电力拖动基础电机及电力拖动系统(交流部分)-魏炳贵

I stY 1
• 起动转矩关系: Ist 3
TstY 1
• Y- △ 降压起动多Tst 3 • 用于空载或轻载起动
第三节 绕线电机的起动
一.转子串频敏变阻器起动
1.频敏变阻器：电感，三相电抗器 特点：铁耗大，内部涡流损耗与转子频率f2的平方成正比。 即： f22大->rm大,rm随着f2的变化而自动变化。
耗大=>r2大=>Ist小，Tst大
• 起动过程：f2↓=>r2 ↓=>相当于自动切
除起动电阻
• 起动结束：2S闭合，完全切除电阻
4.特点：结构简单，运行可靠，维护方便
二.转子串电阻起动（三相对称电阻） 1.起动电路
2.原理： 提高转子电阻可以提高起动转矩
3.起动过程 (1)S闭合，3S、2S、1S断开 起动电阻R1=Rs1+Rs2+Rs3+r2,人为机械特性1,a->b (2)1S闭合，切除电阻Rs1 起动电阻R2=Rs2+Rs3+r2，人为机械特性2，c->d (3)2S闭合，切除电阻Rs1,Rs2 起动电阻R1=Rs3+r2,人为机械特性3，e->f (4)3S闭合，切除电阻Rs1,Rs2,Rs3, 起动电阻r2,固有机械特性4， g->h 总起动过程：a->b->c->d->e->f->g->h
二.减压起动(大容量)
目的:限制起动电流’
电路分析:
I1

I
' 2

起动瞬间S=1
U1

r1

r2' s
2

x1 x2'
2
I1st
U1 r1 r2' 2 x1 x2' 2
T
2Tm a x S Sm
U12
Sm S
1.电阻电抗减压起动
ZS

UN kZ s
变压器一次侧电流：Ist

1 k
I1st

1 k2
UN Zs
电网提供的起动电流减小倍数：I st
I st

1 k2
起动转矩减小的倍数：Tst
Tst

1 k2
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
3.星形-三角形起动
• 适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动
机。
• 起动时 Y接；运行时△接。 • 起动电流关系:
x1 x2'
, (6)
2


2.机械特性分析
由dT/ds=0得：
Sm
r2' r12 x1 x2' 2
Tm a x


m1
2
r1

U12
, (7)
r12
x1 x2'
2
r1 x1 x2'
Tmax


m1 2

Sm S
2Sm
r1 r2
, Sm

T 2Tmax S Sm Sm S
TN
9550 PN nN
Sm SN (T T2 1) ,Tmax TTN
SN

n1 nN n1
二.固有机械特性
定义:异步电动机在额定电压,额定频率下,按规定接 线,定转子外接电阻为零时,转速与电磁转矩的关系. 1.起动点A
或铸铝形成转子绕组。
(2) 绕线式绕组
同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。
转子电路的特点：自行闭合，不外接电力负载。
鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：
鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改
变电动机的机械特性。
绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子
外加电阻可人为改变电动机的机械特性。
总结： λm=TN/(SNT1)=> λ=[TN/(SNT1)]1/m=> m=lg[TN/(SNT1)]/(lgλ)
第四节 三相异步电机的制动
定义：电磁转矩实际方向与转速实际方向相反。 能耗制动，反接制动，回馈制动 一.能耗制动 1.制动线路
1.制动原理： 闭合导线在恒定磁场中旋转会产生反方向的阻力 阻止导线旋转。 1S断开，2S闭合，产生恒定磁场 动能->电能->电阻热能消耗
(1)起动线路
(2)I1st,Tst,UN全压起动，I1st’,Tst’,U1’降压起动
令a=I1st/I1st’=UN/U1则
Tst TS'T

