电机学与拖动基础：第六章 三相异步电动机的电力拖动

本章主要教学内容

1.三相异步电动机的机械特性2.三相异步电动机的启动3.三相异步电动机的制动4.三相异步电动机的调速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是指固定定子电压、频率和绕组参数时，电动机的转速或转差率与电磁转矩之间的函数关系:

或

从异步电动机的内部电磁关系看，电磁转矩的变化是由转差率的变化引起的，转矩随转差率变化的规律为转矩－转差率特性。

6.1.1电磁转矩表达式(2)参数表达式将

代入，有

异步电动机的

曲线

(1)

物理表达式由参数表达式可求得由于，故有;;因此将式中的

略去，实用表达式为(3)

实用表达式整理后可得;6.1.2固有机械特性（利用参数表达式）在U1N和f1N下，按规定接线方式，不外接阻抗的机械特性。

三相异步电动机的固有机械特性(1)

电动状态——

AC段近似为直线，对任何负载均能稳定运行，是机械特性的工作段。

同步运行点A，,,额定运行点B，转速、转差率、转矩、电流和功率都是额定值最大转矩点C，对应最大转矩,临界转差率称为最大转矩倍数或过载能力恒转矩负载在CD段不能稳定运行，风机和泵类负载可以稳定运行，但转差率大，定、转子电流都很大，不宜长期运行。

三相异步电动机的固有机械特性

(2)电动状态——CD段启动点D，，，称为启动转矩倍数上图第Ⅱ象限为发电状态，，，。电磁转矩是制动转矩，电磁功率，向电网回馈电能。三相异步电动机制动电磁转矩示意图

(3)

发电状态上图中曲线1第Ⅳ象限部分为电磁制动状态，，，，称为转速反向的反接制动（绕线型异步电动机）。

(4)

制动状态

一台三相鼠笼型异步电动机定子绕组连接，额定电压，额定转速，电源频，电机等效电路参数：，，，。求额定电磁转矩、临界转差率、最大电磁转矩、过载倍数、启动转矩及启动转矩倍数。例6-1解同步转速为额定相电压为额定转差率为额定转矩为临界转差率为过载倍数为最大转矩为启动转矩为启动转矩倍数为6.1.3人为机械特性(1)降低定子电压人为机械特性三相异步电动机定子降压的人为机械特性

降低定子端电压，同步转速与临界转差率不变，电磁转、最大转矩和启动转矩与成正比例降低。一组过同步运行点，保持不变的曲线簇

降压后的人为机械特性的工作段特性变软，转差率增大，电机的过载能力降低。

(2)定子回路串接三相对称电阻或电抗的人为机械特性定子回路串接对称电阻或电抗的人为机械特性相当于增加定子回路电阻或电抗的值，同步转速

不变，临界转差率、电磁转矩、最大转矩

和启动转矩都减小。一组过同步运行点的曲线簇

人为机械特性的工作段特性变软，转差率增大，电机过载能力降低。

(3)转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性

、不变，、随

增大而增大。

当、后，再增大，反而减小。一组过同步运行点，最大转矩不变的曲线簇

工作点A与工作点B有如下关系：即人为机械特性与固有机械特性上相同电磁转矩的工作点有下关系：当转子Y接时，6.1.4利用电磁转矩实用表达式计算机械特性若已知

（kW），（r/min）、则有：,忽略空载转矩，近似认为，且，则解得：(1)

求固有机械特性的(2)求人为机械特性的

---对转子回路外串电阻已知工作点的负载转矩

和转差率

,则有

(3)求取人为机械特性的转子回路外串电阻的电阻值解得：1)由

可得2)利用临界转差率的值，可得

例6-2

一台三相异步电动机，额定功率，额定电压，额定转速，最大转矩倍数，求转矩的实用公式。解额定转矩额定转差率最大转矩临界转差率转矩实用公式

一台绕线型三相异步电动机，有关参数为：

,

，，转子每相绕组。求（1）使启动转矩，转子每相回路应串多大电阻？

（2）负载转矩，要求电机转速，

转子每相回路应串多大电阻？例6-3解额定转差率临界转差率转子每相应串电阻（1）使，(2)

