第6章三相异步电动机的电力拖动

1、 出版社 理工分社电机及拖动基础1 出版社 理工分社电机及拖动基础26.1 6.1 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 机械特性是指电压与频率一定的情况下转速与电磁转矩机械特性是指电压与频率一定的情况下转速与电磁转矩之间的关系曲线之间的关系曲线n=f(T),n=f(T),它是异步电动机最重要的特性。它是异步电动机最重要的特性。一、物理表达式一、物理表达式二、参数表达式二、参数表达式022emTTCI cos 221122211122emRm pUsTRf(R)( XX )s 说明：电磁转矩与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（）、结构参数（R R

2、、X X、m m、p p）和运行参数（）和运行参数（s s）有关。）有关。6.1.1 6.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式三相异步电动机机械特性的三种表达式 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的有功分量有功分量 相互作用产生的相互作用产生的。022cosI 出版社 理工分社电机及拖动基础3 出版社 理工分社电机及拖动基础4 出版社 理工分社电机及拖动基础5 出版社 理工分社电机及拖动基础6 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 曲线曲线)(emTfn 出版社 理工分社电机及拖动基础7在特性曲线上有两个最

3、大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令转差率，可令 求得求得: : 0 dsdTemmTNTT 222212112mRRsXXR( XX ) 221111221121111244mm pUm pUTf ( XX )fRR( XX ) 最大转矩与额定转矩之比称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力: :2 2、 越大，越大， 越大；越大； 与与 无关。无关。2R2RmsemT1 1、 与与 成正比；成正比； 与与 无关。无关。mT21UmT1U3 3、 和和 都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比mTms 出版社 理工分社电机

4、及拖动基础8在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩时的转矩: : ) 1( 0sn211222112122stm pU RTf( RR )( XX ) 结论：当其它参数一定时结论：当其它参数一定时1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。ststNTKT 4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数 出版社 理工分社电机及拖动基

5、础9三、实用表达式三、实用表达式2memmmTTssss 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：求出实用表达式。方法是：9550NNNPTn mTNTT 11NNnnsn 将将T Tm m和和s sm m代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式。利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式： 出版社 理工分社电机及拖动基础106.1.26.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性一、固有机械

6、特性一、固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：几个特殊点：A AB BC CD1.起动点A:01emstn,s,TT 2.最大转矩点B:mmemmnn ,ss ,TT 3.额定运行点CNmemNnn ,ss ,TT 4.同步运行点D100emnn ,s,T 出版社 理工分社电机及拖动基础11二、人为机械特性二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的

7、机人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。械特性。1. 1. 降压时的人为机械特性降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 下降后下降后, 和和 均下降均下降, 但但 不变不变, 和和 减少。减少。1UmTstTmsstkT 如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行, 下降后下降后, 下降下降, 增大增大, 转子电流因转子电流因 增大而增增大而增大大,导致电机过载。长期欠压导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减过载运行将使电机过热，减少使用寿命。少使用寿命。1Uns22sEsE 222212112m

8、RRsXXR( XX ) 出版社 理工分社电机及拖动基础122. 2. 定子回路串接三相对称电阻时的人为机械特性定子回路串接三相对称电阻时的人为机械特性 串电阻后，串电阻后，Sm,Tm,TstSm,Tm,Tst都随都随着着RfRf的增大而减小。一般用的增大而减小。一般用于鼠笼式异步电动机的降压于鼠笼式异步电动机的降压启动启动 出版社 理工分社电机及拖动基础13 定子回路串接三相对称电抗定子回路串接三相对称电抗串接电抗后，串接电抗后，Sm,TstSm,Tst都将随都将随着电抗的增大而减小。着电抗的增大而减小。此线路也是用于鼠笼式异步此线路也是用于鼠笼式异步电动机的降压启动，以限制电动机的降压启动

9、，以限制启动电流启动电流 出版社 理工分社电机及拖动基础144. 4. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后, , 、 不变，不变， 减小减小。nmTms在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻， 减小。减小。stT1ms stmTT stT 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。为机械特性。1 0TstTmTems n0n1sm

