《电机原理与维修》课件第14章

第14章三相异步电动机的启动、调速和异常运行14.1三相异步电动机的启动14.2鼠笼式异步电动机的启动14.3绕线式异步电动机的启动14.4深槽式和双笼式异步电动机14.5三相异步电动机的调速14.6三相异步电动机的异常运行14.7三相异步电动机的常见故障及处理方法习题14.1三相异步电动机的启动14.1.1启动性能及指标异步电动机的启动性能主要有以下几个方面：

(1)启动时启动电流要小。

(2)启动时启动转矩要足够大。

(3)启动过程时间要短。

(4)启动设备简单，操作方便，易维护。

(5)启动时消耗的能量要少。其中衡量电动机启动性能最主要的指标是启动电流的倍数Ist/IN和启动转矩的倍数Tst/TN。14.1.2启动电流和启动转矩

1.启动电流如果在额定电压下直接启动电动机，在刚接通电源的瞬间，此时转子不动(即n=0，s=1)，定子的旋转磁场与转子绕组相对转速最大，转子绕组将以最大的速度切割磁力线，转子绕组中将产生很大的电动势和电流，根据磁动势平衡方程式可知，定子电流即启动电流也将达到最大值，三相异步电动机的启动电流一般可达额定电流的4～7倍。启动电流的大小是

(14-1)较大的启动电流是十分有害的，对频繁启动的电动机来说，会引起电动机过热而温升较高，使电动机绝缘材料老化，使用寿命减少。对供电变压器来说，当变压器容量有限，输电距离较长时，大的启动电流将造成变压器输出电压下降，并且会影响到同一供电线路上的其他设备的正常工作。例如，在电动机启动瞬间，照明灯会变暗，数控机床会失控等。

2.启动转矩在额定电压下启动的电动机，因为启动电流很大，使转子的漏抗值增大，转子回路的功率因数cosφ2很低，大的启动电流又造成电源电压下降很多，使电动机的主磁通Φm减小，根据电磁转矩的物理表达式可知，启动转矩并不是很大。由三相异步电动机的机械特性分析可知，电动机要想带动负载转动起来，最主要的是启动转矩必须大于负载转矩。只有在Tst≥1.1TN的条件下，电动机才能正常启动，若电动机是空载和轻载启动，启动转矩是足够大的，可以顺利启动。若电动机带的负载较重时，则有可能启动不了。前面已经讲过启动转矩的大小是

(14-2)异步电动机启动时，在满足启动转矩的条件下，应尽量减小启动电流。由式(14-1)和式(14-2)看出，降低启动电流的方法有三种:一是降低电源电压；二是增加定子回路电阻或电抗值；三是增加转子回路电阻或电抗值。加大启动转矩的方法是适当增加转子电阻。14.2鼠笼式异步电动机的启动14.2.1直接启动直接启动就是利用闸刀开关或交流接触器将电动机直接接入电网使其在额定电压下启动，如图14-1电路所示。这种启动方法最简单，无需专用启动设备，投资小，操作方便，启动时间短。但启动电流大，启动转矩小，直接启动时对电网造成冲击，引起电压波动，一般只适用于小容量电动机(7.5kW以下)的启动。对较大容量的电动机，在电源容量较大的情况下，可参考以下经验公式确定能否直接启动：

(14-3)

图14-1直接启动接线图14.2.2降压启动降压启动的主要目的是为了限制启动电流，但同时由于T∝，降压启动的同时会使电动机的启动转矩减小，因此，这种方法只适用于轻载或空载情况下启动。常用的降压启动方法有下列几种：

1.定子电路中串电阻(或电抗器)启动这种启动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相对称变阻器，其启动线路如图14-2所示。启动时，先合上S1，流过变阻器上的电流在变阻器上产生压降，此时加在电动机定子绕组上的电压Ust低于电网电压U1N，这样电动机进入降压启动过程。调节变阻器的大小，可以得到允许的启动电流。当电动机的转速接近额定转速时，再将S2合上，变阻器被短接，使电动机全压运行。图14-2定子回路串电阻启动接线图直接启动时的启动电流和启动转矩分别用Ist和Tst表示，且令

