三相异步电动机电力拖动

第8章

三相异步电动机的电力拖动

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本章小结习题与思考题本章内容8.1三相异步电动机的起动性能

异步电动机的起动就是转速从零开始到稳定运行状态的一个过度过程。衡量异步电动机起动性能的优劣要从起动电流、起动转矩、起动过程的平滑性、起动时间及经济性等方面综合进行考虑，其中最主要的是：

(1)电动机应有足够大的起动转矩。

(2)在保证一定大小的起动转矩的前提下，起动电流越小越好。异步电动机在刚起动时s=1，若忽略励磁电流，则起动电流为起动电流即短路电流，数值很大，一般电动机的起动电流可达额定电流值的4～7倍。对于容量较大的电动机，这样大的起动电流，一方面使电源和线路上产生很大的压降，影响其他用电设备的正常运行，使电灯亮度减弱，电动机的转速下降，欠电压继电保护动作而将正在运转的电气设备断电等。另一方面电流很大将引起电动机发热，特别对频繁起动的电动机，发热更为厉害。(8.1)

起动电流大时，起动转矩又如何呢？起动时虽然电流很大，但定子绕组阻抗压降变大，电压为定值，则感应电动势将减小，主磁通将减小；又因＜，起动时的功率因数很小，从转矩表达式中可以看出，此时的起动转矩并不大。从上面的分析可以看出，要限制起动电流，可以采取降压或增大电动机参数的起动方法。为了增大起动转矩，可适当加大转子的电阻。8.1三相异步电动机的起动性能8.2三相笼型异步电动机的起动

一、直接起动

直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，其接线图如图8.1所示。取熔体的额定电流为电动机额定电流的2.5～3.5倍。一般对于小型笼型异步电动机如果电源容量足够大时，应尽量采用直接起动方法。对于某一电网，多大容量的电动机才允许直接起动，可按经验公式(8.2)确定。≤[3+(电源总容量/电动机额定功率)]/4 (8.2)

电动机的起动电流倍数KI需符合式(8.2)中电网允许的起动

电流倍数，才允许直接起动。一般10kW以下的电动机都可以直

接起动。随电网容量的加大，允许直接起动的电动机容量也变

大。需要注意的是，对于频繁起动的电动机不允许直接起动，

否则应采取降压起动。图8.1异步电动机直接起动接线图二、降压起动8.2三相笼型异步电动机的起动

降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结束时加额定电压运行的起动方式。降压起动虽然能降低电动机起动电流，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的转矩也减小较多，故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。降压起动的方法有以下几种。1.定子串接电抗器或电阻的降压起动

方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；

起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行，如

图8.2所示。三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻器起

动时定子绕组实际所加电压降低，从而减小起动电

流。但定子绕组串电阻起动时，能耗较大，实际应

用不多。图8.2笼型异步电动机定子串接电抗器或电阻的降压起动原理图8.2三相笼型异步电动机的起动

2.星形—三角形(Y—△)降压起动

方法：起动时定子绕组接成Y形，运行时定子绕组则接成△形，其接线图如图8.3所示。对于运行时定子绕组为Y形的笼型异步电动机则不能用Y—△起动方法。

Y—△起动时，起动电流与直接起动时的起动电流的关系(注：起动电流是指线路电流而不是指定子绕组的电流)：电动机直接起动时，定子绕组接成△形，如图8.4(a)所示，每相绕组所加电压大小为U1=UN，即为线电压，每相绕组的相电流为，则电源输入的线电流为Is=。Y形起动时如图8.4(b)所示，每相绕组所加电压为，电流则所以由式(8.3)可见，Y­—△起动时，对供电变压器造成冲击的起动电流是直接起动时的1/3。直接起动时起动转矩为，Y—△起动时起动转矩为，则(8.3)

8.2三相笼型异步电动机的起动

即(8.4)

由式(8.4)可见，Y—△起动时起动转矩也是直接起动时的1/3。

Y—△起动比定子串电抗器起动性能要好，可用于拖动TL≤的轻载起动。

Y—△起动方法简单，价格便宜，因此在轻载起动条件下，应优先采用。我国采用Y—△起动方法的电动机额定电压都是380V，绕组是△接法。(a)直接起动(△形接法)(b)Y-△起动(Y形接法)

图8.4Y—△起动电流分析图

8.2三相笼型异步电动机的起动

3.自耦变压器(起动补偿器)起动

方法：自耦变压器也称起动补偿器。起动时电源接

自耦变压器原边，副边接电动机。起动结束后电源直接

加到电动机上。三相笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动的接

线如图8.5所示，其起动的一相线路如图8.6所示。设自耦变压器变比为＜1，则直接起动时

定子绕组的电压UN、电流Is与降压起动时承受的电压电

流关系为

而起动电流是指电网供给线路的电流，即自耦变压器厚边电流，与副边起动时电流关系为。因此，降压起动电流与直接起动电流关系为

(K＜1) (8.5)图8.5自耦变压器降压起动接线图

8.2三相笼型异步电动机的起动

而自耦变压器降压起动时转矩Ts’与直接起动时转矩Ts的关系为

即(K＜1) (8.6)

可见，采用自耦变压器降压起动，起动电流和起动转矩都降K2倍。自耦变压器一般有2～3组抽头，其电压可以分别为原边电压U1的80%、65%或80%、60%、40%。该种方法对定子绕组采用Y形或△形接法的电动机都可以使用，缺点是设备体积大，投资较贵。图8.6自耦变压器降压起动的一相线路