10、R2TstsmR2+Rs用于绕线式异步电动机的启动和调速用于绕线式异步电动机的启动和调速 出版社 理工分社电机及拖动基础156.2 6.2 三相鼠笼式异步电动机的启动方法三相鼠笼式异步电动机的启动方法鼠笼式异步电动机的启动方法，有直接启动与降压启鼠笼式异步电动机的启动方法，有直接启动与降压启动两类。动两类。6.2.1 6.2.1 直接启动直接启动 启动原理：启动时，通过一把闸刀或接触器，将电动启动原理：启动时，通过一把闸刀或接触器，将电动机的定子绕组直接接通额定电压的电源。这种方法启动转机的定子绕组直接接通额定电压的电源。这种方法启动转矩可达到（矩可达到（1-2.21-2.2）TNTN，但启动

11、电流很大，可达到（，但启动电流很大，可达到（4-74-7）IN.IN.过大的启动电流会引起电网电压的波动。过大的启动电流会引起电网电压的波动。适用场合：一般功率在适用场合：一般功率在7.5KW7.5KW以下的电动机均可采用直接以下的电动机均可采用直接启动。如果供电变压器容量相对于电动机功率比较大，符启动。如果供电变压器容量相对于电动机功率比较大，符合下面的公式也可以用直接启动合下面的公式也可以用直接启动 )kW()kVAkI电电动动机机容容量量电电源源容容量量（341 出版社 理工分社电机及拖动基础166.2.2 6.2.2 降压启动降压启动 降压启动是通过启动设备使定子绕组在启动开始时承受降

12、低降压启动是通过启动设备使定子绕组在启动开始时承受降低了的电压，待电机转速上升到一定值时，再使定子绕组承受额了的电压，待电机转速上升到一定值时，再使定子绕组承受额定电压而稳定运行。定电压而稳定运行。（1 1）定子串电阻或电抗降压启动）定子串电阻或电抗降压启动（2 2）自耦变压器降压启动）自耦变压器降压启动（3 3）星三角（）星三角（Y Y）启动）启动 出版社 理工分社电机及拖动基础17（1 1）定子串电阻或电抗降压启动）定子串电阻或电抗降压启动启动原理：启动时，先使得接触器启动原理：启动时，先使得接触器KM1的主触点闭合，的主触点闭合，使电机串入使电机串入RST启动，当转速上升到一定值，将启动

13、，当转速上升到一定值，将KM2的主触的主触点闭合，点闭合，KM1断开，使电动机定子绕组加全电压正常运行。断开，使电动机定子绕组加全电压正常运行。串电抗器时，用串电抗器时，用XST代替代替RST即可即可 出版社 理工分社电机及拖动基础18设设a a为启动电流所需降低的倍数，为启动电流所需降低的倍数，U1U1为定子绕组所加电压的额定值为定子绕组所加电压的额定值结论：采用这种方法启动，能降低启动电流，但启动转矩下降的更多，只适合空结论：采用这种方法启动，能降低启动电流，但启动转矩下降的更多，只适合空载或轻载载或轻载适用场合：串电阻启动设备简单，初投资小，但能耗大，适用于中小型电动机。适用场合：串电阻

14、启动设备简单，初投资小，但能耗大，适用于中小型电动机。串电抗的设备投资大，能耗小，适用于功率大，电压较高的电动机串电抗的设备投资大，能耗小，适用于功率大，电压较高的电动机 出版社 理工分社电机及拖动基础19（2 2）自耦变压器降压起动）自耦变压器降压起动启动原理：启动时，先使启动原理：启动时，先使KM2和和KM3的主触点闭合，的主触点闭合，将自耦变压器原边接电源，二次侧抽头接电动机使得降压启将自耦变压器原边接电源，二次侧抽头接电动机使得降压启动。当转速上升到一定值，将动。当转速上升到一定值，将KM2和和KM3断开，断开，KM1闭合，闭合，使电动机全压运行，同时自耦变压器脱离电源使电动机全压运行

