异步电机拖动第4版

5.1三相异步电动机的机械特性5.2三相异步电动机的起动5.3三相异步电动机的制动5.4三相异步电动机的调速思考题与习题本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论根底，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。根本要求：1.熟练掌握三相异步电动机电磁转矩的物理表达式和参数表达式、掌握实用表达式及其计算；2.熟练掌握三相异步电动机固有机械特性曲线，深入理解特性曲线上的起动点、最大转矩点，额定运行点和同步点的意义；3.掌握三相异步电动机降低定子电压的人为机械特性和绕线转子异步电动机串联对称电阻的人为机械特性以及与固有特性比较，人为机械特性的最大转矩、起动转矩和临界转差率的变化情况；4.了解三相笼型异步电动机直接起动的特点，熟练掌握星一三角形降压起动和自耦变压器降压起动的方法及其有关计算；5.掌握三相绕线转子异步电动机的转子串电阻起动方法；6.了解三相绕线转子异步电动机的转子串接频敏变阻器起动方法及其特点；7.了解三相异步电动机软起动的工作原理和起动方法；8.掌握能耗制动的方法及转子电阻大小和直流励磁电流大小对制动的影响，了解能耗制动机械特性曲线的特点；9.掌握电源两相反接制动和倒拉反转反接制动的方法制动时的能量关系；10.掌握回馈制动的条件、回馈制动机械特性的形状，了解生产实践中出现回馈制动的例子；11.掌握三相异步电动机的三种调速方法。教学内容：5.1.1三相异步电动机机械特性的三种表达式5.1.2三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性教学目的与要求：1熟练掌握异步电动机机械特性表达式2熟练掌握各物理量对机械特性的影响3掌握机械特性的求取方法5.1三相异步电动机的机械特性5.1三相异步电动机的机械特性一、物理表达式5.1.1三相异步电动机机械特性的三种表达式二、参数表达式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。说明：电磁转矩与电源参数〔Ｕ1、f1〕、结构参数〔R、X、m、p〕和运行参数〔s〕有关。

三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用表示。

三相异步电动机的机械特性曲线分析：〔1〕0＜n＜n1，0＜S＜1，n1、Tem＞0，电动机状态，第一象限；〔2〕n＞n1，S＜0，n＞0，发电机状态，第二象限；〔3〕n＜0，S＞0，n＜0，Tem＜0，电磁制动状态，第四象限1.额定转矩2.最大转矩—（停转转矩）在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令求得:

2）越大，越大；与无关；1）与成正比；与无关；3）和都近似与漏抗成反比；忽略R1忽略R1讨论：4）最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:3.过载能力反映电动机短时过载能力为满足要求一般：1.6～2.2，起重、冶金机械专用电动机2.2～2.84.起动转矩时的称为，当>时，电机才能起动。讨论：2〕频率越高，起动转矩越小；4〕在一定范围内，增大转子回路电阻，起动转矩增加。5）起动转矩倍数1）参数、频率一定时，起动转矩与电源电压平方成正比；

当转子回路串入后，当时，即起动转矩达最大值。串入电阻计算：一般：=1.0—2.0，起重、冶金专用的笼型电动机：=2.8—4.03〕漏抗越大，起动转矩越小；三、实用表达式

工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：

第一步：kWr/min〔N·m〕

第二步：由，求出。第三步：将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式，可作出。5.1.2

三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：ABCD1.起动点A:2.最大转矩点B:3.额定运行点C4.同步运行点D二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。1.降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm

下降后,和均下降,但不变,和减少。

如果电机在额定负载下运行,下降后,下降,增大,转子电流因增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后,、不变，增大。在一定范围内增加电阻，可以增加。当时，若再增加电阻，减小。

串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。10TstTmTems

n0n1smR2TstsmR2+Rs3.定子串接对称电抗或电阻时的人为机械特性教学重点：1机械特性的表达式2各物理量对机械特性的影响教学难点：各物理量对机械特性的影响作业：P182：5.5小结3机械特性的求取5.2三相异步电动机的起动教学内容：5.2.1三相笼型异步电动机的起动5.2.2三相绕线型异步电动机的起动教学目的与要求：2掌握起动的方法和原理1掌握起动电流大而起动转矩不大的原因5.2三相异步电动机的起动

1.定义：起动指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。2.起动性能指标(Startingofthree-phaseasynchronousmotor)概述：

（1）起动电流倍数

（2）起动转矩倍数

（3）起动时间〔4〕起动设备的简易性、可靠性3.对起动的要求

（1）希望起动电流小

（2）希望起动转矩大

（3）起动时间〔4〕起动设备简单、经济、可靠，操作方便。〔1〕起动电流大的原因

物理概念上讲：起动时,,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.5.2.1

三相笼型异步电动机的起动(Startingofthree-phasebasketrotorwindingasynchronousmotor)一、直接起动

又称全压起动，起动方法简单，不需要起动设备，起动性能差。主要表现：

为什么起动电流大，而起动转矩不大呢？

等效电路上：起动时,2.起动转矩不大的原因从下述公式分析

起动时,,远大于运行时的,转子漏抗很大,很低,尽管很大,但并不大.

