李发海电机与拖动基础第四版第八章

1、 第八章第八章 三相异步机的启动与制动三相异步机的启动与制动 8.1 8.1 三相异步机的直接启动三相异步机的直接启动 三相异步机在额定电压下直接启动时，由于主磁通低，功率因数又低，导致启动电流大，而启动转矩并不大的结果。此刻的启动电流（堵转电流） ，而启动转矩（堵转转矩） ，上两式中， 为启动电流倍数， 为启动堵转倍数。 图 8.1 为直接启动时的固有机械特性与电流特性。 图图 8.1 直接启动直接启动 1电流特性；电流特性； 2固有机械特性固有机械特性 小容量异步电动机的启动电流对系统的影响不大，一般可直接启动；但大容量异步电动机启动时，导致变压器输出电压短时下降幅度大，造成如下影响： （

2、1）由于电压太低，电机的启动转矩下降很多，重负载时不 能启动。 （2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，如电灯变暗， 数控设备失常，重载异步电动机停转等。 式（8-1）是启动电流 和启动转矩 的表达式 1SIST (8-1)由上式可知，降低启动电流的方法有：降低电源电压；加大定子边电阻或电抗；加大转子边电阻或电抗。但需注意过份加大转子电阻反而使启动转矩减小。 在供电变压器容量较大时，7.5 kW以下的电机通常可直接启动。8.2 8.2 三相鼠笼式异步电动机降压启动三相鼠笼式异步电动机降压启动 8.2.1 定子串接电抗器启动定子串接电抗器启动 定子串电抗器启动，即启动时将电抗器接入定子电路，

3、启动后切除电抗器，进入正常运行。三相异步电动机直接启动时，每相等效电路如图 8.2(a)所示，8.2 (b)为定子边串入电抗时的等效电路。其表达式为：根据图8.2（b）的等效电路可以得 图图8.2 定子串电抗时的等效电路定子串电抗时的等效电路 (a) 直接启动直接启动 (b) 定子串电抗启动定子串电抗启动由于电机设计时 取值很小，则可认为 。即可把 直接与外串电抗相加。设外串电抗为 X时，电动机定子电压降 与电机直接启动的额定电压 之比为 u，则有： kRkkkkXZRjXkZNU1U(8-2) 显然，定子串电抗启动降低了启动电流，也降低了启动转矩，只适用电机空载和轻载启动。 工程中常根据允许

4、的启动电流 来计算外串电抗 X ，根据（8-2）式得1SI（8-3）其中电动机的短路阻抗为： 在不频繁的启动中，常采用串入水电阻启动。其启动转矩比串电抗启动要大些。 8.2.2 Y-8.2.2 Y- 启动启动 对于定子绕组接成形运行的鼠笼异步电动机，可用 Y- 降压启动法来减小启动电流，接线见图 8.3所示。图图8.3 Y-Y-启动接线图启动接线图当定子绕组 接启动时，每相启动电流为 , 线启动电流为 ，如图 8.4 (a) 。图图 8.4 Y-Y-启动时的启动电流启动时的启动电流(a)(a)直接启动直接启动 (b)Y-(b)Y-启动启动当Y接启动时，如图8.4 (b) 所示，每相启动电压为

5、，每相启动电流为 ，则 ，那么启动电流 为 ，于是有 （8-4） 上式说明采用 Y- 启动，使启动电流降低到直接启动的 三分之一，若直接启动时的启动转矩为 ，Y- 启动时的启动电流为 ，则 此种方法只适用于轻负载启动。 8.2.3 8.2.3 自耦变压器自耦变压器( (启动补偿器启动补偿器) )降压启动降压启动 鼠笼式三相异步电动机采用自耦变压器降压的启动电路如图 8.5 所示。启动时将 K 倒向启动边，转速升高后将 K 倒向运行边。电机进入运行状态。 图 8.6 为其一相电路图， 是自耦变压器的一次电压， 是二（8-5）图图 8.5 自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动图图 8.6自耦变压器

6、降压起动一相电路自耦变压器降压起动一相电路 次电压。根据变压器原理有 及 。式中 分别是自耦变压器一次侧和二次侧的绕组匝数，分别为加额定电压时的一次侧和二次侧电流。 如果加额定电压 直接启动时的启动电流为 ，而以降压后的电压 直接启动，其电流为 ，比较两者间的关系有： 若同样的额定电压 加到自耦变压器绕组一次侧，二次侧接异步电动机，一次侧启动电流为 ，根据前面的式子推出 与 的关系为：（8-6）（8-7）同理可推出自耦变压器启动转矩 与直接启动转矩 的关系为： 由式（8-6）和式（8-7）可知，采用自耦变压器降压启动与直接启动相比，电压降到了原来的 ，启动电流和启动转矩都降到原来的 。 自耦变