4.延边三角形降压起动8.2三相笼型异步电动机的起动

方法：延边三角形降压起动如图8.7所示，它介于自耦变压器降压起动与Y—△降压起动方法之间。

(a)降压起动接法(b)运行接法

图8.7延边三角形降压起动原理图

如果将延边三角形看成一部分为Y形接法，另一部分为△形接法，则Y形部分比重越大，起动时电压就降得越多。根据分析和试验可知，Y形和△形的抽头比例为1∶1时，电动机每相电压是268V；抽头比例为1∶2时，每相绕组的电压为290V。可见，延边三角形可采用不同的抽头比，来满足不同负载特性的要求。

延边三角形起动的优点是节省金属，质量轻；缺点是内部接线复杂。笼型异步电动机除了可在定子绕组上想办法降压起动外，还可以通过改进笼的结构来改善起动性能，即在制造时改变笼型转子的阻抗性质，这类电动机主要有深槽式和双笼型。8.3三相绕线式异步电动机的起动

一、转子回路串接电阻器起动1.起动方法

起动时，在转子电路串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因转子电阻增大也限制了起动电流；起动结束，切除转子所串电阻。为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。起动接线图和特性曲线如图8.8所示。图8.8绕线式异步电动机起动接线图和特性曲线

2.起动过程8.3三相绕线式异步电动机的起动

(1)接触器触点KM1、KM2、KM3全断开(接触器的控制由第五篇电器控制技术讨论)，电动机定子接额定电压，转子每相串入全部电阻。如正确选取电阻的阻值，使转子回路的总电阻值(注意是转子一相绕组本身的电阻与串加电阻总和的折算值)，则由式可知，此时，最大转矩就产生在电动机起动的瞬间，如图8.8中曲线0中a点，起动转矩Ts1。

(2)由于Ts1>TL(负载转矩)电动机加速到b点时，T=Ts2，为了加速起动过程，接触器KM1闭合，切除起动电阻R‘，特性变为曲线1，因机械惯性，转速瞬时不变，工作点水平过渡到c点，使该点T=Ts1。

(3)因Ts1>TL，转速沿曲线1继续上升，到d点时KM2闭合，R’’被切除，电动机运行点从d转变到特性曲线2上的e点……。依次类推，直到切除全部电阻，电动机便沿着固有特性曲线3加速，经h点，最后运行于i点(T=TL)。8.3三相绕线式异步电动机的起动

上述起动过程中，转子三相绕组所接电阻平衡，另外三级平衡切除，故称为三级起动。在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的，适合于容量较大的设备，重载起动的情况，广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备；对于一些容量较小的设备，转子三相绕组所接电阻也可以不平衡，同样，在切除时，也要进行非平衡切换。转子串电阻起动的缺点是所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上，起动级数也较少。还需要注意，转子三相绕组所接电阻并非越大越好，若出现的情况，即起动于图中特性曲线4上面，起动转矩。所以，转子三相绕组所接电阻要适当。二、转子串频敏变阻器起动

频敏变阻器的结构特点：它是一个三相铁心线圈，其铁心不用硅钢片而用厚钢板迭成。铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗，铁心损耗相当一个等值电阻，其线圈又是一个电抗，故电阻和电抗都随频率变化而变化，故称频敏变阻器，它与绕线转子异步电动机的转子绕组相接，如图8.9所示。其工作原理如下：8.3三相绕线式异步电动机的起动

图8.9绕线转子异步电动机串频敏变阻器起动

起动时，s=1，f2=f1=50Hz，此时频敏变阻器的铁心损耗大，等效电阻大，既限制了起动电流，增大起动转矩，又提高了转子回路的功率因数。随着转速n升高，s下降，f2减小，铁心损耗和等效电阻也随之减小，相当于逐渐切除转子电路所串的电阻。起动结束时，n=nN，f2=sN，f1≈(1～3)Hz，此时频敏变阻器基本不起作用，可以闭合接触器触点KM，予以切除。频敏变阻器起动结构简单，运行可靠，但与转子串电阻起动相比，在同样起动电流下，起动转矩要小些。8.4三相异步电动机的调速

近年来，随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流电动机调速系统的趋势。从异步电动机的转速关系式n=n1(1s)=可以看出，异步电动机的调速可分以下三大类：

(1)改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速；

(2)改变供电电源的频率f1，称为变频调速；

(3)改变电动机的转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速和串级调速。一、变极调速

在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。通常用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机称多速电动机。其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。下面以一相绕组来说明变极原理。先将其两个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图8.10所示，产生两对磁极。8.4三相异步电动机的调速

若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向，如图8.11所示，产生一对磁极。图8.10三相四极电动机定子U相绕组

图8.11三相二极电动机定子U相绕组

8.4三相异步电动机的调速

目前，在我国多极电动机定子绕组联绕方式最多有3种，常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图8.12所示；另一种是从三角形改成双星形，写作△/YY，如图8.13所示，这两种接法可使电动机极数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、质量轻，但电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。图8.12异步电动机Y/YY变极调速接线

图8.13异步电动机△/YY变极调速接线

8.4三相异步电动机的调速

二、变频调速

三相异步电动机的同步转速为因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。1.变频调速的条件

三相异步电动机的每相电压U为

U≈E1=4.44f1N1K1

若电源电压Ul不变，当降低电源频率f1调速时，则磁通将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通不变，就必须降低电源电压，使或为常数。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。8.4三相异步电动机的调速

