相交流电动机的电力拖动.ppt

Page 1,本课程的章节和内容,绪 论第1章 变压器第2章 三相交流电动机第3章 三相交流电动机的电力拖动第4章 直流电机第5章 直流电动机的电力拖动第6章 驱动和控制微电机第7章 电动机容量的选择,Page 2,第 3 章 三相交流电动机的电力拖动,本章内容,3.1 电力拖动系统基础,3.2 三相异步电动机的电力拖动,3.3 三相同步电动机的电力拖动,3.4 三相交流电动机的动态数学模型,3.5 实例（应用）,3.6 三相交流电动机电力拖动的仿真,Page 3,本章教学基本要求,1.熟悉电力拖动系统运动方程，掌握拖动转矩和负载转矩的概念。,2.掌握典型负载转矩特性和三相异步电动机的机械特性。,3.熟悉分析三相异步电动机各种运行状态的基本方法。,4.掌握三相异步电动机的起动、制动原理和特性。,5.了解三相交流电动机的调速方法。,6.掌握同步电动机的起动方法，了解同步电动机的调速和制动方法。,7.了解同步和异步电动机的动态数学模型。,Page 4,本章教学基本要求,1三相异步电动机的机械特性。,2三相交流电动机的起动、制动和调速。,重点：,同步和异步电动机的动态数学模型。,难点：,Page 5,Page 6,提问,由三相交流电动机作为原动机拖动生产机械运转的一种拖动方式。,什么是三相交流电动机的电力拖动？有什么作用？,作用是将三相交流电能转换成机械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求。,电力拖动系统由电动机、传动机构、电源、控制设备和生产机械这几部分组成，如图3-1所示。,Page 7,3.1电力拖动系统基础,图3-1 电力拖动系统示意图,传动机构,生产机械,控制系统,电动机,电 源,现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是：1.电能的运输、分配、控制方便经济。2.电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。3.电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。,3.1电力拖动系统基础,Page 8,电力拖动系统有各种结构形式，最简单的是单轴电力拖动系统，即电动机直接与负载同轴，如图3-2所示。,Page 9,由牛顿第二定律可知，作直线运动的物体的运动方程为,1单轴电力拖动系统,图3-2 单轴电力拖动系统,式中，F1、F2为作用在物体m上的作用力和反作用力（N）；m为物体的质量（kg）；a为加速度，（m/s2）；为惯性力（N）。,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,（3-1）,1单轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,对于作旋转运动的物体：,式中，T、TL为电动机的电磁转矩和负载转矩（Nm）；J为旋转系统的转动惯量（Nms2）；W为角速度（rad/s）；为角加速度（rad/s2）；为惯性转矩或称动态转矩（Nm）。,（3-2）,Page 10,工程中，常用飞轮矩GD2表示旋转物体的惯性，则转动惯量J也可表示为,1单轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,图3-2 单轴电力拖动系统,式中，G为转动物体的重量（N）；r和D为惯性半径和直径（m）；g为重力加速度，g=9.8（m/s2）；GD2为飞轮矩（Nm2）。,用转速n代替角速度W，即W=2pn/60，则旋转物体运动方程的实用公式为,（3-4）,（3-3）,Page 11,1）当TTL，dn/dt0，系统加速运行；2）当T=TL，dn/dt=0，系统匀速运行；3）当TTL，dn/dt0，系统减速运行。,1单轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,图3-2 单轴电力拖动系统,讨论,（3-4）,先确定转速n的正方向，习惯上设n顺时针为正，若电磁转矩T的方向与n方向相同时，T前取正号，相反则取负号；若负载转矩TL的方向与转速n的正方向相反时，TL前取正号，相同则取负号；惯性转矩 的大小及方向，由电磁转矩与负载转矩的代数和决定。,式（3-4）中转矩正方向的规定如下：,Page 12,2多轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,实际生产中，许多生产机械的转速往往与电动机的转速不同，电动机与生产机械之间要加变速机构，形成了多轴系统，如图3-3所示。,图3-3 多轴电力拖动系统,工程上，往往用单轴系统去等效代替实际的多轴系统，等效的单轴系统其负载转矩和飞轮矩是实际负载转矩和各传动轴的飞轮矩折算到电动机轴上的折算值，折算的原则：折算前后系统传递的功率不变、系统的动能不变。,Page 13,I,若,T,P=T=常数,T CTI,导线截面大,铁磁材料多,若,T,节省材料,2多轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,工程上为了节省材料，电动机转速都较高，因为：,生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力拖动系统多为多轴拖动系统。,P=T=常数,Page 14,Page 15,2多轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,分析多轴系统采用的方法：用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算”。