10三相异步电动机的起动和调速

第10章异步电动机的起动、调速和制动异步电动机的起动性能1.起动电流倍数2.起动转矩倍数3.起动时间4.起动时能量消耗与发热5.起动设备的简单性和可靠性6.起动中的过渡过程一、起动电流和起动转矩起动：从禁止不动到加速到工作转速的过程要求：在起动时有较大的起动转矩（倍数），较小的起动电流（倍数）启动过渡过程短对电网的冲击小1.鼠笼式异步电动机最初起动电流：最初起动转矩2'212'211xxrrUIst2'212'21'22111xxrrrUpmTst由简化等效电路2'2cosICTmT例10-1：Ist=4.92IN，Tst=1.81TN，cos2=0.47要求：有足够的启动转矩，使电动机尽快加速缩短启动过程，避免长时间绕组过若；满足启动转矩时，尽量降低启动电流，减少对电源的影响。原则措施：笼型电动机可降压启动；其它如深槽、双笼转子形式。采用绕线型电机，且可以转子串电阻启动。变频或软启动2．线绕转子异步电动机转子回路中通过集电环串入附加电阻，限制起动电流，提高起动转矩。起动结束后把附加电阻切除，使正常运行有较高效率。线绕转子电机启动性能好二、制约起动的因素供电系统的容量负载的性质起动的频繁程度1.供电系统的变压器容量对起动方式的影响供电容量比异步电动机的容量大得多，起动电流所造成的电压降落不致影响同一电网上的其它电气设备的正常工作，对非频繁起动——允许电动机在额定电压下直接起动。供电变压器的容量与异步电动机容量相差不是很大，则应采取降压措施以限制起动电流。2.负载性质对起动方式的要求1：起动时有大的负载阻力，需较大的起动转矩2：起动时负载阻力小，只需很小的起动转矩3：起动初期负载阻力小，随着转速增加转矩增加——变转矩负载，如流体负载。三、鼠笼式电动机的降压起动降压起动——起动时，施加低于额定电压的电压。电动机的转速上升到接近额定转速后，再切换到额定电压下运行。作用：限制起动电流起动转矩按电压的平方而下降应用：适用于对起动转矩要求不高的场合，如风机、离心泵电机等。1.自耦变压器降压起动设在额定电压下直接起动时，起动电流为Ist。自耦变压器的变比为ka起动时电压降低到1/ka倍，电动机的起动电流相应减小到1/ka倍。直接staststastTkTIkI2211电网供给的起动电流比直接起动时减小到倍21ak2.丫-起动适用于在正常运行时定子绕组按三角形连接的电机。起动时，使定子绕组为星形连接，待转速上升到额定转速后，再换接成三角形连接。三角形连接直接起动时起动电流ZUI3星形连接起动，起动电流IZUI313起动电流和转矩均减少为1/33.延边三角形换接降压起动越小，越接近直接起动起动越大，越接近NNYNNYY四、线绕转子异步电动机的起动如sk=1，则起动转矩等于最大转矩2'21121''21xcxrrrcsk'22'21211'11rxcxrcr•起动变阻器的电阻值r’1．起动开始时，使全部电阻均串入转子回路，随着转速的上升，电磁转矩将减小。2．为了缩短起动时间，通常随转速上升分级切除部分电阻，使在整个起动过程中电动机保持有较大的电磁转矩。3．待起动完毕后，转子绕组便被短路，转入正常运行。频敏变阻器：三相电感线圈电阻值随频率的减小而自动减小起动初时，f2=f1，涡流损耗大，等效铁耗电阻也大；随着起动过程，f2=sf1，减小，转子电流频率降低，涡流损耗减小，等效铁耗电阻减小。随着转子转速的升高，逐渐减少电阻五、深槽式异步电动机Deepbarmotor集肤效应挤流效应等效截面1．起动时在刚起动时，f2=f1。频率较高，导体漏抗大于电阻，漏抗占主要成分，槽电流的分布近似与漏抗成反比。槽底部分漏抗较大，该部分电流较小。愈接近于槽口漏抗愈小，该部分电流较大——集肤效应。•由于电流的分布不均匀，等效槽导体的有效面积减小——集肤效应使槽导体电阻增加；•集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩增大，改善了起动特性。