2.从基频向下调变频调速

降低电源频率时，必需同时降低电源电压。降低电源电压U1，有以下两种控制方法：

(1)保持为常数。降低电源频率f1时，保持为常数，则为常数，是恒磁通控制方式，也称恒转矩调速方式。降低电源频率f1调速的人为机械特性，如图

8.14所示。图8.14保持为常数时变频调速的机械特性

降低电源频率f1调速的人为机械特性特点为：同步速度n1与频率f1成正比；最大转矩不变；转速降落

n=常数，特性斜率不变(与固有机械特性平行)。这种变频调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定静差率的要求下，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，转差功率Ps较小，效率较高。8.4三相异步电动机的调速

(2)保持为常数。降低电源频率f1，保持为常数，则近似为常数，在这种情况下，当降低频率f1时，

n不变。但最大转矩会变小，特别在低频低速时的机械特性会变坏，如图8.15所示。其中虚线是恒磁通调速时为常数的机械特性，以示比较。保持为常数，则低频率调速近似为恒转矩调速方式。图8.15保持为常数时变频调速的机械特性8.4三相异步电动机的调速

3.从基频向上调变频调

升高电源电压()是不允许的。因此，升高频率向上调速时，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，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，其机械特性如图8.16所示。图8.16保持不变，升频调速的机械特性

保持不变升速，近似为恒功率调速方式。随着，而p2近似为常数。异步电动机变频调速具有良好的调速性能，可与直流电动机媲美。8.4三相异步电动机的调速

4.变频电源

异步电动机变频调速的电源是一种能调压的变频装置。如何能取得经济、可靠的变频电源，是实现异步电动机变频调速的关键，也是目前电力拖动系统的一个重要发展方向。目前，多采用由晶闸管或自关断功率晶体管器件组成的变频器。变频器若按相分类，可以分为单相和三相；若按性能分类，可以分为交-直-交变频器和交-交变频器。变频器的作用是将直流电源(可由交流经整流获得)变成频率可调的交流电(称交-直-交变频器)或是将交流电源直接转换成频率可调的交流电(交-交变频器)，以供给交流负载使用。交-交变频器将工频交流电直接变换成所需频率的交流电能，不经中间环节，也称为直接变频器关于变频电源的具体情况，可参考有关变频技术一类的书籍。5.变频技术的应用

变频调速由于其调速性能优越，即主要是能平滑调速、调速范围广、效率高，又不受直流电动机换向带来的转速与容量的限制，故已经在很多领域获得广泛应用，如轧钢机、工业水泵、鼓风机、起重机、纺织机、球磨机化工设备及家用空调器等方面。主要缺点是系统较复杂、成本较高。8.4三相异步电动机的调速

三、改变转差率调速

改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。1.改变定子电压调速

对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a2、a3，如图8.17所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。改变电源电压调速，这种方法主要应用于笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。过去都采用定子绕组串电抗器来实现，目前已广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。图8.17高转子电阻笼型电动机调压调速

2．转子串电阻调速

8.4三相异步电动机的调速

绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图8.18所示。转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。图8.18转子串电阻调速的机械特性

根据电磁转矩参数表达式，当T为常数且电压不变时，则有

(8.7)

因而绕线转子异步电动机转子串电阻调速时调速电阻的计算公式为

R1= (8.8)

式中sa——转子串电阻前电动机运行的转差率；

sb——转子串入电阻R1后新稳态运行时电动机的转差率；

r2——转子每相绕组电阻，常数8.4三相异步电动机的调速

如果已知转子串入的电阻值，要求调速后的电动机转速，则只要将式(8.7)稍加变换，先求出s1，再求转速n。由于在异步电动机中，电磁功率PM，机械功率Pm与转子铜损PCu2三者之间的关系为

PM∶Pm∶Pcu2=1∶(1-s)∶s (8.9)

若转速越低，转差率s越大，转子损耗越大，低速时效率不高。转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的绕线转子异步电动机如桥式起动机等。3.串级调速

所谓串级调速，就是在异步电动机的转子回路串入一个三相对称的附加电动势，其频率与转子电动势相同，改变的大小和相位，就可以调节电动机的转速。它也是适用于绕线转子异步电动机，靠改变转差率s调速。

(1)低同步串级调速若与相位相反，则转子电流I2为8.4三相异步电动机的调速

电动机的电磁转矩为(8.10)

上式中，T1为转子电势产生的转矩，而T2为附加电势所引起的转矩。若拖动恒转矩负载，因T2总是负值，可见串入后，转速降低了，串入附加电势越大，转速降得越多。引入后，使电动机转速降低，称低同步串级调速。

(2)超同步串级调速若与组同相位，则T2总是正值。当拖动恒转矩负载时，引入后，导致转速升高了，则称为超同步串级调速。串级调速性能比较好，过去由于附加电势的获得比较难，长期以来没能得到推广。近年来，随着晶闸管技术的发展，串级调速有了广阔的发展前景。现已日益广泛用于水泵和风机的节能调速，应用于不可逆轧钢机、压缩机等很多生产机械。8.5三相异步电动机的制动