15、，同时自耦变压器脱离电源优点：启动电流和启动转矩可以适优点：启动电流和启动转矩可以适当调节，且降低的倍数相同。可带当调节，且降低的倍数相同。可带重负载运行重负载运行缺点：设备复杂，重量重，价格贵，缺点：设备复杂，重量重，价格贵，不允许频繁启动不允许频繁启动 出版社 理工分社电机及拖动基础20 出版社 理工分社电机及拖动基础21(3) Y-(3) Y- 降压起动降压起动 启动原理：启动时，先使启动原理：启动时，先使KM1KM1和和KM3KM3的主触点闭合，将的主触点闭合，将KM2KM2断开，定子绕组接成星形，当电机的转速升到一定值，将断开，定子绕组接成星形，当电机的转速升到一定值，将KM3KM3

16、断开，断开，KM1KM1和和KM2KM2闭合，定子绕组改为三角形接法稳定闭合，定子绕组改为三角形接法稳定运行运行优点：设备简单，维护省事，操作方便启动优点：设备简单，维护省事，操作方便启动电流小电流小 缺点：启动转矩小，且不可调缺点：启动转矩小，且不可调适用场合：适用于空载或轻载启动且正常运适用场合：适用于空载或轻载启动且正常运行的三角形接法的电动机行的三角形接法的电动机 出版社 理工分社电机及拖动基础226.2.3 6.2.3 软启动软启动随着电力电子技术的发展，异步电动机的一种新的启随着电力电子技术的发展，异步电动机的一种新的启动方法动方法软启动应运而生。软启动的基本原理是在交流软启动应运

17、而生。软启动的基本原理是在交流电源和电动机之间接入晶闸管电路电源和电动机之间接入晶闸管电路启动原理：每相串接两个反并联的晶闸启动原理：每相串接两个反并联的晶闸管或串联一个双向晶闸管管或串联一个双向晶闸管VT,VT,启动时通过启动时通过控制角的大小，使电动机的启动电流和控制角的大小，使电动机的启动电流和启动转矩按设定的要求进行变化，可以启动转矩按设定的要求进行变化，可以得到不同的启动性能。得到不同的启动性能。方法：（方法：（1 1）恒流软启动：适用于启动机）恒流软启动：适用于启动机械惯性较大的负载机械。（械惯性较大的负载机械。（2 2）斜坡恒流）斜坡恒流软启动：适用于空载或轻载启动和负载软启动：

18、适用于空载或轻载启动和负载转矩随转速上升的泵类负载转矩随转速上升的泵类负载(3) (3) 脉冲恒脉冲恒流软启动；适用于重载启动流软启动；适用于重载启动 出版社 理工分社电机及拖动基础23 特点特点 （1 1）变有触点启动为无触点启动，）变有触点启动为无触点启动， （2 2）变有极控制为无极控制）变有极控制为无极控制 （3 3）从硬件调节过度到软件调节）从硬件调节过度到软件调节 （4 4）从机械自动化过度到智能自动）从机械自动化过度到智能自动化化6.2.4 6.2.4 高启动性能的三相鼠笼式异步电动机高启动性能的三相鼠笼式异步电动机为了改善鼠笼式异步电动机的启动性能，可以改变转子槽为了改善鼠笼式

19、异步电动机的启动性能，可以改变转子槽形，利用形，利用“集肤效应集肤效应”使启动时转子电阻增大，从而增大使启动时转子电阻增大，从而增大启动转矩并减小启动电流，在正常运行时转子电阻又能自启动转矩并减小启动电流，在正常运行时转子电阻又能自动变小，基本上不影响运行性能。有深槽式和双鼠笼式两动变小，基本上不影响运行性能。有深槽式和双鼠笼式两种种（1 1）深槽式异步电动机）深槽式异步电动机特点：转子的槽窄而深特点：转子的槽窄而深 出版社 理工分社电机及拖动基础24 图（图（a)a)由于下面部分导体由于下面部分导体所匝连的漏磁通比上部分导所匝连的漏磁通比上部分导体所链的槽漏磁通大，漏电体所链的槽漏磁通大，漏