(14-4)则降压后的启动电流为

(14-5)因为T∝则降压后的启动转矩为

(14-6)以上可以看出，尽管启动电流减少了，但启动转矩下降得更多。一般在降压启动时，Ist约为(2～2.5)IN，在电阻上消耗的能量较多，不宜经常启动。串联电抗器启动，可以减少能量消耗，但设备费用较高。图14-3Y-△启动接线图

2.Y-△启动这种方法只适用于正常运转时定子绕组采用三角形连接的电动机。启动时，先将定子绕组接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的，从而降低了启动电流，待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。Y-△启动线路如图14-3所示。启动时，把电源开关S闭合，控制电路先使得S2闭合，电动机绕组接成星形启动，其每相绕组上承受启动线路的电压比正常接法时下降了。当电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制S1闭合，S2断开，于是定子绕组换成三角形接法，使电动机全压运行。设电源电压为U1，定子绕组每相阻抗为Z，采用三角形连接直接启动时每相绕组的相电流为U1/Z，则三角形直接启动时的启动电流(线电流)为

(14-7)当采用连接Y直接启动时的启动电流(线电流)为

(14-8)IstY与Ist△相比，可得

(14-9)由于T∝U2，则

(14-10)由此可见，采用Y-△降压启动时，启动电流和启动转矩都下降到直接启动的1/3。

Y-△启动的优点是启动设备简单，价格低，操作方便，启动过程能量损失小。目前得到广泛应用，国产Y系列容量在4～100kW的电动机均设计成△连接，均可采用Y-△启动。但是这种启动方法的启动转矩低，所以只适合轻载和空载启动。

3.自耦变压器(启动补偿器)启动对容量较大或正常运行时作Y连接的电动机，可利用自耦变压器降压启动。其启动接线图如图14-4所示，自耦变压器的高压侧接到电网上，低压侧接到电动机上。启动时，先闭合S，再把S2和S3闭合，这时，自耦变压器降低电源电压，使电动机降压启动，从而减小启动电流。待电动机的转速上升到接近额定速度时，把S2和S3断开，将S1闭合，从而短接自耦变压器，使电动机全压运行。图14-4自耦变压器降压启动接线图若电动机直接启动时的启动电流和启动转矩分别为Ist和Tst，k为自耦变压器的变压比(k=U1/U2)。经自耦变压器降压后，加在电动机上的电压为U2(U1／k)，则降压时电动机的启动电流(变压器的Ist2)和启动转矩Tst2为

(14-11)

