1、電力拖動與控制第三章第三章三相異步電動機的三相異步電動機的 電力拖動電力拖動 三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性 三相異步電動機的固有機械特性與三相異步電動機的固有機械特性與 人為機械特性人為機械特性 三相異步電動機的起動三相異步電動機的起動 三相異步電動機的制動三相異步電動機的制動 三相異步電動機的調速三相異步電動機的調速 三相異步電動機的四象限運行三相異步電動機的四象限運行異步電動機的機械特性有三種表達式 物理表達式 參數表達式 實用表達式第一節第一節 三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性 三相異步電動機的機械特性是指當定子電壓、頻率以及繞組參數都固定時，電動機的

2、轉速n與電磁轉矩T的關系n=f(T),也可寫成T=f(s)。三相異步電動機的電磁轉矩： 1MpPT式中， p 極對數1定子角頻率， 1=2f1 PM電磁功率，有二種表達式，即: 1222cosMPm E I 2212MrPm Is 將電磁功率的第一個表達式代入轉矩公式，并考慮到：211112wmEEf N k 得機械特性的物理表達式：； TC1112Twm pCN k轉矩常數，1N基波繞組系數 1wk定子繞組每相串聯匝數 式中, 2cos轉子側的功率因數 1112222coscos2wmTmm pTN kICI 物理表達式表明，三相異步電動機的電磁轉矩是由磁通與轉子電流的有功分量相互作用產生的

3、。 物理表達式反映了異步電機電磁轉矩產生的物理本質，適用于對異步電動機機械特性做定性分析。 圖3-1異步電動機的T形等效電路 圖3-1為異步電動機的T型等效電路，略去 勵磁電流，由圖可得:112222112UIIrrxxs 22112212112rm psTUrrxxs代入電磁轉矩公式可得參數表達式： 將其繪制成機械特性曲線如圖3-2所示。 圖3-2 異步電動機的機械特性第象限為電動機運行狀態第象限為發電回饋制動狀態 1 1）起動點）起動點A A0,n 21212211212stm prTUrrxx1s stTNTKT幾個特殊點：起動轉矩倍數 起動轉矩 KT反映了電動機的起動能力。 2 2）最

4、大轉矩點）最大轉矩點B B222112()mrsrxx21max1221111212m pTUrrxx 式中，+號對應于電動狀態， 號對應于發電狀態 。臨界轉差率 最大電磁轉矩 212mrsxx 21max111212()m pTUxx 通常，r1 (x1+x2)所以特點： （1）當電動機參數及電源頻率不變時， TmU12，sm與U1無關。 （2）Tm與r2無關，sm則與r2成正比。 （3）當電源電壓和頻率不變時， sm 和Tm 都近似地與x1+x2成反比。定義過載倍數 maxTNTT它反映了電動機短時過載的極限。 3 3）額定運行點）額定運行點C C 11NNnnsnP9550NNNTn4

5、4）同步轉速點）同步轉速點D D 0s 1160 fnnp0T 又稱為理想空載點。max2mmTTssss將電磁轉矩公式與最大轉矩公式相除得22112122max221 222 ()2(1)s22()( )mmmmmmrsr rrrTsrssTrrrrsssrsss如忽略r1，得m axTNTT式中， 2(1)mNTTssT、PN 、nN均可由手冊查出，從而求出Tmax9550NNNpTn若已知額定運行點的TN、sN，則：max2mTTss實用表達式還可以簡寫為 ：0Nss此式適用范圍： 式中， 2mTNss 當異步電動機在額定負載下運行時，s很小，約在0.020.05之間，則 mmssss

6、例例3-1:3-1:一臺三相異步電動機額定值如下30kW,380V,725r min,2.2NNNTPUn求：(1) 電動機機械特性的實用表達式；(2) 電動機能否帶動額定負載起動。解：解：(1) 額定轉差率3095509550395N m725NNNPTn11750 725=0.033750NNnnsn額定轉矩最大轉矩 max2.2 395869N mTNTT2(1)0.137mNTTss臨界轉差率 max22 86917380.1370.1370.1370.137mmTTssssssss機械特性的實用表達式 （2）電機開始起動時,s=1代入實用表達式得： 1738234N m10.1370

7、.1371stT 因為TstTN ，故電機不能帶額定負載起動 第二節第二節 三相異步電動機的固有機械三相異步電動機的固有機械 特性與人為機械特性特性與人為機械特性 一、固有機械特性一、固有機械特性 三相異步電動機的固有機械特性是指三相異步電動機定子電壓和頻率為額定值，按規定的接線方式接線，定子及轉子電路中不外接電阻（電抗）時獲得的機械特性曲線:T = f (s)。，圖3-3為三相異步電動機的固有機械特性。 圖3-3 三相異步電動機的固有機械特性 其中： 曲線1為氣隙磁場按正方向旋轉時的固有機械特性。 曲線2為氣隙磁場反向旋轉時的固有機械特性。 氣隙磁場的旋轉方向取決于定子電壓的相序。二、人為機

8、械特性二、人為機械特性 三相異步電動機的人為機械特性是指人為的改變電源參數或電動機參數而得到的機械特性。 由機械特性的參數表達式可知，可以改變的參數有定子電源電壓,電源頻率,極對數，定轉子電路電阻或電抗等，所以三相異步電動機的人為機械特性種類很多。 這里介紹三種常見的人為機械特性。1 1降低定子電壓的人為機械特性降低定子電壓的人為機械特性 當定子電壓降低時： Tmax與U12成正比降低； Tst與U12成正比降低； sm與U1無關； 同步速n1與U1無關。 因此降低電壓的人為機械特性是一組通過同步轉速點的曲線簇。 圖3-4 異步電動機降壓時的人為特性 降低電壓U1對電動機運行的影響: 如果電機

