电机原理及拖动第六章课件.ppt

1、内容介绍同步电动机同步电动机控制电机控制电机三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机原理三相异步电动机原理电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择第六章 三相异步电动机的电力拖动 l第一节第一节 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性l第二节第二节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动l第三节第三节 绕线转子异步电动机的起动绕线转子异步电动机的起动l第四节第四节 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动l第五节第五节 三相异步电动机的各种运行状态三相异步电动机的各种运行状态l第六节第六节 异步电动机拖动系统的机械过渡过程及能量损耗异步电动机拖动系

2、统的机械过渡过程及能量损耗第一节 异步机机械特性 概述概述实用表达式参数表达式物理表达式式机械特性的三种表达形 sfT 用于函数式表示：用于曲线表示：Tfs l物理表达式物理表达式 表达式表达式（P182183，推导过程推导过程自己看自己看，在此仅给结论，在此仅给结论）22cosICTmT sfsfIsfm22cos 曲线曲线 图6-1：sfm2212212222xxsrrxsrmBmmBmBss2110mm 图6-2：sfI 222122112xxsrrUI图6-3：sf2cos222222cosxsrr机械特性曲线（图6-4）22cosICTmTl参数表达式参数表达式 推导（推导（“”型等

3、效电路：型等效电路：图图5-45、46、48）2212212211112221122xxsrrsrUfpmpfsrImPTM 机械特性曲线（机械特性曲线（图图6-4）象限分析与说明（P184，自己看）特定点v同步运行点，)(01nns 0Tv临界点（最大转矩点），mss maxTT 临界转差率 临界（最大）转矩，可得令0dsdT221212xxrrsm2212112111max22xxrrUfpmT 讨论 21maxUT Tmax与r2无关 U1、f1恒定，max21Txx 2rsm2212122XXrRr1ms起动转矩：maxTTst（绕线式：转子外串电阻加大起动转矩）v起动点（s=1）22

4、1221221112xxrrrUfpmTst 讨论 21UTst 改变r2，可以改变Tst；（绕线电机：转子外串电阻可加大起动转矩；电网不允许（大功率）电机直接起动（1-s）/s=0，功率因数低：0.3），否则影响其它设备的正常运行）：图5-4548v额定点（s=sN（n=nN），T=TN）l实用表达式实用表达式（不依赖于电机参数，根据产品目录给出的数（不依赖于电机参数，根据产品目录给出的数据进行计算据进行计算）推导推导 2212212212112max2xxsrrsxxrrrTT221221221112xxsrrsrUfpmT2212112111max22xxrrUfpmT 注意：msrxx

5、r222121maxmax21212212TqssssqTsrrsssssrrTmmmmmmmsrrq2122.01.0ms21rr（符合实际）2221msrrq2ssssmm 分析：实用表达式：ssssTTmmmax2mNmTTmaxssssTTmmNm2产品目录给出：0222mmNmsssTTs12TTTTssNmNmms=f(T)：sm的求法：的求法：12TTTTssNmNmm）转差率：（通常用额定点计算临界NNssTT,12mmNmss121111nTTTTsnsnNmNmmssssTssssTTmmmmNmmax22 n=f(T)：机械特性的计算：机械特性的计算：v先求sm和Tmax

6、 11nnnsNNNNNnPT9550NmTTmax12mmNmss（通常取“+”）机械特性的线性化机械特性的线性化）（通常工作状态：Nss ssssmmssTTmmax2）（Nss 0l固有（自然）机械特性条件：定子电压：额定 频率：额定 定子绕组接线：按规定接线 转子绕组：短接l固有机械特性和定子电流示意图固有机械特性固有机械特性sn0sN1TNTkNTmaxTABCDSmIkNI1l特殊点特殊点 额定工作点：额定工作点：209550NNNNPTTTnmaxmNTT2.4 3（）最大转矩点：最大转矩点：堵转转矩：堵转转矩：kNT堵转电流：堵转电流：kNI 堵转点：堵转点：起动转矩倍数：起动

