第七章 异步电动机的电力拖动

拖动系统处于减速状态 拖动系统处于减速状态 减速
几种典型的负载类型： 几种典型的负载类型：
(1) 恒转矩负载 负载转矩的大小与转速大小无关 根据负载转矩的方向是否与转向有关分为： 根据负载转矩的方向是否与转向有关分为： 位能性恒转矩负载和 位能性恒转矩负载和反抗性恒转矩负载
(2) 恒功率负载 1 起动电流也减小到原来的 K
1 起动转矩因与电源电压平方成正比 K2
串电阻器
设备简单、操作方便、价格便宜，但要在电阻上消耗大量电能， 设备简单、操作方便、价格便宜，但要在电阻上消耗大量电能， 故不能用于经常起动的场合， 故不能用于经常起动的场合，一般用于低压电机
电抗器：设备费用较高，故通常用于高压电动机。 电抗器：设备费用较高，故通常用于高压电动机。
降压后电网供给电动机的起动电流 降压后电动机定子绕组的起动电流 在额定电压下直接起动的电流
I sta ′ I sta
I st
由于起动转矩与电源电压的平方成正比
M sta
1 = 2 M st = K 2 M st ka
启动用自耦变压器有QJ 启动用自耦变压器有 2和QJ3两个系列 QJ2抽头比分别为 QJ3抽头比分别为
第三节 鼠笼式异步电动机的起动
一、直接起动
将额定电压通过开关直接加在电动机定子绕组上， 将额定电压通过开关直接加在电动机定子绕组上，使电动机起动
A B C
优点：起动设备简单、操作方便，起动迅速； 优点：起动设备简单、操作方便，起动迅速； 缺点：起动电流大。 S 缺点：起动电流大。 一般为电动机容量较小时采用
1．定子回路串电抗(电阻 降压起动 ．定子回路串电抗 电阻 电阻)降压起动
定子回路串入适当的电抗器或变阻器， 定子回路串入适当的电抗器或变阻器， 起动时起分压作用， 起动时起分压作用，使定子绕组上所 加电压低于电源电压， 加电压低于电源电压，待电动机转速 升高后，切除电抗器X(或电阻器 或电阻器R) 升高后，切除电抗器 或电阻器 。
1
电网供给电动机的起动电流（线电流） 电网供给电动机的起动电流（线电流）为
I st∆
U1 = 3 Z
起动转矩与相电压的平方成正比
Y形与 形连接起动时， 形与∆形连接起动时 形与 形连接起动时， 起动电流的比值为
U1 I stY = I st∆ 1 3Z = U1 3 3 Z
M stY 3 = M st∆ U 12
(
U1
)2
1 = 3
优点：起动设备简单， 优点：起动设备简单，成本低 缺点：起动转矩只有 形直接起动时的 形直接起动时的1／ ， 缺点：起动转矩只有∆形直接起动时的 ／3， 适用于空载或轻载
3．自耦变压器降压起动 ． 利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的端电压 起动时 合上 、合上S2 于“起动”位置 合上S1、合上 起动” 起动完成 将开关S2掷于“运行” 将开关 掷于“运行”位置 掷于
U1 (r1 + r2′ ) 2 + ( x1 + x ′ ) 2 20
(1)降低异步电动机电源电压 降低异步电动机电源电压 (2) 增加异步电动机定、转子阻抗。对鼠笼式和绕线式 增加异步电动机定、转子阻抗。 异步电动机，可采用不同的方法来改善起动性能。 异步电动机，可采用不同的方法来改善起动性能。
I st 3 变压器容量(kVA) < + I N 4 4 ×电动机功率(kW)
（满足可直接起动） 满足可直接起动）
二、降压起动
利用起动设备将加在电动机定子绕组上的电源电压降低， 利用起动设备将加在电动机定子绕组上的电源电压降低， 起动结束后恢复其额定电压运行的起动方式 优点：可以降低起动电流（即起动容量） 优点：可以降低起动电流（即起动容量） 当电源容量不够大， 当电源容量不够大，电动机直接起动的线路电压降 超过15％ 超过 ％时，应采用降压起动 缺点：降压起动时，虽然起动电流减小， 缺点：降压起动时，虽然起动电流减小，起动转矩也大大减小 适用于电动机空载或轻载起动
二、简单电力拖动系统的运动方程
简单的单轴电拖系统与多轴电拖系统
M n
电动机
G M D2 n1 G 12 D nL M′ L G L 工作 D2
机构
M
电动机
n
ML G D
2
等效 负载
(a)
(b)
对单轴电拖系统
负载转矩
2
拖动系统中转动部分的 飞轮转矩 （N ⋅ m 2）
GD dn M − ML = 375 dt
M L n = 常数
例如：车床切削工件，粗加工时，切削量大，切削阻力大，用低速。 例如：车床切削工件，粗加工时，切削量大，切削阻力大，用低速。 精加工时切削量小，为保证加工精度，用高速，保证了电机的安全经济运行。 精加工时切削量小，为保证加工精度，用高速，保证了电机的安全经济运行。
n
0 ML
由于电动机在转速变化时，内部参数有微小改变， 由于电动机在转速变化时，内部参数有微小改变， 所以是一条近似反比的曲线
