第14章三相异步电动机起动和调速

第14章三相异步电动机起动和调速第一页，共74页。13.1异步电动机的起动性能要求

起动时评价的主要指标：(1)起动电流Ist，Ist/IN要尽可能小.

(2)起动电磁转矩

Mst，Mst/MN要尽可能大.(3)起动时间Tst要短.第一节三相异步电动机的起动第二页，共74页。(4)绕组的发热及损耗要小.(5)简单、经济、可靠（起动设备）(6)起动过渡过程要短

不同负载和不同供电网的容量，对异步电动机的起动性能要求是不一样的.

对异步电动机起动性能要求的基本要求：1.应满足起动电磁转矩的要求.2.起动电流Ist要尽可能小.3.损耗要小.4.起动设备要简单、操作要方便.第三页，共74页。13.2笼型转子异步电动机的起动在各种转子电动机中，笼型电动机是最简单的一种电动机。优点：结构简单，制造方便，成本底，和较高.缺点：起动性能差.起动方式直接起动降压起动定子串电抗Y-△起动自耦变压器延边△起动第四页，共74页。为什么大？因为：当电机刚投入电网，转子尚未开始起动，就达到短路，而限制短路电流的很小所以：较大虽大，但却不大，为什么？1.起动时，S=1，f2=f,较大较小，并不大。第五页，共74页。2.由于较大增大减小减小因为：虽大但和均变小所以：此时并不大直接起动受电网容量限制，一般若单机起动，若使电压△U不超过10%以上，是允许全压直接起动。第六页，共74页。二.降压起动降低端电压来限制待起动毕后，再切换到下运行。适用于（1）当电网和变压器容量不足时，必须采用此方法。（2）对Mst要求不高的场合，例如离心泵、风机等。第七页，共74页。1.定子电路串电抗起动

接通电源前，打开K2，将电抗器串入定子绕组.起动时合上K1，电抗器起到分压作用，待起动完毕后，将电抗器短路切除，即合上开关K2。所以：该方法只能用于空载或轻载起动。若起动时第八页，共74页。2.(Y／△)起动适用于：正常运行时定子绕组为三角形接法的电动机。

方法：绕组在起动时接成Y形，待升速后，再换成△接法投入正常运行。特点：起动设备简单，操作方便。下面分析一下，Mst，Ist变化情况设每相短路ZK=con.第九页，共74页。第十页，共74页。

1)三角形接法起动电动机的起动电压起动电流起动转矩

2)星形接法起动

电动机的起动电压起动电流起动转矩

由此可见Y／△起动法，起动电流、起动转矩均分别下降为三角形接法的1/3倍。第十一页，共74页。3.自耦变压器起动此方法：是利用一台降压的自耦变压器，又称起动补偿器。使加在定子绕组上的电压降低，待起动完毕后，再把电动机直接接到电源上，如图。自耦变压器通常有n组抽头，可获得不同的变比KA，如QJ3型起动偿器备有电源电压的40％、60％、80％三种抽头以供选用。第十二页，共74页。因为所以电动机起动电流(即自耦变压器副边电流)

折算到自耦变压器原边时的电流(即电网输出的起动电流)为：

设自耦变压器的变比为KA（KA>1），因此起动时加在电动机上电压为：第十三页，共74页。由此可见：1.自耦变压器起动和Y／△起动性质相同。Mst和Ist减少的倍数相同。2.自耦变压器起动的优点：是不受定子绕组接法的限制，而且变比Ka可以改变。3.这种起动方法的缺点是增加了设备费用。第十四页，共74页。例题

有一台鼠笼式三相异步电动机PN=28kW，△接，UN=380V，IN=58A，cosφN=0.88，nN=1455r/min，起动电流倍数KI=6，过载倍数km=2.3。供电变压器要求起动电流≤150A，负载起动转矩为73.5N•m。请选择一个合适的降压起动方法，写出必要的计算数据。若采用自耦变压器降压起动，抽头有55%、64%、73%三种，需要算出用哪个抽头；第十五页，共74页。若采用定子边串接电抗起动，需要算出电抗的具体数值；能用Y-△起动方法时，不用其他方法。解电动机额定转矩正常起动要求起动矩不小于TL，大小为

