聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第4章3

4.4三相异步电动机的启动特性●启动要求：▲足够大的启动转矩，Tst≥(1.1～1.2)TL；▲启动平滑，减少对生产机械的冲击；▲启动电流越小越好，否则，→电网电压下降较大，影响其它电机和设备正常工作；→电机本身绕组发热，绝缘老化；→冲击力，绕组端部位移、变形、短路；▲启动过程中的功率损耗越小越好。▲启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便；●异步电动机的固有启动特性启动时，n=0，S=1，E2和I2(即I2st)很大，→很大的I1[即Ist≈(5~7)IN]；而cosφ2很低，Φ也只有正常运行时的一半)()()(111111111EXIjRIEERIUL因为在启动时：因为I1很大，所以R1和X1上的压降很大，E1≈1/2U1由E1=4.44Kf1N1Φ知，Φ也只有正常运行时的一半。∴Tst=KmΦI2stcosφ2st却不大，一般，Tst=(0.8～1.5)TN4.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法●直接启动(全压启动)当变压器容量足够大，电动机容量(中小型)又不太大时，闸刀开关或接触器直接接入电源，额定电压下启动。满足下列关系可直接启动：电动机功率电源总容量额定电流启动电流443NSTII例：一台要求经常启动的鼠笼型异步电动机，其PN=20kW，Ist/IN=6.5。如果供电变压器（电源）容量为560kV·A，且有照明负载，问：电动机可否直接启动？同样的Ist/IN值，功率为多大的电动机不允许直接启动？5.675.720456043443NstII电动机功率电源总容量解：根据故可以直接启动NP4560435.6由可算出，额定功率大于24kW的电动机不能直接启动。经验数据●电阻或电抗器降压启动启动时，接触器1KM断开，KM闭合，串入Rst，转速上升到一定程度，闭合1KM，切除Rst。缺点：Tst随定子电压的平方关系下降，适于空载或轻载启动；不经济，电阻器上消耗能量大，若串电抗器，所需设备费较贵，且体积大。●Ｙ－△降压启动设Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗，则启动电流：KM和1KM闭合，2KM断开，星形启动；转速上升到一定程度后，1KM断开，2KM闭合，定子接成三角形，转入正常运行。ZUIZUIststY/3),3/(11∵∴IstY=IstΔ/3，即Y启动电流是△直接启动的1/3又∵212121,3/)3/(UTUUTststY∴TstY=TstΔ/3，即Y启动转矩是△直接启动的1/3。Ｙ－△换接可采用接触器控制，也有专用的Ｙ－△启动器。缺点：启动电压不能按实际需要调节，故只适于空载或轻载启动的场合，并只适用于正常运行时定子绕组按△接线的异步电动机。优点：设备简单，经济，启动电流小。●自耦变压器降压启动(自学)●软启动器(自学)例：有台拖动空气压缩机的鼠笼型异步电动机，PN=40kW，nN=1465r/min，启动电流Ist=5.5IN，启动转矩Tst=1.6TN，运行条件要求启动转矩必须大于0.9TN，电网允许电动机的启动电流不得超过3.5IN。试问应选用何种启动方法？56.06.19.0'NNststTTTTTK解：按要求，启动转矩的相对值应保证为：启动电流的相对值应保证为64.05.55.3'NNststIIIIIK查表可知，只有当自耦变压器降压比为0.8时，才满足KT≧0.56和KI≦0.64的条件。故选用自耦变压器降压启动方法，降压比为0.8。4.4.2绕线式异步电动机的启动方法∵可在转子电路中串电阻，∴具有较大启动转矩和较小启动电流。