7、转矩倍数：NkNTTTk1.7 2.2（）起动电流倍数：起动电流倍数：NkNIIIk 4 7（）笼型铭牌给出：笼型铭牌给出：和和TKTI，绕线式不给。，绕线式不给。l机械特性参数表达式和实用表达式的计算机械特性参数表达式和实用表达式的计算（例例6-1）参数表达式：参数表达式：221221221112xxsrrsrUfpmT 实用表达式：实用表达式：21mNmmssssssTTmmNm2 直流机（电磁转矩）：额定转矩：额定转矩：异步机（输出转矩）：NNNnPT9550amTNICTl计算举例：计算举例：异步机异步机，kW30V380A2.67min/722r08.3m求：求：1、机械特性表达式；

8、、机械特性表达式；2、已知：、已知：T，求：，求：s和和n。基本计算：基本计算：9550415.8NNNPTN mn0373.011nnnsNN（额定点）（额定点）mNTTNm9.1249max210.224 mNmmss（0.0061，舍去）（转矩最大点）（转矩最大点）机械特性表达式：机械特性表达式：21m Nm NmTTsf TsTT 211111m Nm NmTTn f Ts nsnTT （实用表达式）（实用表达式）max22559.550.05mmTsTf ssssss（实用表达式）（实用表达式）已知：已知：T，求：，求：s和和n。NTT2 Tfs 0826.0(607.0舍去）s0.

9、5NTT Tfs 2.47(0.0183s舍去）v方法一：NTT0.01822mmNTssT11736 /minns nrv方法二：线性化条件 练习：练习：NTT l实际固有机械特性（实际固有机械特性（图图6-6）讨论：讨论：低速（低速（sms1）时，公式计算的机械特性与实际特性曲线存）时，公式计算的机械特性与实际特性曲线存在较大偏差，原因在于：在较大偏差，原因在于：定、转子电流大，槽磁动势大，漏磁路饱和，定、转子漏抗值减小；此外，s=1时，转子导条的挤流效应（转子阻值增大）。存在寄生转矩：气隙高次谐波磁场与转子电流作用产生的一系列谐波转矩。“蠕动蠕动”问题：问题：Y Y系列笼型异步电动机设计

10、要求最小转矩系列笼型异步电动机设计要求最小转矩min0.5KNTT人为机械特性l从参数表达式出发：从参数表达式出发：221221221112xxsrrsrUfpmTl降低定子电压的人为特性降低定子电压的人为特性（图图6-7）方法：方法：1U221212xxrrsm1U（不允许：磁饱和（不允许：磁饱和（磁化曲线磁化曲线和和“恒压系统恒压系统”），绝缘），绝缘）特点：特点：同步转速n1=60f1/p不变；临界转差率sm与定子电压无关；21UT v最大转矩：2212112111max22xxrrUfpmTv初始起动转矩：221221221112xxrrrUfpmTst 机械特性图组（机械特性图组（图

11、图6-8）l定子串三相对称电阻（电抗）的人为特性定子串三相对称电阻（电抗）的人为特性 特点：特点：同步转速n1不变；临界转差率sm、Tmax与Tst随外串电阻（电抗）的增大而减小。机械特性图机械特性图1 0TmaxTsms n0n1Tmaxsml转子串三相对称电阻（绕线式）转子串三相对称电阻（绕线式）接线：接线：图图6-10 特点：特点：同步转速n1和Tmax不变；临界转差率sm与Tst随外串电阻的增大而增大。机械特性图组（下页）讨论：讨论：转子串入电阻，为保证转子串入电阻，为保证T=C（0TTmax），有：），有：221221221112xxsrrsrUfpmT2122232cccABCDr

12、RrRrRrssssv三相异步电机转差率的比例推移法：转差率与转子回路电阻成正比的规律r2+Rc3Tst2sm2r2+Rc2Tst1sm1r2+Rc11 0TstTmaxTs n0n1smr2B AC D 外串电阻的计算：外串电阻的计算：121BcAsRrs1121mcmsRrs 转子每相绕组电阻转子每相绕组电阻r2 的估算（依据：的估算（依据：sNsNx2）NNNsIEsZr22223（转子绕组（转子绕组Y接）接）E2N：转子额定电动势（转子开路线电势）；I2N：转子额定线电流。l人为机械特性的应用示例人为机械特性的应用示例 转子串电阻起动（转子串电阻起动（图图6-24）转子反向的反接制动（

