第七章 异步电动机的电力拖动

武汉纺织大学第七章7 . 1 为什么小容量的直流电动机不允许直接起动,而小容量的三相异步电动机却可以直接起动?答: 直流电动机电压方程是a a a I R E U +=,感应电动势a E 与转速成正比, 起动瞬间电动机转速为零, 感应电动势亦为零,外加电压等于电枢电阻压降,而直流电动机的电枢电阻很小,使得起动电流很大,所以直流电动机不允许直接起动。

对三相异步电动机而言, 起动电流st I =2212211)()(X X R R U '++'+,起动时的阻抗中除了电阻(21R R '+)外,还有电抗 (21X X '+),小容量的三相异步电动机起动时阻抗比较大,所以可以直接起动。

7 . 2 三相异步电动机起动时,为什么起动电流很大,而起动转矩却不大?答: 三相异步电动机起动瞬间转速为零,定子旋转磁场相对于转子的切割速度最大,在转子绕组中产生的感应电动势最大,使得转子电流很大,从而使得定子电流即起动电流很大。

定子电压方程式是1U = -1E +1Z 1I ,起动电流很大,使得定子绕组的漏阻抗压降1Z 1I 增大,感应电动势1E 减小, 1E 与气隙磁通1Φ成正比,从而导致1Φ减小到额定值的一半;起动时n=0 ,s=1 ,转子电流频率112f sf f ==为最高, 转子电抗2X 为最大,使得转子功率因数cos 2ϕ比较小; 由电磁转矩表达式T=T C 1Φ2I ' cos 2ϕ可知,T 与1Φ、2I '和cos 2ϕ分别成正比关系,尽管起动时2I '很大,但是1Φ的减小和cos 2ϕ的减小,使得起动转矩却不够大。

7 . 3 什么情况下三相异步电动机不允许直接起动?答: 如果电源容量相对于电动机的容量而言不是足够大时就不允许直接起动电动机,一般可根据经验公式来判断,即起动电流倍数I K 应满足下述条件I K =N st I I ≤43+NN P S 4 电动机才允许直接起动,否则不允许直接起动。

《电力拖动自动控制系统》教学大纲《电力拖动自动控制系统》教学大纲英文名称：Automatic Control System for Electric Drive 课程编码：D***** 课内教学时数：48 学分：3适用专业：电气工程及其自动化开课单位：机械与电子工程系制定（或修订）时间：20XX年9月一、课程性质与任务本课程是电气工程及其自动化专业主干课程之一，电力电子与电力传动专业方向课程。

