第09章-交流电机拖动基础

第九章交流电机拖动基础电机与拖动基础第一节异步电动机的机械特性第二节异步电动机的起动第三节异步电动机的调速第四节异步电动机的制动1第九章交流电机拖动基础第一节异步电动机的机械特性

指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩Te与转速n（或转差率s）之间的函数关系。一、机械特性的三种表达式

1.物理表达式第七章已导出异步电动机的电磁转矩公式（9-1）22.参数表达式根据异步电动机电磁转矩与电磁功率的关系，写出电磁转矩与转子电流的关系第九章交流电机拖动基础（9-4）上式中:固定Us、f1及阻抗等参数，电磁转矩只是转差率的函数，也就是机械特性关系。上式称为机械特性的参数表达式。由便可画出Te

-s曲线。3第九章交流电机拖动基础3.实用表达式三相异步电动机的参数不易得到。若能利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是比较粗糙，但也很有实用价值，这就是实用公式。

(1)最大电磁转矩在参数表达式（9-4）中令，可得到最大电磁转矩（9-5）最大转矩对应的转差率称为临界转差率sm（9-6）式中“+”号适用于电动机状态；“-”号适用于发电机状态。4一般的值不超过值的5%，可忽略Rs。第九章交流电机拖动基础（9-7）异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩的绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。上两式说明：最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。5最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力：第九章交流电机拖动基础（9-8）

(2)实用表达式的推导用式（9-4）去除以式（9-5）得由（９－６）知：6其中第九章交流电机拖动基础当定子电阻的范围为，q的范围为。若定子电阻满足，就有。所以只要满足定子电阻很小的条件上式可简化为（9-9）这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。7

(3)实用公式的使用

从实用公式可知，必须知道最大转矩Tem和临界转差率sm才能进行计算。T2N可通过PN和nN计算，实际应用中，忽略空载转矩，近似认为TN=T2N。另外，过载能力可以从产品目录中查到

第九章交流电机拖动基础（9-10）（9-11）将额定工作点的sN和TN代入式（9-9）得8在额定负载以下运行时，s很小，，实用表达式可近似写为第九章交流电机拖动基础（9-12）由此可见，当时，Te与s成正比，机械特性是一条直线。上式称为机械特性的近似计算公式，应用这个公式时，sm可按下式计算（9-13）9异步电动机机械特性的三种表达式应用场合不同：物理表达式适用于定性地分析Te与及间的关系；参数表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。

第九章交流电机拖动基础物理表达式参数表达式实用表达式10二、固有机械特性1.固有机械特性曲线三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变时，在定转子回路中不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。第九章交流电机拖动基础其T-s曲线（也即T-n曲线）。曲线1为电源正相序时的机械特性曲线，异步电动机处于正向电动运行状态；曲线2为电源负相序时的机械特性曲线，处于反向电动运行状态。0<s≤1,s<0,s>1运行状态分析11异步电机的机械特性可视为由两部分组成：，机械特性的直线部分，又称为工作部分，因为电动机不论带何种性质的负载均能稳定运行；，机械特性的曲线部分，又称为非工作部分。所谓非工作部分仅对恒转矩负载或恒功率负载而言：因为电动机在这一特性段与这类负载转矩特性的配合，电力拖动系统不能稳定运行，而对于泵类风机性负载，却能稳定工作。第九章交流电机拖动基础122.起动转矩n=0，s=1时的电磁转矩称为起动转矩Tst

。将s=1代入式（9-4）参数表达式中得起动转矩第九章交流电机拖动基础（9-14）Tst

与电压平方成正比，漏电抗越大，起动转矩越小。起动转矩与额定电磁转矩的比值称为起动转矩倍数KT

（9-15）电动机起动时，起动转矩Tst大于1.1～1.2倍的负载转矩就可以顺利起动。一般KT=0.8～1.2。133.稳定运行问题机械特性在范围内，是一根下斜的曲线。拖动恒转矩负载和泵类负载运行能稳定运行。在范围，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载可以稳定运行。但由于这时转速低，转差率大，转子电动势比正常运行时大很多。这将造成转子电流、定子电流均很大，因此不能长期运行。：稳定运行，：长期稳定。第九章交流电机拖动基础14