(14-12)此时自耦变压器原边侧的电流为I1，即电网提供的启动电流Ist1为

(14-13)可见，电网提供的启动电流比流过电动机的电流还要小，实际上电动机的启动电流和启动转矩都为直接启动时的1/k2。为了满足电网容量和负载转矩的要求，一般自耦变压器备有几个抽头，以便选择不同电压。如QJ2型的抽头比(U2/U1)为55%、64%、73%；QJ3型的抽头比为40%、60%、80%。自耦变压器降压启动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，适用于启动较大容量的电动机。其缺点是启动设备体积大、费用高，不宜频繁启动。14.3绕线式异步电动机的启动绕线式三相异步电动机的转子绕组是三相对称绕组，转子回路能够和外电路的电阻相连接，由式(14-2)可以看出，在启动时，如果外串的电阻大小合适，即，可以做到T=Tmax，启动转矩可能达到最大值。同时，由于转子回路电阻增大，从而限制了启动电流，提高了启动时的功率因数。并非外串电阻越大越好，如果外串的电阻太大，启动转矩反而减小，机械特性变软。由于鼠笼式异步电动机的转子电阻是固定的，参数不能改变，因此鼠笼式电动机不能采用此种启动方法。14.3.1转子回路串入变阻器启动这种方法是在绕线式电动机的转子回路中串入一组可以调节的启动变阻器，如图14-5所示。为了在整个启动过程中得到比较大的启动转矩，使启动过程转速上升平滑，启动电阻也分成几级，形成不同的人为机械特性，启动过程中逐步切除启动电阻。其中曲线1、2、3是串入不同电阻时的人为机械特性，曲线4是固有机械特性。图14-5绕线式转子串电阻分级启动(a)接线图；(b)机械特性启动时，S1闭合，全部电阻串入转子回路，电动机开始沿曲线1加速，启动点在a点，启动转矩为T1。随着转速上升，工作点运行到b点，启动转矩减小到T2时，S2闭合，切除启动电阻rst3，启动转矩又增大到T1，由于转速来不及改变，电动机的工作点由曲线1的b点移至曲线2的c点，使电动机进一步加速，工作点沿曲线2加速到d点，依次闭合S3、S4，电阻rst2、rst1也依次被切除，工作点从d→e→f→g→h，电动机最后稳定运行在固有机械特性上，电磁转矩与负载转矩平衡，启动过程结束。在整个启动过程中，电动机的启动转矩始终保持在最大启动转矩T1和最小启动转矩T2之间，以获得较大的启动加速度。一般取T1=(0.7～0.85)Tmax、T2=(1.1～1.2)TN。这种启动方法既减小了启动电流，又增大了启动转矩，启动性能好，它允许电动机在重载下启动，如起重机、卷扬机等都可采用。缺点是需要的启动设备复杂，操作维护不方便。14.3.2转子回路串入频敏变阻器启动绕线式电动机还可以采用转子串频敏变阻器进行启动，频敏变阻器实际上就是一个铁耗很大的三相电抗器，它的铁芯用厚30～50mm的钢板叠成，使铁芯损耗增大，三相绕组分别绕在三个铁芯柱上，并接成星形，然后接到转子滑环上。其启动电路图如14-6(a)所示。图14-6转子回路串频敏变阻器启动(a)接线图；(b)频敏变阻器等效电路；(c)机械特性启动时，由于转差很大，使转子频率较高(f2=f1)，在其等效电路图14-6(b)中，频敏变阻器铁耗及其等效电阻rm的大小与频率的平方成正比，此时，rm最大，相当于转子回路串电阻启动，限制了启动电流，又增大了启动转矩。随着转速上升，转子频率逐步下降，等效电阻rm也随之自动减小，因为频敏变阻器本身具有阻值随转子频率变化的特性。启动结束后，转差很小，转子频率很低，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，这时，S1闭合，将频敏变阻器切除。