通过本课程的学习，应掌握电力拖动自动控制系统的基本知识、掌握交直流电机典型自动控制系统的工作原理及运用。

培养学生解决实际问题的能力,为今后从事电气工程及其自动化有关的专业工作打下基础。

二、课程教学内容的基本要求、重点和难点第一章闭环控制的直流调速系统㈠基本要求：了解闭环控制的直流调速系统的工作原理㈡教学重点：反馈控制闭环调速系统的稳态、动态分析和设计㈢教学难点：无静差调速系统和积分、比例积分控制规律㈣教学内容1、直流调速系统用的可控直流电源2、晶闸管-电动机系统的特殊问题3、反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计4、反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计5、无静差调速系统和积分、比例积分控制规律6、电压反馈电流补偿控制的调速系统第二章多环控制的直流调速系统㈠基本要求：让学生熟悉掌握转速、电流双闭环调速系统的静特性、系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算㈡教学重点：双闭环系统电路特点、如何实现转速无静差㈢教学难点：调节器的工程设计方法、三环调速系统㈣教学内容：1、转速、电流双闭环调速系统及其静特性2、双闭环调速系统的动态性能3、调节器的工程设计方法4、按工程设计方法设计双闭环系统5、转速超调的抑制――转速微分负反馈6、三环调速系统7、弱磁控制的直流调速系统第三章可逆调速系统㈠基本要求：让学生了解可逆调节系统的不同整流装置㈡教学重点：晶闸管-电动机系统的可逆线路、晶闸管-电动机系统的回馈制动㈢教学难点：有环流可逆调速系统、无环流可逆调速系统㈣教学内容：1、晶闸管-电动机系统的可逆线路2、晶闸管-电动机系统的回馈制动3、两组晶闸管可逆线路中的环流4、有环流可逆调速系统5、无环流可逆调速系统第四章直流脉宽调速系统㈠基本要求：要求学生对调速系统能运用自如㈡教学重点：脉宽调速系统的开环机械特性、脉宽调速系统的控制电路㈢教学难点：晶体管脉宽调速系统的特殊问题㈣教学内容1 脉宽调制变换器2 脉宽调速系统的开环机械特性3 脉宽调速系统的控制电路4晶体管脉宽调速系统的特殊问题第五章位置随动系统㈠基本要求：了解位置随动系统的概念㈡教学重点：位置随动系统概述㈢教学难点：位置随动系统概述㈣教学内容：1、位置随动系统概述2、位置信号的检测3、自整角机位置随动系统及其设计第六章交流调速的基本类型和交流变压调速系统㈠基本要求：使学生在掌握了交直流调速系统的基本组成原理的同时并能掌握结合工程实际，根据生产设备所提出的技术指标组成，选择控制系统结构的思路和方法㈡教学重点：交流调速的基本类型、闭环控制的交流变压调速系统――一种转动差功率消耗型调速系统㈢教学难点：交流调速的基本类型、闭环控制的交流变压调速系统――一种转动差功率消耗型调速系统㈣教学内容：1、交流调速的基本类型2、闭环控制的交流变压调速系统――一种转动差功率消耗型调速系统第七章异步电动机变压变频调速系统㈠基本要求：要求学生掌握异步电动机变压变频调速系统的各种调速方法㈡教学重点：异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性转速开环、恒压频比控制的变频调速系统、转速闭环、转差频率控制的变频调速系统㈢教学难点：转速开环、恒压频比控制的变频调速系统、转速闭环、转差频率控制的变频调速系统㈣教学内容：1 变频调速的基本控制方式2 静止式变频装置3 正弦波脉宽调制逆变器4异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性5 转速开环、恒压频比控制的变频调速系统 6 转速闭环、转差频率控制的变频调速系统7 异步电动机的多变理数学模型和坐标变换8矢量控制的变频调速系统第八章绕线转子异步电动机串级调速系统――转差功率回馈型的调速系统㈠基本要求：认识了解串级调速系统的原理及其应用㈡教学重点：串级调速系统性能的讨论、异步电动机在串级调速工作时的机械特征㈢教学难点：具有双闭环控制的串级调速系统、超同步串级调速系统㈣教学内容：1 串级调速原理及其基本类型2 串级调速系统性能的讨论3 异步电动机在串级调速工作时的机械特征4 具有双闭环控制的串级调速系统5 超同步串级调速系统6 串级调速系统的几个特殊问题第九章同步电动机的变频调速系统㈠基本要求：了解电动机的不同调速系统㈡教学重点：同步电动机的变频调速㈢教学难点：同步电动机的变频调速㈣教学内容:1、同步电动机的变频调速2、他控变频同步电动机调速系统和矢量调速系统3、自控变频同步电动机（无换向器电动机）调速系统三、课程学时分配四、本课程的特点及教法、学法建议电力拖动自动控制系统是一门知识综合性强、内容覆盖宽的课程。

电力拖动自动控制系统虽然主要介绍电机的控制，并且以转速控制为主要对象，但其应用并不局限于此。

在数控机床等伺服控制范畴的应用更为广泛，这类控制与调速控制上的控制学原理是一致的，因此老师增加了位置控制、张力控制等章节，扩大了传动控制的范围，增加了知识点。

电机的控制与温度、流量、压力等控制也有共性，老师在教学过程中适当的引导，有利于拓展我们的思路，有利于我们应用知识能力的培养。

突破自动化就是调速的局限，而把自动化的主要专业课电力拖动自动控制系统作为控制理论和计算机应用的典型示例来讲并扩大其复盖范围，对促进自动化专业的建设和改造有重要意义。

