第9章异步电动机的电力拖动9.1基本要求1.掌握三相异步电动机的机械特性，掌握实用转矩计算公式。2.掌握三相异步电动机的起动指标、主要起动方法和起动计算。3.掌握三相异步电动机的调速方法。4.了解三相异步电动机的制动原理和制动方法。5.了解三相异步电动机的各种运行状态。9.2学习指导1.三相异步电动机的机械特性在电源电压U,电源频率f及电机参数一定的条件下，电机转速n（或转差率s）与电磁转矩T，之间的关系就是三相异步电动机的机械特性。如果电源电压U，和电源频率均为额定值不变，且定、转子回路中不串人任何电路元件，这时的机械特性就是三相异步电动机的固有机械特性，否则就是人为机械特性。当其他参数保持额定值不变，仅降低定子端电压U，时，异步电动机的人为机械特性有如下特点：1）不同U，时的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。2）最大转矩T.以及堵转转矩T.都随U，的降低而按平方规律减小。3）不论U，降为多少，最大转矩对应的转差率（临界转差率）s都保持不变。绕线转子三相异步电动机的转子回路串入电阻R，后的人为机械特性特点如下：1）转子串接不同电阻的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。2）随着转子回路所串电阻R，增大，临界转差率s.增大，但最大转矩T保持不变。3）转子回路所串电阻R，增大，起动转矩T.也增大。在电机的定子回路接人对称的电阻R，或电抗X，后，人为机械特性的特点为：1）串接不同电阻R，或电抗X，时的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。2）最大转矩T.和起动转矩T.都随着外串电阻或电抗的增大而减小。3）临界转差率s，随着外串电阻或电抗的增大而减小。2.三相异步电动机机械特性实用公式在工程实践中，经常使用机械特性的实用公式2TmT. =Sm+sssm以便利用产品目录中给出的过载能力k、额定转速n和额定功率P来求取电磁转矩与转
第 9章 异 步 电动机 的电力拖 动 9.1 基 本要求 1.掌 握三相异步电动机的机械特性 ,掌 握实用转矩计算公式 。 2.掌 握三相异步电动机的起动指标 、主要起动方法和起动计算 。 3,掌 握三相异步电动机的调速方法 。 4.了 解三相异步电动机的制动原理和制动方法 。 5.了 解三相异步 电动机的各种运行状态。 9.2 学 习指导 1.三 相异步电动机的机械特性 ` 在 电源电压 σ〗、电源频率￡ 及 电机参数一定 的条件下 ,电 机转速 n(或 转差率 s)与 电 · 磁 转矩 rc之 间的关系就是三相异步电动机 的机械特性 。 如果 电源电压 σ1和 电源频率￡ 均为额定值不变 ,且 定 、转子 回路 中不 串人任何 电路元 、 件 ,这 时的机械特性就是三相异步 电动机的固有机械特性 ,否 则就是人为机械特性 。 当其他参数保持额定值不变 ,仅 降低定子端 电压 σl时 ,异 步 电动机 的人为机械特性有 ∷ 如 下特点 : ′ 1)不 同 〃l时 的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点 。 2)最 大转矩 rm以 及堵转转矩 r敲都随 σ,的 降低而按平方规律减小 。 3)不 论 σl降 为多少 ,最 大转矩对应 的转差率 (临 界转差率 )sm都 保持不变 。 绕线转子三相异步电动机的转子 回路 串入电阻 Rs后 的人为机械特性特点如下 : 1)转 子 串接不 同电阻的人为机械特性都通过固有特性 的同步转速点。 2)随 着转子 回路所 串电阻 Rs增 大 ,临 界转差率 sm增 大 ,但 最大转矩 rm保 持不变。 3)转 子 回路所 串电阻 Rs增 大 ,起 动转矩 r针也增大 。 