异步电机电力拖动注册电气工程师考试课件.ppt

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,10.1 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 cos2 E2 = 4.44 f1 kw2N2m,T = CTm I2 cos2, 转矩常数:,2. 电磁转矩的参数公式,利用简化等效电路:, 临界转差率：,最大（临界）转矩：, 电动状态取 “ + ”，发电状态取 “”。 R1 (X1 + X2' ), 结论:, T U12 ， sM 与 U1 无关; sMR2'，TM 与 R2'无关。,3. 电磁转矩的实用公式,忽略 R1 ：,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。,1. 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： TLTN， P2PN，I1IN,（Nm）,2. 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 = Ist,Tst 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:,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,±,4. 回馈制动状态,n0,当：nn0 时， s0 回馈制动状态。 | sM' | = | sM | | TM' | | TM |,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,TTL 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,I1P1,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。,二、人为机械特性,1. 降低定子电压时的人为特性,UN,0.81Tst,0.9UN,降低定子电压转速稳定后： nnN ssN T = TL,I2' I2N',2. 转子电路串联对称电阻时的人为特性,R2,sMR2' TM 与 R2' 无关,R2+R1,R2+R1+R2, 转子串联合适 的电阻: Tst TM,3. 定子电路串联对称电抗 或电阻时的人为特性,X1(R1), sM、TM、Tst ,4. 改变定子电源频率时的人为特性,(1) f1 fN, 为保持：m = 常数, n0 f1 , nM = n0nM = sM n0,（不变）,而且：TM 不变（ 忽略R1 ）,f1,fN,(2) f1fN ， U1 = UN（不变）,调频时：f1, m ,n0 f1,nM = n0nM = sM n0 (不变),而且：,f1,fN,×,×,(a) p = 2,(b) p = 1,5. 改变磁极对数时的人为特性,(a) YY(p ),(b) Y(2p ),(c) (2p ), 定子绕组常用的接法：,(1) YYY：, p2p：,n0 n0/2。, X1(R1) 4X1(R1)，N12N1 (kZ4kZ) ，U1不变： sM 不变。 nM = n0nM = sM n0 sMn0/2。 TM (Tst) TM (Tst) /2 。,Y,YY,(2) YY ：, p 2p：,n0 n0/2。, X1(R1) 4X1(R1)， N1 2N1，,YY, sM 不变。 nM = n0nM = sM n0 sMn0/2。 TM (Tst) 1.5TM (Tst) 。,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) N (%)、 cos1N 、MT 、GD2 ( N·m2) 绕线型： U2N (V) 、I2N (A) 笼型： st、sc 二、依据技术数据计算其他参数: TN、TM、sM、R1、X1、k、R2、X2、I0。,2. 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),(定子 联结),如果 m1 = m2,则： k = ke = ki,5. 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),7. 定、转子电抗 (m1 = 3， f1 = 50Hz)：,x = x1+ x2' =,x1x2' 0.5x,8. 空载电流 I0 ：,I0= I1Nsin1NI2N' sin2N I1Ncos1N = I1Ncos2N I0= I1N (sin1Ncos1N tan2N ),(1) 用实用表达式绘制固有特性；(2) 当st' = 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%， cos1N = 0.78， U2N = 484 V，I2N = 353 A，MT = 2.35。,= 0.02,= 5457.14 N·m,= 0.0158 ,= 0.08953,TM =MTTN,= 2.35×5457.14,= 12 824.286 N·m,nM = (1sM) n0,= 500(10.08953),= 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。,(2) 当st' = 2 时，求转子串联的Rst并绘制人为特性, sM'2 MTsM' + 1 = 0,nM' =(1sM' ) n0,依据：,则：,当 sM' = 0.558 时：,当 sM' = 1.792 时：,sN' = 0.1246，2.498,sN' = 0.4，8.022,（舍去）,（舍去）,nN' = (1sN' ) n0, 依据：(Tst'，0 ) 、(TM，nM' )、 (TN，nN' ) 和 ( 0，n0 ) 绘制人为特性。,TN, 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 ,即： sM' = 1,10.2 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 n0， TL0。 当 n 0，TL0。 如机床平移机构、 压延设备等。,(2) 位能性恒转矩负载特性：,由重力作用产生的。 当 n0， TL0。 当 n 0，TL0。 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。,3. 通风机负载特性, TLn2 TL 的始终与 n 的方向相反。 如通风机、水泵、油泵等。,T0,TL = T0 + k n2,实际的通风机负载,实际的机床平移机构,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：TTL = 0,运动方程:,TTL 0,加速,TTL 0,减速,n = 常数,过渡过程:,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:,TTL,T = TL,TTL,TTL,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,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 = sc IN = (5.57) IN 起动转矩小：Tst =stTN = (1.62.2) 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。,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：,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),Q1,Q2,FU,运行,起动,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）, 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:,否则不能采用此法。,(1) IstYImax （线路中允许的最大电流）； (2) TstYTL 。, Y 减压起动的使用条件：,定子电流： kAIst,线路电流：,IstA= kA2Ist,3. 自耦变压器减压起动,UN,= kAUN,降压比为:,U1,U1,定子电压：, 自耦变压器减压起动的起 动电流为：,IstA= kA2Ist, 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 Tst,(1) IstAImax （线路中允许的最大电流）； (2) TstATL 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 TL,4. 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。,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' (1.11.2)TL 2.考虑电源电压波动,3.考虑谐波的影响,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，R2,2.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。,1. 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,2. 