折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机，且电动机轴一般是高速，根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。,2多轴电力拖动系统,运动方程式,3.1电力拖动系统基础,Page 16,Page 17,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,负载转矩特性是指：生产机械的负载转矩TL与转速n之间的关系，即n=(TL)，简称负载特性。,恒转矩负载（反抗性负载、位能性负载），恒功率负载，风机、泵类负载,Page 18,1恒转矩负载特性,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,恒转矩负载特性特点：负载转矩TL为常数，与转速n的大小无关。根据负载转矩与运动方向的关系，恒转矩负载特性又可分为反抗性恒转矩负载特性和位能性恒转矩负载特性。,（1）反抗性恒转矩负载特性,反抗性恒转矩负载特性特点：负载转矩TL的方向总是与转速n的方向相反，TL的作用方向总是阻碍系统运动的方向，如图3-4所示，特性在第、象限。属于此类负载的生产机械有：轧机、机床刀架平移机构等。,图3-4 反抗性恒转矩负载特性,Page 19,1恒转矩负载特性,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,（2）位能性恒转矩负载特性,位能性恒转矩负载特性特点：负载转矩TL的大小不变，方向固定，不随转速的变化而变化，如图3-5所示，特性在第、象限。属于此类负载的生产机械有：电梯、起重机等。,图3-5 位能性恒转矩负载特性图,1恒转矩负载特性,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,当转速n=0时，外加转矩不足以使系统运动。根据作用力与反作用力原理，这时反抗力负载转矩大小和方向取决于外加转矩的大小和方向。即与外加转矩大小相等，方向相反。负载转矩特性应与横轴重合。,Page 20,Page 21,2风机、泵类负载转矩特性,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,风机、泵类负载转矩特性的特点：负载转矩TL与转速平方成正比，即TLn2，特性如图3-6所示。属于此类负载的生产机械有：各种泵类、通风机、鼓风机等。,图3-6 风机、泵类负载转矩特性,3恒功率负载转矩特性,恒功率负载转矩特性的特点：负载功率PL不随转速n而变化，负载转矩TL与转速n成反比关系，即有PL=常数、TL1/n，特性如图3-7所示。属于此类负载的生产机械有：金属切削类机床等。,图3-7 恒功率负载转矩特性,生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,需指出，实际负载可能是上述单一类型，也可能是几种典型负载转矩特性的综合，应视情况具体分析。,Page 22,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,当 T=TL，n=f(T)与 n=f(TL)有交点称静态平衡，这是稳定运行的必要条件，即T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。,在电力拖动中，为使问题简化忽略T0，即T00，T T2=TL,Page 23,答：1）要看系统出现干扰后在新条件下能否平衡。2）干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果能满足以上两条件，即为稳定运行。,问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,Page 24,图3-8 电力拖动系统稳定平衡状态,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,系统原工作在平衡点A，这时电网电压向下波动，从 UN 降到U，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。,负载转矩TL 没变，则 UNIaTTTL，破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系统沿BA特性减速，使得nEaIaT到A点,TA=TL达到新的平衡状态。,Page 25,图3-8 电力拖动系统稳定平衡状态,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,扰动消失后，电压从 U回升到 U，(U=UN)IaTTTL 从A点过渡到C点，TL 没变，TTL系统加速。,说明：当UUN，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡(A点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点(A点)，所以能稳定运行。,nEaIaT 系统沿CA特性加速到A点，n=nN时，T=TL，达到原来平衡点A。,Page 26,Page 27,图3-9 电力拖动系统不稳定平衡状态,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,系统原工作在平衡点A，这时电网电压向下波动，从 UN 降到U，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。,负载转矩TL 没变，则 T=T BTL，破坏了原来的平衡状态。这时系统要加速，系统沿U曲线加速，电磁转矩越来越大，达到新的平衡状态A。