在 电机 的定子 回路接人对称的电阻 Rf或 电抗 Xf后 ,人 为机械特性 的特点为 : 1)串 接不 同电阻 Rf或 电抗 Xf时 的人为机械特性都通过 固有特性 的同步转速点 。 2)最 大转矩 rm和 起动转矩 r敲都随着外 串电阻或 电抗 的增大而减小 。 3)临 界转差率 sm随 着外 串电阻或电抗 的增大而减小 。 2.三 相异步 电动机机械特性实用公式 在工程实践 中,经 常使用机械特性的实用公式 r 2Γ m sm s ~+~ s sm 以便利用产品 目录中给出的过载能力 乃m、 额定转速 刀N和 额定功率 PN来 求取 电磁转矩与转
第9章异步电动机的电力拖动119差率的近似关系式。根据额定转差率和过载倍数，可以求得电动机的临界转差率，为sm=s(ka+/k-1)从而可求得不同电磁转矩下电机的转差率S=s[+-13.三相异步电动机的起动对三相异步电动机的起动性能的要求是：起动电流较小，而起动转矩较大。对笼型异步电动机，一般功率在7.5kW以下者可以直接起动，如果功率大于7.5kW，而电源容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动[3+电源总究量（]=[3+电动机功率（kW））如果不能满足上式要求，则必须采用减压起动方法，把起动电流限制到允许的数值。但减压起动时，起动转矩随电压的平方而减小，因此必须选择合适的起动方法以满足不同拖动系统的要求。常用的减压起动方法有：自耦变压器减压起动、星-三角起动和延边三角形起动。随着电力电子技术的发展，电子式软起动器正逐步取代传统的减压起动设备绕线转子三相异步电动机可以采用转子回路串电阻起动法，在转子回路中串人起动电阻，既可以减小起动电流，又可以增大起动转矩，而且当所串电阻合适时，还可以使电动机以最大转矩起动。从异步电动机起动性能和运行性能的分析可知，起动时为了减小起动电流和增大起动转矩，总希望转子电阻大一些：运行时，为了减小转子铜耗以提高电机效率，又希望转子电阻小一些。对于绕线转子异步电动机，可通过在转子回路串入或切除电阻，来满足上述要求；对于笼型异步电动机，则可通过改变转子槽形结构，利用“集肤效应”来达到上述要求，如深槽转子异步电动机和双笼型异步电动机就是利用集肤效应来限制起动电流、增大起动转矩的。4.三相异步电动机的调速从异步电动机的转速公式_ 60fi(1 - s)n=n,(1-s)=p可见，异步电动机有3种调速方法：①变极调速：有级调速，且调速等级有限；②变频调速：调速范围宽，调速平滑性好，可实现无级调速，一般在基频以下为恒转矩调速，基频以上为恒功率调速；③变转差率调速。前两种方法是通过改变电动机的同步转速来调速的，后一种方法是保持同步转速恒定通过改变电动机的转差率来实现调速。改变转差率调速又分为下列几种方法：①调压调速：适合于风机类负载的调速；②转子串电阻调速：绕线转子异步电动机在转子回路串接外加电阻调速；③串级调速：绕线转子异步电动机通过在转子回路引人转差频率的外加电动势调速。异步电动机调速性能可从调速范围、平滑性、稳定性、调速前后电机的效率、功率因数和过载能力等性能指标及调速系统的投资成本和可靠性来衡量。5.三相异步电动机的制动与不同运行状态
第 9章 异 步电动机 的电力拖动 差率的近似关系式 ⊙ 根据额定转差率和过载倍数 ,可 以求得 电动机的临界转差率 ,为 ‰ =`(lm+√ 佑孓 -1) 从而可求得不同电磁转矩下电机的转差率 3.三 相异步电动机的起动 对三相异步电动机 的起动性能的要求是 :起 动电流较小 ,而 起动转矩较大。对笼型异步 电动机 ,一 般功率在 7.5kW以 下者可以直接起动 ,如 果功率大于 7,5kW,而 电源容量较大 , 能符合下式要求者 ,电 动机也可允许直接起动 ′ · =午 ≤ 刳 3+ l 如果不能满足上式要求 ,则 必须采用减压起动方法 ,把 起动电流限制到允许 的数值 。