首先，校核是否能采用Y-△起动方法：Y-△起动时的起动电流为第十六页，共74页。Y-△起动时的起动转矩为不能采用Y-△起动。其次，校核是否能采用串电抗起动方法：限定的最大起动电流I=150A，则串电抗起动最大起动转矩为第十七页，共74页。校核是否能采用自耦变压器降压起动

抽头为55%，其起动电流与起动转矩为不能采用。

第十八页，共74页。抽头为64%时，其起动电流与起动转矩为。能采用64%的抽头第十九页，共74页。抽头为73%时，其起动电流为不能采用，故起动转矩不计算了。

第二十页，共74页。，不能采用串电抗降压起动。最后校核是否能采用自耦变压器降压起动：抽头为55%，其起动电流与起动转矩为，不能采用。，

，

第二十一页，共74页。4.延边三角形起动此方法是从Y／△起动方法演变而来的如图。不同之处仅在定子每相绕组中多一个中间抽头。定子绕组一部分接成△，剩余部分接成Y形，它象一个△的三个边延长，称之为延边△起动第二十二页，共74页。电动机的起动电压

起动电流

起动转矩缺点：定子绕组的制造比较复杂。

第二十三页，共74页。13.3绕线型异步电动机的起动

绕线型感应电动机转子上的三相绕组一般接成星形。在正常运行时，三相绕组通过滑环彼此短接。如果在转子绕组直接短接的情况下起动电机，则和笼型感应电动机直接起动一样，Ist大，Mst不大。为了改善起动特性。一般采用以下措施。第二十四页，共74页。一．转子回路串电阻转子串入电阻后，一方面可限制起动电流，另一方面可以增大起动转矩，第二十五页，共74页。当串入的电阻达到某一值时，Mem=f(s)曲线如图中曲线1。此时Mst=Max但tst较长。为了缩短tst，采用分级自动切除。Rst的方法：起动时串Rst，当转速n=n’’时，切除一段电阻。使Mem=f(s)曲线1变为曲线2。Mem增大当n=n’时，切除第二段电阻，变为曲线3，逐级切除直到全部切除完，沿曲线3到达稳定运行点A。第二十六页，共74页。

注：对于装有举刷和短接装置的电机，启动结束后，应将三相集电环短接并举起电刷以免磨损，减小磨损损耗。第二十七页，共74页。二.转子回路串频敏电阻器

前述在转子串电阻起动时，需逐级切除电阻，这样会带来这么几个问题。（1）转矩的突变引起机械上的冲击（2）需要的切除开关很多，控制设备大，维修麻烦

为此对较大容量的电机普遍采用频敏变阻器。它的特点：阻值随n增大而自动减小。第二十八页，共74页。第二十九页，共74页。13.4深槽和双笼型异步电动机从前面的分析看电动机在起动时，总希望Ist小，Mst大Rst大一些电动机在运行时，总希望Pcu小，n高r2小一些为了满足上述两个要求：

对绕线型转子电机，在转子回路串入或切除电阻。但对笼型电动机，转子是由导条和端环焊接而成，无法满足上述两个要求。所以采用深槽和双笼型异步电动机。 根据起动和运行时转子频率的差别，改变槽型结构，利用集肤效应达到起动时电阻变大，正常运行时又会自动减小的目的。第三十页，共74页。一.深槽式异步电动机

特点：转子槽形设计的窄而深。深/窄=10目的：增强集肤效应

当电流通过转子导条时，槽中漏磁通的分布如图。起动时：因为，f2=f1，转子f2很高此时漏抗为转子阻抗中的主要成分。第三十一页，共74页。这种现象就称为集肤效应（趋表效应）：随转子f↑集肤效应↑，f↓集肤效应↓。当切割各导条时各小导条中有相同的，分配近似与它们的漏电抗成反比。槽口I2大槽底I2小如图右第三十二页，共74页。由于电流分布不均匀槽底的作用很小相当于减小了槽的有效高度和截面积。如图下。故转子回路的R↑↓起到改善启动性能。正常运行时：随n↑f2↓集肤效应↓转子电阻↓到正常运行时f2=1-3HZ