，时，转子外串电阻B的转差率:转子每相外串电阻解法一：利用图中所示的工作点A与工作点BA的转差率:(因s<sm，下式取减号）(2)

，时，转子外串电阻解法二：利用图中所示的临界工作点C与工作点D6.2三相异步电动机的启动6.2.1直接启动的问题启动电流不能太大，以减小对电网冲击；有足够启动转矩，缩短启动时间；设备简单，价格低廉，便于操作及维护。

启动要求

直接启动问题启动电流很大；启动转矩不大。

解决方法对笼型异步电动机，可采用：直接启动、降压启动、加大定子端电阻或电抗、改进结构、软启动；对绕线型异步电动机，还可以增加转子端电阻或电抗。

6.2.2

笼型三相异步电动机的直接启动

对笼型异步电动机，若负载对启动过程要求不高，且供电电网允许，可采用直接启动方法。

一般

以下的小容量异步电动机可以直接启动。

若供电变压器容量较小，符合下式要求，也允许直接启动。

式中，——启动电流倍数，。若不满足上式，则不能直接启动。

6.2.3

笼型三相异步电动机的降压启动(1)

定子串三相对称电阻或电抗降压启动

令，则有接线图

由定子串电阻启动简化等效电路得：全压启动时：串后启动：说明：此方法适用于轻载或空载。---直接启动（Y接）（D接）若定子串电抗，同理可得解得简化等值电路图

---串电阻启动---估算，也可由短路试验测得

(2)Y-D降压启动方法：启动时Y接正常运行时D接Y-D启动接线图

Y接示意图

D接示意图

改为D形接法因此有，又，故有

启动时电网供给电动机的启动电流为说明：此启动方法也只适用于轻载或空载启动。自耦变压器启动时，从电网吸收的电流(3)

自耦变压器降压启动由自耦变压器原理可知：启动接线图

自耦变压器启动时，，启动一相电路图

自耦变压器启动时，启动转矩说明：此启动方法适用于较大负载启动。(4)

三种降压启动方法比较说明：确定启动方法时，应根据电网允许的最大启动电流、负载对启动转矩的要求及启动设备的复杂程度、价格与维护成本等条件综合考虑。

一台笼型三相异步电动机，定子绕组D接法，相关数据为：，，，，，启动电流倍数，启动转矩倍数，过载能力。供电变压器要求启动电流小于等于150A，负载转矩为。请选择合适的降压启动方法：能采用Y-D启动，优先选用；若采用定子串电抗器启动，需计算电抗数值；若采用自耦变压器降压启动，需从55％、64％、73％三种抽头中确定一种。例6-4解：（1）校验能否采用Y-D启动电机额定转矩最小启动转矩启动电流由于，不能串电抗器启动

（2）校验能否采用定子串电抗启动减压倍数启动转矩不串电抗器启动电流虽然，但，

不能采用Y-D启动

串电抗最大启动转矩（3）校验能否采用自耦变压器启动当抽头为55％时，虽然，但，不能采用55％抽头当抽头为64％时，此时，且，可以采用64％抽头当抽头为73％时，无需计算启动转矩，因为，不能采用73％抽头6.2.4改善启动性能的笼型三相异步电动机