在整个启动过程中，频敏变阻器随着频率的变化能够自动、无级地减小阻值，只要rm和xm大小选择合适，电动机在启动过程中，可以保持较大的启动转矩，获得近似恒转矩的特性，其机械特性如图14-6(c)所示，其中曲线2为转子串频敏变阻器的特性，曲线1为固有机械特性。由于存在xm，电动机的最大转矩略有下降。转子回路串频敏变阻器启动方法，具有较好的启动性能，启动设备结构简单，材料和加工要求低，使用寿命长，维护方便，能实现平滑启动。14.4深槽式和双笼式异步电动机异步电动机在启动时，为了改善启动性能，要限制启动电流，采取的主要方法是增大转子电阻。这对绕线式电动机容易实现，但对于鼠笼式电动机来说，由于转子结构固定，不能再串入电阻，要想改变转子电路的参数，只有设法加大鼠笼式转子本身的电阻值。静止时转子频率等于定子频率，随着转子加速，转子频率将会减小到一个极小的值，对于额定频率是50Hz的电动机满载时大约只有2～3Hz，由于频率变化的影响，利用集肤效应，当转子导条采用特殊的形状排列时，鼠笼式转子能够设计成在50Hz时的有效电阻是2～3Hz时的几倍。14.4.1深槽式异步电动机把鼠笼式转子的导条做成深、窄形状，电流流过导条产生的槽漏磁场如图14-7(a)所示，转子导条从顶层到底层交链的漏磁通逐渐增多，底层的漏电感比顶层的漏电感大。电动机在刚启动时，转差率s=1，转子电流频率最大(f2=f1)，此时，转子漏电抗x2较大，转子电流的大小主要由x2决定，在转子导条中具有低电抗的顶层电流会比高电抗的底层电流大，这种当频率较高时，交流电流集中到上表层的现象称为集肤效应。集肤效应使转子导条内的电流分布极不均匀，导条内电流密度分布如图14-7(b)所示，主要集中在槽口部分，相当于减小了导条的有效面积,使转子电阻增大,从而限制了启动电流,增大启动转矩。随着转速的上升，电动机正常运转时，转差率s很小，转子电流频率f2很低，转子漏电抗x2也很小，转子电流的大小主要取决于转子直流电阻，在导条内电流趋向均匀分布，集肤效应基本消失，这时深槽式电动机就和普通鼠笼式电动机一样作正常运行。图14-7深槽式异步电动机(a)槽漏磁场分布；(b)导条电流密度分布14.4.2双笼式异步电动机利用集肤效应，可以把转子做成双鼠笼并联排列，获得与深槽式电动机相类似的结果，其结构如图14-8所示。图中上笼导条比下笼导条的截面积小，上笼导条用电阻率较高的黄铜制成，电阻较大；下笼导条用电阻率较低的紫铜制成，电阻较小。当导条里有电流流过时，产生槽漏磁场如图14-8所示。由于交链漏磁通的影响，下笼导条比上笼导条的漏电感大。电动机在启动时，转子电流频率高，在集肤效应的作用下，下笼电抗大，电流小；上笼电抗小，电流大。由于上笼电流大，在启动过程中产生较大的启动转矩，故上笼又称为启动笼。图14-8双笼式转子导条和槽漏磁通随着转速的上升，电动机进入正常运转时，转子电流频率f2很低，电流的分配主要取决于上、下笼的电阻，此时，下笼比上笼的电阻小，所以下笼的电流远大于上笼，电动机的电磁转矩主要由下笼提供，故下笼又称为运行笼。双笼式和深槽式电动机与普通鼠笼式电动机相比，都具有启动转矩大、启动电流小的优点，适应于启动较大的负载。但在正常运转时，由于漏电抗较大，因此功率因数和过载能力有所下降。双笼式电动机的机械强度比深槽式电动机大，但结构复杂，制造成本高。14.5三相异步电动机的调速14.5.1调速的方法调速是指在一定负载下，根据生产机械的需要，人为改变电动机的转速。以前，异步电动机的调速性能不如直流电动机，在调速性能要求高的机械设备上多采用以直流电动机拖动的直流调速系统。但直流电动机结构复杂、维护困难等已逐步被异步电动机取代。现今，随着电子技术的大力发展和微机控制技术的应用，异步电动机拖动的交流调速系统正得到广泛使用。由前面所学可知，电动机的转速为

