1、2023-2-151第第4章章 三相交流电动机的三相交流电动机的电力拖动电力拖动4.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础4.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4.3 三相同步电动机的拖动三相同步电动机的拖动4.4应用实例应用实例4.5三相交流电动机电力拖动的仿真三相交流电动机电力拖动的仿真5.6 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性5.7 直流发电机直流发电机5.8应用实例应用实例2023-2-1524.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础 原动机带动生产机械运动，或通过传动机构经过中间变速或运动方式变换，再带动生产机械的工作机构运动称为电力拖动。电力拖动系统组成如图4-1所示
2、。图4-1 电力拖动系统构成2023-2-1534.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础 电力拖动系统可分为典型的单轴或多轴拖动系统，又可按照不同的生产机械负载分为以下几种类型：摩擦类负载图4-2 多轴拖动系统它的特点是：由多根转动轴组成的旋转运动系统。2023-2-1544.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础 位能类负载图4-3 位能性负载拖动系统它的特点是：位能负载为主，还包括有少量的摩擦负载。2023-2-1554.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础3.鼓风机类负载图4-4 鼓风机类负载拖动系统 它的特点是：阻转矩随着转速的升高而不断地增大。2023-2-1564.1电力拖动系统基础电力拖
3、动系统基础4.1.1运动方程式运动方程式 由于可以将各种类型生产机械运动系统折算为等效的典型的一根旋转轴的单轴拖动系统，即电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转，我们首先来分析单轴拖动系统的运动方程。1.单轴拖动系统运动方程式 依照动力学定律，电动机的电磁转矩T除克服运动系统的负载转矩TL=T2+T0之外，还使整个系统沿着电动机电磁转矩的方向产生角加速度 ，而 的大小与旋转体的转动惯量J成正比。即dtddtddtdJTTL2023-2-1574.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础2.拖动系统运动方程式的实用表达式 在工程计算中，表示转动快慢用转速 n，而不用角速度；表示旋转物
4、体的惯性用飞轮矩GD2，而不用转动惯量 J。2mJ 22DgGgGD42注意：GD2这个物理量是表示整个旋转系统的飞轮矩，它是各个旋转部件飞轮矩折算到电动 机轴上的总和。无论是计算或书写GD2时，总应写在一起，是一个完整的符号，而绝对不能分开。将 代入上面旋转动力学方程，则602 n2023-2-1584.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础60242ndtdgGDTTLdtdngGD26042所以，电力拖动系统的基本运动方程式为dtdnGDTTL37522023-2-1594.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础 上式表明T与TL不平衡是系统运转速度n产生变动的原因，即当 时，系统处于加速过程，
5、转速升高；当 时 ，系统处于减速过程，转速降低。不管是转速n，还是n，电力拖动系统的转速都处于变化过程中，所以称这种工作状态为过渡过程或动态。当 时 ，系统处于恒定转速运转或静止不动状态，n=const，系统的这种工作状态称为稳定状态或静态。LTT03752dtdnGDLTT03752dtdnGDLTT 03752dtdnGD2023-2-15104.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础4.1.2生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械的负载转矩特性指的是电动机转速n与负载转矩TL之间的函数关系。生产机械的负载转矩特性曲线，按负载性质的不同可归纳为三种类型。1恒转矩型机械特性恒转矩
6、型机械特性 恒转矩负载的特点是负载转矩为常数，不随转速的变化而变化，即TL=常数。这类负载的生产机械有起重机、金属切削机床的进给装置、卷扬机、龙门刨床、印刷机和载物时的传送带等。它又具体分为：(1)反抗性恒转矩特性 转矩总是阻碍运动的。当转动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。2023-2-15114.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础(2)位能性恒转矩特性 它是受重力作用而产生的转矩。当转动方向改变时，位能性转矩仍保持其原来的作用方向。(a)反抗性恒转矩特性 (b)位能性恒转矩特性图4-5恒转矩机械特性2023-2-15124.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础2恒功率型机械特性恒功率型机
7、械特性 恒功率负载的特点是负载转矩TL与转速n成反比，其乘积近似保持不变。如机床对零件的切削运动就属于这类负载的生产机械。恒功率型机械特性 ，即nkTLconstPTLL图4-6恒功率机械特性2023-2-15134.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础3通风机型机械特性通风机型机械特性 这种负载转矩的大小与运行速度的平方成正比，如通风机、水泵、油泵等都属于这种负载。这些设备中的空气、水、油对机器叶片的阻力与转速的平方成正比。通风机型机械特性为 ，而实际的通风机负载机械特性为TL=T0k n22knTL图4-7理想通风机负载机械特性 图4-8 实际通风机负载机械特性2023-2-15144.1电
