异步电动机的起动调速

1、电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组2013.5 第十三章第十三章 异步电动机的异步电动机的起动、调速和制动起动、调速和制动第十三章第十三章 异步电动机的起动和调速异步电动机的起动和调速第一节第一节 异步电动机的起动电流和起动转矩异步电动机的起动电流和起动转矩1 1、起动：、起动：从静止加速到工作转速的过程从静止加速到工作转速的过程 它包括它包括: :最初起动状态和加速过程最初起动状态和加速过程. .启动过渡过程短，启动过渡过程短，带载起动能力强带载起动能力强对电网的冲击小对电网的冲击小2 2、要求、要求: :起动时有较大起动转矩起动时有较大起动转矩

2、TstTst; ; 较小起动电流较小起动电流IstIst (P159) (P159)实际上它们实际上它们(Tst;Ist(Tst;Ist) )是一对矛盾是一对矛盾! ! 3 3、直接起动时，启动电流较大、直接起动时，启动电流较大 根据异步电机较准确根据异步电机较准确形等效电路形等效电路:NstIxcxcrUcI222122112)()r (1 22122112)()(1xcxsrcrUcI 所以异步电动机直接起动时所以异步电动机直接起动时NstII11)75( 通通常常较较大大，ststII21 额定运行时额定运行时s=0.02s=0.020.050.05很小很小,I,I2N2N不大不大; ;

3、启动时启动时n n =0=0，s s=1,=1,E E2s2s=sE=sE2 2较大较大,I,I2st2st较大较大, , 也较大。也较大。 把把 s=1 s=1 代入上式得代入上式得启动电流启动电流IstIst：stmIII21 4 4、直接起动时起动转矩较小：、直接起动时起动转矩较小：n=0n=0、s=1,s=1,则：则： 22122122111cxxcrrrUmTst a)a)Z Z1 1较小较小,I,I1st1stZ Z1 1略增略增大大E E1 1略减小略减小m m略减小略减小b)b) 所以，虽然所以，虽然I Istst较大较大, ,但但倍倍。的的（只只有有较较小小，)21Nstst

4、TTT很很小小2 .0cos2,22,222 x xr rr rs st t，但但由由于于虽虽然然知知，由由物物理理表表达达式式：NstststmTJstIIICT2222cos 一一、全压全压直接起动直接起动 把异步电动机定子绕组直接接到额定电压的电把异步电动机定子绕组直接接到额定电压的电网上进行起动。网上进行起动。 v优点：设备简单，操作方便。优点：设备简单，操作方便。v 缺点：缺点：起动电流很大。过大的起动电流会造成较起动电流很大。过大的起动电流会造成较大的线路电压降，影响接在同一台配电网上的其它大的线路电压降，影响接在同一台配电网上的其它电器的正常使用；通常情况下电器的正常使用；通常情

5、况下: I Istst =( 5 =( 5 7 ) 7 )I IN N。频繁起动的，会使电机过电流发热积累，造成异步频繁起动的，会使电机过电流发热积累，造成异步电动机过热损坏电动机过热损坏 。第二节第二节 异步电动机的起动异步电动机的起动 供电容量比异步电动机的容量大得多供电容量比异步电动机的容量大得多, , 起动电流所造起动电流所造成的电压降落不致影响同一电网上的其它电气设备的正常成的电压降落不致影响同一电网上的其它电气设备的正常工作，且工作，且非频繁非频繁起动。起动。 供电变压器的容量与异步电动机容量相差不大则应采取供电变压器的容量与异步电动机容量相差不大则应采取降压措施以限制起动电流。降

6、压措施以限制起动电流。)3(41:NNNstIPSIIK经验公式经验公式电网变压器电网变压器容量容量电机额电机额定功率定功率v应用场合：应用场合：二、降低电压起动二、降低电压起动 降压起动降压起动时，施加低于额定电压的电压。时，施加低于额定电压的电压。电动机的转速电动机的转速上升到接近额定转速后，再切换到额定电压下运行。上升到接近额定转速后，再切换到额定电压下运行。，而而起起动动转转矩矩则则，可可忽忽略略，起起动动时时211212210UTUIIIIIsnstststmNst 可见，降低外加电压起动，可以降低起动电流，但同时降低可见，降低外加电压起动，可以降低起动电流，但同时降低了起动转矩。了

