电机及拖动基础 第5版 课件 第五章三相异步电动机的电力拖动

第五章三相异步电动机的电力拖动

前一章分析异步电动机的基本电磁关系，是与电磁关系相似的变压器对比，运用基本方程式、等效电路和相量图的三大分析方法。

第五章三相异步电动机的电力拖动

本章将分析由异步电动机和生产机械组成的电力拖动系统的运行性能，即异步电动机拖动生产机械作起动、制动和调速等各种状态运转时的性能。

而在分析异步电动机的电力拖动时，是与直流电动机对比，运用机械特性和基本方程对起动、制动和调速分析其原理和进行相关计算，得出各种运行状态时的不同的性能特点。第一节三相异步电动机的电磁转矩表达式

描述电力拖动系统各种运行状态的有效工具是机械特性。而异步电动机的机械特性是由电磁转矩和转差率的关系特性演化而来的。因此首先研究与之相关的异步电动机的各种电磁转矩表达式。一、电磁转矩的物理表达式

由相关公式可推得：异步电动机的电磁转矩T与主磁通、转子电流的有功分量成正比，与主磁通成正比，物理意义非常明确，所以称为电磁转矩的物理表达式。它常用来定性分析三相异步电动机的运行问题。转矩常数例5-1为何在农村用电高峰期间，作为动力设备的三相异步电动机易烧毁？解

电动机的烧毁是指绕组过电流严重，绕组的绝缘因过热损坏，造成绕组短路等故障。由于用电高峰期间，水泵、打稻机等农用机械用量大，用电量增加很多，电网线路电流增大大，线路压降增大，使电源电压下降较多，这样影响到农用电动机，使其主磁通大为下降，在同样的负载转矩下，由电磁转矩的物理表达式可知转子电流大为增加，尽管主磁通下降，空载电流会下降，但它下降的程度远为转子电流增加的程度大，根据磁通势平衡方程式，定子电流也将大为增加，长期超过额定值就会发生“烧机”现象。二、电磁转矩的参数表达式由相关公式可推得：

上式反映了三相异步电动机的电磁转矩T与电源相电压U1、频率f1、电动机的的参数(r1

、r’2、X1、X’2、p及m1)以及转差率s之间的关系，称为参数表达式。

当U1、f1及电动机的参数不变时，电磁转矩T仅与转差率s有关，对应于不同s的值，有不同的T值，将这些数据绘成曲线，就是T=f(s)曲线，也称T-s曲线。三相异步电动机的T-s曲线(1)电动状态(0<s<1)

s=0时，T=0当s

，s

0区间，T

s

当s继续

至s

1区间，T1/s

最大转矩点最大转矩倍数过载能力一般：2.0～2.2

起动时，s=1，代入公式：起动转矩起动转矩倍数一般：1.8～2.0临界转差率最大转矩三相异步电动机的T-s曲线(2)发电状态(s<0)(3)制动状态(s>1)转子受外力拖动，n↑→n