8、力拖动系统基础电力拖动系统基础4.1.3电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 由旋转运动方程 可知，当 时，过渡过程加速，当 时，过渡过程减速，而电力拖动稳定运行条件:常数，即 ，即电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上（工作点），以下分交点a、b两种情况讨论。1.工作在a 点分两种情况：（1）由图4-9(a)可知，干扰使负载转矩TL ，则电磁转矩TTL，由电动机的机械特性曲线可知n，T ，T=TL a 点，干扰过后由于 TTL，使n，T，T=TL，系统回到a 点，即稳定工作点。(a)干扰使 TL (b)干扰使 TL 图4-9拖动系统工作在a点运行情况2023-2-15164
9、.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础2.工作在b 点分两种情况:（1）由图4-10可知，干扰使负载转矩 TL，则电磁转矩TTL，由电动机的机械特性曲线可知n，T，则n，系统运行到b点，干扰过后由于TTL，n ，T ，系统运行到a 点，即稳定工作点。2023-2-15174.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础图4-10 拖动系统工作在b点运行情况2023-2-15184.1电力拖动系统基础电力拖动系统基础 则由此可得如下结论，交点a为稳定工作运行点，b为不稳定运行点，即稳定运行的充分条件:dndTdndTL图4-11拖动系统稳定运行情况2023-2-15194.2三相异步电动机的电力拖动三相异步
10、电动机的电力拖动4.2.1异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与转矩T的关系 ，由前面的运动方程可知，它决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。其中，固有机械特性是指在额定电压及额定频率下，定子及转子电路不外接电阻，电磁转矩与转子转速(或转差率)之间的关系，即 ，具体可有以下两种表达式。nfT sfTnfT或2023-2-15204.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-12 异步电动机的机械特性2023-2-15214.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动1.参数表达式1emPT602121nsRImrr1212f
11、sRInmrrp由近似等值电路得222rsrssXXsRRUI则 221212rsrsrspXXsRRfsRUnmT2023-2-15224.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动由上式可得几个特殊点分析：最大转矩 ，则得如下的近似式：，得令0dsdT22)(RsrssrmXXR临界转差率221214rsssspmRRRRfUnmT最大转矩”号用于电动机状态；式中“”号用于发电机状态。“srssRXXR的条件时，可以忽略%5当满足222023-2-15234.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动则 ,结论：，；sRrrmXXs1214rsspmXXfUnmT21smU
12、Tconstf，参数不变时，当无关与rmRTrmRs11rsmsXXTconstfconstU时，当11fTconstUms，参数不变时，当 过载倍数最大转矩与额定转矩之比，称为电动机的过载倍数或过载能力。即2023-2-15244.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动NmmMM 最初起动转矩结论：1sstTT221212rsrsrspXXRRfRUnm21sstUTconstf，参数不变时，当11rsstsXXTconstfconstU时，当mststTTT达到最大值，即的电阻，可以使在转子回路中串入适当11fTconstUsts，参数不变时，当2023-2-15254.2三相
13、异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 起动转矩倍数最初起动转矩与额定转矩之比，称为电动机的起动转矩倍数，即NststTTk 额定工作点电动机的转矩和转速均为额定值的工作点,即 。同步转速点电动机的转速为同步转速和转矩为零的工作点，即 。)(NNsT，01Tnn，2023-2-15264.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动2.电磁转矩的实用表达式221212212142rssssprsrsrspmXXRRfUnmXXsRRfsRUnmTT由参数表达式得 222222mrrrsmrsrsRsRsRRSsRRRmrsmmmrssRRsssssRR2122023-2-15274
14、.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动，很小，且mrssRR也很小，可以忽略之mrssRR2则得机械特性的实用表达式ssssTTmmm2代入上式中，解得将NmmTT12mmNmss2023-2-15284.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4.2.2异步电动机的人为机械特性异步电动机的人为机械特性 由电动机的机械特性参数表达式可知，异步电动机电磁转矩 T的数值是由某一转速n(或s)下，电源电压Us、电源频率f1、定子极对数np、定子及转子电路的电阻Rs、Rr及电抗Xs、Xr 等参数决定，人为地改变电源电压、电源频率、定子极对数、定子和转子电路的电阻及电抗等参数，可
