第三章三相异步电动机的机械特性

第三章

三相异步电动机的电力拖动

TheThree-phaseInductionMachinesDrives本章基本教学要求1.熟悉分析三相异步电动机的机械特性及各种运行状态的基本方法；2.掌握三相异步电动机的起动、制动；3.了解三相交流电动机的调速方法。重点：机械特性、调速、起制动。本次课程内容和教学要求内容：

三相异步电动机固有和人为机械特性。要求：掌握机械特性各种表达式和适用场合。3.1三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，电动机电磁转矩与转速或电磁转矩与转差率的关系，即n=ƒ(T)或T=ƒ(s)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。3.1.1机械特性物理表达式

电磁转矩为：说明为异步机的转矩系数；

为转子电流折算值；为转子功率因数。物理表达式物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。3.1.2参数表达式由物理表达式、功率关系、简化等值电路可推出参数表达式：说明

参数表达式说明，异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示，下面对机械特性曲线上的几个特殊点进行分析。机械特性曲线①最大转矩Tm

最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，则：最大转矩对应的临界转差率为：两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）；“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）。最大转矩近似表达式

通常情况下，可忽略r1，则有：最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用λm表示，即：一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。②起动转矩Tst起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。3.1.3实用表达式实用表达式：认为，一般异步电动机的

，在任何s值时都有：，而，

可以忽略，简化得：临界转差率临界转差率：当拖动额定负载时，TL=TN，临界转差率为：额定转矩为：从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、λm，应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。3.1.4固有机械特性异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，ƒ1=ƒ1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n=ƒ（T）或T=ƒ（s）曲线。对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。说明特性上的各特殊点1(1)同步转速点A

同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=0，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点B

在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。说明特性上的各特殊点2(3)临界点C

在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tmˊ是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1的影响时，有Tmˊ=Tm。(4)起动点D

在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。3.1.5人为机械特性异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。1.降低定子电压的人为机械特性在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性（为什么？）降电压人为机械特性曲线Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性分析

定子电压U1下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，如原先运行在A点，电网电压由于某种原因降低，使负载运行至B点，电动机转速n下降，转差率s增大，转子阻抗角增大，则转子功率因数下降

2.定子回路串入对称电阻的人为机械特性当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性定子回路串入对称电抗的人为机械特性

如果定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst也都变小。两种接线可实际应用于鼠笼式异步电动机的起动，以限制起动电流。定子回路串入对称电抗的接线图和人为机械特性3.转子回路串入对称电阻的人为机械特性绕线式异步电动机转子回路串入三相对称电阻的接线图和人为机械特性分析当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tm

当转子电阻r2再增大时，起动转矩Tst反而减小。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。课后复习要点1.异步电动机机械特性表达式2.固有机械特性3.人为特性机械特性思考题：P2406-1、6-2、6-6作业:P2416-33、6-34本次课程内容和教学要求内容：三相异步电动机的起动。要求：熟悉启动的基本要求，掌握绕线式和鼠笼电动机起动方式。6.2鼠笼异步电动机的起动三相异步电动机在实际运行过程中，由于生产上的需要而起动和停止。在选用电动机时，必须要求电动机能带动生产机械并很快地转到额定转速。要求电动机起动时满足（1）能产生足够大的起动转矩Tst，使电动机很快地转动起来。（2）起动电流Ist不要太大，避免起动时大电流在电网上产生较大的压降而影响接在电网上的其它电气设备和电动机的正常运行。从前面分析三相异步电动机固有机械特性而知道，如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动电流大，而起动转矩并不大，这时的功率因数低。6.1.1鼠笼异步电动机一般普通鼠笼式异步电动机，所以要研究异步机的起动特性和异步机的各种起动方法。分析

起动电流大，在电网的变压器容量与异步电动机起动容量相比不足够大时，直接起动会使变压器输出电压下降，当电压降ΔU>10%时，将使接在变压器上的其他电器及电动机正常工作受影响。直接起动的起动转矩并不大，而起动时必须满足Tst>1.1TL条件电动机才能起动起来，在空载情况下可以满足上述要求，而当重载起动时可能满足不了上述要求。结论异步电动机起动应考虑：①限制起动电流；②足够的起动转矩，满足Tst>1.1TL条件；③起动的经济性，包括设备简单、操作方便和低起动损耗。6.1.2直接起动

将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称直接起动。一般7.5kW以下的小容量鼠笼异步电动机都可以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动的容量还可相应增大，一般按经验公式核定：

式中kI为起动电流倍数；Ist为电动机的起动电流（A）；IN为电动机的额定电流（A）；SN为电源变压器总容量；PN为电动机的额定功率。说明起动电流大，对电机本身无太大影响（因为是短时的，且现代设计的鼠笼电机都按直接起动电磁力和发热来考虑机械强度和热稳定的）主要对电网有影响，如果电源容量较大，可以直接起动。一般7.5千瓦以下容量电动机可以直接起动。注意：容量大小不是绝对的，如果电网容量大，就可以允许容量再大些的电机直接起动。只要直接起动时起动电流在电网中引起电压降不超过电网额定电压的（10~15）%

就允许直接起动。6.2.3降压起动1)定子串电阻或电抗的降压起动分析

设起动电流需降低的倍数为α，降压起动电流为Istˊ，则应有式中Ist为直接起动时的起动电流（A）。又因为UN/U1ˊ=Ist1/Ist1ˊ=α，Tst∝U12，所以降压起动转矩为

分析1.等值电路从上图的等值电路中可见，定子串电阻或电抗起动，电压从U1N降至U1´，即加到定子绕组上的电压在起动时为U1´，这样就减小了起动电流。分析2)起动电流及起动转矩

