第3章交流电力拖动系统基础2起动和制动

3.4鼠笼式异步电动机的起动方法哈尔滨工业大学电气工程系专业课电机的运行过程包括起动、稳定运行、制动等过程。电机的起动过程是指电机投入电网后，从静止状态加速到稳定运行转速的过程。要有足够大的起动转矩，以保证系统正常起动；在保证足够的起动转矩的条件下，起动电流要小；起动设备结构简单、操作方便、能量损耗小。生产机械若对起动过程有特殊要求，可按实际情况确定。对起动过程的一般要求鼠笼式异步电动机的起动方法直接起动降压起动定子串接对称电阻起动定子串接对称电抗起动自耦变压器降压起动星形-三角形（Ｙ-Δ）降压起动延边三角形起动软启动又称全压起动即异步电动机不采取任何措施，直接通过闸刀开关或接触器把全部电源电压加到异步电动机的定子绕组上的起动方法。直接起动是一种最简单的起动方法。其优点显而易见，即起动设备简单、操作方便。直接起动异步电动机直接起动的特点异步电动机直接起动时，起动电流大；原因：在刚起动的瞬间，转子不动，n=0，转差率最大，s=1，转子感应电势E2'=sE20最大，使转子电流最大，定子电流也最大。一般，起动电流倍数ist=4～7，即起动电流为额定电流的4～7倍，或更大。异步电动机直接起动时，起动转矩Tst小。原因：在刚起动的瞬间，转差率最大，s=1，转子电流频率f2=sf1=f1最大，转子电抗x2远大于转子电阻r2，使转子功率因数很低。同时，由于起动电流Ist大，使定子压降很大，定子感应电势E1比电源电压U1小很多，则与E1成正比的Φ也小很多。由物理表达式，即电磁转矩公式T=CTI2’cos2’，虽然Ist很大，但、cos2‘均很低，使得Tst很小。直接起动的特点实际就是它的缺点。为改善异步电动机的起动性能，必须从两方面入手：一是减小起动电流；二是提高起动转矩。同时，还要按照生产机械的不同要求，采取合理的起动方式。优点：起动设备简单、操作方便缺点：起动电流大，对电网冲击很大，频繁起动时引起电机发热，影响电机寿命；起动转矩小，负载较重时可能不能起动，或能起动，而起动时间较长，降低了生产效率。应用场合：对起动过程要求不高的场合，可以考虑直接起动。条件是对电网的冲击在允许范围内。具体而言，直接起动的起动电流引起的电压降不能超过额定电压的10%～15%。经验公式：直接起动总结六种降压起动(鼠笼电动机)定子串接对称电阻起动定子串接对称电抗起动自耦变压器降压起动星形—三角形（Ｙ—Δ）降压起动延边三角形起动软启动1、定子串接对称电阻起动起动时，把对称电阻接入定子电路，电机的转速接近稳定转速时，将起动电阻切掉，把电源电压直接加到电机上，起动过程结束，电机进入正常运行。这种起动方式实质上是降压起动，因为起动电流在电阻上引起电压降，使实际加在电机上的电压降低了。笼型异步电动机电阻减压起动的原理图机械特性的变化特点n0不变，Tmax、Tst及sm与均减小了从而使异步电动机的机械特性的斜率加大，过载能力降低。与直接起动相比，起动电流、起动转矩的变化情况令=