7、起动转矩。 仅适用于对起动转矩要求不高的场合，如风机、仅适用于对起动转矩要求不高的场合，如风机、离心泵等。离心泵等。2M12211PmrTIs根据根据 忽略忽略ImIm，考虑起动时转差，考虑起动时转差s s=1=1，额定运行时转差额定运行时转差s s= =s sN N，可以推导得：可以推导得： 2st1stNN1N()TIsTI优点：优点：平稳可靠，构造简单。平稳可靠，构造简单。stMstjstMstjMMTkTIkIUUk12111M ：降降压压后后起起动动转转矩矩则则降降压压后后起起动动电电流流：降降压压率率设设电电动动机机 结论结论: :转矩下降倍数大于电流下降倍数转矩下降倍数大于电流下

8、降倍数, ,用于轻载起动场合用于轻载起动场合。缺点：缺点： TstTst小。起动性能效果较差。小。起动性能效果较差。1. 1. 定子串电抗器起动定子串电抗器起动 串接电抗器串接电抗器X的大小，可根据的大小，可根据需要降低起动电流的比率求的。需要降低起动电流的比率求的。 定子串接电抗器起动定子串接电抗器起动MK2XBAK1C鼠笼型鼠笼型异步电动机常用降压起动方法有异步电动机常用降压起动方法有4 4种种：MkM1KXxK设计中取：设计中取：电机电机v用自耦变压器后用自耦变压器后,若加在电机绕组若加在电机绕组M M上的电压上的电压: :1BI1N2UstjI1U2NAkUU12 AststjkII

9、则流过电机绕组的电流：则流过电机绕组的电流：21AstAstjBkIKII 则电网提供电流：则电网提供电流：212AststjAkTTkUU ， 结论：结论：T Tstst和和 I Istst 都下降为直接起动的都下降为直接起动的1/1/k kA A2 2 。 优点：优点：不同变比抽头适用不同负载不同变比抽头适用不同负载。 缺点：缺点：体积大，价格高，需维护。体积大，价格高，需维护。1UstI电机电机设直接起动时：设直接起动时：I Istst、T Tstst 自耦变压器的变比为自耦变压器的变比为: : k kA A = N= N1 1/N/N2 2 =U=U1 1/U/U2 2 2. 2. 自

10、耦变压器降压起动自耦变压器降压起动U1LI1ph stI 起动：起动：3111 stphLphIIUUY Y 起动：起动：，311LphUU 311phphII 则：则：3311 stphphstYIIII3311 ststYphphTTUU，又又U1LYstIphU1 phI1 结论：结论：T TstYstY 和和 I IstYstY 都下降为直接起动的都下降为直接起动的 1/31/3。3.3.星形星形- -三角形三角形( (丫丫- - ) )起动起动 适用于正常运行定子绕组按三角形连接的电机。适用于正常运行定子绕组按三角形连接的电机。起动时起动时, ,使定子绕组为星形连接使定子绕组为星形连

11、接, ,待转速上升到额定转速待转速上升到额定转速后后, ,再换接成三角形连接。再换接成三角形连接。4. 4. 延边三角形换接降压起动延边三角形换接降压起动越越小小、接接法法，小小，越越接接近近大大ststLTIYUUZZ111211 越越大大、接接法法，大大，越越接接近近小小ststLTIUUZZ 111211优点：优点：不同抽头对应不同电压变比。不同抽头对应不同电压变比。缺点：缺点：接线复杂，只用于运行接线复杂，只用于运行接法电机，电流下降倍数有限。接法电机，电流下降倍数有限。U1L123456789Z11Z12U1延边三角形延边三角形降压起动降压起动原理图原理图三、增加转子回路电阻起动三、

