第十章__三相异步电动机的机械特性及各种运转状态.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院电机学及拖动基础电机学及拖动基础2021/9/231第十章第十章 三相异步电动机的三相异步电动机的机械特性及各种运转状态机械特性及各种运转状态2021/9/232第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式第二节第二节 固有机械特性与人为机械特性固有机械特性与人为机械特性第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 第四节第四节 三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算主要内容主要内容2021/9/233本章要求本章要求掌握掌握三种机械特性表达式及适用范围三种机械特性表达式及适用范围掌握掌握固有机械特性和人为机械特性的特点固有机械特性和人为机械特性的特点掌握掌握各种制动的实现方法和能量转换过程各种制动的实现方法和能量转换过程理解理解三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算方法三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算方法2021/9/234直流电机电力拖动的知识如何扩充到交流电机电直流电机电力拖动的知识如何扩充到交流电机电力拖动，交流电机的电力拖动与直流电机的电力力拖动，交流电机的电力拖动与直流电机的电力拖动会有什么样的共性和区别？拖动会有什么样的共性和区别？2021/9/235第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式直流电力拖动和交流电力拖动的共同问题直流电力拖动和交流电力拖动的共同问题n稳定性稳定性l机械特性和负载特性的配合机械特性和负载特性的配合l机械特性机械特性也是指转速与转矩间的关系也是指转速与转矩间的关系n=f(T)，包括：固有机械特性和人为机械特性包括：固有机械特性和人为机械特性l负载转矩特性负载转矩特性也是负载转矩与转速间的关系也是负载转矩与转速间的关系Tz=f(n)，包括：恒转矩负载、恒功率负载、通风机，包括：恒转矩负载、恒功率负载、通风机负载负载2021/9/236直流变量的属性：大小、极性直流变量的属性：大小、极性交流变量的属性：大小、相位、频率交流变量的属性：大小、相位、频率直流电机：励磁可以独立调节，对电枢回路的操直流电机：励磁可以独立调节，对电枢回路的操作不会影响励磁回路状态；作不会影响励磁回路状态；交流电机：没有独立的励磁回路交流电机：没有独立的励磁回路，产生转矩的转，产生转矩的转子电流是感应产生的，其大小与电机的运行状态子电流是感应产生的，其大小与电机的运行状态有关，即使是恒转矩负载，电流也可能不同的。有关，即使是恒转矩负载，电流也可能不同的。交流电机由于频率的存在交流电机由于频率的存在-电抗存在电抗存在 2021/9/237频率的变化使感抗变化，即电机运行中电路参数频率的变化使感抗变化，即电机运行中电路参数是变化的是变化的-相位变化相位变化-转矩是变化的。转矩是变化的。断电则磁场也会消失断电则磁场也会消失。因此，。因此，直流电机的机械特直流电机的机械特性与交流电机的机械特性是不同的。性与交流电机的机械特性是不同的。n三相异步机的机械特性三相异步机的机械特性l物理表达式物理表达式l参数表达式参数表达式l实用表达式实用表达式2021/9/238一、物理表达式一、物理表达式 机械特性的物理表达式：机械特性的物理表达式：其中：其中：显然，显然，第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2021/9/239物理表达式对应的机械特性曲线：物理表达式对应的机械特性曲线：转子电流转子电流n=f(I2)转子电路功率因数转子电路功率因数n=f(cos2)两条曲线相乘并乘以两条曲线相乘并乘以CT1mn=f(T)是电磁力定律在异步电动机是电磁力定律在异步电动机中的反映中的反映物理表达式物理表达式适用范围适用范围定性分析定性分析第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2021/9/2310小结：起动时电流最大，功率因数最小；随着转小结：起动时电流最大，功率因数最小；随着转速的升高，电流逐渐减小，功率因数逐渐加大；速的升高，电流逐渐减小，功率因数逐渐加大；因此：起动时，转矩最小，随后逐渐加大因此：起动时，转矩最小，随后逐渐加大-达达到最大到最大-随着转速的升高，转矩又逐渐减小；随着转速的升高，转矩又逐渐减小；机械特性的物理表达式机械特性的物理表达式不好计算具体的电磁转矩不好计算具体的电磁转矩大小。大小。-机械特性与具体参数的关系。机械特性与具体参数的关系。