容量kva。在籠型感應電動機的產品目錄中給出了固有啟動特性的兩個指標：啟動轉矩倍數km和啟動電流倍數ki。 直接啟動的優(yōu)點是操作和啟動設備都很簡單，而且啟動轉矩大；缺點是啟動電流大。,26,不滿足直接起動條件，或起動過于頻繁，可采用降壓起動。,y:6,4,5,接成星點。1，2，3接電源。 ：1接6，2接4，3接5。,27,28,由此可見，y-啟動的啟動電流與啟動轉矩降低倍數都相同，都降到固有啟動特性的1/3。適用于空載或輕載啟動，是籠型電動機啟動的基本方法之一。而且凡是能夠采用y-啟動的電動機，當它長期處于空載或輕載時，可以將它改成y接法運行，從而提高功率因數，節(jié)約電能。為此，我國4kw以上的三相籠型感應電動機，都采用額定電壓為380v，6個出線端都引出機外，正常運行為接法，就是為了給用戶提供一個y-啟動的可能性。,時間繼電器,29,fu1,km1,fr,sb1,sb2,kt,km2,fr,s,kt,km3,km1,km2,km1,u1,v1,w1,u2,v2,w2,kt,fu2,km3,km2,km2,km1,按sb2, km1通電, kt 通電, km2 斷電, km3 通電,(y 起動),km1斷電, km2通電, km3斷電,( 運行),km3, km1通電,延時,線路動 作次序,籠型電動機 y 起動控制線路,返回,30,延邊三角形降壓啟動 啟動時，將三個末端4，5，6分別跟三個中間抽頭8，9，7相聯，從三個首端引出接三相額定電壓，如圖。如果把中間抽頭7，8，9向首端移，則部分漸漸擴大，當7，8，9移至首端1，2，3時，就相當于全壓啟動，每相電壓為un。如果把中間抽頭7，8，9向末端移動，則部分漸漸縮小，當7，8，9移至末端4，5，6時，就相當于y接法降壓啟動，每相電壓為 。因此延邊三角形降壓啟動，它的啟動電流與啟動轉矩介于直接啟動和y接法啟動之間。當啟動結束時，在通過切換開關將定子三相繞組接成，使電機在全壓下運行。 采用這種啟動方法的電動機，定子三相繞組不僅每相的首末端要引出機外，而且每相繞組還有一個中間抽頭引出，因此共有9個接線端頭。,31,32,33,34,（2）深槽式感應電動機 由圖可見，與轉子導條底部相交鏈的漏磁通遠比槽口部分相交鏈的多。因此，如果將導條看成是由若干沿槽高劃分的小導體并聯而成，則越靠近槽底的小導體具有越大的漏電抗，而越近槽口則漏電抗越小。 在啟動時，由于轉子電流頻率較高，f2=f1，而漏電抗較大，因此，各小導體中電流的分配將主要決定于漏電抗。漏電抗越大，則電流越小。這樣，在由氣隙主磁通所感應的相同的電勢的作用下，導條中靠近槽底處的電流密度將很小，而越接近槽口則越大。因此電流的分布如圖所示。這種現象稱為電流的集膚效應。電流大部分被擠到導條上部之后，槽底部分導條所起的作用很小，其效果相當于減小了導條的高度和截面。因此轉子電阻r2增大，而滿足了啟動時的要求。,35,36,啟動完畢，轉子電流的頻率很低（1-3hz），集膚效應消失，轉子導條的電阻又重新變小，接近于直流電阻。滿足了減小轉子銅耗以提高電機效率的要求。 雙籠式異步電機的上籠截面積較小，通常用黃銅或鋁青銅等電阻系數較大的材料制成，故電阻較大；下籠導條截面積較大，用電阻系數較小的紫銅制成，故電阻較小。通常兩套籠各有自己的端環(huán)，可使上下籠因發(fā)熱而各自自由伸長。