第3章交流异步电机运行控制 -2017

第三章交流异步电机运行控制本章主要介绍：⑴.三相异步电机的启动⑵.三相异步电机的制动⑶.三相异步电机的调速⑷.三相异步电机的可逆运行⑸.三相异步电机的变频调速第一节三相异步电机的转动原理•一、转子转动原理二、旋转磁场的产生第二节、三相异步电机的基本知识•一、三相异步电机的极对数•二、三相异步电机的转速•n0=60f1/p•对一台固定的三相异步电机，f1和p通常固定，则n0固定。•转差率s：s=（n0-n）/n0一般s=1%~9%启动瞬间，n=0，s具有最大值=1三相异步电机的结构绕线转子异步电机剖面图1—转子绕组2—段盖3—轴承4—定子绕组5—转子6—定子7—集电环8—出线盒1、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。定子冲片定子线圈铁心和机座2、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1）笼型绕组铜条笼型转子铸铝笼型转子笼型转子绕线转子照片•转子在结构上分为两种：•笼形•绕线形。三相异步电动机型号Y112M-2编号××××4KW8.2A380V2890r/minLW79dB（A）接法防护等级IP4450HZ××KgZBK2007-88工作制B级绝缘××年××月××电机厂第三节、定子和转子电路分析三相异步电机的电磁关系与变压器相似，•定子绕组相当于变压器的一次绕组；•转子绕组相当于变压器的二次绕组一、定子电路分析•电压加于定子绕组，产生合成旋转磁场。•该磁场在空气隙中呈正弦分布；•以转速为n0旋转。•该磁场切割定子和转子导体，在定子绕组某相中产生的感应电势为：•此电势也按正弦规律变化，相位滞后Φ90o•E的大小为：•式中N1为定子绕组每相串联的匝数。•由于定子中同一相绕组是嵌放在不同分布的槽中，考虑到绕组分布的情况，上式中应乘一个小于1的绕组系数k1，即：•同样对于绕线转子电动势中也有绕组系数k2，（一般取0.9），对笼形k2取1。•定子绕组漏磁通φσ1，转子绕组漏磁通φσ2；定子绕组漏磁通φσ1产生的感应电势为：Xσ1=2πf1Lσ1再考虑每相绕组的电阻R1，可写出定子回路的电势平衡方程式为：•由于定子绕组电阻R1和定子绕组漏抗Xσ1一般都很小，其压降和E1相比可忽略：•旋转磁场在转子每相绕组中的感应电势为：•其有效值为：•f2为转子每相绕组所感应的电动势和转子电流的频率；k2为转子绕组系数；N2为转子绕组匝数。•转子绕组导体切割旋转磁场的速率为n’=n0-n有：二、转子电路分析•当转子在0＜n＜n0转动时：•式中，E20表示当转子不动时，旋转磁场在转子绕组中产生的感应电势•转子绕组中的漏磁通φσ2也引起感抗压降-Eσ2，即：•式中：•Xσ20表示转子不动时，每相转子绕组的漏感抗。•当转子转动时，转子绕组每相电流有效值为：•转子电路的功率因素为：•异步电机正常运行时，由于转子短路，其电压平衡方程式为：•将E2=sE20和Xσ2=sXσ20带入，可得：•I2和cosφ2随s变化的关系曲线如图所示：•三相异步电机定子和转子某一相可用下图来模拟：•右图为异步电动机转子和定子等效电路图。•若令转子不动时，转子电路具有电阻R2/s时，转子电路内通过频率为f1的转子电流。该电流在数值等于转子以转差率s旋转时转子电路中的电流，并且转子电路的功率因素也等于转子以s旋转时的功率因素。此时，I2大小和相位皆未改变。•可以证明：I1大小、相位也未改变。因而定子取自电源的功率及定子传递给转子的功率均保持在原来转子实际转动情况下的数值。•可以把一个转动的异步电动机转换为一个等效的不转动的异步电动机，从而把转子机械功率转换成等效电功率来讨论，即把异步电动机按变压器原理来分析。•R2/s可以写成R2/s=R2+R2(（1-s）/s），即把转子电路的电阻R2/s由转子每相电阻R2和负载等效电阻R2（（1-s）/s）两部分之和表示。•R2（（1-s）/s）和转差率有关，是随机械负载的变化而变化。•由等效电路图可看出：•与纯电阻负载的变压器等效电路相同•向量图与变压器向量图一样。