电机与拖动基础课件：第8章 三相异步电机的启动与制动-2

1、电机与拖动第八章三相异步电机的启动与制动 7/26/20221背景介绍以交流电动机为动力源的电力拖动系统为交流电力拖动系统。交流电动机有异步电动机和同步电动机，目前交流电力拖动系统中的电动机多数是三相异步电动机。和直流电动机一样，异步电动机也存在起动、调速和制动问题；当三相异步电动机拖动各种类型的负载运行时，工作点也会分布在四个象限之内，三相异步电动机各种运行状态的定义方法与直流电动机一致。2本章主要内容8.1 三相异步电动机的直接起动 8.2 三相笼型异步电动机的降压起动 8.3 高起动转矩的三相笼型异步电动机8.4 绕线式三相异步电动机的起动8.5 三相异步电机的各种运行状态 38.1三相

2、异步电动机的直接起动对异步电动机起动的基本要求主要有：足够大的起动转矩起动电流限制在允许范围内起动时间要满足要求，起动设备要简单、经济、可靠。异步电机的起动性能主要用起动电流倍数 和起动转矩倍数 等几项指标来描述。4直接起动电流特性与固有机械特性 起动电流（KI=47）很大起动转矩（KT=0.91.3）并不大 8.1三相异步电动机的直接起动5异步电动机直接起动时，较大的起动电流会造成一些不良影响。对电动机本身的影响异步电机没有换向问题，可以承受短时大电流。（限制每小时频繁启动的次数）8.1三相异步电动机的直接起动6对供电电源和其他负载的影响；异步电机启动时，启动电流大，使供电变压器的输出电压下

3、降。供电变压器相对容量很大，电压下降不多，影响不大；供电变压器相对容量不大，电压下降多10%，会产生不利影响对电机，TsU2，负载较重时，可能起不动。影响其他负载的正常运行。变压器额定容量相对电动机不是足够大，不能直接启动电动机起动瞬间对负载会造成一定的机械冲击8.1三相异步电动机的直接起动78.1三相异步电动机的直接起动在供电变压器容量较大、电动机容量较小时，三相异步电动机可以直接起动。(通常，7.5 kW以下的小容量异步电动机都可以直接起动)直接起动的优点是操作和起动设备都很简单，缺点是起动电流很大。要满足起动要求，一般情况下 。 88.1三相异步电动机的直接起动根据简化等值电路 9第八章

4、8.2 三相笼型异步电动机的降压起动 10三相笼型异步电动机的降压起动当电网容量不够大而不能采用直接起动时，根据起动电流与端电压成正比的关系，可以采用降低电压的办法来减小起动电流，简称降压起动。降压起动只适用于对起动转矩要求不高的场合。常用的降压起动方法主要有定子串接电抗器起动、Y-起动、自耦变压器起动和延边三角形起动等。11三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动 ABCC1C1C1C2C2C2M电动机起动时，接触器C2闭合、C1断开，电抗器X串入定子回路；起动完毕后，触点C1闭合，把电抗器X切除，电动机进入正常运行状态。 12三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动 （a）直接

5、起动 （b）定子串电抗起动13三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动近似把短路阻抗看成电抗性质14三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动三相异步电动机定子串电抗降压起动时，电动机线电压从 降到 ，起动线电流从 降到 。15三相笼型异步电动机的降压起动显然，定子串电抗器起动降低了起动电流，但起动转矩降低的更多。因此，定子串电抗器起动只能用于空载和轻载起动。16三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动电抗X的计算（Y连接）（连接）17三相笼型异步电动机的降压起动定子串接电抗器起动若定子回路串接的电抗器换成电阻，即定子回路串电阻起动，也属于降压起动，能够降低起动电流。但由于外串

6、电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中大型异步电动机很不经济。18三相笼型异步电动机的降压起动Y-起动对于运行时定子绕组接成形的三相笼型异步电动机，为了减小起动电流，可以采用Y-降压起动方法。19三相笼型异步电动机的降压起动Y-起动C3C3C3C1C1C1ABCC2C2C2起动开始时，接触器触点C1和C2闭合，电动机定子绕组接成Y接，待转速升高到一定程度后，接触器触点C2断开，触点C3闭合，定子绕组改成接，电动机进入正常运行状态。 20三相笼型异步电动机的降压起动Y-起动ABCZXYABC（a）直接起动电动机直接起动时，定子绕组接 ABCZYX（b）Y-起动21三相笼型异步电动机的降压起动Y-起

