第3章 三相异步电动机的电力拖动

3.1三相异步电动机的机械特性3.2三相异步电动机的起动本章主要介绍三相异步电动机的机械特性三种表达式的建立，固有机械特性与人为机械特性的分析及绘制方法；三相异步电动机的起动、制动、调速；三相异步电动机拖动系统过渡过程以及三相异步电动机的MATLAB仿真分析。3.3三相异步电动机的制动3.4三相异步电动机的调速3.5三相异步电动机拖动系统过渡过程3.6三相异步电动机的MATLAB仿真分析3.1三相异步电动机的机械特性一、物理表达式三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，转速（或转差率）与电磁转矩

之间的函数关系。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。3.1.1三相异步电动机机械特性的3种表达式3.1三相异步电动机的机械特性二、参数表达式说明：电磁转矩与电源参数（Ｕ、f）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。临界转差率

sm

和最大电磁转矩Tm3.1三相异步电动机的机械特性二、参数表达式当其它参数一定时：1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。由两个表达式可见3.1三相异步电动机的机械特性二、参数表达式过载能力---过载倍数起动转矩和起动转矩倍数结论：当其它参数一定时绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。起动转矩倍数3.1三相异步电动机的机械特性三、实用表达式实际应用时，三相异步电机的参数不易得到，这样我们用前面的机械特性参数表达式就很不方便。所以,在实际工程中，若利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，这就是实用公式。3.1三相异步电动机的机械特性三、实用表达式已知电机的额定功率、额定转速、过载能力将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式。3.1三相异步电动机的机械特性3.1.2固有机械特性snn0nNsNnmsm10TNTstTmTAPBH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：APBH1.起动点A:2.最大转矩点P:3.额定运行点B4.同步运行点H3.1三相异步电动机的机械特性3.1.2固有机械特性3.1三相异步电动机的机械特性3.1.3人为机械特性从机械特性表达式上可以看出我们可以通过改变一些参数使得特性曲线更满足用户的需要,这样就得到了我们的人为机械特性曲线。1、降低定子端电压的人为机械特性由于异步电机的磁路在额定电压下已有点饱和了，故不宜再升高电压。下面只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。最大转矩及起动转矩与电压平方成正比的降低；临界转差率与电压无关，即保持不变。3.1三相异步电动机的机械特性3.1.3人为机械特性1、降低定子端电压的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTn0A0.8UN0.64Tst0.64Tm3.1三相异步电动机的机械特性3.1.3人为机械特性2、转子电路内串联对称电阻时的机械特性转子串入电阻时最大转矩不变；临界转差率成正比增大。串的电阻合适时：R2+Rs3Tst2sm2R2+Rs2Tst1sm1R2+Rs110TstTmTs

n0n1smR23.1三相异步电动机的机械特性3.1.3人为机械特性3、定子电路串联对称电抗时的机械特性定子串入电抗时，最大转矩、起动转矩及临界转差率将随串入电抗的增大而减小。10TmTsms

n0n0Tm’xstsm’3.2三相异步电动机的起动

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.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。1.起动电流大的原因

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.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.3.2.1鼠笼式异步电动机的起动1、直接起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，功率因数很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流：3.2三相异步电动机的起动直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。可以直接起动的条件：起动电流倍数3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动一般地说，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。

1、直接起动2、降压起动（1）电阻降压或电抗降压起动电动机起动过程中，在定子电路串联电阻或电抗，起动电流在电阻或电抗上将产生压降，从而降低了电动机定子绕组上的电压，起动电流也得到减小。缺点：电压降低后，起动转矩与电压的平方成正比减小；起动时能量损耗较多。优点：起动平稳、运行可靠、构造简单。3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动（2）自耦补偿起动利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流。在这里就是利用了自耦变压器有抽头可供选用，比较灵活，可以实现不同要求的降压。电动机起动电压下降为，与直接起动时电压的关系为：2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动电动机降压起动电流为，与直接起动的起动电流之间关系是：自耦变压器原边的起动电流为，与之间关系为：因此降压起动与直接起动相比，起动电流的关系为：2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动（2）自耦补偿起动自耦变压器起动时记起动转矩为，与直接起动时起动转矩之间的关系为：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。2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动（2）自耦补偿起动（3）星型--三角形起动在这里主要是利用了星—三角电压之间的关系，我们知道在星型接法中线电压是相电压的倍。注意这种方法只适用于绕组在起动的时候是星型接法，而运行的时候是三角型接法。2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动试想一下，如果起动的时候是三角型接法，这样，相电压等于线电压，每相起动电流为。而如果起动时定子绕组Y接法，每相起动电压为：每相起动电流：2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动（3）星型--三角形起动线起动电流：星型-三角形起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的，但是对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的1／3。直接起动时起动转矩为，星型-三角形起动时起动转矩为，则：2、降压起动3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动（3）星型--三角形起动起动方法绕组相电压电网提供电流绕组相电流起动转矩直接起动Ux=U1IstI

stTst电阻减压起动

(1/k)U1(1/k)Ist(1/k)I

st(1/k2)Tst自耦补偿变起动

(1/k)U1(1/k2)Ist(1/k)I

st(1/k2)TstY/

起动(1/)U1(1/3)Ist线电流(1/)I

st(1/3)Tst3.2.1鼠笼式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动一、转子回路串电阻起动

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。

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。3.2.2绕线式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动

电动机由a点开始起动，经b→c→d→e→f→g→h，完成起动过程。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，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1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,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

3.2.2绕线式异步电动机的起动3.2三相异步电动机的起动

1.