设α为起动电流所需降低的倍数，Ist´为降压时的起动电流，则应有：

Ist

´=Ist/α，Ist∝U1st，U1st

´=U1st/α=U1N/α说明电压降低了α倍。

由于T

∝

U2，则Tst

´=Tst/α2

，说明转矩降低了α2倍。只要使Tst

´≥（1.15~1.25）TL，即满足要求。说明从I1st

´=I1st/α，Tst

´=Tst/α2，可见：定子回路串电阻或电抗的降压起动方法虽然能降低起动电流，但使起动转矩显著减小。只适用于空载或轻载起动。电抗降压起动通常用于高压电动机，电阻降压起动一般用在低压电动机。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。3)起动电阻或电抗的计算计算Rst或Xst后，还应校验满足Tst

´≥（1.15~1.25）TL

,TL为起动时的负载转矩。4)rk

和xk的估算

rk

和xk可通过实验方法测出，也可估算。方法一：短路试验(如已有电机)，测出rk

、xk、

zk方法二：估算(尚无电机)，根据铭牌数据可知当定子Y接时：

当定子Δ接时：设直接起动时的功率因数为cosφ1st=0.25

，则有2.星—三角起动正常运行时，接成Δ形的鼠笼电动机，在起动时接成星形，起动完毕后再接成Δ

，称星-三角起动。

Y-Δ起动电流和起动转矩直接起动(Δ接)

降压起动(Y接)起动电流起动转矩起动电流及起动转矩降低同样的倍数，即都为直接起动时的三分之一。星—三角起动适用条件条件：1.只适用于空载或轻载起动。2.只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。3.限于在500V以下的低压电机(因高压电机定子出6个端头有困难)。星—三角起动的优点：设备简单，价格便宜，故在轻载起动时应优先采用。缺点是应用时要受一定条件的限制。2.定子绕组串入自耦变压器降压起动定子串电阻或电抗的降压起动虽然在起动时限制了起动电流但起动转矩减小过多，只用于空载或轻载。如果负载较重时，应采用自耦变压器降压起动。起动电流和起动转矩I1st——全压直接起动时的起动电流；

I1st´——降压时电源提供的起动电流(即TA的原边电流)；I2——电动机的起动电流(TA的副边电流)公式推导电动机定子绕组内的电流：直接起动时为I1st

，降压起动时为I2，这时电网供给TA的电流为I1st´

，从电网输入的电流为I1st´=I2/

α=I1st/

α2，即I1st´=I1Q/

α2,说明串入TA起动后电网供给的电流减小了α2

倍。注：电动机的起动电流仍减小α倍，I1st´=I2/

α

而I1st´=I1st/

α2

，对电网冲击电流减小，只有I1st/

α2

倍,起动转矩Tst

∝U2，Tst

´=Tst/α2。说明起动电流和起动转矩降低的比值相同，与定子串电阻或电抗的起动方式相比较，在获得同样起动转矩的条件下，这种方法的限流效果好。反之，若在相同的起动电流条件下，可获得比较大起动转矩故用自耦变压器降压起动的方法能带动较大的负载起动。国产自耦变压器为满足不同的负载要求，其副边一般有三个抽头，可根据允许的起动电流和所需的起动转矩任意选择。这种起动方法的缺点：起动设备体积较大，价格高。自耦变压器的选择常用QJ3、QJ2系列，用于较大容量，Y接的鼠笼式电动机。

QJ2的抽头为：55%64%73%QJ3的抽头为：40%60%80%

其中，QJ2型自耦变压器允许在4小时内每小时连续起动5次，每次1.5秒。QJ3

型为短时工作制，只允许在室温下连续起动两次，以后待冷却后才能再行起动。选用时一定要注意这些问题。例：55%抽头意思为N2/N1=1/α=0.55，

α=1/0.55=1.82适用于有载起动。6.2.4具有高起动转矩的鼠笼电动机1.槽深式特点：槽深h，槽宽b，h>>b，即h=(10~12)b与普通笼型异步电动机相比，这种电机的主要结构特点是转子槽形窄而深，转子导体或是整根的铜条，或是铝熔液浇铸而成。示意图说明由于气隙和槽导体(非铁磁材料)的磁阻大而转子铁芯磁阻小，故漏磁通基本上只穿过一次槽导体。然后经槽底部铁芯形成闭合回路。若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图(a)可见槽底部导条链的漏磁通多，则底部漏抗大，槽顶部导条链的漏磁通少，则顶部漏抗小。由于槽很深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且x2σ∝f2。分析起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2较高，则sx2

较大，sx2>>r2，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。槽顶部漏抗sx2小，则电流密度大，槽底部漏抗sx2大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到槽顶部的作用称趋表效应(集肤效应，挤流效应)。分析

图(b)中电流密度分布，它是自下而上逐渐增大，槽底部分导体在流通电流时所起作用很小，就相当于导体有效高度及截面积缩小，导体电阻变大，从而减小了起动电流，增大了起动转矩。见图(c)所示，导体有效截面缩小，故起动时，转子有效电阻增加，起动性能得改善。分析（b）正常运行时，s很小，f2=sf1

很小，x2s=sx2

很小，这时转子电流的大小主要由电阻决定。r2>>sx2，因各处电阻相等，则电流的分布是均匀的，导体截面积全部得以利用，而使转子电阻自动减小到较低的正常数值。(集肤效应不明显)优缺点优点：起动时转子电阻加大，改善了起动性能，而运行时为正常值，转子电阻仍然较小，不致影响电动机的运行效率。