9、原在額定電壓下運行，若降低U1 ，則使n降低，s增大，I2將隨E2的增大而增大，從而引起I1增大。若I1IN，則導致電機過載，電動機長期欠壓過載運行，會造成電動機過熱，縮短電動機的使用壽命。 另外，定子電壓下降過多，可能出現TmaxTL，將迫使電動機停轉。. .轉子電路串對稱電阻的人為機械特性轉子電路串對稱電阻的人為機械特性 這種人為機械特性僅適用于繞線轉子異步電動機，在繞線轉子異步電機轉子電路內串入對稱三相電阻Rs，如圖3-5a所示。 轉子電路串入電阻后，n1和Tmax不變 ，sm、Tst隨Rs增大而增大,人為機械特性是一組通過同步轉速點的曲線簇。如圖3-5b所示。 圖3-5 繞線轉子異步電

10、動機轉子電路串接對稱電阻a）電路圖 b）人為機械特性 當其它參數保持不變，僅在轉子電路中串接對稱電阻Rs時，要保持電磁轉矩不變，必須保證下式成立：2222ssrRrRssrrs為固有機械特性上電磁轉矩為TL時的轉差率 s為同一電磁轉矩下人為機械特性上的轉差率 三相異步電動機轉差率的比例推移： 當轉子串接對稱電阻時，若保持電磁轉矩不變，則串接電阻后電動機的轉差率與轉子電路中的電阻成正比地增加。 如果取最大轉矩，則按比例推移規律有：22msmsrRsrsm為固有機械特性上轉矩為TL時的臨界轉差率 sm為在同一電磁轉矩下人為機械特性上的臨界轉差率可得出轉子回路外串電阻：21msmsRrs. .定子回

11、路串接電阻（電抗）的人為機械特性定子回路串接電阻（電抗）的人為機械特性 三相異步電動機定子串對稱電阻或對稱電抗器時，圖3-6a中串有對稱電抗。 由式（3-12）（3-13）（3-8）可知，n1不變，Tmax、Tst、sm隨電阻或電抗增大而減小。機械特性如圖3-6b所示。 圖3-6 異步電動機定子電路串接對稱電抗a）電路圖 b）人為機械特性 定子電路串接電阻或電抗一般用于三相籠型異步電動機的減壓起動，以限制起動電流。 除了這三種人為機械特性外，還有改變電源頻率，改變極對數的人為機械特性。第三節第三節 三相異步電動機的起動三相異步電動機的起動 起動是指電動機接通電源后，從靜止狀態加速到某一穩定轉速

12、的過程。 電動機起動瞬間,轉子導體上感應電勢和電流最大,定子電流也最大,可達到(47)IN 。 過大起動電流將產生不良影響：1）使電網電壓波動過大，影響電網上其他用電 設備的正常運行；2）過大的起動電流會使電動機繞組絕緣過熱而 老化，縮短電動機的使用壽命。1)具有足夠大的起動轉矩,以保證生產機械能夠正常地起動；2)在保證一定大小的起動轉矩的前提下,電動機的起動電流越小越好；3)起動設備力求結構簡單,運行可靠,操作方便；4)起動過程的能量損耗越小越好,起動時間越短越好。 最主要的要求是在起動電流比較小的情況下得到較大的起動轉矩。異步電動機起動性能有如下要求： 一、異步電動機的固有起動特性一、異步

13、電動機的固有起動特性 起動電流可根據圖3-1計算，略去激磁電流，令s=1得：11221212stUIrrxx雖然起動電流大，但起動轉矩卻不大， 起動轉矩(0.91.3)stNTT因此異步電動機的固有起動特性并不理想。 由起動電流、起動轉矩公式可知，適當增加轉子電阻，可以減小起動電流，增大起動轉矩，改善起動特性。 繞線轉子異步電動機轉子回路中能夠接入附加電阻，因此起動特性比鼠籠異步電動機的起動特性要好，在既要求限制起動電流又要求有較大起動轉矩的場合，通常采用繞線轉子異步電動機。 鼠籠式異步電動機轉子回路無法外接附加電阻，考慮到運行效率，轉子電阻也不能太大，為了改善起動性能又保留鼠籠式電動機的結構

14、優點，可以采用特殊結構形式的轉子，深槽式和雙鼠籠式電動機就是具有這種特殊結構的籠型電動機。二、籠型異步電動機的起動二、籠型異步電動機的起動 . .直接起動直接起動 三相籠型異步電動機可有直接起動與降壓起動兩種起動方法。 籠型異步電動機直接起動只允許在額定功率PN7.5kW的小容量電機中使用。 但所謂小容量也是相對的，如果電網容量大，能符合下式要求者，也能進行直接起動。kVA134kW電源總容量起動電機容量1stNII 稱為籠型異步電動機的起動電流倍數，其值可根據電動機的型號和規格從手冊中查得 。 1IstNKII 降壓起動方法只適用于空載或輕載起動的場合，下面介紹常用的三種降壓起動方法。降壓起

15、動降壓起動1）起動線路與過程圖3-7 籠型異步電動機電阻減壓起動原理圖（1 1）定子電路串電阻（電抗器）降壓起動）定子電路串電阻（電抗器）降壓起動起動時,QC投向“起動”側，此時起動電阻Rst接入定子電路，然后合上，電動機開始起動。待轉速接近穩定轉速，QC切換到“運行”側，電源電壓直接加到定子繞組上。2）起動電流與起動轉矩設加在定子繞組上的電壓為U1令1NUU22221212kkkrrxxrxz式中，rk每相的短路電阻，rk=r1+r2 xk 每相的短路電抗, xk=x1+x2直接起動時，1NstkUIz111NststkkUIUIzz 降壓起動時， 由起動轉矩公式21212211212stm

