第14章 三相异步电动机的启动及速度调节

会计学1第14章三相异步电动机的启动及速度调节启动过程：指电动机从静止到达正常工作转速的过程。启动过程特点：电流一般较大，转矩并不大14.1

异步电动机的启动性能原因:开始时候n＝0，s＝1第1页/共73页功率因数cos很低最初起动瞬间很大的启动电流引起定子漏阻抗压降增大，主磁通约减少到额定值的一半。一般情况:第2页/共73页起动电流较大有什么影响呢？1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。影响：2、对供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如U＞10％或更严重。这样一来，影响了几个方面：（1）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多（），当负载较重时，可起动不了。（2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。第3页/共73页起动转矩不大有什么影响呢？电机的起动是非常困难，1.1-1.2的条件下，电动机才能正常起动。一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩就够大了，但是如果是重载起动例如，且要求起动过程快时，某些异步电动机例如绕线式三相异步电动机，往往小于1，直接起动的起动转矩就不够大了。

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从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种情况下是不可行的：①变压器与电动机容量之比不足够大；②起动转矩不能满足要求。不能直接起动的第①种情况下需要减小起动电流，第②种情况下需要加大起动转矩。即起动必须满足的条件是：

起动电流要足够小；起动转矩要足够大。起动电流：第5页/共73页从上面两个表达式我们可以看出，降低起动电流的方法有：①降低电源电压；②加大定子边电抗或电阻；③加大转子边电阻或电抗。

加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。而直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。第6页/共73页一、直接启动利用闸刀或者接触器把电动机直接接到具有额定电压的电源上。14.2

鼠笼式异步电动机的启动方法一般地说，容量在7.5kw以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。优点：设备简单操作方便。第7页/共73页二、降压启动若电源供电变压器的容量不够大时，就采取降压启动。由于转矩是按照电压平方的规律而下降的，所以这种方法适合于对转矩要求不高的场合。常用的降压启动方法自耦变压器降压启动星-三角启动定子绕组串电阻或电抗启动第8页/共73页1．自耦变压器（启动补偿器）降压启动设在额定电压下直接起动时，起动电流为Ist。自耦变压器的变比为ka起动时电压降低到1/ka倍，电动机的起动电流相应减小到1/ka倍电网供给的起动电流比直接起动时减小到1/ka2

倍第9页/共73页2、星-三角启动三角形连接直接起动时起动电流星形连接起动，起动电流起动电流和转矩均减少为1/3第10页/共73页优点：设备少，操作简便第11页/共73页3、定子绕组串电阻或者电抗器启动

在定子绕组的电路中串入一个三相电阻器或者电抗器来产生一定的电压降，使得达到降低启动电流的目的。第12页/共73页由于电动机的转矩与电压平方成正比，所以随着电压降低，启动电流减小1/k倍，启动转矩减少1/k2倍；串电阻器启动时，要消耗较大的功率；串电抗器启动时，当K2短接启动电抗器时还会产生较大的短路电流(电抗器储存能量的释放)，所以串电抗器适合于启动转矩要求不大且启动不频繁的场合。第13页/共73页三、软启动实现鼠笼式异步电动机的无级平滑启动。软起动器：磁控式和电子式。启动过程中，电动机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压按指定要求上升，使被控电动机电压由零按指定斜率上升到全电压，转速相应地由零加速到规定转速。软起动器能保证电动机在不同负载下平滑启动，减小电动机启动时对电网的冲击，又降低自身所受冲击力。鼠笼式电动机不能直接启动时，应选用软启动。第14页/共73页14.3

绕线式异步电动机的启动降压启动在限制启动电流的同时，大大降低了启动转矩。在需要较大启动转矩的应用场合，人们不得不选择价格昂贵的绕线式异步电动机。绕线式异步电动机的特点是可以在转子回路中接入附加电阻，以改善其启动和调速性能。如果，则获得最大启动转矩。第15页/共73页一、转子回路串电阻启动串入多级电阻，启动过程中采用逐级切除启动电阻的方法。第16页/共73页1．起动开始时，使全部电阻均串入转子回路，随着转速的上升，电磁转矩将减小。2．为了缩短起动时间，通常随转速上升分级切除部分电阻，使在整个起动过程中电动机保持有较大的电磁转矩。3．待起动完毕后，转子绕组便被短路，转入正常运行。4.绕线式异步电动机应用在启动比较困难的场合。如铲土机、卷扬机、起重吊车等。特点和适用场合第17页/共73页二、转子绕组外串频敏变阻器启动频敏变阻器（BP）：其电阻值能随着转子转速的上升（转子电流频率f2下降）而自动减小。频敏变阻器结构相当于一个只有原边的变压器。但其铁心用较厚的铁板叠成，涡流损耗比普通变压器大。第18页/共73页工作原理：BP实质上是一台只有初级绕组而且铁心损耗较大的三相变压器。BP的铁耗大就相当于Rm大。而铁耗与磁通的频率（等于转子频率f2=sf1）的1.3次方成正比。开始启动时，s较大，故f2较大，Rm也较大，相当于转子电阻自动增加，则Ist减小、Tst增大；随着启动过程的进行，n逐渐变大、s逐渐变小，则f2变小，也就是铁耗减小，所以Rm变小，相当于转子电阻自动变小。