>n1→s<0，T<0，T为制动转矩曲线与电动状态关于原点对称当n1与n转向相反时，s>1转子反向对应的T-s曲线是电动状态T-s曲线的延伸

产生的T与n转向相反，起制动作用，此时电机处于制动状态

例5-2

一台三相Y联结的绕线转子异步电动机，其UN=380V，fN=50Hz，nN=950r/min，参数r1=r’2=1.4

，X1=3.12

，X’2=4.25

，不计T0，试求：

1)额定转矩TN；2)临界转差率、最大转矩及过载能力；

3)欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值(折算到定子侧)。解

由nN=950r/min，则对应的n1=1000r/min

1)额定转矩略T0，以sN=0.05代入参数表达式，得额定负载时的电磁转矩T=TN

2)临界转差率、最大转矩及过载能力

临界转差率最大转矩过载能力3)欲使起动时产生最大转矩，在转子回路所串电阻值（折算到定子侧)据题意得三、电磁转矩的实用表达式

在实际中用参数表达计算T，需电动机的内部参数，比较麻烦。因此推导出电磁转矩的实用表达式为电机手册和产品目录中的PN、nN、

m等值来计算

以上三种异步电动机的电磁转矩表达式，应用场合有所不相同。一般物理表达式适用于定性分析T与

1及I’2cos

2间的关系；参数表达式可分析参数的变化对电动机运行性能的影响；实用表达式适用于工程计算。Tmax=

mTN=9.55mPN

/nN

式中实际使用时，先根据巳知数据计算出Tmax和sm，再把它们代入实用表达式，取不同的s值即可得到不同的T值了。第二节三相异步电动机的机械特性

我们常用机械特性n=f(T)曲线来分析拖动系统中电动机的电力拖动问题，它与T-s曲线的变换关系如下：

T-

s曲线变换为n-T曲线

一、固有机械特性

指三相异步电动机工作在UN和fN下，由电动机本身固有的参数所决定的机械特性。在正常工作情况下,与直流他励电动机一样固有机械特性是硬特性。最大转矩点起动点同步点第二节三相异步电动机的机械特性

二、人为机械特性

在分析电动机拖动系统的运行时，常利用人为机械来进行分析。由机械特性的参数表达式可知，人为地改变异步电动机的任何一个参数(U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗等)，都可以得到各不相同的机械特性。这些机械特性统称为：人为机械特性。定性讨论几种人为机械特性的特点。注意：定性画人为机械特性时，只要先定性画出固有机械特性，然后抓住人为机械特性的同步点、最大转矩点、起动点与固有机械特性比较有何变化，最终通过这三个特殊点，定性画出人为机械特性。

二、人为机械特性

Tmax↓

U12↓降压人为机械特性2）最大转矩点

nm=n1(1－sm)不变

3）起动点Tst↓

U12↓端电压U1↓

，n↓；电动机的起动转矩Tst和过载能力(

’m=T’max/TN)都显著地下降了，这在实际应用中必须注意。1）同步点若U1↓太多，使T’’max<TL，电动机将停转。

1．降低定子端电压的人为机械特性

n1不变

二、人为机械特性

２．转子回路串对称电阻的人为机械特性

1）同步点n1不变Tmax大小不变2）最大转矩点↑，nm↓

转子回路串电阻人为机械特性3）起动点Ｒp’↑

，Tst↑绕线转子异步电动机转子回路串电阻，可以改变转速而用于调速，也可以改变起动转矩，从而改善异步电动机的起动性能。当s’m>1后，Tst随Rp↑，反而减小

三、三相异步电动机的稳定运行区域

三相异步电动机的稳定运行区域最大转矩点到起动点,n=f(T)曲线是上斜的曲线，对恒转矩负载和恒功率负载，不能稳定运行。由电力拖动系统稳定运行的必要和充分条件，下斜的机械特性与恒转矩、恒功率、通风机型负载，都可稳定运行。从理想空载点即同步点到最大转矩点，n=f(T)曲线是下斜特性。不能稳定运行能稳定运行第三节三相异步电动机的起动一、概述

与直流电动机一样，我们希望在起动电流较小的情况下能获得较大的起动转矩。但实际情况是，加全压：

起动时，n=0,s=1，等效电路中的附加电阻(1-s)r’2/s=0，相当于电路短路，所以：

起动电流大：Ist=(5~7)

IN。起动转矩并不很大，

Tst=(1.8~2)TN。而Ist大，IstZ1↑，E1↓，

Φ1↓；另s=1，X2s=X2最大，cos

2↓，由Tst=CT

1I’2cos

2,得到Tst并不是很大第三节三相异步电动机的起动一、概述

三相异步电动机起动时的起动电流大主要是对电网不利，起动转矩并不很大主要是对负载不利。前者引起电网电压下降，并影响并联在同一电网上的其它负载正常工作。后者是起动转矩按电压平方下降，可能会使电动机带不动负载起动。不同类型的机械负载，不同容量的电网，对电动机起动性能的要求是不同的。有时要求有较大的起动转矩，有时要求限制起动电流，但更多的情况两个要求须同时满足。总之，一般情况下起动要求是尽可能限制起动电流，有足够大的起动转矩，同时起动设备尽可能简单经济、操作方便，且起动时间要短。二、三相笼型异步电动机的起动