•启动瞬间，由于磁路饱和，转子漏抗将明显减小。2．正常运行时在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布，转子电阻恢复到固有的直流电阻。由于槽深而窄，转子漏抗较普通鼠笼式转子漏抗大——功率因数及过载能力有所降低。深槽式异步电动机六、双鼠笼式异步电动机Double-squirrel-cagerotor外笼Topbar：截面小，电阻大内笼Bottombar：截面大，电阻小内笼交链的漏磁通比外笼多，漏抗也大1．起动时转子电流的频率f2=f1，转子漏抗大于转子电阻，电流分配决定于漏抗。内层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较低，所产生的电磁转矩也较小。外层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。层鼠笼又称起动鼠笼。2．起动过程结束后转子电流的频率很小，内层鼠笼的漏抗很小，两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。内层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生电磁转矩方面起主要的作用，内层鼠笼称为运行鼠笼。S=1n=0双鼠笼机械特性与等效电路设内层鼠笼的电阻和漏抗为r'in和x'in，外层鼠笼的电阻为r'ou，两层鼠笼共同漏抗为x'co集肤效应的其他槽形瓶形梯形凸形高次谐波磁场所产生的谐波转矩及其对起动的影响一、异步电机的高次谐波磁场1．绕组磁势非正弦分布绕组磁势产生的高次谐波磁势称为绕组谐波磁势11,,9.023nnppIpksqFwm定子齿谐波：2mqk±1次谐波与定子齿数有关，与基波绕组因数相同，有较大的谐波磁势。2.定、转子齿槽存在引起磁导齿谐波假设：在计算定子磁导齿谐波时认为转子表面光滑，在计算转子磁导齿谐波时认为定子表面光滑磁导分布波均匀气隙基波磁场气隙磁导齿谐波磁场分解为两个旋转磁场3.电机磁路系统的饱和程度不均匀例如：在磁势波幅值附近的齿高度饱和，而在磁密较小处则不饱和，致使在铁芯中磁阻不一致。二、高次谐波磁场产生的附加转矩及其对起动的影响在定转子磁场中，如两磁场极对数相同，且以同一转速同方向旋转就有可能产生平均转矩。由高次谐波产生的附加转矩，按性质又可分为异步转矩和同步转矩两类。1．异步附加转矩异步转矩是由定子旋转磁场与由该磁场感应的转子电流所产生的转子磁场相互作用所产生的转矩，其中只有极对数相同的磁场才会产生异步转矩。异步：在转子转速不等于同步速时，才会感应转子电流而形成转矩。v次谐波转差率snnns1111此两磁场在任何转子转速下都保持同步旋转而相对静止，因而产生平均转矩特性曲线发生畸变，使启动性能变坏异步谷分析定子7次谐波：p7=7p，n7=n1/7，s7=7s-6，转向为正当转子转速nn7=n1/7时，s70，对于7次谐波相当于处于电动机状态，T70。当转子转速nn7=n1/7时，s70，对于7次谐波相当于处于发电机状态，T70。2．同步附加转矩由独立来源的极对数相同的两个磁场以相同转速且同方向旋转（当相对静止时）而产生的转矩。如定子磁场超前转子磁场，产生正向转矩(电动转矩)。如转子磁场超前定子磁场，便产生反向转矩。如果不是同步旋转，其平均转矩等于零。特点：两磁场彼此独立，只在某一特定转速下产生同步转矩定子齿谐波磁场和转子齿谐波磁场部是独立的，且磁场较强，如齿槽配合不当，有可能使齿谐波磁场满足极对数相同条件，在某一特定转速下形成较强的同步转矩。