12、增加转子回路电阻起动 改变鼠笼绕组材料、槽形、绕线型转子绕组串接可改变鼠笼绕组材料、槽形、绕线型转子绕组串接可调电阻等，增加转子回路电阻，从而降低起动电流，提调电阻等，增加转子回路电阻，从而降低起动电流，提高起动转矩，达到改善起动性能的作用。高起动转矩，达到改善起动性能的作用。具体的措施有具体的措施有:1. 1. 改进鼠笼型电动机转子绕组改进鼠笼型电动机转子绕组 采用高电阻率合金铝采用高电阻率合金铝浇注、高电阻率黄铜，或浇注、高电阻率黄铜，或采用减少转子槽形面积设采用减少转子槽形面积设计，提高转子绕组电阻。计，提高转子绕组电阻。0TS1TstTst12转子电阻增大时机械特性转子电阻增大时机械特

13、性)2(2)1(2rr 2.2.采用深槽式鼠笼转子采用深槽式鼠笼转子深槽转子槽漏磁通的分布如图：深槽转子槽漏磁通的分布如图：槽底导体交链漏磁通多，漏电抗越大槽底导体交链漏磁通多，漏电抗越大;靠近槽口导体交靠近槽口导体交链漏磁通少，则漏电抗小。链漏磁通少，则漏电抗小。 起动时，转子电流频率起动时，转子电流频率50Hz50Hz较较高，漏电抗较大，导体电流分配主高，漏电抗较大，导体电流分配主要决定于漏电抗，转子导条电流密要决定于漏电抗，转子导条电流密度从槽口到槽底越来越小，如图度从槽口到槽底越来越小，如图b,b,这种现象称为这种现象称为挤流效应挤流效应。挤流效应。挤流效应使得槽底导体作用很小，实际导

14、体使得槽底导体作用很小，实际导体有效面积减少如图有效面积减少如图c c；相当于转子；相当于转子电阻电阻r2 2增大，减少了起动电流，增增大，减少了起动电流，增大起动转矩，满足了起动要求。大起动转矩，满足了起动要求。Jh（a a） （b b） （c c）深槽转子电流挤流效应深槽转子电流挤流效应 正常运行时，转子正常运行时，转子电流的频率很小（约电流的频率很小（约1 12Hz2Hz），漏电抗很），漏电抗很小，挤流效应基本消小，挤流效应基本消失。导体等效面积变失。导体等效面积变大，转子电阻大，转子电阻r r2 2 减小，减小，满足了运行性能。满足了运行性能。0TS112 深槽式异步机机械特性深槽式异

15、步机机械特性1-1-普通鼠笼；普通鼠笼；2-2-深槽式鼠笼深槽式鼠笼3. 3. 采用双鼠笼转子采用双鼠笼转子图图13-8 13-8 双鼠笼异步机转子槽形双鼠笼异步机转子槽形 原理与原理与深槽式鼠笼深槽式鼠笼转子一样，也是利用转子一样，也是利用挤流效应。挤流效应。4 4、采用绕线式转子、采用绕线式转子 绕线式异步电动绕线式异步电动机，转子绕组可通过机，转子绕组可通过集电环串接外加可调集电环串接外加可调电阻如图：电阻如图：11st2212121()()UIcrcrcRxcx212st12211212()()mrRTUrcrcRxcx 起动时，根据限制起动电流调节串接的电阻起动时，根据限制起动电流调

16、节串接的电阻R R，起动电流，起动电流和起动转矩为和起动转矩为式中式中RR为串接电阻为串接电阻R R的折算值，的折算值，R=kR=ke.e.k ki.i.R R TNKRRRABCTR=大10R=0R=小sTstTstTst可见：可见：线绕转子电机线绕转子电机转转子串电阻子串电阻R R ; ;既可以增既可以增大大T Tstst , ,又可以降低又可以降低I Istst。注意注意: :当当SmSm=1=1时时,Tst,Tst=Tm,=Tm,串更大的电阻串更大的电阻RRmRRm反而会使起动反而会使起动转矩下降。转矩下降。选择适当选择适当R R，使，使s sm m=1=1，可以获得最大起动转可以获得