,37,38,練習：一臺三相鼠籠異步電動機，pn=30kw,un=380v,cosn=0.87,ist/in=6,tst/tn=2,用串電抗器起動，問 ：（1）當限制起動電流為4.5in時，起動電壓應降至多少？（2）此時可否滿載起動？,39,一臺三相異步電動機pn=20kw,un=380v,接法，n=0.866,cos n=0.85,nn 1460rpm,tst/tn=1.5,ist/in=6.5,試求： （1）in;(2)最大能起動多大轉矩的負載？（3）全壓起動時的起動電流值；（4）y- 起動時的啟動電流值；（5）y- 起動時的起動轉矩值。,40,41,6、三相異步電動機的調速 如果采用電氣調速，就可以大大簡化機械變速機構。因為n=(1-s)n0=(1-s)60f1/p，所以改變電動機的轉速有三種可能，即改變電源頻率f1、極對數p、及轉差率s。前兩者是鼠籠式電動機的調速方法，后者是繞線式電動機的調速方法。 6.1、變頻調速 近年來變頻技術發(fā)展很快，目前采用的變頻調速裝置主要由整流器和逆變器兩大部分組成。整流器先將頻率f為50hz的三相交流電變換為直流電，再由逆變器變換為頻率f1可調、電壓有效值u1也可調的三相交流電，供給三相鼠籠式電動機。由此可得到電動機的無級調速，并具有硬的機械特性。通常有下列兩種變頻調速方式： （1）在f1f1n，即低于額定轉速調速時，應保持u1/f1的比值近于不變，也就是兩者要成比例地同時調節(jié)。由u14.44f1n1kw1和t=cmi2cos2兩式可知，這時磁通和轉,42,矩t也都近似不變。這是恒轉矩調速。 如果把轉速調低時u1=u1n保持不變，在減小f1時磁通會增加。這就會使磁路飽和（電動機磁通一般設計在鐵心磁飽和點），從而增加勵磁電流和鐵耗，導致電機過熱，這是不允許的。 （2）在f1f1n，即高于額定轉速調速時，應保持u1u1n。這時磁通和轉矩t都將減少。轉速增大，轉矩減小，將使功率近于不變。這是恒功率調速。 如果把轉速調高時u1/f1的比值不變，在增加f1的同時u1也要增加。u1超過額定電壓也是不允許的。 頻率調節(jié)范圍一般為0.5-320hz。目前在國內由于逆變器中的開關元件（可關斷晶閘管、大功率晶體管和功率場效應管等）的制造水平不斷提高，鼠籠式電動機的變頻調速技術的應用也就日益廣泛。,43,6.2、變極調速 由式n1=60f1/p可知，如果極對數p減小一半，則旋轉磁場的轉速n1便提高一倍，轉子轉速n差不多也提高一倍。因此改變p可以得到不同的轉速。如何改變極對數呢？這與定子繞組的接法有關。 下圖所示為定子繞組的兩種接法。把a相繞組分成兩半：線圈a1x1和a2x2，當這兩個半相繞組頭尾相串聯時，形成的是一個4極磁場；如果將這兩個半相繞組頭尾相并聯時，形成的是一個2極磁場。在換極時，一個線圈中的電流方向不變，而另一個線圈中的電流必須改變方向。 雙速電動機在機床上用得較多，像某些鏜床、磨床、銑床上都有。這種電動機的調速是有級的。,44,45,6.3、變轉差率調速 只要在繞線式電動機的轉子電路中接入調速電阻（和啟動電阻一樣接入）改變電阻的大小，就可得到平滑調速。如增大調速電阻時，轉差率s上升，而轉速n下降(tmax改變否？）。這種調速方法的優(yōu)點是設備簡單、投資少，但能量損耗大。這種調速方法廣泛應用于起重設備中。 