由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小.由上述两个原因使得起动转矩不大.起动电流大的影响：1〕线路压降大，造成电网电压降低；2〕线路及电机热损耗大；3〕在端部产生电磁力使其变形，损坏绝缘，转子鼠笼条断条。可以直接起动的条件：起动电流倍数二、降压起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线〔△〕的电动机。起动时Y接；运行时△接。1.Y-△

降压起动一般情况下，直接起动只用于小容量电动机〔7.5kW以下〕，大容量电动机是否允许直接起动，取决于电源容量。

降压的目的是限制起动电流。限流的同时起动转矩也降低，适用于对起动转矩要求不高的场合。起动电流关系:

设电动机额定电压为UN，每相漏阻抗为Zs，得：

Y—起动电流：

△—起动电流：据，可得起动转矩关系:Y-△

降压起动时，和都降为直接起动时的，故Y-△

降压起动多用于空载或轻载起动。2.自耦变压器降压起动直接起动时的起动电流：降压后二次侧起动电流：设自耦变压器变比为k，那么自耦变压器一次侧电流，即降压后电网供给的电流自耦变压器二次侧电流，即降压后流过电动机定子绕组的电流自耦变压器的一次侧，即电网提供的起动电流：电网提供的起动电流减小倍数：QJ2型三个抽头比〔即1/k)分别为：55%、64%、73%。起动转矩降低的倍数为：结论：（1）采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的。〔2〕适用于容量较大的低压电动机，可获得较大的起动转矩。〔3〕起动用自耦变压器有QJ2和QJ3两个系列，QJ3型三个抽头比〔即1/k)分别为：40%、60%、80%。二、深槽式及双笼型异步电动机1.深槽式电动机PN＞100kW时，为改善起动性能常制成双笼式或深槽式电动机。槽深与槽宽之比，起动时，s=1，f2=f1，X2↑，集肤效应，R2↑；运行时，s很小，f2=sf1↓，X2↓，电流分布取决于R2，均匀分布。和普通电机相比，槽深、漏磁多，转子漏抗大，过载能力和功率因数均低。2.双笼型异步电动机上笼——

（黄铜或铝青铜），A,R下笼——

（紫铜），A,R起动时，s=1，f2=f1，X2↑，下笼槽漏电抗大，上笼槽漏电抗小，所以，电流集中于上笼，R2大，上笼又称起动笼；运行时，s很小，f2=sf1↓，X2s↓，电流分布取决于电阻，上笼电阻大，下笼电阻小，所以电流集中于下笼，下笼又称运行笼。，起动时，R2大，增大起动转矩，运行时，R2小。5.2.2

三相绕线型异步电动机的起动Startingofthree-phasephase-woundrotorAM一、转子回路串电阻起动导言：三相笼型异步电动机直接起动时，起动电流大，起动转矩不大。降压起动时，起动电流小，但起动转矩也小，故笼型电动机只适用于空载或轻载起动。绕线式转子异步电动机，假设在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。故适用于大中容量异步电动机重载起动。一、转子回路串电阻起动

为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。两种起动方法：〔1〕转子串接电阻；〔2〕转子串接频敏变阻器。

（1）限流；（2）一般取最大加速转矩T1=〔0.7～0.85)Tm,切换转矩T2=〔1.1～1.2)TL。1、起动过程28异步电动机串电阻启动过程.swf

电动机由a点开始起动，经b→c→d→e→f→g→h，完成起动过程。二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。

起动时，Q2断开，转子串入频敏变阻器,Q1闭合，电机通电开始起动。起动时,,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着上升,减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除,起动结束,Q2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

教学重点：1起动电流大而起动转矩不大的原因2各种起动方法和原理教学难点：起动的方法作业：P243：5.6；5.21小结5.3三相异步电动机的制动导言：1、运行状态电动状态：〔1〕Tem与n同向，Tem—驱动转矩；〔2〕电能→机械能；〔3〕机械特性位于第一或第三象限。制动状态：〔1〕Tem与n反向，Tem—制动转矩；〔2〕机械能→电能→消耗在电机内部↘反响回电网〔3〕机械特性位于第二或第四象限。Brakingofthree-phaseasynchronousmotor2、制动的目的〔1〕使电力拖动系统快速停车〔2〕使拖动系统尽快减速3、制动方法〔1〕能耗制动〔2〕反接制动〔3〕回馈制动5.3.1能耗制动〔energylossbraking〕一、定义