但 减压起动时 ,起 动转矩随电压 的平方而减小 ,因 此必须选择合适 的起动方法 以满足不 同拖动 系统 的要求 。常用 的减压起动方法有 :自 耦变压器减压起动 、星 -三 角起动和延边三角形起 动 。随着 电力电子技术 的发展 ,电 子式软起动器正逐步取代传统的减压起动设备 。 绕线转子三相异步电动机可 以采用转子 回路 串电阻起动法 ,在 转子 回路 中串人起 动 电 阻 ,既 可以减小起动电流 ,又 可以增大起动转矩 ,而 且 当所 串电阻合适时 ,还 可以使 电动机 以最大转矩起动。 从异步电动机起动性能和运行性能的分析可知 ,起 动时为了减小起动电流和增大起动转 矩 ,总 希望转子 电阻大一些 ;运 行时 ,为 了减小转子铜耗以提高 电机效率 ,又 希望转子 电阻 小一些 。对于绕线转子异步电动机 ,可 通过在转子 回路 串人或切除电阻 ,来 满足上述要求 ; 对于笼型异步 电动机 ,则 可通过改变转 子槽形结构 ,利 用 “集肤效应 ”来达 到上述要求 , 如深槽转子异步电动机和双笼型异步电动机就是利用集肤效应来 限制起动电流 、增大起动转 矩 的。 4.三 相异步电动机的调速 从异步电动机的转速公式 屁 〓 △ (1-s)=坠 (1~s) p 可见 ,异 步电动机有 3种 调速方法 :① 变极调速 :有 级调速 ,且 调速等级有 限 ;② 变频调 速 :调 速范围宽 ,调 速平滑性好 ,可 实现无级调速 ,一 般在基频 以下为恒转矩调速 ,基 频 以 上为恒功率调速 ;③ 变转差率调速 。 前两种方法是通过改变电动机 的同步转速来调速的 ,后 一种方法是保持同步转速恒定通 过改变电动机的转差率来实现调速 。改变转差率调速又分为下列几种方法 :① 调压调速 :适 合于风机类负载的调速 ;② 转子 串电阻调速 :绕 线转子异步电动机在转子 回路 串接外加 电阻 调速 ;③ 串级调速 :绕 线转子异步电动机通过在转子 回路引人转差频率 的外加电动势调速 。 异步电动机调速性能可从调速范围、平滑性 、稳定性 、调速前后 电机的效率 、功率 因数 和过载能力等性能指标及调速系统的投资成本和可靠性来衡量 。 5.三 相异步电动机的制动与不 同运行状态 119 %Fe 〓
120电机与拖动MATLAB仿真与学习指导异步电动机有4种电气制动方法：回馈制动、反接制动、能耗制动以及软制动。拖动不同负载的三相异步电动机，如果改变其电源电压的大小、频率与相序或者改变其定子回路外串电抗或电阻的大小、或者改变其转子回路外串电阻的大小、或者改变其定子绕组的极数等，三相异步电动机就会运行在不同状态。9.3典型题分析【例9-1]】一台额定电压为380V、Y联结的三相异步电动机，在定子电压为58.5V时，测得堵转电流等于满载电流。为了将起动电流限制为满载电流的4倍，计算三相自耦变压器的电压比。解设电机的全压起动电流为I.，由于堵转电流与定子的电压成正比，因此1.380=6.51~=58.5设自耦变压器的电压比为k，，则采用自耦变压器减压起动的起动电流1与全压起动电流I.之间的关系为4Ih所以，自耦变压器的电压比为k,>1.274可选QJ2型自耦变压器，k，=1.37。【例9-2】】一台YR315S—4型异步电动机，转子绕组为联结，其额定数据为：P=90kW，U=380V（△联结），n、=1480/min，E2x=410V，12x=134A，km=3.0。电动机带额定负载运行，欲使转速降为n=750r/min。（1）若采用转子串接电阻调速，求每相应串入的电阻值：（2）若采用改变定子电压调速，求定子电压应是多少：（3）若采用变频调速，保持U,f，=常数，求频率与电压。解（1）额定转差率sx="-nx= 1500-1480=0.01331500n,转子每相电阻为=5、E2N0.0133×4100 = 0.02350R,:312N/3 ×134固有特性上的临界转差率为sm=s%（km+k-1)=0.0133×(3+/3-1)=0.0775（2）采用转子串电阻调速当n=750r/min时，转差率为s=n-n-1500-750=0.51500n,由于电机带恒转矩负载运行，则转差率s将随转子回路的总电阻值（R，+R）成正比例
