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第9章异步电动机的电力拖动9.1三相异步电动机的机械特性9.2三相异步电动机的起动9.3三相异步电动机的调速9.4三相异步电动机的制动9.5异步电动机的各种运行状态9.1三相异步电动机的机械特性9.1.1固有机械特性9.1.2人为机械特性9.1.1固有机械特性1.稳定运行区域2.固有机械特性的实用表达式1.稳定运行区域5忽略 R1 得机械特性的实用表达式可以求出（式中 ）2.固有机械特性的实用表达式9.1.2人为机械特性1.降低定子端电压的人为机械特性2.转子回路串接对称电阻的人为机械特性3.定子回路串接三相对称电阻或电抗的人为机械特性1.降低定子端电压的人为机械特性1)因为同步转速n1与电压U1无关，因此，不同U1时的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。2)由于电磁转矩Te与U1的二次方成正比，因此最大转矩Tm以及堵转转矩Tst都随U1的降低而按二次方规律减小。3)因为临界转差率sm与U1无关，因此不论U1降为多少，最大转矩对应的转差率sm都保持不变。三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性 降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。2.转子回路串接对称电阻的人为机械特性1)转子回路串电阻并不改变同步转速n1，因此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)因为临界转差率sm与转子电阻成正比，而最大转矩Tm与转子电阻无关，因此随着转子回路所串电阻Rs增大，临界转差率sm也增大，但最大转矩Tm保持不变。3)转子回路所串电阻Rs的增大，起动转矩Tst也增大。转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性 转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。3.定子回路串接三相对称电阻或电抗的人为机械特性1)定子回路串接不同电阻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Tm、和起动转矩Tst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，使最大转矩点上移。定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性9.2三相异步电动机的起动9.2.1笼型异步电动机的起动9.2.2高起动转矩的异步电动机9.2.3绕线转子异步电动机的起动9.2.1笼型异步电动机的起动1.直接起动2.减压起动3.异步电动机的软起动直接起动也称为全压起动：直接起动也称为全压起动：起动时，电动机定子绕组直接承受额定电压。方法简单，不需要复杂的起动设备起动的电流较大，一般可达额定电流的4-7倍。直接起动特点：直接起动特点：过大的起动电流对电动机本身和电网电压的波动均会带来不利影响，一般直接起动只允许在小功率电动机中使用（PN7.5kW）；对容量较大的电动机，若能满足下式要求，可允许直接起动1.直接起动直接起动电流特性与固有机械特性(1)定子回路串接电阻或电抗器减压起动ABCC1C1C1C2C2C2M电动机起动时，接触器电动机起动时，接触器C2闭合、闭合、C1断开，电抗器断开，电抗器X串入定子回路；起动完毕后，触点串入定子回路；起动完毕后，触点C1闭合，把闭合，把电抗器电抗器X切除，电动机进入正常运行状态。切除，电动机进入正常运行状态。（a）直接起动）直接起动 （b）定子串电抗起动）定子串电抗起动2.减压起动(2)自耦变压器减压起动C1C1C1ABCC2C2C2C1C1M起动时，触点起动时，触点C1闭合，定子绕组通过自耦变压闭合，定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，待电动机的转速升高到一器接到三相电源上，待电动机的转速升高到一定程度后，触点定程度后，触点C1断开而触点断开而触点C2闭合，自耦变闭合，自耦变压器切除，电动机定子绕组直接接到三相电源压器切除，电动机定子绕组直接接到三相电源上，电动机进入正常运行状态。上，电动机进入正常运行状态。自耦变压器降压起动时电机的起动转矩与直接起动时起动转矩之间的关系为:(3)星-三角(Y-)减压起动C3C3C3C1C1C1ABCC2C2C2起动开始时，接触器触点起动开始时，接触器触点C1C1和和C2C2闭合，电动机定闭合，电动机定子绕组接成子绕组接成Y Y接，待转速升高到一定程度后，接接，待转速升高到一定程度后，接触器触点触器触点C2C2断开，触点断开，触点C3C3闭合，定子绕组改成闭合，定子绕组改成接，电动机进入正常运行状态。接，电动机进入正常运行状态。ABCZYX（b）Y-起动起动Y接和接和接时起动线电流比值为接时起动线电流比值为 上式说明，上式说明，Y-Y-起动时，尽管相电压起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原和相电流与直接起动时相比降低到原来的来的 ，但是，对供电变压器造成，但是，对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时冲击的起动电流则降低到直接起动时的的1/3。