电机学 第IV部分异步电机 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
电机学 第IV部分 异步电机 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
分析方法 。 起动、制动和调速的概念 -起动是电机从零转速升到负载所需转速的动态过程： 月 制动是电机从负载转速下降到零的动态过程： 调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并可能伴随 负载的变化。起动和制动可以看成是调速的特例。 。 起动、调速和制动都是转速动态变化过程。正确理解 它们需要用动态方程来分析。但是，由于电机的电气 时间常数远远小于机械时间常数，电流变化很快而转 速变化相对较慢，因此，电机学中常用准稳态的方法 来分析。 假设电机参数不变，利用电机机械特性，等效电路和 数学公式等手段来理解如何实现这些动态过程。 dx August 27,2011 +x=f dt 2
August 27, 2011 2 分析方法 • 起动、制动和调速的概念 –起动是电机从零转速升到负载所需转速的动态过程； –制动是电机从负载转速下降到零的动态过程； –调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并可能伴随 负载的变化。起动和制动可以看成是调速的特例。 • 起动、调速和制动都是转速动态变化过程。正确理解 它们需要用动态方程来分析。但是，由于电机的电气 时间常数远远小于机械时间常数，电流变化很快而转 速变化相对较慢，因此，电机学中常用准稳态的方法 来分析。 • 假设电机参数不变，利用电机机械特性，等效电路和 数学公式等手段来理解如何实现这些动态过程。 x f dt dx ! + =
异步电机的电磁过程 定子M系统 s8 R I 削 3F6→B6 U E © 。→Eo→ 转子G系统 August 27,2011 3
August 27, 2011 3 异步电机的电磁过程 Esδ Is Fs δ Bδ Φδ Ｕs Ir Fr δ Fδ Φrσ Erσ Φsσ Esσ Erδ RsIs Ｕr RrIr 定 子 M 系 统 转 子 G 系 统 Es Er 削 弱
异步电机等效电路 R Lso Lra RIs I, m m 及 U, 各物理量可以统一折算到定子、折算到转子、或者用标么值表示三种形式！ August 27,2011 4
August 27, 2011 4 异步电机等效电路 Us Rs Rr /s Is Lsσ Ir Rm Lm Ur /s Lrσ Esδ Erδ Im 各物理量可以统一折算到定子、折算到转子、或者用标幺值表示三种形式！
一、异步电机起动 ·异步电机起动是指异步电机接交流电网后，从静止状 态开始到稳定运行的动态升速过程。 ·异步电机起动性能主要包括起动电流、起动转矩、起 动时间、起动时消耗的能量和绕组的发热、起动设备 的简便性和可靠性等。 ·初始状态特点：转速等于零，转差率为1.0。 。 普通鼠笼转子异步电机起动电流倍数5一7，而起动转 矩倍数1一2。 、 绕线转子异步电机能够以最大转矩起动。 ·异步电机可以设计成起动电流小且起动转矩高的深槽 或者双笼转子结构。 August 27,2011 5
August 27, 2011 5 一、异步电机起动 • 异步电机起动是指异步电机接交流电网后，从静止状 态开始到稳定运行的动态升速过程。 • 异步电机起动性能主要包括起动电流、起动转矩、起 动时间、起动时消耗的能量和绕组的发热、起动设备 的简便性和可靠性等。 • 初始状态特点：转速等于零，转差率为1.0。 • 普通鼠笼转子异步电机起动电流倍数5－7，而起动转 矩倍数1－2。 • 绕线转子异步电机能够以最大转矩起动。 • 异步电机可以设计成起动电流小且起动转矩高的深槽 或者双笼转子结构
(一)起动电流和起动转矩 U ·考虑异步电机简化等效电 11= 路，定子电压U1,电流 V(5+1)2+(xa+x2o)2 I1,起动时转子静止，转 差率等于1，转子电流频率 mp U2rIs 等于定子电流频率，可以 得到稳态起动电流和稳态 2(G+s)2+(xa+x2a） 起动转矩表达式。 。 特点是起动电流大而起动 ri X1o x'20 r'ls 转矩小。 U E SN T August 27,2011 6
August 27, 2011 6 （一）起动电流和起动转矩 ! I1 = U1 r 1 + r " 2 ( /s) 2 + x1# + x " ( 2# ) 2 ! Tem = m1 p 2"f1 U1 2 r # 2 /s r 1 + r # 2 ( /s) 2 + x1$ + x # ( 2$ ) 2 • 考虑异步电机简化等效电 路，定子电压Ｕ 1，电流 I 1，起动时转子静止，转 差率等于1，转子电流频率 等于定子电流频率，可以 得到稳态起动电流和稳态 起动转矩表达式。 • 特点是起动电流大而起动 转矩小。 r1 r’2/s x1σ x’2σ Ｕ1 I1 E1 ! Tst TN = Ist IN " # $ % & ' 2 sN
