异步电动机课件(二)

第七章异步电动机（二）

TheThree-phaseInductionMachinesDrives（二）第一节三相异步电动机的机械特性第二节三相异步电动机的起动第三节三相异步电动机的调速第四节三相异步电动机的各种运行状态本章基本教学要求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。第一节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。一、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。二、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0.8～0.2。三、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。四、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)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。(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。五、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？）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

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

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。第二节三相异步电动机的起动

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。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。nn10I0TstIst1T,I1n=f(I1)n=f(T)

三相异步电动机直接起动时的机械特性和电流特性分析

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。一、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。QSFR~M3~KM2KM11FUL1L2L3N2FUSB1SB2KM1KM2SB3KM2KM1FRKM1KM2

鼠笼式三相异步电动机正反转直接起动接线图说明:

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。如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法。二、减压起动

1．电阻减压或电抗减压起动

笼型异步电动机电阻减压起动的原理图笼型异步电动机电抗减压起动的原理图2．自耦补偿起动自耦变压器的减压原理图异步电动机自耦补偿起动的原理线路图所以通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为3．星形一三角形（Y—Δ）起动在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的，而星形联结时两者则是相等的。因此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的1/3。笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图4．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三、软起动方法

1.限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流，主要用于轻载软起动；2.斜坡电压起动法。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要用于重载软起动；3.转矩控制起动法。用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法；4.转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制起动法类似，其差别在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动；5.电压控制起动法。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的轻载软起动方法。四、三相绕线转子异步电动机的起动方法1.转子串联电阻起动电动机起动时，变阻器应调在最大电阻位置，然后将定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，均匀地减小电阻，直到将电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷。2.转子串联频敏变阻器起动

当电动机起动时，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，值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及值跟着下降，使电动机起动平滑。频敏变阻器的结构频敏变阻器的等效电路带感应圈的频敏变阻器结构五、改善起动性能的三相异步电动机1.深槽异步电动机转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率仅为1～3Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻2.双笼型异步电动机双笼异步电动机的机械特性双笼型转子的结构与漏磁通这种异步电动机的转子上有两套导条，如图11-13a所示的上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。第三节三相异步电动机的调速得到异步电动机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—交变频由异步电动机转速的表达式一、变极调速星形联结改变成两个并联的星形联结三角形联结改变成两个并联的星形联结Y联结改成YY联结Δ联结改成YY联结变极调速时，电动机的容许输出功率或转矩在变速前后的关系。输出功率为:在高、低速运行时，电动机绕组内均流过额定电流，这样在两种联结法下的转矩之比为当定子绕组从一个三角形联结改成二个星形联结的并联时，极对数也减小一倍，也增加一倍。两种联结法的功率比为二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随成正比地变化，则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的。当定子频率较高时（式中为常数）可见，恒转矩变频调速时，如能保持=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通Φ

基本不变的要求。在恒功率调速时由此可见，在恒功率调速时，如能满足=定值的条件，调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化了。如果此时按恒转矩调速满足=定值的条件，则磁通将基本不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。三、能耗转差调速1.转子电路串联电阻调速

在额定电压时，磁通定值，调速时当转速降低（s增高）时，效率下降，转子损耗功率增高，故经济性不高。转子电路串联电阻的数值愈大，人为机械特性愈软。转子损耗功率为输出功率为调速时转子电路的效率为转子电路串接不同电阻时的人为特性2.改变定子电压调速改变异步电动机定子电压的人为特性转子电路电阻较高时改变定子电压的人为特性多速电动机在变极变压时的机械特性3.滑差电动机※电磁滑差离合器的调速原理滑差离合器的示意图滑差离合器电枢内涡流的方向与路径当绕组内有电流通过时，在电枢与感应子之间便有磁通相链，如图中虚线所示。当异步电动机带动电枢旋转时，电枢便以相应的转速在感应子所建立的磁场内旋转，于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，电枢上将出现感应电动势。当感应子也旋转时，此感应电动势为在此感应电动势的作用下，电枢内将出现涡流，其值为涡流与感应子磁场相互作用力为转矩为如主动与从动部分间没有相对运动，即，则。因此电枢与感应子间必须存在转速差，这点与异步电动机的工作原理极为相似。其区别仅在于异步电动机的旋转磁场由三相交流电流产生，而滑差离合器的旋转磁场则由直流电流产生，由于电枢的转动才起旋转磁场的作用。※电磁滑差离合器的几种结构类型a双电枢无集电环滑差离合器

b杯形电枢滑差离合器c爪式无集电环滑差离合器

※电磁滑差离合器的调速性能

滑差离合器的输入功率滑差离合器的输出功率如果调速时离合器效率为滑差离合器在实际应用中总是与异步电动机组合在一起的，因此滑差电动机的总效率为可见，滑差电动机的效率随转速之下降而下降，而损耗功率则随转速之下降而增高。四、串级调速1.串级调速的一般原理中等以上功率的绕线转子异步电动机与其他电动机或电子设备串级联接以实现平滑调速，称为串级调速。异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入感应电动势，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。a．与同相未引入时引入后

未引入时超前90°b．与反相显然，对于右图所示超前某一角度的一般情况，可将分解为二个分量，即与同相的分量，和超前90°的分量，它们既能使电动机调速，又能提高定子的功率因数sE2sE2sE2超前某一角度转子电路电压相量图

2.串级调速的机械特性根据相量图异步电动机的转矩为转子电流的有功分量1．时转矩为2．时转矩为或3.晶闸管串级调速的基本原理晶闸管串级调速具有调速范围宽，效率高（转差功率可反馈电网），便于向大容量发展等优点，是很有发展前途的绕线转子异步电动机的调速方法。它的应用范围很广，适用于通风机负载，也可用于恒转矩负载。其缺点是功率因数较差，现采用电容补偿等措施，功率因数可有所提高。总之，晶闸管串级调速向大功率发展，是很有前途的。晶闸管串级调速的原理线路图第四节三相异步电动机的各种运行状态电动运行状态

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。制动运行状态

T与n方向相反，T为制动转矩，特性在第Ⅱ、Ⅳ象限。分为反接制动，能耗制动，回馈制动(再生发电制动)。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。一、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NSn1n1TnNSTn电动状态制动状态n1n1异步电动机的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nDE-n1nFFnATTBBAn1TLC0-TLn定子两相反接的反接制动DF'B'123(2)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。Ts1n1T10nTNsNs(3)应用电源反接制动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