三、人为机械特性三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或增大定、转子阻抗的情况下，所得到的机械特性称为人为机械特性。

第九章交流电机拖动基础1.降低定子端电压的人为机械特性在电磁转矩的参数表达式中，保持其它量都不变，只改变定子电压Us的大小。由于异步电动机的磁路在额定电压下工作于近饱和点，故不宜再升高电压。15特点：1）同步转速不变。2）最大转矩随电压的降低而按二次方规律减小。３）最大转矩对应的转差率保持不变．第九章交流电机拖动基础16

2.定子回路串三相对称电阻的人为机械特性不影响同步转速n1，但Tem、Tst

和临界转差率sm都随定子回路电阻值的增大而减小。第九章交流电机拖动基础17第九章交流电机拖动基础3.定子回路串三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率。184.转子回路串三相对称电阻的人为机械特性绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路后再三相短路。特点：（１）同步转速n1、最大电磁转矩Tem不变。（２）临界转差率sm增大。（３）起动转矩增大．第九章交流电机拖动基础19第九章交流电机拖动基础当所串入的电阻满足（9-16）则有，即起动转矩为最大电磁转矩，其中。但是若串入转子回路的电阻再增加，则，。因此，转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。

电流比20第二节异步电动机的起动异步电动机定子绕组接入电网后，转子从静止状态到稳定运行状态的过程。起动要求：（１）起动转矩足够大。起动转矩倍数KT=Tst

/TN（２）起动电流不要太大。起动电流倍数KI=Ist/IN。一、异步电动机起动性能分析普通的异步电动机如果不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往起动电流Ist

很大，而起动转矩Tst

不足。其原因分析如下。第九章交流电机拖动基础21第九章交流电机拖动基础在起动初始，n=0，转差率s=1，转子电流的频率f2=sf1≈50Hz，转子绕组的电动势sEr0=Er0，比正常运行时（s=0.01～0.05）的电动势值大20倍，则此时转子电流Ir很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；转子漏磁sXr0>>Rr，使得转子内的功率因数cosφ2很小，所以尽管起动时转子电流Ir

很大，但有功分量Ircosφ2并不大。由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势Es和与之成正比的主磁通m减小，因此起动转矩Tst并不大。22

总之，异步电动机在起动时存在两种矛盾：1）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限；2）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能起动。

下面按4种情况分别讨论常用的异步电动机的起动方法。

二、小容量电动机的轻载起动——直接起动直接起动也称为全压起动。（７.5kW）优点：操作简便、起动设备简单；缺点：起动电流大，会引起电网电压波动。现代设计的笼型异步电动机，都允许直接起动。直接起动方法的应用主要受电网容量的限制。第九章交流电机拖动基础23

三、中、大容量电动机轻载起动——降压起动不能直接起动。矛盾：起动电流大而电网允许冲击电流有限。笼型异步电动机减小起动电流的主要方法是降压起动。

1.星形-三角形（Y-Δ）换接起动只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机。其每相绕组均引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在起动时将定子绕组接成星形，起动完毕后再换接成三角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的。设起动时接成Y形的定子绕组的线电压为Us（电网电压），则相电压为。这时线电流与相电流相等，Y形起动电流为第九章交流电机拖动基础24三角形连接时每相绕组的相电压与线电压相等为Us，线电流是相电流的，即Δ形起动电流为第九章交流电机拖动基础25

2.自耦降压起动利用三相自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流的起动方法。采用自耦变压器降压起动时，自耦变压器的一次侧（高压边）接电网，二次侧（低压边）接到电动机的定子绕组上，待其转速基本稳定时，再把电动机直接接到电网上，同时将自耦变压器从电网上切除。第九章交流电机拖动基础26根据变压器原理，可知第九章交流电机拖动基础设I2为定子绕组电压为U2时的起动电流，Ist为全电压U1起动电流（9-19）根据以上两式，可得27电动机端电压:Us=U2=