一、三相异步电动机的反转

从三相异步电动机的工作原理可知，电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相异步电动机反转。图8.19是利用控制开关SA来实现电动机正、反转的原理线路图。当SA向上合闸时，L1接U相，L2接V相，L3接W相，电动机正转。当SA向下合闸时，L1接U相，L2接V相，L3接W相，即将电动机任意两相绕组与电源接线互调，则旋转磁场反向，电动机跟着反转。图8.19异步电动机正、反转原理线路图

二、三相异步电动机的制动8.5三相异步电动机的制动

电动机除了上述电动状态外，在下述情况运行时，则属于电动机的制动状态。在负载转矩为位能转矩的机械设备中(例如起重机下放重物时，运输工具在下坡运行时)，使设备保持一定的运行速度；在机械设备需要减速或停止时，电动机能实现减速和停止的情况下，电动机的运行属于制动状态。三相异步电动机的制动方法有下列两类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。它的结构有好几种形式，应用较普遍的是电磁抱闸，它主要用于起重机械上吊重物时，使重物迅速而又准确地停留在某一位置上。电气制动是使异步电动机所产生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反。电气制动通常可分为能耗制动、反接制动和回馈制动(再生制动)等3类。8.5三相异步电动机的制动

1．能耗制动方法：将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电源上，如图8.20所示，用断开QS，闭合SA2来实现。图8.20能耗制动原理图

当定子绕组通入直流电源时，在电动机中将产生一个恒定磁场。转子因机械惯性继续旋转时，转子导体切割恒定磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩，根据右手定则可以判电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，为制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速迅速下降，当n=0时，T=0，制动过程结束。这种方法是将转子的动能转变为电能，消耗在转子回路的电阻上，所以称能耗制动。8.5三相异步电动机的制动

如图8.21所示，电动机正向运行时工作在固有机械特性曲线1的a点上。定子绕组改接直流电源后，因电磁转矩与转速反向，因而能耗制动时机械特性位于第二象限，如曲线2。电动机运行点也移至b点，并从b点顺曲线2减速到O点。对于采用能耗制动的异步电动机，既要求有较大的制动转矩，又要求定、转子回路中电流不能太大使绕组过热。根据经验，能耗制动时对于笼型异步电动机取直流励磁电流为(4～5)I0，对于绕线转子异步电动机取(2～3)I0，制动所串电阻r=(0.2～0.4)能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳。缺点是需要一套专门的直流电源供制动用。图8.21能耗制动机械特性图

1—固有机械特性

2—能耗制动机械特性

8.5三相异步电动机的制动

2.反接制动反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种。

1)电源反接制动方法：改变电动机定子绕组与电源的联接相序，如图8.22所示，断开QS1，接通QS2即可。图8.22绕线式异步电动机电源反接制动图

8.5三相异步电动机的制动

电源的相序改变，旋转磁场立即反转，而使转子绕组中感应电势、电流和电磁转矩都改变方向，因机械惯性，转子转向未变，电磁转矩与转子的转向相反，电动机进行制动，此称电源反接制动。如图8.23所示，制动前，电动机工作在曲线1的a点，电源反接制动时，＜0，n＞0，相应的转差率s=＞1，且电磁转矩T＜0，机械特性如曲线2所示。因机械惯性，转速瞬时不变，工作点由a点移至b点，并逐渐减速，到达c点时n=0，此时切断电源并停车，如果是位能性负载需使用抱闸，否则电动机会反向起动旋转。一般为了限制制动电流和增大制动转矩，绕线转子异步电动机可在转子回路串入制动电阻，特性如曲其线3所示，制动过程同上。图8.23电源反接制动的机械特性8.5三相异步电动机的制动

制动电阻r的计算公式为式中——对应固有机械特性曲线的临界转差率，；

——转子串电阻后机械特性的临界转率，

s——制动瞬间电动机转差率；

——过载倍数，。(8.11)

2)倒拉反接制动方法：当绕线转子异步电动机拖动位能性负载

时，在其转子回路串入很大的电阻。其机械特性如

图8.24所示。图8.24倒拉反接制动机械特性

8.5三相异步电动机的制动

当异步电动机提升重物时，其工作点为曲线1上的a点。如果在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线2，因机械惯性，工作点由a点移到b点，因此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电动机减速至n=0时，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，使电动机反转，直至电磁转矩等于负载转矩，电动机才稳定运行于c点。因这是由于重物倒拉引起的，所以称为倒拉反接制动(或称倒拉反接运行)，其转差率与电源反接制动一样，s都大于1绕线转子异步电动机倒拉反接制动状态，常用于起重机低速下放重物。3.回馈制动方法：使电动机在外力(如起重机下放重物)作用下，其电动机的转速超过旋转磁场的同步转速，如图8.25所示。起重机下放重物，在下放开始时，n＜n1电动机处于电动状态，如8.25(a)所示。在位能转矩作用下，电动机的转速大于同步转速时，转子中感应电动势、电流和转矩的方向都发生了变化，如图8.31(b)所示，转矩方向与转子转向相反，成为制动转矩。此时电动机将机械能转化为电能馈送电网，所以称回馈制动。8.5三相异步电动机的制动

(a)电动运行(b)回馈制动图8.25回馈制动原理图

制动时工作点如图8.26的a点所示，转子回路所串电阻越大，电动机下放重物的速度越快，见图8.26中虚线所示a’点。为了限制下放速度，转子回路不应串入过大的电阻。图8.26回馈制机械特性