1．全压起动

利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，又称全压起动。优点：起动设备和操作最简单。缺点：起动电流大、起动转矩不很大。容量较大时满足：采用全压起动小容量的笼型异步电动机，常采用全压起动。

不满足上述经验公式，说明电动机起动电流太大，对电网不利，则采用减压起动。例5-3一台20kW电动机，起动电流与额定电流之比为6.5，其电源变压器容量为560kVA,能否全压起动？另有一台75kW电动机，其Ist/IN=7，能否全压起动？

解

对20kW的电动机

根据经验公式

该机的全压起动电流倍数小于电网允许的起动电流倍数，所以允许全压起动。对75kW的电动机

根据经验公式

该电动机的全压起动电流倍数大于电网允许的起动电流倍数，所以不允许全压起动。可采用减压起动。二、三相笼型异步电动机的起动2．减压起动

减压起动时并不能降低电源电压，只是采用某种方法使加在电动机定子绕组上的电压降低。减压起动的目的是减小起动电流，但同时使电动机起动转矩减小(T

U12)。所以这种起动方法是对电网有利的，对负载不利。对于某些机械负载在起动时要求带满负载起动，就不能用这种方法起动，但对于起动转矩要求不高的设备，这种方法是适用的。常用的方法

定子串电阻或电抗减压起动

自耦变压器减压起动星/三角(Y/

)减压起动

2．减压起动

(1)定子串电阻或电抗减压起动

电动机起动时，在定子电路中串入电阻或电抗，起动完毕切除。串入的电阻或电抗起分压作用，定子绕组上的U’1

<UN

，此时I’st<全压起动时的Ist。调节所串电阻或电抗的大小，可以得到电网所允许通过的起动电流。

优点：起动较平稳，运行可靠，设备简单。缺点：T’st↓

U12↓只适合空、轻载起动笼型异步电动机定子串电阻减压起动

k=UN

/U‘1

>12．减压起动(2)自耦变压器减压起动

笼型异步电动机自耦变压器减压起动起动时，自耦变压器的高压侧接至电网，低压侧(有抽头，按需要选择)接电动机定子绕组。起动完毕，切除自耦变压器。

k=N1/N2=UN

/U‘1

>1优点：1）如果电网限制的起动电流相同时，用自耦变压器减压起动将获得较大的起动转矩。2）起动自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，用户可根据电网允许的起动电流和机械负载所需的起动转矩进行选配。有73%、64%、55%（即1/k=0.73、0.64、0.55)或：80%、60%、40%（即1/k=0.80、0.60、0.40)。2．减压起动(2)自耦变压器减压起动

缺点：采用自耦变压器减压起动时的线路较复杂，设备价格较高，不允许频繁起动。2．减压起动(3)星/三角(Y/

)减压起动适用于正常工作时是Δ联结的三相异步电动机。起动时Y联结，每相电压自然降为1/Y/

起动线路图

Y—

起动原理图

限流效果好；但起动转矩也跌得厉害，为原来的1/3。因此只适于空载和轻载起动。例5-5

某厂的电源容量为560kVA，一皮带运输机采用三相笼型异步电动机拖动，其技术数据为，PN=40kW，

联结，全压起动电流为额定电流的7倍，起动转矩为额定转矩的1.8倍，，要求带0.8TN的负载起动，试问应采用什么方法起动？解由题意，Ist/IN=7，Tst/TN=1.81)试用全压起动由经验公式因电网容许的起动电流倍数<全压起动电流倍数，故不能全压起动。2)试用电抗器减压起动起动电流需降低的倍数串电抗器后的起动转矩可见起动转矩无法满足要求，故不能采用串电抗器起动。3)试用Y—

减压起动

因电动机正常运行时是

联结，可以讨论此问题。

虽起动电流<电网容许值，但起动转矩不符合要求，不能采用。4)试用自耦变压器减压起动即取标准抽头：0.73

从此例我们用具体的数据证实了在减压起动的相同限流条件下，采用自耦变压器减压起动的起动转矩较大。3.软起动

笼型异步电动机的软起动是区别于传统减压起动方式的一种新型的起动方式，它使电动机的输入电压从零伏或低电压开始，按预先设置的方式逐步上升，直到全电压结束。

软起动依赖于串接在电源和电动机之间的软起动器，并以接触器接线相配合。

软起动优点：无冲击电流，恒流起动，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流；可重载起动。软起动接线示意图三、三相绕线转子异步电动机的起动

