第8章三相异步电动机的起动与制动（李发海）

null第八章 三相异步电动机的电力拖动第八章 三相异步电动机的电力拖动 我们知道异步电动机的作用就是拖动负载工作，那么关于它的起动、制动和调速问题就是我们关心的重点。 在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定。本章讨论三相异步电动机的起动、调速及各种运行状态。null 电动机的起动指定子接通电网，转速从 n=0到n=nN 。 起动要求： 1） 起动力矩Ts尽可能的大； 2） 起动电流Is尽可能的小； 在满足Ts足够大的条件下，尽量减少Is 。 3） 起动设备尽可能的简单。null 8－1笼型三相异步电动机的起动 一、三相异步电动机的直接起动 对于电动机来说最简单、最直接的起动方法就是我们大家能最先想到的直接起动法。由前面所介绍的机械特性出发，我们知道如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数 又很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流 null起动转矩 如图所示为三相异步电动机直接起动时的固有机械特性与电流特性，其中 为定子每相电流，而 一般地说，容量在7.5kw以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。 起动电流较大有什么影响呢？ 1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。 2 对于变压器而言，整个交流电网的容量相对于null单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如 U＞ 10％或更严重。这样一来，影响了几个方面： （1）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多（ ），当负载较重时，可能起动不了。 （2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。null**** 考虑对电网的冲击 7.5kW以下可采用 **** 较大容量需考虑供电设备的容量 null 起动转矩不大有什么影响呢 ？ 很显然，电机的起动是非常吃力的， 的条件下，电动机才能正常起动。一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩就够大了，但是如果是重载起动例如 ，且要求起动过程快时，某些异步电动机例如绕线式三相异步电动机， 往往小于1，直接起动的起动转矩就不够大了。 null 从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种情况下是不可行的：①变压器与电动机容量之比不足够大；②起动转矩不能满足要求。 不能直接起动的第①种情况下需要减小起动电流，第②种情况下需要加大起动转矩。 即起动必须满足的条件是： 起动电流要足够小；起动转矩要足够大。 起动电流：null 从上面两个达式我们可以看出，降低起动电流的方法有：①降低电源电压；②加大定子边电抗或电阻；③加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。 而直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。null1.定子串电阻或电抗——分压起到降压作用 2.自耦变压器降压起动 3.星形-三角形起动，用于可以有2种接法的电机，正常运行时用三角形接法，起动时用星形接法，相电压降为正常运行时的 4.延边三角形起动 对不同的起动要求，需专门设计电机。二、 三相鼠笼异步电动机的降压起动降压起动的分析降压起动的分析null（一）定子串接电抗器起动： 三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行。显然此时的电抗器起到了分压的作用。三相异步电动机直接起动时，其每相等值电路如图（a）所示，电源电压 直接加在短路阻抗 上。定子边串入电抗X起动时，每相等值电路如图（b）所示， null 加在（jX＋ ）上，而 上的电压是 。定子边串电抗起动可以理解为增大定子边电抗值，也可以理解为降低定子实际所加电压，其目的是减小起动 电流。根据等值电路，可以得出 我们知道，三相异步电动机直接起动时转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗 null 所至，一般说来， 因此，串电抗起动时，可以近似把 看成是电抗性质。设串电抗时电动机定子电压与直接起动时电压比值为u，则 null显然，定子串电抗器起动，降低了起动电流，但起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器起动，只能用于空载和轻载。 工程实际中，往往先给定线路允许电动机起动电流的大小 ，再计算电抗X的大小。计算公式推导如下： 其中短路阻抗为串电抗或电阻串电抗或电阻可等效为 1阻抗接法不变，所以: 电网线电流变化的倍数=相电流变化倍数null若定子回路串电阻起动，也属于降压起动，也可以降低起动电流。但由于外串的电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中型、大型异步电动机更不经济，因此这里不予介绍。 (二) 起动 在这里主要是利用了星—三角电压之间 的关系，我们知道在星接中线电压是相电压的 倍，注意这种方法只适用与绕组在起动的时候是星形接，而运行的时候是三角形接。