三相异步电动机的机械特性及各种运行状态

第十章三相异步电动机的机械特性及各种运行状态本章教学目的：1、掌握异步电动机机械特性的三种表达式2、掌握异步电动机固有机械特性与人为机械特性及曲线画法3、掌握异步电动机的各种运转状态计算4、掌握调速及制动电阻计算重点和难点：重点：1、运转状态及其制动电阻计算2、调速电阻计算难点：1、运转状态分析及其制动电阻计算2、调速电阻推导公式10-1异步电动机机械特性三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。1.异步电动机机械特性三种表达式（1）物理表达式电磁转矩为：22221111221111122211coscos22cos)(4.44602cosICIkNpmpfIkNfmnIEmPTmTmwmwem分析物理表达式异步电动机的转矩系数：转子电流折算值：转子功率因数：物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。2111wTkNpmCx)sr(EI222222)(cosxsrsr（2）参数表达式异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。221221121122211232xxsrrfsrpUpfsrImPTem机械特性曲线在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。异步电动机机械特性①最大转矩Tm最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，最大转矩为：最大转矩对应的临界转差率为：两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）；“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）。221211121)(43xxrrfpUTm221212)(xxrrsm最大转矩近似表达式通常情况下，可忽略r1，则有：最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用λm表示，即：一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。22121)(xxr)(4321121212xxfpUTxxrsmmNmmTT②起动转矩Tst起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。221221122123xxrrfrpUTstNststTTk（3）实用表达式实用表达式：认为，一般异步电动机的，在任何s值时都有：，而，可以忽略，简化得：ssrsrssrsrsrsrrsrssrrrTTmmmmmmm2121222212222122122221rr2.01.0～ms0)(2mss2ssssmm22msssssTTmmm2临界转差率临界转差率：当拖动额定负载时，TL=TN临界转差率为：额定转矩为：从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、λm应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。12LNmLNmmTTTTss12mmNmss)(min)/()(55.92mNrnWPTTNNNN2.固有机械特性异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，ƒ1=ƒ1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n=ƒ（T）或T=ƒ（s）曲线。对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。三相异步电动机固有机械特性说明特性上的各特殊点1(1)同步转速点A同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=1，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点B在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。说明特性上的各特殊点2(3)临界点C在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tmˊ是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1的影响时，有Tmˊ=Tm。(4)起动点D在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。3.人为机械特性异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。（1）降低定子电压的人为机械特性在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性（为什么？）降电压人为机械特性曲线Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性（2）定子回路串入对称电阻的人为机械特性当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性定子回路串入对称电抗的人为机械特性如果定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst也都变小。两种接线可实际应用于鼠笼式异步电动机的起动，以限制起动电流。定子回路串入对称电抗的接线图和人为机械特性（3）转子回路串入对称电阻的人为机械特性绕线式异步电动机转子回路串入三相对称电阻的接线图和人为机械特性分析当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tm当转子电阻r2再增大时，起动转矩Tst反而减小。