,Page 28,图3-9 电力拖动系统不稳定平衡状态,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,扰动消失后，电压从 U回升到 U，机械特性从C点过度到D点，过渡到C点，TL 没变，TTL，系统沿着UN曲线加速。回不到原来平衡点A。,对于恒转矩负载，如果电动机的机械特性呈下垂曲线，系统是稳定的；反之，则不稳定。对于非恒转矩负载，如果电动机机械特性的硬度小于负载特性的硬度，该系统就能稳定运行。,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,Page 29,平衡稳定运行的充要条件为：1）电动机机械特性与负载特性必须相交，即交点处T=TL；2）在交点处有,电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,2系统稳定运行的条件,Page 30,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=(T)或s=(T)。,三相异步电动机的机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。,Page 31,电磁转矩为：,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,因此，异步电动机的物理表达式为,（3-5）,Page 32,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,为异步机的转矩系数；,为转子电流折算值；,为转子功率因数。,Page 33,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通m以及转子电流有功分量I2cosj2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。,Page 34,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图2-32 异步电动机的简化等效电路,由第2章图2-32异步电动机简化等效电路可得转子电流折算值为,则电磁转矩参数表达式可写成,（3-6）,可见，异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U12成正比，即TU12，若电源电压波动过大，会对转矩造成很大影响。,Page 35,在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示，如图3-10所示，下面对机械特性上的几个特殊点进行分析。,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,转差率与工作状态表,Page 36,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,1）最大转矩Tm。最大转矩Tm是T=(s)的极值点，为求极值，可对式（3-6）求导，并令，求得最大转矩对应的临界转差率为,将sm值代入式（3-6）得最大转矩为,上两式中“+”为电动状态（特性在第象限）；“”为制动状态（特性在第象限）。,（3-7）,（3-8）,Page 37,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,通常情况下存在r12(x1+x2)2，可忽略r1，则有,1）最大转矩Tm。,（3-9）,Page 38,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,最大转矩又称临界转矩，如果运行中的电动机突加负载，负载转矩超过临界转矩，将迫使电动机堵转，时间一长，电动机会烧毁，因为电动机堵转相当于电动机起动瞬间，堵转电流约为（47）倍的额定电流。,1）最大转矩Tm。,一般异步电动机过载倍数lm=1.52.2。,Page 39,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（2）参数表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,2）起动转矩Tst。当异步电动机起动瞬间，n=0或s=1，电动机相当于堵转，该时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有,异步电动机的起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有,一般普通异步电动机的起动转矩倍数为0.81.2。,（3-11）,Page 40,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（3）实用表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,异步电动机的参数铭牌上不标注，产品目录中也查不到，参数必须通过试验测取，所以参数表达式在应用上受到一定的限制。实际应用中，可根据产品目录中所给的数据利用实用表达式大致求出机械特性。