13、转子反向的反接制动（图图6-51）第二节 笼型异步电动机的起动 l关于起动关于起动 绕线式：起动可调到最佳绕线式：起动可调到最佳 笼型：笼型：Ik大，电网可能不允许；大，电网可能不允许；Tk不大，降压时不大，降压时Tst更小（满足电更小（满足电网），适于轻载起动。网），适于轻载起动。（直接起动）（直接起动）特殊笼型：深槽、双笼、高滑差。（起动转矩大）特殊笼型：深槽、双笼、高滑差。（起动转矩大）l笼型电机起动的要求笼型电机起动的要求 满足：电网（希望满足：电网（希望Ik小）和负载（希望小）和负载（希望Tk大）。大）。电网对起动电流的要求电网对起动电流的要求NNUU%15%10电流冲击造成压降偶尔

14、起动电流冲击造成压降经常起动电网要求如果不满足要求，应降低起动电流。办法：自耦变压器起动定子串电阻、电抗减压 负载对起动转矩的要求负载对起动转矩的要求 要求：LTTminv如果不满足要求，应加大起动电流。v图6-6 问题：蠕动要求：max2minminLSVTKKTTKV：电压波动系数（：电压波动系数（0.850.95）；）；Ks：加速转矩系数（：加速转矩系数（1.151.2）。）。结论：良好起动，以上两项要求应权衡。结论：良好起动，以上两项要求应权衡。l直接起动直接起动 一般，首选直接起动。一般，首选直接起动。7.5kW以下电机可以直接起动。以下电机可以直接起动。现代设计的笼型异步电动机现代

15、设计的笼型异步电动机：根据直接起动的电磁力和发热设计其机械强度和热稳定性。l减压起动减压起动 不满足电网要求时采用减压起动。不满足电网要求时采用减压起动。基本问题（减压时的起动电流）基本问题（减压时的起动电流）设U为电机端电压 I0很小（可以忽略）0IUm得初始起动电流：KstZUxxrrUI12212211堵转电流：KNKNZUI电机电流减小：NKNstUUII1（减压系数）（减压系数）kstTT2希望：只要 NUU1，就满足，就满足 KNstII达到减小起动电流的目的。达到减小起动电流的目的。)1(定子串电阻、电抗定子串电阻、电抗 接线图（图6-14）（小电机：串电阻，大电机：串电抗）原理

16、（等效电路见教材图6-15）：NUU 1KNstII电阻和电抗的计算 v 确定减压系数：要求：NIstKNstIkIII设电网允许：stI stRstx（或（或）计算：）计算：v 2222122kkNkkkstkNxrUxrUxRrUv解得：v同理：kkkstxrxx22211kkkstrxrR22211rk和xk可根据铭牌进行估算：NINKNNkIkUIUZ33NINKNNkIkUIUZ33kkZr)(4.0)(25.0(小电机大电机22kkkrZx定子串阻抗的特点：适用于空载或轻载起动。电机电流减小系数转矩减小系数电网电流减小系数电机绕组电压减小系数2 起动起动 （6端子电机）端子电机）接

17、线图：教材图6-16：K1、K3闭合（降压起动）K3断开、k2闭合（正常运行）。由教材图6-17可看出加到一相的电压不同。)(33kNKNZUII(Y)3kNstZUII 特点：电机电流减小系数转矩减小系数电网电流减小系数电机绕组电压减小系数22)31(优缺点：v起动电流小（对电网）、设备简单、价格便宜、操作方便；v起动转矩小，降压系数不可调；v仅适合于30kW以下的小功率电动机空载或轻载起动。自耦变压器起动自耦变压器起动 教材图6-18为接线图，教材图6-19为一相电路。减压系数：21NNkANAUkU1自耦变压器变比：电机电流：ANkUU1):(I 12变压器副侧KNAKNstIkIIv忽