7、压器降压启动与串电抗降压启动相比较，在限定电流的同时，启动转矩损失较小；与 Y- 降压启动相比，有几种抽头供选择，较为灵活，且当 较大时启动力矩也较大。但自耦变压器体积大，价格贵、也不能启动重负载。8.2.4 三相反并晶闸管降压启动 用三相反并晶闸管降压启动器启动，即将三相反并晶闸管串联在三相交流电源与被控电动机之间，由控制器控制电机启动如图（8-6）所示。通过控制器改变导通角实现降压启动。 这种启动又称软启动。启动时频率不变，但波形偏离了正弦形，产生了一些谐波，使电机损耗增大，性能变差。其优点是启动电压可由低到高连续可调，避免了启动电流对电网和电机的冲击。图（图（8-7）三相反并联晶闸管软启

8、动）三相反并联晶闸管软启动 8.3 8.3 高启动转矩的三相鼠笼式异步电动机高启动转矩的三相鼠笼式异步电动机8.3.1 8.3.1 转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机 选用电阻率较大的新材料作鼠笼导条，或减小鼠笼导条截面都使鼠笼转子电阻增加，从而使启动转矩、最大转矩、额定转差率都变大，运行段机械特性变软。 高转差率的异步电动机适用于要求启动转矩大或带冲击性负载的机械。但转子电阻大，正常运行时效率较低，该类电动机价格也较贵。 8.3.2 深槽式鼠笼异步电动机深槽式鼠笼异步电动机 深槽鼠笼异步电动机的槽形深而窄，其交流磁通分布不均（槽底部分的漏磁通多，槽口部分的漏磁通

9、少）见图 8.8 (a) 。 电机刚启动时，S=1，转子电流频率 较高，转子漏抗较大，深槽电机就更大，则有 ，转子电流大小主要取决于 ，且电流分布极不均匀，槽底电抗大电流小，槽口电抗小电流大，电流分布见图 8.8 (b) 中的曲线1，这种现象称趋表效应。 图图8.8 深槽式异步电动机深槽式异步电动机(a)槽漏磁通分布槽漏磁通分布 (b) 电流密度电流密度 正常运行时， 很低，转子漏电抗很小， ，转子电流主要取决于电阻，且集肤效应不明显，电流分布见图 8.8 (b) 中的曲线 2 。 所以，深槽电机在启动时由于集肤效应导致转子电阻增大，获得了较大的启动力矩。转速升至正常值后转子电阻也回到正常值，

10、故不会图图 8.9 深槽式异步深槽式异步 电动机机械特性电动机机械特性降低电动机的效率。 深槽式异步电机的机械特性如图 8.9 所示，曲线 1 为普通鼠笼式的，曲线 2 为深槽式的。 深槽式异步电动机转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小。 8.3.3 8.3.3 双鼠笼异步电动机双鼠笼异步电动机 双鼠笼异步电动机转子上装有两套鼠笼，外笼电阻率高、截面小，而内笼电阻率低、截面大。如图 8.10 (a) 所示。 电机启动时，转子电流频率高，内笼电抗大、电流小，外笼电抗小、电流大，外笼起主要作用，外笼又称启动笼。正常运行时，转子电流频率很低，电流分配主要取决于电阻，内笼电流比外笼大，内笼起

11、主要作用，内笼又称运行笼。 图图 8.10 双鼠笼异步电动机双鼠笼异步电动机(a) 转子槽与槽漏磁通转子槽与槽漏磁通 (b) 机械特性机械特性 在图 8.10 (b) 中，曲线 1 为外笼机械特性，曲线 2 外内笼机械特性，曲线 3 为合成机械特性。由曲线 3 可知，双鼠笼异步电动机的启动转矩比较大。 双鼠笼异步电动机比普通异步电动机转子漏抗大，功率因数低，效率相差不大。 总之，加大转子电阻或选用深槽和双鼠笼槽的转子槽形均能增加启动转矩，但前者降低了电动机的运行效率，后者降低了电动机的功率因数。 8.4 8.4 线绕式三相异步电动机的启动线绕式三相异步电动机的启动 线绕式三相异步电动机，可通过

