电机与拖动基础——三相感应电动机的电力拖动.ppt

第五章三相感应电动机的电力拖动,中国石油大学（华东）信控学院赵仁德,5-1三相感应电动机的机械特性,回顾一下，直流电动机的机械特性，是指转速与电磁转矩之间的关系。,感应电动机的机械特性也是指转速与电磁转矩之间的关系，不过通常用转差率与电磁转矩之间的关系。,一、机械特性的三种表达式,1.机械特性的物理表达式,上式称为三相异步电动机机械特性的物理表达式。物理表达式反映了电磁转距与转子电流有功分量、每极磁通成正比的物理本质。,直流电机的电磁转矩表达式,2.机械特性的参数表达式,它反映了感应电机的电磁转矩T跟电源电压U1、频率f1、电机的参数及转差率S之间的关系。,当U1、f1和电机的参数不变时，T仅是S的函数，可得到TfS关系曲线。,,n与S存在一一对应的关系，所以可以得到n与T的关系nfT，即为感应电动机的机械特性曲线。,S0表示感应电机处于电动状态，SSCSD0，所以IAIBICID,三、感应电动机的人为机械特性,人为地改变电动机的任一参数（如U1，f1，p，定子回路电阻或电抗，转子回路电阻或电抗等）的机械特性统称为人为机械特性。,1.降低定子端电压的人为特性,其它条件与固有特性一样，仅降低定子相电压得到的人为机械特性称为降低定子端电压的人为特性。,特点,1频率不变，故理想空载点不变,2，Sm不变。,3,根据这三个特点，可以得到降低端电压人为机械特性的实用表达式,同理可以写出直线表达式,为什么必须降低定子端电压在什么条件下可以高于额定电压与直流电动机相比，有何不同,频率不变，若端电压高于额定电压，则根据知，主磁通升高，磁路饱和，励磁电流迅速增大。当频率与电压成比例升高或频率升高更快时，即保证主磁通不升高，可在一定范围内高于额定电压运行。直流电动机中，电压不能高于额定电压。,课堂练习4-33,从图中可以看出电机转速下降,额定恒转矩负载，故电磁转矩不变,,,,,,,,难以确定,如磁路不饱和，则能否确定,主磁路的磁阻由气隙决定，所以励磁电流与主磁通成正比，即与电压成正比。如果S不变，转子电流恰好与主磁通成反比，即使这样，定子电流也应增大，S变大，转子电流增大得更多，所以定子电流是增大的。,上述结论有两个前提一是磁路不饱和，二是带额定恒转矩负载。,定转子电流均增大，定转子铜耗也增大，长时间运行，易使电机发热，烧坏。所以，不允许电机长时间带额定负载低压运行。,低于额定电压，可以近似认为磁路不饱和，恒功率负载，因转速变化不大，也认为转矩不变，实际上转矩反而会有所增大。,2.转子回路串对称三相电阻的人为特性,仅绕线式感应电机可以转子回路串电阻。,其它条件与固有特性一样，仅在转子回路串入对称三相电阻，得到的人为机械特性称为转子回路串对称三相电阻的人为特性。,特点,1频率不变，故理想空载点不变,2，Sm随转子电阻增大而增大但Tm不变。,3Sm1时，TQ随RΩ的增大而减小。,转子串对称三相电阻时的人为特性的实用表达式为,直线表达式为,令Sm1，可以获得最大的起动转矩,此时，,5-2三相感应电动机的起动,一、感应电动机的固有起动性能,感应电动机额定接法、转子回路不串任何阻抗，直接投入额定电压、额定频率的电网，使之从静止状态开始转动直至稳定运行，称为直接起动，这时的起动特性称为固有起动特性。,回想一下直流电机的直接起动，起动电流如何起动转矩如何又有几种起动方式,大，大。电枢回路串电阻、降压。,主磁通与额定值相比，是大还是小，为什么,转子回路的阻抗角与额定值相比，是大还是小,小,大,尽管起动电流很大，但是起动时的电磁转矩并不大,起动电流大，起动转矩小是普通感应动机固有起动性的主要矛盾。过大的起动电流可能引起供电变压器的电压波动，对电机本身及其它用户带来不良影响；起动转矩小则会对需满载起动的机械会造成困难。,不同的起动方法就是在保证一定转矩的情况下，采取不同的措施限制起动电流，即从电网吸收的电流。,原则对电网、电机、应用场合综合考虑，选最佳启动方式。,电动机容量相对于电网容量很小时，可以直接起动；,如果生产机械对转矩要求不大，则只考虑限制电流；,如生产机械对转矩要求较高，则既要限制电流，又要保证需要的转矩。,对于笼形异步电动机，通常采用直接起动、降压起动等；对于绕线式异步电动机，通常采用转子串电阻起动等。