7、三相異步電動機的制動 因為電動機的轉動部分有慣性，所以把電源切斷后，電動機還會繼續(xù)轉動一定時間而后停止。為了縮短輔助工時，提高生產機械的生產率，并為了安全起見，往往要求電動機能夠迅速停車和反轉。這就需要對電動機制動。對電動機制動，也就是要求它的轉矩與轉子的轉動方向相反。這時的轉矩成為制動轉矩。異步電動機的制動有下列幾種方法。 7.1 能耗制動,46,制動時定子接入直流電源產生固定磁場,i2 受到阻轉矩；當 n0, i20,t0。,制動: 將動能電能熱能。,優(yōu)點：能耗小，制動準確、平穩(wěn)，不會反轉。,缺點：需要另外加直流電源。,e2(i2),7.1 三相異步電動機的制動,7.1.1 能耗制動,47,將三相中的任意兩相對調，產生制動轉矩，使 m 停機。,優(yōu)點：方法簡單，制動效果好。,缺點：能量消耗大。,旋轉磁場與轉子的相對轉速,為 (n1+ n) i2 i1。,必須在籠型電動機的定子或 繞線式電動機的轉子中串入電阻 r，以防止燒壞繞組。,7.1.2 反接制動,返回,48,能耗制動方法就是在切斷三相電源的同時，接通直流電源，使直流電流通入定子繞組。直流電流的磁場是固定不動的，而轉子由于慣性繼續(xù)在原方向轉動。根據右手定則和左手定則不難確定這時的轉子電流與固定磁場相互作用產生的轉矩的方向。它與電動機的轉向相反，因而起制動的作用。制動轉矩的大小與直流電流的大小有關。直流電流的大小一般為電動機額定電流的0.5-1倍。 因為這種方法是用消耗轉子的動能（轉換為電能）來進行制動的，所以稱為能耗制動。 這種制動能量消耗小，制動平穩(wěn)，但需要直流電源。在有些機床中采用這種制動方法。 7.2 反接制動 在電動機停車時，可將接到電源的三根導線中的任意兩根的一端對調位置，使旋轉磁場反向旋轉，而轉子由于慣性仍在原,49,方向轉動。這時的轉矩方向與電動機的轉動方向相反，因而起制動的作用。當轉速接近零時，利用某種控制電器將電源自動切斷，否則電動機回反轉。 由于在反接制動時旋轉磁場與轉子的相對速度（n1+n)很大，因而電流較大。為了限制電流，對功率較大的電動機進行制動時必須在定子電路（鼠籠式）或轉子電路（繞線式）中接入電阻。 這種制動比較簡單，效果較好，但能量消耗較大。對有些中型車床和銑床主軸的制動采用這種方法。 7.3 發(fā)電機反饋制動 當電機的轉速n超過旋轉磁場的轉速n1時，這時的轉矩也是制動的。 當起重機快速下放重物時，就會發(fā)生這種情況。,50,這時重物拖動轉子，使其快速nn1，重物受到制動而等速下降。實際上電動機已轉入發(fā)電機運行，將重物的位能轉換為電能而反饋到電網中去，所以稱為發(fā)電反饋制動。 另外，當將多速電動機從高速調到低速的過程中，也自然發(fā)生這種制動。因為剛將極對數p加倍時，磁場轉速立即減半，但由于慣性，轉子轉速只能逐漸下降，因此就出現nn1的情況。,51,52,53,練習 1、異步電動機啟動時轉子電動勢較 ，啟動電流較 ，此時啟動轉矩卻不大，是因為啟動時，轉子功率因數較 ，氣隙磁通較穩(wěn)態(tài)運行時 。 2、一般鼠籠異步電動機全壓啟動時，啟動電流約為額定電流的 倍，啟動轉矩約為額定轉矩的 倍。 3、繞線式異步電動機轉子串入適當電阻啟動時，啟動轉矩將 ，啟動電流將 ，其原是 。 4、鼠籠電動機的啟動方法有 和 兩大類。 5、鼠籠電動機降