9.3 典 型题分析 120∷ 电 机与拖动 MATLAB仿 真与学习指导 异步电动机有 4种 电气制动方法 :回 馈制动 、反接制动 、能耗制动 以及软制动 。 拖动不同负载的三相异步电动机 ,如 果改变其 电源电压 的大小 、频率与相序或者改变其 定子 回路外串电抗或 电阻的大小 、或者改变其转子 回路外 串电阻的大小 、或者改变其定子绕 组的极数等 ,三 相异步电动机就会运行在不 同状态。 【例 9-1】 一 台额 定 电压 为 380Ⅴ 、丫联结 的三相异 步 电动机 ,在 定子 电压 为 585Ⅴ 时 ,测 得堵转 电流等于满载电流 。为了将起动电流限制为满载 电流的 4倍 ,计 算三相 自耦变 压器的电压 比。 解 设 电机的全压起动电流为 弋,由 于堵转 电流与定子的电压成正 比,因 此 午 =爨 〓6·5 设 自耦变压器的电压 比为 屁a,则 采用 自耦变压器减压起动 的起动 电流 J⒉与全压起动 电 流 弋之间的关系为 笄 =素 午 =百 <4 所 以,自 耦变压器的电压 比为 讶a)1.274 可选 QJ2型 自耦变压器,乃a=1.37。 【例 9-2】 一 台 YR315S-4型 异步电动机 ,转 子绕组为丫联结 ,其 额定数据为 :PN〓 90kW,σ 、 =380Ⅴ (△ 联 结 ),刀 x=1480/min,E2N=410Ⅴ ,J2、 〓 134A,拓 m=3.0。 电 动 机 带 额定负载运行 ,欲 使转速降为 ″=750r/min。 (1)若 采用转子 串接 电阻调速 ,求 每相应 串人 的电阻值 ;(2)若 采用改变定子 电压调速 ,求 定子 电压应是多少 ; (3)若 采用变频调速 , 保持 〃1税 =常 数 ,求 频率与电压 。 解 (1)额 定转差率 环 =三 |于 工⊥ =⊥ 匹 号吉忝半 望旦 =⒍ OI“ 转子每相 电阻为 凡 〓 岢 =H旨 社 Ω =⒐ ∞ ˉs Ω (134 固有特性上的临界转差率为 ‰ =‰ (烁 +√ 伤廴 -1)=⒍ 01“ × (3+√ ′ 32-1)=⒍ OT乃 (2)采 用转子串电阻调速 当 屁 =750〃 min时 ,转 差 率 为 s=∵ =猡 甬 =⒍ 5 由于电机带恒转矩负载运行 ,则 转差率 s将 随转子 回路 的总电阻值 (R2+Rs)成 正 比例
121第9章异步电动机的电力拖动RR, +R.变化，即=常数。故转子每相应串电阻为s"SN0.51)×0.02352=0.860R, =1R, =(0.0133（3）由于s>3m，故不能采用调压调速。（4）变频调速在额定负载转矩下固有特性上的转速降为An=sn,=(0.0133×1500)r/min=20r/min由于恒压频比变频调速时，人为机械特性的斜率不变，即转速降落值不变，所以变频后的同步转速为n=n+An=（750+20)r/min=770r/min所以pn'(2 × 770)Hz = 25. 67Hzf=6060fLUN725.67Ur=×380)V = 195.1V50fN【例9-3】某起重机由一台绕线转子三相异步电动机拖动，电动机的额定数据如下：P=132kW，U=380V（△联结），n=1490r/min，E2=517V，[2=155A，k=3.0。电动机轴上的负载转矩T，=0.8Tr。（1）如果电动机以500r/min的速度下放重物，求转子每相串人的电阻值，此时转子电阻消耗的功率与电磁功率和重物下放的机械功率之间有什么关系？