(3) 通风机负载 负载转矩与转速的平方成正比， 负载转矩与转速的平方成正比，即
M L = kn
2
如通风机、鼓风机、水泵、 如通风机、鼓风机、水泵、液压泵等
负载特性是一条抛物线
电力拖动系统稳定运行的概念
稳定运行于某一转速的电力拖动系统， 稳定运行于某一转速的电力拖动系统，受到外界某种 短时扰动(如电网电压波动 负载突然变化等)， 如电网电压波动， 短时扰动 如电网电压波动，负载突然变化等 ， 电动机转速发生变化，离开了原平衡状态。 使 M ≠ M L，电动机转速发生变化，离开了原平衡状态。 能否建立一个新的平衡状态，或者当外界扰动消失后， 能否建立一个新的平衡状态，或者当外界扰动消失后， 系统能恢复到原来的转速？ 系统能恢复到原来的转速？ 可以： 可以：系统稳定 不可以： 不可以：则系统不稳定
1．起动电流 ． 电动机起动瞬间（稳定以前）的电流叫起动电流。 电动机起动瞬间（稳定以前）的电流叫起动电流。
刚起动时
s =1
E20
I2 =
I st 2 = (5 8) I 2 N
I st1 = (4 7) I1N
2 ( r2 / s ) 2 + x20
(1) 使线路产生很大电压降，导致电网电压波动，从而影响 使线路产生很大电压降，导致电网电压波动， 到接在电网上其他用电设备的正常工作。 到接在电网上其他用电设备的正常工作。电动机 容量越大 影响越大 。 (2) 使得电网电压降低，电动机转速下降，严重时使电动机停转， 使得电网电压降低，电动机转速下降，严重时使电动机停转， 甚至可能烧坏电动机。同时，电动机绕组电流增加， 甚至可能烧坏电动机。同时，电动机绕组电流增加，铜损耗过 使电动机发热、绝缘老化。 大，使电动机发热、绝缘老化。 (3) 使电动机绕组端部受电磁力冲击
3．电力拖动系统稳定运行条件 ．
(1) 电动机的机械特性与生产机械的负载特性必须有交点。 电动机的机械特性与生产机械的负载特性必须有交点 有交点。
dM dM L (2) 在交点处 < dn dn
交点的转速以上 交点的转速以下
M < ML M > ML
n 1 na 0 M 2 A
图7-6 电动机机械特性和 生产机械负载特性的配合
将直线运动系统和多轴系统等效地变换为简单拖动系统
GD 2 dn M − ML = 375 dt
正方向规定： 正方向规定：
n:电动机总单向旋转，尽可能取实际转向为正方向。 电动机总单向旋转，尽可能取实际转向为正方向。 电动机总单向旋转 电磁转矩
M
：正方向与转速相同时为正，反之为负 正方向与转速相同时为正，
2．星形一三角形(Y-∆)换接降压起动 ．星形一三角形 换接降压起动
设电源电压为U 电动机每相阻抗为Z 设电源电压为 1，电动机每相阻抗为 起动时，三相绕组接成 形 起动时，三相绕组接成Y形 ，绕组相电压为 U 1 起动电流
I stY = U1 3Z
3
电动机作∆形直接起动，则绕组相电压为电源线电压， 电动机作 形直接起动，则绕组相电压为电源线电压， 形直接起动 定子绕组每相起动电流为 U Z
K=
K=
55％、64％、73％ 40％、60％、80％
抽头比表示二次侧电压为一次侧电压的百分比 优 点： 不受电动机绕组连接方式的影响， 不受电动机绕组连接方式的影响，且可按允许的起动电流和负载 所需的起动转矩来选择合适的自耦变压器抽头 缺 点： 设备体积大，投资高。 设备体积大，投资高。
设电网电压为U1 设电网电压为 自耦变压器的变比为
ka
1 变压器抽头比为 K = ka 电动机上的起动电压 1 U 1 ka 1 I st 起动电流 ka
自耦变压器一次侧电流为其二次侧电流的
电网供给电动机定子的起动电流
1 2 ka
1 ka
I sta
1 1 1 1 ′ = I sta = ( I st ) = 2 I st ka ka ka ka
直接起动时的容量规定
(1) 电动机由专用变压器供电，且电动机频繁起动时电动机 电动机由专用变压器供电， 容量不应超过变压器容量的20％；电动机不经常起动时， ％；电动机不经常起动时 容量不应超过变压器容量的 ％；电动机不经常起动时， 其容量不超过 超过30％。 其容量不超过 ％。 (2) 若无专用变压器，照明与动力共用一台变压器时，允许 若无专用变压器，照明与动力共用一台变压器时， 直接起动的电动机的最大容量应以起动时造成的电压降落 不超过额定电压的10％～ ％～15％的原则确定。 不超过额定电压的 ％～ ％的原则确定。 (3) 容量在 容量在7.5kW以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动。 以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动。 以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动 通常也可用下面经验公式来确定电动机是否可以采用直接起动