对于笼型异步电动机，改进电机结构可以增大启动时的转子回路电阻，从而增大启动转矩。

转子电阻值较大的笼型异步电动机改变鼠笼金属材料，减小截面积等方法增大转子电阻1—普通笼型2—高转差率3—起重冶金4—力矩式转子电阻较大的笼型异步电动机的机械特性

深槽式笼型异步电动机转子槽形深而窄，通过集肤效应增大启动时的转子电阻深槽式笼型异步电动机转子

(a)槽漏磁通分布(b)槽电流分布(c)等效导条截面深槽式笼型异步电动机转子电流分布图

1—普通笼型2—深槽式笼型深槽式笼型异步电动机的机械特性

双笼型异步电动机安装有两套鼠笼，外笼为启动笼，内笼为运行笼，改变外笼与内笼参数，可以得到不同形状的机械特性双笼型异步电动机转子

1—外笼2—内笼3—双笼双笼型异步电动机的机械特性

6.2.5笼型三相异步电动机的软启动

通过改变定子电压满足启动要求，实质上是一台交流调压器。启动时，控制晶闸管的导通角调节定子电压。利用闭环控制限制启动电流，确保定子电流、电压或转矩按照设定的函数关系变化。启动过程结束，将软启动器切除。异步电动机软启动器的组成框图6.2.5笼型三相异步电动机的软启动

主要实现方法：

电流斜坡启动电压斜坡启动转矩控制启动阶跃启动6.2.6绕线型三相异步电动机的启动

采用转子回路串接三相对称电阻，既能限制启动电流，又能增大启动转矩。启动时，转子回路频率较高，频敏变阻器铁损耗较大，转子回路等效电阻较大，随着转子频率的降低，频敏变阻器作用逐渐减弱，启动结束后，频敏变阻器几乎不起作用。串频敏变阻器接线图(1)串频敏变阻器启动频敏变阻器一相等值电路2-串频敏变阻器启动机械特性

以三级启动为例，逐级闭合开关，转子回路总电阻依次为：，，，

。工作点：(2)转子串电阻分级启动转子回路串电阻分级启动(1)对同一条特性曲线：

利用简化公式(2)对不同特性曲线，跳转点转速相同：

(3)对不同特性曲线，若电磁转矩相同：

工作点：工作点：由(2)转子回路串电阻分级启动有

或跳转点:

由(3)由(1)若已知启动极数m：①按要求或者根据，选取；②由公式，求取；③由

求取，判断是否满足，若满足继续步骤④；若不满足，重新选取

或增加启动级数，重复步骤②；④估算或者试验方法确定；⑤按照上页公式计算各级电阻值。分级电阻的计算若启动级数m未知：①按照要求或根据

和

,选取

,②计算；③由公式

计算启动级数m，取结果的相邻最大整数，根据m值，利用上述公式重新计算，并确定

或具体数值；④估算或者试验方法确定；⑤按照上页公式计算各级电阻值。

一台绕线型三相异步电动机，定子绕组Y接法，相关数据为：，，，，。启动时负载转矩，求转子串电阻三级启动的电阻值。例6-5解:最大启动转矩

取

额定转差率转子每相电阻启动转矩比校验切换转矩，合适各级转子回路外串电阻启动时各级转子回路总电阻6.3.1能耗制动——制动原理

实现方法：将定子绕组切换到直流电源上，旋转的转子切割恒定磁场，产生具有制动性质的电磁转矩。制动目的：实现拖动系统快速停车或使位能性负载匀速下放。接线图：右图能耗制动接线图6.3

三相异步电动机的制动制动的特征：T

与

n反向6.3.1能耗制动——等效电路等效变换：将直流电建立的固定不变的磁场看成是以转速旋转的旋转磁场，此时转子相对转速变换为如产生的固定磁动势与大小为

（Y接）的三相交流电产生的旋转磁动势等效。若D接，则。

磁动势等效变换前后的转速情况定子绕组通入直流电时的磁动势

等效变换原则：使通入直流电后建立的磁动势大小与通入三相交流电产生的合成基波磁动势大小相等。能耗制动转差率：能耗制动等效电路能耗制动的电流相量图（忽略铁耗后的）能耗制动等效电路6.3.1