反转，正转17191236111pZZ反转，正转19211240122pZZ转速n1/19转速-(n1-n)/19+n同步谷101919111nnnnnn产生同步转矩三、削弱和消去附加转矩的措施减小谐波磁场的大小，或削弱其作用1．适当的短距（如削弱5、7次谐波）2．斜槽（削弱齿谐波——与基波绕组系数相同）3．槽配合4．减少气隙磁导的变化（如半闭口槽或闭口槽）5．增大气隙斜槽对谐波磁场，相当于分布绕组的作用槽配合定转子一阶齿谐波pZZZZpZpZ2,11212121即：为要消除齿谐波同步转矩，定子齿数与转子齿数不应相等，它们之间的差数也不应等于极数。异步电动机的调速与制动一、异步电动机调速方法异步电动机的转速(1)改变供电电源的频率f；(2)改变电动机的极对数p——笼型转子电机；(3)改变转差率s：改变外施电压U；在转子回路中引入外加电阻；在转子回路中引入附加电势。其它：电磁调速、齿轮减速等spfn160二、变频调速改变供电电源的频率，可以改变转子的转速，为无级调速变频调速时，通常希望电动机的主磁通m保持不变，因为增大m将引起磁路过分饱和，激磁电流大大增加，功率因素降低。如m太小，则电机容量得不到充分利用。在改变频率的同时，必须调节电压，可根据不同负载要求，配以不同的U1/f1协调控制方式三、变极调速定子绕组需有特殊的绕法，使绕组的极对数能随外部接线的改变而改变。属于分级调速，具有两种不同转速的电动机称为双速电动机。（转子为鼠笼式）变极电机定子绕组的绕制有两种方法：1．双绕组变极2．单绕组变极1．双绕组变极定子上有两套极对数不同相互独立的绕组，每次运行只用其中一套绕组设计较方便，但材料利用率较差，很少使用。2．单绕组变极一套定子绕组，通过不同接法构成不同极对数。变极电动机为鼠笼式转子，它可以随着定子极对数的改变而自动改变极对数。变极前后的气隙磁密、转矩和功率关系1''1111''1'NNkpNEkNpEBB额定转矩近似与气隙磁密成正比'''''ppBBTTPPNNNNNN四、改变外施电压调速负载转矩T保持不变当外施电压U1下降为额定值的x倍时，s增加原有值的1/x2倍。例：当U1从UN降低至0.8UN时，转差率便由原来的s1=ab，增加至s2＝ac，s2应为s1的1/0.82＝1.56倍。普通鼠笼式异步电动机额定转差率很小，设s＝0.04．则s2＝0.062，电动机的转速便由0.96n1，下降到0.938n1，调速范围很小。带恒转矩负载时不适宜采用调压调速方法。负载性质为变转矩时：异步电动机转子电阻大，有较软机械特性，稳定运行区域较宽如果带风机、泵类机械，其负载转矩与转速平方成正比，即T＝kn2采用调压调速可以获得较大的调速范围，取得明显的节能效果。五、线绕转子异步电动机调速1.在转子回路中接入变阻器调速线绕转子异步电机转子回路中接入变阻器可以改变异步电动机的机械特性2.串级调速线绕转子异步电动机转子回路中接入附加电势实现调速1.在转子回路中接入变阻器调速机械特性变软例10-3部分功率消耗在转子串联的电阻上，效率降低。当负载转矩保持不变，接入变阻器后转子电流及转子电流的功率因数均保持不变，定子电流及输入功率也保持不变，而转速下降，导致转子铜耗增大，输出功率下降，效率也随之降低。机械特性变软,负载变化时转速将发生显著变化.恒转矩srrrssrrsr'2''2''''2'2,即：2.串级调速当转子回路串入与转子电势sE2频率相同而相位相反的附加电势Ef后，转子电流I22'222'222xsrEsEIf小结鼠笼式异步电动机起动性能较差，起动电流很大，而起动转矩不大。电机起动方式取决于供电系统的容量、负载的要求和电机的性能。在不允许全压起动时，常用降压起动方法，有自耦变压器降压、星形一三角形换接开关降压等。当电机容量较大，起动要求较高时，选用线绕转子异步电动机。异步电动机调速方法大致可分为：改变电源的频率；改变电机的极对数、改变转差率等。思考题10-310-610-7作业10-210-310-6