7、动ABCZYX（b）Y-起动Y接和接时起动线电流比值为 上式说明，Y-起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的 ，但是，对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的1 / 3。 22三相笼型异步电动机的降压起动Y-起动ABCZYX（b）Y-起动若直接起动时起动转矩为 ，Y-起动时起动转矩为 ，则起动转矩与起动电流降低的倍数一样，都是直接起动的1 / 3。 23三相笼型异步电动机的降压起动Y-起动一般要求起动时， 故有 适合轻载起动。Y-起动方法简单，只需一个Y-转换开关（做成Y-起动器），价格便宜，在轻载起动条件下应该优先采用。为了实现Y-起动，电动机定子绕组三相共六个出线

8、端都要引出来。24三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动 C1C1C1ABCC2C2C2C1C1M起动时，触点C1闭合，定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，待电动机的转速升高到一定程度后，触点C1断开而触点C2闭合，自耦变压器切除，电动机定子绕组直接接到三相电源上，电动机进入正常运行状态。 25三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动 降压起动与直接起动相比，电动机起动电压的关系为降压起动与直接起动相比，电动机起动电流的关系为26三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动降压起动与直接起动相比，供电变压器提供起动电流的关系为自耦变压器降压起动时电机的起动转矩 与直接起动时起

9、动转矩 之间的关系为27三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动 采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，起动电压降低到原来的 ，起动电流与起动转矩降低到原来的 。28三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动 实际上，起动用的自耦变压器备有几个抽头供选用。例如QJ2型有三个抽头，分别为55%（即 为55%）、64%、73%（出厂时接在73%抽头上）；QJ3型也有三个抽头，分别为40%、60%、80%（出厂时接在60%抽头上）。29三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动优缺点：自耦变压器降压起动与定子串电抗起动相比，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失的较少；与Y-起动相

10、比，有几种抽头供选用，比较灵活。自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步电动机上被广泛应用。30三相笼型异步电动机的降压起动自耦变压器降压起动 三相笼型异步电动机起动方法的比较 起动方法起动电压相对值（电动机相电压）起动电流相对值（供电变压器线电流）起动转矩相对值起动设备直接起动111最简单串电抗起动uuu 2一般Y-起动1/31/3简单，只用于接380V电机自耦变压器uu 2u 2较复杂，有三种抽头可选31三相笼型异步电动机的降压起动延边三角形起动延边三角形起动是在Y-起动方法基础上加以改进的一种新的起动方法。它要求电动机每相有三个出线端，三相共有九

11、个出线端。电动机起动时，定子绕组的一部分接成三角形，一部分接成星形；当起动结束后，电动机绕组改接成三角形接法。32三相笼型异步电动机的降压起动延边三角形起动 D1D7D4D2D8D5D6D9D3D2D4D1D7D8D6D9D3D533三相笼型异步电动机的降压起动延边三角形起动 匝数比k不同时绕组电压、起动电流与起动转矩情况 k绕组电压比起动电流比起动转矩比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 s34三相笼型异步电动机的降压起动延边三角形起动延边三角形起动时的起动转矩比Y-起动时大

12、。延边三角形起动还可以选定适当的绕组抽头比，以满足起动电流和起动转矩的要求，但是电动机绕组制成后抽头比便不能随意变动。绕组要引出抽头，制造工艺麻烦。35三相笼型异步电动机的降压起动本节所介绍的几种笼型异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此它们只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则经常需要起动转矩较大的异步电动机。加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式异步电动机，可在转子回路内串电阻；对于笼型异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值。36第八章8.3 高起动转矩的三相笼型异步电动机 37高起动转矩的三相笼型异

13、步电动机对于重载起动的笼型异步电动机来说，前面介绍的几种方法已经不能满足起动的需要，必须采取其他的措施来提高起动转矩。高起动转矩的笼型异步电动机包括转子电阻值较大的异步电动机、深槽式异步电动机和双笼异步电动机等几种类型其中后两种都是从转子槽形入手，利用“集肤效应”（也称趋肤效应）来达到起动时转子电阻较大而正常运行时转子电阻自动变小的要求。38高起动转矩的三相笼型异步电动机转子电阻值较大的笼型异步电动机 使用电阻率高的导体、降低导体面积。起动电流降低，起动转矩上升，正常运行时转子铜耗增加，效率下降。转子电阻 39高起动转矩的三相笼型异步电动机转子电阻较大的笼型异步电动机 1普通鼠笼；2高转差率；

14、3起重冶金；4力矩式JHO2,浇注式，合金铝或转子小槽,适用于冲击性负载，如冲床，锻压机等JZ2,浇注式，合金铝或转子小槽，适用于频繁启动制动的起重冶金设备JLJ,焊接式，紫黄铜，适用于恒张力恒线速传动设备，如卷取机40高起动转矩的三相笼型异步电动机深槽式笼型异步电动机 电流密度沿槽高各点高度转子槽形深而窄，其深度与宽度之比为1020。41高起动转矩的三相笼型异步电动机深槽式笼型异步电动机起动时，s=1，转子电流频率f2=sf1=f1最高，槽底部分链的漏磁通多，转子槽底的漏电抗大，电流小，电流有被挤到导条槽口的趋势，这种现象称为集肤效应或趋表效应。当电机正常运行时，s很小，转子电流频率小，转子

