第十章__三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

单击此处编辑母版标题样式重庆大学自动化学院电机学及拖动基础2第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态3•第一节机械特性的三种表达式•第二节固有机械特性与人为机械特性•第三节各种运转状态•第四节三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算主要内容4本章要求•掌握三种机械特性表达式及适用范围•掌握固有机械特性和人为机械特性的特点•掌握各种制动的实现方法和能量转换过程•理解三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算方法•直流电机电力拖动的知识如何扩充到交流电机电力拖动，交流电机的电力拖动与直流电机的电力拖动会有什么样的共性和区别？56第一节机械特性的三种表达式直流电力拖动和交流电力拖动的共同问题稳定性机械特性和负载特性的配合机械特性——也是指转速与转矩间的关系n=f(T)，包括：固有机械特性和人为机械特性负载转矩特性——也是负载转矩与转速间的关系Tz=f(n)，包括：恒转矩负载、恒功率负载、通风机负载•直流变量的属性：大小、极性•交流变量的属性：大小、相位、频率•直流电机：励磁可以独立调节，对电枢回路的操作不会影响励磁回路状态；•交流电机：没有独立的励磁回路，产生转矩的转子电流是感应产生的，其大小与电机的运行状态有关，即使是恒转矩负载，电流也可能不同的。•交流电机由于频率的存在----电抗存在7•频率的变化使感抗变化，即电机运行中电路参数是变化的-----相位变化-----转矩是变化的。•断电则磁场也会消失。因此，直流电机的机械特性与交流电机的机械特性是不同的。三相异步机的机械特性物理表达式参数表达式实用表达式89一、物理表达式•机械特性的物理表达式：•其中：122cosTmTCI11112wTpmNkC222222(/)EIRsX2222222222222/coscos(/)RsRRsXRsX22显然，第一节机械特性的三种表达式10•物理表达式对应的机械特性曲线：•转子电流→n=f(I2′)•转子电路功率因数→n=f(cosφ2′)•两条曲线相乘并乘以CT1Φm→n=f(T)•是电磁力定律在异步电动机中的反映——物理表达式•适用范围——定性分析第一节机械特性的三种表达式222222(/)EIRsX222222222222/cos(/)RsRRsXRsX•小结：起动时电流最大，功率因数最小；随着转速的升高，电流逐渐减小，功率因数逐渐加大；•因此：起动时，转矩最小，随后逐渐加大-----达到最大----随着转速的升高，转矩又逐渐减小；•机械特性的物理表达式不好计算具体的电磁转矩大小。-----机械特性与具体参数的关系。1112二、参数表达式22e12RPmIs2222112/UIRsRXX221222112essURsPmTRsRXX•物理表达式的缺点——不能直接反映转矩与电机参数（如Uφ、s、R1、R2′、X1、X2′）间的关系，需要参数表达式•参数表达式的优点——适用于分析参数变化对电动机运行性能的影响第一节机械特性的三种表达式1、推导13•与参数表达式对应的机械特性曲线：•临界转差率——dT/ds=0•最大转矩：•正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态第一节机械特性的三种表达式221222112essURsPmTRsRXX222212112()mRRsXXRXX2211max221211122()2()ssUmUmTXXRRXX2、几个重要参数14•1）电动机各参数及电源频率不变，Tmax与Uφ2成正比，sm则保持不变，与Uφ无关•2）电源频率及电压不变，sm，Tmax近似与X1+X2′成反比•3）Tmax与R2′无关，sm与R2′成正比。绕线转子异步电动机，当转子电路串联某一电阻RQ时，可使sm=1，Tst=Tmax。第一节机械特性的三种表达式3、几点结论222212112()mRRsXXRXX2211max221211122()2()ssUmUmTXXRRXX222112()QRRRXX221122()QRRXXR15•（s=1，n=0）•绕线转子异步电动机，转子电路串联附加电阻，可以改善起动特性4、过载倍数•如果负载转矩Tz＞Tmax，电动机将会停转•为保证电动机不会因为短时过载而停转，电动机必须具有一定的过载倍数•KT反映了电动机短时过载的极限maxTNTKT221221212stsURmTRRXX5、起动转矩第一节机械特性的三种表达式16•对于笼型转子异步电动机，转子电路不能串联附加电阻，此时，Tst与TN的比值称为起动转矩倍数•Kst是笼型异步电动机的一个参数，反映了电动机的起动能力N/TTKstst5、起动转矩倍数•参数表达式适用于分析T与电动机参数之间的关系。•根据参数表达式绘制机械特性，需要知道相关的参数（如R1、R2′、X1、X2′等）第一节机械特性的三种表达式起动转矩与电压的平方成正比；转子电阻越大则起动转矩越大；其他参数越大则起动转矩越小。理想空载点：只与电压的频率、电机的极对数有关，与其他参数无关。临界转差率：与转子电阻成正比，其他参数越大则临界转差率越小。最大转矩：与转子电阻无关，其他参数越大则最大转矩越小。通常情况下，电动机产品目录中没有这些参数，因此需要导出实用表达式，便于近似计算1718三、实用表达式1max212212mmmmRTsRTsRssssR21max2211122()sUmTRRXX221222112sRUmsTRRXXs222112()mRsRXXmax2mmTTssss第一节机械特性的三种表达式•忽略R1得到实用表达式•问题：如何求Tmax和sm？