电力行业--三相异步电动机的电力拖动

当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率f1 正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但
是，
0
E1 4.44 f1 N1kw1
U1 4.44 f1 N1kw1
T
Tm TN
m1 pU12
4 f1( X1 X 2 )TN
c
U12 f12TN
频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁
2
2
1
s
s
R2
0
电磁功率为
Pem
m1 I 2 2
R2 s
0
机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为 正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。
而 PMEC
Pem
m1
I
2
2
s
s
1
R2
m1
I
2
2
R2 s
m1
I
2
2
R2
表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转 子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损 耗较大。
5.3三相异步电动机的制动
5.3.1 能耗制动
实现：制动时，S1断开,电机脱离电网， 同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁 电流。
直流励磁电流产生一个恒定的磁场， 因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导 体中感应电动势和电流。感应电流与磁场 作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅 速下降，当转速为零时，感应电动势和电 流为零，制动过程结束。
2. △-YY联结方式
smYY smY TmYY 2TmY TstYY 2TstY
smYY sm
2 TmYY 3 Tm
TstYY
2 3 Tst
变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但 具有较硬的机械特性,稳定性好, 可用于恒功率和恒转矩负载.
5.4.2 变频调速
一、电压随频率调节的规律
sm
R'2 R12 ( X1
X
' 2
)2
R'2
X1
X
' 2
Tm
4
f1[
R1
m1 pU12 R12 (
X1
X
' 2
)2 ]
4
m1 pU12
f1 (
X1
X
' 2
)
1、Tm与U成12 正比； T与m 无U1关。 2、R2越大，s越m 大；T与em 无R2关。 3、Tm和 s都m 近似与漏抗成反比
二、参数表达式
Tem 2 f1 ( R1
m1 pU12
R2 s
R2 s
)2
(
X1
X
' 2
)2
说明：电磁转矩与电源参数（Ｕ1、f1）、结构参数（R、X、m、
p）和运行参数（s）有关。
三相异步电动机的机械特性 n f (T曲em)线
在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界
转差率，可令ddTsem 求 0得:
PYY 2PY TYY TY
可见，Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输 出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速 属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。
2. ∆-YY联结方式
∆-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 nYY ，2n保 持每一绕组 电流为 ,则I输N 出功率和转矩为
三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之 间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以 异步电动机的机械特性通常用Tem f表( s示) 。
一、物理表达式
Tem
CT
0
I
' 2
cos 2
表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与0 转子电流的有
功分量
I
' 2
相cos互 2作用产生的。
0.64Tst
2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性
串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。
串电阻后, n、 T不m变， s增m 大。
在一定范围内增加电阻，可以 增加 T。st 当 sm时 1 ，Tst 若Tm再增 加电阻， 减T小st。
sn
0 n1 sm
除了上述特性外，还有
改变电源频率、极对数等人 为机械特性。
5.3.3 回馈制动
实现：电动机转子在外力作用下，使n>n1.
回馈制动状态实际上就是将轴上的机 械能转变成电能并回馈到电网的异步发电 机状态。 一、下放重物时的回馈制动
电机机械特性曲线1，运行于A点。
首先将定子两相反接,定子旋转磁场 的同步速为-n1，特性曲线变为2。工作 点由A到B。经过反接制动过程（由B到 C）、反向加速过程（C到-n1变化）， 最后在位能负载作用下反向加速并超过 同步速，直到C点保持稳定运行。
损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要
求下式成立：
U12 f12TN
U12 f12TN
及 U1 U1
f1 f1
TN TN
1、恒转矩变频率调速 对恒转矩负载 U1 f1 常数
U1 f1 此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。
2、恒功率变频率调速
对恒功率负载
PN
TN nN 9550
5.2.1 三相笼型异步电动机的起动
一、直接起动
可以直接起动的条件：起动电流倍数kI
1 4
3
电源容量（kVA 电动机容量( kW
)
)
二、降压起动
1.Y-△ 降压起动
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:
IstY 1 Ist 3
起动转矩关系:
TstY 1 Tst 3
Y- △ 降压起动多用于空载或轻载起动
2.自耦变压器降压起动
直接起动时的起动电流：Ist
UN ZS
降压后二次侧起动电流：I1st
U1 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：Ist
I st
1 k2
起动转矩减小的倍数：Tst
本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械 特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和 调速等问题。
5.1 三相异步电动机的机械特性
5.2 三相异步电动机的起动
5.3 三相异步电动机的制动
5.4三相异步电动机的调速
5.1三相异步电动机的机械特性
5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式
TN nN 9550
常数
得
U1 U1 常数
f1
f1
TN nN f1 TN nN f1
此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。
二、频率调速时电动机的机械特性
PYY 1.15P TYY 0.58T
可见，∆-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许 输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种 变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。
同理可以分析，正串Y-反串Y联结方式的变极调速属恒功率 调速。
四、变极调速时的机械特性 1. Y-YY联结方式
二、变极或变频调速过程中的回馈制动
电机机械特性曲线1，运行于A点。
当电机采用变极（增加极数）或变 频（降低频率）进行调速时，机械 特性变为2。同步速变为 n1 。
电机工作点由A变到B，电磁转矩 为负，nB ，n1 电机处于回馈制动状 态。
5.4三相异步电动机的调速
由异步电动机的转速公式
n
n1( 1
最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:
T
Tm TN
在特性曲线上还有一个起动转矩，即 n 0(s时 1的) 转矩:
Tst
2
f1
( R1
m1
pU
2 1
R'2
R'2 )2 ( X1
X
' 2
)2
结论：当其它参数一定时
1、起动转矩与电源电压平方成正比； 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；
二、倒拉反转的反接制动
条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。
实现：在转子回路串联适当大电阻RB。
电机工作点由A→B →C，n=0，制动过 程开始，电机反转子， 直到D点。在第四象 限才是制动状态。
由于电机反向旋转， n<0，所以s>1。
反接制动时，s>1，所以有
机械功率为
PMEC
m1
I
E2N 3I2N
R2
Tem
0C
5.3.2 反接制动
一、电源两相反接的反接制动
实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。
由于定子旋转磁场方向改变 , 理 想空载转速变为 n1 ,s 1.