缺点：转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小，即Mm稍小。特性曲线

深槽式异步电机的机械特性从图中可见深槽式过载能力比普通鼠笼异步电机低。它的起动性能是靠降低了一些工作性能而得到改善的。曲线1为普通鼠笼式曲线2为深槽式鼠笼异步电机2.双鼠笼式异步电动机结构特点：电动机转子上有两套鼠笼。下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。上笼：导体截面小，用电阻系数较大的黄铜制成，电阻较大。说明原理：交流电流的趋表效应由左图可见。上笼链的漏磁通少，所以电抗小，而下笼的漏磁通多，故漏电抗大。上下笼电抗及电阻关系是：分析1.起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2较高，则sx2

较大，sx2>>r2，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。因x2σ∝f2，x2σ>>r2，

x2σ外<x2σ内，即电流主要通过上笼，故又称上笼为起动笼。由于上笼本身电阻大，起动时，电流减小，转矩增大，其机械特性如图曲线1所示。分析2.正常运行时：s很小，f2

很小，电流分配主要取决于转子电阻r2

，r2>>sx2，即下笼电流大，上笼电流小，下笼起主要作用。故又称下笼为运行笼，其机械特性如图曲线2所示。特性

曲线3为曲线1和2的合成曲线，即为双鼠笼异步电机的机械特性。可见双笼型异步电动机起动转矩较大具有较好的起动性能。缺点：转子漏抗较大，功率因数稍低，过载能力比普通型异步机低，而且用铜量较多，制造工艺复杂。价格较高。一般用于起动转矩要求较高的生产机械上。6.3绕线式异步机起动方法：转子串三相对称电阻起动，电阻分级切除转子串频敏电阻起动6.3.1绕线式电机转子串三相对称电阻起动

起动时，要限制起动电流Ist，同时希望有较大的起动转矩Tst。现以三级起动为例，即m=3。

1.分级起动过程起动前，KM1、KM2、KM3

加速接触器常开接点均打开，现使线路接触器KM线圈导电，其常开接点闭合，电动机在串入全部电阻R3下起动，然后逐级短接起动电阻，一直加速到稳定运行点I点为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起动级数m、转矩Tst1及Tst2有关。原理图（以三级起动为例）2.机械特性的线性化异步机的机械特性是非线性的，如图所示说明

分级起动时电机工作在机械特性的工作段，即s<sm段，在这段中可认为s/sm<sm/s，故可忽略实用公式中分母的s/sm项，有将异步电动机非线性的工作段近似为一条直线。当T=Tm时，实际特性曲线s=sm，而线性化后的曲线在T=Tm时，s=sm/2，线性化后有误差，但误差不大，在工作范围内，基本上与实际特性相重合。3.解析法计算起动电阻

一般取T1≤0.9Tm，T2=（1.1~1.2）TL，已知：T=2Tms/sm，当sm一定时，T

∝

s

。

同一T值下当T=常数时，r2´/s=常数，转子串电阻后，转子电阻R2变化，则转差率也变化；当T不变时，R2/s也不变。

公式推导过程由上述可得出：s1/s2=R1/R2，s

∝

R

根据T=2Ts/sm，在s不变情况下，再根据

同一s值下，T

∝1/R，即s不变时，转矩与转子电阻成反比。从而推出；公式推导过程

令设起动时级数为m级，则各级每相转子总电阻为：转子各级分段电阻为公式推导过程根据可得一般转子绕组为Y接，所以转子的阻抗为：式中sN——电动机的额定转差率

E2N——转子额定电势(指线电势)

I2N——转子额定电流(指线电流)正常运行时sN很小，可忽略sNx2，则得

公式推导过程Rm——起动时转子的最大电阻，因为Rm很大，虽然起动瞬间s=1，仍可忽略电抗，则有式中

I2st——起动转矩为T1时的转子电流公式推导过程若起动级数m未知，可用下式计算：解析法计算起动电阻步骤：1.当已知起动级数m时：(1)预选T1（），计算γ，(2)验算T2

，T2=T1/γ≥（1.15~1.25）TL(不满足应修改T1或起动级数并重新计算)直至T2大小合适。(3)计算r2，根据r2和γ计算各级电阻值。2.当起动级数m未知时：(1)预选T1、T2

，求γ；(2)求起动级数m，取接近的整数，再修正γ；(3)计算r2

，用r2和γ计算各级电阻值。说明

转子回路串电阻分级起动时起动电阻计算是在机械特性线性化前提下得出的，因此有一定的误差，但已完全能满足工程实际的要求。6.3.2绕线电机转子串频敏变阻的起动1.频敏变阻器的结构铁心由厚钢板或铁板迭成，有三相绕组，接成Y形，出线为a、b、c去接转子。等效电路

转子回路串入频敏变阻器后，将转子电流分成二个分量。IL为励磁电流(无功分量)，建立磁场。IT为有功分量，产生铁损耗。铁损电阻Rm(等效电阻)和电抗Xm均随转子频率而变化。工作原理

起动时，s=1，f2=f1，Xm>Rm，转子电流I2大部分流过Rm支路，相当于串电阻起动；当n↑→s↓

→f2↓→Rm

↓→相当于连续自动切除电阻。同时

f2↓→sXm

↓

当n=nN时，f2很小，f2

≈(1~3)Hz，Xm

≈0，Rm几乎被短路，故涡流很小。起动完毕，阻抗器被自动切除。特性

从以上分析可知，频敏变阻器是一种无触点的变阻器。它结构简单，材料和加工要求低，并且因没有触点和易磨损元件，寿命长，使用和维护方便，有较好的机械特性和起动平滑的优点，但因频敏变阻器的等效阻抗是一个非线性时变参数，计算起来相当复杂。工程上用经验公式或使用表格计算。课后复习要点1.鼠笼异步电动机起动2.绕线异步电动机起动思考题：P2406-7、6-8、