Ist/Ist‘(>1),有直接起动时的等值电路定子串接电阻起动时的等值电路则U1/U1'=

Ist/

Ist'=,(UIst)又由于TU2，则Tst/

Tst'=2，即Tst'=Tst/2

优点：起动平稳、运行可靠、设备简单缺点：起动转矩严重减小，能量损耗大应用场合：轻载起动，适用于低压电动机2、定子串接对称电抗起动起动时，把对称电抗接入定子电路，电机的转速接近稳定转速时，将起动电抗切掉，把电源电压直接加到电机上，起动过程结束，电机进入正常运行。这种起动方式实质上也是降压起动，因为起动电流在电抗上引起电压降，使实际加在电机上的电压降低了。笼型异步电动机电抗减压起动的原理图异步电动机定子串接对称电抗后的机械特性的特点同前。与直接起动相比，其起动电流、起动转矩的变化情况同前。优点：起动平稳、运行可靠、设备简单缺点：起动转矩严重减小应用场合：轻载起动，适用于高压电动机3、自耦变压器降压起动起动时，定子绕组经自耦变压器接到电源上，电机降压起动。当转速接近稳定转速时，将自耦变压器切除，把电源电压直接加到电机上，起动过程结束，电机进入正常运行。异步电动机自耦补偿起动的原理线路图自耦变压器的原理定子功率相等定子绕组每相起动电流的变化设异步电动机直接全压起动时，加在定子上的电压为U1，定子绕组中的起动电流为Ist；而用自耦变压器降压起动时，加在定子上的电压为Ux，定子绕组中的起动电流为Ix。则有上式表明:用自耦变压器降压起动时，异步电动机定子绕组中的起动电流Ix为直接全压起动时定子绕组中的起动电流Ist的1/。电网侧起动电流的变化用自耦变压器降压起动时，流过电网的起动电流I1，则上式表明:用自耦变压器降压起动时，电网侧的起动电流I1为直接全压起动时电网侧起动电流Ist的1/2。起动转矩的变化设异步电动机直接全压起动时，加在定子上的电压为U1，起动转矩为Tst；用自耦变压器降压起动时，加在定子上的电压为Ux，起动转矩为Tst'。则由于TU2，有上式表明：异步电动机用自耦变压器降压起动时，起动转矩Tst'为直接全压起动时起动转矩Tst的1/2。为满足不同负载的要求，自耦变压器的副边绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的0.6、0.65和0.8倍。国产的起动用自耦变压器，亦称为自耦降压起动器。优点：对电网冲击较小，电压抽头可供不同负载起动时选择。缺点：体积大、重量重、成本高、需维护检修。应用场合：用于电动机容量较大，电网容量较小的场合很有利。4、星形—三角形（Ｙ—Δ）降压起动起动时把异步电动机三相定子绕组接成星形（Ｙ），当转速接近稳定时在换接为三角形（Δ），从而达到起动时降压的目的。笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图起动电流的变化设电网电压为U1，异步电动机的短路阻抗为zsc，起动转矩的变化Y联接时的相电压与Δ联接时的相电压的关系为：由于TU2，则星形联接时的起动转矩是三角形联接时起动转矩的1/3，即

Tst'=Tst/3。优点：起动设备简单，体积小，重量轻，成本低，运行可靠，检修方便。缺点：起动降压系数一定(sqrt(3))，不能象自耦变压器那样可按不同负载选择不同抽头。应用场合：只能用在异步电动机正常运行时定子绕组接成三角形的电动机。而且要求异步电动机三相定子绕组有6个出线端，因此只限于低压电动机的场合，高压实现困难。同时，由于起动转矩的降低系数较大（为3），因而只适用于空载或轻载起动。5．延边三角形起动笼型异步电动机定子三相绕组连接成延边三角形引出9个出线端的定子三相绕组6．软启动