8.6电动机的选择

在电力拖动系统中，选择电动机一般包括确定电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率、工作方式等。而最重要的是选择电动机的额定功率。决定电动机功率时，要考虑电动机的发热、允许过载能力和起动能力等因素，以发热问题最重要。一、电动机的种类、型式、额定电压与额定转速的选择1.电动机种类的选择选择电动机的原则是电动机性能满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、工作可靠、维护方便的电动机。在这方面交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，笼型异步电动机优于绕线式异步电动机。负载平稳，对起，制动无特殊要求的连续运行的生产机械，宜优先选用普通笼型异步电动机，普通的笼型异步电动机广泛用于机械、水泵、风机等。深槽式和双鼠笼是异步电动机用于大中功率，要求起动转距较大的生产机械、如空压机、皮带运输机等。起动、制动比较频繁，要求有较大的起动、制动转矩的生产机械，如桥式起重机、矿井提升机、空气压缩机、不可逆轧钢机等，应采用绕线式异步电动机。无调速要求，需要转速恒定或要求改善功率因数的场合，应采用同步电动机，例如中、大容量的水泵，空气压缩机等。只要求几种转速的小功率机械，可采用变极多速(双速、三速、四速)鼠笼式异步电动机，例如电梯、锅炉引风机和机床等。

调速范围要求在1∶3以上，且需连续稳定平滑调速的生产机械，宜采用他励直流电动机或用变频调速的鼠笼式异步电动机，例如大型精密机床、龙门刨床、轧钢机、造纸机等。要求起动转距大，机械特性软的生产机械，使用串励或复励直流电动机，例如电车、电机车、重型起重机等。

2.电动机型式的选择

(1)安装型式的选择电动机安装型式按其位置的不同，可分为卧式和立式两种。一般选卧式，立式电动机的价格贵，只有在为了简化传动装置，必须垂直运转时才采用。

(2)防护型式的选择为防止电动机受周围环境影响而不能正常运行，或因电机本身故障引起灾害，必须根据不同的环境选择不同的防护型式。电动机常见的防护型式有开启式、防护式、封闭式和防爆式4种。①开启式这种电机价格便宜，散热条件较好，但容易进入水气、水滴、灰尘、油垢等杂物，影响电机的寿命及正常运转，故只能用于干燥清洁的环境之中。②防护式这种电机一般防止水滴，等杂物落入机内，但不能防止潮气及灰尘的侵入，故只能用于干燥和灰尘不多又无腐蚀和爆炸性气体的环境。③防闭式这类电机又分为自冷式、强迫通风式和密封式3种，前两种电机，潮气和灰尘不易进入机内，能防止任何方向飞溅的水滴和杂物侵入，适用于潮湿、多尘土、易受风雨侵袭，有腐蚀性蒸汽或气体的各种场合。密封式电机，一般使用于液体(水或油)中的生产机械，例如潜水泵等。8.6电动机的选择

8.6电动机的选择

④防爆式在封闭结构的基础上制成隔爆型，增安型和正压型3类，都适用于有易燃易爆气体的危险环境，例如油库、煤气站或矿井等场所。对于湿热地带、高海拔地区及船用电机等，还得选用有特殊防护要求的电机。

3.额定电压的选择电动机的额定电压的选择，取决于电力系统对该企业的供电电压和电动机容量的大小。交流电动机电压等级的选择主要依使用场所供电电压等级而定。一般低电压网为380V，故额定电压为380V(Y或△接法)、220/380V(△/Y接法)，380/660V(△/Y接法)3种；矿山及煤厂或大型化工厂等联合企业，越来越要求使用660V(△接法)或660/1140V(△/Y接法)的电机。等电动机功率较大，供电电压为6000V或10000V时，电动机的额定电压应选与之适应的高电压。直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。一般为110V、220V和440V。其中220V为常用电压等级，大功率电机可提高到600～1000V。当交流电源为380V，用三相桥式可控硅整流电路供电时，其直流电动机的额定电压应选440V，当用三相半波可控硅整流电源供电时，直流电动机的额定电压应为220V，若用单相整流电源，其电动机的额定电压应为160V。8.6电动机的选择

4.额定转速的选择额定功率相同的电动机，其额定转速越高，则电动机的体积越小，重量越轻，造价越低，一般地说电动机的飞轮距GD2也越小。但生产机械的转速一定，电动机的额定转速越高，拖动系统传动机构的速比越大，传动机构越复杂。电动机的GD2和额定转速影响到电动机过渡程持续的时间和过渡过程中的能量损耗。电动机的GD2·越小，过渡过程越快，能量损耗越小。因此，电动机额定转速的选择，应根据生产机械的具体情况，综合考虑上面所述的各个因素来确定。二、电动机的发热与冷却1.电动机的发热电动机运行过程中，各种能量损耗最终变成热能，使得电动机的各个部分温度上升，因而会超过周围环境温度。温度升高的热过渡过程，称之为电动机的发热过程，电动机温度高出环境温度的值称为温升。一旦有了温升，电动机就要向周围散热。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升，称为动态热平衡。8.6电动机的选择

2.电动机的冷却负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果减少或去掉负载，那么电动机内耗及单位时间发热量都会随之减少。这样，原来的热平衡状态被破坏，变为发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。降温过程中，随着温升减小，单位时间散热量也减少。当重新达到平衡时，电动机不再继续降温，而稳定在一个新的温升上。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。