15、得到不同的人为机械特性。降低定子电压 同步转速与定子电压无关，临界转差率也与定子电压无关。随着定子电压的降低，最大转矩和起动转矩大幅度减少。2023-2-15294.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-13 改变电源电压的人为机械特性2023-2-15304.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 定子电路串电阻或电抗 定子电路串电阻或电抗后，最大转矩、起动转矩以及临界转差率均减少。图4-14 定子电路外接电阻或电抗时的人为机械特性2023-2-15314.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 转子电路串电阻 转子电路串电阻后，最大转矩保持不变，而
16、临界转差率增加，起动转矩视具体情况而定。图4-15 绕线式异步电动机转子电路串电阻时的人为机械特性2023-2-15324.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4.2.3三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动1.三相异步电动机的起动问题及起动方法 对于三相异步电动机的起动，要求：电动机应有足够大的起动转矩；在满足起动转矩要求的前提下，起动电流越小越好；起动设备应力求结构简单、操作方便、价格低廉、制造和维修方便；应力求降低起动过程中的能量损耗。一般电动机的起动电流可达额定电流的47倍，这样大的起动电流，一方面使电源和线路上产生很大的压降，影响其他用电设备的正常运行，使电动机的转速
17、下降，欠电压继电保护动作而将正在运转的电气设备断电等。另一方面，起动电流很大将引起电机发热，特别对频繁起动的电机，发热更为厉害。2023-2-15334.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 要限制起动电流，可以采取降压或增大电机参数的方法。为增大起动转矩，可适当加大转子的电阻。所以大容量的异步电动机一般采用加装起动装置起动。(1)起动时的情况起动瞬间 s=1，根据电磁转矩和转子电流的公式，有221212rsrsrspstXXRRfRUnmT22rsrssrsstXXRRUIII2023-2-15344.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 电机起动时一般要求：Ts
18、t Tm，Ist=（47）IN，若起动转矩Tst过小，将无法直接起动电动机。若起动电流Is过大，将造成电动机过热，减少其寿命，产生强大的电动力，损坏电机，甚至危害到人的生命，还会使电网电压降低，影响其他正常生产的电动机，易生产出废品。(2)起动方法 直接起动 该方法适用于小容量笼型电动机。容量在7.5KW以下的笼型电动机均可以直接起动，一般按可下面经验公式决定：)()(341KWPKVAPIIKNdwNstI起动电动机的容量电网容量2023-2-15354.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 若上式成立，则可以采用直接起动，否则要用降压起动。同时，需要校验电动机的起动转矩是否大
19、于负载转矩。鼠笼型异步电动机的降压起动a.定子串电抗或电阻起动kskksstZUXRUI22XZUIksst则 解得 XZZIKIIIukkNIstststkZuuX12023-2-15364.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 串联电抗起动的起动电流减小倍数同理，若串联电阻起动，则起动电阻为ststIIu式中kkststkkRXIIXRR2222电磁转矩与定子电流的平方成正比。22suIITTstststt2023-2-15374.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 起动时，电抗器或电阻接入定子电路，起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行。三相异步电动机定子边
20、串入电抗器或电阻起动时，定子绕组实际所加电压降低，从而减小起动电流。但定子边串电阻起动时，能耗较大，实际应用不多。2023-2-15384.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-16 定子串电阻或电抗的降压起动控制线路2023-2-15394.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-17 定子串电阻或电抗的人为特性2023-2-15404.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动b.Y起动 设UN为线电压；ZK为电机的短路阻抗。Y 接法时，。接法时 则：KNYZUI3/相电流YstII线电流KNYZUI相电流IIst3线电流，KNZU3。3133/K
21、NKNststZUZUII2023-2-15414.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 即采用Y起动，线电流降低到直接起动时的三分之一。同理分析可知转矩关系：313/2211NNststUUUUTT 即采用Y起动，转矩降低到直接起动时的三分之一。控制线路如图4-18。2023-2-15424.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-18 Y起动控制电路2023-2-15434.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动c.自耦变压器降压起动ANststKWWUUII112 AststKWWII112 供电电源变压器提供的直接起动电流Ist为2AstAst
22、stKIKII 2023-2-15444.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 采用自耦变压器降压起动时，对电网的冲击电流降低到直接起动时的 倍。21AK221ANststKUUTT转矩关系：电压抽头可以根据负载情况及电源情况来选择，一种是 40%、60%、80%，另一种是 55%、64%、73%。自耦变压器适用于大中型电动机的重载起动。控制线路如图4-19。2023-2-15454.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-19 自耦变压器降压起动控制电路2023-2-15464.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动d.延边三角形降压起动 延边三角形
