第三章三相异步电动机的电力拖动

1、第三章 三相异步电动机的电力拖动本章要求 了解有关异步电机调速的基本概念；掌握三相异步电机的机械特性方程及画法；掌握异步电机各种人为机械特性的画法和变化的规律；重点掌握三相异步电机的起动、制动、调速过程以及绕线式异步电机的分段起动电阻和各种制动方法中限流电阻的计算。本章重点 三相异步电机的机械特性,起动、制动过程.本章简述 三相异步电机拖动与直流电机拖动相比电机可靠性高、维护小，随着电力电子技术的发展，异步电机调速的精度达到甚至超过直流电机调速精度，三相异步电机的应用会更加广泛。利用机械特性可以分析在异步电机拖动中的各种运行情况，包括电机的起动、制动、和调速。为了限制起动电流采用了降压起动方式

2、，在制动的三种方法涵盖异步电机的各种运行状态，包括正向电动和制动、反向电动和制动、能耗制动及回馈再生发电状态。这些组成了异步电机的四象限运行。本章学时 9学时第一节 三相异步电动机的机械特性本节学时 2学时本节重点 1、三相异步电机的机械方程（固有特性和人为特性）2、三相异步电机的实用机械特性表达式的求法3、三相异步电机的人为机械特性的画法以及各自的变化规律教学方法 结合理论，推导出三相异步电机的机械特性方程，在此基础上分析并得出机械特性的实用表达式。认识各种人为机械特性及其变化规律。教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容：三相异步电动

3、机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系n=f(T)。由于异步电动机的转速n与转差率s及旋转磁场的同步速之间的关系为,所以异步电动机的机械特性往往用T=f(s)的形式表示。简称为T-S曲线。从电机学中已知，电磁转矩（3-1）式中为极对数，=2，为电磁功率，它有两种表达式，即（3-2） （3-3） （3-4）其中分别为折算到定子边的转子电阻和漏抗，是转子边的功率因数。 由公式（3-2），（3-3），电磁转矩也有两种表达式，一种是物理表达式，另一种是参数表达式，分述如下。一、机械特性的物理表达式将公式（3-2）代入（3-1），并考虑到 （3-5） （3-6）式中，是常数，

4、 图3-1 异步电动机的T形等效电路N1为定子绕组每相串联匝数，为基波绕组系数。将式（3-6）和直流电机电磁转矩的表达式相比,三相异步电动机的电磁转矩除了和气隙磁通及转子电流有关外，还和转子电路的功率因数有关。这是由于在异步电动机中，转子电流滞后于转子电势，在同一极性气隙磁场下面的各转子有效导体中，电流方向不完全相同。所以异步电动机的电磁转矩与气隙磁通和转子电流的有功分量成正比。此式常用于从物理意义上分析异步电动机在各种运行状态下 图3-2 异步电动机的机械特性之间的数量与方向关系。二、机械特性的参数表达式1机械特性参数表达式的推导由异步电动机的型等效电路图3-1，略去激磁电流可得， （3-7

5、）将此式连同式（3-3）代入式（3-1），得 （3-8）式（3-8）表明了电动机的电磁转矩与电源相电压,频率,电机定转子参数以及转差率之间的关系。对于一台已经制造好了的电机,其参数 、等均不变，若不变，则T=f(s)或T=f(n),称为机械特性的参数表达式。图3-2为按式（3-8）绘制的机械特性曲线，即三相异步电动机的TS曲线。图中第一象限的部分nn1，为电动机运行状态；第二象限部分，为发电回馈制动状态。图3-2中的称为临界转差率，其值大约在0.2左右。从图3-2可见，在电动机运行状态，当转差率0时，随着S的增加，T也增加，到时，转矩达到最大值。而当以后，增加时，电磁转矩反而减小。TS曲线的形

6、状可分析如下。式（3-8）可以写成 （3-9）式中，分别为定、转子的漏电感。当S很小时，忽略上式分母中S各项，则有 （3-10）说明高速时，TS曲线近似为一直线，如图3-2中DCB段所示。当S时，可忽略式（3-9）分母中的,则有T （3-11）说明S接近于1时，TS曲线为对称于原点的一段双曲线，如图3-2中BA段所示，S为中间数值时，TS曲线从直线过渡到双曲线。另外TS曲线上和时的起动转矩是异步电动机两个重要的参数，分述如下。2最大转矩和临界转差率是电动机所能提供的极限转矩，对式（3-8）求导数,并令 =0，得到： （3-12）将式（3-12）代入（3-8），可得最大转矩为 （3-13）式中（