转子动能转变为电能消耗在转子回路的电阻上，故称为能耗制动。实现：制动时，Q1断开,电机脱离电网，同时Q2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。

直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。能耗制动nTemA0n1C1B23转子电阻较小时,初始制动转矩比较小〔如曲线1〕。对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩〔如曲线3〕。二、机械特性

右图为异步电动机能耗制动时的机械特性。对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流，来增大初始制动转矩〔如曲线2〕。三、能耗制动过程A点—→B点—→n↓→工作点沿曲线1变化，直到原点，n=0，Tem=0→对抗性负载，电动机停转↘位能性负载：当转速过零时，如不采取措施，电动机将在位能性负载转矩的倒拉下反转→C点〔能耗制动〕制动瞬间n不突变在制动转矩作用下nTemA0n1C1B23分析：改变制动电阻RB

或直流励磁电流的大小可以获得不同的稳定速度。

四、直流励磁电流和转子应串电阻的计算制动电阻大小：直流励磁电流：I=〔2-3)I0五、应用适用于起重机一类带位能性负载的机械上，限制重物下放速度。一、电源两相反接的反接制动5.3.2

反接制动(Brakinginthereversedirectionconnection实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。机械特性由曲线1变为曲线2，工作点由A→B→C，n=0,制动过程结束。绕线式电动机在定子两相反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩

,曲线3。两种情况：〔1〕拖动对抗性负载，且在C〔C’)点的电磁转矩大于负载转矩，系统将反向起动并加速到D(D’)点，处于反向电动稳定运行。〔2〕拖动位能性负载，那么反向加速到第四象限中的E〔E’)点处于稳定运行。此时电动机的转速高于同步转速，电磁转矩与转向相反，称为回馈制动状态。二、倒拉反转的反接制动条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现：在转子回路串联适当大电阻RB。电机工作点由A→B→C，n=0，制动过程开始，电机反转，直到D点。在第四象限才是制动状态。由于电机反向旋转，n<0，所以s>1。反接制动时，s>1，所以有机械功率为电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。而说明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所以反接制动的能量损耗较大。反接制动的特点：5.3.3回馈制动〔feedbackbraking)实现：电动机转子在外力作用下，使n>n1.

回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。一、下放重物时的回馈制动首先将定子两相反接,定子旋转磁场的同步速为-n1，特性曲线变为2。工作点由A到B。经过反接制动过程〔由B到C〕、反向加速过程〔C到-n1变化〕，最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到D点保持稳定运行。电机机械特性曲线1，运行于A点。二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线1，运行于A点。

电机工作点由A变到B，电磁转矩为负，，电机处于回馈制动状态。当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为2。同步速变为。5.4三相异步电动机的调速教学内容：5.4.1变极调速5.4.2变频调速教学目的与要求：1掌握各种调速的方法和原理2掌握各种调速时的机械特性5.4.3变转差率调速Speedregulationofthree-phaseasynchronousmotor5.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有以下三种根本调速方法：（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①绕线转子电动机的转子串接电阻调速③定子调压调速②串级调速5.4.1变极调速〔changepoleadjustable-speed〕p↑，n1↓，n↓。变极调速只用于笼型电动机。要改变极数：〔1〕在定子铁心槽内嵌放两套不同极数的三相绕组。〔2〕利用改变定子绕组接法来改变极数，称多速电机。一、变极原理导言：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：30异步电动机变极调速.swf二、三种常用变极接线方式Y→反并YY，2p-pY→反串Y，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三、变极调速时容许输出

容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。1.Y-YY联结方式Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为结论：Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。2.∆-YY联结方式∆-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为

可见，∆-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。

同理可以分析，正串Y-反串Y联结方式的变极调速属恒功率调速。3.正串Y-反串Y联结方式四、变极调速时的机械特性1.Y-YY联结方式2.△-YY联结方式

变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好,可用于恒功率和恒转矩负载.5.4.2

变频调速一、电压随频率调节的规律

频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：

当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率成正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，1、恒转矩变频率调速此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。对恒转矩负载2、恒功率变频率调速此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。对恒功率负载得二、频率调速时电动机的机械特性变频调速时电动机的机械特性可用以下各式表示最大转矩起动转矩临界点转速降在基频以下调速时,保持,即恒转矩调速。

在基频以上调速时,电压只能，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。5.4.3变转差率调速〔changeslipratioadjustable-speed)一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电