19max21NNmTmNTssTKssmaxTNTKT9550NNNPTn2(1)mNTTssKKsNNsnnsnmaxTNTKT根据电动机产品数据计算Tmax及Sm第一节机械特性的三种表达式20•Tz＜TN时，s/smsm/s，忽略s/sm•s＜sm，T与s成正比，机械特性可看成一条直线，电动机不论带动何种负载均能稳定运行，称为工作部分•s＞sm，机械特性为一曲线，只有带动通风机负载才能稳定工作，称为非工作部分max2mTTssmax2mmTTssss第一节机械特性的三种表达式稳定性问题21第二节固有机械特性与人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性——异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线。22•几个特殊点•起动点A•n=0，T=Tst，I1st=(4~7)I1N•额定工作点B•n=nN，T=TN，I1=I1N•同步转速点H•n=ns，T=0，I'2=0，I1=I0•最大转矩点P和P′•电动状态最大转矩点P—T=Tmax,s=sm•回馈制动最大转矩点P'—T=T'max,s=s'm•回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大mmssmaxmaxTT第二节固有机械特性与人为机械特性•确定机械特性的形状：•理想空载点：只与电压的频率、电机的极对数有关；•最大转矩点：与电压的平方成正比，与转子电阻无关，与其他参数成反比；•临界转差率：与转子电阻成正比，与其他参数成反比；•起动转矩点：与电压的平方成正比，与转子电阻成正比，与其他参数成反比。23•机械特性中有哪些参数可以改变呢？•电压的大小；•定子串电阻；•定子串电抗；•转子串电阻；•转子串电抗；•转子串入电抗与阻抗的并联回路：2425二、人为机械特性•异步电动机电磁转矩T的数值由某一转速n（或s）下的电源电压Uϕ、电源频率f1、定子极对数p、定子及转子电路的电阻及电抗（R1、R2′、X1、X2′）决定的。•人为机械特性——通过人为改变上述参数得到的机械特性。22221122221221121122sRRUUmpmssTfRRRXXRXXss第二节固有机械特性与人为机械特性261、降低Uφ•Tmax及Tst与U2φ成正比降低；•sm与Uφ的降低无关；•同步转速不变•固有机械特性上转矩值乘以电压变化百分数的二次方即可得到降压的人为机械特性21max2211122()sUmTRRXX222112()mRsRXX221221212stsURmTRRXX第二节固有机械特性与人为机械特性27•额定运行时，Uφ=UN，I1=I1N，n=nN，T=TN；•Uφ↓→I1↓，I2′↓→T↓（T＜Tz）→n↓→s↑→sE2↑•sE2↑→I2′↑→T↑（T=Tz时达到新的平衡）•Uφ下降前后负载保持额定值不变••sx＞sN，故I2x′＞I2N′•结论：Uφ降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏降低电网电压对电动机运行的影响2e2121ssPRTmIs222211NxNxIIss第二节固有机械特性与人为机械特性282、转子电路内串联对称电阻21max2211122()sUmTRRXX222112()mRsRXX221221212stsURmTRRXX•Tmax与同步转速ns不变•Tst刚开始随RΩ的增大而增大，增大到Tst=Tmax后，Tst随着RΩ的增大而减小•Sm随着RΩ的增大而增大•适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速第二节固有机械特性与人为机械特性293、定子电路串联对称电抗21max2211122()sUmTRRXX222112()mRsRXX221221212stsURmTRRXX•同步转速ns不变•Tmax、Tst、Sm将随Xst增大而减小•用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流第二节固有机械特性与人为机械特性304、定子电路串联对称电阻21max2211122()sUmTRRXX222112()mRsRXX221221212stsURmTRRXX•同步转速ns不变•Tmax、Tst、Sm将随Rf增大而减小•也用于笼型异步电动机的减压起动。第二节固有机械特性与人为机械特性315、转子电路接入并联阻抗•起动初期，sf1较大，Xst=2πsf1Lst较大，转子电流的大部分将流过Rst；Rst决定了起动电流和起动转矩；•n↑→sf1↓→Xst↓，大部分转子电流流过电抗器•起动过程结束，sf1很小，电流几乎全部流过电抗器，将电阻短路•由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩。•转子接入并联阻抗还可限制起动电流，在级数最少的情况下，保证电动机平滑加速第二节固有机械特性与人为机械特性32一、电动运转状态第三节各种运转状态•三相异步电动机的两种工作状态：•电动运转状态•制动运转状态•机械特性——位于一、三象限•特点——转矩T与转速n同向•能量转换——由电网吸取电能，扣除自身损耗外，转换成机械能带动负载33二、制动运转状态•类型•回馈制动•反接制动•能耗制动•机械特性——位于二、四象限•共同特点——电动机转矩与转速方向相反•能量转换——电动机由轴上吸收机械能，转换为电能第三节各种运转状态小结•电动状态与制动状态的特征：转速与转矩是同向还是反向进行判断。例如：异步机降低电压的运行过程是电动还是制动？34•Uφ↓→I1↓，I