1、電機與拖動第八章三相異步電機的啟動與制動 7/26/20221背景介紹以交流電動機為動力源的電力拖動系統為交流電力拖動系統。交流電動機有異步電動機和同步電動機，目前交流電力拖動系統中的電動機多數是三相異步電動機。和直流電動機一樣，異步電動機也存在起動、調速和制動問題；當三相異步電動機拖動各種類型的負載運行時，工作點也會分布在四個象限之內，三相異步電動機各種運行狀態的定義方法與直流電動機一致。2本章主要內容8.1 三相異步電動機的直接起動 8.2 三相籠型異步電動機的降壓起動 8.3 高起動轉矩的三相籠型異步電動機8.4 繞線式三相異步電動機的起動8.5 三相異步電機的各種運行狀態 38.1三相

2、異步電動機的直接起動對異步電動機起動的基本要求主要有：足夠大的起動轉矩起動電流限制在允許范圍內起動時間要滿足要求，起動設備要簡單、經濟、可靠。異步電機的起動性能主要用起動電流倍數 和起動轉矩倍數 等幾項指標來描述。4直接起動電流特性與固有機械特性 起動電流（KI=47）很大起動轉矩（KT=0.91.3）并不大 8.1三相異步電動機的直接起動5異步電動機直接起動時，較大的起動電流會造成一些不良影響。對電動機本身的影響異步電機沒有換向問題，可以承受短時大電流。（限制每小時頻繁啟動的次數）8.1三相異步電動機的直接起動6對供電電源和其他負載的影響；異步電機啟動時，啟動電流大，使供電變壓器的輸出電壓下

3、降。供電變壓器相對容量很大，電壓下降不多，影響不大；供電變壓器相對容量不大，電壓下降多10%，會產生不利影響對電機，TsU2，負載較重時，可能起不動。影響其他負載的正常運行。變壓器額定容量相對電動機不是足夠大，不能直接啟動電動機起動瞬間對負載會造成一定的機械沖擊8.1三相異步電動機的直接起動78.1三相異步電動機的直接起動在供電變壓器容量較大、電動機容量較小時，三相異步電動機可以直接起動。(通常，7.5 kW以下的小容量異步電動機都可以直接起動)直接起動的優點是操作和起動設備都很簡單，缺點是起動電流很大。要滿足起動要求，一般情況下 。 88.1三相異步電動機的直接起動根據簡化等值電路 9第八章

4、8.2 三相籠型異步電動機的降壓起動 10三相籠型異步電動機的降壓起動當電網容量不夠大而不能采用直接起動時，根據起動電流與端電壓成正比的關系，可以采用降低電壓的辦法來減小起動電流，簡稱降壓起動。降壓起動只適用于對起動轉矩要求不高的場合。常用的降壓起動方法主要有定子串接電抗器起動、Y-起動、自耦變壓器起動和延邊三角形起動等。11三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動 ABCC1C1C1C2C2C2M電動機起動時，接觸器C2閉合、C1斷開，電抗器X串入定子回路；起動完畢后，觸點C1閉合，把電抗器X切除，電動機進入正常運行狀態。 12三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動 （a）直接

5、起動 （b）定子串電抗起動13三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動近似把短路阻抗看成電抗性質14三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動三相異步電動機定子串電抗降壓起動時，電動機線電壓從 降到 ，起動線電流從 降到 。15三相籠型異步電動機的降壓起動顯然，定子串電抗器起動降低了起動電流，但起動轉矩降低的更多。因此，定子串電抗器起動只能用于空載和輕載起動。16三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動電抗X的計算（Y連接）（連接）17三相籠型異步電動機的降壓起動定子串接電抗器起動若定子回路串接的電抗器換成電阻，即定子回路串電阻起動，也屬于降壓起動，能夠降低起動電流。但由于外串

6、電阻上有較大的有功功率損耗，特別對中大型異步電動機很不經濟。18三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起動對于運行時定子繞組接成形的三相籠型異步電動機，為了減小起動電流，可以采用Y-降壓起動方法。19三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起動C3C3C3C1C1C1ABCC2C2C2起動開始時，接觸器觸點C1和C2閉合，電動機定子繞組接成Y接，待轉速升高到一定程度后，接觸器觸點C2斷開，觸點C3閉合，定子繞組改成接，電動機進入正常運行狀態。 20三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起動ABCZXYABC（a）直接起動電動機直接起動時，定子繞組接 ABCZYX（b）Y-起動21三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起

