电机与拖动基础8章

第8章

三相异步电动机的启动与制动

我们知道异步电动机的作用就是拖动负载工作，那么关于它的起动、制动和调速问题就是我们关心的重点。在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定。本章讨论三相异步电动机的起动、制动及各种运行状态。8.1三相异步电动机的直接启动对于电动机来说最简单、最直接的起动方法就是我们大家能最先想到的直接起动法。由前面所介绍的机械特性出发，我们知道如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数cos

2

很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。R’2R1jX1jX’2

普通鼠笼式三相异步电动机，启动电流Is=KIIN=(4~7)IN,启动转矩Ts=KTTN=(0.9~1.3)TN

启动电流较大有什么影响呢？启动电流较大有什么影响呢？

1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。

2、变压器容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值。1）使当电动机负载较重时，启动不了。2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。启动必须满足的条件是：启动电流要足够小；启动转矩要足够大。

降低起动电流的方法有：①降低电源电压；②加大定子边电抗或电阻；③加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。而直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。启动电流和启动转矩：一般地说，容量在7.5kw以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。8.2三想鼠笼异步电动机的降压启动8.2.1定子串接电抗器起动：

三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行。RkjXkRkjXkjX显然，定子串电抗器起动，降低了起动电流，但起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器起动，只能用于空载和轻载。

串电抗起动时，可以近似把Zk看成是电抗性质。设串电抗时电动机定子电压与直接起动时电压比值为u。RkjXkRkjXkjX8.2.2Y一

起动在这里主要是利用了Y一

电压之间的关系，我们知道在Y接中线电压是相电压的

3倍，注意这种方法只适用与绕组在起动的时候是Y接，而运行的时候是

接。直接启动时每相起动电压为每相启动电流启动线电流Y一

启动时每相启动电压为每相启动电流启动线电流8.2.3自耦变压器（启动补偿器）降压启动利用了自耦变压器有抽头可供选用，可以实现不同要求的降压。自耦变压器二次电压与一次电压的关系降压启动转矩与直接启动转矩的关系自耦变压器一次电流与启动电流的关系降压启动自耦变压器一次电流与直接启动时电流的关系降压为启动时电流与直接启动时电流的关系采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到倍，起动电流与起动转矩降低到倍。采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到倍，起动电流与起动转矩降低到倍。

实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽头供选用。例如QJ2型有三种抽头，分别为55%（即=55%）、64%、73%（出厂时接在73%抽头上）；QJ3型也有三种抽头，分别为40％、60%、80%（出厂时接在60％抽头上）等。这也是我们前面所讲的优点，但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步电动机上广泛应用。前面所介绍的几种鼠笼式异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动转矩较大的异步电动机。加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼式异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值，这类电动机有高转差率鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式鼠笼异步电动机。下面介绍绕线式三相异步电动机的起动。8.4三相绕线式异步电动机的启动前面我们已经分析了绕线式异步电动机的相关特性知识,从中我们知道通过给绕线式异步电动机的转子侧串电阻可以很好的改善电机的起动性能。8.4.1

转子串频敏变阻器起动

频敏变阻器励磁阻抗：频敏变阻器与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点：（1）频率为50Hz的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，既限制了起动电流，又不致使起动电流过小而减小起动转矩。（2）频率为50Hz的电流通过时,Rp>>Xp，其原因是：频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流越大，因此励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此较大。

启动时，s＝1，转子回路中的电流的频率为5OHz。转子回路串入Zp，而Rp>>Xp

，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩。8.4.2转子串电阻分级启动为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。8.4.2转子串电阻分级启动

主要优点：可得到最大的起动转矩；而且转子回路只有电阻没有电抗，启动过程中功率因数比串频敏变阻器还要高；启动电阻同时可兼作调速电阻。但当要求启动尽可能转矩大时，启动级数多，特别是容量大的电动机，将需要较多的设备，投资大，维修不方便。而且启动过程中能量损耗大，不经济。8.5三相异步电动机的各种运行状态异步电动机的电磁转矩和转子的转速是同方向时，电动机运行在电动状态，若电磁转矩和转速的方向相反时，电动机处于制动状态。8.5.1

电动运行：当工作在第Ⅰ象限时为正向电动状态。工作在第Ⅲ象限时为反向电动状态。

而在制动运行状态中，根据转矩和转速的不同情况，又可分为：回馈制动、反接制动、到拉反转及能耗制动等。8.5.2能耗制动1.能耗制动基本原理切断电动机的三相交流电源，同时把直流电源通入它的定子绕组，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势。

空间固定不转的磁动势F=相对于旋转的转子来说变成了一个旋转磁动势,旋转方向为顺时针。显然T与n反方向，电动机处于制动运行状态，T为制动性的阻转矩。在此转矩作用下电动机减速运行，直到n＝0，T＝0，减速过程才完全终止。上述制动停车过程中，系统原来贮存的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩T的产生，是由于转子与定于磁动势之间有相对运动；至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：（1）保持磁动势幅值不变，即=;

（2）保持磁动势与转子之间相对转速（即转差）不变，为

2.定子等效电流:

异步电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如图所示的，合成磁动势的大小为:

把等效为三相交流电流产生的,每相交流电流的有效大小为,则交流磁动势大小为:等效的结果是

3.转差率与等值电路:

磁通势与转子相对转速为(-n),的转速即同步转速为,能耗制动转差率用表示,则为:

转子绕组感应电动势的大小与频率则为:三相异步电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流产生磁动势作用的结果，并非指电机运行时的量。有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。4.能耗制动的机械特性:

能耗制动时，电动机内铁损耗很小，可以将其忽略。这样一来，根据等值电路画出电动机转子电流、励磁电流及转子电流之间的相量关系如图所示。它们之间大小的关系为

忽略铁损耗后,则有:另外,还有(8-16)(8-17)代入(8-15)整理后得到

根据前一章的分析结果知道，电磁转矩为电磁功率除以同步角速度，即对鼠笼式电动机取：I==(4~5)I0对绕线式电动机取：I==(4~5)I0上式便为能耗制动的机械特性表达式，其与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的，但是电动运行状态时，是用电源电压来表示，而能耗制动的这个式子，是用等效的定子电流来表示。能耗制动时，视为已知量。对上式微分，并使，则得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为根据上式画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图所示。显然，能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似。改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值R，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。能耗制动机械特性的实用公式为：8.5.3反接制动过程处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。同时，转子回路串入较大的制动电阻。

电动机的运行点从A-B-C

，到C点后，-TL＜T＜TL

可以准确停车。8.5.3反接制动过程当拖动较小负载转矩时，如果反接制动停车，在降速到n=0时切断电源并停车，否则电动机会反向启动。

与他励直流电动机一样，三相异步电动机反接制动停车不能耗制动快，但能量损失大。8.5.3反接制动过程鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。

反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。为了简单起见，可以认为反接制动后瞬间的转差率s

2，处于反接制动机械特性的s＝0～sm

之间。pCu2=PM+|Pm|8.5.4倒拉反转制动运行我们知道，拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，称之为倒拉反转制动运行状态。8.5.4倒拉反转制动运行倒拉反转制动运行是转差率s＞1的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率PM＞0，机械功率Pm＜0，转子回路总铜耗pCu2=PM+|Pm|。但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。这种运行状态与直流电动机倒拉反转运行的情况是一样的。8.