第八章三异步电动机的启动、调速与制动

第八章三相异步电动机的启动、调速与制动8.1三相异步电动机的启动8.1.1三相异步电动机的直接启动所谓三相异步电动机的启动过程是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止这一段过程。根据上一节的分析知，三相异步电动机在启动时启动转矩并不大，但转子绕组中的电流I很大，通常可达额定电流的4～7倍，从而使得定子绕组中的电流相应增大为额定电流的4～7倍。这么大的启动电流将带来下述不良后果。（1）启动电流过大使电压损失过大，启动转矩不够使电动机根本无法启动。（2）使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。（3）造成过流保护装置误动作、跳闸。（4）使电网电压产生波动，进而形成影响连接在电网上的其他设备的正常运行。因此，电动机启动时，在保证一定大小的启动转矩的前提下，还要求限制启动电流在允许的范围内。（忽略励磁支路影响）

起动时，n=0，s＝1，转子电动势

起动电流大，定子绕组漏阻抗压降增大，定子有效作用电压减小，每极气隙磁通量下降,b.s=1，转子侧功率因数低（0.3左右）,起动转矩不大：起动电流很大:例：一台三相异步电动机参数为：定子绕组为Y联接。求：1、额定转差率；2、忽略励磁支路时，转子额定电流；3、转子起动电流；5、转子额定功率因数；6、转子起动功率因数；7、额定转矩；8、起动转矩；9、临界转差率；10、最大转矩；11、起动电流对磁通的影响

1、额定转差率2、忽略励磁支路时，转子额定电流（等值电路为一相）3、转子起动电流4、转子额定功率因数5、转子起动功率因数6、额定转矩7、起动转矩8、临界转差率9、最大转矩10、起动电流对磁通的影响

此例说明，虽然三相异步电动机起动时转子电流高达其额定工作时的5倍以上，所产生的起动转矩却小于额定转矩结论：三相异步电动机直接起动时，起动电流很大，起动转矩却不大。短时大电流冲击，笼型转子可承受，但对电源产生冲击，起动过频繁电机会过热；起动转矩小，会使起动时间拖长，负载重时可能不能起动。直接起动适用范围：非频繁、负载较轻、电源相对电机容量足够大。启动电流和启动转矩：降低启动电流方法：降低电源电压；加大定子边电阻或电抗；加大转子边电阻或电抗。增大启动转矩方法：加大转子边电阻对策要求：1、增大起动转矩2、减小起动电流对策分析：一、起动时增大转子绕组电阻可减小起动电流

；

二、最大电磁转矩与转子绕组电阻大小无关，增大转子绕组电阻不影响最大电磁转矩；三、临界转差率与转子绕组电阻成正比；四、同步转速与转子绕组电阻无关。结论：如果能在转子回路串入附加电阻使临界转差率s＝1，则可达到即减小起动电流又获得最大起动转矩的目的。应用前提：转子回路能串入电阻适用对象：绕线转子异步电动机例如上例中若可使起动时转子电阻则可在起动电流降为20.5A的情况下以最大电磁转矩起动。8.1.2绕线形异步电动机的启动

三相绕线形异步电动机转子中有三相绕组，可以通过滑环和电刷串接外加电阻。在上一节分析转子串电阻的人为机械特性时已知：适当增加转子串接电阻，可以减小启动电流并提高电动机的启动转矩，绕线形异步电动机正是利用了这一特性。按照绕线形异步电动机启动过程中转子串接装置的不同，有串电阻启动和串频敏电阻器启动两种方法。1．转子串电阻启动在这种启动方式中，由于电阻是常数，所以为了获取较平滑的启动过程，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除。右图是绕线形异步电动机转子串电阻启动的原理图。绕线形异步电动机串电阻启动原理图Rst1Rst23~M3~S1S2S①串联Rst1和Rst2起动（特性a）总电阻R22=R2+Rst1+Rst2n0TnOa(R22)TLT2a1a2T1切除

Rst2b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2②合上S2，切除Rst2（特性b）总电阻R21=R2+Rst13~M3~S1S2Rst1Rst2S切除