23、减压起动介于自耦变压器起动与Y-起动方法之间。如果将延边三角形看成一部分为Y形接法，另一部分为形接法，则Y形部分比重越大，起动时电压降得越多。若电源线电压为380V，根据分析和试验可知，Y形和形的抽头比例为1 1时，电动机每相电压是268V；抽头比例为1 2时，每相绕组的电压为290V。可见，延边三角形可采用不同的抽头比来满足不同负载特性的要求。延边三角形起动的优点是节省金属，重量轻：缺点是内部接线复杂。2023-2-15474.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-20 延边三角形降压起动电路2023-2-15484.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 笼型
24、异步电动机除了可在定子绕组上想办法减压起动外，还可以通过改进笼的结构来改善起动性能，这类电动机主要有深槽式和双笼式。2绕线型三相异步电动机的起动 前面在分析机械特性时已经说明，适当增加转子电路的电阻不仅可以降低起动电流，还可以提高起动转矩。绕线转子异步电动机正是利用这一特性，起动时在转子回路中串入电阻器或频敏变阻器来改善起动性能。(1)转子串电阻分级起动2023-2-15494.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 开始起动时，在转子中串入合适的电阻，以最大电磁转矩起动。通过适时切除电阻，可使起动时间缩短。最后达到稳定工作点。该方法既可限制起动电流，又可提高起动转矩。为了在整个起
25、动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。2023-2-15504.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-21 转子串电阻分级起动 (a)分级起动电路(b)机械特性2023-2-15514.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 接触器KMl、KM2、KM3的主触点全断开，电动机定子接额定电压，转子每相串入全部电阻。如正确选取电阻的阻值，使转子回路的总电阻值等于定转子回路的总电抗，则此时sm1，即最大转矩产生在电动机起动瞬间，如图4-21（b）中曲线0中a点为起动转矩。由于TTL，电机加速到b点时，TTs2，为了加速起动过程，接触器KMl闭合切除起动电阻
26、，特性变为曲线1，因机械惯性，转速瞬时不变，工作点水平过渡到c点，使该点TTs1。因Ts1TL，转速沿曲线1继续上升，到d点时KM2闭合，被切除，电机运行点从d转变到特性曲线2上的e点。依次类推，直到切除全部电阻；电动机便沿着固有特性曲线3加速，经h点，最后运行于i点（TTL）。2023-2-15524.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 上述起动过程中，电阻分三级切除，故称为三级起动，切除电阻时的转矩称切换转矩。在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的，适合于重载起动，广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备。其缺点是所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上，
27、起动级数也较少。(2)转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器的特点是它的阻值会随着转速的升高而自动减小。电机开始起动时，转子电流的频率较高，频敏变阻器的等效电阻比较大，可起到限制起动电流和提高起动转矩的作用。随着转速的升高，转子电流的频率下降，频敏变阻器的等效电阻也随之减小，使电动机起动平滑。当转速接近额定值时，可将频敏变阻器切除。2023-2-15534.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动3.高起动转矩的鼠笼型异步电动机(1)深槽式鼠笼型异步电动机 转子频率愈高，起动刚开始，由于集肤效应，使转子电阻增大，槽高愈大，集肤效应愈强。随着转速升高，转差率s下降，转子电阻Rr变小。当起动完
28、毕，频率f2仅为13Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻，当 n=nN时，Rr 达到最小值。2023-2-15544.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(a)转子漏磁通(b)转子电流密度分布 图4-22 深槽式电动机2023-2-15554.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)双鼠笼异步电动机 这种异步电动机的转子上有两套导条，如图4-23所示的上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大，又称为启动笼；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小
29、，又称为工作笼。起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2较高，则sx2 较大，sXr Rr，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。因Xrf2，Xr Rr，Xr外 sXr，即下笼电流大，上笼电流小，下笼起主要作用。2023-2-15564.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 故又称下笼为运行笼，其机械特性如图4-23(b)曲线2所示。曲线3为曲线1和2的合成曲线，即为双鼠笼异步电机的机械特性。可见双笼型异步电动机起动转矩较大具有较好的起动性能。但缺点是转子漏抗较大，功率因数稍低，过载能力比普通型异步机低，而且用铜量较多，制造工艺复杂。价格较高。一般用于起动转矩要求较高的生产