（2）如果转子每相串人0.5Q的电阻，电动机的转速是多大，运行在什么状态？（3）如果以回馈制动下放重物，最低转速是多少？解电动机的额定转差率为1500-1490ni-nx=0.0067SN=1500n,固有特性上的临界转差率为$=s~（hkm+k-1)=0.0067×(3+3-1)=0.0391转子每相电阻为wEx _ 0. 0067 ×5170 = 0. 01290R=312N/3×155（1）当电动机运行在电动状态，其轴上的负载转矩T.=0.8T、时，T，=0.8T，转差率为T.Tm = 0. 0391 × (3=0.0053s=s.(0.8T10.8108(0.8T转速为n= n,(1-s)=1500×(1-0.0053)r/min=1492r/min忽略机械损耗，则机械功率为P. = T.O = 0.87.O号×1492kW= 105.7kWn2=0.8P=0.8×132×21490m
第 9章 异 步电动机 的电力拖动 变化 ,即 导 =罕 〓常数 。故转子每相应 串电阻为 Rs=(寺 -1)R2=(5七 汝 -1)× 0· 0235Ω =0.86Ω (3)由 于 s>sm,故 不能采用调压调速 。 (4)变 频调速 在额定负载转矩下 固有特性上的转速降为 Δ 屁 =sn1 = (0.0133× 1500)r/min=20r/min 由于恒压频 比变频调速时 ,人 为机械特性 的斜率不变 ,即 转速降落值不变 ,所 以变频后 的同步转速为 n', = n * An = (750 + 2})r/min = 7'70r/min 所 以 2-1+;12)Hz = 25· 67Hz 竿 d呻 =”⒌Ⅳ 【例 9ˉ3】 某 起重机 由一台绕线转子三相异步电动机拖动 ,电 动机 的额定数据如下 : PN〓 132kW,I/N=380Ⅴ (△ 联 结 ),屁 N=1490r/min,E2N=517V,J2N=155A,讶 m=3· 0。 电 动机轴上的负载转矩 rL=o.8rN。 (1)如 果 电动机 以 500r/min的 速度下放重物 ,求 转子每 相 串人 的电阻值 ,此 时转子 电阻消耗 的功率与电磁功率和重物下放的机械功率之间有什么关 系?(2)如 果转子每相 串人 0.5Ω 的电阻 ,电 动机 的转速是多大 ,运 行在什么状态? (3) 如果 以回馈制动下放重物 ,最 低转速是多少? 解 电 动机的额定转差率为 吣 〓竺 ⒈于 望⊥ =⊥ 匹 号蓄⒍半 丝旦 =⒍ αx″ 固有特性上的临界转差率为 sm〓 sN(乃 m+γ //吆 -1)=0.0067× (3+√ /32J)=0.0391 转子每相 电阻为 121 ￡ 〓 箐 〓 〃 ∶ =∮ ÷ I/N= 凡〓:考号:丨 (1)当 电动机运行在 电动状态 , 饕 Ω =⒍ 01⒛ Ω 其 轴 上 的 负 载 转 矩 rL=o.8rN时 ,rc 为 〓 o.8rN,转 差 率 = 0.0053 转速为 屁〓屁1(1-s) =1500× (1-0.0053)r/min=1492r/min 忽略机械损耗 ,则 机械功率为 s sinl晶- 〓 ⒍ 0391× {螽 ~ Pm〓 rLΩ =o.8rNΩ N簧 =0· :PN毒 〓 ⒍ 8× 132× +诺 号 kW=吼 7kW
122电机与拖动MATLAB仿真与学习指导转子铜耗为0.0053s-P.Pcu2=x105.7kW=0.5632kW1-0.00531-S当电动机以500r/min的速度反接下放重物时，转差率为5=n+n'_1500+500=1.3331500n,电机带恒转矩负载运行，则转差率s将随转子回路的总电阻值（R，+R,）成正比例变化，R2- R, +R即=常数，转子每相应串电阻为sS-1)R = (1.333R.=-1/×0.0129Q=3.2320（0.0053于。