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电机与拖动基础8章_图文

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第8章 三相异步电动机的启动与制动

? 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、制 动及各种运行状态。

8.1 三相异步电动机的直接启动
? 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cos?2 很低,造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。
? 普通鼠笼式三相异步电动机, 启动电流 Is=KI IN=(4~7)IN ,启动 转矩 Ts=KTTN=(0.9~1.3)TN

? 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。启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、变压器容量却是有限的。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。1)使当电动机 负载较重时,启动不了。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。

? 启动必须满足的条件是:启动电流要足够小;启动转矩要 足够大。
启动电流和启动转矩:

I1s ? I'2s

U1 ( R1 ? R2? )2 ? ( X1 ? X 2? )2

Ts

?

2?f1 [( R1

3 pU12R2? ? R2? )2 ? ( X1

?

X 2?

)2

]

? 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。

8.2 三想鼠笼异步电动机的降压启动

8.2.1 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。

U1 ? I?1?s( Zk ? jX ) U'1 ? I'1s Zk

Rk

jXk

U? 1

I?1S

? 串电抗起动时,可以近似把

Zk看成是电抗性质。设串电抗时

jX Rk

jXk

电动机定子电压与直接起动时

电压比值为u。

U? 1

I?1S U?1

IS? ? U1? ? u ? Zk

IS U1

Zk ? X

Ts? ? ( U1? )2 ? u 2 ? ( Zk )2

Ts U1

Zk ? X

? 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。

8.2.2 Y一?起动
在这里主要是利用了Y一?电压之间的关系,我们知道在Y接 中线电压是相电压的?3倍,注意这种方法只适用与绕组在 起动的时候是Y接,而运行的时候是?接。

? 直接启动时每相起动电压为 U1 ? U N

每相启动电流 I ?

启动线电流 I s ? 3I?

?每Y相一启?启动动电时流每I相Y ?启动I?3电压为启动U线1?电?流UI31S?

? UN 3
? IY ? I

?
3

I? ? 1

IY 3

I S? ? 1 IS 3

2

TS? TS

?

????

U U

1?
1

????

?1 3

8.2.3 自耦变压器(启动补偿器) 降压启动
? 利用了自耦变压器有抽头可供选 用,可以实现不同要求的降压。

? 电动机启动电压与直 接启动时电压的关系

U? ? N2 U N N1

? 降压启动电流与直接 启动时电流的关系
? 自耦变压器一次电流 与启动电流的关系

I s?? ? U ? ? N 2

Is UN

N1

I s? ? N 2 I s?? N1

? 降压启动自耦变压器一次电 流与直接启动时电流的关系

I s? ? ( N 2 ) 2

Is

N1

? 降压启动转矩与直接 启动转矩的关系

T's Ts

?

????

U? UN

?2 ?? ?

?

????

N2 N1

???2 ?

? 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 N 2 倍,起动电流与起动转矩降低到 ( N2 )2倍。

N1

N1

? 实际上起动用的自耦变压器,备有几个抽头供选用。例如 QJ2型有三种抽头,分别为55%(即=55%)、64%、73%(出厂 时接在73%抽头上);QJ3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。

? 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。 下面介绍绕线式三相异步电动机的起动。

8.4 三相绕线式异步电动机的启动
? 前面我们已经分析了绕线式异步电动机的相关特性知识,从 中我们知道通过给绕线式异步电动机的转子侧串电阻可以 很好的改善电机的起动性能。
8.4.1 转子串频敏变阻器起动
? 频敏变阻器励磁阻抗:Z p ? Rp ? jX p

? 频敏变阻器与一般变压器励磁阻抗不完全相同,主要表现在 以下两点:
(1)频率为50Hz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50Hz的电流通过时, Rp>>Xp,其原因是:频敏变 阻器中磁密取得高,铁心处于饱和状态,励磁电流越大,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,因此较大。
? 启动时,s=1,转子回路中的电流的频率为5OHz。转子回 路串入Zp,而Rp>>Xp ,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。

8.4.2 转子串电阻分级启动
? 为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异 步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。

8.4.2 转子串电阻分级启动
? 主要优点:可得到最大的起动转矩;而且转子回路只有电阻 没有电抗,启动过程中功率因数比串频敏变阻器还要高;启 动电阻同时可兼作调速电阻。
? 但当要求启动尽可能转矩大时,启动级数多,特别是容量 大的电动机,将需要较多的设备,投资大,维修不方便。而 且启动过程中能量损耗大,不经济。

8.5 三相异步电动机的各种运行状态
? 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 行在电动状态,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。
8.5.1 电动运行: 当工作在第Ⅰ象限时为正 向电动状态。工作在第Ⅲ 象限时为反向电动状态。

8.5.2 能耗制动
1. 能耗制动基本原理 切断电动机的三相交流电源,同时把直流电源通入它的定子绕
组,三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势。
? 空间固定不转的磁动势F=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。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。 在此转矩作用下电动机减速运行,
直到n=0,T=0,减速过程才完
全终止。

8.5.2 能耗制动
2.能耗制动的机械特性

对鼠笼式电动机取:I==(4~5)I0 对绕线式电动机取:I==(4~5)I0

RS ? ( 0.2 ~ 0.4 )

E2 N 3I2N

8.5.3 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。同时,转子回 路串入较大的制动电阻。
? 电动机的运行点 从A-B-C ,到C点
后,-TL<T<TL
可以准确停车。

8.5.3 反接制动过程
? 当拖动较小负载转矩时,如 果反接制动停车,在降速到 n=0时切断电源并停车,否 则电动机会反向启动。
? 与他励直流电动机一样,三 相异步电动机反接制动停车 不能耗制动快,但能量损失 大。

8.5.3 反接制动过程
? 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~sm 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。

8.5.4 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。

8.5.4 倒拉反转制动运行
? 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PM>0,机械 功率Pm<0,转子回路总铜耗pCu2=PM+|Pm|。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。
? 这种运行状态与直流电动机倒拉反转运行的情况是 一样的。

8.5.5 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。

8.5.5 回馈制动运行

? 电动机的转速n<0 ,转差率为
? 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

s ? - n1 ?(- n)? 0

- n1

Pm

?

3 I 2?2

1? s

s

R2?

?

0

? 电磁功率为

PM

? 3I2?2

R2? s

?0

? Pm<0,表示机械功率输送给电机,减去转子铜损耗变为电 磁功率PM。PM<0 ,表示电机发出功率,减去定子损耗后, 回馈给电网。

各 种 运 行 状 态 的 机 械 特 性

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