(一)起动电流和起动转矩 ·原因有两个方面： -转子功率因数很小，转子电流有功分量很小： -定子漏电抗压降很大，导致气隙磁场减小。 。 例如：假设异步电机简化等效电路中的定转子电阻相 同，电抗也相同，且电抗为电阻的5倍，额定转差率 为0.02，那么起动电流是额定电流的5倍，起动转矩 是额定转矩的一半（0.52)。 ·起动时的功率因数0.196很低，气隙磁通及其对应的 电势只有额定状态的一半。 cos Re(Z+Z2) E1= Re(Z2) Z Z2 Z +Z2 Z. August 27,2011 7
August 27, 2011 7 （一）起动电流和起动转矩 • 原因有两个方面： –转子功率因数很小，转子电流有功分量很小； –定子漏电抗压降很大，导致气隙磁场减小。 • 例如：假设异步电机简化等效电路中的定转子电阻相 同，电抗也相同，且电抗为电阻的5倍，额定转差率 为0.02，那么起动电流是额定电流的5倍，起动转矩 是额定转矩的一半（0.52）。 • 起动时的功率因数0.196很低，气隙磁通及其对应的 电势只有额定状态的一半。 ! E1 = Z2 Z1 + Z2 U1 ! cos"1 = Re(Z1 + Z2 ) Z1 + Z2 ! cos"2 = Re(Z2 ) Z2 ! Pem = m1E1 2 Z2 cos"2
(一)起动电流和起动转矩 宫8 ·起动电流大的危害 一起动电流大，电网电压短时跌落，电网品质变差，影响其它用户用 电，尤其影响高品质产品加工。 一起动电流大，电机绕组端部电磁力增大，可能损坏绝缘和端部机械 结构。 -起动电流大，电机绕组发热严重，影响电机绝缘和使用寿命。 起动电流大，对电机周围环境的电磁干扰增强。 ·大中型异步电机必须限制起动电流对电网的影响！ ·起动电流和转矩及其倍数的计算方法 假设异步电机的参数不变（参数变化时要根据实际参数计算） 一明确起动方法，确定电网电压 一计算异步电机绕组的起动电压 计算异步电机绕组的起动电流 -计算异步电机的起动转矩 一计算电网的起动电流 August 27,2011 8
August 27, 2011 8 （一）起动电流和起动转矩 • 起动电流大的危害 – 起动电流大，电网电压短时跌落，电网品质变差，影响其它用户用 电，尤其影响高品质产品加工。 – 起动电流大，电机绕组端部电磁力增大，可能损坏绝缘和端部机械 结构。 – 起动电流大，电机绕组发热严重，影响电机绝缘和使用寿命。 – 起动电流大，对电机周围环境的电磁干扰增强。 • 大中型异步电机必须限制起动电流对电网的影响！ • 起动电流和转矩及其倍数的计算方法 – 假设异步电机的参数不变（参数变化时要根据实际参数计算） – 明确起动方法，确定电网电压 – 计算异步电机绕组的起动电压 – 计算异步电机绕组的起动电流 – 计算异步电机的起动转矩 – 计算电网的起动电流
(二)异步电机起动方法 ·小功率异步电机 ·绕线转子串电阻起动 -直接起动 ·特殊转子结构 ·大中型异步电机 一深槽转子起动 一降压起动 -双笼结构起动 一定子串联起动电抗 。 软起动 ~自耦变压器降压起动 -变压恒频VVCF -星一三角转换起动 -变压变频VVVF -延边三角形起动 August 27,2011 9
August 27, 2011 9 （二）异步电机起动方法 • 小功率异步电机 –直接起动 • 大中型异步电机 –降压起动 –定子串联起动电抗 –自耦变压器降压起动 –星－三角转换起动 –延边三角形起动 • 绕线转子串电阻起动 • 特殊转子结构 –深槽转子起动 –双笼结构起动 • 软起动 –变压恒频 VVCF –变压变频 VVVF
1.降压起动 (1)定子串联足够大的电 (2)自耦变压器降压起动 抗器能显著减小起动电流 k。=1+N/N2 Ist ph Iph Z I=I3=121k。 Uph net U U;=U2lka k。2Z Za<<Z U=Ue↓ It-AT三 Z Iy Fv Zia kiZe ≈1/k好 August 27,2011 10
August 27, 2011 10 1. 降压起动 （1）定子串联足够大的电 抗器能显著减小起动电流 （2）自耦变压器降压起动 Ｕ2 N1 Ｕ1 I1 N2 I ! 2 ka =1+ N1 /N2 ! U " 2 = U2 /ka ! I1 = I " 2 = I2 /ka ! Ist _ AT Ist _ FV = Zk Zka + ka 2 Zk "1/ka 2 Zka U1=Ｕph_net I1=Ist_ph ka 2Zk Ｕph_ref Iph_ref Ｕph_net Ist_ph Zk Ｕph Iph ! Zka << Zk