对于需要大、中容量电动机带动重载起动的生产机械或者需要频繁起动的电力拖系统，不仅要限制起动电流而且还要足够大的起动转矩。这就需要用三相绕线转子异步电动机转子串电阻或串频敏变阻器来改善起动性能。三、三相绕线转子异步电动机的起动转子串电阻三级起动图转子串电阻三级起动特性

1．转子串电阻起动起动时，转子串入全部电阻，(r2+Rst)↑，Ist↓，Tst↑。常用分级切除电阻(称分级起动)，使起动较平稳。切换转矩

最大起动转矩

负载转矩

如三级起动起动过程：a

b

c

d

e

f

g最后将稳定运行于固有机械特性的h点。可见串电阻起动，在逐级切除电阻的瞬时，转矩从Tst2跃至Tst1，使起动不够平稳。当不需频繁起动或调速时，可用频敏变阻器起动。三、三相绕线转子异步电动机的起动2.转子串频敏变阻器起动

30～50mm厚钢片叠压成铁心，铁损大起动时，s=1即f2=f1最高，频敏变阻器铁耗pFem最大，对应的等效电阻Rmp也很大。使Ist↓

，Tst↑，获得较好的起动性能。随着n↑，s↓，f2↓

,因pFem

f2↓，Rmp↓(这时sXmp也↓)，即随n↑，自动且连续地减小起动电阻值。当转速接近额定值时，sN很小即f2极低，所以Rmp及sXmp都很小，相当于将起动阻抗全部切除。P52时间原则控制频敏变阻器三、三相绕线转子异步电动机的起动

可见，绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器起动，具有转子串电阻起动即减小起动电流又增大起动转矩的优点，同时还具有等效起动电阻随转速升高自动且连续地减小的优点，所以起动的平滑性优于转子串电阻分级起动。注意：无论是绕线转子串电阻起动还是串频敏变阻器起动，起动快完毕时，都应把电刷提起且将三只集电环短接，以减小运行中的电刷摩擦损耗，使电动机运行于固有特性上。

当电动机停止运行时，应把电刷重新放下，且把起动电阻全部接入或频敏变阻器接入，以便下次起动时用。

第四节三相异步电动机的制动制动目的：快速停车、反向或限速

制动特点：产生一个与电动机转向相反的电磁转矩(Ⅱ、Ⅳ象限)制动要求：限制制动电流，产生较大制动转矩制动方法：能耗制动、反接制动、再生制动电动状态下的异步电动机

电动状态：T、n同方向，Ⅰ、Ⅲ象限电动状态P1

Pem=m1I’22r’2/s>0P2

Pm=TΩ

>0s=0～1吸收电功率，输出机械功率一、能耗制动断开交流接通直流转子在惯性作用下旋转，切割静止磁场，转子导体感应电动势→电流→电磁力→制动转矩→n↓迅速

。把转子的动能转化为电能消耗在转子回路电阻上，能量耗尽，系统停车——能耗制动制动电阻Rbk

作用限制制动电流，增大制动转矩异步电动机的能耗制动

三相异步电动机的能耗制动，制动平稳，能准确快速地停车；电机不从电网吸取交流电能，比较经济。

能耗制动机械特性二、反接制动

1．电源反接制动(反接正转)电源反接制动任意对调两相

n1<0，n>0，s>1(II象限)E2、sE2、I2及T都与电动状态时相反，即T起制动作用。制动过程:a→b’