6-9、6-10、

6-11、6-13作业:P2416-35本次课程内容和教学要求内容：三相异步电动机的各种调速。要求：熟悉异步机各种调速原理和机械特性以及应用场合。6.4三相异步电动机的调速6.4.1异步调速方法异步机变极调速——鼠笼电机变转差率s

调速调压调速滑差电机调速(电磁离合器调速)转子串电阻调速转子串电势调速变频调速变频机组交—直—交变频交—交变频6.4.2

变极调速

变频调速要采用专用变速电机，其转子为鼠笼式根据当f1一定时，n1∝1/p，改变极对数p，可变n1。

1.变极原理

电机定子每相绕组由二部分组成，每一部分称为半相绕组，改变其中一个半相绕组的电流方向，电机产生的磁极对数即可改变。如：已知电机绕组接线如下图所示：变极原理

现改变接线，使一个半相绕组的电流反向，则如下图所示。从上面分析可知，如果二个绕组电流方向相同，2p=4，让一个半相绕组电流反向，2p=2，则极对数可减半。变极接线方式2p=4时，n1=1500r/min；2p=2时，n1=3000r/min；二个半相绕组由串→并(电流方向要改变)极对数减半，n1升高一倍。改变一个半相绕组的接线方式很多。如下：2.三相绕组的接线方式1）Y—YY变换(单星形变双量形)

三相绕组的每相定子绕组有中心抽头。在Y接法中，将绕组1、2、3端接电源，二个半相绕组电流相同，设此时极对数为2p

，同步转速为n1。Y—YY变换

在YY接法中，将1、2、3端都于0点相联，4、5、6端接电源，B、C二相接电源对调，每相二个半相绕组并联，其中一个半相绕组电流反相，这时，极对数为p，同步转速为2n1，属恒转矩调速。2）Δ—YY变换

在Δ接线中，端点1、2、3接电源，4、5、6空着，二个半相绕组中电流方向相同，设此时极对数为2p，同速转速为n1。Δ—YY变换

在YY接线中，1、2、3端点连在一起，4、5、6端点接电源，其中一个半相绕组电流反向，这时，极对数为p，同步转速为2n1，(近似)属恒功率调速

3.容许输出功率和转矩输出功率：P2=P1η=3U1I1η

cosφ式中：η为电动机的效率，P1为电动机的输入功率，U1为电动机定子相电压，I1为电动机定子相电流；cosφ为电动机定子的功率因数。现假设变极前后，η和cosφ保持不变，则P2

∝

U1I1。已知T=Pem/Ω1，

Ω1=2πf1/p，则T=Pem

p

/2πf1。

设Pem=P1(忽略定子损耗)，T=3U1I1cosφ

p

/2πf1所以有T∝U1I1p分析

为使电机得到充分利用，在变极前后均使电动机绕组内流过额定电流，即保持半相绕组电流为I1N

不变。Y接时：每相电压为U1,每相电流为I1N，极对数p=2，故TY∝U1I1N×2；YY接时：相电压为U1，每相电流为2I1N，极对数p=1，故TYY∝U12I1N×1。

所以有TY=TYY，属恒转矩调速。又因P=TΩ，PYY=2PY，则输出功率不等。分析

Δ接时，相电压等于线电压为U1，相电流为I1N极对数p=2。

可见，从Δ-YY变换的变级调速为非恒转矩调速。分析

输出功率：可见，从Δ-YY变换的变极调速亦为非恒功率调速，但比较接近于恒功率调速方式，故可认为是近似恒功率调速，允许输出转矩将减少近一半。4.机械特性(定性分析)

由Tm、Tst及sm可定性画出机械特性。假设变极前后每个半相绕组参数相等均为：r1/2、x1/2、r2´/2、x2´

/2。1.Y-YY变换的机械特性Y接时：二个半相绕组串联参数为：r1、x1、r2´、x2´YY接时：二个半相绕组并联参数为：r1/4、x1/4、r2´/4、x2´

/4。已知：定性分析由上面公式得：Y接时：YY接时：定性分析

若拖动恒转矩负载时，从Y向YY变极调速时，转速从nB升到nA，几乎增加一倍。当负载转矩小于TmY时，可以实现恒转矩调速，变极速由高速降为低速时，电机要经回馈制动状态。Δ-YY变换的机械特性Δ接时：极对数为p，同步转矩为n1，电压为U1，阻抗为z1=r1+jx1、z2´=r2´

+jx2´

；YY接时：极对数为p/2，同步转速为2n1

，电压为阻抗为z1/4=r1/4+jx1/4、z2´/4=r2´/4+jx2´/4；Δ接时有YY接时机械特性

可见，当负载转矩小于TmYY时可以实现恒功率调速。4.应用及注意问题1)应用

a.变极调速适用变速电机其转子为鼠笼式。

b.适用于有级调速的场合：Y-YY用于恒转矩生产机械，如起重运输等生产机械；Δ-YY用于恒功率生产机械，如各种机床的粗加工和精加工。除以上两种变极方法外，还可以利用一套定子绕组改变成三种甚至四种极数的电动机，如2、4、8极及4、6、8、12极等。这种变极调速的电动机称为多速电动机，已较普遍地用于生产机械上。注意问题2)注意问题改变定子接线方式时，必须将三相绕组中任意两相的出线端交换一下，否则电机将反转。3)优缺点变极调速的优点：设备简单，运行可靠，机械特性较硬，可以有恒转矩调速方式和恒功率调速方式。缺点：转速只能成倍增长，为有级调速。应用举例