2021/9/2311二、参数表达式二、参数表达式 物理表达式的缺点物理表达式的缺点不能直接反映转矩与电机参数（如不能直接反映转矩与电机参数（如U、s、R1、R2、X1、X2）间的关系，需要参数表达式）间的关系，需要参数表达式参数表达式的优点参数表达式的优点适用于分析参数变化对电动机运行适用于分析参数变化对电动机运行性能的影响性能的影响第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式1、推导、推导2021/9/2312与参数表达式对应的机械特性曲线：与参数表达式对应的机械特性曲线：临界转差率临界转差率dT/ds=0最大转矩：最大转矩：正号正号对应于电动机状态，对应于电动机状态，负号负号对应于发电机状态对应于发电机状态第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2、几个重要参数、几个重要参数2021/9/23131）电动机各参数及电源频率不变，）电动机各参数及电源频率不变，Tmax与与U2成正比，成正比，sm则则保持不变，与保持不变，与U无关无关2）电源频率及电压不变，）电源频率及电压不变，sm，Tmax近似与近似与X1+X2成反比成反比3）Tmax与与R2无关，无关，sm与与R2成正比。绕线转子异步电动机，成正比。绕线转子异步电动机，当转子电路串联某一电阻当转子电路串联某一电阻RQ时，可使时，可使sm=1，Tst=Tmax。第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式3、几点结论、几点结论2021/9/2314（s=1，n=0）绕线转子异步电动机，转子电路串联附加电阻，可以改善绕线转子异步电动机，转子电路串联附加电阻，可以改善起动特性起动特性4、过载倍数、过载倍数如果负载转矩如果负载转矩TzTmax，电动机将会停转，电动机将会停转为保证电动机不会因为短时过载而停转，电动机必须具为保证电动机不会因为短时过载而停转，电动机必须具有一定的有一定的过载倍数过载倍数KT反映了电动机反映了电动机短时过载的极限短时过载的极限5、起动转矩、起动转矩第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2021/9/2315对于笼型转子异步电动机，转子电路不能串联附加电阻，此对于笼型转子异步电动机，转子电路不能串联附加电阻，此时，时，Tst与与TN的比值称为的比值称为起动转矩倍数起动转矩倍数Kst是笼型异步电动机的一个参数，反映了电动机的起动能力是笼型异步电动机的一个参数，反映了电动机的起动能力5、起动转矩倍数、起动转矩倍数参数表达式适用于分析参数表达式适用于分析T与电动机参数之间的关系。与电动机参数之间的关系。根据参数表达式绘制机械特性，需要知道相关的参数（如根据参数表达式绘制机械特性，需要知道相关的参数（如R1、R2、X1、X2 等）等）第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2021/9/2316n起动转矩与电压的平方成正比；转子电阻越大则起动转矩与电压的平方成正比；转子电阻越大则起动转矩越大；其他参数越大则起动转矩越小。起动转矩越大；其他参数越大则起动转矩越小。n理想空载点：只与电压的频率、电机的极对数有理想空载点：只与电压的频率、电机的极对数有关，与其他参数无关。关，与其他参数无关。n临界转差率：与转子电阻成正比，其他参数越大临界转差率：与转子电阻成正比，其他参数越大则临界转差率越小。则临界转差率越小。n最大转矩：与转子电阻无关，其他参数越大则最最大转矩：与转子电阻无关，其他参数越大则最大转矩越小。大转矩越小。通常情况下，电动机产品目录中没有这些参数，因通常情况下，电动机产品目录中没有这些参数，因此需要导出此需要导出实用表达式，便于近似计算实用表达式，便于近似计算2021/9/2317三、实用表达式三、实用表达式第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式忽略忽略 R1 得到实用表达式得到实用表达式问题：问题：如何求如何求Tmax和和sm？2021/9/2318n根据电动机产品数据计算根据电动机产品数据计算Tmax及及Sm第一节第一节 机械特性的三种表达式机械特性的三种表达式2021/9/2319TzTN时时，s/smns，sns-切割方向发生变化切割方向发生变化-电势反向电势反向-电流电流反向反向-转矩反向转矩反向-转矩与转速反向转矩与转速反向-进入制动进入制动状态状态能量的传递：转子感应电动势能量的传递：转子感应电动势sE2反向，转子电流反向，转子电流的有功分量的有功分量 改变方向改变方向2021/9/2337功率传递方向：功率传递方向：转子电流有功分量转子电流有功分量 反向反向定子电流有功分量定子电流有功分量 反向反向 定子绕组将电能回馈电网定子绕组将电能回馈电网 由轴上吸收机械功率由轴上吸收机械功率机械特性：机械特性：位于第二象限位于第二象限(T负，负，n正正)当制动转矩当制动转矩T与负载转矩与负载转矩Tz平衡时，平衡时，电动机稳定运行电动机稳定运行第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2338如何实现回馈制动：如何实现回馈制动：降低同步转速降低同步转速-降低频率或升极对数。降低频率或升极对数。2021/9/2339402、反接制动状态、反接制动状态（1）转速反向的反接制动）转速反向的反接制动 含义含义转子转速反向，定子电压反转子转速反向，定子电压反向不变向不变过程：过程：转速反向转速反向-转矩方向不变转矩方向不变-进入制动状态。