异步电机向量图如下图所示：•转子电路的电压平衡方程：•转子电动势有三个分量：•①转子电阻压降I2R2与I2同相•②负载等效电阻压降I2R2（（1-s）/s）与I2同相•③转子漏抗压降jI2Xσ20超前90O•转子回路的功率因素为：•电动机空载电流Io：Io超前φ为α。当转子电路中有电流时，由磁势平衡方程决定定子电流：式中称为异步电动机的电压比，m1、m2分别为定子和转子相数，k1、k2为绕组系数，N1、N2为绕组匝数。•定子电路电压平衡方程式为：•外加电压由三个分量平衡：•①定子电阻压降I1R1与I1同相•②定子漏抗压降jI1Xσ1超前I190O•③定子电动势E1的电压分量-E1，它超前φ90O•外加电压U1与定子电流I1的夹角（φ1）的余弦，即cosφ1为异步电动机回路的功率因素。•当电机空载运行时，转子电流I2很小，所以定子电流I1=Io，φ1≈90O，故空载异步电动机cosφ1≈0.2~0.3，很低。•当I2增加时，cosφ1增加，额定负载时，cosφ1=0.7~0.9。由于I1在相位上滞后外加电压U1，故异步电动机相对于电源而言，是感性负载。•消耗在负载等效电阻R2（（1-s）/s）上的电功率与电动机发出的机械功率P2’等值，即：•式中：m2为转子绕组的相数。•从三相异步电动机转子电路分析可知，转子电路中的电动势、电流、频率、漏感抗及功率因数等均与转差率有关，即与转速有关。第四节、三相异步电机的电磁转矩和机械特性•一、电磁转矩•电磁力对转轴构成了转矩——电磁转矩。•在电磁转矩的作用下，电动机带动负载而输出功率。•设电机旋转的角速度为Ω。转子的电磁转矩为T，则转子输出的机械功率为：•消耗在负载等效电阻R2（（1-s）/s）上的功率即等于P2’。•由于转子角速度旋转磁场的角速度为：故有：经整理后得：•KTφI2cosψ2•式中，称为异步电动机的转矩常数。•将I2、cosψ2和代入T，可得：•式中，•上式表明，三相异步电机的电磁转矩T与每相电压有效值U1的平方成正比。•当U1变化时，对电磁转矩影响很大•当电压U1一定时，转子参数R2和Xσ20一定时，电磁转矩与转差率s有关，T=f（s）关系就称为异步电机的机械特性。二、机械特性•以s为自变量，T为因变量可做出T=f（s）曲线：•由T=f（s）曲线可得出n=f（T）曲线：人为机械特性三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或增大定、转子阻抗的情况下，所得到的机械特性称为人为机械特性。1.降低定子端电压的人为机械特性在电磁转矩的参数表达式中，保持其它量都不变，只改变定子电压Us的大小。由于异步电动机的磁路在额定电压下工作于近饱和点，故不宜再升高电压，所以只讨论降低定子电压Us时的人为机械特性。neTmsOs2s1sNUUUsNUs1Us2U图9-2改变定子电压的人为机械特性2.定子回路串三相对称电阻的人为机械特性定子回路串入电阻并不影响同步转速n1，但是最大电磁转矩Tem、起动转矩Tst和临界转差率sm都随着定子回路电阻值的增大而减小。定子串三相对称电阻的人为机械特性n1neTmssR1sRR2sRR12RR3.定子回路串三相对称电抗的人为机械特性定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率，而串电阻时电阻消耗有功功率。4.转子回路串三相对称电阻的人为机械特性绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路后再三相短路。转子回路串入电阻并不影响同步转速n1。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入电阻后，Tem不变。由于临界转差率与转子回路电阻成正比，当转子串入电阻后sm增大。转子回路串三相对称电阻的人为机械特性如下图所示。从图看出，在转子回路中串入合适的电阻，可以增大起动转矩，当所串入的电阻满足转子回路串三相对称电阻的人为机械特性eTn1nmsrR1rRR21rRRR1'rs''rmXXRRs则有，即起动转矩为最大电磁转矩，其中。