为了改善变极调速电动机的调速平滑性，可以综合应用变极调速与降压调速，即变极降压调速。粗调用变极法，细调用降压法。此法可以使降压调速不运行在转差率低的情况下。变极降压调速既扩大了调速范围，提高调速平滑性，又减小低速损耗。4、6、10级三速如图所示。6.4.3变频调速

已知：n1=60f1/p，当f1变，n1变，n

变。1.变频与调压的配合(变频调速的控制方式)

当f1↓而U1不变→Φm↑→I0↑

→I1↑过热I0↑→cosφ1↓

而Φm↑→pFe↑→带载能力下降。为了克服上述缺点，在基频（50Hz）以下调速时，采用恒磁通调压调速。分析

当f1↑时，再继续保持U1/f1=常数比较困难，因为f1>50Hz时，U1↑>U1N不允许，这样只能保持U1不变。

f1↑→Φm↓→T↓，而f1↑→n↑，P=TΩ属恒功率调速。所以基频以上采用恒压调速。变频机组调节直流电动机的转速，能改变同步发电机的频率，使接在电网上的一组棍道鼠龙异步电动机调速，达到变频调速的目的。交-直-交变频系统

整流器将50Hz电源的交流电整流成幅值可调的直流电，逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电。交-交变频系统直接将50Hz的交流电变换成频率可调的交流电。2.变频调速时的机械特性

只要找出Tm，sm，Tst及Δnm与频率关系，即可定性画出机械特性。1)最大转矩Tm(Tm=常数，过载能力不变)分析(1)当f1较高但f1<50Hz时：

r1<<x1+x2ˊ，忽略r1，

当Tm=常数，U1/f1=常数分析(2)当f1较低时：

r1的影响不能忽略，在r1上产生的I12r1→E1↓→

→Φm↓→Tm↓

当f1↓→r1的影响↑→Tm↓(3)基频以上调速时(U1=常数)

f1↑→Φm↓→Tm↓2)运行段的斜率

找出sm，Δnm与f1的关系。当f1较高时，忽略r1，且f1<50Hz

可见，Δnm与f1无关。无论在基频以下还是在基频以上调速时，Δnm基本不变，则变频调速时的机械特性与固有机械特性平行，只有在频率f1很低时，r1不可以忽略，Δnm减小，机械特性更硬些。3)起动转矩

f1较高时，可忽略当U1/f1=常数时，特性3.变频调速的特点1)在基频以下变频调速时，应进行定子电压与频率的配合控制，保持E1/f1为常数的配合。控制时为恒磁通变频调速。保持U1/f1为常数配合控制时为近似恒磁通变频调速。前者属于恒转矩调速方式，后者属于近似恒转矩调速方式。在基频以上调速时，保持U1=U1N不变，随f1升高，Φm下降，属于近似恒功率调速方式。变频调速的特点2)机械特性基本平行，属硬特性，调速范围宽，转速稳定性好。3)运行时s小，转差功率损耗小，效率高。4)可以连续调节，能实现无级调速。优点：具有良好的调速性能。缺点：需一套性能优良变频电源。应用：冶金，化工，机械制造业，采矿等。6.4.4调压调速1.开环调压调速特性及其调速性能U1变化时：sm不变，n1不变，T∝U12，Tm∝U12，U1↓→n↓→s↑，机械特性如图所示，可见转子电阻为正常值如一般的鼠笼异步电动机，对恒转矩负载，调速范围很小，实用价值不高。分析

对风机类负载，调速范围较大，但存在低速时功率因数低(cosφ1低)，电流大(I2大)的问题。所以降压调速只适用于高转差率鼠笼电机或绕线式异步机。因为n↓→s↑→φ2↑→φ1↑→cosφ1↓又因T=CmΦmI2´cosφ2，T不变时，φ2↑→cosφ2↓→I2↑）2.调压调速闭环控制系统调压装置：以前用饱和电抗器，现广泛采用可控硅交流调压装置。在前面所述开环系统的调速时，其机械特性软，调速范围不大。加转速负反馈环节后成了调压调速的闭环系统。系统分析

测速发电机TG测得电动机转速即测速发电机的u∝n，当n↑→u↑，将u与给定电压u*比较得Δu，将Δu作为放大器输入端，经放大后的输出为触发器的发出信号，使触发器发出一定相位的脉冲，晶闸管调压器就输出一定值的电压，调节给定电压u*的大小，就可得到不同输出电压值，从而达到调速的目的。系统的自动调节作用

设给定电压为u*1，负载为TL1，定子电压为U2系统工作在特性A点。当负载增大为TL2→n↓→u↓→Δu↑→U2↑=U1→T↑→过渡到特性的B点上。电动机转速下降为nB；若为开环系统，电动机转速就要降到特性曲线的C上所对应的转速nC。通过系统的调节作用，只要给定电压u*保持不变，系统就可以使电动机的转速也基本保持不变。系统的自动调节作用

在不同的给定电压u*下，可以得到一族基本平行的闭环控制系统的机械特性，如图曲线1、2、3所示，如果连续地改变u*

，则可使系统平滑调速。缺点：定子电压和电流存在高次谐波分量，功率因数较低，效率不够高。适用：中小容量的交流电动机。3.调速性能

调压调速闭环系统的调速方法是非恒转矩调速和非恒功率调速。只适用于风机类型的负载(因这种调速方法T∝1/s，而风机类负载TL∝1/s)。

调压调速只适用于绕线异步电动机(转子可串入电阻)，而对鼠笼电动机只能短时间欠载运行(因转子不能串入电阻)，调速过程中，尤其在低速运行损耗大，转子串入电阻可减轻电机内部发热，而鼠笼型机只能短时运行。6.4.5转子串电阻调速1.串电阻后的机械特性转子串电阻后，n1不变，r2↑→sm↑，Tm不变，在同一T下，s∝r2+RΩ，则转子串入不同值的电阻后，可得到不同的转速，机械特性如右图。调速过程：串电阻瞬间2.调速特点