15、漏抗小，转子电流由电阻决定，集肤效应不明显。42高起动转矩的三相笼型异步电动机深槽式笼型异步电动机深槽式异步电动机机械特性 与普通异步电动机相比较，深槽式异步电动机转子槽漏抗较大，它的功率因数稍低，最大转矩倍数稍小。1243高起动转矩的三相笼型异步电动机双笼异步电动机两套并联的鼠笼，外笼导条截面积小，电阻率高，内笼导条截面积大、电阻率低。外笼内笼44高起动转矩的三相笼型异步电动机双笼异步电动机起动时，转子电流频率高，集肤效应使电流主要在外笼，转子电阻增大，起动电流小，起动转矩大。运行时，转子电流频率低，内笼电阻小，电流大，内笼起主要作用。双鼠笼异步电动机比普通异步电动机转子漏电抗大，功率因数稍

16、低，但效率却差不多。双鼠笼异步电动机不像深槽式异步电动机转子槽很深，因此具有较好的机械强度，适用于高转速大容量的电机。12345高起动转矩的三相笼型异步电动机同容量笼型异步电动机的主要技术数据 高启动转矩的鼠笼型异步电机，或采用电阻率高的材料，或改变转子槽形利用集肤效应，增大转子电阻来提高启动转矩，但降低了效率或功率因数。型式特点P N / kWK IK T mcos 普通鼠笼107.01.42.00.870.88双鼠笼高起动转矩107.02.02.00.860.87高转差率105.52.62.70.79起重冶金专用105.233.383.710.780.8346作业：习题：8.18.3思考题

17、：8.18.547作业：习题：8.58.7思考题：8.68.1948第八章8.4 绕线式三相异步电动机的起动 49绕线式三相异步电动机的起动由于大型电动机容量大，起动电流对电网冲击较大，又因带重载，负载要求电机提供较大的起动转矩，显然前述笼型异步电动机降压起动方法很难同时满足这两个要求；绕线式异步电动机就显示出明显的优势。只要转子回路串的电阻合适，就可降低起动电流，同时增大起动转矩，因而绕线式三相异步电动机可以应用在重载和频繁起动的生产机械上。50绕线式三相异步电动机的起动转子串频敏变阻器起动转子串电阻分级起动51绕线式三相异步电动机的起动转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器是一个三相铁心线圈，在

18、交变磁场下铁心中产生涡流和磁滞损耗，这两种损耗与交变磁场的频率的平方成正比。频敏变阻器的使用相当于变压器的空载运行，铁心损耗对应于变压器的励磁电阻。频敏变阻器的励磁阻抗比一般变压器励磁阻抗小很多，特意将单位铁心损耗做得很大，因此励磁电阻很大。52绕线式三相异步电动机的起动转子串频敏变阻器起动 起动时，励磁电阻大，起动电流小，起动转矩大。转速增大以后，转子频率sf1下降，铁心损耗下降，励磁电阻自动变小。KKABC53绕线式三相异步电动机的起动转子串频敏变阻器起动电机在几乎整个启动过程中始终保持较大电磁转矩；铁心由厚铁板或厚钢板制成，设备比较笨重复杂。54绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起

19、动转子外加电阻随着转子转速的上升逐级减少，电机的临界转差率从起动开始的1附近逐渐减少，使起动过程中转矩始终保持较大。C2C2C1C1C3C355绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起动起动步骤：接触器C1、C2、C3断开，从a点启动；电动机转速升高到b点时 ，接触器C3闭合；电动机转速继续升高到d点，电动机的电磁转矩，接触器C2闭合；电动机转速又继续升高，到达f点时，电动机的电磁转矩，接触器C1闭合；电动机转速又继续升高，经过h点后，最后稳定运行在j点。 TLTmT2T1r2Rs1Rs2Rs3abdgcejfh56绕线式三相异步电动机的起动作图法计算启动电阻：将机械特性近似看做直线（0ss

20、m），确定启动级数；根据理想空载点和额定运行工作点画出固有机械特性；确定最大启动转矩和切换转矩，一般 ；做第一级启动机械特性，确定启动点a（sa=1，Ta=T1）和切换点b；确定第二级启动机械特性启动点c（sc，Tc=T1）和切换点d ；余下机械特性以此类推。 TLTmT2T1r2Rs1Rs2Rs3abdgcejfhn157绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起动于是，若T=常数（恒转矩负载），则有当0ssNx2 63绕线式三相异步电动机的起动忽略空载机械损耗时转子机械功率为转子电阻为 64绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起动例8-3计算步骤：计算转子每相电阻选择切换转矩或启动转矩