进入制动状态。要求：要求：转矩方向不变转矩方向不变-要求负载转矩要求负载转矩方向不变方向不变-要求负载是位能性负载要求负载是位能性负载实现方法：实现方法：n ns s第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2340实现实现转子电路串一大电阻转子电路串一大电阻Rf重物产生的转矩重物产生的转矩Tz与电动机转矩方向相反与电动机转矩方向相反TstTz时，时，重物倒拉着电动机重物倒拉着电动机反向起动，反向起动，T 与与n 方方向相反，为制动状态向相反，为制动状态转差率转差率s=ns-(-n)/ns1-nsI2 T，T=Tz时，等速下放时，等速下放第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2341功率传递方向功率传递方向Pe=3I22（R2+Rf）/s0，转子由定子输入电磁功率转子由定子输入电磁功率P2=Pe(1-s)0，电动机由轴上输入机械功率，电动机由轴上输入机械功率P2=Pe-P2消耗在转子电路的总电阻消耗在转子电路的总电阻（R2+Rf）上上第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2342（2）定子两相反接的反接制动）定子两相反接的反接制动 含义含义将定子两相反接，进入制动状态将定子两相反接，进入制动状态过程：过程：定子两相反接定子两相反接-磁场反向磁场反向-切割方向反向切割方向反向-电势电势反向反向-电流反向电流反向-转矩反向转矩反向-进入制动状态进入制动状态第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 Te-s曲线曲线2021/9/234344实现实现将定子两相反接将定子两相反接磁磁场场反向旋反向旋转转，E2、I2及及T均与电动状均与电动状态时反向，态时反向，s=(-ns-n)/(-ns)1制动前工作在固有机械特性制动前工作在固有机械特性A点点两相反接，转矩反向，转移到两相反接，转矩反向，转移到B点点BC段为反接制动特性段为反接制动特性如不切断电源，可自行反向起动如不切断电源，可自行反向起动CD段为段为反向电动反向电动特性，至特性，至D点稳定运行点稳定运行如带位能负载，如带位能负载，D点后继续反向加速，点后继续反向加速，当当|-n|-ns|后，后，反向回馈制动反向回馈制动状态状态 制制动过动过程中是否需要限制程中是否需要限制电电流呢？流呢？n ns s第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2344分析电阻：分析电阻：磁场反向磁场反向-切割速度加大切割速度加大-电势加大电势加大-电流电流加大加大-需要串联电阻需要串联电阻在定子串联还是在转子串联？在定子串联还是在转子串联？2021/9/2345功率传递方向功率传递方向Pe=3I22（R2+Rf）/s0，转子由定子输入电磁功率转子由定子输入电磁功率P2=Pe(1-s)0，电动机由轴上输入机械功率，电动机由轴上输入机械功率P2=Pe-P2消耗在转子电路的总电阻消耗在转子电路的总电阻（R2+Rf）上上反接制动的特点反接制动的特点优点优点制动强度大，制动效果好制动强度大，制动效果好可获得稳定的下放速度可获得稳定的下放速度缺点缺点能量损耗大能量损耗大制动准确度差，如需停车，需用自动控制线路及制动准确度差，如需停车，需用自动控制线路及时切断电源时切断电源第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/23463、能耗制动状态、能耗制动状态含义含义定子端不输入能量，进入制动状态。定子端不输入能量，进入制动状态。分析：分析：定子不加定子不加电压电压-异步机磁异步机磁场场消失消失-不可能有不可能有电电磁磁转转矩矩因此定子需要因此定子需要产产生一个磁生一个磁场场第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2347483、能耗制动状态、能耗制动状态实现实现K1断开，断开，K2闭合，在定子闭合，在定子两相绕组内通入直流电流，在定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。内形成一固定磁场。制动过程制动过程由于由于惯惯性，性，转转速仍速仍为为n切割磁力线切割磁力线感应电势感应电势感应感应电流电流电磁力电磁力制动转矩制动转矩在制动转矩和负载转矩共同作在制动转矩和负载转矩共同作用下，转子减速至用下，转子减速至0能耗制动可以使反抗性负载准能耗制动可以使反抗性负载准确停机，也可以使位能性负载确停机，也可以使位能性负载匀速下放匀速下放NSn第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2348能耗制动特性能耗制动特性改改变转变转子串子串联电联电阻阻转子内电阻增加而直流励磁电流转子内电阻增加而直流励磁电流不变时，不变时，产生最大转矩时的转速增加，产生最大转矩时的转速增加，最大转矩保持不变最大转矩保持不变，如特性曲线，如特性曲线1、3所示，特性所示，特性3对应串联较大电阻。类对应串联较大电阻。