深槽式异步电动机

这种电动机是靠适当改变转子的槽形，充分利用电动机起动过程中转子导条内的“集肤效应”，以达到既改善起动性能又不降低正常运行效率的目的。集肤效应：转子槽漏磁通引起转子导条的电流集挤在导条表层的效应。深槽式转子导条中电流的集肤效应3.2.3改善三相异步电动机的起动性能3.2三相异步电动机的起动

2.

双笼型异步电动机双笼型感应电动机的转子上安装了两套笼。两个笼间由狭长的缝隙隔开，显然下笼相连的漏磁通比上笼的大得多。起动笼：上笼的笼导条较细，采用电阻率较大的黄铜或铝青铜等材料制成，电阻较大。运行笼：下笼的笼截面较大，采用电阻率较小的紫铜等材料制成，电阻较小。上笼下笼双笼型电动机转子槽型3.2.3改善三相异步电动机的起动性能3.2三相异步电动机的起动3.3.1

能耗制动异步电动机的制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动。不论是哪一种制动状态，电动机的电磁转矩方向总是与转向相反。能耗制动时定子接入直流电源产生固定磁场。能耗制动：是将转子的动能变为电能，消耗在转子电阻上（对绕线转子异步电动机包括转子串接电阻）。

感应电动机能耗制动原理图3.3三相异步电动机的制动异步电动机能耗制动时的机械特性方程式

上式说明异步电动机能耗制动时制动转矩的大小决定于等效电流I1，并与转速n、转子电阻Rr有关，当n=0时，Tem=0，特性曲线通过原点，由于是制动状态，曲线应在第二象限（逆向电动状态转入能耗制动时，特性曲线在第四象限）。耗制动时的最大转矩TmT和产生最大制动转矩时的相对转速

也称为临界相对转速机械特性曲线能耗制动时的电路图

曲线1、2是转子电阻相同

曲线2的直流励磁大于曲线1

曲线对强度比1、3是直流励磁相同

曲线3的转子电阻大于曲线1转子电阻较小时，在高速时的制动转矩就比较小

能耗制动时，电动机是直流励磁，励磁磁动势是一个恒定值

不同的转速下，转子电流是变化的，转子磁动势是个变量。这就使电动机的合成磁动势在制动过程中不是一个定值。

能耗制动过程中，电动机的主磁通是变化的，由此引起磁路饱和情况的变化，使励磁电抗不再保持为一常数，而是随着转速的变化而变化。笼型异步电动机采用增大直流励磁来增大高速时的制动转矩。

绕线转子异步电动机采取转子串接电阻的方法使得在高速时获得较大的制动转矩。必须指出3.3.2反接制动定子两相反接倒

拉

反

接感应电动机的反接制动一、定子两相反接制动

反接制动前，触头KM2闭合，KM1断开，电动机正向运转，稳定工作在固有特性上的α点

反接制动时，将触头KM2断开，KM1闭合。

制动过程结束，如要停车，则应立即切断电源，否则电动机将反向起动。3.3三相异步电动机的制动一、定子两相反接制动转差率s＞1是反接制动的特点

两相反接制动的特性就是逆向电动工作状态时机械特性在第二象限的延长部分。转差率s二、倒拉反接制动倒拉反接制动时的机械特性就是电动机工作状态时的机械特性在第四象限的延长部分。nn10TzcTem负载为一位通用性一负载，负载转矩为Tz，则电动机将稳定工作在特性的c点。此时电磁转矩方向与电动工作状态时相同，而转向与电动工作状态时相反，电动机处于制动工作状态,属于反接制动电网仍继续向电网输送功率，同时还输入机械功率（倒拉反接制动是位能负载作功，两相反接时则是转子的动能作功），这两部分功率都消耗在转子电阻上。反接制动时，能量损耗是很大二、倒拉反接制动3.3.3回馈制动

感应电动机在电动机工作状态时，由于某种原因，在转向不变的条件下，使转速n大于同步转速n1时，电动机便处于回馈制动状态转子电流的有功分量：I‘2α为负值，电磁转矩也为负值，与转向相反，说明电动机处于制动状态3.3三相异步电动机的制动转子电流的无功分量：转子电流无功分量仍为正值，说明回馈制动时，电动机仍与电动工作状态一样，从电网吸取励磁电流，建立磁场。