定子电流:Is=I2=从电网上吸取的电流: I1=Ist起动转矩与起动电流降低同样的倍数。第九章交流电机拖动基础283.串电阻（抗）起动方法由于起动时，在串接电阻或电抗上降掉了一部分电压，所以加在电动机定子绕组上的电压就降低了，起动电流也减小了。第九章交流电机拖动基础优点:起动电流冲击小，运行可靠，起动设备构造简单；缺点:起动时电能损耗较多。294.延边三角形起动方法正常运行时为三角形联结。每相绕组的中间引出一个出线端，共有9个出线端。第九章交流电机拖动基础30优点：体积小、质量轻、允许经常起动等。采用不同的抽头比例，可以得到延边三角形联结法的不同相电压，其值比星形-三角形换接起动时星形联结法的电压值高，因此其起动转矩比星形-三角形换接起动时大，它能用于重载起动。缺点：电动机内部接线较为复杂。第九章交流电机拖动基础绕组的相电压低于电源电压，且降低值与绕组的中间引出端的抽头比例有关。在起动过程中，将定子绕组联结成延边三角形，可使定子绕组的电压降低，也能减小起动电流。31

四、小容量电动机重载起动——笼型异步电动机的特殊形式 主要矛盾：起动转矩不足。解决方法有： （１）按起动要求选择容量大一号或更大些的电动机； （２）选用起动转矩较高的特殊形式的笼型电动机。通过改进其内部的结构，获得较好起动性能的特殊型式的笼型异步电动机，主要有高转差率笼型异步电动机、深槽式异步电动机、双笼型异步电动机等。这些特殊形式的笼型异步电动机的共同特点是起动转矩较大。第九章交流电机拖动基础321.高转差率鼠笼式异步电动机转子导条采用电阻率较高的ZL-14铝合金，通过适当地加大转子导条的电阻来改善起动性能，这样既可限制起动电流，又可增大起动转矩。这种电动机在稳定运行时转差率比普通的鼠笼式电动机的转差率高，故称之为高转差鼠笼式异步电动机。使用场合主要是起重运输机械和冶金企业的辅助机械，因此也称为起重-冶金型电动机。为了适应起动频繁的结构也比较坚固。

缺点：（１）气隙大，使得激磁电流也大，功率因数降低；（２）转子电阻大而引起的正常运行时的损耗较大，效率低。第九章交流电机拖动基础33第九章交流电机拖动基础

2.深槽式异步电动机转子槽形深而窄，深与宽比约为10～20，普通笼型异步电动机不超过5。槽底部分匝链的漏磁通多，漏电抗较大；槽口部分匝链的漏磁通少，漏电抗小。刚起动时，导条电流密度沿槽深的分布，电流主要集中在槽口部分，这种现象称为集肤效应，其效果相当于减小了转子导体的截面积。集肤效应使转子电阻增大，故起动转矩增大,起动电流变小.34第九章交流电机拖动基础

3.双笼型异步电动机转子上安装了两套笼。两个笼间由狭长的缝隙隔开，里面的笼相连的漏磁通比外面的笼的大得多。外面的笼导条较细，采用电阻率较大的黄铜或铝青铜等材料制成，故电阻较大，称为起动笼；里面的笼截面较大，采用电阻率较小的紫铜等材料制成，故电阻较小，称为运行笼。35第九章交流电机拖动基础五、中、大容量电动机重载起动——绕线转子异步电动机的起动起动的两种矛盾（起动转矩小，起动电流大）同时起作用。如果上述特殊形式的笼型电动机不能适应，只能采用绕线转子异步电动机。在绕线转子异步电动机的转子上串接电阻时，如果阻值选择合适，既增大起动转矩，又减小起动电流。三相绕线式异步电动机的起动方法有 转子串接电阻起动和串接频敏变阻器起动。36第九章交流电机拖动基础1.转子串接电阻起动方法三相绕组通过滑环与电刷串接附加电阻。在起动时，在转子绕组中串接适当的起动电阻，以减小起动电流，增加起动转矩。待转速基本稳定时，将起动电阻从转子电路中切除，进入正常运行。37第九章交流电机拖动基础2.转子串接频敏变阻器起动方法转子串接电阻起动的绕线式异步电动机，当功率较大时，转子电流很大；若起动电阻逐段变化，则转矩变化也较大，对机械负载冲击较大；控制设备较庞大，操作维护也不方便。采用频敏变阻器代替起动电阻，则可克服上述缺点。频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小。38当频敏变阻器的绕组中通过交流电时，铁心中产生交变磁通，从而产生铁耗。电动机刚起动时，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，其等效电阻也因之较大，可以限制电动机的起动电流，并增大起动转矩。随着转速的升高，转子频率逐渐下降，铁心中的涡流损耗和等效电阻也随之逐渐减小，使电动机平滑起动。第九章交流电机拖动基础39第九章交流电机拖动基础第三节异步电动机的调速从定子传入转子的电磁功率Pem可分成两部分：一部分为拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比。根据转差功率是否增大，消耗掉还是回收，把异步电动机的调速方法分为三类：40第九章交流电机拖动基础