16、 prTUrrxx可得2ststTT 結論：降壓后，起動電流降低到全壓時的 1/ ,起動轉矩降到全壓時的 1/2 3）起動電阻或電抗的計算設起動時，定子繞組串入的電阻為Rst221NstkkstURrxI可得22221NstkkkkstURrxrxI22221stkkkRrxr化簡后得11ststII 將 代入上式 如定子串電抗起動，則xst的計算公式為22221stkkkxxrx 最后還應校核起動轉矩Tst，應使之滿足以下關系式中，TLst起動時的負載轉矩 如不滿足，則應考慮選用其他起動方法。 2ststTT 1.1LstT4）rk和xk的估算111133NNkstINUUzIK I1111

17、33NNkINstUUzK IIcosst當定子Y接時當定子接時設電動機直接起動時的功率因數為 按一般電動機的功率因數值，可認為 coskkstrz2sin1 coskkstkstxzzcos0.250.4st則175kW,380V,1470r min,137.5ANNNNPUnI2.2,T6.5,IK1.0,TK cos0.3,st1000kV A,若空載起動采用定子串電阻的方法,求每相串入的電阻最少為多大?例例3-23-2： 一臺三相籠型異步電動機,定子聯接過載倍數起動電流倍數起動轉矩倍數電動機直接起動時的功率因數電源容量為111110003344475stINIKI電源總容量電動機容量解

18、解：電源允許電動機直接起動的條件是從上面可知，電源允許該電動機的起動電流 倍數 ,而電動機直接起動的電 流倍數 ,定子串電阻降壓滿足起動電流條件時，對應的 為: 114IstNKII116.5IstNKIIcos0.736 0.30.221kkstrz221 cos0.7361 0.30.702kkstxz2 222222211.625 0.2211.625 1 0.7020.221 0.748stkkkRrxr 1111333800.7366.5 137.53NNkINstUUzK II625. 145 . 611IIststKKIIa自耦變壓器降壓起動是利用自耦變壓器二次側加在定子繞組上的

19、電壓以減小起動電流。圖3-8 異步電動機自耦變 壓器降壓起動原理線路圖（）自耦變壓器降壓起動（）自耦變壓器降壓起動 起動時把QC投到“起動”側，這時自耦變壓器一次繞組加的是電源電壓，二次側電壓加在定子繞組上。 二次側電壓僅為一次側電壓的一部分，電動機開始降壓起動。 等轉速接近穩定值時，將QC投向“運行”側，切除自耦變壓器，電動機全壓運行，起動結束。1）起動過程 如圖3-8b所示，設自耦變壓器的變比為Ka ,2NaUUK 21stastIK I212122stNststaakakaIUIUIKK zK zK 2）起動電流和起動轉矩由電機學可知: 起動轉矩與加在定子繞組上的電壓平方成正比，因此2s

20、tstaTTK 與定子串電阻或電抗的起動方法比較，在同樣的起動電流下，采用自耦變壓器降壓起動時，電動機可產生較大的起動轉矩。故這種降壓起動可帶較大的負載。 自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機作降壓起動。 由于這種方法可獲得較大的起動轉矩，加上自耦變壓器副邊一般有三個抽頭，可以根據允許的起動電流和所需的起動轉矩選用，故這種起動方法在10kW以上的三相籠型異步電動機得到廣泛應用。 采用這種方法的異步電動機，在正常運行時是接成三角形的，而且每相繞組引出兩個出線端，三相就應引出六個出線端。 （）（）起動起動圖3-9 異步電動機Y-起動原理線路圖1）起動線路與過程 進行降壓起動，等轉速接近穩定值時

21、，將QC投向運行側，定子繞組連接成形，每相電壓為UN ，起動結束。 起動時，將轉換開關QC投到“起動”側，再將總開關合上，定子繞組連接成形，每相電壓為UN/ 。32）起動電流和起動轉矩13NstkUIz圖3-10 Y形和形接法時的電壓和電流設接法時電網供給的起動電流為：接法時電網供給的起動電流為 由此表明，用Y降壓起動時，起動電流和起動轉矩都降為直接起動時的1/3 。1113ststII13ststTT13NstkUIz 起動只適用于正常運行為聯結電動機。 由于起動轉矩減小到直接起動時的1/3，故只適用于空載或輕載起動。 這種起動方法的電動機定子繞組必須引出六個出線端，這對于高電壓電動機有一定

22、的困難，所以-起動只限于500V以下的低壓電動機上。表表3-1 3-1 降壓起動方法比較降壓起動方法比較 起動方法U1/UNI1n/I1nTn/Tn 優缺點直接起動111起動最簡單，但起動電流大，起動轉矩小，只適用于小容量輕載起動串電阻或電抗起動起動設備較簡單，起動轉矩較小，適用于輕載起動自耦變壓器起動起動轉矩較大，有三種抽頭可選，起動設備較復雜，可帶較大負載起動Y-起動起動設備簡單，起動轉矩較小，適用于輕載起動，只用于聯結電機1121aK121aK21aK313131）降壓起動方法比較例例3-3:3-3: 一臺三相籠型異步電動機，銘牌數據 與例3-2相同。擬帶半載起動，電源容量為1000kV

23、 A，選擇適當的起動方法。 解解：1）直接起動。電源允許電動機直接起動 的條件是111110003344475stINIKI電源總容量電動機容量，故該電機不能直接起動 6.54IK 2）半載，指50額定負載轉矩，尚屬輕 載，擬用減壓起動。 定子串電抗（電阻）起動從例3-2可知，當=1.625 時對應的起動轉矩為Tst : 22211110.380.51.625ststTNNNNTTK TTTTaa 起動轉矩不能滿足要求，故不能用定子串電抗（或電阻）的起動方法 。Y-起動NNNNIststIIIIKII111111417. 25 . 6313131NNNNTststTTTTKTT5 . 033.

