电机及拖动系统 课件 第4章 三相异步电动机的电力拖动

4.1三相异步电动机的起动

4.2三相异步电动机的制动

4.3三相异步电动机的调速

4.4交流异步电动机的应用第四章

三相异步电动机的电力拖动对笼型异步电动机，可采用：直接起动、降压起动、

加大定子端电阻或电抗、改进结构、软起动；对绕线型异步电动机，还可以增加转子端电阻或电抗。4.1三相异步电动机的起动4.1.1直接起动的问题起动要求：起动电流不能太大，以减小对电网冲击；有足够起动转矩，缩短起动时间；设备简单，价格低廉，便于操作及维护。起动电流很大；起动转矩不大。直接起动问题：解决方法：

对笼型异步电动机，若负载对起动过程要求不高，且供电电网允许，可采用直接起动方法。一般7.5kW以下的小容量异步电动机可以直接起动。若供电变压器容量较小，符合下式要求，也允许直接起动。

式中，起动电流倍数。4.1三相异步电动机的起动4.1.2三相笼型异步电动机的直接起动（4-1）4.1三相异步电动机的起动4.1.3三相笼型异步电动机的降压起动

1.定子串三相对称电阻或电抗降压起动全压起动时：；串或后：。图4-1定子回路串三相对称电阻或电抗降压起动接线原理图（1）接线原理图4.1三相异步电动机的起动

以串电抗为例，令：说明：此方法适用于轻载或空载。（4-2）（2）起动电流和起动转矩图4-2直接起动与定子串三相对称电抗降压起动的一相简化等效电路图（4-5）（4-4）4.1三相异步电动机的起动

（4-3）（2）起动电流和起动转矩直接起动：串入电抗后：电抗：（4-6）若串起动电阻：说明：定子串电阻起动时，上消耗较多电能，很不经济，

适用于低压小功率电动机。4.1三相异步电动机的起动2.Y-D降压起动图4-3Y-D起动接线原理图（1）接线原理图起动时Y接：KM1与KM3闭合正常运行时D接:KM1与KM2闭合图4-4Y-D起动定子绕组接线原理图4.1三相异步电动机的起动起动时接为Y形：（4-7）若D形接法直接起动：（4-8）有（4-9）由于，Y接法的相电压是D接法的，因此：（4-10）（2）起动转矩和起动电流说明：此起动方法也只适用于轻载或空载起动。4.1三相异步电动机的起动3.自耦变压器降压起动图4-5自耦变压器降压起动接线原理图（1）接线原理图起动KM1断开，KM2、KM3闭合，接近稳定转速时，KM2、KM3断开，KM1闭合，切除自耦变压器。降压起动时电动机定子起动电流：4.1三相异步电动机的起动图4-6自耦变压器降压起动的一相电路图（2）起动转矩和起动电流自耦变压器：（4-12）（4-13）电动机从电网吸收的电流:（4-14）自耦变压器降压起动时的起动转矩与直接起动的关系：（4-11）4.1三相异步电动机的起动4.三种降压起动方法的比较表4-1降压起动与直接起动对比表根据电网允许的最大起动电流、负载对起动转矩的要求及起动设备的复杂程度、价格与维护成本等条件综合考虑起动方法。4.1三相异步电动机的起动4.1三相异步电动机的起动4.1三相异步电动机的起动4.1三相异步电动机的起动4.1.4高起动转矩的笼型三相异步电动机

1.转子电阻值较大的笼型异步电动机图4-7转子电阻较大的笼型异步电动机的机械特性改变鼠笼金属材料，减小截面积等方法增大转子电阻。对于笼型异步电动机，改进电机结构可以增大起动时的转子回路电阻，从而增大起动转矩。1—普通笼型2—高转差率3—起重冶金4—力矩式4.1三相异步电动机的起动