20、电抗较大，电流密度较小，而抗较大，电流密度较小，而上部导体的电流密度较大。上部导体的电流密度较大。使得整个导条的电流密度上使得整个导条的电流密度上大下小，称为集肤效应。如大下小，称为集肤效应。如图图C C 所示，转子电阻所示，转子电阻R2R2增大，增大，从而增大启动转矩，减小启从而增大启动转矩，减小启动电流，集肤效应逐渐减弱，动电流，集肤效应逐渐减弱，相当于相当于R2R2逐步减小，使得运逐步减小，使得运行性能不受影响行性能不受影响 出版社 理工分社电机及拖动基础25（2 2）双鼠笼式异步电动机）双鼠笼式异步电动机特点：转子上有特点：转子上有两套鼠笼，即上笼两套鼠笼，即上笼1 1和和下笼下笼2

21、2，两笼间有很大，两笼间有很大的缝隙隔开，上笼电的缝隙隔开，上笼电阻较大，相当于增加阻较大，相当于增加了转子电阻，下笼电了转子电阻，下笼电阻小。利用集肤效应阻小。利用集肤效应，使得启动时转子电，使得启动时转子电阻增大，从而增大启阻增大，从而增大启动转矩，较小启动电动转矩，较小启动电流流 出版社 理工分社电机及拖动基础26 结论结论 ：两种电动机都可改善启动性能，但因较普：两种电动机都可改善启动性能，但因较普通鼠龙式转子的漏抗大，使定子功率因数及最大通鼠龙式转子的漏抗大，使定子功率因数及最大转矩较低，用铜（铝）量大，制造复杂，价格较转矩较低，用铜（铝）量大，制造复杂，价格较贵。贵。 适用场合：用

22、于启动性能要求略高于普通鼠笼式适用场合：用于启动性能要求略高于普通鼠笼式异步电动机和容量较大的场合异步电动机和容量较大的场合 出版社 理工分社电机及拖动基础27图6.16 双鼠笼式异步电动机的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础286.3 6.3 三相绕线式异步电动机的启动方法三相绕线式异步电动机的启动方法三相鼠笼式异步电动机直接启动时，启动电流很大三相鼠笼式异步电动机直接启动时，启动电流很大，降压启动时，启动转矩又变小，当大、中容量的电动机，降压启动时，启动转矩又变小，当大、中容量的电动机需要重载启动时，既要启动转矩大，又要启动电流小，鼠需要重载启动时，既要启动转矩大，又要启动电流小，鼠

23、笼式异步电动机就无法满足要求，这时应采用三相绕线式笼式异步电动机就无法满足要求，这时应采用三相绕线式异步电动机，在转子回路串电阻或频敏变阻器启动，既能异步电动机，在转子回路串电阻或频敏变阻器启动，既能降低启动电流，又能增大启动转矩，一举两得。降低启动电流，又能增大启动转矩，一举两得。 出版社 理工分社电机及拖动基础296.3.1 6.3.1 三相绕线型异步电动机的起动三相绕线型异步电动机的起动一、转子回路串电阻起动一、转子回路串电阻起动 启动原理：在转子回路中串联适当的电启动原理：在转子回路中串联适当的电阻阻, ,既能限制起动电流，又能增大起动转既能限制起动电流，又能增大起动转矩。矩。 为了有

24、较大的起动转矩、使起动为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。切除起动电阻。 出版社 理工分社电机及拖动基础30 电动机由电动机由a a点点开始起动，经开始起动，经bcdebcdef ghf gh，完，完成起动过程。成起动过程。起动过程起动过程 出版社 理工分社电机及拖动基础31二、转子串频敏变阻器起动二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。 起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏断开，转子串入频敏变阻器变