,二、笼型感应电动机的起动方法,1.直接起动,7.5kW以下的小容量感应电机，都可直接起动，但7.5kW以上的电机，应根据经验公式来核定。,IQ为直接起动时的定子线电流；IN为电机额定电流；SH为供电电源的总容量；PN为电动机的额定功率。,不频繁起动电动机，上面的经验公式可适当放宽，较频繁起动电动机则应严格按经验公式判断。,满足经验公式，可直接起动，不满足，则不宜直接起动。,2.降压起动,1定子回路串对称三相电抗器起动,假设电流变为原来的1/a，则电机端电压变为原来的多少,则起动转矩变为原来的1/a2，所以只能空载或轻载起动。,2自耦变压器降压起动,电机端电压变为直接起动的1/k，所以电机的起动电流变为直接起动电流的1/k，但这个电流变压器副边电流，那么电机从电网吸收的电流，即变压器的原边电流变为直接起动的1/k2。,对电网而言，起动电流倍数跟起转矩倍数相同，可以带较大的负载起动。,例如一台电机，IQ/IN5，则如果要限制起动电流不超过额定电流起动电压为UN/5，则起动转矩变为TQN/25，不适合带稍大的负载起动，而采用自耦变压器起动，则限制电网侧的起动电流为额定电流，于是变比k取，起动转矩变为TQN/5，可以带稍大载起动。,改变变比k，可以满足带不同负载起动的需要，但抽头有限，一般有三种抽头。,运行可靠，在现场中有不少应用。,3星-三角Y-△起动,Δ变成Y，则感应电机定子相电压变为,起动转矩变为,起动相电流与相电压成正比,则从电网每相输入的线电流的关系为,Y-△起动是笼型异步电动机起动的基本方法之一，适用于正常运行时定子绕组为△形接法的电动机空、轻载起动。,△形接法的电动机长时间处于空载或轻载运行时，可将其改为Y形接法，以提高功率因数和效率，节约电能。为什么,空载或轻载时，电机的转子铜耗很小，而定子铜耗主要是励磁电流产生的，励磁电流的大小由主磁通决定。铁耗随主磁通变化，磁通正比于电压。,电压降低，主磁通减少，励磁电流减少，定子铜耗减少，铁耗减少，电机转速变化不大，机械损耗几乎不变，附加损耗不变，转子铜耗稍有增加，但增加不大。电机效率增高。而且，降低电压后，主磁通减少Ｓ稍有增加，转子有功电流增加，而励磁电流减少，故电机的功率因数增加。,为此，国产4kW以上笼型异步电动机，都设计为U1N380V，定子绕组接法为△形，以便于接成Y形。,为什么说S稍有增加,所以有一点需要注意，就是当负载不为轻载，变换接法，反而会使转子电流成为主角，转子铜耗增大，从而烧坏电机。在前面讲4-33时讲过，大家联系起来，对降低端电压后感应电机的运行有一个全面的掌握。,,,前提是空载或轻载。,小结1关于降压运行,感应电机带恒转矩负载或恒功率负载，当端电压下降时，电机的转速将下降，主磁通减少，励磁电流减少，铁耗减少，而转子电流增大，转子铜耗增大。,定子铜耗是否增大，取决于励磁电流的减少与转子电流的增大，哪一个因素占主导，在空载或轻载时，前者占主导，定子铜耗减少，电机效率提高，而如果带额定负载，则后者占主导，定子铜耗增加，电机效率下降。,关于功率因数，则取决于电机的参数和转速下降的范围，在S较小的情况下，转子支路呈阻性，转子电流为有功分量，而励磁电流则视为无功分量，功率因数提高。,小结2关于降压起动,直流电动机降压起动可以达到很好的效果，在允许的电流情况下产生较大的电磁转矩，为什么感应电机的降压起动，限制电流，但转矩会变得更小,笼型感应电机降压起动不宜带满载起动。在以前变频器没有大规模应用，要带满载起动，是没有办法的。只能采用绕线式感应电机，利用转子串电阻的方法。,感应电机降压起动中要限制的电流是电机从电网吸收的电流，而不是电机的定子电流。,主要原因是感应电机降压时，主磁通也降低，而直流电机则不是这样。那么可不可以在降压的过程中使主磁通不降低,可以，根据4.44公式，只要在成比例地降压和降频，就可以实现主磁通基本不变，这就是变频起动。可带满载起动，但成本较高。,5-3三相感应电动机的制动,回馈制动是指直流电源与感应电动势产生的直流电压反串。转速实际方向与理想空载转速相同，且绝对值高于理想空载转速。机械能变换为电能一部分消耗在电枢回路中，另一部分回馈到直流电源。,反接制动是指直流电源与感应电动势产生的直流电压顺串。转速实际方向与理想空载转速相反。