有级调速，设备简单，只适用于有载调速，空载时转速变化不大。低速时特性软，损耗大，效率下降，属于恒转矩调速。转子串电阻调速方法适用于起重机械类负载，对通风机负载也可采用。3.调速时的损耗电磁功率：Pem=m1I2´

r2´/s铜损耗：pCu2=m1I2´2r2´=sPem全机械功率：Pj=m1I2´2

r2´(1-s)/s=(1-s)

Pem

当s=0.5时，n=0.5n1，此时：Pem=Pj+pCu2，

Pj

=0.5

Pem，pCu2=0.5

Pem，电机效率很低，r2/s=常数只改变了Pj与pCu2间的分配。当RΩ↑→s↑→pCu2↑→Pj↓→η↓

，说明转速降低是靠增大转子铜损减小全机械功率Pj得来的，故不经济。4.调速电阻的计算

同一T值下有：由已知的转速n(或转差率s)可求出RΩ。5.应用适用于对调速性能要求不高的生产机械，如吊车提升机构。6.4.6串极调速1.串级调速的基本原理转子串入电阻调速时，调速瞬间：

n来不及变化，当r2↑→I2↓→T↓→n↓→s↑→pCu2↑(pCu2=sPem)↑→转差功率sPem消耗在电阻上→浪费→η↓。

分析

能否找出一种方法，既将消耗在电阻上的功率利用起来，又能提高调速性能呢?串级调速就是在这种思想指导下，设计出来的。电势Ef与I2反相位，提供Ef

的装置吸收电功率。若能够将吸收的电功率利用起来，就解决了转子串电阻调速耗能大的问题。分析

如果将电阻RΩ换成电势Ef，且使Ef与sE2同频率相位相反，则转子内串入电势Ef的等值电路如右图。转子电流：串入Ef瞬间，n来不及变化→I2↓→T↓→n↓→s↑→

I2↑→T↑=TL

可见，串入Ef后同样能达到调速的目的。分析

Ef与sE2相位相反，即为反电势，说明提供Ef的装置是吸收电功率的。如能将这部分功率加以利用，电机的效率即可提高。当然Ef也可以与sE2相位相同，则n>n1。转子电势sE2的大小变化，频率也变化。f2=sf1，

Ef的频率要随f2变化是很困难的，所以先将转子电势E2s变成直流，之后引入直流电势Ef

方向与E2s相反，这就是串级调速。串级调速可分为：机械回馈式和电气回馈式。2.机械回馈式串级调速系统(电机回馈式串级调速)

异步电动机YD与ZD直流电动机同轴，共同拖动负载。YD的转子电势经整流后与ZD的电枢相并联，通过改变ZD的励磁电流IL的大小而改变ZD的Ed，即达到调速目的。调速原理

IL=0，Ed=0，直流电势Ef

由直流电动机供给。YD运行在固有机械特性上，n

最高，s

最小。当IL≠0时，Ed≠0，转子引入附加电势，

IL↑→Ed↑→Ef↑→I2↓→T↓→

n↓→s↑→I2↑→T↑=TL，

达到调速目的。功率关系

异步机YD的电磁功率为Pem，其中(1-s)Pem直接输送给机械负载。而sPem进入转子，ZD输入功率为sPem-pCu2，ZD输出功率为sPem-pCu2-pZD，如果忽略损耗，则pCu2≈0，pZD

≈0。ZD的输入为sPem，输出为sPem，所以机械负载得到的功率为sPem+(1-s)Pem=Pem，电机的效率大大提高。可见，不论s多大，转速n的高低，负载上得到的功率总是Pem，这样转差功率sPem得到利用，而没有浪费掉。这种电机回馈式串级调速系统，只适用于大功率，低调速范D≤（2~3）的场合。（因D

大→s大→sPem大→ZD容量→不适合，还不如直接用直流机调速）3.电气回馈式串级调速系统

以前采用电气回馈式串级调速系统，它与机械回馈式串级调速系统区别在于：

ZD不与YD同轴，而是拖动一台异步发电机YF。由它发出三相交流电，把转差率sPem回馈给电网，这种串级调速已不采用，而采用可控硅逆变器的电气串级调速(SCR串级调速)如书上P218图6-41直流电势Ef由SCR逆变电源供给(Uβ)，转子整流电压为Ud。电气回馈式示意图低同步可控硅串级调速系统分析

当Ud<Ef，Id=0，M=0；当Ud>Ef，Id≠0，T≠0，电机输出功率；当Ud=Ef，Id=0，T=0，称理想空载,n=n1，s=s0Ud=2.34s0E2=2.34U1cosβ=Ef

，其中E2——相电势；U1——相电压；β——逆变角；s0——与理想空载转速对应的转差率；则：s0=U1cosβ/E2；n0´

——串级调速时的理想空载转速，n0´=n1(1-s0)；n1——异步机的同步转速。改变逆变角β→Ef变化→s0变化→n0´变化→n变化，但n1不变。4.异步机串级调速时的机械特性

无论采用哪种串级调速方法，对YD来说，其机械特性形状都是一样的，即都是在转子内引入一个附加电势，改变附加电势的大小，可以改变s的大小，达到调速的目的。特性分析已知：如果Ef=sE2，则I2=0，T=0，称为理想空载状态。令此时的转差为s0，则有s0=Ef/E2。改变Ef