18、略变压器空载电流：):(I 11122原侧KNKNAstAstIIkIkI211IkIA 特点：电机电流减小系数转矩减小系数电网电流减小系数电机绕组电压减小系数22 优缺点：教材 P208 工业自耦变压器抽头比：0.8、0.65。总结：总结：教材教材P208 表表6-2 例例6-3(看一下看一下)l教材教材P210 图图6-20 高起动转矩笼型异步电动机的机械特性高起动转矩笼型异步电动机的机械特性 深槽，双笼异步电动机（看一下）深槽，双笼异步电动机（看一下）挤流效应（趋表效应）挤流效应（趋表效应）第三节 绕线转子异步电动机的起动 l分级起动分级起动 理想起动特性（理想起动特性（图图6-24）内

19、容：内容：什么是理想起动特性 函数公式 起动级数已知和未知，转子电阻算法 习题习题6-39l作业：作业：6-336-38l串频敏变阻器起动串频敏变阻器起动 原因：串电阻分级起动结构复杂、维护量大。原因：串电阻分级起动结构复杂、维护量大。起动转矩改善（教材图起动转矩改善（教材图6-27）。（在起动过程中。（在起动过程中，能保持较大的起动转矩）能保持较大的起动转矩）第四节 异步电动机的调速 l调速方法调速方法 pfsnsn11601111fpns变变变变变变变变方法方法 转差功率消耗型：转差功率消耗型：变变s （低）（低）滑差电机滑差电机转差离合器调速转差离合器调速绕线式转子串电阻绕线式转子串电阻

20、降定子电压调速降定子电压调速)(转差功率回馈型：转差功率回馈型：串级调速（转子串电阻的改进），串级调速（转子串电阻的改进），高高 转差功率不变型：变转差功率不变型：变p、变变f，高高 l转差功率转差功率:mMsPPp2cup1TPMCTTL 对于变对于变s:CPMMmPsP 1MssPp spnsl变极调速变极调速 原理原理 异步机极数是定子绕组结构决定的（笼型）两个“半”绕组顺串（图6-28）：多级（低速）两个“半”绕组反串或顺并（图6-29）：少级（高速）变级（改变接法时，应同时变相序）？vp=1，空间角度（）：0、120、240vp=2，空间角度（）：0、240、480（120）（反转）

21、变极前、后、转矩和功率关系变极前、后、转矩和功率关系气隙磁密mkNfE11112)(pRlpDBlBm222DlkNfpEB11112):(联联的的匝匝数数每每相相每每条条并并联联支支路路中中串串1111111NkNpEkNpEBB电磁转矩22cosICTmT lpDBm2222coscosIBIBTTpZCT222222cos221IZDlBT)(）和和功功率率因因数数的的变变化化不不计计：电电机机温温升升（2IBBTT 输出功率)(pfnpBpBTTPP112160 接线举例接线举例YY/Y联结（图6-30：改变相序）恒转矩调速 2,2,1,1:1111111NNppkkEECUYYY21

22、pBpBPPPPYYY1111111kNpEkNpEBBTTTTYYYYY/D联结（图6-31：改变相序）接近恒功率调速 2,2,1,3:1111111NNppkkEECUDYY866.023pBpBPPPPYYD3111111kNpEkNpEBBTTTTYYD 变级调速：分级调速；电机工艺复杂，不经济。变级调速：分级调速；电机工艺复杂，不经济。l变频调速变频调速 VVVF、DTC、矢量控制（、矢量控制（SPWM、SVPWM）恒磁通变频的概念恒磁通变频的概念 CU 122111111cos44.4ICTTkNfEUfmTmwm NII22)(电电机机无无力力 NTT 01Ifm力力）（电电机机

23、电电流流大大，但但不不出出无无功功 NII0恒磁通变频：CfU11CfE11CmNm 基速的提法基速的提法 基速：电机额定速度 v基速以下，恒转矩调速，U1与f1协调控制；v基速以上，恒功率调速（弱磁调速），1fCUUN11 E1/f1=C时的人为特性时的人为特性恒磁通调速 mwkNfEU1111144.42222212112222221112221232323xsrrsffEpsrxsrEfppfsrIPTM 21222221211223sfLrrsffEpTlv讨论：mssnTmaxCT Csf 1分析人为特性的方法：nCTTLCsf 1npnnpfsf6060121Cn 特性平行特性平行