●逐级切除启动电阻法开始，1KM、2KM、3KM均断开，启动电阻R3最大，机械特性为曲线Ⅲ，T＞TL，系统加速；当T=TB时，3KM闭合，电阻减小为R2，机械特性曲线为Ⅱ，……，直到外串电阻全部切除，最后稳速运行于固有特性的9点。●频敏变阻器启动法可自动无级切除电阻，不需要控制电器。实际是副边开路的三相变压器，只不过铁心由几块厚铁板或钢板叠成，线圈中流过转子电流时，铁心中产生交变磁通，铁心中产生涡流，使铁心发热，相当于串了一个电阻R，另外，还有电抗X存在。启动时，n=0，S=1，f2(=Sf)高，铁损大，相当于R大，X(∝f2)也大，限制了启动电流，增大了启动转矩。当n↑，f2↓，→铁损↓，相当于R↓，另外X↓，相当于自动切除R和X。当n=nN时，R≈0，X≈0。缺点：功率因数低，∴启动转矩的增大受到了限制，且不能用于调速电阻。用途：用于对调速没有什么要求，启动转矩要求不大，经常正反向运转的绕线式异步电动机。异步电动机转速由下列两个表达式来决定：SSSSTTmmmax2)1(60)1(0SpfSnn由上式，TL→T→S→n，即n是由TL来决定的，当TL一定，通过改变Tmax、Sm、f、p，可进行调速。4.5三相异步电动机的调速方法与特性4.5.1变极对数调速用于只需要几种特定的转速、空载或轻载下启动的生产机械。利用变极对数的多速鼠笼式异步电动机。假设定子一相绕组由两个“半绕组”组成，二者串联，p=2;二者并联，p=1每相定子绕组中一半绕组内的电流改变方向，极对数将成倍变化将定子绕组由Y改成YY，极对数减少了1倍，故nYY=2nY。若保持转矩不变，则“半绕组”中电流也不变，即属于恒转矩调速；因为I1=2IN，U没变，输入功率为原来的两倍；而nYY=2nY，所以转矩不会改变。将定子绕组由△改为YY，极对数也减少了1倍，即nYY=2nΔ此时，若保持功率基本不变，则“半绕组”中电流也基本不变，即属于恒功率调速。因为：△连接时，线电流：IIINN73.131改为YY连接时，线电流：IIN21即△连接和YY连接的功率基本一样。假如线圈中通过的电流为IN用途：机电联合调速，如中小型机床。★改变极对数时，必须同时对调B相和C相接线，才能使n方向不变。拖动恒转矩负载，调速范围很小；拖动泵类负载，调速范围稍大。4.5.2变转差率调速1.调压调速在定子电路中串电阻(或电抗)和用晶闸管调压调速都属于这种调速方法。通过改变电压使Tmax得到了改变。异步电动机调压调速时的损耗及容量限制由于旋转磁场和转子具有不同的速度，因此，传到转子上的电磁功率与转子轴的机械上产生功率9550/0TnPeemesSPnnTPPP95500之间存在功率差称为转差功率。将通过转子发热而消耗掉。低速时，转差功率将很大。因此，这种调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械。9550/TnPm2.转子电路串电阻调速适于绕线式异步电动机，启动电阻可兼作调速电阻。简单可靠，但属有级调速；随转速降低，特性变软；低速时损耗大。用途：重复短期运转的生产机械，如起重运输设备通过改变电阻使Sm得到了改变。4.5.3变频调速)1(60Spfn改变交流电源的频率,就可以平滑地调节电动机的转速。一般采用频率和电压同时改变的变频电源。应用范围:用于鼠笼式异步电动机。变频调速的优点：（1）调速范围广；（2）调速平滑性好；（3）工作特性（静态与动态特性）都能达到和直流调速不相上下的程度；（4）经济效益高。