U
2 N
U1'2

U
2 N
U N
2

a2
a
所以当U1’=(1/aUN)时， I1st’=(1/a)I1st, Tst’=(1/a2)Tst
s 1 X 2S sX 2 2
tg 1 (
sX r2
2
)

c os 2

I2
c os 2

I1 U X1 E1 m
T CT m I2 cos2
一.直接起动(适用小容量电机)
I1st=(4-7)I1N, PN=7.5kw 经验公式：I1st/I1N<1/4[3+电源总容量/起动电机容量] 起动倍数：k1=I1st/I1N,--查电机手册
2.机械特性：与正常运行的机械特性类似
对笼型异步电动机,可以 增大直流励磁电流来增大初始 制动转矩 。曲线1和2
3 2
1
n1 n A
B
对绕线型异步电动机,可 以增大转子回路电阻来增大 初始制动转矩 。曲线1和3
Tem
0C
特点： (1)直流励磁一定RBr↑->Sm↓,Tmax不变，曲线1和3
(2)转子电阻RBr不变 直流励磁I-2↑->Tmax↑,Sm不变，曲线1，2, Tmax∝I-2
定子三角形接法：
zk

U1N I1st
3

3U1N k 1I1N
直接起动功率因数cosφst:0.25-0.4
rk z k cosst xk zk sin st z 1 cos2 st
2.自藕变压器的减压起动
直接起动时的起动电流：Ist 降压后二次侧起动电流：I1st
UN ZUS1
U12 x1 x2'
, Sm


x1
r2'
x2'
(1)Tmax与U12成正比，Sm与U1无关 (2)Tmax与r2’无关，Sm与r2’成正比 (3)Sm和Tmax与（x1+x2’)成反比 (4)过载能力λT=Tmax/TN:1.6-2.2(一般),2.2-2.8(起重) (5)起动转矩，n=0,s=1,漏抗x2’很大
忽略励磁电流得：
I1

I
' 2

U1


r1

r2' s
2

x1 x2'
2
T

m1 1
r1
r2' s
U12
r2' s
2 x1 x2'
2

m1 pU12
r2' s
2f1 r1
r2' s
2
第三章 三相异步电动机的机械特性起动和制动
3.1 三相异步电动机的构造
1.定子
铁心：由内周有槽 的硅钢片叠成。
A ----X 三相绕组 B ----Y
C---- Z 机座：铸钢或铸铁
鼠笼式
2.转子
绕线式
铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (1) 鼠笼式绕组
鼠笼转子
铁芯槽内放铜wk.baidu.com，端
部用短路环形成一体。
改变电源频率、极对数等人 为机械特性。
sm
10
R2
R2+Rs
Tem
Tst
Tst Tm
3.定子电路串电阻或电抗的人为特性
(1)n1不变，Tmax↓,Tst ↓,Sm ↓
(2)适用于降压起动，限制起动电流
第二节 三相笼形异步电动机起动
起动要求:起动电流小,起动转矩大
笼形电机直接起动性能:
• 起动电流I1st大,I1st/I1N=K1=4-7 • 起动转矩小,kT=Tst/TN=0.9-1.3
(2) Tst↑(在一定范围内)
当串电阻Rs3, S=Sm=1->Tst=Tmax
串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。
串电阻后,n、Tm不变，sm 增大。
sn
在一定范围内增加电阻，可以
增加 Tst。当 sm 1时 Tst Tm，若 再增加电阻，Tst 减小。
0 n1 sm
除了上述特性外，还有
Tst
m1 1
r1 r2'
U12r2' 2 x1 x2'
2
与负载无关，r2’增加使得Tst增加。
(6)起动转矩倍数kT: kT=Tst/TN>1, 仅对笼型电机
3.机械特性实用表达式
由（6）和（7）式得到实用表达式：
T

2Tmax(1 Sm
r1 r2
)
S Sm
rk2 xk2 Rst
a2rk2 a2 1 xk2 rk
同理： X st a2xk2 a2 1 rk2 xk
校验a：
Ts't