30、机械上。2023-2-15574.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(a)漏磁通分布(b)机械特性图4-23 双鼠笼电动机2023-2-15584.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4.2.4三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动1.三相异步电动机的回馈制动(1)回馈制动的实现及能量关系 电动机在外力（如起重机下放重物）作用下，电机的转速大于同步转速，转子中感应电动势、电流和转矩的方向都发生了变化，转矩方向与转子转向相反，成为制动转矩。图4-24 回馈制动原理图2023-2-15594.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动即产生回馈条件：，此时由
31、功率平衡关系可知，电动机处于发电运行。0,111nnnsnn图4-25 三相异步电动机的回馈制动电路2023-2-15604.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动0s，不计电动机本身损耗P0时，轴上输出的机械功率01322rrMRssIPP电磁功率032sRIPrrem制动时电机轴上机械能被转化为电能由转子侧传送到定子侧。2023-2-15614.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-26 三相异步电动机的回馈制动矢量图Er=EsIrIsImUsjIrXr IrRr/s-EsIsRsjIsXs rm s90o90o2023-2-15624.2三相异步电动机的电力
32、拖动三相异步电动机的电力拖动上式表明，由转子侧传送到定子侧的功率最终回送电网。此时电动机将机械能转变为电能馈送电网，所以称回馈制动。00229090,0)/(/cossrrrrrrrrrrXIjsRIEXsRsR0cos31sssIUP2023-2-15634.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)回馈制动时的机械特性及制动电阻的计算 电动机拖动位能性负载，高速下放重物时，经常采用反向回馈制动运行方式，为调节下放速度，在转子回路中附加调速电阻，制动电阻的计算与调速电阻的计算方法相同。2.反接制动(1)定子两相反接的反接制动 改变电动机定子绕组与电源的联接相序，如图4-27所示
33、，断开QS1，接通QS2即可。电源的相序改变，旋转磁场立即反转，而使转子绕组中感应电势、电流和电磁转矩都改变方向。因机械惯性，转子转向未变，电磁转矩与转子转向相反，电机进行制动，此称电源反接制动。2023-2-15644.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-27 定子电源反接制动原理2023-2-15654.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动转子实际旋转方向与定子磁场旋转方向相反：n与n1方向相反，则转差率111nnns01322rrMRssIPP032sRIPrrem2023-2-15664.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动电动机输入功率
34、为 ，即反接制动时，电动机从轴上输入机械功率，也从电网输入电功率，并全部消耗在转子绕组电阻中。为保护电机不致过热损坏，即限制制动电流和增大制动转矩，需在转子回路串入较大的制动电阻。制动电阻的计算方法：当采用反接制动方式实现制动停车时，可根据要求的最大制动转矩来计算所需要的制动电阻。当采用反接制动方式下放重物时，可根据要求的稳定下放速度来确定所需要的附加制动电阻值。223rremRIPP2023-2-15674.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)转速反向的反接制动（倒拉反接制动）当绕线转子异步电动机拖动位能性负载时，定子接线不变，在转子回路中串入一个较大的电阻。因此时电磁转
35、矩小于负载转矩，转速下降，当电机减速至n0时，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，使电动机反转。当 Tst TL时，电动机反转，称为倒拉反接制动。绕线转子异步电动机倒拉反接制动状态，常用于起重机低速下放重物。11111nnnnnns2023-2-15684.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动3.能耗制动(1)能耗制动基本原理 没有外加的交流电源，在直流磁场的作用下，将储存的能量消耗完。将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电源上，如图4-28所示，用断开QS1，闭合QS2来实现。当定子绕组通入直流电源时，在电机中将产生一个恒定磁场。转子因机械
36、惯性继续旋转时，转子导体切割恒定磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩，根据右手定则可以判定电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，为制动转矩。2023-2-15694.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-28 能耗制动原理图2023-2-15704.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)能耗制动的机械特性 等效化法：使直流励磁电流 ID 和交流电流 I1，通过定子磁势 F1发生等效关系。等效代替的条件：保持磁势幅值不变；保持磁势与转子间相对转速不变。(3)定子等效电流 当定子绕组 Y 接时，2023-2-15714.2三相