异步电动机调速方法性能比较比较项目调速方法变极对数变转差率变频转子串接电阻调压调速电磁转差离合器调速串级调速是否改变同步转速变不变不变不变基本不变变静差率小（好）大（差）开环时大，闭环时小开环时大，闭环时小小（好）小（好）调速范围较小小闭环时较大闭环时较大较小较大调速平滑性差，有极调速差，有极调速好，无极调速好，无极调速好，无极调速好，无极调速适应负载类型恒转矩、恒功恒恒转矩通风机、恒转矩通风机、恒转矩通风机、恒转矩恒转矩、恒功恒设备投资少少较少较少较多多能量损耗小大大大较少较少电动机类型多速电动机（笼型）绕线电动机笼型电动机滑差电动机绕线电动机笼型电动机4.6三相异步电动机的制动特性4.6.1反馈(回馈)制动当n＞n0，S＜0时，转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，I2改变了方向，T=KmΦI2cosφ2，也随之改变方向，T与n的方向相反，T为制动转矩。电机从轴上吸取功率，除去转子铜损后，给了定子，再除去定子铜损和铁损，反馈给电网。如起重机高速下放重物时，电动机运行在a或b点。变极调速或变频调速时，极对数突然增多或供电频率突然降低，便进入反馈制动运行状态，b→n02。4.6.2反接制动●电源反接电动运行时，电源相序突然改变，运行点由a→b，T＜0，系统减速，由b→c，为制动过程，到c点若不切断电源，则会反向启动。反接制动，电流很大，对鼠笼式电动机常在定子电路中串接电阻；对绕线式则在转子电路中串接电阻。●倒拉制动拖动位能负载。定子送入的电功率、转子轴上输入的机械功率，都消耗在转子电阻上。a点，电动运行；当转子电路串入较大电阻，运行点从a→b，TTL，电动机减速到c点，n=0，但仍有TTL，电动机反向转动，直到d点，T=TL，稳速运行，T和n反向，为制动转矩。应用：起重机低速下放重物。4.6.3能耗制动能耗制动时，打开1KM，立即合上2KM，即把低压直流电立即→定子绕组，→一个固定不变的磁场，旋转的转子导体→感应电动势和电流(在磁场中)→制动转矩T0→n↓→n=0，在此过程中，机械能→电能→电阻。制动效果：比反接制动差。改变定子励磁电流If或转子电路串入电阻(绕线式)的大小来调节制动的强弱。优点：结构简单、成本低、运行可靠。4.7单相异步电动机用途：电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置。4.7.1单相异步电动机的磁场转子为鼠笼式，定子绕组为单相，接入单相交流电源，空气隙中产生固定脉动磁场，磁通或磁感应强度大小随时间作正弦变化：B=Bmsinωt按正弦变化的脉动磁场，可以分解成两个在空间按余弦分布，转速相等而方向相反的旋转磁场和Bm1＝Bm2＝Bm／2，其幅值为和的同步转速为n0＝±60f／p1mB1mB2mB2mBT—S曲线：和当n=0，s=1，T+和T-大小相等，方向相反，T=0，不能自行启动。当外力拨动转子转动，s≠1，T≠0，→电动机旋转。作用于鼠笼1mB2mB转子，→T+和T-，→合成T。4.7.2单相异步电动机的启动方法●电容分相式异步电动机定子有两个绕组AX、BY，AX为工作绕组，BY为启动绕组，二者轴线在空间互相垂直。在该磁场作用下，鼠笼转子转动。启动后，离心开关QC打开，电动机变为单相运行。QC也可不用。BY串入电容C，使iB在相位上超前iA90°，这样，通电后就能在气隙中产生旋转磁场(和三相旋转磁场一样)，旋转方向是由电流领先相向电流落后相。正反转接线原理图，必须以调换C的位置来实现。●罩极式单相异步电动机5.8同步电动机的工作原理、特点及应用(自学)同步电动机(图5.54)机械特性是一条水平直线(图5.55)可以利用调节转子励磁电流If使同步电动机cosφ＝1同步电动机要采用异步启动法(图5.56、图5.57、图5.58)特点和应用：结构复杂，需要直流电源，启动和控制设备也较昂贵，但运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高，所以用在低速和大功率的场合。作业：4.5、4.9、4.11