机械特性由曲线1变为曲线 2，工作点由A→B →C， n=0,制动过程结束。
绕线式电动机在定子两反 接同时,可在转子回路串联 制动电阻来限制制动电流 和增大制动转矩 ,曲线3。
1. 降压时的Βιβλιοθήκη 为机械特性U1下降后,Tm 和Tst 均下降,
s
0
n
n1
TL
但 sm不变, T 和 kst 减少。
如果电机在定额负载下运 行,U1下降后, n 下降, s 增大,
sm
转子电流因E2s sE2增大而增
大,导致电机过载。长期欠压
0.8UN
UN
过载运行将使电机过热，减 1 0
少使用寿命。
Tst
1 k2
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
5.2.2 三相绕线型异步电动机的起动
一、转子回路串电阻起动
在转子回路中串联适当的电阻,既能 限制起动电流，又能增大起动转矩。
为了有较大的起动转矩、使起动 过程平滑，应在转子回路中串入多级 对称电阻，并随着转速的升高，逐渐 切除起动电阻。
起动过程
sn 0D sN nN
2.最大转矩点B: n nm , s sm ,Tem Tm sm
3.额定运行点C n nN , s sm ,Tem TN
nm
4.同步运行点D n n1 , s 0,Tem 0 1 0
C
A
TN Tst
B
Tem Tm
二、人为机械特性
人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机 械特性。
二、三种常用变极接线方式
Y→反并YY，2p-p Y→反串Y，2p-p ∆→YY，2p-p
注意：
当改变 定子绕 组接线 时，必 须同时 改变定 子绕组 的相序
三、变极调速时容许输出
容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电 动机轴上输出的功率和转矩。
1. Y-YY联结方式
Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 nYY ，2保nY 持每一绕组电 流为 ,则输I N出功率和转矩为
sm
10
R2
R2+Rs
Tem
Tst
Tst Tm
5.2三相异步电动机的起动
起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的 过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。
1.起动电流大的原因 起动时, n 0, s,转 1子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势
平衡关系,定子电流必然增大.
2.起动转矩不大的原因
从下述公式分析 Tst
Tem
CT
0
I
' 2
cos 2
起动时, s ,远1 大于运行时的 ,转s 子漏抗
尽管 很大I,2但 并不I2 大cos.2
X很2s大 s,X 2 很低co,s2
由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小, 对应的气隙磁通减小.
由上述两个原因使得起动转矩不大.
制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻 上——能耗制动。
由于n1 0， 所以能耗制动时s 1.
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 。
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 。
制动电阻大小：
RB ( 0.2 ~ 0.4 )
sN
n1 nN n1
sm sN ( T T2 1 )
将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式。
5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性
一、固有机械特性
固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接 线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
几个特殊点： 1.起动点A: n 0, s 1,Tem Tst
电动机由a点 开始起动，经 b→c→d→e →f →g→h， 完成起动过程。
二、转子串频敏变阻器起动
频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。
起动时，S2断开，转子串入频敏 变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。
起动时, f2 ,频f1敏变阻器铁损大,反映铁 损耗的等效电阻 大,相Rm当于转子回路 串入一个较大电阻。随着 上升, n减 小,铁f2损减少,等效电阻 减小,相当于 逐渐切除 ,起动结束,S2Rm闭合，切除 频敏变阻器，转子电路直接短路。
s
)
60 f1 p
(1
s
)
可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：
（1）改变定子极对数 p调速。 （2）改变电源频率 f调1 速。 （3）改变转差率 s 调速。
5.4.1 变极调速
一、变极原理 变极调速只用于笼型电动机。 以4极变2极为例：
U相两个线圈，顺向串联， 反向串联和反向并联，定子绕组 定子绕组产生4极磁场： 产生2极磁场：
3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。
4、起动转矩倍数
K st
Tst TN
三、实用表达式
利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：
Tem
2Tm s sm sm s
工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求 出实用表达式。方法是：
TN
9550 PN nN
Tm TTN