能耗制动——机械特性能耗制动转差率能耗制动电磁转矩：能耗制动机械特性

机械特性实用表达式6.3.1能耗制动——制动过程分析

反抗性负载——实现快速、准确停车。能耗制动切换瞬间，转速不会突变，工作点ABO，电动机转速降为零，电磁转矩也为零，实现可靠停车。

位能性负载——实现稳速下放。原点O工作点C，稳速下放重物。能耗制动过程6.3.1能耗制动——制动过程分析

位能性负载——实现稳速下放。ABO

C，稳速下放重物。跳到工作点B后开始减速工作点C匀速下放工作点A匀速上升6.3.1能耗制动——制动过程分析

能耗制动过程功率关系：电动机轴上输入机械功率来自拖动系统转动部分减少的动能或位能性负载减少的位能，转换为电功率后消耗在转子回路中。说明：能耗制动过程中，外加直流电压/电流越大，制动转矩越大，制动时间越短，但可能会造成电机绕组过热。

一台绕线型三相异步电动机，定转子绕组均为Y接，相关数据为：,，，，，,,空载电流，现采用能耗制动，求：（1）要求

时，转子回路应串多大电阻？（2）外串电阻不变，要求电动机带位能负载转矩稳速下放，求下放转速。例6-6解：额定转差率额定转矩最大制动转矩为转子折算变比转子电阻折算至定子边电阻忽略，利用等效电路求（1）不串电阻临界转差率转子外串电阻由式

可得（2）稳定下放重物，由

可得

解得有效解，则即位能性负载的下放速度为70r/min。6.3.2反接制动——定子两相反接制动

反接制动接线图实现方法：定子两相电源反接接线图：右图目的：快速制动停车或快速正反转特点：改变电源相序，旋转磁场反向，转子转速不能突变，转子感应电动势与感应电流反向，电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态。机械特性：位于第Ⅱ象限制动过程分析：反接制动机械特性反接制动瞬间，工作点，若反向串入电阻不大，沿曲线4，；若反向串入大电阻，沿特性曲线3，

。拖动系统减速至零。若拖动反抗性负载若，，电机停车；若，，。若拖动位能性负载，，电机回馈制动运行于工作点F

；说明：电动机既从电网吸收电功率，又从轴上输入机械功率(由拖动系统转动部分减少的动能提供），全部转变为转差功率，消耗在转子回路电阻中。注意两点：(1)转子回路应串入比启动电阻还大的电阻；

(2)笼型异步机反接制动的次数以及两次制动之间

的时间间隔均要受限制。功率关系：

实现方法：转子串入大电阻目的：位能性负载稳速下放机械特性：位于第Ⅳ象限反接制动机械特性说明：电动机从电网吸收的电功率和从轴上输入的机械功率全部转变为转差功率消耗在转子回路电阻中。制动过程分析：右图功率关系：6.3.2反接制动——转速反向的反接制动;;（1）电动机额定运行时将定子任意两相对调，要求制动瞬间制动转矩为,应在转子回路每相串入多大电阻？（2）采用转速反向反接制动运行，使位能负载，

以

速度稳速下放，转子回路串入多大电阻？例6-7参数与例题6－6相同解：例6-6已求出，（1）临界转差率由工作点B

数据，可得一台绕线型三相异步电动机，定转子绕组均为Y接，相关数据为：,，，，,,,空载电流。试求：由

可得解得，则（2）工作点G，，解

得，（舍去）6.3.3回馈制动——反向回馈制动运行

异步电动机反向回馈制动实现方法：定子两相电源反接接线图：与电源反接的反接制动同目的：位能性负载的高速稳速下放机械特性：位于第Ⅳ象限反向回馈制动运行分析：

对照右图说明:重物减少的位能变为电动机轴上输入的机械功率，扣除转子回路铜损耗后转变为电磁功率送给定子，扣除定子铜损耗和铁损耗后，余下的是回馈给电网的功率。功率关系：（因为）如图：降频调速时，电动机工作点ABCD正向回馈制动过程分析：在降速过程曲线2的BC段，转速，电磁转矩，且，,电动机处于回馈制动状态。但此情况只是过渡状态，不能稳定运行。6.3.3回馈制动——正向回馈制动过程异步电动机正向回馈制动

出现场合：笼型异步电动机采用变极调速或变频调速时，

高速变换到低速的降速过程中，会发生回馈制动过程。功率关系：与反向回馈制动相同

某起重机吊钩由一台三相绕线型异步电动机拖动，电动机的额定数据为，，，，电动机下放重物。下放重物有低速、高速两档，低速时要求速度为，高速时要求速度为。求在低速、高速两档转子回路需串多大电阻。例6-8解：额定转差率