7、+）对应电动状态，（-）适用于发电状态。通常：式（3-12）和（3-13）可近似变为 （3-14） （3-15）由式（3-14），（3-15）可见，发电和电动两种情况下，和的绝对值是相等的。由式（3-12）到式（3-15）可看出如下几点：当电机各参数及电源频率不变时，与电源电压成正比，但与无关；与值无关，而与值成正比。因此，改变转子电阻的大小，可以改变产生最大转矩的转差率。也就是说，选择不同的转子电阻值，可以在某一特定的转速时电动机产生的转矩为最大。这一性质对于绕线式异步电动机是有重要意义的；当电源电压和频率不变时，和都近似地与()成反比。应该指出，是电动机可能产生的最大转矩，如果负载转矩大于

8、最大转矩，则电动机将因为承担不了而停转。为了保证电动机不会因短时过载而停转，一般电动机都具有一定的过载能力。过载能力用最大转矩与电动机额定转矩之比来表示，即 （3-16）一般电动机的过载能力，起重、冶金机械专用的电动机,。是三相异步电动机的一个很重要的参数，它反映了电动机短时过载的极限。3起动转矩S=1时的电磁转矩，称为起动转矩，它是三相异步电动机接交流电源开始起动时的电磁转矩。将S=1代入式（3-8）得 （3-17）由上式可知，起动转矩仅与电动机本身参数和电源有关，是在一定条件下电动机本身的一个参数，而与电动机所带的负载无关。对于绕线转子电动机，若在一定范围内增大转子电阻（转子电路外接电阻）

9、可以增大起动转矩，以改善起动性能；而对于笼型异步电动机，其转子电阻不能用串接电阻的方法改变，即在额定电压下TST是一个恒值。这时与之比称为起动转矩倍数，即（3-18）是三相笼型异步电动机的一个重要参数，它反映了电动机的起动能力。显然只有当大于负载转矩时，电动机才能起动；如要求满载起动时，则必须大于l。起动转矩倍数的数值可由产品目录中查到，一般=0.91.3。除和以外，在TS曲线上还有两个比较重要的点。一个是,即同步速点。此时转子感应电势为零，所以I2=0，T=0。既然电动机没有电磁转矩，也就不可能以的速度运转。所以这一点也称为理想空载点。另一个点是额定运行点，此时,对于某一台电动机，其额定运行

10、点是一定的。4稳定运行范围 关于电机拖动系统稳定运行的条件前面已经讨论过，其结论完全适合于异步电动机拖动系统，即拖动系统的平衡稳定运行既决定于电动机的机械特性，又决定于负载转矩特性。对于恒转矩负载（图3-3中的负载转矩特性1），不难判定它在A点能够平衡稳定运转，而在B点却只能平衡而不能稳定运转，所以线性段对恒转矩负载为稳定运行区，非线性段为不稳定运行区。对于通风机类负载，（图3-3中的负载特性2），C点虽然处于特性曲线的非线性段，但图3-3 异步电动机拖动系统稳定运行点仍满足稳定运行条件，所以整条特性曲线都可以平衡稳定运行。5固有机械特性和人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性是指异步电动机

11、在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时的转速与电磁转矩的关系。图3-4为三相异步电动机的固有机械特性。图中曲线1是气隙磁场按正方向旋转时的固有特性，曲线2是气隙 图3-4 三相异步电动机的固有特性磁场按反方向旋转的固有特性。气隙磁场的旋转方向取决于定子电压的相序。人为机械特性是指人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性。由式（3-8）可见，可以改变的量有：加到定子端的电源电压、电源频率f1 、极对数P，定子电路的电阻或电抗、转子电路的电阻或电抗等等。所以三相异步电动机的人为机械特性种类很多，这里介绍几种常见的人为机械特性。（1）降低定子电压时的人为机械特性当定

12、子电压降低时，由式（3-8）可见，电动机的电磁转矩将与成正比地降低，但产生最大转矩的临界转差率与电压无关，因此同步速也不变。可见降低电压的人为特性是一组通过同步速点的曲线簇。图3-5绘出了的固有特性和=及时的人为机械特性。图3-5 降低定子电压时的人为机械特性由图可见，当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，将使电机转速降低，转差率增大；而转子电流将因转子电势的增大而增大，从而引起定子电流的增大。若电流超过额定值，则电动机的最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，如果电压降低过多，致使最大转矩小于负载转矩，则会发生电动机的停转。（2）转子电路中串对称电阻时的人为特性 图3-6 绕线转子异步电

13、动机转子电路串接对称电阻a）电路图 b）人为机械特性 图3-7 异步电动机定子电路串接对称电抗a）电路图 b）人为机械特性在绕线转子异步电动机转子电路内，三相分别串接大小相等的电阻，由前述分析可知，此时电动机的同步转速不变，最大转矩也不变，临界转差率则随外接电阻的增大而增大。人为特性是一组通过同步点的曲线簇，如图3-6b所示。图3-6a为其电路图。在一定范围内增加转子电阻，显然可以增大电机的起动转矩，若所串接的附加电阻如图中的，使，对应的起动转矩等于最大转矩。如果再增大转子电阻，起动转矩反而会减小。转子电路串接附加电阻，适用于绕线转子异步电动机的起动、制动和调速。这在以后还要讨论。（3）定子电