7、動ABCZYX（b）Y-起動Y接和接時起動線電流比值為 上式說明，Y-起動時，盡管相電壓和相電流與直接起動時相比降低到原來的 ，但是，對供電變壓器造成沖擊的起動電流則降低到直接起動時的1 / 3。 22三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起動ABCZYX（b）Y-起動若直接起動時起動轉矩為 ，Y-起動時起動轉矩為 ，則起動轉矩與起動電流降低的倍數一樣，都是直接起動的1 / 3。 23三相籠型異步電動機的降壓起動Y-起動一般要求起動時， 故有 適合輕載起動。Y-起動方法簡單，只需一個Y-轉換開關（做成Y-起動器），價格便宜，在輕載起動條件下應該優先采用。為了實現Y-起動，電動機定子繞組三相共六個出線

8、端都要引出來。24三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動 C1C1C1ABCC2C2C2C1C1M起動時，觸點C1閉合，定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上，待電動機的轉速升高到一定程度后，觸點C1斷開而觸點C2閉合，自耦變壓器切除，電動機定子繞組直接接到三相電源上，電動機進入正常運行狀態。 25三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動 降壓起動與直接起動相比，電動機起動電壓的關系為降壓起動與直接起動相比，電動機起動電流的關系為26三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動降壓起動與直接起動相比，供電變壓器提供起動電流的關系為自耦變壓器降壓起動時電機的起動轉矩 與直接起動時起

9、動轉矩 之間的關系為27三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動 采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相比較，起動電壓降低到原來的 ，起動電流與起動轉矩降低到原來的 。28三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動 實際上，起動用的自耦變壓器備有幾個抽頭供選用。例如QJ2型有三個抽頭，分別為55%（即 為55%）、64%、73%（出廠時接在73%抽頭上）；QJ3型也有三個抽頭，分別為40%、60%、80%（出廠時接在60%抽頭上）。29三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動優缺點：自耦變壓器降壓起動與定子串電抗起動相比，當限定的起動電流相同時，起動轉矩損失的較少；與Y-起動相

10、比，有幾種抽頭供選用，比較靈活。自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶重負載起動。自耦變壓器降壓起動在較大容量鼠籠異步電動機上被廣泛應用。30三相籠型異步電動機的降壓起動自耦變壓器降壓起動 三相籠型異步電動機起動方法的比較 起動方法起動電壓相對值（電動機相電壓）起動電流相對值（供電變壓器線電流）起動轉矩相對值起動設備直接起動111最簡單串電抗起動uuu 2一般Y-起動1/31/3簡單，只用于接380V電機自耦變壓器uu 2u 2較復雜，有三種抽頭可選31三相籠型異步電動機的降壓起動延邊三角形起動延邊三角形起動是在Y-起動方法基礎上加以改進的一種新的起動方法。它要求電動機每相有三個出線端，三相共有九

11、個出線端。電動機起動時，定子繞組的一部分接成三角形，一部分接成星形；當起動結束后，電動機繞組改接成三角形接法。32三相籠型異步電動機的降壓起動延邊三角形起動 D1D7D4D2D8D5D6D9D3D2D4D1D7D8D6D9D3D533三相籠型異步電動機的降壓起動延邊三角形起動 匝數比k不同時繞組電壓、起動電流與起動轉矩情況 k繞組電壓比起動電流比起動轉矩比2:10.66 UN0.43 I s0.43 T s1:10.71 UN0.50 I s0.50 T s1:20.78 UN0.60 I s0.60 T s34三相籠型異步電動機的降壓起動延邊三角形起動延邊三角形起動時的起動轉矩比Y-起動時大