3.电动机的绝缘等级从发热方面来看，决定电动机容量的一个主要因素就是它的绕组绝缘材料的耐热能力，也就是绕组绝缘材料所能容许的温度。电动机在运行中最高温度不能超过绕组绝缘的最高温度，超过这一极限时，电动机使用年限就大大缩短，甚至因绝缘很快烧坏而不能使用。根据国际电工委员会规定，电工用的绝缘材料可分为7个等级，而电动机中常用的有A、E、B、F、H5个等级，而各等级的最高容许温升分别为105℃、120℃、130℃、155℃、180℃。我国规定40℃为标准环境温度，绝缘材料或电动机的温度减去40℃即为允许温升，用τmax表示。8.6电动机的选择

三、电动机的工作方式

电动机工作时，负载持续时间的长短对电动机的发热情况影响很大，因而对选择的电动机功率影响也很大。按电动机发热的不同情况，可分为以下3种工作方式。

1.连续工作方式连续运行方式是指电动机工作时间tr>(3～4)(为电动机的发热时间常数，表征电动机热惯性的大小)后温升可以达到稳态值，也称长期工作制。属于这类生产机械的有水泵、鼓风机、造纸机等。

2.短时工作方式短时工作方式是指电动机工作时间tr<(3～4)，而停歇时间t0>(3～4)。这样工作时温升达不到稳态值，而停歇后温升降为零。属于此类生产机械的有机床的夹紧装置、某些冶金辅助机械、水闸闸门启闭机等。短时工作方式下电动机的额定功率是与规定的工作时间相对应的，这一点需要注意，与连续工作方式的情况不完全一样。电动机铭牌上给定的额定功率是按15min、30min、60min、90min4种标准时间规定的。3.周期性断续工作方式周期性断续工作方式是指工作和与停歇相互交替进行，两者时间都比较短，即工作时间tr<(3～4)，停歇时间t0<(3～4)。工作时温升达不到稳态值，停歇时温升降不到零。属于此类工作的生产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械等。在重复短时工作方式下，负载工作时间与整个周期之比称负载持续率[又称暂载率(%)]，用FS表示，即

FS=

我国规定的负载持续率有15%、25%、40%和60%

4种，一个周期的总时间为+≤10min。8.6电动机的选择

(8.12)

四、额定功率的选择

正确选择电动机容量的原则，应在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地决定电动机的功率。若功率选得过大，设备投资增大，造成浪费，且电动机经常欠载运行，效率及交流电动机的功率因数较低；反之，若功率选得过小，电动机将过载运行，造成电动机过早损坏。决定电动机功率的主要因素有3个：8.6电动机的选择

(1)电动机的发热与温升，这是决定电动机功率的最主要因素；(2)允许短时过载能力；(3)对交流笼型异步电动机还要考虑起动能力。

1.恒值负载时电动机额定功率的选择恒值负载是指在工作时间内负载大小不变，包括连续和短时两种工作方式。电动机额定功率的选择是在假设环境温度为40℃及标准散热条件下，且在电动机不调速的前提下进行的。

1)连续工作方式在连续工作方式情况一，选择电动机的额定功率PN等于或略大于负载功率PL，即

PN≥PL (8.13)

式中，PL是根据具体生产机械的负载及效率进行计算的，可查阅相关机械设计手册。由于这个条件本身是从发热温升角度考虑的，故不必再校核电动机的发热问题，只需校核过载能力，必要时还要校核起动能力。8.6电动机的选择

过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。校核电动机过载能力可按下列条件进行

Tmax≤TN (8.14)式中Tmax——电动机在工作中所承受最大转矩(N·m)；

——电动机允许过载倍数，对不同类型的电动机，取值不完全一样。若预选的电动机过载能力达不到，则要重选电动机及额定功率，直到满足要求为止。对三相笼型异步电动机，最后还要校核起动能力是否达到，若达不到，也应重选电动机及其额定功率。以上关于额定功率的选择是在标准环境温度为40℃前提下进行的。若电动机工作的环境温度发生变化，则必须对电动机的额定功率进行修正。根据理论计算和实践，在周围环境温度不同时，电动机的功率可粗略地按表8-1相应增减。环境温度/℃303540455055电动机功率的增减/%+8+50-5-12.5-258.6电动机的选择

表8-1不同环境温度下的电动机功率增减百分数

由表8-1可见，环境温度低，电动机实际功率应比标准规定的额定功率高，反之，则应降低额定功率使用。

2)短时工作方式选择短时工作方式的电动机。对短时工作方式下的负载，其工作时间与电动机的标准时间一致，例如也是15min、30min、60min和90min，则选择电动机的额定功率只须满足PN≤PL。若负载的工作时间与标准工作时间不一致，则预选电动机功率时，应先按发热和温升等效的原则把负载功率由非标准工作时间折算成标准工作时间，然后再按标准工作时间预选额定功率。设短时工作方式负载工作时间为tr，其最近的标准工作时间为trb，则预选电动机额定功率应满足≥ (8.15)8.6电动机的选择

上式是从发热和温升等效原则得出的，故经过向标准工作时间折算后，预选电动机肯定能满足温升条件，不必再校核。选择连续工作方式的电动机。由于短时工作方式的电动机较少，故可选择连续工作方式的电动机。从发热和温升的角度考虑，电动机在连续工作方式下应该输出比连续工作方式时额定功率要大的功率才能充分发挥电动机的能力。或者说，预选电动机时也要把短时工作的负载功率等效折算到连续工作方式上去才合理。设电动机中不变损耗与额定负载时的可变损耗的比值用