,Page 41,只要求出Tm和sm就可求出任一转差率s下的转矩T，并画出其机械特性曲线,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（3）实用表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,认为r1r2，一般异步电动机的sm0.10.2，在任何s值时都有：(s-sm)20，2sm2，(s/sm+sm/s)2，可以忽略2sm，简化得：,（3-15）,Page 42,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（3）实用表达式,图3-10 三相异步电动机的机械特性,临界转差率为,式中，TL为负载转矩，当拖动额定负载时，TL=TN，则临界转差率为,额定转矩可由铭牌数据近似得出,可见，只要从产品目录查得该异步电动机的PN、nN、lm数据，应用实用表达式就可方便得出机械特性表达式。,（3-16）,（3-17）,（3-18）,Page 43,图3-10 三相异步电动机的机械特性,上节课内容,电力拖动系统基础,电力拖动系统由电动机、传动机构、电源、控制设备和生产机械这几部分组成,1）当TTL，dn/dt0，系统加速运行；2）当T=TL，dn/dt=0，系统匀速运行；3）当TTL，dn/dt0，系统减速运行。,旋转运动公式：,电力拖动系统稳定运行的条件,负载特性：,恒转矩（反抗性、位能性）负载、恒功率负载、风机泵类负载,1）电动机机械特性与负载特性必须相交，即交点处T=TL；2）在交点处有,异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=(T)或s=(T)。,物理表达式：,参数表达式：,实用表达式：,上节课内容,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2固有机械特性,异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性，即n=(T)或T=(s)曲线，如图3-11所示。,图3-11三相异步电动机的固有机械特性,对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。,正转特性,反转特性,Page 46,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2固有机械特性,同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=1，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。,图3-11三相异步电动机的固有机械特性,在额定运行点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。,Page 47,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2固有机械特性,在临界点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。图3-11所示中，Tm是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1，有T m=Tm。,在起动点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。,Page 48,【例题3-1】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,一台三相异步电动机的主要技术数据：PN=7.5kW，U1N=380V，I1N=14.9A，nN=1450r/min，lm=2，试用实用表达式求该电动机固有机械特性方程。,解：同步转速为：,额定转差率为：,临界转矩为：,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,n1=1500r/min,Page 49,【例题3-1】,临界转差率为：,固有机械特性方程为：,注意：固有机械特性方程中只有T和s未知，只要给出一系列s值，就可求出相应的T值，逐点描绘即可绘出固有机械特性曲线。,异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 50,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。,由参数表达式（3-6）可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2和电抗x2，都可得到不同的人为机械特性。下面讨论三种情况的人为机械特性。,（3-6）,Page 51,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,在参数表达式（3-6）中，保持其他参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。,1降低定子电压的人为机械特性,由于异步电动机的磁路在额定电压下已接近饱和，又考虑到绕组绝缘，故电压不宜升高，下面只讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性。,（3-6）,Page 52,TmU12；,TstU12；,sm与电压无关；,n1与电压无关；,改 变 电 压 U1,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1降低定子电压的人为机械特性,Page 53,恒转矩负载特性,风机类负载特性,图3-12降低定子电压的人为机械特性TL1恒转矩负载特性、TL2风机类负载特性,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1降低定子电压的人为机械特性,TmU12；TstU12；n1=60f/p和sm与电压无关。