(14-14)异步电动机调速的方法可以分成三类：

(1)变极调速，通过改变定子绕组的磁极对数p，从而改变定子旋转磁场的转速n1。

(2)变频调速，通过改变电源频率f1来改变n1。

(3)改变转差率调速，改变电动机的转差率s。14.5.2变极调速变极调速是指通过改变电动机定子绕组的磁极对数而实现调速的方法。由式(14-14)可知，当电源频率f1不变，改变电动机的磁极对数，可以改变定子的同步转速，从而改变电动机的转速。但由电动机的工作原理可知，电动机的磁极对数总是成倍变化的，所以电机的转速也就呈阶跃性变化，无法实现无级调速。变极调速的方法有两种。一种是双绕组变极调速，这种电机称为双绕组双速电机，即在电动机的定子上嵌有两套不同极数的绕组，分别给两套定子绕组通电，则产生不同的同步转速，从而获得不同磁极下的转速。这两种极数可以是倍数关系，也可以是非倍数关系，如4/8、6/8。这种调速的电动机定子铁芯较大，嵌线复杂，成本高。另一种是单绕组变极调速，这种电机称为单绕组双速电机，即在电动机的定子上装有一套绕组，通过改变电动机定子绕组的接法，来改变电动机的极数，从而实现调速。其原理图为14-9所示，这是一个4/2极双速电机的定子绕组接法及对应的单相磁场分布示意图。电动机每相有两个相同的线圈，如果把两个线圈“首—末”正向串联起来，如图14-9(a)所示，或者把这两个线圈“首—首”、“末—末”正向并联起来，如图14-9(b)所示，则在气隙中合成磁场为两对磁极。如果将两个线圈“首—首”、“末—末”反向串联起来，如图14-9(c)所示，或者把这两个线圈“首—末”反向并联起来，如图14-9(d)所示，则在气隙中合成磁场为一对磁极。由此可见，只要改变定子绕组的连接方式，让每相的一半绕组电流方向改变，电动机就可形成不同的极数，达到调速的目的。鼠笼式异步电动机转子的极数能自动与定子绕组的极数相适应，所以变极调速只适用于鼠笼式异步电动机。图14-9变极调速原理(a)正向串联；(b)正向并联；(c)反向串联；(d)反向并联对于三相异步电动机，变极调速主要有两种连接方式：星形改成双星形(Y-YY)连接的恒转矩变极调速和三角形改成双星形(△-YY)连接的恒功率变极调速。这里需要注意，为了保证变极前后电动机的转向不发生改变，在变极调速的同时，应改变加在电动机上的电源相序。变极调速方式转速的平滑性差，但它经济、简单，且机械特性好，稳定性好，所以许多工厂的生产机械一般采用这种方法和机械调速协调进行调速。图14-10变频调速的机械特性14.5.3变频调速变频调速是指通过改变电源的频率从而改变电机转速。变频调速有两种变频方式，一种是从基频(fN=50Hz)往下变频，一般电动机都带有额定负载，由式U1≈E1＝4.44f1N1kN1Φm1可知，如果降低频率而保持电压不变，则随f1的下降将会使磁通Φm1增大，电动机磁路就会越来越饱和，励磁电流也会大大增加，电动机将无法正常运行，故电源电压和频率应按比例同时变化，保持Фm1=U1／f1=常数。这种调频调压调速方式，可以保持Фm1不变，机械特性好，其机械特性如图14-10所示，属于恒转矩调速方法。另一种是从基频(fN=50Hz)往上变频，若要保持Фm1不变，则在变频的同时，电压也按比例升高，造成电源电压会超过电动机的额定电压，由于电动机绝缘性能的限制，这样做是不允许的，因此只能保持电压不变，频率越往上调，磁通Φm1就越小，这是一种弱磁调速的方法，属于恒功率调速方法。其机械特性如图14-10所示。变频调速的优点是，调速范围宽，频率f1连续变化时，可以实现平滑的无级调速，且机械特性好，调速的稳定性好，是一种理想的调速方法。但它需要专用的变频电源，即变频器，其价格较贵。近年来，随着电子技术的发展，变频器的性能更加稳定、可靠，价格也下降很多，操作方便。很多行业的生产设备上采用变频调速已成为首选。14.5.4改变转差率调速在鼠笼式异步电动机中，可以通过改变电压来改变转差率，从而改变电机的速度，在绕线式异步电动机中，可以通过改变转子电阻和串附加电势来改变转差率，从而改变电机的速度。

1.改变电压调速异步电动机最大转矩和启动转矩与电源电压的平方成正比，因此，电源电压的波动对机械特性的影响极大，而临界转差率却与电源电压无关，即临界转速与电源电压也无关。因此，当电源电压升高时，Tm、Tst增大，nm不变，机械特性曲线右移，如图14-11所示。可见，电源电压增大时，机械特性曲线变好。当电源电压降低时，机械特性曲线左移，最大转矩减小，机械特性曲线变得不好。当负载转矩保持不变时，降低电压是为了保证电动机的安全运行，要求电源电压的波动不超过规定电压的5%。图14-11改变定子电压调速图14-12绕线式转子串电阻调速

2.串电阻调速绕线转子异步电动机转子电路串电阻后，临界转差率sm大，机械特性曲线的斜率变大，如图14-12为串接不同的调速电阻后所得的一组机械特性曲线。设负载转矩TL不变，转子电阻R2增大，电动机的转差率s增大，转速下降，工作点下移，机械特性变软。当平滑调节转子电阻时，可以实现无极调速，但调速范围较小，且要消耗电能，一般用于起重设备上。转子电阻的改变会影响电动机的临界转差率和启动转矩，而最大转矩与转子电阻无关，其中sm与R2成正比。因此，当R2增大时，sm也增大，nm降低，Tm保持不变，机械特性曲线下移，如图14-12所示。可见，转子电阻增大时，机械特性曲线变软。当r2=x2时，sm=1，这时启动转矩等于最大转矩，达最大值。利用转子电阻增大，启动转矩也增大的特性，可以在电动机启动时增加转子电阻，以提高启动转矩。绕线式异步电动机就是利用这一原理进行启动的。