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 ：,(3) 起动级数与起动电阻的关系,当 ssM 时：,当 s 不变时：,b点和 c点,d 点和 e点,=,当 sM 不变时： T s,= , 对于 m 级起动：,=,R21 =R2 R22 =R21 R2m = R2(m1),=2R2 =m R2,Rst1 = R21R2 Rst2 = R22R21 Rstm = R2mR2(m1), 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,11.2 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,转子：,n,E2, I2,T,2. 能耗制动时的机械特性,特点： 因T 与 n 方向相反， n T 曲线在第、 象限。 因 n = 0 时， T = 0， n T 曲线过原点。 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',3. 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)，,(T0，制动开始),制动过程结束。,(2) 制动效果： Rb,I1,T,制动快,(3) 制动时的功率： 定子输入：P1 = 0，,轴上输出：P2 = T0,动能 P2,转子电路的电能，,PCu2消耗掉。,4. 能耗制动运行 下放重物,a 点,b 点,(T0，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。,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：,制动前：,正向电动状态；,制动时：,定子相序改变， n0 变向。,即：s 1 (第象限)。 同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a 点,b 点,(T0，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。,取决于 Rb 的大小。,(2) 制动效果：,(3) 制动时的功率：,0,PCu2 = m1(R2' + Rb' ) I2'2 = PePm = Pe + |Pm|,0,Pm = (1s ) 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,2. 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,(TTL),c 点 ( n = 0，TTL ),d 点( n0，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： TcTL 。,(3) 制动时的功率：,第象限：,1 (n0),0,pCu2 = m1(R2'+ Rb' ) I2'2 = PePm = Pe + |Pm|,0,Pm = (1s ) 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。,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,（1） 制动时的功率：,第象限：,0 (nn0),0,PCu2 = PePm |Pe | = |Pm|PCu2,0,Pm= (1s ) 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）。,（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,例3：一台绕线型异步 M 的技术数据为： PN = 75 kW， nN = 1 460 r/min，MT = 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 ,解： (1),固有特性上的临界转差率：,= 0.146,= 0.0213,sb = 2sa = 1.98,= 4.71,= 1.676 ,(2) M 反转后的稳定转速:,= 0.687,nd = (1sd' ) n0',=(10.687)(1500),= 469.5 r/min,例4：一台绕线型异步 M 的技术数据为： PN = 75 kW， nN = 1 460 r/min，MT = 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 ,= 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 , 三相异步电动机的反转,第 十二章 异步电机的制动,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。,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、nN 的关系(nN = nmax),例如：nN = 1 430 r/min，nN = 115 r/min ， 要求30%、则 D = 5.3。,要求20%、则 D = 3.1。 再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，5%， 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。,二、变极调速,1. 调速方向 YYY ()：n Y () YY ： n 2. 调速范围:,D = 2 4,3. 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) YYY：恒转矩调速。 满载输出功率：,满载输出转矩：,如果 cos1不变， 则：,（恒转矩调速）,(2) YY（近似）恒功率调速：,如果cos1不变， 则：,1,（恒功率调速）,= 1.732,三、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。,(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。 需要可调交流电源； cos1和均较低。,(6) 调速时的允许负载： 既非恒转矩调速，又非恒功率调速。,TU1p2,稳定性差。,(5) 调速的经济性：,U1,T (n),P2,2. 转子串电阻调速,(1) 调速方向:,n,(2) 调速范围：D 较小。,(3) 调速的平滑性:,Rr,%,(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，,m不变，,T = CTm I2N cos2,基本不变。,3. 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, 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,(3) 串级调速的调速性能, 调速方向: 调速范围： D 较大。 调速的平滑性：平滑性好（无级调速）。 调速的稳定性：稳定性好。 调速的经济性： 初期投资大；运行效率较高，运行费用不大。 调速时的允许负载：恒转矩调速。 调速前后 U1 、 f1 不变，,m不变，,基本不变。, T = CTm I2N cos2,三、变频调速,U、f 可 变,整流电路,逆变电路,50 Hz,1. 调速方向:,f1fN 时：n f1fN 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) f1fN 时：恒转矩调速。,m基本不变，,T = CTm I2N cos2,基本不变。,P2 = T2,T,(2) f1 fN 时：恒功率调速。, U1L = UN, T = CTm I2N cos2,T n,P2 = 常数,(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 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， MT = 2.2， R2 = 0.02 ，TL = 0.8 TN。求：,解：(1),= 0.02,= 0.083,= 0.0156,n = (1s) n0,= 1 000 (10.0156),= 984.4 r/min,(2) 当 U1L = 0.8UN 时，,n0、sM 不变，,TMU12：,TM = 0.82MTTN,= 0.82×2.2 TN,= 1.408 TN,= 0.026,n = (1s) n0,= 1 000 (10.026),= 974 r/min,(3) 当 U1L = 0.8 UN，f1 = 0.8 fN 时：,TM 不变，,= 0.10375,，n0 f1,= 0.0195,n0 = 0.8×1 000,n = (1s) n0,= 800 (10.0195),= 800 r/min,= 784.4 r/min,(4) 当 R2 + Rr = 0.05 时:,n0、TM不变，sMR2。,= 0.2075,= 0.039,n = (1s) n0,= 1 000 (10.039),= 961 r/min,或：,s R2 （n T 曲线的工作段为直线）,= 0.039, 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,= DPL,(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,