如图所示： nullnull 试想一下，如果起动的时候是三角形联接，这样，相电压等于线电压 每相起动电流为 线上的起动电流为 。而如果起动时定子绕组Y接，如图（b）所示，每相起动电压为 每相起动电流，则null线起动电流为 : null上式说明， 起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的 ，但是对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的1／3。 直接起动时起动转矩为 ， 起动 时起动转矩为 ，则： Y一 起动可以用于拖动 的轻负载。在轻载起动条件下，应该优先采用。 Y-Δ起动Y-Δ起动相电压减少电网线电流减小为原线电流的3分之一null （三）自耦变压器降压起动 如图所示： 我们在前边已经学过了自耦变压器的工作原理，在这里就是利用了自耦变压器有抽头可供选用，比较灵活，可以实现不同要求的降压。 电动机起动电压下降为 ， 与直接起动时电压的关系为null电动机降压起动电流为 ，与直接起动的起动电流 之间关系是： 自耦变压器原边的起动电流为 ，与 之间关系为： 因此降压起动与直接起动相比，供电变压器的起动电流的关系为：null自耦变压器起动时记起动转矩为 ，与直接起动时起动转矩 之间的关系为： 采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到 倍，起动电流与起动转矩降低到 倍。null 实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽头供选用。例如QJ 2型有三种抽头，分别为55%（即=55%）、64%、73%（出厂时接在73%抽头上）；QJ 3型也有三种抽头，分别为40％、 60%、80%（出厂时接在 60％抽头上）等。这也是我们前面所讲的优点，但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步电动机上广泛应用。自耦变压器降压自耦变压器降压自耦变压器变比（四）延边三角形起动（四）延边三角形起动null 到目前为止，前面所介绍的几种鼠笼式异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动转矩较大的异步电动机。加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼式异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值，这类电动机有高转差率鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式鼠笼异步电动机。8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电机8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电机8.3.1转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机 一般浇注式的鼠笼都采用铝，有些电动机鼠笼由合金铝浇注而成，或者还采用转子小槽，减小导条截面积，这样使转子电阻增大； 一般焊接式的鼠笼都采用紫铜，有些电动机鼠笼材料用黄铜，黄铜的电阻率比紫铜高，所以转子电阻较大null8.3.2 深槽式鼠笼异步电动机 1、转子槽结构 槽高/槽宽=10~20 2、特点 将转子导体看成小导体并联组成，当有I2时，漏磁通分布如图。 底部漏电抗X大 起动时f2 很大，转子漏电抗比电阻大很多， I2大小由X决定；由于底部漏电抗X大， I2被挤到槽口，该现象称为集肤效应。电流密度分布如图。 null8.3.3 双鼠笼异步电动机8.3.3 双鼠笼异步电动机外笼：导条截面积小，用电阻率较高的黄铜制成，电阻较大； 内笼：导条截面积大，用电阻率较低的紫铜制成，电阻较小； 当导条里有电流流过时，内笼漏磁链多、漏电抗较大，外笼漏磁链少、电抗较小 null利用集肤效应/ 1.深槽转子或刀形槽转子 2.双鼠笼转子 起动时，转子频率大，集肤效应使电阻大，起动转矩大。nullnullnullnullnullnullnull§8－2 三相绕线式异步电动机的起动§8－2 三相绕线式异步电动机的起动降压起动在限制起动电流的同时，大大降低了起动转矩。在需要较大起动转矩的应用场合，人们不得不选择价格昂贵的绕线式异步电动机。 绕线式异步电动机的特点是可以在转子回路中接入附加电阻，以改善其起动和调速性能。 null **转子可串电阻 转子可串频敏电阻下面我们将进行详细的介绍.null 如图所示： null1、起动过程如下： （l）接触器触点KI，K2，K3断开，绕线式异步电动机定子接额定电压、转子每相串入起动电阻（ ），电动机开始起动。起动点为机械特性曲线 3上的a点，起动转矩为 ， 。 （2）转速上升，到b点时， （＞ ），为了加大电磁转矩加速起动过程，接触器触点K3闭合，切除起动电阻 。忽略异步电动机的电磁惯性，只计拖动系统的机械惯性， 则电动机运行点从 b变到机械特性曲线2上的C点，该点上电动机电磁转矩null 转速继续上升，经 h点最后稳定运行在 j点。上述起动过程中，转子回路外串电阻分三级切除，故称为三级起动。T1为最大起动转矩，T2为最小起动转矩或切换转矩。null2.作图法计算起动电阻 2.作图法计算起动电阻 当起动级数确定时，例如m＝3，起动机械特性作图步骤如下：当起动级数确定时，例如m＝3，起动机械特性作图步骤如下：（1）先画固有机械特性。 （2）确定最大起动转矩T1及切换转矩T2。nullnullnull3.解析法计算起动电阻3.