1）转差功率消耗型——全部转差功率都转换成热能消耗掉。它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调效率越低。效率最低。

2）转差功率回馈型——转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网，转速越低时回收的功率越多，效率比功率消耗型高。3）转差功率不变型——转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，转速高低转差率不变，转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。下面以这种分类方法介绍几种异步电动机主要调速方法的工作原理及其特性。41第九章交流电机拖动基础

一、转差功率消耗型异步电动机调速方法在调速过程中均产生大量的转差功率消耗在转子电路中。主要有改变定子电压调速法、转子电路串接电阻调速法等。

1.改变定子电压调速

优点：简单；缺点：效率低，消耗在转子电路中的功率很大，发热严重。42第九章交流电机拖动基础

2.转子电路串接电阻调速只适用于绕线式异步电动机。缺点：附加电阻上消耗大量能量，效率低。转速只能向下调。43第九章交流电机拖动基础

二、转差功率回馈型异步电动机调速方法——串级调速串级调速的思想：在绕线式异步电动机转子电路中串入附加电动势Eadd

来取代电阻，通过电动势电源装置吸收转子上的转差功率，并回馈给电网，实现高效平滑调速。根据电机的可逆性原理：异步电机既可以从定子输入或输出功率，也可以从转子输入或输出转差功率；因此同时从定子和转子向电机馈送功率也能达到调速的目的。所以，串级调速又称为双馈调速。44第九章交流电机拖动基础1.串级调速的基本原理在绕线式异步电动机的三相转子电路中串入电压和频率可控的交流附加电动势Eadd，通过控制使Eadd与转子电动势Er具有频率相同、相位相同或相反。45第九章交流电机拖动基础Eadd=0时，异步电动机处在固有机械特性上运行。通过调节Eadd的大小改变Ir，而电动机产生的电磁转矩Te随Ir的变化而变化。电机转子上的转差功率Ps=sPem

只有一小部分消耗在转子电阻上，而大部分被Eadd吸收，再设法通过电力电子装置回馈给电网。因此，串级调速与串电阻调速相比，具有较高的效率。46第九章交流电机拖动基础2.串级调速的控制方式(1)次同步调速方式使Eadd的相位与Er相差180（9-28）增加Eadd的幅值，将减少Ir，减少转矩Te，从而转速n降低。n<n1。

(2)超同步调速方式附加电势Eadd与Er同相（9-29）Eadd增加，Ir增大，Te也增大，电动机加速。转差率s将减小，Ir也减小，最终达到转矩平衡Te=TL。473.串级调速的工作状态串级调速可实现5种基本运行状态。48第九章交流电机拖动基础4.串级调速的机械特性（9-31）T2为串接所引起的转子电流分量与旋转磁场相互作用所产生的转矩分量。49第九章交流电机拖动基础三、转差功率不变型异步电动机调速方法转差功率只有转子铜耗，无论转速高低，转差功率基本不变。主要有变极调速和变频调速两种。

1.变极调速——多速异步电动机从n1=60f1/np可知，f1不变，改变np，可改变n1，从而改变n。改变定子绕组的极对数np

，用改变定子绕组的联结方式实现。5051第九章交流电机拖动基础常用的改变定子绕组极对数的连接方法有两种：52第九章交流电机拖动基础现分析以上两种变极调速方法改接前后电动机的输出转矩和功率的变化情况。(1)定子绕组由单星形改接成双星形设电源线电压为UN，改接前电动机的输出功率:改接成双星形后，如保持定子绕组相电流Is不变，并假设在改接后，η和cosφ1均保持不变，则电动机的输出功率:53第九章交流电机拖动基础