+R=常数，转子侧的等效阻抗未变，根据等效电路可见，转子电流也未由于Ss变，因此，转子电阻消耗的功率与转子电阻成正比，为R, +RepPca0.0031.333Pcu2=Pcu2 =x0.5632kW=141.1kWR2SN电磁功率为Pca2141.1P:kWT=105.9kW1.333重物下放的机械功率为500LP"=×105.7kW=35.2kW1500可见，Pcu2=P+P，即电磁功率和重物下放的机械功率转化的电功率都消耗在转子电阻上。（2）当转子每相串人0.5Q的电阻时，电动机的转差率为R,+R=0.0129±0.5×0. 0053 =0.2107R20.0129电机的转速为n"=n(1-s")=1500×(1-0.2107)r/min=1183r/min所以电动机的工作点在第一象限，即电动机运行于电动状态（提升重物）。（3）由干电动机处于回馈制动状态：即发电状态：临界转差率为负值：其绝对值等于电动状态下的s.值，电机的机械特性实用公式同样适用。当电动机运行在固有机械特性上下放重物时，即转子回路不串联制动电阻时，转速最低，由于T，=T，其转差率为s"= s(km- k-1) =-0.0391 × (3 -/3-1) = - 0.0067电机的转速为n=（-n）)(1-s"）=-1500×（1+0.0067)r/min=-1510r/min式中，负号表示电动机运行于反向回馈制动状态。9.4思考题与习题解答9-1有人认为三相异步电动机在机械特性的0<n<（1-s.）n，段，都是不稳定的
122 电机与拖动 MATLAB仿 真与学 习指导 转子铜耗为 △ Ⅱ =丁 亡△ 气 〓 爿 ‰ × 10⒌ λ W=⒍ ˉsb~s9抑 当电动机 以 500r/min的 速度反接下放重物时 ,转 差率为 /=· +∥ 〓 瘳 =⒈ 瑚 P11 电机带恒转矩负载运行 ,则 转差率 s将 随转子 回路的总电阻值 (R2+Rb)成 正 比例变化 , 即 导 =罕 =常 数 ,转 子每相应串电阻为 Rb=(÷ -1)R2=(甘 摇 磊 -1)× 0· 0129Ω =3.232Ω . 由于 导 =梦 =常 数 ,转 子侧的等效阻抗未变 ,根 据等效 电路可见 ,转 子 电流也未 变 ,因 此 ,转 子 电阻消耗的功率与转子电阻成正 比,为 ‰ =空 LΠ 寺ˉ ≡⊥‰ =扣 蒜 咖 狄 W抑 脚 电磁功率为 重物下放的机械功率为 可 见 ,P:u2〓 P∶ +P;, 上 。 (2)当 转子每相 串人 0.5Ω 的电阻时 ,电 动机的转差率为 /=里 气寺÷ ⊥s=骅 ×⒍ ⑽ =⒍ 猢 电机 的转 速 为 乃 ″ = 屁 1(1 -s″ ) = 1500 × (1 -0.2107)r/min = 1183r/min 所以电动机 的工作点在第一象限 ,即 电动机运行于电动状态 (提 升重物 )。 (3)由 于电动机处于回馈制动状态 ,即 发 电状态 ,临 界转差率 s饣为负值 ,其 绝对值等 于电动状态下的 sm值 ,电 机的机械特性实用公式 同样适用 。当电动机运行在 固有机械特性 上下放重物时 ,即 转子 回路不 串联制动电阻时 ,转 速最低 ,由 于 re〓 rN,其 转差率为 s″ 〓 s饣 (伤 m - √ △廴 -1) =-0.0391 × (3 - √ 勹 2 -1) =-0.0067 电机的转速为 刀 ″ =(-刀 1)(1-s″ ) =-1500× (1+0.0067)r/min〓 -1510r/min 式 中,负 号表示 电动机运行于反向回馈制动状态 。 9.4 思 者题与习题解笞 ⒐1 有 人认为三相异步 电动机在机械特性 的 0(屁 <(1-sm)n1段 ,都 是不稳定 的 , 凡 〓 ;扌 哩 〓 :‰ kW〓 隘 9哪 %=争 m=f吴 志 × 1O⒌ 依 W=⒊ 9⒓ 抑 即电磁功率和重物下放 的机械功率转化 的电功率都消耗在转子 电阻