→s0变化；Ef越大→s0越大→特性向下移动，且特性硬度减小；Ef↑→Δsm´↑→特性越软。

Ef越大，调速作用越明显。Ef与sE2反相时，电机转速向低于n1方向调节，称低速同步调速；当Ef相位与sE2同相时，电机转速向高于n1的方向调节，称超同步串级调速。特性特点优点：效率高，特性硬，调速范围较宽，无级调速。缺点：系统总功率因数较低，设备体积大，成本高。适用：水泵，风机等节能调速等。6.4.7电磁转差离合器调速（滑差电机调速）1.电磁转差离合器的组成由三部分组成：1)笼型异步电动机：拖动电枢旋转。2)电磁转差离合器：电枢，磁极，滑环等。3)可控硅整流电源：将交流电变为直流，提供直流励磁电流。工作原理结构

电磁转差离合器的结构形式有多种，无论哪种，都由电枢和磁极组成(磁极包括铁心和励磁绕组)。这两部分之间没有机械上的联系，二者中有气隙，与异步电动机定、转子间的气隙相似，电枢和磁极都能自由旋转。电枢由异步电动机拖动旋转，因为异步电动机固有特性的直线段特性较硬，可认为其转速不变，异步机为原动力，这部分称为主动部分。此轴叫主动轴。可控硅整流电源通过电磁转差离合器上滑环，给励磁绕组供电。磁极通过联轴节与负载相联，称为从动部分。此轴叫从动轴。电磁转差离合器的工作原理

当磁极上通过直流励磁电流时，产生固定的磁极。异步电动机拖动电枢旋转，电枢就切割磁力线，而产生涡流。如果将电枢看作不动，相当于固定的磁极在空间转动，可见它和异步电动机的旋转磁场作用相当。电枢作为载流导体，处在磁场中，受到电磁力作用而产生转矩。电磁转差离合器的工作原理

电枢由整块铸钢制成，为圆筒形钢体。电枢相当于无穷多根导体组成的鼠笼转子，我们选择其一根分析受力情况。设异步机以n1的转速拖动电枢逆时针旋转，切割磁场产生感应电势、电流，按右手定则，判断为⊕，再以左手定则判断出对电枢产生顺时针方向的转矩M企图迫使电枢反转，但电枢的转向是由异步电动机的转向所决定的，因此，这个转矩就成为主动轴的阻转矩。而它的反作用转矩作用在磁极上，推动磁极逆时针方向旋转，将原动机(异步机)的机械功率传到负载上，其转速为n2

，方向与n1同向，磁极带动负载一起旋转。从动轴转动后切割速度变为Δn=n1-n2

而磁极的转速n2又一定小于电枢转速n1，工作原理与异步机相似。名称

电磁转差离合器名称的由来：由于从动轴和负载相连，要向负载输出机械功率，由前面分析可知，只有Δn≠0时，也就是说两轴间有转速差存在时，才有转矩产生，才能把主动轴的功率传送给从动轴，故有转差二字。又因直流励磁电流为零时，没有磁场，磁极不会转动，相当于把生产机械和电枢分开，一旦加上励磁电流，磁极立即转动，相当于把生产机械和电枢“合上”，作用和机械离合器一样。因此叫转差离合器。因异步机和生产机械之间不是通过机械直接连接，而是通过电磁作用互相联系起来，所以全名叫“电磁转差离合器”，简称离合器。名称

因为它的作用原理与异步机的相似，而且经常与异步机本来配套成一体。小容量的装置中二者就装在一个机壳内，同时转差也叫滑差，所以又常把电磁转差离合器和拖动它的异步电动机一起称为滑差电机，这种调速方法叫滑差电机调速。机械特性

滑差电机调速系统的机械特性，就是电磁转差离合器本身的机械特性。即从动轴上的转矩与转速之间的关系。即n2=f(T)，由于它的工作原理与异步电动机相似，所以机械特性也和异步机相似。离合器的电枢相当于异步机的转子，用铸钢制成，由于它的电阻较大，所以机械特性和异步机转子具有较大电阻时的机械特性相似，特性比较软。特性分析

当n2=0时，切割磁场的转速最高，产生的转矩M最大，磁极转动后，n2↑→Δn↓→直到n2=n1→Δn=0→T=0。它的理想空载转速就是异步电动机的转速n1。

改变励磁电流的大小，就改变了磁场的强弱。这实质上和异步电动机改变定子电压的作用相同。所以改变励磁电流大小，得到的机械特性相当于异步电动机改变定子电压的人为特性。用可控硅供电电源给直流励磁，通过连续改变可控硅控制角，可以得到很多条人为特性。分析

如果励磁电流太小，磁场太弱，产生的转矩太小，从动轴转动不起来，就会失控。所以有失控区。另外，在一定的磁场下，负载过大，从动轴转速太低，也会形成从动部分跟不上主动部分，所以运行速度不能太低。带反馈调速系统应用滑差电机调速既不是恒转矩调速也不是恒功率调速优点：结构简单，运行可靠，能平滑调速。缺点：低速时损耗大，电枢易发热变形。应用：纺织、印染、造纸等工业部门的一般设备上。现代交流调速系统组成异步电动机调速系统基本类型1.转差功率消耗型调速系统2.转差功率回馈型调速系统3.转差功率不变型调速系统1.转差功率消耗型调速系统全部转差功率转换成热能的形式而消耗掉。晶闸管调压调速属于这一类。在异步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，是以增加转差功率为代价来换取转速的降低。但是由于这类系统结构最简单，所以对于要求不高的小容量场合还有一定的应用。2.转差功率回馈型调速系统转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速越低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速属于这一类。显然这类调速系统效率较高。3.转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜耗部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。变频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术与主流产品。现代交流调速系统今后发展趋势发展趋势：1.以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开发。2.新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。3.PWM模式的改进和优化。4.中压变频装置（我国称为高压变频装置）的研究与技术开发。课后复习要点三相异步电动机各种调速方法思考题：P2416-16、6-17、6-21作业:P2416-24本次课程内容和教学要求内容：异步电动机各种运行状态。要求：掌握各种制动原理和机械特性以及应用场合。6.5三相异步电动机的各种运行状态6.5.1电动运行状态