2.深槽式笼型异步电动机图4-8深槽式笼型异步电动机转子转子槽形深而窄，通过集肤效应增大起动时的转子电阻。图4-9深槽式笼型异步电动机转子电流分布图图4-10深槽式笼型异步电动机的机械特性1-普通笼型；2-深槽式笼型4.1三相异步电动机的起动

3.双笼型异步电动机图4-11双笼型异步电动机转子安装有两套鼠笼，外笼为起动笼，内笼为运行笼，改变外笼与内笼参数，可以得到不同形状的机械特性。图4-12双笼型异步电动机的机械特性1-外笼2-内笼3-双笼4.1三相异步电动机的起动附加：笼型三相异步电动机的软起动通过改变定子电压满足起动要求，实质上是一台交流调压器。起动时，控制晶闸管的导通角调节定子电压。利用闭环控制限制起动电流，确保定子电流、电压或转矩按照设定的函数关系变化。起动过程结束，将软起动器切除。异步电动机软起动器的组成框图4.1三相异步电动机的起动附加：笼型三相异步电动机的软起动主要实现方法：

电流斜坡起动电压斜坡起动转矩控制起动阶跃起动4.1三相异步电动机的起动4.1.5

三相绕线转子异步电动机的起动1.串频敏变阻器起动图4-13绕线转子异步电动机转子敏变阻器起动接线原理采用转子回路串接三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩。（1）接线原理图图4-14频敏变阻器结构示意图起动开始，KM2断开，KM1闭合，转子串入频敏变阻器起动。转速达到稳定值后，KM2闭合，切除频敏变阻器。4.1三相异步电动机的起动图4-15串频敏变阻器起动工作原理图起动时，转子回路频率较高，频敏变阻器铁损耗较大，转子回路等效电阻较大，随着转子频率的降低，频敏变阻器作用逐渐减弱，起动结束后，频敏变阻器几乎不起作用。（2）频敏变阻器的工作原理1-固有机械特性2-串频敏变阻器机械特性4.1三相异步电动机的起动2.转子串电阻分级起动增加转子回路电阻，可以限制起动电流，增大起动转矩。一般采用串电阻分级起动，逐级切除起动电阻，起动完成后，起动电阻全部切除。为简化计算，在范围内，可用近似表达式计算各级起动电阻。由于耗能较高，一般不采用该方法。4.2三相异步电动机的制动①电磁转矩T

与转速n

同向，电机处于电动状态，机械特性在Ⅰ、Ⅲ象限。②电磁转矩T

与转速n

反向，电机处于制动状态，机械特性在Ⅱ、Ⅳ象限。1—固有机械特性；2—降低电源频率的人为机械特性；3—电源相序为负序(如A-C-B)时的固有机械特性图4-16三相异步电动机电动运行电机的四象限运行：三相异步电动机的三种制动：①能耗制动②反接制动③回馈制动4.2三相异步电动机的制动4.2.1

能耗制动1.能耗制动原理实现方法：将定子绕组切换到直流电源上，旋转的转子切割恒定磁场，产生具有制动性质的电磁转矩。制动目的：实现拖动系统快速停车或使位能性负载匀速下放。图4-17异步电动机能耗制动接线原理图图4-18异步电动机能耗制动原理图4.2三相异步电动机的制动等效变换：将直流电建立的固定不变的磁场看成是以转速旋转的旋转磁场，转子相对转速变换为。等效变换原则：使通入直流电后建立的磁动势大小与通入三相交流电产生的合成基波磁动势大小相等。2.能耗制动的等效电路图4-19磁动势等效变换前后的相对转速4.2三相异步电动机的制动假设定子绕组Y接，产生的固定磁动势幅值为：电机通入三相对称交流电，单相电流有效值为，则旋转磁动势幅值为：令，有。图4-20定子绕组通入直流电时的磁动势若定子绕组D接：4.2三相异步电动机的制动图4-21三相异步电动机能耗制动时的一相等效电路能耗制动转差率：（4-15）能耗制动等效电路：4.2三相异步电动机的制动图4-22能耗制动的相量图电磁转矩：（4-16）3.能耗制动的机械特性（4-17）（4-18）（4-19）（4-20）4.2三相异步电动机的制动图4-23异步电动机能耗制动机械特性能耗制动机械特性实用表达式为：（4-21）最大制动转矩及对应的转差率为（4-22）（4-23）注意：能耗制动时磁场静止不动，磁通量正比于直流电流。能耗制动时，既要制动转矩大，又不能使定、转子电流过大，必须适当选择与外接电阻值。4.2三相异步电动机的制动图4-24三相异步电机带不同负载时的能耗制动过程1—固有机械特性；2—能耗制动机械特性4.能耗制动分析反抗性负载——实现快速、准确停车。能耗制动切换瞬间，转速不会突变，工作点A