24、 01313131 自耦變壓器起動 設選用QJ2系列，其電壓抽頭為55、64、 73。如選用64一檔抽頭時，變比： 1 0.64 1.56aK 起動電流可滿足起動要求，而起動轉矩不滿足，故不能用Y起動法。 起動轉矩不能滿足要求。 如選用73一檔時，變比 ：37.173.01aKNLstNNstastTTTTTkT5 . 041. 0156. 111222111112116.52.6641.56ststNNNaIIIIIK NLstNNstTTTTT5 . 053. 0137. 112 根據計算結果，可以選用電壓抽頭為73的自耦變壓器減壓起動。 NNNstIIII11121446. 35 . 6

25、37. 11 普通籠型異步電動機起動電流大，但起動轉矩并不大，其起動性能較差。 三、特種籠型異步電動機的起動三、特種籠型異步電動機的起動 在起動時增大轉子電阻，可以減小起動電流、增大起動轉矩，但在起動結束后電機正常運行時，又希望轉子電阻小些以減少轉子銅耗，提高電機效率。 深槽式和雙籠型異步電動機起動性能最佳。 1 1深槽式籠型異步電動機深槽式籠型異步電動機 結構特點：轉子槽形深而窄，通常槽深與 槽寬之比為1012。 當轉子導條中通過電流時，與導條底部相交鏈的漏磁通比槽口部分相交鏈的漏磁通要多得多，如果將轉子導條看成是由許多導體單元并聯而成，則愈靠近槽底的導體單元的漏電抗越大，而愈接近槽口部分的

26、導體單元的漏電抗越小。 圖3-11 深槽籠型轉子異步電動機a）槽漏磁分布 b）導條內電流密度分布 c）導條有效截面 電機起動時，s=1，轉子電流頻率達到最大,轉子漏電抗很大，遠遠大于轉子電阻值，因此各導體單元中電流的分配將由漏電抗決定。 在氣隙磁通感應的電動勢相同情況下，導條中靠近槽底部的電流密度很小，而靠近槽口處的則較大，沿槽高的電流密度分布如圖-11b所示。 由圖可見，大部分電流將集中到導條的上部，形成電流的集膚效應。 電流集中到導條的上部，相當于導條的有效截面積減小，使轉子有效電阻增大，減小了起動電流，增加了起動轉矩。 當起動完畢電機正常運行時，轉子頻率很小，轉子漏抗很小，遠遠小于轉子電

27、阻，因此各導體單元中電流的分配將由電阻決定，由于各導體單元電阻相等，導體中電流將均勻分布，肌膚效應基本消失，轉子電阻自動減小到最小值。 深槽式感應電動機由于轉子槽形較深，正常工作時轉子漏抗比一般籠型電動機要大，因此深槽式電機的額定功率因數和最大轉矩比普通籠型電機稍低。雙籠型異步電動機雙籠型異步電動機 結構特點：轉子有套繞組，分別稱外籠和內籠，這套繞組有各自的端環，兩籠由一個狹長的縫隙連接起來。 當轉子導條中通過電流時，與內籠相鏈的漏磁通比與外籠相鏈的漏磁通要多得多，即內籠的漏電抗比外籠的大得多，外籠截面積較小，用電阻系數較大的黃銅或青銅材料制成，電阻較大，而內籠截面積較大，用電阻系數小的紫銅制

28、成，電阻較小。 圖3-12 雙籠型異步電動機a）槽漏磁 b）機械特性 起動時，轉子電流頻率較高，轉子漏電抗遠大于電阻。 內籠、外籠的電流分配主要決定于漏電抗，由于內籠漏電抗比外籠大得多，電流主要從外籠流過，因此起動時外籠起主要作用。對應的機械特性如圖3-12b曲線1。 由于外籠電阻較大，可以產生較大的起動轉矩，所以外籠也被稱為起動籠。 正常運行時，轉子電流頻率很低，轉子漏電抗遠小于電阻，內外籠的電流分配決定于電阻，內籠電阻小，電流大部分從內籠流過，產生正常工作時候的電磁轉矩，所以把內籠稱為運行籠。 對應的機械特性如圖3-12b曲線2。 雙籠型異步電動機的機械特性應是曲線1和曲線2的合成，如圖曲

29、線3。 雙籠型異步電動機起動轉矩大，并且改變內、外籠的參數就可以得到不同的機械特性曲線，以滿足不同負載的要求。 雙籠型異步電動機的功率因數和過載能力較低，而且工藝復雜，成本較高。因此一般只用于小容量重載起動的場合。四、三相繞線轉子異步電動機的起動四、三相繞線轉子異步電動機的起動 與籠型異步電動機相比，三相繞線轉子異步電動機起動性能較好，適合于中、大容量異步電動機重載起動。 繞線轉子異步電動機的起動有轉子串頻敏變阻器起動和轉子串電阻分級起動兩種方法。 圖3-13 三相繞線轉子異步電動機轉子串頻敏變阻器的起動a）線路圖 b）頻敏變阻器等值電路 c）機械特性1.1.轉子串頻敏變阻器起動轉子串頻敏變阻

30、器起動 頻敏變阻器，實質是一個鐵損耗很大的三相電抗器，它的鐵芯是由較厚的鋼板疊成，三個繞組分別繞在三個鐵芯柱上，并作星形連接，然后接到轉子集電環上，見圖3-13a所示。 當繞組內通過交流電時，鐵芯內產生鐵耗，頻敏變阻器一相的等效電阻如圖3-13b所示。 起動時，開關2Q斷開，轉子串入頻敏變阻器，當開關1Q閉合，電動機接通電源開始起動。 起動瞬間，s=1，f2=sf1=f1，頻敏變阻器的鐵芯中與頻率成平方的渦流損耗較大，即鐵耗大，反映鐵耗大小的等效電阻大，這相當于轉子回路中串入一個很大的電阻，從而使起動電流減小，起動轉矩增大。 在起動過程中，隨著轉速上升，轉差率s不斷減小，f2逐漸降低，頻敏變阻