表示，则预选的电动机额定功率应满足≥ (8.16)

式中——发热时间常数；

tr——短时工作时间(s)。其中

数值因电动机而异。一般地说，普通直流电动机

=1～1.5，冶金用直流电动机

=0.5～0.9，冶金专用中、小型三相绕线转子异步电动机

=0.45～0.6，冶金专用大型三相绕线转子异步电动机

=0.9～1.0，普通三相笼型异步电动机

=0.5～0.7。对于具体电动机而言，和

可从技术数据中找出或估算。8.6电动机的选择

若实际工作时间极短，则电动机的发热与温升已不成问题，只需从过载能力及起动能力方面来选择电动机连续工作方式下的额定功率。短时工作方式折算到连续工作方式下再预选电动机额定功率后，也不必再进行温升校核。

2.变化负载时电动机额定功率的选择

(1)周期性变化负载连续工作方式。连续工作方式下的变化负载，其变化通常具有周期性。负载变化周期为tt，一个周期内负载的平均功率式中PL1、PL2、…、PLn——各段负载功率(kW)；

t1、t2、…、tn——各段负载作用时间(s)。按负载平均功率再乘上1.1～1.6的系数来预选电动机的额定功率，即

(8.18)

电动机的额定功率预选好后，还要进行发热、过载能力及必要时的起动能力校验。若其中有一项不合格，须重新选择电动机，再进行校核，直到各项都合格为止。(8.17)

校核电动机发热的方法很多，这里只介绍一种常用的等效转矩法。负载转矩已知后，只是作为预选电动机额定功率的依据。校核发热温升，还需要知道电动机在一个周期内电磁转矩的变化情况。怎样从负载转矩找出电动机的电磁转矩与时间的关系T=f(t)呢？在电动机稳定运行时，转速恒定，则T=TL；在电动机过渡过程(起动与制动)中，则T=TL+Ta。Ta为动转矩，即使电力拖动系统加速或减速的转矩。加速时为正值，减速时为负值。这样，一个周期内电动机的电磁转矩情况便可确定。在电动机气隙磁通恒定的条件下，一个周期内发热相同的等效转矩Td可用式(8.19)表示。式中Ti——第i段电动机的电磁转矩(N·m)。若Td≤TN，则发热校核通过。TN为预选电动机的额定转矩。等效转矩法使用于气隙磁通恒定的条件，若电动机在运行过程中只有一段时间采用降低磁通升速，则通过对弱磁阶段的转矩进行修正，也可使用等效转矩法。即将弱磁这一段的转矩向着额定磁通折算，便可认为整个周期时间内均为恒定磁通。设弱磁段的转矩为，转速为n()，折算后的转矩为，8.6电动机的选择

(8.19)

8.6电动机的选择

(8.20)

转速为额定转速，则它们之间的关系为(2)周期性断续工作方式。这种工作方式的电动机，按标准规定每个工作与停歇的周期不超过10min。每个周期内都有起动、运行、制动和停歇各个阶段。普通电动机难以胜任如此频繁的起、制动工作。因此，周期性断续工作方式的电动机有转子细长、飞轮矩小、起动和过载能力强、机械强度大、绝缘等级高等特点。若负载持续率为标准负载持续率，则预选电动机的额定功率应满足≥（1.1～ (8.21)

若负载持续率为非标准负载持续率，则需向与其最接近的标准负载持续率FSb(%)折算。折算的原则是损耗相等。折算后的公式为≥（1.1～ (8.22)

式中FS——负载实际持续率(%)。

预选电动机额定功率后进行发热校核时仍可用等效转矩法。先找出电动机在工作时间内电磁转矩与时间的关系，再计算等效转矩Td。对于他扇冷式电动机，等效转矩为对于自扇冷式电动机，由于起动与制动过程中电动机转速低，散热条件差，稳定后的最高温升将比没有起制动时的要高，因此需相应提高等效转矩，即8.6电动机的选择

(8.23)

(8.24)

式中ts——起动时间(s)；

tc——恒速运行时间(s)；

tb——制动时间(s)；

β——系数，其值因电动机而异，一般直流电动机为0.75，异步电动劝机为0.5。若Td≤TN，则发热校核通过。上述方法适用于10%≤FS≤70%的范围。8.6电动机的选择

当负载持续率FS≤10%时，应按短时工作方式处理，根据过载及起动能力选择电动机的额定功率。当FS≥70%时，则应按连续工作方式处理，选择连续工作方式的电动机。其负载性质属于一个周期性变化负载，且每个周期内包括一次起动、制动和停歇时间。他扇冷式电动机的等效转矩为式(8.24)

自扇冷式电动机的等效转矩为(8.25)

式中T0——停歇时间(s)。

——系数，其值通常为小于1，直流电动机约为0.5，异步电动机约为0.25。若≤，则发热校核通过。周期性变化负载预选电动机额定功率及发热校核通过后，还需校核过载能力，必要时还要校核起动能力，这些是同常值负载情况一样的。8.7电动机的维护处理及故障