第19页/共73页启动完毕后，将转子回路短路。频敏变阻器相当于一种无触点变阻器，结构简单，成本低，所以应用较为广泛。第20页/共73页14.4

改善启动性能的三相鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机直接启动电流较大，启动转矩却不大。降压启动减小启动电流，但其启动转矩也显著降低。利用“集肤效应”，使启动时转子电阻增大，以增大启动转矩并减小启动电流，而正常运行时候转子电阻又能自动减小，转子铜耗不大，不影响运行效率。深槽式异步电动机和双笼型异步电动机第21页/共73页1.深槽式异步电动机特点：槽形窄而深，槽深与槽宽之比为10～12第22页/共73页（1）起动时在刚起动时，f2=f1。频率较高，导体漏抗大于电阻，漏抗占主要成分，槽电流的分布近似与漏抗成反比。槽底部分漏抗较大，该部分电流较小。愈接近于槽口漏抗愈小，该部分电流较大——集肤效应。第23页/共73页由于电流的分布不均匀，等效槽导体的有效面积减小——集肤效应使槽导体电阻增加集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩增大，改善了起动特性。等效截面第24页/共73页（2）正常运行时在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布，转子电阻恢复到固有的直流电阻。由于槽深而窄，转子漏抗较普通鼠笼式转子漏抗大——功率因数及过载能力有所降低。第25页/共73页2.双鼠笼式异步电动机（Double-squirrel-cagerotor）上笼Topbar：

截面小，电阻大下笼Bottombar：

截面大，电阻小下笼交链的漏磁通比上笼多，漏抗大第26页/共73页（1）起动时转子电流的频率f2=f1，转子漏抗大于转子电阻，电流分配决定于漏抗。下层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较低，所产生的电磁转矩也较小。上层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。上层鼠笼又称起动鼠笼。第27页/共73页（2）起动过程结束后转子电流的频率很小，下层鼠笼的漏抗很小，两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。下层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生电磁转矩方面起主要的作用，下层鼠笼称为运行鼠笼。第28页/共73页双鼠笼机械特性与等效电路

双鼠笼电动机的T＝f(s)曲线第29页/共73页设下层鼠笼的电阻和漏抗为r'in和x'in，上层鼠笼的电阻为r'ou，两层鼠笼共同漏抗为x'co第30页/共73页14.5异步电动机的调速方法综述异步电动机结构简单、坚固耐用、维修方便、制造容易，大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。在实际应用中，许多机械需要调速，如车床、电力机车、风机、水泵等。为了节能和方便，则要求设法从电机本身出发进行电气调速。异步电动机过去被认为调速性能不好。随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速问题已经基本解决。异步电动机的调速性能甚至可以做到优于直流电动机。剩余的问题是降低成本、实际应用。第31页/共73页我们知道，异步电动机的转速为：因此，三相异步电动机的调速方法很多，大致可以分成以下几种类型：（1）改变转差率s调速，包括改变定子电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻等方法；调速方法分类：第32页/共73页（2）改变旋转磁通势同步转速调速，包括改变定子绕组极对数、改变供电电源频率等方法；（3）双馈调速，包括串级调速，属改变理想空载转速的一种调速方法；（4）利用转差离合器调速。下面简要异步电机的几种常用调速方法。第33页/共73页14.6三相异步电动机的变极调速改变旋转磁场的极对数，可以成倍地改变其同步转速，由于正常运行时s很小，因此电动机的转速n也将近似成倍地变化。改变定子绕组极对数的方法有：（1）在定子中安放两套极对数不同的独立绕组；（2）在一套定子绕组中，改变它的连接方法，得到不同的极对数（单绕组变极异步电动机）（3）在定子槽中安放两套极对数不同的独立绕组而每套独立绕组又可以分别改变它的连接方法。第34页/共73页变极调速方法只适应于鼠笼式电机优点：设备简单，运行可靠，机械特性较硬，有适应恒转矩或恒功率调速能力。局限性：只能一级一级改变转速，不能平滑调速。应用场合：不要求连续调节的场合。第35页/共73页一、单绕组变极三相异步电动机的变速原理第36页/共73页二、变极三相电动机接法及其功率与转矩的关系1D-YY变极调速低速倍极数D接法，高速少极数YY接法不同接法时保持电压U1和每个绕组中的电流Ij不变。