3.异步电动机的软起动(1)软起动器的原理(2)软起动方式(1)软起动器的原理1)无冲击电流。2)有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免设备损坏。3)起动参数可根据不同负载进行调整，有很强的负载适应性。4)具有轻载节能和多种保护功能。软起动器实际上是一个晶闸管交流调压器，其主电路如下：(2)软起动方式1)斜坡升压软起动。2)斜坡恒流软起动。3)阶跃恒流软起动。4)脉冲恒流软起动。5)转矩控制软起动，这种起动方式是控制电动机的起动转矩由小到大线性上升，其优点是起动平滑，可降低电动机起动时对电网的冲击，是较好的重载起动方式，其缺点是起动时间较长。6)转矩加突跳控制软起动，这种起动方式是在起动瞬间用突跳转矩克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。9.2.2高起动转矩的异步电动机1.深槽转子异步电动机2.双笼型异步电动机3.高转差率异步电动机1.深槽转子异步电动机这种电动机是靠适当改变转子的槽形，充分利用电动机起动过程中转子导条内的“集肤效应”，以达到既改善起动性能又不降低正常运行效率的目的。集肤效应：集肤效应：转子槽漏磁通引起转子导条的电流集挤在导条表层的效应。深槽式转子导条中电流的集肤效应深槽式转子导条中电流的集肤效应深槽式异步电动机机械特性2.双笼型异步电动机双笼型感应电动机双笼型感应电动机的转子上安装了两套笼。两个笼间由狭长的缝隙隔开，显然下笼相连的漏磁通比上笼的大得多。起动笼：起动笼：上笼的笼导条较细，采用电阻率较大的黄铜或铝青铜等材料制成，电阻较大。运行笼：运行笼：下笼的笼截面较大，采用电阻率较小的紫铜等材料制成，电阻较小。双笼型电动机转子槽型3.高转差率异步电动机1普通鼠笼；普通鼠笼；2深槽及双笼；深槽及双笼；3高转差率；高转差率；9.2.3绕线转子异步电动机的起动1.转子串电阻起动2.转子串频敏变阻器起动 1 1 1 1、起动过程、起动过程、起动过程、起动过程曲线1 对应于转子电阻为R3=Rr+Rst3+Rst2+Rst1 的人为特性曲线2 对应于转子电阻为R2=Rr+Rst2+Rst1的人为特性曲线3 对于应于转子电阻为 R1=Rr+Rst1的人为特性曲线4 则为固有机械特性。绕 线 转 子 感 应 电 动 机 起 动接线图特性曲线1.转子串电阻起动 开始起动时n=0，全部电阻接入，这时起动转矩为Tst1，随着转速上升，转矩沿曲线1变化，逐渐减小，当减小到Tst2 时，接触器触头KM1闭合，Rst3被切除，电动机的运行点由曲线1（g点）移到曲线2（f点）上，转矩跃升为Tst1；电动机的转速和转矩沿曲线2变化，待转矩又减小到Tst2时，接触器触头KM2闭合，电阻Rst2被切除，电动机的运行由曲线2（e点）移到曲线3（d点）上；电动机的转速和转矩沿曲线3变化，最后接触器触头KM3闭合，起动电阻全部切除，转子绕组直接短路，电动机运行点沿固有特性变化，直到电磁转矩与负载转矩平衡，电动机稳定工作。2 2 2 2、起动电阻的计算、起动电阻的计算、起动电阻的计算、起动电阻的计算 起动电阻计算可以采用图解法或解析法进行 感应电动机的固有机械特性的工作部分接近于一条直线，只在s接近于sm、Tem接近于Tm时，弯曲较大。为了简化计算，在ssm范围内，可以认为特性曲线的工作部分为一直线，通常称之为机械特性的线性化。机械特性的实用表达式机械特性的实用表达式:即在同一条机械特性曲线上（R2=定值时）有T Temems s 一般情况 当起动级数为m时2、由 求出Tst2，判断能否满足起动要求，否则需作调整。计算步骤计算步骤计算步骤计算步骤1、根据电动机的额定数据和起动级数，选定Tst1值，求出若起动级数未定，则可选定Tst1和Tst2求出值 3、由式求出m（m必须取为整数）4、用式 计算起动电阻起动电阻每段的电阻值起动电阻每段的电阻值可由相邻两级的总电阻相减求得频敏变阻器：实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。特点：其电阻值随转速的上升而自动减小。当电动机起动时，转子频率较高，f2=f1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻Rm也较大。绕线转子感应电动机用转子串接频敏变阻器起动的电路图在起动过程中，随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻Rm也就随之减小，这就相当于在起动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻。串入频敏变阻器后的机械特性Tn122.转子串频敏变阻器起动起动结束后，转子频率很低，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切除，转子绕组直接短路。在起动过程中，它能够自、无级地减小电阻，如果频敏变压器的参数选择恰当，可以在起动过程中保持起动转矩不变，这时的机械特性图中曲线2所示，曲线1为固有特性。频敏变阻器频敏变阻器结构简单，运行可靠，使用维护方便，因此应用日益广泛，但与转子串电阻起动方法相比，由于频敏变阻器还具有一定的电抗，在同样的起动电流下，起动转矩要小些。