17、最大起动转矩矩T Tstst= =T Tm m，此时：，此时：2m22112()1()c rRsrxcx计算可得，串接电阻为：计算可得，串接电阻为：222121)(rcxcxrRm TNKRRRABCTR=大10R=0R=小sTstTstTst起动时起动时: : n =0 n =0，s=1s=1，f f2 2=sf=sf1 1=f=f1 1 较大，较大，p pFeFe大大频敏变阻器等频敏变阻器等 效电阻效电阻R Rm m大大I Istst小小,T,Tstst 大。大。过程过程: :n nss f f2 2=sf=sf1 1ppFeFeRRm m，相当于逐渐切除所串，相当于逐渐切除所串电阻，使电

18、阻，使 T Tstst 保持较大值。保持较大值。起动结束起动结束正常运行时：正常运行时：s sN N0.01-0.050.01-0.05，f f2 2 = sf= sf1 1很小很小p pFeFe可可略，略，R Rm m00相当相当切除频敏变阻器。切除频敏变阻器。优点：优点：整个起动过程都有较大的起动转矩和较小的起动电流。整个起动过程都有较大的起动转矩和较小的起动电流。5 5、转子串频敏变阻器起动、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器特点：频敏变阻器特点：P PFeFeff2 2, ,R Rm mff2 2即即: :阻值与频率成正阻值与频率成正比比异步电动机的转速：异步电动机的转速：第三节第三节 笼

19、型笼型异步电动机的调速异步电动机的调速(1)(1)改变电动机的极对数改变电动机的极对数p p变极调速变极调速 （仅适用于笼型仅适用于笼型）; ; (2) (2)改变供电电源的频率改变供电电源的频率f f变频调速；变频调速； (3)(3)改变转差率改变转差率s s调速调速 ：改变外施电压：改变外施电压U U1 1 转子外串附加电阻或转子外串附加电阻或附加电动势附加电动势异步电动机的调速方法：异步电动机的调速方法：pfsnsn1160)1 ()1 (一、变极调速（笼型）一、变极调速（笼型） 改变定子绕组极对数，从而改变同步转速改变定子绕组极对数，从而改变同步转速n n1 1达到调速目的达到调速目的

20、, ,属于属于有级调速有级调速。 变极电动机转子为鼠笼式，它可以随着定子变极电动机转子为鼠笼式，它可以随着定子极对数的改变而自动改变极对数。极对数的改变而自动改变极对数。 变极电机定子绕组的绕制有两种方法：变极电机定子绕组的绕制有两种方法： a a双绕组变极双绕组变极 b b单绕组变极单绕组变极 这里主要讨论这里主要讨论单绕组变极。单绕组变极。spfn1601结论结论: :只要改变另一半绕组线圈的电流方向就可变极只要改变另一半绕组线圈的电流方向就可变极( (极数减半）极数减半）一、变极调速原理一、变极调速原理单绕组变极：定子只有一套绕组，通过不同接法构成不单绕组变极：定子只有一套绕组，通过不同

21、接法构成不同极对数，同极对数，得到两个或多个同步速度得到两个或多个同步速度n n1 1和转子的转速。和转子的转速。SNSNNSSN1234567812345678A1X2A2X1图图1 2P=81 2P=8一相绕组连接线一相绕组连接线SS1234567812345678A1X2A2X1NN图图2 2 2P=42P=4一相绕组连接线一相绕组连接线图图2 2中中 1 1、2 2及及5 5、6 6线圈边电流反向，线圈边电流反向，电机就由电机就由多极多极2P=82P=8( (低速低速)少极少极2P=42P=4( (高速高速) ) 例：例： 二、变极调速二、变极调速注意：注意： 1) 1) 变极调速一般