→

n↓快速至0

瞬时，T≠0，若不切除电源，电机将反向起动。制动电阻Rbk

作用:限制制动电流，增大制动转矩(T’b>Tb)电机即从电网吸取电能，又从轴上吸取机械能，经济性较差。但制动效果优于能耗制动（n=0,T≠0)P1

Pem=m1I’22r’2/s>0P2

Pm=TΩ<0(1)原理和机特2．倒拉反接制动(正接反转)

n1>0，n<0，s>1(IV象限)(1)原理和机特过程：a→b→n↓至0

，Tc<TL，在重物G的作用下，迫使电机反T的方向旋转，进入倒拉反接制动，并在重物下放的方向加速,至T

↑=TL，以nd稳定下放重物。倒拉反接制动转子回路串入大电阻Rbk，对应的人为机特与位能性恒转矩负载特性的交点落在IV象限。保持电动接线

适用于低速匀速下放重物P1>0P2<0都转化为转子回路的铜耗，经济性差。(2)制动电阻Rbk的计算

根据相关公式可推得：在同一转矩下条件，固有机械特性和人为机械特性的转子回路总电阻与转差率间的关系式:转子串电阻的人为机特上的转差率，与固有机特上的sg对应相同的转矩T固有机特上对应任意给定转矩T的转差率，sg=sN(T/TN)得：计算Rbk公式其中若转子每相电阻r2未知，可用r2=sNE2N/(I2N)计算。2．倒拉反接制动(正接反转)2．倒拉反接制动(正接反转)

(2)制动问题计算利用同一转矩下转子电阻与转差率的关系式，进行有关制动问题计算时有两种情况：巳知下放转速n，求需串入的制动电阻Rbk

下放重物转速为负代入求s，s必大于1。2)巳知串入的制动电阻Rbk，求下放转速n

当求出s后，用n=n1(1－s)计算n时，注意n1>0。

例5-5一桥式吊车的主钩电动机采用某8级三相绕线转子异步电动机传动。从产品目录中查得该电动机的有关数据如下：PN=22kW，UN=380V，nN=723r/min，IN=56.5A，E2N=197V，I2N=70.5A。该电动机负载为额定值，不计T0，试求：

1)电动机欲以300r/min下放重物，转子每相应串入的电阻值。

2)当转子接入电阻为9r2，电动机对应的转速，运行在何状态？

3)当转子接入电阻为Rbk=49r2，电动机对应的转速，运行在何状？解根据题意，得按题意工作点在图中曲线2上T=TN的a点，它的转差率为1)电动机以300r/min下放重物，转子每相串入的电阻值(倒拉反接制动状态)与曲线2上a点同转矩的对应点是固有曲线1上的T=TN，s=sN的a’点故串入电阻值例5-5附图

2)当9r2时电动机对应的转速，运行状态对应T=TN的串入9r2工作点的转差率和转速分别为(电动状态)3)当Rbk=49r2时电动机对应的转速,运行状态(倒拉反接状态)三、再生制动(回馈制动)

1．反向再生制动n1<0，n<0，s<0(IV象限)两相对调

适用于将重物高速稳定下放(1)原理和机特电机反向起动后电动加速(T<0,n<0),当加速到等于同步速－n1时，虽T=0，但重力转矩的作用，使电动机继续加速至高于同步速()IV象限，s<0，sE2反向，T反向，进入反向再生制动状态(T>0，n<0),最终以na高速稳定下放重物。反向再生制动反向再生制动运行状态下放重物时，转子回路所串电阻越大，下放速度越高,一般会切除电阻。三、再生制动(回馈制动)由于再生制动时s<0，使P1

Pem=m1I’22r’2/s<0，P2

Pm=TΩ<0，说明电动机从轴上吸取机械能转变为电能，反馈回电网，经济性较好。但它的下放重物的安全性较差。三、再生制动(回馈制动)2．正向再生制动（II象限n1>0，n>0，n>n1，s<0)这种制动发生在变极或电源频率下降较多的降速过程

正向再生制动机械特性如果原来电动机稳定运行于a点，当突然换接到倍极数运行(或频率突然降低很多)时，则特性突变为曲线2，因n=na不能突变，工作点突变为b点。因nb>n’1，进入回馈制动，在T及TL的共同制动下系统开始减速，从b点到n’1的降速过程中都是s<0，所以是再生制动过程。从n’1至c点，是电动降速过程。