输入电动机的功率

为负值，即实际上电动机是向电网输出电能量，好似一台发电机。因此回馈制动也称为再生发电制动。回馈制动时电动机的机械特性是电动工作状态的机械特性在第二象限的延长部分回馈制动时，转子电路中不宜串入较大电阻如果没有电网能向感应电机供给励磁，而又希望它能发电则必须在定子绕组上并接三组电容器（可接成星形或三角形）。利用电容器向感应电机供给所需的励磁功率，这称为自励发电。回馈制动时感应电动机的相量图回馈制动时电动机的机械特性异步电动机的转速表达式为：因此，三相异步电动机的调速方法可以分成以下几种类型：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电源的频率f1,以改变n1进行调速，称为变频调速。（3）改变电动机的转差率；

改变定子绕组的端电压；

改变定子绕组的外加电阻或电抗；

转子回路加电阻或电抗；

转子回路引进f＝sf的外加电势3.4三相异步电动机的调速3.4.1变极调速在电源频率f1不变的条件下，改变发电机的极数，电动机的同步转还n1就会发生变化，电动机的极数增加一倍，同步转速就降低一半，电动机的转速也几乎下降一半，从而得到转速的调节。改变电动机的极数方法：定子铁心槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组不经济改变定子绕组的接法这种电动机就称为多速电动机常用变极调速原理：多速电动机均采用笼型转子，转子的极数能自动地与定子极数相适应。3.4三相异步电动机的调速2p=42p=22p=2三相绕组中的一相绕组的示意图两个半绕组顺向串联串联反接并联反接反向法：仅在每相内部改变所属线圈的联接方法的变极法。

一般变极时均采用这种方法。多极电动机定子绕组的接线方式最常用的两种绕组从单星形（每相只有一条支路）改接成双星形（每相有两条支路）写作Y/YY三角形改接成双星形，写作△/YY改接前后输出功率之比Y/YY接法

适用于恒转矩负载△/YY适用于恒功率负载恒转矩调速的机械特性曲线恒功率调速的机械特性曲线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.

3.4.2变频调速在变频调速时，一般使磁通保持不变。所以，必须为定值，即必须与成正比地变化。3.4三相异步电动机的调速恒转矩变频调速：电动机的最大转矩为：频率变化前后的额定转矩之比为：为使频率变化前后电动机具有同样的过载能力，即。则应按下列规律来调节定子电压：对于恒转矩调速，。则：由此可见，恒转矩变频调速时，如能保持，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通基本不变。由此可见，恒功率变频调速时，如能保持，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，但此时磁通发生变化。恒功率变频调速：为使频率变化前后电动机具有同样的过载能力，即。则应按下列规律来调节定子电压：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下列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。改变电源频率时，异步电动机的人为机械特性：变频调速笼型异步电动机功率的选择额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。（一）基频以下调速段为使磁通保持不变，必须为定值，即必须与成正比地变化。电动机的输出功率为：假设在不同频率下，与均保持不变，则如忽略定子损耗，则电磁功率

与输入功率相等，则变频调速笼型异步电动机功率的选择（一）基频以下调速段充分利用：电动机在不同转速下都能保持电流为额定电流。

所以，调速段电动机的容许输出转矩为恒值----恒转矩调速。变频调速笼型异步电动机功率的选择（二）基频以上调速段假设在不同频率下，与均保持不变，则如忽略定子损耗，则电磁功率

与输入功率相等，则由于电动机定子电压是不能超过额定电压的，所以当时，。所以，须随增大而减小，类似于弱磁调速。变频调速笼型异步电动机功率的选择

所以，调速段电动机的容许输出功率为恒值----恒功率调速。（二）基频以上调速段基频以上调速，恒功率调速区基频以下调速，恒转矩调速区转子电路串联电阻调速Tst2sm2R2+Rs2Tst1sm1R2+Rs110TstTmTs

n0n1smR2如图所示：所串电阻越大，转速越低。（拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即Tz=TN

）

3.4.3改变转差率调速3.4三相异步电动机的调速转子电路串联电阻调速当电源电压一定时，主磁通Φm基本上是定值，转子电流I2维持在它的额定值工作。转子电路串联电阻调速当电机转子回路串了电阻后，转子回路的功率因数为：恒转矩调速转子电路串联电阻调速该种调速方法的经济性能：可见，当转速降低，即s增大时，效率下降，转子损耗功率增高，所以经济性不好。如忽略机械损耗，输出功率为：转子损耗功率为：调速时转子电路效率为：

改变电动机的电压时，机械特性为调压调速

调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势同步频率的附加电动势。通过改变的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。

串级调速是绕线转子感应电动机的转子电路中引入一个附加电动势Ef来调节电动机的转速，它是一种改变转差率s进行调速的方法附加电动势的方向不同，调速的结果也不同。电动机的一般运行条件下，因为转差率s很小，，可以认为转子电流，即电流与同相。一、附加电动势与同相未加入附加电动势时，转子电流引入附加电动势的瞬间，转子电流

转子电流增加了，同时电磁转矩Tem也相应增大，使电动机加速，转差率s变小，合成电动势