T与n方向一致，n<n1，0<s<1，T为拖动转矩，特性在第Ⅰ、Ⅲ象限。6.5.2制动运行状态

制动分为反接制动，能耗制动，回馈制动(再生发电制动)反接制动反接制动状态是指转子旋转方向和旋转磁场方向相反，即转速n和同步转速n1反向的运转状态。反接制动分为转子反转的反接制动和定子两相反接的反接制动。1.定子两相反接的反接制动定子两相反接的反接制动又称电源反接制动(1)方法及制动原理方法：将三相定子绕组二相出线头对调一下，则n1转，同时在转子绕组内串入三相对称电阻RΩ。磁场模型原理反接瞬间：n1→-n1,n由于惯性来不及变化。这时s较大→sE2较大→I2很大。为限制转子电流，要串制动电阻(在转子回路中RΩ)。制动瞬间：反接制动瞬间因sA很小，nA

≈

n1，所以s≈2。

转子回路串入大电阻，若改变串入的电阻值可改变制动特性的斜率。特性

当电机拖动恒转矩负载时，在电动机转矩和负载转矩共同作用下，迫使电动机很快送减速到C点，n=0，制动结束。BC段为电源反接制动的制动特性，要想停车，需在n=0时拉闸，否则，若电机拖动反抗性负载，而且C点的电动机转矩T大于负载转矩，则反向起动到D点稳定运行。CD段为反向电动状态特性。若电动机拖动位能性负载，则要从反向电动状态继续加速到-n1(E)点，再到反向回馈制动状态的F点，才能稳定运行。特性(2)能量关系(BC段特性)Pi<0说明系统储存的机械能

+消耗在转子电阻上Pem>0说明从电源上输入电能(3)制动电阻的计算同一M值下，r2/s=常数。在同一Tm下：串入电阻后，由上面的公式可求出电阻值RΩ1及

RΩ2。已知TL，在同一TL下，可能有二个电阻值，有二条机械特性，即二个RΩ值。说明同一T值下，。如图所示，如果s<sN，特性可视为直线，则如果s>sN，用实用公式求s。(4)应用适用于迅速正反转的生产机械。2.转子反转的反接制动(负载倒拉反接制动)(1)方法及制动原理绕线式异步电动机转子串入较大的电阻，如图所示，当电机提升重物G，电机以nA转速提升重物。这时线路中接触器的常开接点全部闭合，转子回路没有外串电阻。制动原理

若使KM3断电，其常开接点打开，串入电阻Rst3系统以较低转速nB提升重物。若再使KM2断电，其常开接点打开，串入电阻Rst3+Rst2，得特性3，如图所示。这时T=TL，n=0，电机既不提升重物也不放下重物。若再使KM1断电，转子回路串入全部电阻Rst1+Rst2+

Rst3，在n=0时，T<TL，位能负载拉着电动机反转，使转子逆原先方向转动。T与n反向，制动状态。T为制动转矩起限速作用，使下放重物不会出现危险的高速度。串入大电阻Rst

→

I2s↓→T↓→n↓。在n=0时电动机被TL拉向反转。特性(2)能量关系机械功率

电磁功率转子铜损说明两部分能量全部消耗在电阻上，一部分消耗在转子本身的内阻r2上，因r2很小，故能量大部分消耗在外串电阻RΩ上。这样可以减小转子发热程度。(3)制动电阻的计算方法以固有机械特性为准，求出

在同一T值下，r2/s=常数，

即，可求出RΩ(4)特点和应用特点：

s>1，运行过程中能量消耗多，改变转子串接电阻，可变速度。应用：适用于位能性负载下放重物。6.5.3回馈制动运行状态(再生发电制动)1.方法及制动原理方法：电机在拖动位能性负载时，当电动机产生的电磁转矩T与负载转矩TL同方向时，使转速n↑↑

，即n>n1，电动机工作在发电状态，向电网返回能量。特点：电机向电网输送有功功率，由电网向电机输入无功功率。

分析电动状态时,由电网向电机输入的有功功率：

由电网向电机输入的无功功率：其中I1a与U1同相位。分析发电状态时：I1a与U1反向，φ

>90º；

2.能量关系

n>n1，s<0，Pj=m1I2´2r2´(1-s)/s<0，说明输入机械功率；Pem=m1I2´2r2´/s<0，说明由转子输入机械功率传到定子，再返回电源，这时电机为一台异步发电机，又因这时T、n方向相反故为制动状态，称回馈制动或再生发电制动。3.电流关系（1）转子有功电流I2a´：因s<0，I2a´<0，由电动机流向电网（2）无功电流无功电流为：电流方向不变，从电网流向电机，即电机从电网吸收无功电流。

电机返回电网的有功功率4.相量图5.机械特性6.特点和应用特点：

n>n1，从电网吸收无功建立磁场，向电网输送有功，经济。应用：电机拖动位能性负载(如绕线式异步机)下放重物。6.5.4能耗制动运行状态(1)方法及制动原理方法：将正在运行的三相异步电动机定子绕组断开三相交流电源，同时在定子两相绕组内通入直流电流。电动运行状态时，KM1闭合，能耗制动时KM1断开，KM2闭合接线图制动原理

当定子绕组拉开三相交流电，通入直流电时，定子磁场变为固定不动的