12、转子外接三相对称电阻来增大启动转矩，启动后将外接电阻切除，电动机效率不受影响。 8.4.1 转子串频敏变阻器启动转子串频敏变阻器启动 串频敏变阻器启动的接线如图 8.11 所示。频敏变阻器设计得较为饱和，忽略励磁阻抗时，其阻抗可表示为 刚启动瞬间，S=1 ，频率为 50Hz ，加之饱和，磁滞涡流损耗大，则 较大，同样由于饱和，励磁电流较大，励磁电抗 较小，故有 。可见，串入频敏变阻器后使电流得到了限制，但电流下降并不多，又保证了足够的启动电流；同时由于 功率因数大大提高，启动转矩明显增大。 图图 8.11 线绕式异步线绕式异步机串频敏变阻器启动机串频敏变阻器启动启动过程中，随转速增加转子电流频

13、率 不断降低，导致损耗不断减小，则电阻 不断减小，电抗 也不断减小，启动完毕时，转子电流频率很小， 近似为零，可将频敏变阻器切图图 8.12 转子串频敏变阻器的机械特转子串频敏变阻器的机械特性性 1- 固有特性固有特性 2-人为特性人为特性除。 利用频敏变阻器启动异步电动机可获得启动特性接近最大启动转矩的机械特性，见图 8.12中的的曲线 2 ，曲线 1 为固有机械特性。 8.4.2 转子串电阻分级启动转子串电阻分级启动1. 1.转子串电阻分级启动转子串电阻分级启动 图8.13 为线绕式三相异步电动机转子串电阻分级启动的接线图与机械特性。图图 8.13 转子串转子串电阻电阻 分级启动分级启动

14、(a) 接线图接线图 (b)机械特性机械特性启动过程如下：（1）K1、K2、K3 均闭合，转子串电阻 启动，启动点为曲线 3上的 a 点，启动转矩 ，转速上升。（2）转速沿曲线 3上升至 b 点时，K3 闭合，切断启动阻 ，启动点移至曲线 2 上的 c 点，又获得了足够电磁矩 ，转速继续上升。（3）转速沿曲线 2上升至 d 点时，K2 闭合，切断 ，启动点移至 e 点，并沿曲线 1 继续升速。（4）当转速升至 f 点时，K1 闭合，切断所有外接电阻，启动点移至固有特性上的 g 点，然后继续升速，稳定运行在工作点 j 。3SR1LTT2SR2.作图法计算启动电阻作图法计算启动电阻 在 的范围内，

15、可近似将机械特性看成直线，为计算启动电阻带来方便。设启动级数 m=3，见图 8.13（b）。作图计算启动电阻的步骤如下。（1）通过 n = n1，T=0 和 ， 两点画出固有机械特性。（2）确定最大启动转矩T1和切换转矩T2。通常取 ，取 。（3）通过启动点 与理想空载点，画第一级启动机械特性曲线 3 。（4）经曲线 3上的 b点水平右移至T=T1处，找到第二机械特性0mssNnn9550NNNPTn10.85mTT曲线 2上的 c点，再与理想空载点连接，画出第二级机械特性。（5）用同样的方法画出第三级启动机械特性。（6）从第三级启动特性上的 f 点向右平移至T =T1得到交点 g ，g 点也

16、必须是固有机械特性上的点，即 g 为三条曲线交点时，则作图正确，否则需修改TI、T2大小，重新作图，直至正确。 完成作图后即可计算各级启动电阻完成作图后即可计算各级启动电阻 根据式（7-14）可知，当T为常数时，转子电阻与对应转差率成正比，即 。据此，当T=T1不变时可推出： 进而有：最后推出各级启动电阻为：（8-8）其中，转子绕组为Y接法，每相电阻为： 3.解析法计算启动电阻解析法计算启动电阻 同样将异步机机械特性线性化，根据方程 可推出解析法算电阻的公式。（1）在同一条特性上， 与 为常数，则 T s 。（2）对转子串电阻后的不同机械特性，其 为常数，当 s 为常数时，有: 。 根据上述关

17、系，在不同机械特性上，参阅图 8.13（b）有令 ，为启动转矩比，则有推出启动时各级电阻为： 当 时，由图 8.13（b）可得 在固有机械特性上，根据 T S ，可得 或 把式（8-10）与（8-11）代入式（8-9）中最后一式，解得或把式（8-10）与式（8-12）代入式（8-9）中最后一式解得式（8-13）与式（8-14）为计算启动电阻的依据公式。 8.5 三相异步电动机的各种运行状态 在不同负载的条件下，改变异步机的电源电压、相序、频率及转子所串电阻，异步机就会运行在四个象限的不同状态。 8.5.1 8.5.1 电动运行电动运行 在图 8.14 的机械特性中，第一 象限的工作点，如 A