,Page 54,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1降低定子电压的人为机械特性,定子电压U1下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，如原先运行在A点，电网电压由于某种原因降低，使负载运行至B点，电动机的转速n下降，转差率s增大，转子阻抗角j2=arctg(sx2/r2)增大，则转子功率因数下降。,结论：拖动恒转矩负载调速效果 不明显，但拖动风机类负 载，调速效果明显。,Page 55,Tm变小；,Tst变小；,sm变小；,n1不变；,定子串电阻r1,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2定子回路串入对称电阻或电抗的人为机械特性,Page 56,a）接线图 b）特性图3-13定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2定子回路串入对称电阻或电抗的人为机械特性,当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变化。,Page 57,Tm变小；,Tst变小；,sm变小；,n1不变；,定子串电抗x1,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2定子回路串入对称电阻或电抗的人为机械特性,Page 58,a）接线图 b）特性图3-14 定子回路串入对称电抗的接线图和人为机械特性,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,2定子回路串入对称电阻或电抗的人为机械特性,两种接线可实际应用于笼型异步电动机的起动，以限制起动电流。,定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm和起动转矩Tst也都变化。,Page 59,Tm不变；,Tst变大；,sm变大；,n1不变；,转子串电阻r2,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,3转子回路串入对称三相电阻的人为机械特性,Page 60,a）接线图 b）特性图3-15转子串入三相对称电阻的接线图和人为特性,异步电动机的人为机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,3转子回路串入对称三相电阻的人为机械特性,当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转矩Tm不变，临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tm。,当转子电阻r2再增大，起动转矩Tst反而减小。,转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线型式异步电动机的起动和调速。,Page 61,Page 62,上节课内容,异步电动机的人为机械特性,从前面分析三相异步电动机固有机械特性而知道，如果 在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动电流大，而起 动转矩并不大，这时的功率因数低。,电动机转速从静止状态加速到稳定转速的过程，称为起动。如果转子回路直接短接，定子回路接额定电压和额定频率的电源，使电动机起动，该起动方法称为直接起动。,异步电动机起动应考虑：限制起动电流；足够的起动转矩，满足Tst1.1TL条件；起动的经济性，包括设备简单、操作方便和低起动损耗。,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 63,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,一般普通鼠笼式异步电动机起动时，有：,需要研究异步电动机的起动特性和各种起动方法。,Page 64,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（1）直接起动,将定子三相绕组直接接三相电源上起动，称直接起动。,一般7.5kW以下的小容量鼠笼异步电动机都可以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动容量还可相应增大，一般按经验公式核定：,式中kI为起动电流倍数；Ist为电动机的起动电流（A）；IN为电动机的额定电流（A）；SN为电源变压器总容量；PN为电动机的额定功率。,（3-20）,Page 65,合QS,按SB2,KM1合,KM1得电,M得电,正转起动：,反转起动：,合QS,按SB3,KM2合,KM2得电,M得电,停车：,若KM1合,按SB1,KM1断,KM1失电,M失电,直接起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 66,三相笼型异步电动机定子回路串电阻减压起动接线如图3-18所示，起动时使定子回路串入起动电阻Rst，经时间继电器延时，起动后，将起动电阻从定子回路中切除，使电动机全压运行。,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（2）定子回路串电阻或电抗减压起动,图3-18三相鼠笼异步电动机定子串电阻降压起动接线,Page 67,如果将图3-18中的起动电阻换成电抗，便是定子串电抗减压起动接线图。