24、 Tmax0dsdT222122xrLfrslmCLfEpTl22112max183机械特性曲线（教材图6-32）容许输出（恒转矩）)(2)(1122212221222122CfELsfrCsfxsrEEIl CTTLCsf 1CIIN22)(充充分分利利用用又又不不过过热热CIIN11功率因数CICTmT22cosCmCI 2 CLsfrrl2221222222cos U1/f1=C时的人为特性（近似恒磁通调速）时的人为特性（近似恒磁通调速）22121222121211221221122122323llLLsfrsrrsffUpxxsrrfsrpUT忽略忽略nCTTLCn TmaxCfpns

25、f2160 221212122llmLLfrrs 221221111211221211121max214343llLLfrfrfUpxxrrfpUTmax1Tfv讨论：机械特性曲线（教材图6-33）电压补偿（也称转矩补偿）：低速特性变坏（？）50fU3805x1f1U11ZI1E50 380 10 370 5 38 10 28（应为37）5 47 10 37（补偿）fUfUU/f+恒PE/f+恒P 向基频以上调节的变频调速向基频以上调节的变频调速 当 f1fN 时，要保持m=C，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。办法：保持 U1=UN，这样 f1，m，相当于弱磁调速。Tmax2211122

26、2121121max1214343fLLffpUxxrrUfpTllNN1211222121212fLLfrxxrrsllmnmCpfLLfrnsnllmm121121602机械特性 v教材 图6-34v特点：运行段近似平行；Tmax1/f12。PM):(211222221221222285333xxr%ssrUsrxxsrrUsrIPNNM、不不计计v不同频率，s 变化不大，近似恒功率调速。v真正恒功率条件：CPCsM CfU12121160360fUrnpPfnpnnsM 变频调速特点变频调速特点：基频以下，恒转矩调速；基频以上，恒功率调速；机械特性基本平行，硬特性，调速范围宽，转速稳定性

27、好；运行时，s 小，转差功率损耗小，效率高；可连续调节，能实现无级调速。l降低定子电压调速降低定子电压调速 221221221112xxsrrsrUfpmT 机械特性：机械特性：（图图6-8）特点：特点：同步转速n1不变；sm不变；同一转速下：T U12，调速范围小。minmaxnnD v为了改善D，绕线式电机可加大转子外串电阻（教材图6-11 可以看出特性变软），v （图6-36 可以看出特性变软后，调速范围变大）。低速稳定性差（采用高滑差电机，特性软）。v改进：速度闭环 性能分析：恒性能分析：恒P？恒？恒T？（？（都不是都不是）22213rIsTsPpLMs21213rsTIIL：不不计计

28、0ICTLspIIsU211,（机械特性图）122213srIPTM充分利用，又不过热，即 NII22sT1恒转矩：T与与n无关；无关；恒功率：恒功率：nT1变极调压调速：结合变极调速的优点（变极调压调速：结合变极调速的优点（ps小小），可以改善调速性能。），可以改善调速性能。l转子串电阻调速（绕线式）转子串电阻调速（绕线式）机械特性：机械特性：特性变软（特性变软（图图6-24）缺点：缺点：低；低速稳定性差。低；低速稳定性差。调速性能：调速性能：性质 221221221112xxsrrsrUfpmT根据比例推移，根据比例推移，CTL2221122sRrsRrsrcc22222111222122

29、211313131sRrIsRrIsrIPTccM恒转矩性质恒转矩性质 效率：低速时，效率低 11211nnsPPsPPPPMMMml串级调速串级调速（ps回馈型回馈型）转子回路串附加电动势时的等效电路：（教材转子回路串附加电动势时的等效电路：（教材图图6-40）功能：转差功率回馈电网功能：转差功率回馈电网 方法：条件方法：条件 CU 1CTL22cosICTmTL111144.4kNfEm222222cosxsrr由机械特性可知：从空载到额定负载，s 变化不大。CI 222222xadsxrEsEI同频：同相或反相同频：同相或反相)(22sxCEsEad不计不计”：”：相位相反，取“相位相反