Rst1③合上S1，切除Rst1（特性c）总电阻:R2c(R2)b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2c1c2p3~M3~S1S2Rst1Rst2S绕线形异步电动机转子串电阻启动机械特性逐级切除附加起动电阻的起动法1、图解法计算

确定绘特性I按

预选

连接得IV，交T＝于b过b作平行于横轴直线，交T＝于c连接和c，得III，交T＝于d……，直到按起动级数m的要求，通过f点所作平行横轴的直线与固有机械特性曲线交点g处，否则调整重新作图。稳定运行段有此式说明电磁转矩一定时，转差率与临界转差率成正比又因为临界转差率与转子电阻成正比所以：转矩一定时，转差率与转子电阻成正比:：一相绕组回路中外接附加起动电阻：一相绕组自身电阻由于转矩一定时，转差率与转子电阻成正比所以，对额定转矩，有的值分别对应线段AB、AC、…、AF的长度，有

同理可得：

当转子电阻已知时，可直接计算。si可通过读图获得。若未知，则可先计算额定状态时，额定转差率很小，对星形绕组，有[每相转子绕组的额定电阻]例绕线转子异步电动机

要求转子绕组串电阻分4级起动，试求各级附加起动电阻阻值。2、解析法S一定时，电磁转矩和临界转差率成反比，临界转差率与转子电阻成正比，故S一定即转速一定时，电磁转矩和转子电阻成反比。令,若起动分为m级，则有：由于转矩一定时，转差率与转子电阻成正比所以有额定转矩时，

即

2．转子绕组串频敏变阻器启动

根据上述分析知：要想获得更加平稳的启动特性，必须增加启动级数，这就会使设备复杂化。为此采用了在转子上串频敏变阻器的启动方法。所谓频敏变阻器，是由厚钢板叠成铁心并在铁心柱上绕有线圈的电抗器，其结构示意图如图4.11所示。它是一个铁损耗很大的三相电抗器，如果忽略绕组的电阻和漏抗时，其一相的等效电路如图4.12所示。

频敏变阻器结构示意图频敏变阻器一相等效电路

基本思想利用铁磁材料中涡流损耗与励磁电流频率的平方成正比的特点，用涡流损耗较大的材料作铁心做成电抗器，起动时串入转子绕组，R部分可分为铜阻和反映铁耗的等值电阻起动时，较高，涡流损耗较大，相应较大，与频率成正比的也较大，可增加起动转矩、限制起动电流；随转速上升，不断下降，涡流损耗跟着下降，、自动平滑地减少。起动结束，很小，、的值近似为0。

8.1.3笼形异步电动机的启动

直接起动：电流大、起动转矩不大。不能在转子绕组中串电阻或电抗。

三相笼形异步电动机的启动有两种方式，第一种是直接启动，即将额定电压直接加在电动机定子绕组端。第二种是降压启动，即在电动机启动时降低定子绕组上的外加电压，从而降低启动电流。启动结束后，将外加电压升高为额定电压，进入额定运行。从电动机容量的角度讲，通常认为满足下列条件之一的即可直接启动，否则应采用降压启动的方法。（1）容量在10kW以下（2）符合下列经验公式1．三相笼形异步电动机的直接启动直接启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低，是小型笼形异步电动机主要采用的启动方法，如图所示。

三相笼形异步电动机的直接启动

2．三相笼形异步电动机的降压启动

降压启动方式是指在启动过程中降低其定子绕组端的外施电压，启动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。这种方法虽然能达到降低启动电流的目的，但启动转矩也减小很多，故此法一般只适用于电动机的空载或轻载启动，具体方法包括：电磁转矩、起动转矩均与电压Us的平方成正比关系减少，而临界转差率与Us无关。仅适合空载、轻载起动。M3~3~RSS1FUS2起动运行M3~XSS1FUS23~（1）定子串电阻或电抗器降压启动这种启动方法不受电动机定子绕组接法形式的限制，但由于启动电阻的存在，将使设备体积增大，电能损耗大，目前已较少采用。（2）Y/△降压启动对于正常运行为△形接法的三相交流异步电动机，若在启动时将其定子绕组接为Y形，则启动时其定子绕组上所加的电压仅为正常运行的，降低了启动电压。目前生产的Y系列功率在4kV以上的中小型三相异步电动机，其定子绕组的规定接法一般为△形接法，所以在启动时，可以对其采用Y/△降压启动方法，即在电动机启动过程中，将定子绕组接成Y形接法，启动过程结束后，再接成△形接法。图4.7是Y/△降压启动的原理图，其工作情况如下。适用于：正常运行为△联结的电动机。3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2适用于：正常运行为△联结的电动机。3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2Y起动适用于：正常运行为△联结的电动机。运行S23~UNS1FUU1U2V1V2W1W24.3三相异步电动机的起动电动机直接启动时，定子绕组△接，每一相绕组启动电压为，每相启动电流为，线上的启动电流为采用Y/△启动，每一相启动电压每相启动电流为线启动电流与相启动电流相等