起动方法直接起动定子串电抗/阻降压起动自耦变压器降压起动Y—降压起动起动电压UU/U/U/sqrt(3)起动电流IstIst/Ist/2Ist/3起动转矩TstTst/2Tst/2Tst/3起动设备最简单一般较复杂，有三种抽头可选简单，只用于接380V电机小结3.5改善起动性能的鼠笼式异步电动机高转差率（滑率）鼠笼式异步电动机深槽鼠笼式异步电动机双鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机的起动性能较差。直接起动时起动电流大，起动转矩小。采用降压起动达到了减小起动电流的目的，但同时也降低了起动转矩。因此，提出了三种改善起动性能的鼠笼式异步电动机。一、高转差率（滑率）鼠笼式异步电动机提高鼠笼式异步电动机转子电阻的措施是：转子导条采用电阻率较高的材料，同时导条的截面积也较小。因其转子电阻大，所以转差率比一般鼠笼式异步电动机的要高，故称为高转差率鼠笼式异步电动机。国产鼠笼式异步电动机一般称为高滑率鼠笼异步电动机。高转差率鼠笼式异步电动机的机械特性显然，其起动转矩比普通鼠笼式异步电动机的起动转矩要大。多用于起重、冶金机械。但由于转子电阻大，也降低了电机的效率。能否有这样一种异步电动机，在起动时转子电阻较大，以增大起动转矩并减小起动电流，起动结束后正常运行时转子电阻又会自动减小，从而不会降低电机的效率。这个想法是可以实现的。利用转子电流的集肤效应即可达到这个目的，得到以下两种改善起动性能的鼠笼式异步电动机。二、深槽鼠笼式异步电动机所谓集肤效应，是指导体中的电流向导体表面集中的现象。转子频率愈高，槽高愈大集肤效应愈明显。集肤效应的作用使导体的有效面积变小，有效电阻加大，刚好有利于起动。为了加强这种集肤效应，设计了深槽式的鼠笼式异步电动机。这种电机在起动时，转子频率较高，集肤效应显著，使转子电阻增大，从而增加了起动转矩并限制了起动电流。起动结束时，转子频率较低，集肤效应基本消失，转子内的电流均匀分布，使转子电阻自动减小。深槽式鼠笼异步电动机的机械特性其起动转矩比普通鼠笼式异步电动机的起动转矩要大。起动性能得到改善。三、双鼠笼式异步电动机双笼式异步电动机也利用了转子电流的集肤效应。双笼式异步电动机有两套鼠笼。上笼用电阻率较高的材料制成,导条的截面积较小.故电阻较大；下笼用电阻率较低的材料制成,导条的截面积较大.故电阻较小。这种电机在起动时，转子频率较高，集肤效应显著，电流大部分流过上笼。而上笼电阻较大，从而增加了起动转矩并限制了起动电流。起动结束时，转子频率较低，集肤效应基本消失。而由于下笼的电阻较小，电流大部分从此流过，也就是说，电机进入正常运行时，转子电阻自动减小。上笼在起动时起主要作用，又称为起动笼；下笼在运行时起主要作用，又称为运行笼。双鼠笼式异步电动机的机械特性其起动转矩比普通鼠笼式异步电动机的起动转矩要大。改善了起动性能。上述三种改善起动性能的鼠笼式异步电动机一般用于起动转矩较高的生产机械。可统称为高起动转矩异步电动机绕线转子异步电动机从结构上创造了改善起动性能的条件，转子电路可以串入电阻或频敏变阻器，因此使绕线式异步电动机的起动性能优于鼠笼式异步电动机，不但起动电流小，而且起动转矩大。一般绕线式异步电动机不得直接起动，有两种起动方法：转子串接对称电阻起动转子串接频敏变阻器起动3.6绕线式异步电动机的起动方法一、转子串接对称电阻起动绕线式异步电动机的定子绕组接到三相交流电网上，转子绕组经集电环和电刷接到起动电阻R上。绕线式异步电动机起动时，如果电刷在举起位置，首先应把电刷放下，起动电阻R应调至最大位置。然后定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，逐级地减小电阻，直到电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷，这样可减少电刷的磨损，又可减少摩擦损耗。起动过程的机械特性当最大起动转矩取T1≤0.85Tmax时，可利用异步电动机机械特性的线性段来计算起动电阻。切换转矩取为T2(1.1~1.2)TL

优点：有较好的起动性能缺点：由于起动分级进行，因而起动控制线路复杂，设备笨重，占地面积较大；由于分级起动，电阻逐级变化，转矩变化较大，对生产机械的冲击较大。应用场合：重载起动解析法计算起动电阻机械特性线性段的表达式为：T=2Tmax/sms当转差率s不变时，转矩与临界转差率成反比，即T1/sm。而临界转差率与转子电路总电阻成正比，即sm

r2+rst，则T

1/(r2+rst)结论：转矩与转子电路的电阻成反比。当s=sb时，对a'点和b点，有当s=sc时，对b'点和c点，有当s=sc时，对b'点和c点，有对m级起动，有当T=T1时，有对同一机械特性，Tmax与sm为常数，有Ts则在固有机械特性上有