30、，取“adEsE,2nsEad20EEad：1nn 同步转速以下调速（同步转速以下调速（次同步串级调速次同步串级调速）”：”：相位相同，取“相位相同，取“adEsE,220EEad：1nn 超同步串级调速超同步串级调速（技术不成熟）（技术不成熟）nsEad功率关系（看一下）：功率关系（看一下）：222cos3IsEpsl转差离合器调速转差离合器调速 原理示意图：（原理示意图：（教材图教材图6-44）效率低，低速稳定性差。效率低，低速稳定性差。第五节 三相异步电动机的各种运行状态 l概述概述能耗制动能耗制动回馈制动回馈制动反接制动反接制动制动状态制动状态电动状态电动状态运行状态运行状态l电动电动

31、（0s1）特性：（教材图特性：（教材图6-48）(1、3象限象限)特点：特点：转子旋转方向与旋转磁动势的转向相同：0s1；n1：电源反接）：电源反接）笼型：（反相序）可直接反接笼型：（反相序）可直接反接 绕线式：绕线式：原理v措施：反相序，同时转子回路串入大电阻。v串入电阻后特性变软（图6-49：曲线2）。过程：B点：TndtdnGDTTL3752nTC点：0nLTT 反向加速，Tn,D点：稳定 LTT 起始转差率：ABss 2功率关系v电磁：03222sRrIPM（因为（因为s1，电网输入），电网输入）v全机械：01MmPsP（轴上输入轴上输入）v转差：sssRrIRrIppscu11332

32、222222mMcuPPssRrIsRrIp1332222222v能流图 特点 v能量消耗大；v二象限；P1PMPmP0P2PFePcu1Pcu2Pcu2rPcu2Rv可实现快制动，快反转；v制动：应在 n=0时，撤电源。l反接制动（反接制动（s 1：倒拉反接）：倒拉反接）倒拉反节制动（倒拉反节制动（图图6-51）条件：位能负载条件：位能负载 措施：电源不变，串入足够大电阻（特性非常软）措施：电源不变，串入足够大电阻（特性非常软）第四象限第四象限 能量关系：同前能量关系：同前 D点：反接制动点：反接制动“运行运行”)(011DDDnnnns例：例：6-4，6-5 （仔细看一下）（仔细看一下）l

33、回馈制动（回馈制动（s 0：再生制动）：再生制动）原理原理反相序回馈制动。措施：位能负载，串电阻反相序接电源（曲线1）；串电阻，切电阻（曲线2）。物理过程：dtdnGDTTL3752稳定时：第四象限，1nn 转差率转差率011nnns 功率关系功率关系 013222ssrIPm（由转子送到定子）013222srIPM（由轴输入）发电运行理想空载电动909090cos31111111IUP0cos222222xsrsr902相量图（图6-53）v由相量图，1Um902901基本垂直，与 01Pv向电网回馈能量：v串电阻有可能出现极高速：应不串或串后撤去。第二象限回馈制动第二象限回馈制动变频调速（

34、图6-54）1f运行轨迹：DCBABC段为正向回馈。小车下坡 YY/D变级调速变级调速 能流图能流图 P1PMP0P2PFePcu1Pcu2l能耗制动能耗制动 措施：切掉交流，定子通直流（定子串电阻）措施：切掉交流，定子通直流（定子串电阻）P227 图6-55P227 图6-56 定性分析定性分析通直流 NsnTf1=0n1=0T0磁场静止 转子转动 转子电流（感应）转矩与转速反向，制动 转子电势、电流，随转速变化 随转子与磁场的相对速度变化 与电动无异 机械特性形状相似 机械特性过原点 01f01n06011pfn（直流），特性表达式特性表达式（略）（略）00ns（无意义）定义：能耗制动转差率 1nnv 临界转差率 22xxrvmm励磁电抗机械特性表达式 vvvvTTmaxmaxmax2 机械特性机械特性 vnT 人为机械特性人为机械特性改变定子中电阻值（电流）转子串电阻 vnT转子串电阻R21R21 R22R22nT电流大电阻小Id1Id2Id1 Id2 制动小结：制动小结：教材 图6-62 第六节第六节 过渡过程过渡过程（自己看）习题：习题：6-406-46