B

O，电动机转速降为零，电磁转矩也为零，实现可靠停车。

位能性负载——实现稳速下放。原点O

工作点C，稳速下放重物。电动机轴上输入的机械功率靠重物下降减少的位能提供，转换为电功率后消耗在转子回路中。4.2三相异步电动机的制动4.能耗制动分析

位能性负载——实现稳速下放。A

B

O

C，稳速下放重物。跳到工作点B后开始减速工作点C匀速下放工作点A匀速上升4.2三相异步电动机的制动4.能耗制动分析功率关系：电动机轴上输入机械功率来自拖动系统转动部分减少的动能或位能性负载减少的位能，转换为电功率后消耗在转子回路中。说明：能耗制动过程中，外加直流电压/电流越大，制动转矩越大，制动时间越短，但可能会造成电机绕组过热。4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2.2

反接制动1.定子两相反接的反接制动实现方法：定子两相电源反接。制动目的：快速制动停车或快速正反转。特点：改变电源相序，旋转磁场反向，转子转速不能突变，转子感应电动势与感应电流反向，电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态。机械特性：位于第Ⅱ象限。图4-25绕线转子异步电动机定子两相反接的反接制动接线原理图（1）反接制动原理4.2三相异步电动机的制动说明：电动机既从电网吸收电功率，又从轴上输入机械功率(拖动系统减少的动能），全部转变为转差功率，消耗在转子回路电阻中。注意：转子回路应串入比起动电阻还大的电阻，以负担大部分转子铜损耗。笼型异步机反接制动的次数以及两次制动之间的时间间隔均要受限制。图4-26异步电动机反接制动机械特性（2）机械特性第二象限：（4-24）（4-25）（4-26）（4-27）4.2三相异步电动机的制动（3）制动分析若拖动反抗性负载若，，电机停车；若，，。若拖动位能性负载，，电机回馈制动运行于工作点F

。反接制动瞬间，工作点，若反向串入电阻不大，沿曲线4，；若反向串入大电阻，沿特性曲线3，

。拖动系统减速至零。4.2三相异步电动机的制动2.转速反向的反接制动实现方法：转子串入大电阻。制动目的：位能性负载稳速下放。特点：电动机被位能性负载拖动反转。机械特性：位于第Ⅳ象限。（4-28）说明：电动机从电网吸收的电功率和从轴上输入的机械功率全部转变为转差功率消耗在转子回路电阻中。；；。4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2.3

回馈制动1.反向回馈制动运行定子两相电源反接的反接制动时，电机在位能性负载拖动下进入第Ⅳ象限运行，，。图4-27异步电机反相回馈制动回馈制动状态，电机转速高于同步转速。4.2三相异步电动机的制动反向回馈制动运行时且，。（4-29）功率关系为（4-30）（4-31）说明:重物减少的位能变为电动机轴上输入的机械功率，扣除转子回路铜损耗后转变为电磁功率送给定子，扣除定子铜损耗和铁损耗后，余下的是回馈给电网的功率。4.2三相异步电动机的制动2.正向回馈笼型异步电动机采用变极调速或变频调速时，高速变换到低速的降速过程中，会发生回馈制动过程。电动车下坡时，转子转速超过了同步转速，电机电磁转矩T与转速方向相反，抑制电车下坡速度，同时将电能回馈电网。图4-28异步电动机正向回馈制动的机械特性4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2三相异步电动机的制动4.2.4

