电力拖动：第三章 三相异步电动机的机械特性、起动制动

1、第三章 三相异步电动机的机械特性、起动和制动交流电力拖动系统：以交流电机为电动机拖动的系统。分类：异步电动机 同步电动机目前：交流电力拖动系统中的电动机多数为异步电动机（感应电机）。1工作原理直流电动机与三相异步电动机比较：直流电动机：静止的磁场，以传导当时通入电枢绕组中的电流相互作用，从而产生一种恒定的电磁转矩。三相异步电机：当对称的三相定子绕组通入对称的三相电源时，在定子、转子之间的气隙内建立了旋转磁场（以同步速旋转），转子上的闭合导条被这种旋转磁场的磁力线切割。根据电磁感应定律：转子导条内产生感应电动势，从而产生感应电流，旋转磁场和感应电流相互作用产生电磁转矩来实现拖动作用。2第一节 三

2、相异步电动机机械特性定义：是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机转速n和电磁转矩T之间的关系。 但由于n与s存在一定的关系，所以三相异步电机的机械特性往往用 的形式来表示。3机械特性的表达式表达式有三种：分别是：物理表达式反应电动机的物理本质参数表达式U、R等参数对电磁转矩有何影响实用表达式通过铭牌数据可以算出T4一、物理表达式式中：异步机的转矩系数 异步机每极磁通 转子电路的功率因数5物理表达式的几点讨论：1.三相异步电动机的电磁转矩T是由主磁通和转子电流相互作用产生的（物理意义）2.T和气隙磁通以及转子电流的有功分量成正比；（因为转子电流滞后于转子电势，在气隙磁场同一极

3、性下面的各转子有效导体中，电流方向不完全相同）6物理表达式的局限性：用于物理分析异步电动机在各种运转状态下，转矩和气隙磁通及转子电流有功分量之间的关系，但不能和具体的参数联系起来。不利于定量地分析问题需要参数表达式7二、参数表达式 可得则得8由于异步电动机的电磁功率为分子分母同乘以（1-s），即得 由异步电动机的近似等效电路 得异步电动机的机械特性参数表达式：91. 几个状态2. 4个特殊点三相异步电动机的固有机械特性10临界转差率 使 ，即可求得 P点：最大转矩 由于A点 ：起动转矩起动转矩倍数 TST仅与电动机本身参数有关，与负载无关11说明“+”适用于电动机状态，“-”适用于发电机状态s

4、m和sm关于H点对称Tmax和Tmax只在忽略R1的情况下才能关于n轴对称电机参数不变，f1不变时，Tmax与电压的平方成正比，sm与电源电压无关。12B点：额定工作点H点：同步点，也称为理想空载点13电动机的过载能力为什么要引入过载能力：如果负载转矩大于最大转矩，则电动机将会因为承担不了而停转，为了保证电动机不会因为过载而停转，一般电动机都具有一定的过载能力。（即反映电动机短时过载极限）一般取 = 1.6-3.014T,磁通，转子电流的有功分量三者之间的关系：左手定则；n=f(I2)曲线 曲线n=f(T)曲线15三、实用表达式忽略 R1 得机械特性的实用表达式：16第二节 三相异步电动机的固

5、有机械特性 与人为机械特性一、固有机械特性 固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线 。三相异步电动机的固有机械特性1）起始点A；2）额定工作点B；3）同步转速点H；4）最大转矩点P和P。17二、人为机械特性三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性（一）降低 降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性（二）转子电路内串联对称电阻 转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于

6、调速。 18（三）定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性 定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性（四）定子电路串联对称电阻 与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动 。19例题3120一.异步电动机的起动指标1.起动的要求：起动电流要小，以减小对电网的冲击起动转矩要大，以加速起动过程，缩短起动时间2.异步电动机的实际起动情况：（1）转子电路的电阻降低很多，起动电流显著增加，增加的起动电流还会使电机磁路饱和，使漏抗减小，这又会使电流进一步增大。笼形异步电动机起动电流达

7、额定电流的47倍，某些型号甚至可达812倍第二节 三相笼形异步电动机的起动21过大的起动电流会造成：电动机发热，影响电动机寿命；过大的起动电流还会使电网产生过大的电压降落，影响接在电网上的其他设备的正常运行。（2）起动电流大，但是异步电动机的起动转矩并不大；因为功率因数小起动转矩小则会对需满载起动的机械造成困难。223.要改善异步电动机的起动性能，关键在于设法限制起动电流，增大起动转矩。4.把异步电动机起动分成4种情况：（1）小容量电动机轻载起动（2）中大容量电动机轻载起动（3）小容量电动机重载起动（4）中大容量电动机重载起动23一般规定，异步电动机的功率小于7.5kW时允许直接起动。如果功率

8、大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。一. 直接起动小容量电动机轻载起动如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法 。24还要考虑其他一些因素：起动是否频繁供电线路的距离同一台变压器其他用户的要求25轻载：对起动转矩要求并不高，此时的主要矛盾是电流；降低起动电流的方法，主要靠降低电压；由于笼形异步电动机的转子本身不可能外接任何阻抗，那么只能在定子电路采取措施。二. 减压起动大中容量电动机轻载起动 异步电动机的机械特性参数表达式：26减压起动减小起动电流的同时，也减小了起动转矩；所以，只能用于对起动转矩要求不高的场合。若忽略励磁电流，则： 降低每相绕组电压的