起动转矩比

起动电流比（3）定子串自耦变压器降压启动这种方法是利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电动机定子绕组端，达到减小启动电流的目的，如图所示。

设自耦变压器的一次侧电压U1（即电源电压），电流为I1，二次侧电压为U2，电流为I2，变压比为k，则

自耦变压器降压启动对一相定子绕组，设全压起动时起动电流为则降压起动时电源电压是定子绕组电压的起动电流下降为自耦变压器输入绕组电流和输出绕组电流的关系与普通变压器相同：优点：起动定子绕组电源电压可调缺点：起动转矩相应下降。8.2三相异步电动机的调速可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子极对数调速。（2）改变电源频率调速。（3）改变转差率调速。由异步电动机的转速公式1.绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为

从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。8.2.1改变转差率调速变转差率调速的实质是：将P1的一部分转化为转差功率转移到运动系统之外，以削弱P2，达到减速的目的。方法：1、消耗型：将转差功率全部消耗在转子电路中：调压（笼型）、串电阻调速（绕线转子）2、回馈型：将转差功率大部分回馈电网：串极调速（绕线转子）3、转差功率不变型：变极调速、变频调速2.绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势同步频率的附加电动势。通过改变的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。改变电动机的电压时，机械特性为3.改变定子电压调速

调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。8.2.2变极调速变极调速是改变定子绕组的极对数实现的，只用于笼型电动机。以4极变2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场：反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场：Y→反并YY，2p-p∆→YY，2p-p注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序8.2.3变频调速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。变频调速的优点是无级变速，变速范围大，且具有较硬的机械特性。变频调速的缺点是有一套专门的变频电源，调速系统较为复杂，设备投资较高。以下：过分增磁会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，使绕组过热，损坏电机。为不使磁通饱和，降频必须同时降压受绝缘耐压限制，电压只能维持额定，

磁通必随频率上升而下降。以上：1.从基频向下变频调速我们知道，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。降低电源电压有两种控的制方法。⑴保持=常数：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Tmax及相应的转差率scr。最大转矩处，对应的转差率为scr，即最大转矩处的转速降落为：最大转矩对应转速当改变频率时，若保持=常数，最大转矩常数，与频率无关，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，硬度相同。根据上式画出保持恒磁通变频调速的机械特性，如图所示。这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。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。另外，电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高。经分析，恒磁通变频调速是属于为恒转矩调速方式。即当：时，实现：Es测量困难，用保持Us/f=常数近似。s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性是一段直线：s较小范围内，不同f时机械特性为一族平行曲线。随频率减少而减少。s接近于1时，转矩近似与s成反比。机械特性是关于原点对称的一段双曲线高低速最大电磁转矩不一致：Rs影响：低速时补偿Rs的压降。2.从基频向上变频调速：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。保持不变升高频率时，电动机电磁转矩结论2：频率f升高，Tmax减小，scr也减小，最大转矩对应的转速降落为常数结论1：基频以上调速时最大转矩与频率成反比频率升高，电源电压保持为额定值不变Us保持额定值不变，s变化极小，功率近似保持不变结论3：弱磁升速的变频调速属于恒功率调速方式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。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。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。8.3三相感应电动机的制动三相异步电动机的电动状态：电磁转矩T与转速n同方向，电机从电源吸收电功率，扣除自身损耗外，转变为机械功率送至负载；