三相异步电动机的四象限运行（1）电动运行状态：第一、三象限（T与n同向）图4-29三相异步电动机的各种运行状态拖动系统稳定运行的充要条件也是在工作点满足：，且。（2）制动运行状态：第二、四象限（T与n反向）4.3三相异步电动机的调速直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机的换向器由若干铜片组成，铜片之间用云母片隔离绝缘，制造工艺复杂，增加了直流电机成本。与同等重量的鼠笼型异步电动机相比，直流电机要贵几倍，单位重量的功率少一倍。换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度，直流电机的极限容量和速度之积约为106kW•r/min，许多大型机械的传动电机已接近或超过该值，设计制造困难。电刷火花和环火限制了直流电机的安装环境，易燃、易爆、多尘等恶劣环境不能使用直流电机。4.3三相异步电动机的调速直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机的大部分功率（除励磁以外）都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，电机效率低。由于转子散热条件差，中大功率电机需要强迫风冷或水冷。换向器和电刷易于磨损，需要经常更换，降低了系统可靠性，增加了维修和保养的工作量。与上述分析相对应，交流电机虽然控制比较复杂，但结构简单、成本低、安装环境要求低，适于易燃、易爆、多尘的条件，尤其在大容量、高转速应用领域，发展迅速。4.3三相异步电动机的调速直流调速系统与交流调速系统的比较直流电机优于交流电机之处在于转矩控制简单，但是随着交流电机调速理论及技术的进步，交流调速系统的性能已经能达到直流调速系统的水平，获得了越来越广泛的应用。在对“功率/重量”比、“功率/体积”比要求高的领域，如电动自行车、电动汽车、飞机中的电机拖动等，永磁同步电机已成为主流。4.3三相异步电动机的调速交流同步电机与异步电机的变压变频调速方法异步电机同步电机基于稳态模型恒压频比控制单位电流最大转矩控制速度闭环的转差频率控制基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制按定子磁链控制的直接转矩控制正弦波驱动同步电机直接转矩控制功率因数控制、单位电流最大转矩控制等无刷直流电机恒压频比控制（梯形波电压）按转子磁链定向的矢量控制4.3三相异步电动机的调速4.3.1调速原理

改变转差率调速可分为：转速表达式调速方法有：

改变定子极对数p;

改变电源频率;

改变转差率s

调速。 降低电源电压调速；转子回路串电阻调速（仅对绕线异步机）；串级调速；转差离合器调速。 4.3三相异步电动机的调速（1）损耗功率控制型调速系统从能量转换的角度看，调速时转差功率是否增大，是变成热能消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。把上述异步电动机调速方法分为两类：降低电源电压调速；转子回路串电阻调速（仅对绕线异步机）；转差离合器调速。 （2）电磁功率控制型调速系统变压变频调速是应用最为广泛的高性能交流调速系统。4.3三相异步电动机的调速4.3.2改变极对数调速

适用范围：笼型异步电动机

变极原理：通过改变定子绕组的接线方式，改变极对数，

由变为，同步转速会升高一倍。图4-30三相四极异步电动机U相定子绕组4.3三相异步电动机的调速注意事项：为保证调速前后电动机转向不变，应同时改变定子绕组两相电源相序。说明：变极调速属于有级调速，一般与降压调速相结合，以扩大调速范围，提高调速的平滑性。图4-31三相二极异步电动机U相定子绕组（1）保持为常数，降频调速——恒磁通控制方式4.3三相异步电动机的调速4.3.3变频调速为避免电动机铁心磁路饱和，降低电源频率的同时，必须减小电源电压。1.由基频向下变频调速（4-32）4.3三相异步电动机的调速（1）保持为常数，降频调速——恒磁通控制方式（4-33）（4-34）（4-35）