3.串极调速在异步电动机转子电路串电阻调速时，转速调得越低，转差功率损耗sPm越大，为了充分利用这部分功率，可采用在转子电路串接一个三相对称的附加电动势，其频率应与转子电动势的频率相同，改变附加电动势的大小及相位，均能改变转子电流及转矩，也就可以调节电动机的转速，这种方法称为串极调速。14.6三相异步电动机的异常运行14.6.1非额定电压下的运行三相异步电动机在实际运行时，允许供电电压有一定的变动，一般变动的数值在电动机额定电压的-5%～+10%范围内，电动机允许按额定功率连续运行。非额定电压下的运行分两种情况，一种是供电电压大于电动机的额定电压；一种是供电电压小于电动机的额定电压。当U1>UN时，根据式U1≈E1＝4.44f1N1kN1Φm1知，则主磁通Φm1大，使电动机磁路饱和，引起励磁电流增大，定子电流也随之增大，从而使得电动机的铁耗、铜耗增大，加速电动机的温升，连续运行时，会烧坏电动机。当U<UN时，则主磁通Φm1小，若电动机拖较大的恒转矩负载，由式可知，会引起转子电流增大，相应的定子电流也会增大，同样会造成电机发热。当U1下降过多时，转速也下降很多，严重时引起转子停转。若电动机是轻载运行，随U1下降Φm1减小，励磁电流会减小，定子电流也会减小，电动机的铁耗、铜耗降低，效率提高，反而对电动机有利。14.6.2非额定频率下的运行在电网发生故障时，会出现频率下降的情况，当电动机的供电电压保持不变时，若f1<fN，则对于正在运行的电动机，首先引起电动机的转速下降(n1=60f1/p)。再就是表现出电动机温度升高，因为U1≈E1＝4.44f1N1kN1Φm1，当f1减小时，Φm1会增大，电动机的铁芯饱和，励磁电流增大，定子电流也相应增大，引起电动机的铁耗、铜耗增大，造成电动机发热，对连续运行的电动机会损坏其绝缘，严重时会烧坏电动机。一般来说，频率降幅不大于5%，对电动机的影响不大，是允许运行的。相反，电网频率大于额定值，即f1>fN时，Φm1会减小，相应的励磁电流和定子电流也会减小，这对电动机有利。只是频率增加会引起电动机的转速升高，对转速要求恒定的机械设备不利。14.6.3缺相运行正在运行的三相异步电动机，突然有一相电源断电，或电动机定子绕组有一相断路，都会造成电动机缺相运行，俗称跑单相运行。这种现象经常会发生，造成缺相的原因有很多，如三相电源的高压或低压线路有一相断线、或其中有一相熔断器的熔体熔断、开关有一相接触不良或触点烧坏；定子绕组有一相绕组接线头脱焊、松动、烧断等。当电动机带一定负载运行，发生缺相故障时，这时断路相电流为零，若电动机的最大转矩仍大于负载转矩，则电动机还会继续运转，但其他两相电流将增大许多，并发出较强的“嗡嗡”声，转速也将下降，连续运行会烧坏电机。由于缺相运行，三相电流极不平衡，最终将烧毁电机，因此必须采取相应的保护措施。对于星形接法的电动机，会看到定子有两相绕组烧毁。对于三角形接法的电动机，会看到定子有一相绕组烧毁。14.6.4三相电压不对称时的运行加在三相电动机的三相电源电压幅值不相等、相位不对称，就会造成电动机不对称运行。其主要原因有，在同一个三相电源变压器上，由于某相负荷过大，如带单相电焊负载，则引起三相电流出现不平衡，不平衡电流会在三相变压器的阻抗及线路阻抗上产生不相等的电压降，引起变压器副边电压不对称。由于电压的不对称，造成电动机三相电流不