37、异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-29 能耗制动矢量图 nfT右左能耗制动UVWIZIZ30oFvFwFz2023-2-15724.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动当直流电流Iz流过V、W绕组时，每相绕组所产生的磁通势相等，基波幅值为pNpNmnIkNIkNF224n9.011111pNsszwvnkNIFF24I2Iz，（）合成磁通势的基波幅值为：2023-2-15734.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动若将Fz看成是有效值为Is的三相交流电流所产生的，有pNsszvznkNIFF24330cos20pNsssnkNIF224231令 ,可
38、得：，即相当于由有效值为 的三相交流电流所产生的合成磁通势。zFF1zsII32zI322023-2-15744.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(4)能耗制动的机械特性合成磁通势与转子相对转速为(-n)，磁通势的转速即同步转速为 能耗制动转差率定义为：，则pnfn6011nnv3322212222122rmrrmsrmrrmsemXXRRXIXXvRvRXIT2023-2-15754.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动，)(23221maxrmmsXXXITzsI32I；临界能耗制动转差率rmrcrXXRv(5)能耗制动在交流拖动系统中的应用 定子通入的直流
39、电流 ID的估算：对于鼠笼机ID=（45）I0，对于绕线机，则取 (23)I0，异步电动机的空载电流 I0=（0.20.5）I1N。转子串接的制动电阻 2023-2-15764.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动，rrNrNTRIER34.02.0rNrNNrIEsR3式中按上面选择的 ID和RT，其最大制动转矩Tmax=（1.25 2.2）TN2023-2-15774.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动4.2.5三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 人为地在同一负载下使电动机转速从某一数值改变为另一数值，以满足生产过程的需要，这一过程称为调速。近年来，随着
40、电力电子技术的发展，异步电动机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流调速系统的趋势。从异步电动机的转速关系式可以看出，异步电动机调速可分以下三大类：改变定子绕组的磁极对数np变极调速。改变供电电网的频率fl 变频调速。改变电动机的转差率s，方法有改变电压调速、绕线式电机转子串电阻调速和串级调速。后2种属于无级调速。pnfsnsn1160)1()1(2023-2-15784.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动1.变极调速(1)变极方法 电流反向变极法指绕组改接后，使其中一半绕组中的电流改变了方向，从而改变了极对数。（a）反向串联或反向并联np=12023-
41、2-15794.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动（b）正向串联np=2图4-30改变极对数的调速原理2023-2-15804.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)三相绕组的换接方法 由于换接后相序发生了变化，所以改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。起动时宜低速启动。2023-2-15814.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-31 电机绕组极对数变换2np np np 2023-2-15824.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(3)容许输出 变极调速时，电动机的容许输出功率或转矩在变速前后的关系。输出功
42、率为 112cos3ssIUPP式中 电动机效率；电动机定子相电压；电动机定子相电流；定子输入功率；定子功率因数。sUsI1P1cos2023-2-15834.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 在高、低速运行时，电动机绕组内均流过额定电流，这样在两种联结法下的转矩之比为对于YYY，极对数np减小一倍1)2()2(pNpNYYYnIUnIUTT866.02323NNYYYIUIUPP为恒转矩调速2023-2-15844.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动对于顺Y反Y，极对数np减小一倍2)2(pNpNYFYnIUnIUTT122NXNXYFYIUIUPP则为恒功
43、率调速2023-2-15854.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动对于YY，极对数np减小一倍当定子绕组从一个三角形联结改成二个星形联结的并联时，极对数也减小一倍，ns也增加一倍。23223pNpNYYnIUnIUTT1866.0232322NNYYIUIUPP既不是恒转矩调速，也不是恒功率调速，但比较接近于恒功率调速。2023-2-15864.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-32 改变绕组联结方式的机械特性2023-2-15874.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动2.变频调速 随着晶闸管整流和变频技术的迅速发展，异步电动机的变频调速应