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。本章小结1异步电动机运行时，转子与旋转磁场存在转差，因而能在转子中感应电势和电流，产生电磁转矩，使电动机旋转，可见转差率s是异步电动机的重要参量。通过频率和绕组折算，可得到反映实际运行电动机各量关系的等值电路，等值电路中的各种参数可通过空载和短路试验测取。与变压器一样，基本方程式、等值电路、相量图也是描述电动机负载运行时的基本电磁关系的工具。本章小结2工作特性反映了异步电动机在额定电压、额定频率时的使用性能。机械特性则是异步电动机运行特性中最重要，三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。机械特性可用函数表示，也可同曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式，三种表达式各有不同的适用场合。作业：3-24作业：10-1、10-210.2三相异步电动机的各种运转状态M3~3~S11.能耗制动(1)制动原理制动前S1合上，S2断开，M为电动状态。制动时S1断开，S2合上。定子:U→I1→Φ转子:n→E2→I2M为制动状态。n＋U－S2RbI1×ΦFFTT第十章异步电动机的电力拖动(2)能耗制动时的机械特性OnT特点：①因T与n方向相反，n－T曲线在第二、四象限。②因n=0时，T=0，n－T曲线过原点。③制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。I1I1'＜第十章异步电动机的电力拖动(3)能耗制动过程——迅速停车TLOnT12①制动原理制动前：特性1。制动时：特性2。原点O(n=0，T=0)，a点b点惯性ab(T＜0，制动开始)n↓制动过程结束。②制动效果Rb→I1→Φ→T→制动快。③制动时的功率定子输入：P1=0，轴上输出：P2=TΩ＜0。动能P2→转子电路的电能→PCu2消耗掉。第十章异步电动机的电力拖动(4)能耗制动运行——下放重物TLOnT12aa点b点惯性(T＜0，制动开始)bn↓原点O(n=0，T=0),在TL作用下n反向增加cc点(T=TL),制动运行状态以速度nc稳定下放重物。制动效果：由制动回路的电阻决定。第十章异步电动机的电力拖动2.反接制动(1)定子反相的反接制动——迅速停车3~M3~3~M3~Rb制动前的电路制动时的电路①制动原理第十章异步电动机的电力拖动－TLTL制动前：正向电动状态。制动时：定子相序改变，n0变向。OnT1n02－n0bs=－n0－n－n0=n0＋nn0即：s＞1(第二象限)。同时：E2s、I2反向，T反向。aca点b点(T＜0，制动开始)惯性n↓c点(n=0，T≠0)，制动结束。到c点时，若未切断电源，M将可能反向起动。d第十章异步电动机的电力拖动取决于Rb的大小。②制动效果aOnT1n02－n0bc③制动时的功率Pe=m1I2'2R2'＋Rb's＞0PCu2=m1(R2'＋Rb')I2'2=Pe－Pm=Pe＋|Pm|＜0Pm=(1－s)Pe三相电能电磁功率Pe转子机械功率Pm定子转子电阻消耗掉第十章异步电动机的电力拖动(2)转子反向的反接制动——下放重物OnT1n02bcTLad①制动原理定子相序不变，转子电路串联对称电阻Rb。a点b点(Tb＜TL)，惯性n↓c点(n=0，Tc＜TL)在TL作用下M反向起动d点(nd＜0，Td=TL)制动运行状态②制动效果改变Rb的大小，改变特性2的斜率，改变nd。3e低速提升重物第十章异步电动机的电力拖动③制动时的功率s=n0－nn0第四象限：＞1(n＜0)Pe=m1I2'2R2'＋Rb's＞0PCu2=m1(R2'＋Rb')I2'2=Pe－Pm=Pe＋|Pm|＜0Pm=(1－s)Pe——定子输入电功率——轴上输入机械功率（位能负载的位能）——电功率与机械功率均消耗在转子电路中。第十章异步电动机的电力拖动3.回馈制动特点：|n|＞|n0|，s＜0。电机处于发电机状态。(1)调速过程中的回馈制动4.5三相异步电动机的制动TnOf1'f1f1'＞f1TLabcdTnOYYYTLabcd?3.回馈制动第十章异步电动机的电力拖动OnTTLn0－n0(2)下放重物时的回馈制动GRbT3~M3~TnTLbac正向电动反接制动dn回馈制动反向电动第十章异步电动机的电力拖动＜0(n＜－n0)＜0——定子发出电功率，向电源回馈电能。＜0——轴上输入机械功率(位能负载的位能)。PCu2=Pe－Pm|Pe|=|Pm|－PCu2——机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。制动时的功率s=－n0－n－n0=n0＋nn0第四象限：Pe=m1I2'2R2'＋Rb'sPm=(1－s)Pe第十章异步电动机的电力拖动制动效果Rb→下放速度。※为了避免危险的高速，一般不串联Rb。OnTTLn0－n0第十章异步电动机的电力拖动11-1三相异步电动机的起动方法1.电动机的起动指标(1)起动转矩足够大Tst＞TLTst≥(1.1~1.2)TL(2)起动电流不超过允许范围。异步电动机的实际起动情况起动电流大：Ist=scIN=(5.5～7)IN起动转矩小：Tst=stTN=(1.6～2.2)TN第11章三相异步电动机的起动及起动设备的计算不利影响①大的Ist使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。②频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。2.笼型异步电动机的直接起动(1)小容量的电动机（PN≤7.5kW）(2)电动机容量满足如下要求：IstINsc=≤14〔〕3+电源总容量(kV·A)电动机容量(kW)4.3三相异步电动机的起动3.笼型异步电动机的减压起动(1)定子串联电阻或电抗减压起动M3~3~RSS1FUS2起动