12、。延邊三角形起動還可以選定適當的繞組抽頭比，以滿足起動電流和起動轉矩的要求，但是電動機繞組制成后抽頭比便不能隨意變動。繞組要引出抽頭，制造工藝麻煩。35三相籠型異步電動機的降壓起動本節所介紹的幾種籠型異步電動機降壓起動方法，主要目的都是減小起動電流，但同時又都程度不同地降低了起動轉矩，因此它們只適合空載或輕載起動。對于重載起動，尤其要求起動過程很快的情況下，則經常需要起動轉矩較大的異步電動機。加大起動轉矩的方法是增大轉子電阻。對于繞線式異步電動機，可在轉子回路內串電阻；對于籠型異步電動機，只有設法加大鼠籠本身的電阻值。36第八章8.3 高起動轉矩的三相籠型異步電動機 37高起動轉矩的三相籠型異

13、步電動機對于重載起動的籠型異步電動機來說，前面介紹的幾種方法已經不能滿足起動的需要，必須采取其他的措施來提高起動轉矩。高起動轉矩的籠型異步電動機包括轉子電阻值較大的異步電動機、深槽式異步電動機和雙籠異步電動機等幾種類型其中后兩種都是從轉子槽形入手，利用“集膚效應”（也稱趨膚效應）來達到起動時轉子電阻較大而正常運行時轉子電阻自動變小的要求。38高起動轉矩的三相籠型異步電動機轉子電阻值較大的籠型異步電動機 使用電阻率高的導體、降低導體面積。起動電流降低，起動轉矩上升，正常運行時轉子銅耗增加，效率下降。轉子電阻 39高起動轉矩的三相籠型異步電動機轉子電阻較大的籠型異步電動機 1普通鼠籠；2高轉差率；

14、3起重冶金；4力矩式JHO2,澆注式，合金鋁或轉子小槽,適用于沖擊性負載，如沖床，鍛壓機等JZ2,澆注式，合金鋁或轉子小槽，適用于頻繁啟動制動的起重冶金設備JLJ,焊接式，紫黃銅，適用于恒張力恒線速傳動設備，如卷取機40高起動轉矩的三相籠型異步電動機深槽式籠型異步電動機 電流密度沿槽高各點高度轉子槽形深而窄，其深度與寬度之比為1020。41高起動轉矩的三相籠型異步電動機深槽式籠型異步電動機起動時，s=1，轉子電流頻率f2=sf1=f1最高，槽底部分鏈的漏磁通多，轉子槽底的漏電抗大，電流小，電流有被擠到導條槽口的趨勢，這種現象稱為集膚效應或趨表效應。當電機正常運行時，s很小，轉子電流頻率小，轉子

15、漏抗小，轉子電流由電阻決定，集膚效應不明顯。42高起動轉矩的三相籠型異步電動機深槽式籠型異步電動機深槽式異步電動機機械特性 與普通異步電動機相比較，深槽式異步電動機轉子槽漏抗較大，它的功率因數稍低，最大轉矩倍數稍小。1243高起動轉矩的三相籠型異步電動機雙籠異步電動機兩套并聯的鼠籠，外籠導條截面積小，電阻率高，內籠導條截面積大、電阻率低。外籠內籠44高起動轉矩的三相籠型異步電動機雙籠異步電動機起動時，轉子電流頻率高，集膚效應使電流主要在外籠，轉子電阻增大，起動電流小，起動轉矩大。運行時，轉子電流頻率低，內籠電阻小，電流大，內籠起主要作用。雙鼠籠異步電動機比普通異步電動機轉子漏電抗大，功率因數稍

16、低，但效率卻差不多。雙鼠籠異步電動機不像深槽式異步電動機轉子槽很深，因此具有較好的機械強度，適用于高轉速大容量的電機。12345高起動轉矩的三相籠型異步電動機同容量籠型異步電動機的主要技術數據 高啟動轉矩的鼠籠型異步電機，或采用電阻率高的材料，或改變轉子槽形利用集膚效應，增大轉子電阻來提高啟動轉矩，但降低了效率或功率因數。型式特點P N / kWK IK T mcos 普通鼠籠107.01.42.00.870.88雙鼠籠高起動轉矩107.02.02.00.860.87高轉差率105.52.62.70.79起重冶金專用105.233.383.710.780.8346作業：習題：8.18.3思考題