实验在电力拖动自动控制系统课中始终占重要的地位，也是系统课程教改的重点。

目前，学校已经开发了大型综合性的实验，并和课程设计相结合单独设课，对我们实践能力的培养起了重要的作用。

理论教学、实验教学以及课程设计的结合为我们自动化学生工程能力培养创造了良好的机制，也已经发挥了积极作用。

但是在运行中目前的教学形式和手段在激发学生的创造性方面尚显不足。

实验的条件是有限的，一组多人且受时间限制，训练往往不充分，我们要充分利用现有的实验设备，完成任务，达到学习的目标。

主要内容及学习要点：第一章绪论1、电力拖动控制系统的基本类型（1) 直流电机拖动控制系统的基本类型（2）交流电机拖动控制系统的基本类型2、现代电力拖动控制系统的物质基础第二章闭环控制得直流调速系统1、转速控制得要求和调速指标（1）调速范围D（2）静差率S（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系2、闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图3、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较4、闭环系统能够减少稳态速降得实质5、反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）6、反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算7、截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性8、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数以及稳定条件9、PI调节器的设计10、无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构，积分调节器与比例调节器的区别，比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别11、无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图2、双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特性：（1）饱和——输出达到限幅值（2）不饱和——输出未达到限幅值3、双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算5、双闭环直流调速系统启动过程中电流和转速的三个阶段：（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段6、双闭环直流调速系统的动态性能（1）动态跟随性能（2）动态抗绕性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动7、转速、电流两个调节器的作用8、调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型Ⅰ、Ⅱ型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系9、按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器（1）电流调节器的设计①电流环的动态结构图②电流调节器的结构选择③电流调节器参数的选择（2）转速调节器的设计①转速环的动态结构图②转速调节器的结构选择③转速调节器参数的选择（3）电流调节器和转速调节器的实现10、双闭环直流调速系统中外环和内环的作用11、带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点第四章可逆控制和弱磁控制得直流调速系统1、晶闸管——电动机系统可逆线路的种类2、晶闸管——电动机系统回馈制动3、环流的概念、种类4、直流平均环流，α=β工作制配合控制得结构、特点、实现和作用5、产生脉动环流的原因，抑制的方法6、有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反节制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点7、逻辑控制得无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况8、错位控制得无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统的结构，内环的作用第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1、脉宽调制（PWM）变换器的作用、种类2、简单不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（二级管的虚流作用）3、有制动作用的不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析4、双极式H型可逆PWM变换器的原理图、工作原理、特点5、脉宽调速系统的稳态分析6、双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能，常用的脉宽调节器的种类第六章基于动态模型的异步电机调速系统1、交流异步电机变压调速系统（1）异步电机在不同电压下的机械特性（2）闭环控制得变压调速系统及其静特性2、电磁转差离合器调速系统的特点第七章绕线转子异步电机双馈调速系统1、异步电机串级调速原理及其基本类型2、串级调速时异步电机的机械特性3、转速、电流双闭环串级调速系统的组成、动态数学模型等4、串级调速系统的功率流程第八章同步电动机变压变频调速系统1、同步电动机的稳态模型与调速方法2、他控变频同步电动机调速系统3、自控变频同步电动机调速系统4、同步电动机矢量控制系统5、同步电动机直接转距控制系统。

1习题答案7.1 某三相鼠笼式异步电动机的额定数据如下： ，，， ，起动电流倍数（定义为起动电流与额定电流之比），起动转矩倍数 ，过载能力 。

定子绕组采用接法。

试求：（1）直接起动时的电流与转矩；（2）如果采用 起动，能带动1000Nm的恒转矩负载起动吗？为什么？（3）为使得起动时的最大电流不超过1800A且起动转矩不超过1000Nm，采用自耦变压降压起动。

已知起动用自耦变压器的抽头分别为55%、64%、73%三档；试问应取哪一档抽头电压？在所取的这一档抽头电压下起动时的起动转矩和起动电流各为多少？解：（1）直接起动时定子绕组中的电流为额定转矩为直接起动时的起动转矩为（2）若采用 起动，则起动转矩为因此，采用 起动不能带动1000Nm的恒转矩负载起动。

（3）若采用自耦变压器起动，则电网侧的起动电流和起动转矩分别为当抽头为55%时，当抽头为64%时，当抽头为73%时，由此可见，只有抽头为64%时的一档才能满足要求。

此档的起动电流为1446.26A，起动转矩为1213.97mN•。

7.3一台三相绕线式异步电动机，转子绕组为Y接，其额定数据为：，，，, ， ，,过载能力 ，拖动恒转矩负载 时，要求电动机在下运行。

（1）若采用转子串接电阻调速，试求每相应串入的电阻值；（2）若采用改变定子电压调速，可行吗？（3）若采用变频调速，保持=常数，试求定子绕组所需的频率与电压。

（提示：转子电阻可根据 （转子为Y接）计算）解：额定转差率为产生最大电磁转矩时的临界转差率可通过下列方程获得。

根据三相异步电动机机械特性的实用公式得于是，转子回路未串任何电阻时的临界转差率为转子每相的电阻为转速为540r/min时的转差率为解此类题目时，最好首先绘出三相异步电动机相应运行状态的机械特性，然后，将电机拖动问题转换为解析几何问题，由此再求解所要求的物理参数或控制量。

（1）若采用转子串电阻调速，相应的机械特性如图7.45所示。

图7.45 练习题7.3图很显然,根据题意,本题旨在求解图7.45中通过B点时的机械特性所对应的转子电阻。