44、用日益广泛，有逐步取代直流调速的趋势，它主要用于拖动泵类负载，如通风机、水泵等。由定子电势方程式U1Eg4.44f1N1K1m可看出，当降低电源频率f1调速时，若电源电压U1不变，则磁通m将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通m不变，就必须降低电源电压，使U1/f1为常数。变频调速根据电动机输出性能的不同可分为：保持电动机过载能力不变；保持电动机恒转矩输出；保持电动机恒功率输出。2023-2-15884.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动变频调速的主要优点是能平滑调速、调速范围广、效率高。主要缺点是
45、系统较复杂、成本较高。三相异步电动机定子每相电动势的有效值是：，只要控制好 和 ，便可达到控制磁通 的目的，因而采用变压变频调速的基本控制方式：(1)基频以下调速保持 不变，当频率 从额定值 向下调节时，使 常值，采用电动势频率比为恒值的控制方式。当电动势值较高时，忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则得 ，这是恒压频比的控制方式。mNsgSkNfE44.41gE1fmm1f1Nf1fEggsEU 常值1fUs2023-2-15894.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动低频时，和 都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，可以人为地把电压 抬高
46、一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图4-33中的b线，无补偿的控制特性则为a线。sUgEsUOUsf1UsNUsNf1Nf1Na无补偿无补偿b带定子压降补偿带定子压降补偿图4-33 恒压频比控制特性2023-2-15904.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)基频以上调速在基频以上调速时，频率从 向上升高，保持 ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图4-34所示。1NfsNsUUf1Nf1N恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速UsUsNUsN
47、mNm恒功率调速恒功率调速恒功率调速恒功率调速mUsf1OmUsf1O图4-34 异步电机变压变频调速的控制特性2023-2-15914.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动在基频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通降低，基本上属于“恒功率调速”。3.异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性(1)恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性当定子电压 和电源角频率 恒定时，可以改写成如下形式：sU122122121)()(3lrlsrsrspLLsRsRRsUnT2023-2-15924.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动当s很小时，忽
48、略分母中含s各项，则 ，转矩近似与s成正比，机械特性 是一段直线，见图4-31。当s接近于1时，可忽略分母中的，则，s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图4-35所示。sRsUnTrsp1213T=f(s)sLLRsRUnTlrlssrsp1)(32212121)(sfT 2023-2-15934.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动图4-35 恒压恒频时异步电机的机械特性2023-2-15944.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动(2)基频以下电压-频率协调控制时的机械
49、特性恒压频比控制（）同步转速 随角频率变化 ，带负载时的转速降落 ，在机械特性近似直线段上，可以导出 ，由此可见，当 为恒值时，对于同一转矩 ，是基本不变的，也是基本不变的。在恒压频比的条件下改变频率 时，机械特性基本上是平行下移，如图4-35所示。恒值1/sUpnn2601111260snsnnp2113sperUnTRsT1sn12023-2-15954.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动频率越低时最大转矩值越小，最大转矩 是随着 的降低而减小的。频率很低时，太小将限制电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压 ，可以增强带载能力，见图4-36。maxT1maxTs
50、U图4-36 恒压频比控制时变频调速的机械特性2023-2-15964.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 恒 控制在电压-频率协调控制中，恰当地提高电压 ，克服定子阻抗压降以后，能维持 为恒值（基频以下），则无论频率高低，每极磁通 均为常值，由等效电路得转子电流和电磁转矩1/gEsU1/gEm2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpLsRRsEnsRLsREnT上式即为恒 时的机械特性方程式。1/gE2023-2-15974.2三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动其中，为气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；为定子全