,合QF,按SB2,KM1合,M起动KT得电,KA合,KM2合KM1断,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 68,定子串电阻降压起动,KM1得电,切除Rst,时间到,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（2）定子回路串电阻或电抗减压起动,设起动电流需降低的倍数为，降压起动电流为Ist，则有,式中Ist为直接起动时的起动电流（A）。因为 UN/U1=Ist1/Ist1=，TstU12，所以降压起动转矩为,式中，UN为直接起动电压；Tst为直接起动时的起动转矩。,（3-21）,（3-22）,Page 69,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（2）定子回路串电阻或电抗减压起动,a）全压起动 b）定子串电阻起动 c）定子串电抗起动图3-19 定子串电阻或电抗器起动时的等效电路,从上图的等效电路可见，定子串电阻或电抗起动，电压从U1N降至U1，即加到定子绕组上电压在起动时为U1，这样就减小了起动电流。由于T U2，则Tst=Tst/a2，说明转矩降低了a2倍。只要使Tst（1.11.2）TL，即满足要求。,Page 70,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（2）定子回路串电阻或电抗减压起动,由 I1st=I1st/a，Tst=Tst/a2可见，定子回路串电阻或电抗的降压起动方法虽然能降低起动电流，但起动转矩显著减小，只适用于空载或轻载起动。,定子回路串电阻降压起动时，电阻上要消耗电能，但该起动方法设备相对简单，适用于小容量的电动机；而定子回路串电抗器降压起动不消耗电能，但电抗器设备费较高，适用于较大容量的电动机的起动。,降压起动除了限制起动电流，有时以减小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳加速。,Page 71,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（2）定子回路串电阻或电抗减压起动,由图3-19等效电路可推出,式中短路阻抗可根据铭牌数据计算，即,设直接起动的功率因数为cosj1st0.25，则有,（3-24）,（3-25）,（3-26）,Page 72,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（3）定子回路串入自耦变压器减压起动,图3-20 定子串自耦变压器减压起动接线,定子串电阻或电抗的降压起动虽然在起动时限制了起动电流，但起动转矩减小过多，只用于空载或轻载。如果负载较重时，应采用自耦变压器降压起动如图3-20所示。,Page 73,合QF,按SB2,KM1合,M起动KT得电,KA合KM2合KM1断,TA切除,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 74,串入自耦变压器减压起动,KM1得电,时间到,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（3）定子回路串入自耦变压器减压起动,图3-21自耦变压器减压起动时一相电路,设自耦变压器的电压比为k(k1)，根据图3-21所示自耦变压器减压起动时一相电路可得,式中，N1、N2分别为自耦变压器一、二次绕组的匝数；U2、I2分别为加在定子绕组上的降低了的电压和流入定子绕组的电流；UN、Ist分别为电网电压和电网提供的电流。设直接起动时的起动电流为Ist，而起动电流与起动时所加的电压成正比，则,Page 75,（3-27）,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（3）定子回路串入自耦变压器减压起动,图3-21自耦变压器减压起动时一相电路,式（3-29）和式（3-30）说明采用自耦变压器起动时，起动电流和起动转矩降低的倍数相同。,（3-29）,（3-30）,采用自耦变压器减压起动与直接起动方法相比电压降低至原来的1/k倍，起动电流和起动转矩降低1/k2倍；与定子串电阻或电抗起动方法相比，在限制电流效果相同的条件下，可得到较大的起动转矩，从而可带较大的负载起动。,Page 76,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（3）定子回路串入自耦变压器减压起动,图3-21自耦变压器减压起动时一相电路,起动用的自耦变压器二次绕组一般有三个抽头可供选择，例如抽头分别为电源电压的40%、60%、80%，如果选用80%一档的抽头，则k=N1/N2=1/80%=1/0.8=1.25。,（3-29）,（3-30）,采用自耦变压器减压起动方法适用于较大容量的笼型异步电动机，但自耦变压器体积较大，价格高，且不能重载起动。,Page 77,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（4）星-三角减压起动(Y-起动),星-三角减压起动的方法适于正常运行时定子绕组联结的三相笼型异步电动机的减压起动，如图3-22所示为Y-减压起动接线。,图3-22 Y-减压起动接线,起动时定子绕组改接成Y联结，使加在定子绕组每相电压为U1N/3，电动机起动后，再改接成联结。,Page 78,合QS,按SB2,KM1合,KM1得电,KM2得电，M起动,KT得电,时间到,KM3合KM2断,定子接,Y-起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 79,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（4）星-三角减压起动(Y-起动),图3-23所示是电动机Y-联结减压起动的电流示意图，由图示可得,a）直接起动 b）Y-减压起动图3-23 Y-减压起动的电流示意图,又由于异步电动机转矩与电压成平方倍关系，所以有,式中，Tst为直接起动时的起动转矩；Tst为Y-减压起动时的起动转矩。