22、只用于笼型转子电机。变极调速一般只用于笼型转子电机。为使电机正常工作，定转子的极对数必须相等为使电机正常工作，定转子的极对数必须相等, ,笼型笼型转子可以自动调节极对数，而绕线转子电机不能。转子可以自动调节极对数，而绕线转子电机不能。 2)2)变极以后必须将定子任意两相对调变极以后必须将定子任意两相对调, ,以保持转以保持转向不变。向不变。设设高速时高速时P P 对极对极: :A A、B B、C C相位关系为：相位关系为：0 0、120120 、 240240，则则低速时低速时2 2P P 对极对极: :A A、B B、C C相位关系为：相位关系为：0 0、240240、480480（1201

23、20），相），相序与变极前相反序与变极前相反, ,电机将反转。电机将反转。 变频调速是通过改变电源频率来改变电动机旋转磁场变频调速是通过改变电源频率来改变电动机旋转磁场的同步速度，使转子转速随之而变化。的同步速度，使转子转速随之而变化。 变频调速具有：调速范围广、精度高、效率高，且能无变频调速具有：调速范围广、精度高、效率高，且能无级调速等优点，但变频器造价高，维护难级调速等优点，但变频器造价高，维护难.二、变频调速二、变频调速: spfn 1601 变频器电源不仅只是单纯的改变输出电压频率，还要根变频器电源不仅只是单纯的改变输出电压频率，还要根据异步电动机驱动的机械负载类型（如恒转矩、恒功率

24、），据异步电动机驱动的机械负载类型（如恒转矩、恒功率），按一定规律地改变输出电压大小，才能确保电动机正常工作，按一定规律地改变输出电压大小，才能确保电动机正常工作，实现良好调速运行性能。实现良好调速运行性能。所以变频器的变频调速实际上是变所以变频器的变频调速实际上是变频、变压调速。频、变压调速。 由由 知知, ,变频变频f f若不变压若不变压U U则：则：mwkNfEU1111144. 4 变频调速时，变频调速时，通常希望电动机的主磁通通常希望电动机的主磁通 m m保持不变保持不变; ;可见，在其他条件不变时可见，在其他条件不变时: :kfUm11不变，变频需变压使不变，变频需变压使要保持要保

25、持 使使用用。必必须须降降，过过载载容容量量没没有有充充分分利利用用，恒恒转转矩矩恒恒功功率率T,CC)112T22T1NamaammIIITkIITfb下下降降，电电机机性性能能下下降降。流流增增大大，功功率率因因数数，使使磁磁路路饱饱和和，激激磁磁电电Nmfa 1)1. 1. 带恒转矩机械负载调速带恒转矩机械负载调速 这种调速，变频器要按这种调速，变频器要按“U U1 1/ /f f1 1= =常数常数”的规律进行变的规律进行变频变压输出供电，频变压输出供电，这样可以使电机内部磁通和电机过载这样可以使电机内部磁通和电机过载能力保持不变。能力保持不变。分析如下分析如下 ： 121222121

26、21)(fxxrxxrrsm 又又：.Tm11不不变变且且可可使使不不变变，就就不不变变，过过载载能能力力常常数数，只只要要保保持持mmKfU 22112212112111)(22kfUCxxrrcUfpmTm ，12111fxxrxx 在在较较高高频频率率调调速速时时，)a2112121112 fUCxxUfpmTm 线线彼彼此此平平行行。不不同同频频率率的的机机械械特特性性曲曲不不变变变变频频调调速速过过程程保保持持与与频频率率无无关关 1,1fsTTmmm 适适合合恒恒转转矩矩负负载载。基基本本不不变变，则则变变频频调调速速过过程程可可见见：若若保保持持,1mmTkfU 如如图图虚虚线线

27、部部份份；也也略略有有减减小小影影响响不不能能忽忽略略随随之之减减小小电电抗抗参参数数时时在在较较低低,)(,)112111211rfUTrfxxfbm 37.5Hz25Hz0TNTmT50Hz62.5Hz75Hz87.5Hz100Hzn1n恒转矩恒功率12.5Hz2. 2. 带恒功率机械负载调速带恒功率机械负载调速 这种调速变频器要按这种调速变频器要按 = =常数常数”的规律，的规律，进行进行变频变压输出供电的。变频变压输出供电的。 11Uf负负载载，对对于于N NN NP PP P 设变频调速前后各参量加设变频调速前后各参量加“ ”“ ”表示表示; ;则：则：NNNNTT 11fTfTNN