Tst a2
1.1TLst
(4)计算rk和xk, zk=rk+jxk
定子星形接法：
zk
U1N 3I1st

U1N 3k 1I1N
3.2三相异步电动机的机械特性
一.机械特性表达式 1.机械特性方程式推导
T=CTΦmI2’cos φ 2’
(1)
CT=1/√2pm1N1kw1
(2)
P:极对数，m1：定子级数，N1:定子每相绕组匝 数 Kw1:绕组系数，Φm:每极磁通量，I2‘：转子电流 cos φ2’ :转子功率因数
I
' 2

sn 0H sN nN
sm nm
1 0
B
P
A
TN Tst
T Tm
三.人为机械特性
定义:人为改变电机参数或电源参数而得到的机械特性
方法:改变定子电压,电源频率,极对数,定子转子电路电 阻和阻抗
1.降低定子电压的人为特性 Tmax与U12成正比 Sm与U1无关 n1与U1无关
U1↓->n ↓->s↑->E2s ↑->I2 ↑->温度↑
(3)起动电阻或电抗计算
全压起动计算（单相）： U N
I1st
rk2 xk2 zk
串电阻降压起动计算（单相）：UN
I1st '
(rk Rst )2 xk2
I1'st

1 a
I1st

(rk
Rst )2 xk2
UN I'
1st

UN
1 a
I1st
azk
a
N=0, S=1,T=Tst, I1st=(4-7)I1N 2.额定工作点B
n=nN, S=SN, T=TN, I1=I1N 3.同步转速点H
n=n1, S=0, T=0, I2=0, I1=I0(空载电流) 4.最大电磁转矩点P和P’
P：T=Tmax,S=Sm,n=n1(1-Sm)
P’: T=-Tmax,S=S’m,n=n1(1+∣Sm∣)
E2'
/

r2' s
2

x2'
,
(3)
cos2'

r2' s
Z
' 2

r2'
r2'2 (sx2' )2 r2 Z2 cos2
I2
I
' 2

m1 N1k w1 m2 N2kw2
, (4)
CT'
1 2 pm2 N2 kw2 , (5)
则，T=CTΦmI2’cos φ 2’=CT’ΦmI2cos φ 2 所以，电磁转矩同转子电流和主磁通相互产生作用。 同时:T=P/Ω1=(m1I2’2r2’/s)/ Ω1
2.起动电路
起动时,f2 f1,频敏变阻器铁损大,反 映铁损耗的等效电阻 Rm大,相当于转 子回路串入一个较大电阻。随着 n 上升f,2 减小,铁损减少,等效电阻 减小,相当于逐渐切除 Rm ,起动结 束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子 电路直接短路。
• 3.工作原理 • 起动条件：2S断开，1S闭合 • 起动瞬间：f2=f1大=>涡流损耗发热大，铁
起动过程
电动机由a点 开始起动，经 b→c→d→e→ f→g→h，完 成起动过程。
4.起动电阻计算（解析法）
对T=2TmaxS/Sm,有下面两个结论 (1) T一定则Sm∝S，并且Sm ∝R得：
S ∝R,(T一定)
(2)转速n一定则T ∝1/Sm,并且Sm ∝R得： T ∝1/R,(n一定)
对于特性4与3中f与g两点，n相同即有
U1下降后,Tm 和Tst 均下降, 但 sm不变, T 和 kst 减少。
s
0
n
n1
TL
sm
10
0.8UN
UN
如果电机在定额负载下运
行,U1下降后, n 下降, s 增大, 转子电流因E2s sE2增大而增 大,导致电机过载。长期欠压
过载运行将使电机过热，减 少使用寿命。
2.转子电路串对称电阻的人为特性 (1)n1不变，Tmax不变，Sm增大
Te/Td=T1/T2=R2/R3 对三级起动令：R1/R2 =R2/R3 =R3/r2 =λ--起动转矩比
得到：R3= λr2 R2= λ2r2 R1= λ3r2
又由特性曲线4和直线n1k构成的相似形得： T1/TN=Sg/SN=>Sg=SNT1/TN R1/r2=Sa/Sg=1/Sg ,(T=T1恒定，R∝S) 最终得到λ3= R1/r2=TN/(SNT1),
3.制动过程 A->B->O（n=0,切断电源）
4.能耗制动经验公式 由I-=(2-3)I0, 一般I0=(0.2-0.5)I1N
RBr=(0.2-0.4)EIN/(1.732I2N)-r2, r2:转子每相电阻 得：Tmax=(1.25-2.2)TN