9.3三相异步电动机的调速9.3.1变极调速9.3.2变频调速9.3.3调压调速9.3.4绕线转子异步电动机转子串电阻调速9.3.5绕线转子异步电动机串级调速9.3.6电磁调速电动机9.3.1变极调速1.变极原理2.两种典型的变极方案在电源频率在电源频率f1f1不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同步转不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同步转还还n1n1就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就降低一半，就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就降低一半，电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调节。电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调节。改变电动机的极数方法：改变电动机的极数方法：定子铁心槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组,改变定子绕组的接法调速原理：调速原理：多速电动机均采用笼型转子，转子的极数能自动地与定子极数相适应。2p=42p=22p=2三相绕组中的一相绕组的示意图两个半绕组顺向串联串联反接并联反接1.变极原理反向法：反向法：仅在每相内部改变所属线圈的联接方法的变极法。一般变极时均采用这种方法。多极电动机定子绕组的接线方式多极电动机定子绕组的接线方式最常用的两种最常用的两种绕组从单星形（每相只有一条支路）改接成双星形（每相有两条支路）写作Y/YYY/YY三角形改接成双星形，写作/YY/YY改接前后输出功率之比改接前后输出功率之比Y/YYY/YY接法接法 适用于恒转矩负载/YY/YY适用于恒功率负载倍极比：倍极比：多速电动机若变极前后的极数比为整数，如如4极变8极，2极变4极等，否则就称为非倍极比非倍极比，如4极变6极。特点：特点：调速的平滑性差，但具有较硬的机械特性，稳定性较好，对于不需要无极调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等，多速发动机得到广泛应用。恒转矩调速的机械特性曲线恒转矩调速的机械特性曲线恒功率调速的机械特性曲线恒功率调速的机械特性曲线9.3.2变频调速1.从基频向下调节2.从基频向上调节1.保持常数降低电源频率的同时，保持常数，则m=常数，是恒磁通控制方式。1.从基频向下调节 保持常数时，变频调速的机械特性2.保持常数当降低电源频率时，保持常数，则气隙每极磁通m=常数。这时电动机的电磁转矩为保持U1/f1=常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式。保持保持 常数的变频调速机械特性常数的变频调速机械特性 升高频率向上调速时，升高电源电压是不允许的，只能保持电压不变，频率越高，磁通越低，因此是一种弱磁升速的方法，类似他励直流电动机弱磁调速。调速过程中，电动机电磁转矩为2.从基频向上调节忽略r1的影响正常运行时，若保持I1额定不变，s变化就很小，可近似认为PM是不变的。属于恒功率调速形式。42保持保持U UN N不变升频调速的机械特性不变升频调速的机械特性9.3.3调压调速 降压调速的原理及性能如图(a)所示，如果电动机拖动恒转矩性质负载，A点为固有机械特性上的运行点，B和C点为降低电压后的运行点.可见。降压调速方法比较简单，但是，如电压进一步降低，最大转矩减小很快，即使负载特性与机械特性有交点，负载能力严重下降，负载稍有波动，电机就会停转；而且对于一般的鼠笼式异步电动机，降压调速范围很窄，没有多大实用价值。为此，可以采取增加转自电阻和引入速度闭环加以改善。三相异步电动机降压调速1恒转矩负载；2泵类负载(a)(b)绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为 从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。设 、是转子串联电阻 前的量，、是串联电阻后的量，则转子串接的电阻为：9.3.4绕线转子异步电动机转子串电阻调速在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。9.3.5绕线转子异步电动机串级调速1)可以将转差功率回馈电网，因此调速系统运行效率高，节电效果显著。2)机械特性硬，调速稳定性好。3)可实现无级调速，调速平滑性好。9.3.6电磁调速电动机1.矢量控制2.直接转矩控制 电磁调速电动机也称为滑差电动机，从原理上看，它就是一台带有电磁滑差离合器的普通笼型感应电动机。电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，他们之间无机械联系，各自能独立旋转。电枢由感应电动机带动旋转，称为主动部分。磁极由直流励磁，与生产机械联接，称为从动部分。9.3.6电磁调速电动机1.矢量控制(1)三相异步电动机的两相直流旋转绕组模型为了模拟直流电动机的电枢磁动势与主极磁场垂直，且电枢磁动势的大小与主极磁场的强弱分别可调，可设想图9-42所示的三相异步电动机的两相直流旋转绕组模型。(2)三相对称绕组与两相直流旋转绕组的变换实际上，三相异步电动机的定子三相绕组是嵌放在定子铁心槽中固定不动的。