、与无关，各条机械特性曲线工作段相互平行，硬度相同。属恒转矩调速，适用于恒转矩负载。图4-32保持E1/f1为常数时变频调速的机械特性4.3三相异步电动机的调速（2）保持为常数，降频调速（4-36）（4-38）（4-37）在低频运行时，下降较多，电动机机械性能变差，可能会带不动负载。图4-33保持U1/f1为常数时变频调速的机械特性由于感应电动势难测量，而，保持为常数，磁通近似为常数，属于近似恒转矩调速方式。4.3三相异步电动机的调速保持U1为额定值，随着f1的升高，气隙磁通Ф1减小，相当于他励直流电动机的弱磁调速方式。2.由基频向上变频调速（4-39）（4-40）（4-41）4.3三相异步电动机的调速2.由基频向上变频调速图4-34保持U1恒定，升频调速时的机械特性（4-42）

越高，与越小，不变，各机械特性运行段近似平行。基频向上变频调速属恒功率调速。4.3三相异步电动机的调速3.变频调速的特点变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广，平滑性高等特点，可实现无级调速；变频调速时，转差率较小，转差功率损耗较小，效率较高；变频调速时，基频以下的调速为恒转矩调速方式，基频以上调速时，近似为恒功率调速方式；随着电力电子技术的发展，变频器向着性能优异，价格便宜，操作方便等趋势发展，获得了广泛应用。4.3三相异步电动机的调速4.3.4改变转差率调速1.降低定子电压调速特点：与不变，，调速窄，无实用价值。改进：降压同时转子串电阻或用高转差率笼型异步机，

调速范围变宽，但机械特性变软。再改进：采用速度闭环控制，提高机械特性硬度。图4-35三相异步电动机降压调速时的机械特性1—恒转矩负载；2—风机、泵类负载图4-36具有速度反馈的调压调速系统4.3三相异步电动机的调速2.转子回路串电阻调速图4-37绕线转子异步电动机转子串电阻调速时的机械特性外串电阻计算：若负载转矩不变，有缺点：(1)只能实现分级调速；(2)转子外串电阻越大，消耗的转差

功率越大，效率越低。(3)低速下运行时机械特性软，稳定性不好。改进：串级调速特点：与不变，。4.3三相异步电动机的调速3.串级调速在转子回路中串入与转子同频率（）的可控外加电动势，通过改变的大小和相位，将转差功率回馈到电网，既可节能，又可调速。（1）

串级调速原理图4-38转子回路串入附加电动势时的一相等效电路

1）

与同相或反相（4-43）同相时为超同步串级调速：反相时次同步串级调速：（4-44）4.3三相异步电动机的调速

2）

超前90°由于提供了部分无功电流，减小了定子从电源吸收的无功电流，因此提高了功率因数。图4-39转子串入超前90°的前后的异步电动机相量图4.3三相异步电动机的调速

3）

超前任一角度θ图4-40超前任一角度θ

时转子回路相量图将分解为两个分量，与同相的分量能使电动机升速；超前90°的分量可以提高定子的功率因数。4.3三相异步电动机的调速（2）

串级调速的机械特性超前的一般情况下：（4-46）（4-45）（4-47）（4-49）（4-50）（4-48）4.3三相异步电动机的调速（4-50）（4-51）

1）θ=90°时超前90°时，临界转差率不变，对转速影响不大，最大转矩比时，增大了倍。

2）θ=0°或θ=180°时其中，为旋转磁场与引起的那部分电流相互作用产生的转矩分量。4.3三相异步电动机的调速（4-53）图4-41串级调速时异步电动机的机械特性时，串级调速机械特性上移，可向上调速。

时，串级调速机械特性下移，可向下调速。（4-54）4.3三相异步电动机的调速（3）

串级