25、阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。闭合，电机通电开始起动。起动时起动时, , ,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大, ,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻 大大, ,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。随着子回路串入一个较大电阻。随着 上升上升, , 减小减小, ,铁损减少铁损减少, ,等效电阻等效电阻 减小减小, ,相当于逐渐切除相当于逐渐切除 , ,起动结起动结束束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。电路直接短路。 21ff n2fmRmR 出版社 理工分社电机及拖动基础326.4 6.4 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速由异

26、步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s 出版社 理工分社电机及拖动基础336.4.1 6.4.1 变极调速变极调速改变定子的极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。这种改变定子的极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。这种方法适用于鼠笼式异步电动机。而绕线式异步电动机需同时改方法适用于鼠笼式异步电动机。而绕线式异步电动机需同

27、时改变定，转子绕组的接法，才能改变极数。变定，转子绕组的接法，才能改变极数。一、变极原理一、变极原理以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定子，定子绕组产生绕组产生4 4极磁场：极磁场：反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组产生，定子绕组产生2 2极磁场：极磁场： 出版社 理工分社电机及拖动基础34 出版社 理工分社电机及拖动基础35 出版社 理工分社电机及拖动基础36 出版社 理工分社电机及拖动基础376.3.2 转子串频敏变阻器启动绕线式异步电动机转子回路串电阻启动，每级都要同时切除一段三相电阻，所需开关和电阻器较多，控制线路复杂，

28、当级数较多时，设备更为复杂和庞大，不仅增大投资，且维护麻烦。如果采用频敏变阻器，就可克服上述缺点。 出版社 理工分社电机及拖动基础38图6.19 频敏变阻器的结构示意图 出版社 理工分社电机及拖动基础39图6.20 转子串频敏变阻器时的等效电路 出版社 理工分社电机及拖动基础40图6.21 转子串频敏变阻器时的机械特 出版社 理工分社电机及拖动基础416.4 6.4 三相异步电动机的调速方法三相异步电动机的调速方法6.4.1 变极调速（1）变极原理（2）典型的变极线路及其机械特性（3） YY变极调速（4）多速电动机 出版社 理工分社电机及拖动基础42图6.22 定子绕组改接以改变定子极对 出版

29、社 理工分社电机及拖动基础43 出版社 理工分社电机及拖动基础44图6.23 常用的两种三相绕组的改接方法 出版社 理工分社电机及拖动基础45图6.24 Y-YY变极调速的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础46图6.25 异步电动机-YY接的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础476.4.2 变频调速（1）变频电源（2）从基频向下调速 出版社 理工分社电机及拖动基础48 出版社 理工分社电机及拖动基础49图6.26 Uf1=常数向下变频调速时的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础50图6.27 Ef1=常数向下变频调速时的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础51图6.28 U

30、1=UN向上变频调速时的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础526.4.3 改变转差率调速(1)转子回路串电阻调速(2)串级调速1)串级调速原理2)串级调速的机械特性3)晶闸管串级调速系统（3)调压调速（4）电磁转差离合器调速 出版社 理工分社电机及拖动基础53图6.29 绕线式异步电动机转子回路串电阻调 出版社 理工分社电机及拖动基础54 出版社 理工分社电机及拖动基础55 出版社 理工分社电机及拖动基础56图6.30 串级调速时的机械特性 出版社 理工分社电机及拖动基础57图6.31 晶闸管串级调速系统 出版社 理工分社电机及拖动基础58图6.32 改变异步电动机定子电压 出版社 理工分社电机及拖动基础59图6.33 转子电路电阻较高时改变 出版社 理工分社电机及拖动基础60图6.34 异步电动机改变定子电压 出版社 理工分社电机及拖动基础61图6.35 异步电动机改变定子电压 出版社 理工分社电机及拖动基础62图6.36 电磁转差离合器调速 出版社 理工分社电机及拖动基础63图6.37 电磁转差离合器转矩的