第37页/共73页输出功率关系：低速D接法时（倍极数时）高速YY接法时（少极数时）假定不考虑cosφ和η的变化时第38页/共73页输出转矩关系倍极数时少极数时第39页/共73页结论：D-YY接法转速变化一倍时，功率只变化了15.47%，接近恒功率调速；低速时的转矩比高速时转矩大到1.732倍。第40页/共73页2、Y-YY变极低速倍极数Y接法，高速少极数YY接法第41页/共73页输出功率关系

低速Y接法（即倍极数）时：高速YY接法时（少极数时）假定不考虑cosφ和η的变化时第42页/共73页输出转矩关系倍极数时少极数时

结论：Y-YY接法若转速增加一倍时，功率也增加了一倍；Y-YY调速的方法属于恒转矩调速。

第43页/共73页14.7异步电动机的变频调速已知：因此，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。第44页/共73页一、从基频向低频调速三相异步电动机每相电压：降低电源频率时，必须同时降低电源电压。这是因为如果只降低定子频率f1而定子每相电压保持额定值不变，则Φm要增大。由于在U1=UN,f1=fN时电动机的主磁路就已接近饱和，Φm再增大，主磁路必然过饱和，这将使励磁电流急剧增大，铁损耗增加，CosΦ下降。第45页/共73页降低电源电压有两种控制方法。⑴保持=常数：这种方法是恒磁通控制方式第46页/共73页上式是保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程式。下面根据该方程式，具体分析一下最大转矩Tm及相应的转差率sm。最大转矩处，对应的转差率为sm，即：第47页/共73页式中

为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值，最大转矩处的转速降落为：第48页/共73页当改变频率时，若保持E1/f1=常数，1最大转矩Tm＝常数，与频率无关，2并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的。如图所示。在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。

3由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。第49页/共73页经分析，恒磁通变频调速是属于为恒转矩调速方式。即当：I1＝I1N，I'

2＝I'2N

时，

T＝TN第50页/共73页⑵保持=常数第51页/共73页最大转矩Tm为：从上式可以看出，当频率减小时，最大转矩不是一个常数。随频率的降低而减小。第52页/共73页已知（）与f1成正比变化，

R1与f1无关。因此，在f1接近额定频率时，，随着f1的减小，Tm减少得不多，但是，当f1较低时，（）比较小，R1相对变大了。这样一来，随着f1的降低，Tm就减小了。显然此时的机械特性上面的机械特性，特别在低频低速的机械特性变坏了。保持U1/f1=常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式。第53页/共73页二、从基频向高频调速升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为UN不变，频率越高，磁通Φm越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。保持电压不变升高频率时，电动机电磁转矩第54页/共73页第55页/共73页因此，频率越高时，Tm越小，sm也减小，最大转矩对应的转速降落为根据电磁转矩方程式画出升高电源频率的机械特性，其运行段近似平行，如图所示。第56页/共73页综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下几个特点：①从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；②调速范围大；③转速稳定性好；④运行时小，效率高；⑤频率可以连续调节，变频调速为无级调速。第57页/共73页14.8改变定子电压调速从表达式上可以看出,异步电机的同步转速n1

与电压无关，不同电压的人为机械性，都得通过n1点。我们知道，电磁转矩T与S成正比，为此最大转矩Tm以及起动转矩TS都要随U1的降低而按U1的平方减小。而最大转矩对应的转差率Sm

不变。如图所示。第58页/共73页snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax降低定子电压可以降低转速，但转速变化范围非常小。若拖动通风机负载，调速范围比较大，且电动机能稳定运行于大于Sm的区域。第59页/共73页14.9绕线异步电动机的调速一、在转子回路中串电阻调速我们知道，改变转子回路串入电阻值的大小，例如转子绕组本身电阻为R2，分别串入电阻RSl、RS2

、RS3时，所串电阻越大，转速越低.（拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即TL=TN

）已知电磁转矩T为：当电源电压一定时，主磁通Φm基本上是定值，转子电流I2可以维持在它的额定值工作。至于COS,作如下的推导：第60页/共73页根据转子电流：从上式看出，转子串电阻调速时，如果保持电机转子电流为额定值，必有：第61页/共73页可见，转子回路串电阻是属恒转矩调速方法，当负载转矩TL=TN时，根据上式，则有：式中s1、s2、s3别是转子串入不同的电阻后的转差率。这种调速方法的调速范围不大，一般为（2～3）:1。

第62页/共73页负载小时，调速范围就更小了。由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性不好，基本上属有级调速。多用于断续工作的生产机械上，在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高的场合，如用于桥式起重机。第63页/共73页二、绕线式异步电动机串级调速1、串级调速的原理：前述转子串电阻调速要消耗功率，若在转子加上电压就可不增加损耗,但要求加在电机转子绕组的电压频率与转子绕组感应电动势同频率。如果把异步电机转子感应电动势变为直流电动势，同时把转子外加电压也变为直流量，这就是串级调速的基本思路。第64页/共73页在转子回路中接入一