一、起动前的准备

对新安装或久未运行的电动机，在通电使用之前必须先进行下列4项检查，以验证电动机能否通电运行。

1.安装检查要求电动机装配灵活、螺钉拧紧、轴承运行无阻、联轴器中心无偏移等。

2.绝缘电阻检查要求用兆欧表检查电动机的绝缘电阻，包括三相相间绝缘电阻和三相绕组对地绝缘电阻，测得的数值一般不小于10MΩ。

3.电源检查一般当电源电压波动超出额定值+10%或-5%时，应改善电源条件后投运。

4.起动、保护措施检查要求起动设备接线正确(直接起动的中小型异步电动机除外)；电动机所配熔丝的型号合适；外壳接地良好。在以上各项检查无误后，方可合闸起动。8.6电动机的选择

二、起动时的注意事项(1)合闸后，若电动机不转，应迅速、果断地拉闸，以免烧毁电动机。

(2)电动机起动后，应注意观察电动机，若有异常情况，应立即停机。待查明故障并排除后，才能重新合闸起动。

(3)笼型电动机采用全压起动时，次数不宜过于频繁，一般不超过3～5次。对功率较大的电动机要随时注意电动机的温升。

(4)绕线转子电动机起动前，应注意检查起动电阻是否接入。接通电源后，随着电动机转速的提高而逐渐切除起动电阻。

(5)几台电动机由同一台变压器供电时，不能同时起动，应由大到小逐台起动。对运行中的电动机应经常检查它的外壳有无裂纹，螺钉是否有脱落或松动，电动机有无异响或振动等。监视时，要特别注意电动机有无冒烟和异味出现，若嗅到焦糊味或看到冒烟，必须立即停机检查处理。三、运行中的监视8.6电动机的选择

对轴承部位，要注意它的温度和响度。温度升高，响声异常则可能是轴承缺油或磨损。用联轴器传动的电动机，若中心校正不好，会在运行中发出响声，并伴随着发生电动机振动和联轴节螺栓胶垫的迅速磨损。这时应重新校正中心线。用带传动的电动机，应注意传动带不应过松而导致打滑，但也不能过紧而使电动机轴承过热。在发生以下严重故障情况时，应立即断电停机处理：

(1)人身触电事故；

(2)电动机冒烟；

(3)电动机剧烈振动；

(4)电动机轴承剧烈发热；

(5)电动机转速迅速下降，温度迅速升高。异步电动机定期维修是消除故障隐患、防止故障发生的重要措施。电动机维修分月维修和年维修，俗称小修和大修。前者不拆开电动机，后者需把电动机全部拆开进行维修。四、电动机的定期维修1.定期小修主要内容定期小修是对电动机的一般清理和检查，应经常进行。小修内容包括：

(1)清擦电动机外壳，除掉运行中积累的污垢；

(2)测量电动机绝缘电阻，测后注意重新接好线，拧紧接线头螺钉；

(3)检查电动机端盖、地脚螺钉是否紧固；

(4)检查电动机接地线是否可靠；

(5)检查电动机与负载机械间的传动装置是否良好；

(6)拆下轴承盖，检查润滑介质是否变脏、干润，及时加油或换油。处理完毕后，注意上好端盖及紧固螺钉；

(7)检查电动机附属起动和保护设备是否完好。

2.定期大修主要内容异步电动机的定期大修应结合负载机械的大修进行。大修时，拆开电动机进行以下项目的检查修理。

(1)检查电动机各部件有无机械损伤，若有则应进行相应修复；

(2)对拆开的电动机和起动设备，进行清理，清除所有油泥、污垢。清理中注意观察绕组绝缘状况。若绝缘为暗褐色，说明绝缘已经老化，对这种绝缘要特别注意不要碰撞使它脱落。若发现有脱落就进行局部绝缘修复和刷漆；

(3)拆下轴承，浸在柴油或汽油中彻底清洗。把轴承架与钢珠间残留的油脂及脏物洗掉后，用干净柴(汽)油清洗一遍。清洗后的轴承应转动灵活，不松动。若轴承表面粗糙，说明油脂不合格；若轴承表面变色(发蓝)，则它已经退火。根据检查结果，对油脂或轴承8.6电动机的选择

8.6电动机的选择

进行更换，并消除故障原因(如清除油中砂、铁屑等杂物；正确安装电动机等)；轴承新安装时，加油应从一侧加入。油脂占轴承内容积1/3～2/3即可。油加得太满会发热流出。润滑油可采用钙基润滑脂或钠基润滑脂。

(4)检查定子绕组是否存在故障。使用兆欧表测绕组电阻可判断绕组绝缘性能是否因受潮而下降，是否有短路。若有，应进行相应处理；

(5)检查定、转子铁心有无磨损和变形，若观察到有磨损处或发亮点，说明可能存在定、转子铁心相擦，应使用锉刀或刮刀把亮点刮低，若有变形应做相应修复；

(6)在进行以上各项修理、检查后，对电动机进行装配、安装；

(7)安装完毕的电动机，应进行修理后检查，符合要求后，方可带负载运行。五、常见故障及扫除方法1.电源接通后电动机不起动的可能原因

(1)定子绕组接线错误。检查接线，纠正错误。

(2)定子绕组断路、短路或接地，绕线转子异步电动机转子绕组断路。找出故障点，排除故障。

(3)负载过重或传动机构被卡住。检查传动机构及负载。

(4)绕线转子异步电动机转子回路断线(电刷与滑环接触不良，变阻器断路，引线接触不良等)。找出断路点，并加以修复。

(5)电源电压过低。检查原因并排除。8.6电动机的选择

2.