31、器的鐵耗逐漸減小，rm也隨之減小，這相當于在起動過程中逐漸平滑地減小轉子回路中串入的電阻。 起動結束后2Q閉合，切除頻敏變頻器，轉子電路直接短路。 因為頻敏變阻器的等效電阻rm是隨頻率f2的變化而自動變化的，因此稱為頻敏變阻器。 頻敏變阻器，在起動過程中，它能自動、無級地減小電阻，如果參數選擇適當，可以在起動過程中保持轉矩近似不變，使起動過程平穩、快速。這時電動機的機械特性如圖3-13c中曲線所示。 繞線轉子串頻敏變阻器起動，具有結構簡單，價格便宜，運行可靠，維護方便等多種優點，目前已獲得大量廣泛的使用。 為了在起動過程中始終獲得較大的加速轉矩，并使起動過程比較平滑，轉子回路中串電阻應是多級的

32、。在起動過程中逐段地切除，這與直流電動機電樞串電阻起動類似，稱為多級起動。 轉子所串電阻有對稱電阻和不對稱電阻二種情況，下面介紹轉子串對稱電阻的起動過程和起動電阻的計算。 轉子串接電阻分級起動轉子串接電阻分級起動1 1）起動過程）起動過程圖3-14 三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻分級起動a）接線圖 b）機械特性 起動開始時，開關K閉合，接觸器觸點KM1、KM2、KM3斷開，定子繞組接三相電源，轉子繞組串入全部起動電阻，轉子回路總電阻為R3=r2+Rs1+Rs2+Rs3，對應的機械特性如圖3-14b曲線1。 起動瞬間，轉速n=0,轉矩T=T1TL，電動機沿曲線1從a點開始加速。 隨著n上升，T

33、減小，當減到T2時，接觸器觸點KM1閉合 ,切除 Rs3，轉子回路總電阻變為R2=r2+Rs1+Rs2 ，對應的機械特性曲線如圖3-14b曲線2。 切除電阻瞬間，由于轉速不能改變，電動機運行點由b點跳變到c點，T跳變到T1，電動機的n和T從c點沿曲線2變化，到達d點時，T又從T1減小到T2，這時KM2閉合，切除Rs2 ，轉子回路總電阻變為R1=r2+Rs1 ,對應的機械特性曲線如圖3-14b曲線3。 電動機運行點由d點跳變到e點，n和T從e點沿曲線3變化，到達f點時KM3閉合，切除Rs1，轉子繞組直接短接，電動機運行點由f點跳變到曲線4上的g點。 之后，電機沿著曲線4，即固有機械特性轉速上升到

34、負載點h后穩定運行,起動過程結束。故在一定轉速下，電磁轉矩T的大小與轉子電路的總電阻成反比，即 max2mTTssmax21mmTTs ssRsm1TR2 2）起動電阻的計算）起動電阻的計算根據式n=常數，即s=常數時，轉矩T與sm成反比而 在圖中，特性4與特性3相對應的轉子電阻為r2和R1，根據g和f兩點的轉速相等，得 對于d,e兩點則得 對于三級起動可得 1122TRTr1221TRTR32112122RRRTRRrT已知轉子每相電阻r2和起動轉矩比時，各級總電阻為1222123322RrRRrRRr2mmRr在一般情況下，當起動級數為m時，則最大起動總電阻為 從固有特性曲線4和直線n1k

35、構成的相似三角形可得321aggRsrss以下確定m和 ： 在圖3-14中，特性4和特性1在T=T1時，由于T一定時，smR，故sR 由此可得：NNgNgNTTssssTT11由此代入式(3-31)得 321NNRTrs T如起動級數m未知時，將上式兩邊求對數 2mmRr1mNNTsT1NmNTs Tlg)lg(1TsTmNN如推廣到一般情況，將代入上式可得所以 計算起動電阻的步驟： 1 1）當起動級數）當起動級數m已知時，則已知時，則 預選T1 ，計算 驗算T2， T2=T1是否滿足 LTT)2 .11 .1 (2 如不滿足，則應重選較大的T1值或增加起動級數m，重新計算。 )3/(222N

36、NNIEsr 計算r2，用r2和計算各級電阻值2 2）當起動級數未知時，則）當起動級數未知時，則 預選T1和T2，求 計算m，取接近的整數，再修正和T1 計算r2，由r2和值計算各級電阻值 起動電阻每段的電阻值，可由相鄰兩級總電阻值相減得 1121221112.smmmmms mssRRRRRRRRRRRr例例3-43-4： 某生產機械用繞線轉子異步電動機 的部分技術數據為：260kW,380V,166A,577 /min,NNNNPUInr如果負載轉矩TL=0.85TN，試求三級起動電阻值。2253V,2.9NTE11600 5770.038600Nnnsn1max0.850.85 2.92

37、.47NNTTTTNTT4 . 21解解：1） 預選 起動最大轉矩T1一般取為312.220.0382.4NNmNNTTs TT2）驗算T2 21.1 1.2NTT122.41.081.21.022.22NNLNTTTTTT滿足要求 一般取 3）計算各段電阻值 2220.038 2530.0331.732 1663NNNs ErI1122213320.0730.0330.040.1630.0730.090.361 0.1630.198sssRRrRRRRRR1230.040.090.1980.328ssssRRRR12222233322.22 0.0330.0732.220.0330.1632