28、kfUfUTTffUUNN 11111111，即即得得：2211m21k1UUTf xf代入式：代入式：.50;50:速速往上常用恒功率变频调往上常用恒功率变频调基频基频速速往下常用恒转矩变频调往下常用恒转矩变频调基频基频工程应用时工程应用时HzfHzf 优点：优点：变频调速范围大，平滑性较高，变频调速范围大，平滑性较高，U U1 1按不同规律变化可按不同规律变化可实现恒功率或恒转矩调速，以适应不同负载要求。实现恒功率或恒转矩调速，以适应不同负载要求。缺点：缺点：a)a)必须有专用变频电源必须有专用变频电源;b);b)低速时过载倍数大为降低。低速时过载倍数大为降低。只适合恒功率负载只适合恒功率

29、负载。则则不变不变时，时，因此，当因此，当，定电压定电压压是不能超过电动机额压是不能超过电动机额另：由于变频器输出电另：由于变频器输出电 mmmNTffSfTUU1,1,ff21N37.5Hz25Hz0TNTmT50Hz62.5Hz75Hz87.5Hz100Hzn1n恒转矩恒功率12.5Hz三、三、改变外施电压改变外施电压( (降压降压) )调速调速a)a)带恒转矩负载时：带恒转矩负载时： 当外施电压当外施电压U U1 1下降为额下降为额定值的定值的x=ux=u1 1/u/uN N倍时，倍时，s s增增加原有值的加原有值的1/x1/x2 2倍，但倍，但s sk k不变，不变，TmTm下降下降x

30、 x2 2倍。倍。 普通鼠笼电机普通鼠笼电机s sN N很小，很小，则则n n调节范围很窄，调速调节范围很窄，调速性能差。性能差。 带恒转矩负载时带恒转矩负载时不宜不宜采用降压调速方法采用降压调速方法 b)b)负载性质为变转矩时：负载性质为变转矩时： 对于转子电阻对于转子电阻r r2 2 较大较大电动机电动机, ,机械特性较软机械特性较软, ,稳定运行区域较宽稳定运行区域较宽; ;如果如果带风机、泵类机械，其带风机、泵类机械，其负载转矩与转速平方成负载转矩与转速平方成正比，即正比，即T TL Lknkn2 2 ; ;采用采用调压调速可以获得较大调压调速可以获得较大的调速范围，有明显的的调速范围

31、，有明显的节能效果节能效果TL转子外串附加电阻转子外串附加电阻: :s sm m R R2 2；n n0 0 和和T Tz z与电压无关与电压无关. .Tst2sk2r2+R2r2+R3Tst1sk1r2+R1TzTz1 0Tst TmTs n0n0skR2A AB B四、绕线型异步电动机转子串接电阻调速四、绕线型异步电动机转子串接电阻调速 当转子回路串入与转子电动势当转子回路串入与转子电动势sEsE2 2频率相同而相位相频率相同而相位相反的附加电动势反的附加电动势E Ef f后，转子电流后，转子电流I I2 2：2 222 222xsrEsEIf五、绕线型转子串级调速五、绕线型转子串级调速f过程：刚串入过程：刚串入E Ef f时时,I,I2 2TTTTL L n ns(sE)s(sE)2 2 II2 2TT直到直到T=TT=Tz z 这这时时nnnn（转速比原来的小）（转速比原来的小） 特点：调速范围小，功率因特点：调速范围小，功率因数低，用于大功率绕线异数低，用于大功率绕线异步电动机步电动机第四节第四节 异步电动机的电磁制动异步电动机的电磁制动 P171P171)()()22 sfTiefaemss相相互互作作用用与与)()()22 sfTiefbemss相相互互作作用用与与的的与与三三相相异异步步电电机机是是一一样样)(11 s sf fT Tn nn nn ns s