改接前后电动机输出的转矩之比为（9-32）上式说明：Y/YY变极调速属于恒转矩性质。适用于恒转矩负载的拖动系统，如起重机、传输带等机械。即改接后电动机的输出功率增加了一倍。54第九章交流电机拖动基础(2)当定子绕组由三角形改接成双星形改接前输出功率:改接后输出功率:改接前后电动机的输出功率之比:（9-33）改接前后电动机输出的转矩之比为55第九章交流电机拖动基础即采用△/YY改接方法，电动机的输出功率在改接前后基本保持不变，所以△/YY变极调速属于恒功率性质。根据转矩关系式可知，采用△/YY改接方法，极对数减半，转速增加一倍，转矩则减小一半。56从以上分析可以看出:变极调速简单可靠、成本低、效率高、机械特性硬，且既可适用于恒转矩调速也可适用于恒功率调速，属于转差功率不变型调速方法。变极调速是有级调速，不能实现均匀平滑的无级调速，且能实现的速度档也不可能太多。多速电动机的尺寸一般比同容量的普通电动机稍大，运行性能也稍差一些，且接线头较多，并需要专门的换接开关。变极调速是一种比较经济的调速方法。第九章交流电机拖动基础57第九章交流电机拖动基础异步电动机定子每相电动势有效值的公式如果略去定子阻抗压降，即有上式表明：在变频调速时，若定子端电压不变，则随着频率f1的升高，气隙磁通m将减小。（9-34）

2.变频调速改变电源频率f1，可平滑地改变同步转速n1=60f1/np，异步电动机的转速n也随之改变。58第九章交流电机拖动基础又从转矩公式可知，在I’r相同的情况下，m减小导致电动机输出转矩下降，使电动机的利用率恶化。同时，电动机的最大转矩也将减小，严重时会使电动机堵转。反之，若减小频率f1，则m将增加，使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此，在变频调速过程中应同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。如何按比例改变电压和频率，这要分基频（额定频率）以下和基频以上两种情况讨论。59第九章交流电机拖动基础

1）基频以下调速根据式（9-34），要保持m不变，应使定子端电压Us与频率f1成比例地变化，即（9-35）由最大转矩公式其中，当f1较高时，因可忽略Rs，简化为（9-36）60第九章交流电机拖动基础Tem=KTTN，为了保证变频调速时电机过载能力不变，有（9-37）

（A）对于恒转矩调速，因为TN=T’N，由上式可得采用恒压频比控制方式，既保证了过载能力不变，又满足主磁通m不变的要求。说明变频调速适用于恒转矩负载。61第九章交流电机拖动基础下面分析恒压频比控制变频调速时，电机的人为机械特性。因为Us/f1=常数，故磁通m基本保持不变也近似为常数（9-38）由于Us/f1=常数，且当f1相对较高时，从式（9-36）可看出，不同频率时的最大转矩Tem保持不变（9-39）不同频率时最大转矩所对应的转速降落为（9-40）62第九章交流电机拖动基础恒压频比控制变频调速时，机械特性是一组相互平行且硬度相同的曲线。在f1很低时，也很小，Rs

不能被忽略，且由于Us和Es都较小，定子阻抗压降所占的份额比较大。此时，最大转矩和最大转矩对应的转速降落不再是常数，而变小了。低频时人为地使定子电压Us抬高一些，补偿一些定子压降。63第九章交流电机拖动基础

（B）对于恒功率调速保持恒定，则即代入式（9-37）可得（9-42）由于64第九章交流电机拖动基础由此可见，在恒功率调速时：如按，过载能力不变，但磁通变化；若按，磁通m基本不变，但过载能力变化。

65第九章交流电机拖动基础2）基频以上调速

f1从f1N增加，若仍保持Us/f1=常数，必使Us超过UN，不允许。应采取保持Us不变，通过增加f1，使m与f1成反比地降低，类似于直流电机弱磁升速的调速方法。设保持Us=UN，由于f1较高，可忽略Rs，故最大转矩为66第九章交流电机拖动基础最大转差：

转速降落：67基频以上变频调速电磁功率：在异步电动机的转差率s很小时，由于上式中的Rs、可忽略：（9-44