,Page 80,（3-31）,（3-32）,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,1普通笼型异步电动机的起动,（4）星-三角减压起动(Y-起动),可见，Y-减压起动时起动电流及起动转矩降低同样的倍数，均为1/3，所以也只适用于轻载起动的场合。该起动方法设备简单，价格便宜。,a）直接起动 b）Y-减压起动图3-23 Y-减压起动的电流示意图,条件：只适用于空载或轻载起动。只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。限于在500V以下的低压电机（因高压电机定子出6个端头有困难）。,（3-32）,（3-31）,Page 81,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,三相绕线转子异步电动机转子三相对称绕组一般都接成Y联结，三引线通过三个集电环和电刷引出，正常运行时转子三相绕组通过集电环短接。转子回路中串入对称电阻可改善起动性能。,转子串三相对称电阻起动，起动过程中逐级切除外串电阻。,Page 82,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,图3-24 时间继电器控制绕线转子异 步电动机起动接线图和起动特性,a）接线图,b）起动特性,Page 83,按SB2,KM得电KT1得电M起动,KT1时间到,KM1得电Rst1切除KT2得电,起动过程结束,KT2时间到,KM2得电Rst2切除KT3得电,KT3时间到,KM3得电Rst3切除加速至I,转子串电阻起动过程,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 84,起动的快速性和平稳性与起动级数m、转矩Tst1及Tst2有关。,M起动瞬间串入电阻R3运行于A点,B点切除Rst1瞬间运行于C点,由A点向B点运行,稳定运行于I点，起动完毕,D点切除Rst2瞬间运行于E点,由C点向D点运行,F点切除Rst3瞬间运行于G点,由E点向F点运行,由G点向I点运行,特性图,3.2三相异步电动机的电力拖动,Page 85,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,起动阻值可通过计算求得。为了使计算方便，可将异步电动机机械特性曲线线性化，即可认为s/smsm/s，忽略s/sm项，实用表达式可近似为,（3-33）,将异步电动机非线性的工作段近似为一条直线。,注意：T=Tm时，实际特性曲线s=sm，线性化后的曲线在T=Tm时，s=sm/2，有误差，但不大，在工作范围内，基本上与实际特性相重合。,Page 86,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,特性线性化后可得：在同一条机械特性上，当Tm和sm为常数，根据式（3-33）有Ts；转子回路串电阻后，对于不同电阻值，其Tm=常数，当s=常数时，根据式实用公式有：T1/sm1/（r2+R）。,（3-35）,根据上述两个比例关系，如图3-24b，在不同的串电阻机械特性上当s=常数，T1/（r2+R），得到以下关系：,Page 87,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,各级起动电阻值为,（3-36）,式中，每相转子电阻r2可根据铭牌数据近似求得，一般转子绕组为Y联结，转子阻抗为,各段起动电阻值为,（3-37）,式中，因sN很小，r2sNx2，可忽略sNx2。,Page 88,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,对于三级起动，R3为起动时的转子最大电阻，虽然起动瞬间s=1，仍可忽略电抗，有,（3-39）,式中，I2st为起动转矩为Tst1时的转子相电流。,根据式（3-36），起动转矩比也可表示为,（3-40）,Page 89,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,设起动级数为m，则一般表达式为,（3-41）,当级数未知，可用下式求级数，即,（3-42）,Page 90,当已知起动级数m时：,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,归纳计算起动电阻的步骤如下：,第一步，预选起动转矩Tst1，一般取Tst10.85Tm=0.85lmTN，用式（3-40）计算出起动转矩比l；,第二步，校验切换转矩Tst2=Tst1/l1.1TL，若不满足则需修改Tst1，直至满足要求为止；,第三步，根据铭牌数据和式（3-38）计算转子电阻r2，再用r2和l值计算各级起动电阻值和各段起动电阻值。,Page 91,当起动级数m未知时：,三相异步电动机的起动,3.2三相异步电动机的电力拖动,2绕线转子异步电动机的起动,（1）转子回路串入三相对称电阻起动,归纳计算起动电阻的步骤如下：,第一步，预选起动转矩Tst1和Tst2，使Tst10.85Tm=0.85 lmTN，Tst2=（1.11.2）TL，求l；,第二步，用式（3-42）求起动级数m，取整后修正l，再校验是否满足Tst21.1TL，不满足要修正，直至满足为止；,第三步，计算r2，用r2和l值计算各级起动电阻值和各段起动电阻值。,Page 92,【例题3-2】,某三相绕线转子异步电动机额定数据如下：额定功率PN=30kW，额定转速nN=1475r/min，最大转矩Tm=2.8TN，转子绕组额定电压E2N=360V，转