第五节三相异步电动机的调速可得三相异步电动机调速方法：

改变电机极对数改变电源频率

改变转差率

改变定子电压改变转子电阻转子串转差电动势电源频率恒定改变磁场极对数p同步转速n1改变。转子转速n跟随改变只适用于笼型电动机，因为笼型转子绕组的极对数是感应产生的，随定子磁场极对数改变而自动改变，使两磁场极对数保持一致，从而形成有效的平均电磁转矩。一、笼型异步电动机的变极调速

改变绕组连接

改变电流方向

改变极对数

一、笼型异步电动机的变极调速

1．变极原理

三相笼型异步电动机变极时一相绕组的接法设定子每相绕组都由两个完全对称的“半相绕组”所组成

一、笼型异步电动机的变极调速

2．两种常用的变极方案

变极同时，任两相出线端对调，保证电动机的转向不变。适用于电梯、传输带类恒转矩负载调速适用于车床切削等恒功率负载调速三相笼型异步电动机常用的两种变极接线每相顺串，再Y联结每相反并每相顺串，再Δ联结Y联结等效YY等效YY每相反并Y联结一、笼型异步电动机的变极调速

变极调速具有操作简单、成本低、效率高、机械特性硬等优点，而且还有采用不同的接线方式既可适用于恒转矩调速也可适用于恒功率调速。但是，它是一种有级调速而且只能是有限的几档速度，因而适用于对调速要求不高且不需要平滑调速的场合。二、

变频调速U1≈E1=4.44f1N1kN1Φ1

结果：铁心严重饱和,

I0急剧增大，其后果是导致功率因数降低、损耗增加，效率降低，从而使电动机的负载能力变小。

改变电源频率，可以平滑调节同步速n1，从而使电动机获得平滑调速。由1．变频与调压的配合

若f↓,U1不变,Φ1↑基频以下调速

基频以上调速

变频时Φ1保持不变

U1≯UN

f↑,Φ1↓二、变频调速2．变频调速时的机械特性三相异步电动机变频调速机械特性

基频以下时,U/f=常数同步点n1

f1

最大转矩点

起动转矩点

Tst1/f1基频以上时Tmax↓，Tst↓二、

变频调速

变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调速范围宽广，只要控制端电压随频率变化的规律，可以适应不同负载特性的要求。是异步电动机尤为笼型电动机调速的发展方向，随着电力电子技术、计算机控制技术的发展，使变频调速得到了广泛应用的保证（变频器实现）。三、绕线转子异步电动机转子串电阻调速

绕线转子异步电动机转子串电阻后同步速不变，最大转矩不变，但临界转差率增大，机械特性运行段的斜率变大。在同一负载转矩下所串电阻值越大，转速越低。

绕线转子串电阻的机械特性调速过程：设电动机原来运行于固有机械特性的a点，串入Rp1后，I’2↓，T↓，T<TL，n↓，s↑，sE2↑,I’2和T↑至T=TL时，电动机达到新的平衡状态，并在比na低的新转速nb下稳定运行。计算：（恒转矩负载）

例5-6一台绕线转子异步电动机，转子每相电阻为0.16

，在额定负载时，转子电流为50A，转速为1440r/min，效率为85%。现保持负载转矩不变，将转速降低到1050r/min，求:1)转子每相应串入电阻值；

2)降速后的效率。解

1)转子每相应串入电阻值

因调速前后的稳定运行时额定转矩不变，同步速不变，所以电磁功率不变，转子电流不变，定子电流也不变，则输入电功率不变，输出机械功率与转速成正比，因此降速后的效率为：

2)降速后的效率

三、绕线转子异步电动机转子串电阻调速优点：调速方法简单方便，初投资少，容易实现，而且其调速电Rp还可以兼作起动与制动电阻使用。在起重机械的拖动系统中得到应用。缺点：调速的平滑性差；机特软，调速范围不大；空、轻载时调速不明显；由于转差功率sPem是转子回路的总铜耗，低速时，转差率大，则sPem大，效率

低(

=P2/P1=T2

/P1

n)而发热严重。四、绕线转子异步电动机的串级调速

为了改