↓↓比R2小很多。集肤效应基本上消失转子导条电阻=直流电阻↓↑第三十三页，共74页。缺点：由于槽型较深转子>电机COS，Mmax稍低。二、双笼型转子异步电动机上笼：面积小R大，漏磁通Фm少，漏抗小

特点：转子上有两套鼠笼下笼：面积大R小，漏磁通Фm多，漏抗大两套笼各有自己的端环，或上下笼共用同一个端环，如下页图a，b.第三十四页，共74页。起动时：因为f2较高是漏阻中的重要成分，上下笼电流分配取决于漏抗的大小。又因为下笼>>上笼所以电流主要从上笼流过。又因为R上本身制造的就比较大，所以提高上笼电流有功分量，Mst也较大，正由于起动时上笼起主要作用，故称起动笼。图a图b第三十五页，共74页。正常运行时，f2↓↓电流分配取决于电阻转子电流从电阻较小的下笼流过产生由于正常运行时，下笼起主要作用，故称为运行笼。双笼的Mem=f(s)曲线如图示可看成上下笼Mem=f(s)叠加优点：改变上下笼的几何尺寸，材料及上下笼之间缝隙的尺寸，就可灵活的改变上下笼的参数，从而得到不同的Mst和M运行.缺点：COS和Mmax都稍有降低.第三十六页，共74页。第二节异步电动机的调速

在现代工业生产过程中，迫切要求电动机具有优良的调速性能。但是异步电动机的调速性能不好，无论从调速范围和调速的平滑性能看都不如直流电机。

异步电动机的转速：由此看来，调速方法可能有以下几种：1.该变，叫变频调速2.改变P，即变极调速。3.改变S，可由下列几种措施来实现：第三十七页，共74页。

3.改变S，可由下列几种措施来实现：a.改变外施电压U1b.在转子回路串入外加电阻c.在转子回路串入附加电势d.在定子回路串入外加电阻或电抗，以改变R1或X1第三十八页，共74页。注意几个问题：1.在调速中总希望主磁通Φm保持不变。Φm↑饱和程度↑Im↑，使得电动机运行性能变坏.要Φm不变，在改变f同时，也按正比例改变u1.由前述可知在忽略定子漏阻抗压降时：

一.变频调速方法：改变电源的f。f↑n↑，f↓n↓.优点：调速效果好，能够平滑的调节异步电动机的转速。缺点：需要专用的变频电源，故投资高。

第三十九页，共74页。

若u1不变，f改变Φm变。∴在改变f1同时，必须改变u1，使Φm不变。常量，改变f按比例变u1.2.从转矩公式可知，当在负载转矩不变条件下调速时，如Φm保持不变，I2’也基本保持不变，从而I1也将基本保持不变。第四十页，共74页。二.变极调速

从来看，在、不变时，改变P，转速发生变化达到改变转速的目的。

特点：不是平滑调速，是一级地一级地改变转速。例如P增加一倍，n减少一半。常用的方法：定子上只装一套绕组，利用改变绕组接法得到不同的极对数，故称单绕组变极调速。若绕组改接前后的极对数是成倍的关系，称为倍极比调速，例如2/4极，4/8极等。否则，若绕组该接前后的极对数是非成倍的关系，称为非倍极比调速，例如4/6极，6/8极等。第四十一页，共74页。为了避免转子绕组换接，变极调速均为笼式转子。它的转子级数能自动保持与定子级数相等，以产生恒定的电磁转矩。三.改变定子端电压调速前述在f参数，S不变时，因此，改变U1变化，机械特性变化。U1↓

80%64%↓，但临界Sm不变第四十二页，共74页。四.转子串电阻调速

只适用于绕线型异步电机。调速过程：从图可见。注意：若U1↓

80%，就不能实现调速。一般最大调速范围只能在0~Sm，对笼型机，Sm较小故调速范围较小。第四十三页，共74页。

(1)恒转矩负载，T2=Const.，它与转速大小无关，如起重机、轧钢机等。(2)通风机型负载，负载转矩与转速的平方成正比，T2∝n²，如通风机、水泵等。(3)恒功率负载，负载转矩与转速成反比，如金属切削机床等。