9、措施：（1）定子绕组串电阻或电抗；（2）自耦变压器（3）星形三角形起动（改变定子绕组接法）27（一）定子绕组串电阻或电抗减压起动 笼型异步电动机电阻减压起动的原理图笼型异步电动机电抗减压起动的原理图28等值电路：29注意：（1）降压起动方法虽然降低了起动电流，但起动转矩也显著减小，只适用于空载或轻载起动；（2）串电阻降压起动一般用于低压电动机，串电抗降压起动一般用于高压电动机；（3）降压起动除了限制起动电流，有时以减小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳加速。303. 起动电阻或电抗的计算4. Rk和Xk的估算5. 例题3231（二）自耦补偿减压起动 异步电动机自耦补偿起动的原理线

10、路图32所以通过自耦变压器，电网所提供的起动电流降低为：自耦变压器的减压原理图33总结：与直接起动相比，起动电压降低为 ；电网所提供的起动电流和起动转矩都降低为与定子串电阻电抗相比，同样的起动电流，采用自耦变压器减压起动，电动机可产生较大的起动转矩，所以，可带较大的负载；适用于容量较大的低压电动机作降压起动。34（三）星形一三角形（Y）起动 笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图35在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的 ，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的 ，而星形联结时两者则是相等的。因

11、此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1/3 。 36在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。适用于定子绕组在正常工作时三角形联接的三相异步电动机，且轻载。37三. 小容量电动机重载起动只要矛盾是起动转矩不足解决的办法：1.选择容量大一号的电机2.选择高起动转矩的电动机特殊电机（1）深槽式异步电动机（2）双鼠笼异步电动机38一、深槽异步电动机转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率 仅为13Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻 39二、双笼型异步电动机双笼异步电动机的机械特性双笼型

12、转子的结构与漏磁通这种异步电动机的转子上有两套导条，上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。 40四. 中大容量电动机重载起动要求起动电流小，起动转矩大采用绕线电动机转子串电阻的方法41第三节 三相绕线转子异步电动机的起动对于笼形异步电动机，无论采用哪一种降压起动的方法，在减小起动电流的同时，电动机的起动转矩也随之减小；对于某些重载起动的生产机械，不仅要限制起动电流，而且还要有足够大的起动转矩；在这种情况下，基本排除了采用笼形转子异步电动机的可能性，而采用起动性能较好的绕

13、线式异步电动机。实现方法：转子串接频敏变阻器或转子串接电阻42（一）转子串联频敏变阻器起动 当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大， 值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及 值跟着下降，使电动机起动平滑。 频敏变阻器的等效电路43总结：绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动优点：结构简单，运行可靠，价格便宜，维护方便，能自动操作。因此，目前获得了十分广泛的应用。44（二）转子串联电阻起动在转子回路中串入多级对称电阻，随着电动机转速的增加，逐渐切除起动电阻。453.起动电阻的计算：解析法4.

14、特点：可得到最大的起动转矩，但起动设备复杂，操作维修不便，特别是大容量电动机，转子电流大，切除电阻时，转矩变化大，对机械传动机构冲击大；同时，需要较多的电阻器、开关元件等，设备的投资大。46第四节 三相异步电动机的制动 1、电动运转状态 电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。 电动状态下异步电动机的机械特性2、制动运转状态 异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。 47一、能耗制动 当K1断开，电动机脱离电网时，立即将K2接通，则在定子两相绕组内通入直流电流，在定

15、子内形成一固定磁场。48当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流。根据左手定则，可确定出转矩的方向与转速的方向相反，即为制动转矩。 4950能耗制动经验公式对绕线式异步电动机：求定子直流励磁电流求转子回路所串电阻利用估算的值，可以保证电动机拖动系统的快速停车51转速反向的反接制动时的异步电动机特性异步电动机转速反向反接制动电路图二、反接制动状态 1转速反向的反接制动 52转子轴上机械功率 为负此时的转差率转子由定子输入的电功率即为电磁功率 为正转子电路的损耗 为两者之和，因此能量损耗极大 。53在该制动状态，由位能负载提供的机械功率和电源输入的电磁功率全

16、部消耗在电动机的转子电路的电阻上。特点：可使位能性负载获得稳定的下放速度，但能量损耗大。54异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性2定子两相反接的反接制动 为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由A转移到B此时转差率为 在两相反接时 ，电动机的转矩为T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的BC段。5556在转速接近于0时，若想快速停车，应切断电源；在转速为零的C点，如不切断电源，电动机将反向加速，机械特性进入第三象限，反向的电动状态反抗性负载位能性负载57能量关系：和转子反转一样，系统储存的动能变为轴上输入的机械功率，与定子传递给转子的电磁功率一起，全部消耗在转子电路的电阻上。58三、回馈制动状态 位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态 1.下放重物时的回馈制动转速高于同步速度 时，异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。59602.变极或变频调速过程中的回馈制动61第五节 三相异步电动机的四象限运行一、绕线转子异步电动机注意：对于位能性负载：提升重物时，电动机始终处于电动状态；下放重物时，电动机处于制动状态下放速度低，可采用转子反转的反接制动下放速度高，可采用定子两相反接时