17、：8.18.547作業：習題：8.58.7思考題：8.68.1948第八章8.4 繞線式三相異步電動機的起動 49繞線式三相異步電動機的起動由于大型電動機容量大，起動電流對電網沖擊較大，又因帶重載，負載要求電機提供較大的起動轉矩，顯然前述籠型異步電動機降壓起動方法很難同時滿足這兩個要求；繞線式異步電動機就顯示出明顯的優勢。只要轉子回路串的電阻合適，就可降低起動電流，同時增大起動轉矩，因而繞線式三相異步電動機可以應用在重載和頻繁起動的生產機械上。50繞線式三相異步電動機的起動轉子串頻敏變阻器起動轉子串電阻分級起動51繞線式三相異步電動機的起動轉子串頻敏變阻器起動 頻敏變阻器是一個三相鐵心線圈，在

18、交變磁場下鐵心中產生渦流和磁滯損耗，這兩種損耗與交變磁場的頻率的平方成正比。頻敏變阻器的使用相當于變壓器的空載運行，鐵心損耗對應于變壓器的勵磁電阻。頻敏變阻器的勵磁阻抗比一般變壓器勵磁阻抗小很多，特意將單位鐵心損耗做得很大，因此勵磁電阻很大。52繞線式三相異步電動機的起動轉子串頻敏變阻器起動 起動時，勵磁電阻大，起動電流小，起動轉矩大。轉速增大以后，轉子頻率sf1下降，鐵心損耗下降，勵磁電阻自動變小。KKABC53繞線式三相異步電動機的起動轉子串頻敏變阻器起動電機在幾乎整個啟動過程中始終保持較大電磁轉矩；鐵心由厚鐵板或厚鋼板制成，設備比較笨重復雜。54繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起

19、動轉子外加電阻隨著轉子轉速的上升逐級減少，電機的臨界轉差率從起動開始的1附近逐漸減少，使起動過程中轉矩始終保持較大。C2C2C1C1C3C355繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起動起動步驟：接觸器C1、C2、C3斷開，從a點啟動；電動機轉速升高到b點時 ，接觸器C3閉合；電動機轉速繼續升高到d點，電動機的電磁轉矩，接觸器C2閉合；電動機轉速又繼續升高，到達f點時，電動機的電磁轉矩，接觸器C1閉合；電動機轉速又繼續升高，經過h點后，最后穩定運行在j點。 TLTmT2T1r2Rs1Rs2Rs3abdgcejfh56繞線式三相異步電動機的起動作圖法計算啟動電阻：將機械特性近似看做直線（0ss

20、m），確定啟動級數；根據理想空載點和額定運行工作點畫出固有機械特性；確定最大啟動轉矩和切換轉矩，一般 ；做第一級啟動機械特性，確定啟動點a（sa=1，Ta=T1）和切換點b；確定第二級啟動機械特性啟動點c（sc，Tc=T1）和切換點d ；余下機械特性以此類推。 TLTmT2T1r2Rs1Rs2Rs3abdgcejfhn157繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起動于是，若T=常數（恒轉矩負載），則有當0ssNx2 63繞線式三相異步電動機的起動忽略空載機械損耗時轉子機械功率為轉子電阻為 64繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起動例8-3計算步驟：計算轉子每相電阻選擇切換轉矩或啟動轉矩

21、計算啟動轉矩比校核計算各級電阻65可以得到最大啟動轉矩；轉子回路只串聯電阻，啟動過程中功率因數比串聯頻敏變阻器要高；啟動電阻同時還可用作調速電阻。繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起動優點66繞線式三相異步電動機轉子回路串電阻起動，需在起動過程中逐級切換電阻，控制設備復雜；要想獲得良好的起動特性，需要較多的起動級數，特別是大容量電動機，所需起動設備投資多，維修不太方便；啟動過程中能量損耗大，不經濟；每次切除一段電阻時，切除瞬間電動機的電流和轉矩突然變大，造成機械沖擊。繞線式三相異步電動機的起動轉子串電阻分級起動缺點67繞線式三相異步電動機的起動利用電力電子技術，將軟起動器（或稱固態軟起動