电动机拖动的机械负载有三种类型：第四十四页，共74页。当恒转矩负载时，因为转子回路串Rt

Sm↑机械特性变软从曲线1变成曲线2从a点运行到b点转速从降到达到调速目的。第四十五页，共74页。特点：1.对于恒转矩调速时，效率降低，因而此方法很不经济。2.机特性变软，低速运行时，负载稍有变化，转速波动就很大，因而稳定性变差。3.这种调速方法比较简单易行，在中小容量的线绕型电动机中应用甚广。第四十六页，共74页。Rt的计算：从图看从转差率的计算公式来可见调速前后所以S随Rt变化，即同时，串入Rt后，△P↑

η减小，因而不经济，仅应用于小型电机。第四十七页，共74页。五.可控硅串级调速是在绕线型转子回路串入附加Ef来达到调速目的。转子电流有功分量Ef第四十八页，共74页。∵比较小∴Ef第四十九页，共74页。异步电动机的制动方法前述了异步机的起动：n由0↑nN调速：根据用户的需要把n调到某一需要值现在讲异步机的制动：是生产机械对电机所提出的特殊要求。一.制动定义：是在原来旋转方向上产生一个反方向的转矩。制动方法能耗制动

回馈制动

反接制动

正接反转制动发电机制动有的书上合称为反接制动

第五十页，共74页。

一.能耗制动

将正在运行中的电动机的定子绕组断开K

由于转动部分储存有动能将使转子继续旋转一段时间直到所储藏的动能全部消耗完掉电机才停下来。为了让其迅速停车，可采用能耗制动措施。第五十一页，共74页。如图：采用能耗制动时，将定子断电源，立即在定子两相绕组中通入直流If电流，使定子产生静止磁场，如图所示，旋转的转子切割定子磁场感应出电流I，它与静止磁场相互作用产生转子相反的使电机迅速停机。这样通过改变If的大小调节M制动的大小。

能耗制动图第五十二页，共74页。二.回馈制动（发电机制动）

回馈制动通常用以限制电机转速，例如机车下坡行使，由于重力作用使机速加快，一旦n>n1，电机由原来电动状态变为发电机状态运行。这时电机的，方向都将倒转从而电能回馈电网，制止了n进一步增大，起到制动作用。s01Tem第五十三页，共74页。三.反接（正转）制动

当转子转向与定子旋转磁场的转向相反时，其运行状态称之反接（正转）制动。此时S>1。方法：将定子任两相对调，使定子旋转磁场与转子转向相反，为制动转矩，从而实现制动。注意：反接制动电流较大，为限之，在绕线型异步机转子回路中串入限流电阻。否则，电机反向旋转。

第五十四页，共74页。

定子接电源后产生的旋转磁场的转向与电动机运行状态相同，称为正接反转制动。工作原理：当起重机械提升重物时，电机运行在电动状态，是驱动转动，被提升重物是阻转矩，当处于平衡状态时，将以某一n稳定运行。改变转子附加电阻，可控制提升速度。当需下放重物时，可逐渐增大串入转子回路的电阻四、正接反转：第五十五页，共74页。改变转子附加电阻，可控制提升速度。当需下放重物时，可逐渐增大串入转子回路的电阻电机的转速从正转逐渐降低到零，然后改变转向反转，此时电机从第一象限的电动机状态进入第四象限，如图，是制动转矩，重物下降产生的是原动转矩，电机处于制动状态。感应电动机正接反转制动图

第五十六页，共74页。第三节小结第五十七页，共74页。第五十八页，共74页。二、调速第五十九页，共74页。

(1)恒转矩负载，T2=Const.，它与转速大小无关，如起重机、轧钢机等。(2)通风机型负载，负载转矩与转速的平方成正比，T2∝n²，如通风机、水泵等。(3)恒功率负载，负载转矩与转速成反比，如金属切削机床等。

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