机械能变换为电能消耗在电枢回路中。分为两种，一种是电压反向的反接制动，另一种是电动势反向的反接制动。,能耗制动，则是没有外接电源，机械能所发出的电能消耗在电枢回路的电阻上。,学习制动部分的关键是转速与理想空载转速的关系、能量流动关系。,二、感应电动机的回馈制动,同他励直流电机的回馈制动类似，感应电动机也有两类回馈制动转速反向的回馈制动和转速不反向的回馈制动。,根据直流电机的回馈制动可以推测出这两类回馈制动的特点是,1实际转向与理想空载转速即基波气隙旋转磁场的转向相同，且转速的绝对值比理想空载转速大。,2电机将轴上的机械能变为电能，一部分消耗在电机中，一部分返回到电网。,此时S为正还是负,负,1.转向不变的回馈制动,相当于直流电机中电压不反向的回馈制动,对应于两类物理过程一类是电车下坡，另一类是变频降速的瞬态过程。,系统原来运行于A点，下坡，初瞬，负载转矩T’z0，转速不变，电磁转矩不变。,系统到达新的平衡点B,二者方向相同，所以S0,对应于他励直流电机的降压降速，理相空载转速小于电机实际转速的情况，感应电机在什么情况下才会有理想空载转速降低,理想空载转速由定子端电压的频率决定，所以降低频率可以使理想空载转速降低，而电机的转速在降频初瞬来不及改变，有可能高于理想空载转速。,这整个过程都是回馈制动吗,只有Cn’1段时，n’1D段属于正向电动。,仅仅降频可不可以为什么,不可以，根据4.44公式，端电压不变，只降低频率，主磁通将增大铁芯将饱和，根据电机磁化曲线，励磁电流将增大，有可能烧坏电机。所以在降频时，应降压。,有功功率流动关系,转子轴上的机械功率变为电功率，一部分消耗在转子电阻上，另一部分为电磁功率，通过电磁感应作用传递到定子侧。,当PM较大时，P1为负，向电网回馈能量。,三、感应电动机的能耗制动,回顾直流电机能耗制动，电枢串电阻，切掉端电压。反映在理想空载转速上，就是理相空载转速为零。电机轴上的机械能转换为电能，消耗在电枢回路的电阻上。,感应电动机的能耗制动，如果切掉电源，则主磁通没有了，也就不会有电磁转矩来制动。如何得到一个空载转速为零的磁场,如果在一相或任两相定子绕组通入直流电流，就会形成一个空载转速为零的磁场。,,无论电机转向如何，转速如何，电磁转矩总起制动作用。所以可以用于反抗性负载完全停机而不会反向起动。,此时，电机定子绕组只起直流励磁作用，类似于直流电机的主磁极，并没有向转子传递电磁功率。转子从轴上吸收的机械能全部消耗在转子回路中，所以称为能耗制动。,5-4三相感应电动机的调速,为什么要调速,系统功能的需要、节能的需要。电动车、空调、风扇、抽油机、恒压供水等等,对于目前工业应用最广的感应电机，如何来调速,两种途径即改变同步速n1，改变转差率S,改变同步速n1，有两种方法，一种是变频，一种是改变极对数。,改变转差率S，最主要的也有两种方法，即降低定子端电压，转子回路串电阻。,一、感应电机的变极调速,优点简单可靠、成本低、效率高、机械特性硬。,不足有级调速，级数有限，且电机只有在一种极数下可获得较好的性能。,二、感应电机的变频调速,对于感应电机，如果降低端电压的频率，而端电压不变，则会有什么后果,铁芯饱和，励磁电流上升，功率因数下降，铁耗上升，定子铜耗上升，效率下降，严重时可以烧坏电机。,在低于额定频率的变频调速的时，一定要注意电压频率协调控制，最常用的是保持主磁通不变的恒压频比调速。,当频率低于额定频率，但仍较高时,频率变化时，最大转矩时的转速降Δnm不变。,,,,,两个坐标系中的两个函数,采用恒压频比调速，频率仍较高时，最大电磁转矩基本不变。,频率较低时，定子电阻不可要忽略，分母比分子下降倍数大，Tm下降。,,,起动转矩随着频率下降，先升后降。,优点平滑性好、效率高、机械特性硬，调速范围广。是感应电动机调速的发展方向。,不足成本较高，控制复杂。,本章小结,1.机械特性的物理表达式、实用表达式，曲线四个特殊的点，最大转矩与临界转差率，固有机械特性，降低定子端电压和转子回路串电阻的机械特性。,2.起动存在的问题电流大，转矩小，方法降压、转子串电阻及适用场合。,3.制动，三种方式，与直流电机类比，关键注意两点转速与理想空载转速关系，能量流动关系。,4.调速，各中方法的优点、不足及适用场合。,