38、.220.0330.361RrRrRr各級總電阻值： 各段電阻值： 每相起動總電阻：五、三相異步電動機電力拖動系統五、三相異步電動機電力拖動系統 的過渡過程的過渡過程 研究過渡過程的目的是為了減小過渡時間和過渡損耗，滿足不同生產機械對過渡過程的不同要求。 三相異步電動機拖動系統的過渡過程和直流電動機拖動系統一樣，也有電磁過渡過程和機械過渡過程，但是電磁過渡過程對電動機影響不大，所以這里只研究機械過渡過程。 以空載起動為例，用解析法來推導起動過渡過程時間的計算公式，并由此來分析影響起動時間的因素。2375GD dnTdt2max2375mmTGD dnssdtss將異步電動機的機械特性的實用表達

39、式代入上式中，可得1 1異步電動機起動時間的計算異步電動機起動時間的計算空載時，運動方程為代入上式得 11(1) ,dndsns nndtdt 2max12375mmTGDdsnssdtss21max()()2 3752mmmmmsTsGD nssdtdsdsTssss而 將上式整理后可得到計算起動時間的一般公式為 2112()()22ssmmmmstssmmTsTssstdsdsssss 221212ln22mstmmTssstsss將上式兩邊積分，求得起動時間為將s1=1,s2=0.05代入，可得201 0.0511ln1.5220.054mstmmmmmTtSTsss 當Tm一定時,ts

40、t0與sm有關系，而且必然存在一個最佳臨界轉差率smj，它所對應的起動時間最短。 如果空載起動的話，一般認為s達到0.05，起動過程就已結束。00stmdtds10.4074 1.5mjs令 可得 當smj=0.407時，空載起動時間最短，圖3-15給出不同值時的三條機械特性。 其中，smj=0.407時的那條機械特性所包圍的面積最大(圖中陰影部分所示)，所以平均轉矩最大，起動時間最短。 圖3-15 sm不同值時的異步電動機機械特性 由于普通籠型電動機的sm在0.10.15范圍內變化，與0.407相差甚遠，所以起動時間較長。 對于要經常起動、制動的生產機械來說，為提高生產率，縮短起動時間，常采

41、用高轉子電阻的高轉差率異步電動機拖動，而繞線轉子異步電動機則可通過在轉子回路中串電阻的方法來提高sm值，從而縮短起動時間。 2 2異步電動機過渡過程的能量損耗異步電動機過渡過程的能量損耗 分析能量損耗是要了解在過渡過程中能量損耗與哪些量有關，從而尋求減小能量損耗的辦法。 異步電動機起動時能量損耗包括鐵耗、機械損耗和定轉子銅耗，但鐵耗和機械損耗比起銅耗來說小得多，所以在分析時只考慮定轉子的銅耗。 下面僅對異步電動機空載起動情況進行分析。221 1 11 2200ststttstWmI rdtmIr dt212120sttstWm Irrdt221 221CuMPmI rsPsT 1102(1)s

42、ttstrWsTdtr定轉子銅耗可用下式求得如忽略空載電流，則I1-I2 ,代入上式可得由于轉子銅耗可表示為上式可寫成 異步電動機空載起動時，s1=1，s20，將這兩個數值代入上式，可得: 11dddsTJJJdtdtdt （1-s）212222111112221(1)(1)()2SstSrrWsJdsJssrr 空載運行時，TL=0，拖動系統的運動方程式變為： 通過以上分析，可知減少異步電動機過渡過程的能量損耗有下列三種方法： （1）減小拖動系統動能的貯存量。 （2）降低同步轉速。 （3）提高轉子電路的電阻。21121(1)2strWJr例例3-5: 3-5: 有一臺雙速籠型異步電動機 1p

43、 時，111100,2930 / min,2.2NNTPKW nr2N2T275,n1460r/min,2.2NPkW, 2 . 1/,47. 1212rrmkgJ鐵耗和機械損耗忽略。試求： （1）單級起動到最高轉速時電動機 的能量損耗與起動時間；（2）分兩級起動到最高轉速時， 電機的能量損耗與起動時間。2,P 時解解：（1）單級起動時 0023. 0300029303000s, 111111121nnnsssNNg222111122221121W(1)()21123000(1)1.47() (1 1.2)2260159430strJssrrJJrJ能耗 ssssssssTtssTnGDTmN

44、mNTTssmmmstmNTTTNm80. 1023. 01ln096. 0096. 02023. 01264. 0ln2264. 0)717*375300047. 18 . 94(375717)293010095502 . 2(096. 015. 4023. 012221112221111max1121111max21111 起動時間 能耗 第一級：01500r/min12212221500146010.02701500NNNnnsssn，22222121.47(1 1.2)()1500 (10 )39890260stWJJ第二級：15003000r/min12111123000 15000

45、.53000nnsn（2）兩級起動時22222121.47(11.2)()3000 (0.50 )39890260stWJJ由此可見，分級起動比單級起動的能耗幾 乎小一半。 JJWWWststst79780)3989039890( 222起動時間 第一級：01500r/min220.0230NssmNmNnPTNNT1079)1460759550(2 . 2)9550(2222max2122max4 9.8 1.47 15000.214375375 1079mGD nTssTssssssssTtmmmst52. 0027. 01ln112. 0112. 02027. 012214. 0ln22

46、222122222122112. 015. 4027. 0122222TTNmssssssssssTtmmmst5 . 0023. 05 . 0ln096. 0096. 02023. 05 . 0264. 0ln2222211122212 2sstttststst02. 1)50. 052. 0( 222可見，兩級起動比單級起動所需的時間也 短一些。第二級：15003000r/min六、三相異步電動機的軟起動六、三相異步電動機的軟起動 1 1軟起動器工作原理軟起動器工作原理 圖3-16 軟起動器原理示意圖 典型軟起動器的主電路是三相晶閘管調壓器，原理圖如圖3-16所示。 每一相都是由反并聯的兩