22、器）應用于電動機起動，可以使電動機起動平穩，對電網沖擊小，還可以實現電動機軟停車、軟制動、電機的過載和缺相保護、輕載節能運行等。軟起動的方式主要有四種，即斜坡電壓軟起動、恒流軟起動、斜坡恒流軟起動和脈沖恒流軟起動。與傳統起動設備相比，軟起動器具有更好的起動控制性能和保護性能，隨著它的推廣和應用，軟起動器將很快成為替代傳統起動設備的產品。68第八章8.5 三相異步電機的各種運行狀態 69三相異步電機的四象限運行交流電力拖動系統運行時，在拖動各種不同負載的條件下，若改變異步電動機電源電壓的大小、相序及頻率，或者改變繞線式異步電動機轉子回路所串電阻等參數，三相異步電動機就會運行在四個象限的各種不同狀

23、態。異步電動機的各種運行狀態的定義方法和直流電動機一致。70三相異步電機的四象限運行電動運行 能耗制動 反接制動過程 倒拉反轉運行 回饋制動運行 電磁轉矩與轉速方向一致電磁轉矩與轉速方向相反71三相異步電機的四象限運行電動運行123正向電動運行反向電動運行1固有機械特性；2降低電源頻率的人為機械特性；3電源相序為負序（ABC）時的固有機械特性72三相異步電機的四象限運行能耗制動-切除電源，直流電通入定子回路K1ABCK2+NS73三相異步電機的四象限運行能耗制動 根據電磁感應定律和電磁力定律，可以判斷，在上述能耗制動過程中，電磁轉矩始終為制動性質的轉矩。從而將轉子動能轉變成電能消耗在轉子電阻上

24、，使轉子發熱，當轉子動能消耗完，轉子就停止轉動，這一過程稱為能耗制動過程。74三相異步電機的四象限運行能耗制動 分析能耗制動可以用三相交流電流產生的旋轉磁動勢 等效代替直流磁動勢 ，等效的條件如下：保持磁動勢幅值不變，即 ；保持磁動勢與轉子之間的相對轉速為 。75三相異步電機的四象限運行能耗制動- Y 接法 ABC+76三相異步電機的四象限運行能耗制動- 接法 +ABC77三相異步電機的四象限運行能耗制動磁通勢與轉子相對轉速為（-n），能耗制動轉差率為78三相異步電機的四象限運行轉子感應電動勢的大小和頻率把轉子繞組相數、有效匝數和頻率折合到定子邊，可以得到等值電路。 79三相異步電機的四象限運

25、行能耗制動機械特性忽略鐵耗，勵磁電流與主磁場同相位。根據定子電流、轉子電流和勵磁電流之間的向量關系，可得 80三相異步電機的四象限運行能耗制動機械特性忽略鐵耗后，有81三相異步電機的四象限運行能耗制動機械特性12能耗制動過程能耗制動運行1固有機械特性；2能耗制動機械特性82三相異步電機的四象限運行反接制動過程-改變電源相序，轉子回路串大電阻12反接制動過程反向起動過程K1ABCK2MNS83三相異步電機的四象限運行反接制動過程+ n正向電動運行+ n反接制動過程84三相異步電機的四象限運行反接制動過程反接制動過程中，旋轉磁場方向與轉子轉動方向相反，轉差率大于1。這時機械功率 電磁功率 85三相

26、異步電機的四象限運行反接制動過程轉子銅耗 轉子回路消耗了從電源輸入而來的電磁功率及由負載送入的機械功率，數值很大，轉子回路中必須串入較大的外電阻。 86三相異步電機的四象限運行與他勵直流電動機制動停車一樣，三相異步電動機反接制動停車比能耗制動停車速度快，但能量損失較大。一些頻繁正、反轉的生產機械，經常采用反接制動停車，接著反向起動，這就是為了迅速改變轉向，提高生產率。反接制動過程中在轉子電路串入較大的制動電阻一方面可以限制制動電流，同時可以增大制動轉矩。停車的制動電阻計算，根據所要求的最大制動轉矩進行。鼠籠式異步電動機轉子回路無法串電阻，反接制動不能過于頻繁。87三相異步電機的四象限運行例8-4計算步驟：計算固有機械特性的額定工作點、最大轉矩點以及轉子電阻計算反接制動機械特性上的制動開始工作點計算反接制動機械特性上的臨界轉差率計算轉子回路串入的每相電阻88三相異步電機的四象限運行倒拉反轉運行-電源不