临界转差率额定电磁转矩由工作点，（1）低速时采用转速反向，代入

可得解得，则

（舍去）（2）高速时采用两相电源反接，由工作点，代入

可得解得，（舍去）则6.3.4异步电动机的四象限运行异步电动机的四象限运行

与同向，电动机从电网吸收电能，转变为机械能从轴上输出。Ⅰ象限，，正向电动状态；Ⅲ象限，，反向电动状态。

电动运行状态——Ⅰ、Ⅲ象限

制动运行状态——Ⅱ、Ⅳ象限

与

反向，电动机从轴上输入机械功率转变为电功率，消耗在转子回路或回馈给电网。有能耗制动、反接制动和回馈制动。6.4三相异步电动机的调速直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机的换向器由若干铜片组成，铜片之间用云母片隔离绝缘，制造工艺复杂，增加了直流电机成本。与同等重量的鼠笼型异步电动机相比，直流电机要贵几倍，单位重量的功率少一倍。换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度，直流电机的极限容量和速度之积约为106kW•r/min，许多大型机械的传动电机已接近或超过该值，设计制造困难。电刷火花和环火限制了直流电机的安装环境，易燃、易爆、多尘等恶劣环境不能使用直流电机。直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机的大部分功率（除励磁以外）都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，电机效率低。由于转子散热条件差，中大功率电机需要强迫风冷或水冷。换向器和电刷易于磨损，需要经常更换，降低了系统可靠性，增加了维修和保养的工作量。与上述分析相对应，交流电机虽然控制比较复杂，但结构简单、成本低、安装环境要求低，适于易燃、易爆、多尘的条件，尤其在大容量、高转速应用领域，发展迅速。直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机优于交流电机之处在于转矩控制简单，但是随着交流电机调速理论及技术的进步，交流调速系统的性能已经能达到直流调速系统的水平，获得了越来越广泛的应用。在对“功率/重量”比、“功率/体积”比要求高的领域，如电动自行车、电动汽车、飞机中的电机拖动等，永磁同步电机已成为主流。交流同步电机与异步电机的变压变频调速方法异步电机同步电机基于稳态模型恒压频比控制单位电流最大转矩控制速度闭环的转差频率控制基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制按定子磁链控制的直接转矩控制正弦波驱动同步电机直接转矩控制功率因数控制、单位电流最大转矩控制等无刷直流电机恒压频比控制（梯形波电压）按转子磁链定向的矢量控制6.4三相异步电动机的调速6.4.1调速方法调速方法有：改变定子极对数p、改变电源频率、

改变转差率s

调速。

改变转差率调速可分为：转速表达式降低电源电压调速；转子回路串电阻调速（仅对绕线异步机）；串级调速；转差离合器调速。

适用范围：笼型异步电动机

变极原理：通过改变定子绕组的接线方式，改变极对数，

如图所示，由

变为，同步转速会升高一倍。6.4.2改变极对数调速

注意事项：为保证调速前后电动机转向不变，应同时改变

定子绕组两相电源相序。四极定子一相绕组两极定子一相绕组(1)保持为常数，降频调速。6.4.3变频调速——由基频向下调速(运动控制课程讲）

为常数，恒磁通调速方式。机械特性有，，

、与

无关，各条机械特性曲线工作段相互平行，硬度相同。属恒转矩调速，适用于恒转矩负载。(2)保持为常数，降频调速。6.4.3变频调速——由基频向下调速(运动控制课程讲）由于感应电动势难测量，而，保持

为常数，磁通

近似为常数。机械特性有最大转矩随着的降低而减小。恒转矩调速方式。保持为额定值不变，随的升高，气隙磁通减小。6.4.3变频调速——由基频向上调速(运动控制课程讲）调速机械特性

，有

越高，与越小，不变，各机械特性运行段近似平行。基频向上变频调速