47、個晶閘管或者是雙向晶閘管組成。控制晶閘管的觸發角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化,從而實現不同的起動功能。 起動時，調節觸發角，使晶閘管調壓電路輸出電壓從零開始，按照預設的函數關系逐漸增加，電動機的轉矩與定子電壓平方成正比。在轉矩作用下，電動機開始加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在全電壓下運行。 （1 1）限流起動）限流起動 這種起動方式是采用電流閉環的方式控制 電機，使其起動時的電流為一恒值，起動電 流及起動時間均可在一定范圍內預先調整。 但具有難以確定起動壓降，且起動時間較 長的缺點，所以主要用于輕載起動的負載。2 2軟起動的類型軟起動的類型 （2 2）斜坡電壓起動）斜坡電壓起動

48、 起動電壓由小到大呈斜坡線性上升，它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級。 剛起動時，電壓迅速上升到初始轉矩相對應的電壓，然后依設定的起動時間逐漸上升，直至達到電網額定電壓。 起動過程中的轉矩特性呈拋物線型上升，對拖動系統不利，且起動時間長，有損于電動機。同時，由于不限流，在電機起動過程中，有時要產生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網影響較大。 在電機起動過程中，保持電機的起動轉 矩按照線性上升的規律進行起動。 該起動方法的優點:起動平滑，能更好 地保護拖動系統，延長拖動系統的使用壽 命，同時降低電機起動時對電網的沖擊。 缺點:起動時間稍長。 此種起動方式主要用在重載起動。（3 3）轉矩控制起動

49、）轉矩控制起動 這種起動與轉矩控制起動相仿也是用在重載起動，不同的是在起動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜轉矩，使電機起動，之后過程與轉矩控制相同，讓轉矩按某一規律平滑上升，這種起動方式也縮短了起動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負載。（4 4）轉矩加突跳控制起動）轉矩加突跳控制起動第四節第四節 三相異步電動機的制動三相異步電動機的制動 三相異步電動機的制動方法有能耗制動、反接制動、回饋制動三種。 本節主要分析和討論各種制動方法的原理、機械特性及制動過程。 三相異步電動機的制動也是使電動機的電磁轉矩與轉速反向，成為阻礙運動的轉矩，使電動機轉速由某一穩定轉速迅速降為零的過程或者使電動機產生

50、的轉矩與負載轉矩相平衡，保持拖動系統的下降速度恒定。 1 1制動原理制動原理 圖3-17 三相異步電動機能耗制動a）接線圖 b）制動原理一、能耗制動一、能耗制動制動時，KM1斷開，定子繞組脫離交流電源，同時KM2閉合，定子繞組任意兩相通入直流電流I- 在定子繞組中產生一個直流恒定磁場。而轉子由于慣性繼續旋轉，轉子切割此直流恒定磁場，在轉子繞組中產生感應電動勢和感應電流，用右手定則判斷出感應電流方向。 根據左手定則判斷出轉子繞組電流與恒定 磁場所產生的電磁轉矩的方向與轉速方向相 反，為制動性質的轉矩，電機進入制動狀態。 在此制動轉矩作用下，轉速逐漸下降，當轉速降為0時，感應電動勢、感應電流和制動

51、轉矩都為0，制動過程結束。 由于在制動過程中，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路的電阻上，所以稱為能耗制動。式中， ，叫做能耗制動轉差率 22211222122mvmvrm pI xsTrfxxs1vnsn2 2機械特性機械特性能耗制動時機械特性表達式能耗制動時的機械特性如圖3-18所示。 圖3-18 異步電動機能耗制動時的機械特性 曲線1為轉子回路不串電阻的機械特性。曲線2為轉子回路不串電阻但直流勵磁電流較大時的機械特性。曲線3為轉子回路串電阻的機械特性。機械特性曲線的特點：1）當直流勵磁一定，而轉子電阻增加時，產生最大制動轉矩時的轉速也隨之增加，但是產生的最大轉矩值不變。2）轉子電路電阻不

52、變，而增大直流勵磁時，則產生的最大制動轉矩增大，但產生最大轉矩時的轉速不變。 在圖3-18中，設電動機原來在電動狀態的A點穩定運行，制動瞬間，由于轉速不能突變，工作點由A點跳變到曲線1上的B點。 在B點，TB0, n0, 電磁轉矩與轉速方向相反，電機進入到制動狀態。 之后電機延著機械特性1減速，直到n=0時,T=0，制動過程結束。 3 3制動過程制動過程 如果負載是反抗性恒轉矩負載，則電機將停轉，實現快速制動。 如果是位能性負載，當制動到n=0時，若不立即使用機械閘把電動機轉子制動住，那么電動機將在位能性負載轉矩的拖動下反轉，特性曲線延伸到第象限，直到電磁轉矩與負載轉矩相平衡時，轉速才穩定下來

53、。 對于三相鼠籠式異步電動機，取對于三相繞線式異步電動機，取 式中，I0-異步電動機的空載電流； r2-轉子每相繞組的電阻。 023II222(0.2 0.4)3NBrNERrI03.55II4 4能耗制動經驗公式能耗制動經驗公式 能耗制動是異步電動機常用的一種制動方法，它廣泛應用于要求平穩準確停車的場合，也可用于起重機一類帶位能性負載的機械來限制重物下放的速度，使重物保持勻速下降，只需改變直流電流I-的大小(通過調節電位器R來改變)或改變轉子回路所串電阻值，則可達到目的。 當異步電動機轉子磁場和定子磁場的旋轉方向相反時，電動機便處于反接制動狀態。 反接制動有兩種情況: 保持定子磁場的轉向不變