18、、B 点为正向电动运行状态；第三象限的工作点，如 C 点为反向电动运行状态。电动状态下的电磁转矩为拖动性转矩。 8.5.2 8.5.2 能耗制动能耗制动 1. 能耗制动的基本原理 图图 8.14 三相异步电动机电动运行三相异步电动机电动运行1固有机械特性；2降低频率的人为机械特性；3电源为负相序时的固有机械特性 设异步电动机以转速 n 逆时针电动状态运行，突然切断源，同时将直流通入定子绕组（打开 合上 ）见图 8.15 。此间，由于惯性，电动机转速不能突变，维持逆时针转动，转子绕组中产生感应电流切割直流磁通势，产生顺时针方向的电磁力矩 T 。 图图 8.15 能耗制动能耗制动显然 T 与 n

19、反方向，为制动性转矩，对反抗性恒转矩负载，将逐渐减速直至停转。 上述过程中，将转子动能转换成电能消耗在转子电路中完成制动，故称能耗动。 也可用旋转磁通势 等效代替直流磁通势 来分析，等效的条件为： （1）保持磁通势幅值不变，即 （2）保持磁通势与转子的相对转速不变，为 2. 2. 定子等效电流定子等效电流 在图 8.16（a）中，当 从出线端 A 进 B 出时，则 A 相绕组和B 相绕组分别产生磁通势 和 ，两者幅值相等，空间差 度电角度，如图 8.16（b）所示。图图 8.16 定子通入直流时的磁通势定子通入直流时的磁通势 与 及合成磁通势 的大小为把 等效为每相交流电流有效值为 三相交流磁

20、通势，其幅为：等效的原则是： 等效的结果是：由此推得：3.转差率及等效电路 能耗制动的转差率用 表示为转子绕组感应电动势 的大小为：其频率为： 把转子绕组的相数、匝数、绕组系数及转子频率折合到定子边后，其能耗制动的等效电路如图 8.17 所示。图图 8.17 能耗制动时的等效电路能耗制动时的等效电路4. 4.能耗制动的机械特性能耗制动的机械特性 能耗制动时，忽略电动机铁耗，根据其等效电路画出定子电流 、励磁电流 和转子电流 间的相量关系见图 8.18 。其关系式为：忽略铁耗，则有另有：把式（8-16）、式（8-17）代入式（8-15）得进而推出其机械特性为：图图 8.18 能耗制能耗制动时的电

21、流关系动时的电流关系根据上式画出的能耗制动机械特性如图 8.19 所示。图图 8.19能耗制动机械特性能耗制动机械特性 图图 8.20 能耗制动能耗制动1固有机械特性；固有机械特性；2能耗制动机械特性能耗制动机械特性 图 8.19中，曲线1比曲线2磁通势强、转矩大；曲线3与曲线比，其最大转矩发生了位移，说明转子电阻大。可见，改变励磁电流大小或改变转子绕组电阻值，都可调节能耗制动机械特性。 能耗制动需要有较大的制动转矩又不允许电流过大。采用图8.15的电路时，对鼠笼异步电动机取对线绕式异步电动机取 ， 能耗制动时，电机运行象限的机械特性上，对位能性恒转矩负载，当电机减速到 n=0 后继续反转，最

22、后稳定在第象限的工作点 C，见图 8.20 。此时电磁转矩 T 0 而转速 n0 。 8.5.3 8.5.3 反接制动反接制动 在图 8.21（a）中， 闭合为正向电动运行， 断开 闭合则改变了电源相序，进入反接制动过程。 图图8.21 三相线绕式异步电动机反接制动过程三相线绕式异步电动机反接制动过程 （a）接线图 （b）机械特性 1固有机械特性 2电源相序为负线序、转子串电阻的人为机械特性 图（b）是转子串入较大电阻的恒转矩负载的反接制动机械特性。电动机运行点从A B C到 C 点后， ，可准确车。 因变为负相序， 时，却有 ，机械功率也为负值，即为 0则转子回路的铜秏为可见转子回路中不仅消耗了从电源输入的电磁功率，还吸收了负载的机械功率，故必须串入比启动电阻值还要大一些的电阻。 反接制动停车，在速度降到零时必须切断电源，否则，对位能性或反抗恒转矩负载，电动机将会反方向启动。见