类似于正常工作时，转子电路串电阻的似于正常工作时，转子电路串电阻的情况情况改改变变定子直流励磁定子直流励磁电电流流转子电路的串联电阻不变而直流转子电路的串联电阻不变而直流励磁电流增加时，励磁电流增加时，临界转差率不变，临界转差率不变，最大转矩增大最大转矩增大，如特性，如特性1、2所示，特所示，特性性2对应较大直流励磁电流。对应较大直流励磁电流。类似于类似于正常工作时改变定子电压的情况正常工作时改变定子电压的情况第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2349小结小结转速反向的反接制动只对绕线式电机有效；转速反向的反接制动只对绕线式电机有效；电压反向的反接制动只对绕线式电机有效；电压反向的反接制动只对绕线式电机有效；能耗制动对鼠笼式、绕线式电机均有效。能耗制动对鼠笼式、绕线式电机均有效。分析方法：分析方法：制动方式的含义、实现的方法、实现制动方式的含义、实现的方法、实现的过程。的过程。实现过程：实现过程：可以采用物理变化过程进行描述，也可以采用物理变化过程进行描述，也可以采用机械特性线进行分析。可以采用机械特性线进行分析。2021/9/2350分析三相异步机缺相运行的状态变化。分析三相异步机缺相运行的状态变化。2021/9/2351三、异步电动机四象限运行分析三、异步电动机四象限运行分析在正转方向在正转方向，特性特性1 1与与11的第二象限的第二象限为为回馈制动特性回馈制动特性，第四象限为，第四象限为反接制反接制动特性动特性；在反转方向在反转方向，特性特性2 2与与22的第二象限的第二象限为为反接制动特性反接制动特性，而第四象限则为，而第四象限则为回回馈制动特性。馈制动特性。能耗制动能耗制动电路的联结方法有所不同，电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线其机械特性用曲线3 3与与33表示，第二表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第四象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对应于反转。象限则对应于反转。图中特性图中特性1 1，22及及33对应于异步对应于异步电动机转子有串联电阻时，而电动机转子有串联电阻时，而1 1，2 2及及3 3则对应于没有串联电阻。则对应于没有串联电阻。正向回正向回馈制动馈制动正向正向电动电动反向电动反向电动倒拉反倒拉反接制动接制动反向回反向回馈制动馈制动能耗能耗制动制动两相反两相反接制动接制动第三节第三节 各种运转状态各种运转状态 2021/9/2352第五节第五节 绕线转子异步电动机调速绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算及制动电阻的计算计算的目的计算的目的决定一个适当的电阻决定一个适当的电阻Rf，在绕线转子异步电动机调速，在绕线转子异步电动机调速及制动时串入转子电路，以保证获得运行所需要的调速及及制动时串入转子电路，以保证获得运行所需要的调速及制动特性。制动特性。计算方法：算方法：一般的计算思路如下：一般的计算思路如下：1）由产品目录计算由产品目录计算固有机械特固有机械特性的性的sm；2）由实用表达式计算由实用表达式计算人为机械特性的人为机械特性的sm；3）由下列关系，计算串联的由下列关系，计算串联的附加电阻附加电阻Rf：计算中算中应注意不同运注意不同运转状状态下各参量正下各参量正负号等不同特点号等不同特点2021/9/2353 例例10-2 10-2 某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：r/min1460N=nA166N2=IA144N1=I（1）当负载转矩）当负载转矩 ，要求转速，要求转速 时，转子每相应串入多大的电阻时，转子每相应串入多大的电阻（图中（图中B点）？点）？r/min500=Bn（2）从电动状态（中）从电动状态（中A点）点）时换接到反接制动状态，如果时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于要求开始的制动转矩等于 （图中（图中C点），则转子每相应点），则转子每相应该串接多大电阻？该串接多大电阻？（3）如果该电动机带位能负载，）如果该电动机带位能负载，负载转矩负载转矩 ，要，要求稳定的下放转速求稳定的下放转速 r/min，求转子每相的串接电阻值。，求转子每相的串接电阻值。2021/9/2354解解求求sN和和R2（1）求）求RfB1）采用实用表达式计算）采用实用表达式计算RfB：根据固有特性求根据固有特性求sms=sx时，时，T=Tx，临界转差率为，临界转差率为2021/9/2355取取 （不合理，舍去）不合理，舍去）2021/9/23562)采用简化表达式计算采用简化表达式计算RfB机械特性为直线机械特性为直线1）采用实用表达式计算：）采用实用表达式计算：（2）求）求RfC2021/9/2357取取 取取2）采用简化表达式计算）采用简化表达式计算机械特性为直线机械特性为直线2021/9/2358取取 （时时不能稳定运转）不能稳定运转）（3）求）求RfD1）采用实用表达式计算：）采用实用表达式计算：2）采用简化表达式计算）采用简化表达式计算机械特性为直线机械特性为直线2021/9/2359第十章第十章 结结 束束2021/9/2360