54、，而轉子在位能性負載作用下反轉，這種情況下的制動稱為轉子反轉的反接制動。 轉子轉向不變，將定子電源兩相反接，使定子磁場方向改變，這種情況下的制動稱為定子兩相反接的反接制動。二、反接制動二、反接制動 （1 1）制動原理）制動原理 圖3-19 異步電動機轉子反轉的反接制動a）制動原理 b）機械特性1 1轉子反轉的反接制動轉子反轉的反接制動 若KM閉合時，電動機拖動系統原來運行于固有機械特性1上的A點，并以轉速nA提升重物G，在第象限。 若KM斷開，轉子中串入電阻RBr ，這時異步電機機械特性變為曲線2。 由于轉速不能突變，工作點由A點跳變到B點，由于在B點處TBTL,轉速開始下降，沿機械特性2下降

55、到轉速為零的C點，BC這一段就是提升重物速度逐漸降低直至零的一段，電機仍處在電動狀態下運行。 C點的電磁轉矩Tc還小于負載轉矩TL,重物G將迫使電動機的轉子反向旋轉，重物開始下放，直到D點，TD=TL ，拖動系統將以轉速nD穩定運行，重物下降速度保持穩定。 在CD這一段，電機的電磁轉矩與轉速方向相反，負載轉矩為拖動轉矩，拉著電動機反 轉而電磁轉矩起制動作用，因此這種制動又稱為倒拉反接制動，機械特性在第象限。 要實現轉子反轉的反接制動，必須同時具備兩個條件： 繞線轉子異步電動機轉子回路串入足夠 大的電阻。 電動機在位能性負載下反拖。 這種制動方式可限制重物的下放速度。 這種制動只能用于繞線式異步

56、電動機。11()1snnn 21 22() 1BrPm IrRss1s 0P（2 2）能量關系）能量關系轉子反轉的反接制動時，轉差率:這時從軸上輸出的機械功率:由于顯然說明此時軸上輸出是負的，即輸入機械功率，這是由位能性負載提供的。即電磁功率仍由定子側經氣隙傳遞到轉子。21 22()0MBrPmIrRs此時的電磁功率:這時的轉子銅耗：221 22221 221 22()()() 1cuBrBrBrMPmIrRmIrRs mIrRssPP 這表明，由位能負載提供的機械功率和由 電源輸入的電磁功率全部消耗在該電動機轉 子電路的電阻上。其中一部分消耗在轉子繞 組本身的電阻上，另一部分則消耗于轉子外

57、接制動電阻上。圖3-20 異步電動機定子兩相反接的反接制動a）制動原理圖 b）機械特性2. . 定子兩相反接的反接制動定子兩相反接的反接制動 （1 1）制動原理）制動原理 設拖動系統原來運行于正向電動狀態，穩定工作點在固有機械特性上的A點，現在把定子兩相繞組出線端對調。 由于定子電壓的相序反了，定子旋轉磁場方向相反，對應的同步速度變為-n1，對應的機械特性如圖中的曲線2。 在改變定子電壓瞬間，由于轉速不能突變，工作點由A跳變到B。 B點對應的電磁轉矩是負的，而轉速方向未變，電機進入到制動狀態，電機沿機械特性曲線2轉速逐漸下降，直到C點轉速為零，制動結束。 對于繞線式異步電動機來說，為了限制兩相

58、反接瞬間電流和增大制動電磁轉矩，通常在轉子中串入制動電阻RBr，這時對應的機械特性如圖中曲線3。制動機械特性在第象限。 制動過程結束后，由于拖動負載不同，電機將進入不同的工作狀態，如制動目的僅是想快速停車，則在轉速接近零時，立即切斷電源，否則，機械特性曲線就進入第象限。 如果電動機拖動的是反抗性恒轉矩負載，而且在C（C）點的電磁轉矩大于負載轉矩，則電機將反向起動到D（D）點，穩定運行。CD（CD）這一段是電機的反向電動狀態。 如果拖動的是位能性恒轉矩負載，電動機會在位能性負載作用下，一直反向加速到E(E)點。 E(E)點的速度絕對值 大于同步速n1 。 En且 段的電磁轉矩與轉速方向相反。 D

59、E DE s1是反接制動的特點，因此能量關系與轉子反轉的反接制動時相同，即拖動系統所貯存的動能被電動機吸收，變為軸上輸入的機械功率，與由定子傳遞給轉子的電磁功率一起，全部消耗在轉子電路的電阻上。 定子兩相反接制動廣泛應用于要求迅速停車和需要反轉的生產機械上。 111nnsn（2 2）能量關系）能量關系定子兩相反接時，三、回饋制動三、回饋制動 1 1回饋制動的概念回饋制動的概念 如果用一原動機，或者其它轉矩（如位能性負載）去拖動異步電動機，使電動機轉速高于同步轉速，即： 1nn110snnn 這時異步電動機的電磁轉矩T將與轉速n反向，起制動作用。20sE22222220arEsIrxs轉子感應電

60、動勢：轉子電流的有功分量： 無功分量：22222220rE xIrxs 從上兩式可看出，當s0時，轉子電流有功分量改變了方向，而無功分量方向不變。 圖3-21 電動狀態的相量圖 圖3-22 回饋制動狀態的相量圖 圖3-21、圖3-22所示為異步電機在電動狀態和回饋制動狀態下的相量圖。 在電動機運行狀態： 1111 110,2,cos0sPmU I說明電機從電網吸收電功率，輸出機械能 。 在回饋制動狀態： 1111 112,cos0PmU I說明電機向電網輸送有功功率。 由分析可知，回饋制動必須滿足兩個條件： 電機處在制動狀態。 電機向電源回饋能量。 在生產實踐中，異步機的回饋制動有正向回饋制動