解析法计算起动电阻nullnullnullnull转子串频敏变阻器起动： 绕线式异步电机转子回路串电阻起动方法，要想获得良好的起动特性，需要较多的起动级数，这样，控制设备复杂，增加设备投资和维修的困难。人们通过实践，创造了一种运用于绕线式异步电动机，而结构比较简单的起动元件－－敏变阻器起动。频敏变阻器是一种静止的无触点电磁元件，它具有以下特点：频敏变阻器是一种静止的无触点电磁元件，它具有以下特点：1.结构简单，制造容易，造价低廉 2.运行可靠，坚固耐用，使用维护方便 3.由于它的阻抗随频率而自动变化，可使控制系统大大简化，宜于实现自动控制 4.频敏变阻器是一种感性元件，因而功率因数较低null 如图所示：接触器触点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行 。 频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用 表示。但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点： nullnull⑴ 频率为5OHz的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，既限制了起动电流，又不致使起动电流过小而减小起动转矩。 （2）频率为5OHz的电流通过 ，其原因是：频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流较大，因此励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此 rp 较大。 null绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时，s＝1，转子回路中的电流的频率为5OHz。转子回路串入 ，而 ，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩。 起动过程中，转速升高，S变小，xp下降， f2＝sf1变小，频敏变阻器中铁耗的大小与频率的平方成正比，频率低，损耗小，电阻rp小。所以，在起动过程中，频敏变阻器的阻抗zp= rp＋ jxp是随着频率的降低而自动减小的。这样使得电动机在整个起动过程中始终保持较大的起动转矩。nullnullnullnullnull §8-5 三相异步电动机的各种运行状态 §8-5 三相异步电动机的各种运行状态 我们知道当异步电动机的电磁转矩和转子的转速是同方向时，电动机运行与电动状态，若电磁转矩和转速的方向相反时，电动机处于制动状态，而在制动运行状态中，根据转矩和转速的不同情况，又可分为：回馈制动、反接制动、到拉反转及能耗制动等。null一、电动运行： 就是我们前面所分析的各种正常运行状态，在这里不在进行详细的介绍。 二、能耗制动： （1）能耗制动基本原理： 如图所示：null 三相异步电动机处于电动运行状态的转速为 n,如果突然切断电动机的三相交流电源，同时把直流电 通入它的定于绕组，例如开关K1打开、K2闭合，结果，电源切换后的瞬间，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势，用 表示。 空间固定不转的磁动势相对于旋转的转子来说变成了一个旋转磁动势,旋转方向为顺时针，转速大小为n。正如三相异步电动机运行于电动状态下一样， null转子与空间磁动势 有相对运动，转子绕组则感应电动势，产生电流；进而转子受到电磁转矩T。T的方向与磁动势 相对于转子的旋转方向是一样的，即转子受到顺时针方向的电磁转矩T。转子转向为逆时针方向，受到的转矩为顺时针方向，显然T与n反方向，电动机处于制动运行状态，T为制动性的阻转矩。转速n＝0时，磁通势与转子相对静止， ，减速过程才完全终止。 上述制动停车过程中，系统原来贮存的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。 null三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩T的产生，是由于转子与定于磁动势之间有相对运动；至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：null（1）保持磁动势幅值不变，即 （2）保持磁动势与转子之间相对转速（即转差）不变，为 2.定子等效电流: 异步电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如图所示的，合成磁动势的大小为 :null 把 等效为三相交流电流产生的,每相交流电流的有效大小为 ,则交流磁动势大小为: 等效的结果是null 3.转差率与等值电路: 磁通势 与转子相对转速为(-n), 的转速 即同步转速为 ,能耗制动转差率用 表示,则为: 转子绕组感应电动势 的大小与频率则为:null三相异步电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流 产生磁动势 作用的结果，并非指电机运行时的量。 有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。nullnull 4. 能耗制动的机械特性: 能耗制动时，电动机内铁损耗很小，可以将其忽略。这样一来，根据等值电路画出电动机定子电流、励磁电流及转子电流之间的相量关系如图所示。