21、计算启动转矩比校核计算各级电阻65可以得到最大启动转矩；转子回路只串联电阻，启动过程中功率因数比串联频敏变阻器要高；启动电阻同时还可用作调速电阻。绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起动优点66绕线式三相异步电动机转子回路串电阻起动，需在起动过程中逐级切换电阻，控制设备复杂；要想获得良好的起动特性，需要较多的起动级数，特别是大容量电动机，所需起动设备投资多，维修不太方便；启动过程中能量损耗大，不经济；每次切除一段电阻时，切除瞬间电动机的电流和转矩突然变大，造成机械冲击。绕线式三相异步电动机的起动转子串电阻分级起动缺点67绕线式三相异步电动机的起动利用电力电子技术，将软起动器（或称固态软起动

22、器）应用于电动机起动，可以使电动机起动平稳，对电网冲击小，还可以实现电动机软停车、软制动、电机的过载和缺相保护、轻载节能运行等。软起动的方式主要有四种，即斜坡电压软起动、恒流软起动、斜坡恒流软起动和脉冲恒流软起动。与传统起动设备相比，软起动器具有更好的起动控制性能和保护性能，随着它的推广和应用，软起动器将很快成为替代传统起动设备的产品。68第八章8.5 三相异步电机的各种运行状态 69三相异步电机的四象限运行交流电力拖动系统运行时，在拖动各种不同负载的条件下，若改变异步电动机电源电压的大小、相序及频率，或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异步电动机就会运行在四个象限的各种不同状

23、态。异步电动机的各种运行状态的定义方法和直流电动机一致。70三相异步电机的四象限运行电动运行 能耗制动 反接制动过程 倒拉反转运行 回馈制动运行 电磁转矩与转速方向一致电磁转矩与转速方向相反71三相异步电机的四象限运行电动运行123正向电动运行反向电动运行1固有机械特性；2降低电源频率的人为机械特性；3电源相序为负序（ABC）时的固有机械特性72三相异步电机的四象限运行能耗制动-切除电源，直流电通入定子回路K1ABCK2+NS73三相异步电机的四象限运行能耗制动 根据电磁感应定律和电磁力定律，可以判断，在上述能耗制动过程中，电磁转矩始终为制动性质的转矩。从而将转子动能转变成电能消耗在转子电阻上

24、，使转子发热，当转子动能消耗完，转子就停止转动，这一过程称为能耗制动过程。74三相异步电机的四象限运行能耗制动 分析能耗制动可以用三相交流电流产生的旋转磁动势 等效代替直流磁动势 ，等效的条件如下：保持磁动势幅值不变，即 ；保持磁动势与转子之间的相对转速为 。75三相异步电机的四象限运行能耗制动- Y 接法 ABC+76三相异步电机的四象限运行能耗制动- 接法 +ABC77三相异步电机的四象限运行能耗制动磁通势与转子相对转速为（-n），能耗制动转差率为78三相异步电机的四象限运行转子感应电动势的大小和频率把转子绕组相数、有效匝数和频率折合到定子边，可以得到等值电路。 79三相异步电机的四象限运

25、行能耗制动机械特性忽略铁耗，励磁电流与主磁场同相位。根据定子电流、转子电流和励磁电流之间的向量关系，可得 80三相异步电机的四象限运行能耗制动机械特性忽略铁耗后，有81三相异步电机的四象限运行能耗制动机械特性12能耗制动过程能耗制动运行1固有机械特性；2能耗制动机械特性82三相异步电机的四象限运行反接制动过程-改变电源相序，转子回路串大电阻12反接制动过程反向起动过程K1ABCK2MNS83三相异步电机的四象限运行反接制动过程+ n正向电动运行+ n反接制动过程84三相异步电机的四象限运行反接制动过程反接制动过程中，旋转磁场方向与转子转动方向相反，转差率大于1。这时机械功率 电磁功率 85三相

26、异步电机的四象限运行反接制动过程转子铜耗 转子回路消耗了从电源输入而来的电磁功率及由负载送入的机械功率，数值很大，转子回路中必须串入较大的外电阻。 86三相异步电机的四象限运行与他励直流电动机制动停车一样，三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车，接着反向起动，这就是为了迅速改变转向，提高生产率。反接制动过程中在转子电路串入较大的制动电阻一方面可以限制制动电流，同时可以增大制动转矩。停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，反接制动不能过于频繁。87三相异步电机的四象限运行例8-4计算步骤：计算固有机械特性的额定工作点、最大转矩点以及转子电阻计算反接制动机械特性上的制动开始工作点计算反接制动机械特性上的临界转差率计算转子回路串入的每相电阻88三相异步电机的四象限运行倒拉反转运行-电源不