但是若串入转子回路的电阻再增加，则，。因此，转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。emstTTRkkRie'1semstTT（一）、额定转矩TN•额定转矩是电机在额定负载时输出的转矩。额定转矩TN可从电机铭牌数据（额定功率P2N和额定转速）求得：•功率单位——Kw•转速单位——r/min•转矩单位——N·m（二）、最大转矩Tmax•最大转矩可通过下面求得：•Tmax与U1平方成正比，与Xσ20成反比，与R2无关；而Sm与R2成正比，与Xσ20成反比。•当负载转矩超过Tmax时，电机将发生“堵转”现象，此时，电机电流升高几倍，如果时间较长，电机会过热损坏。•电机负载达到Tmax称为过载。•用过载系数λ来标定电机的过载能力。•一般λ=1.6~2.5（三）、启动转矩Tst•启动时，n=0、s=1，可得：•Tst与U1平方成正比，与R2有关，当R2=Xσ20时，Tst=Tmax，sm=1，但当R2继续增大，Tst将会减小。第五节、三相异步电机的技术参数•一、输入功率p1•对三相异步电机，m1=3•二、输出功率p2•三、异步电机的损耗•㈠.定子绕组的铜损Pcu1•㈡.定子铁心铁损PFe1•㈢.转子绕组的铜损Pcu2、铁损PFe2•转子铁心铁损PFe2很小，忽略不计•四、异步电机的效率η•空载或轻载时，η很低，η=20%~30%•满载时，η=75%~92%•电机容量越大，效率越高•五、异步电机的工作特性和额定值•（一）、异步电机的工作特性•忽略电机的机械损耗，则输出功率•（二）、异步电机的额定值•⑴.额定功率PN•⑵.额定电压UN•⑶.额定频率f1•⑷.额定电流IN•⑸.额定转速nN•⑹.额定功率因数cosψN•⑺.额定效率ηN•⑻.工作方式•⑼.绝缘等级第六节起动、正反转、制动•一、起动及其控制•㈠异步电机起动性能•起动时，n=0，s=1，此时E20最大，设nN时的转差率SN=0.05，则由E2N=SNE20可知，E20是E2N的20倍。•起动时转子漏抗Xσ20也较大，故起动时转子电流为约为额定转子电流的5~8倍，I1st约为额定定子电流I1N的4~7倍•起动电流倍数：•㈡笼形异步电机的起动控制•1.直接起动•2.降压起动•㈢绕线异步电机的起动控制•前述笼型异步电动机降压起动的各种控制方案均能达到降低起动电流的目的；但由于起动转矩正比于电压的平方，相应的起动转矩也降低，故降压起动方法一般只用于大型三相异步电动机的空载或轻载起动。•如果既要减小起动电流，又要求较大的起动转矩——绕线转子异步电动机。•在转子回路中串入电阻后：•将式中R2加大，起动时，S=1，转子电流为：•从上式可看出，起动电流比不串电阻时小。•同时：•由于R2加大，cosф2相应提高，结果使起动转矩增大。•可见：转子电路串接适当的电阻，可达到既减小起动电流，又增大起动转矩的效果。•在上图中，KA1、KA2、KA3为电流继电器，其吸和电流相同而释放电流不同，KA1的释放电流最大，KA3最小转子串接频敏变阻器起动方法转子串接电阻起动的绕线式异步电动机，当功率较大时，转子电流很大；若起动电阻逐段变化，则转矩变化也较大，对机械负载冲击较大；此外，大功率电动机的控制设备较庞大，操作维护也不方便。如果采用频敏变阻器代替起动电阻，则可克服上述缺点。频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小。RmXmWRlRlXa)b)频敏变阻器的构成与等效电路a)频敏变阻器b)等效电路abc二、正、反转控制㈠.正、停、反控制线路㈡.正、反、停控制线路•㈢.自动反复行程控制•三、制动控制•㈠.能耗制动：在电动机脱开电源后，立即在定子绕组中通入直流电流，该直流电流在电机中产生一个方向恒定的磁场。制动转矩的大小决定于直流磁场的强弱和转子电流的大小。对笼形：控制直流磁场的强弱；对绕线形：两者均可。•㈡.反接制动•对绕线转子异步电机，转子电路串接适当的电阻，可达到既限制制动电流，又增大制动转矩的效果。•㈢.发电反馈制动（