二、转子串接频敏变阻器起动采用频敏变阻器起动，可以克服转子串接电阻起动的缺点，使异步电动机的起动性能得到改善。频敏变阻器的特点是其阻值随转速的上升而自动减小，使异步电动机能够平滑起动。频敏变阻器频敏变阻器实质是只有一次绕组的三相心式变压器，铁心由较厚的钢板或铁板叠压而成，因而涡流损耗（即铁损）很大。因而，频敏变阻器就相当于是一个铁心损耗很大的电抗器，是一种无触点的电磁元件。频敏变阻器的结构图频敏变阻器的等效电路起动初期，转子频率很高，铁损很大，其等效电阻R较大。等值电抗也很大。所以其等效阻抗较大，限制了起动电流。又由于X大大于R，电流基本流过R，这相当于转子电路串入电阻工作，加大了起动转矩，获得较好的起动特性。随着电动机转速的上升，转子频率减小，X值下降，转子电流流过电阻的成分相对减小，即相当于转子中串入的电阻自动地逐渐减小。当电动机转速基本达到稳定转速，即切除频敏变阻器。转子串频敏变阻器时恒转矩的机械特性适当的参数匹配，可在起动过程中得到基本是恒转矩的机械特性。优点：可平滑起动，对生产机械冲击小；控制简单；频敏变阻器结构简单、制造容易、造价低、运行可靠、维修方便。缺点：与转子电路串电阻起动相比功率因数低，起动转矩小。应用场合：重载起动3.7三相异步电动机的制动工作状态从三相异步电动机机械特性分析中知道，三相异步电动机的固有机械特性和各种人工机械特性遍布于T-n坐标系平面的4个象限。因此，三相异步电动机拖动的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、频率，或者改变绕线式异步电动机转子电路所串电阻等参数，三相异步电动机就会运行在4个象限的各种不同状态。三相异步电动机各种工作状态的定义方法与直流电机是一致的。电动工作状态：指电磁转矩的方向与转速的方向相同，第I、III象限。制动工作状态：指电磁转矩的方向与转速的方向相反，第II、IV象限。与直流电动机相同，异步电动机也可工作于3种制动工作状态：反接制动、回馈制动和能耗制动。一、反接制动状态倒拉反接（转速反向）制动电源反接制动1、倒拉反接制动实现方法：在异步电动机转子电路串接较大电阻对绕线式异步电动机拖动位能负载(比如起重机或电梯)。制动原理倒拉反接制动时的能量关系与功率流图倒拉反接制动时，转速反向(n<0)，则转差率s为总机械功率Pmec为电磁功率Pem为优点：可获得稳定的下放速度。缺点：能量损耗较大应用场合：倒拉反接制动可用在位能负载下放重物的场合，以获得稳定的下放速度。2、电源反接制动实现方法：改变异步电动机的定子接线相序(三条电源线中两条对调)，同时对绕线式异步电动机可在转子电路串接适当阻值的电阻。制动原理特性2：绕线式异步电动机特性3:鼠笼式异步电动机电源反接制动的能量关系电源反接制动时，同步转速与原来方向相反，即n0<0，则转差率s为：总机械功率Pmec为电磁功率Pem为与倒拉反接制动的能量关系相同。鼠笼式异步电动机转子无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。优点：制动强度大，制动效果好；可获得的稳定下放速度。缺点：能量损耗较大；制动准确度差，如需停车，需用自动控制线路切断电源。应用场合：电源反接制动适用于迅速停车和迅速反向的场合，也可用在位能负载下放重物的场合，以获得稳定的下放速度。二、回馈制动状态实现方法：当异步电动机由于某种原因使其转速超过旋转磁场的转速（即同步转速），异步电机就把轴上的机械能或系统储存的动能转变为电能回馈给电网，此时，对拖动系统而言产生制动作用，这就是回馈制动。回馈制动时的能量关系与功率流图回馈制动时，由于电机的转速n大于同步转速n0，即，则转差率s为总机械功率Pmec为电磁功率Pem为回馈制动分析转子电流的有功分量为转子电流的无功分量为转子电流的有功分量改变了方向，与电动状态相反转子电流的无功分量方向不变，与电动状态相同此时异步电动机向电网回馈有功功率，但仍需从电网吸取无功功率，即吸取励磁电流以建立磁场。又有T=CTI2'cos2<0说明电机的电磁转矩与转速方向相反，为制动转矩。回馈制动时的机械特性在转子电路中串接电阻，回馈制动的转速会更高。因此，回馈制动时转子电路一般不串接电阻，以免转速过高。变极调速自然产生的回馈制动过程由少极数(高同步转速)变到多极数(低同步转速)时n0=60f1/p

TpTmaxp注意转矩的变化！优点：能量损耗小。仅从电网吸取滞后的无功功率，以建立励磁磁场（这对电网是有利的）。还能回馈给电网能量，回馈电网有功功率。可获得较高的稳定下放速度。应用场合：回馈制动可用在位能负载下放重物的场合，以获得较高的稳定下放速度。例如，回馈制动可以发生在起重机下放