它们之间大小的关系为 忽略铁损耗后,则有:null 另外,还有 整理后得到null 根据前一章的分析结果知道，电磁转矩为电磁功率除以同步角速度，即 null上式便为能耗制动的机械特性表达式，其与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的，但是电动运行状态时，是用电源电压 来表示，而能耗制动的这个式子，是用等效的定子电流 来表示。能耗制动时，视 为已知量。 对上式微分，并使 ，则得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为null根据上式画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图所示。显然，能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似。改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值R，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。 能耗制动机械特性的实用公式为：null 三、 反接制动: 反接制动过程: 处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程. 反接制动过程中，电动机电源相序为负序， 如图所示:null 接触器触点K1闭合为正向电动运行，K1断开K2闭合，则改变了电源相序。（b）图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从A—B—C ，到C点后， ＜T＜ 可以准确停车。 而在反接制动过程中,因为接的是反相序电源,所以,转速大n 0时 ,相应的转差率s 1。若转子回路总电阻折合值为 ，机械功率则为null 即负载向电动机内输入机械功率。显然负载提供机械功率是靠转动部分减少动能。从定子到转子的电磁功率为 转子回路铜损耗:null因此，转子回路中消耗了从电源输入而来的电磁功率及由负载送入的机械功率，数值很大，在转子回路中必须串入较大的外串电阻，以消耗大部分转子回路铜损耗，保护电动机不致由于过热而损坏。所谓大电阻是指比起动电阻阻值还要大。下图就是反接过程中的机械特性图:null 从图上我们可以看出,如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩负载运行，或者拖动位能性恒转矩负载运行，这两种情况下，如果进行反接制动停车，那么必须在降速到n＝0时切断电动机电源并停车，否则电动机将会反向起动，三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车接着反向起动，就是为了迅速改变转向，提高生产率。null反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。为了简单起见，可以认为反接制动后瞬间的转差率s 2，处于反接制动机械特性的s＝0～ 之间。 鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。 null四、 倒拉反转制动运行: 我们知道，拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，称之为倒拉反转制动运行状态。 倒拉反转制动运行是转差率s＞1的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率 ＞0，机械功率＜0，转子回路总铜耗。但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。null五、 回馈制动运行: 回馈制动运行分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行. 1、正向回馈制动运行：通过将一部分机械能转换为电能并回馈回电源的现象。从图上可以看出：null 在这个降速过程中，电动机运行在第II象限BC这一段机械特性上时，转速n＞0，电磁转矩T＜0，是个制动运行状态，称之为正向回馈制动过程。整个回馈制动过程中，始终有n＞ 。正向回馈制动过程中，电动机的转速n＞ ，转差率 从三相异步电动机等值电路上看出，电动机总的机械功率为null 从定子到转子的电磁功率为 ： 实际是系统减少了动能而向电动机送入机械功率并转换为电功率，扣除了转子损耗后 ，变成了从转子送往定子的电磁功率 了。那么主要送到哪里去了呢？为此，先看着转子过功率因数角的情况。 我们知道null 根据以上两式，画出正向回馈制动时异步电动机的相量图，如图所示。显然得出结论为 ： 因此， 这样一来，电动机的输入功率则为： null 说明有功功率是电动机送出给交流电网了。这也就是说，回馈制动过程中，转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组上钢损耗消耗外，其余的回馈给电源了。这时的三相异步电动机实际上是一台发电机。 2、反向回馈制动运行： 当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序（A、 C、 B）时，电动机运行于第IV象限，如图 中的B点，电磁转矩T＞0，转速 n＜0,称为反向回馈制动运行。null起重机高速下放重物（指 ）时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的C点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。 反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。三相异步电动机各种制动方法比较三相异步电动机各种制动方法比较