(3)矢量控制的实现通过以上讨论可见，可以将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统为过渡，互相进行等效变换。矢量控制的实现2.直接转矩控制9.4三相异步电动机的制动9.4.1回馈制动9.4.2反接制动9.4.3能耗制动9.4.4软停车与软制动9.4.1回馈制动1.实现回馈制动的条件及电动机中的能量传送2.回馈制动的机械特性1.实现回馈制动的条件及电动机中的能量传送当三相异步电动机运行时，如果由于外部因素，使电动机的转速n高于同步转速n1，电动机便处于回馈制动状态。这时，nn1，s0，电动机变成一台与电网并联的异步发电机，电动机的电磁转矩Te的方向与转子的旋转方向相反，起制动作用。不过，虽然此时它把机械能转变成电能并反馈回电网，但必须同时向电网吸收无功功率，以建立旋转磁场。53位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态异步电动机在回馈制动时的相量图 当异步电动机由于某种原因（例如位能负载的作用），使其转速高于同步速度 时，转子感应电动势反向，转子电流的有功分量也改变了方向，其无功分量的方向则不变。此时异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。2.回馈制动的机械特性54当 时 转子电流的有功分量为 转子电流的无功分量为 也为负，与转速方向相反异步电动机轴上输出的机械功率也为负55异步电动机回馈制动时的机械特性 如果异步机定子脱离电网，又希望它能发电，则必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星形的三组电容器。这时电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率，即供给建立磁场所需要的励磁电流。电容器接成三角形时 电容器接成星形时 9.4.2反接制动1.改变电源相序的反接制动2.倒拉反接制动 反接制动过程:处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。反接制动过程中，电动机电源相序为负序。如下图所示:1.改变电源相序的反接制动 由曲线我们注意到反接制动结束后一定要立即切断电源，否则电机会反向起动。绕线式电动机在定子两反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩,如曲线3所示。反接制动时，理想空载转速n1变为-n1。1特点：其机械特性曲线为：条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现：在转子回路串联适当大电阻RB。电机工作点由AB C，n=0，制动过程开始，电动机反转，直到电动机稳定工作在D点。在第四象限才是制动状态。由于电机反向旋转，n1。此时电磁转矩方向与电动工作状态时相同，而转向与电动工作状态时相反，电动机处于制动工作状态。2.倒拉反接制动所以有：机械功率为电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。而表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。9.4.3能耗制动1.能耗制动的原理2.能耗制动的机械特性实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。1.能耗制动的原理nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩。对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩。制动电阻大小：其中，曲线1、2是转子电阻相同，曲线2的直流励磁大于曲线1。曲线1、3是直流励磁相同，曲线3的转子电阻大于曲线1。2.能耗制动的机械特性9.4.4软停车与软制动65在正转方向，特性1与1的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；在反转方向，特性2与2的第二象限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线3与3表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对应于反转。图中特性1，2及3对应于异步电动机转子有串联电阻时，而1，2及3则对应于没有串联电阻。9.5异步电动机的各种运行状态66桥式起重机拖动主钩异步电动机的电路图对应手柄位置主钩异步电动机的机械特性67转速逐级提升过程为 转速逐级提升的机械特性68空钩提升与下放时的负载转矩特性提升和下放空钩时的机械特性与负载转矩特性在空钩下放时也属电动状态。此时不但有空钩重量产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大，将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。69（二）反接制动状态（三）回馈制动状态反接制动下放重物时的机械特性与负载转矩特性回馈制动下放重物时的机械特性与负载转矩特性
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