14、路串接电阻或电抗的人为特性在笼型异步电动机定子电路三相分别串接对称电抗，由式（3-12）、式（3-13）和式（3-17）可见，n1不变，、及将随的增大而减小。如图3-7b所示。定子电路串接电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。定子串接三相对称电阻的电路图和人为机械特性，与上述串接的相似。串接电阻的目的同样是为了限制起动电流。此外，关于改变电源频率，改变定子绕组极对数的人为机械特性，将在异步电动机的调速一节中予以介绍。三、机械特性的实用表达式用电动机参数表示的机械特性方程式，即机械特性的参数表达式，在进行某些理论分析时是非常有用的，它清楚地表示了转矩、转差率与电动机参数之

15、间的关系。但是电动机的定子转子参数都是些设计数据，在电动机产品目录或铭牌上是查不到的。因此，对于某一台具体的电动机，要利用参数表达式来绘制机械特性进行分析计算就很不方便，这就希望能利用电动机的一些技术数据和额定值来表示并绘制机械特性，这就是机械特性的实用表达式。将式（3-13）除式（3-8），并考虑到式（3-12），化简后得（3-19）如忽略，得: （3-20）此式即为机械特性的实用表达式。只要知道和的值，就可以求出T与S的关系。和的值，可由产品目录中给出的过载能力,额定功率()及额定转速求出。有了实用表达式，只要给定一系列的S值，就可画出TS曲线。式（3-20）还可进行机械特性的其它计算，其

16、应用极为广泛。当三相异步电动机在额定负载以下运行时，它的转差率很小，我们知道额定转差率仅为0.020.05。这就是说如忽略式（3-20）就变成为： （3-21）经过简化，使机械特性呈线性变化关系，式（3-21）称为机械特性的近似计算公式，使用起来更为方便。但式（3-21）只能用于转差率在0SSm的范围内。使用该式时对应于最大转矩的转差率可按下式计算，。例3-1，一台三相异步电动机额定值如下：接法，过载能力。试求电动机机械特性的实用表达式.解：额定转差率额定转矩最大转矩: S=SN时，T=TN，由式（3-20 ）解得机械特性的实用表达式第二节 三相异步电动机的起动本节学时 2.5学时本节重点 1

17、、笼型三相异步电机的直接起动和降压起动方法2、绕线式三相异步电机的起动方法3、绕线式三相异步电机转子串电阻分级起动的级数及各级电阻的求法教学方法 通过理论分析，得出三相异步电机的起动要求，在此基础上分析笼型三相异步电机降压起动，包括定子串电阻（电抗）起动、自耦变压器降压起动和Y-起动；还重点研究绕线异步电机的转子串电阻分级起动的方法。教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容:三相异步电动机的起动就是使电动机从静止状态转动起来。起动过程是指电动机从静止状态加速到某一稳定转速的过程。一、对异步电动机起动性能的要求对异步电动机起动性能有如下要求

18、:（1）具有足够大的起动转矩，以保证生产机械能够正常地起动；（2）在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流越小越好；（3）起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便；（4）起动过程的能量损耗越小越好，起动时间越短越好。以上起动性能中最主要的是要求在起动电流比较小的情况下得到较大的起动转矩。这是因为过大的起动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。对电网而言，它可能引起电网电压的大幅度下降。因为电动机的起动电流流过具有一定内阻抗的发电机、变压器和供电线路会造成电压降落，特别是对于那些小容量的电网更为显著。电网电压的降低会影响接在同一电网上其他负载（主要是其他异步电动机）的正常运行。对

19、电动机本身来说，当工作在频繁起动的情况下，过大的起动电流将会造成电动机严重发热，以致加速绝缘老化，大大缩短电动机的使用寿命；同时在大电流的冲击下，电动机绕组（尤其是端部）受电动力作用易发生位移和变形，甚至烧毁，另一方面，起动转矩小会拖长起动时间。二、异步电动机的固有起动特性不论是鼠笼电机还是绕线式电机，如果不采取措施直接接入电源起动，这样的起动特性称为固有起动特性，主要指起动电流和起动转矩。起动电流I1st可根据图3-1计算。略去激磁电流，令S=1得 （3-22）由于额定运行时SN=0.02-0.05,而起动时S=1，所以在额定电压下起动时，起动电流约为额定电流的5-7倍。这是由于起动时气隙旋

20、转磁场以同步速切割转子，在转子上感应有较大的电势，产生较大的转子电流，从而定子绕组也有较大的电流。起动转矩如式（3-17）所示。起动转矩倍数为什么异步电动机的起动电流很大，而起动转矩却不大呢？这是由于起动时，由式（3-4）可见 ，起动时功率因数很低，大约在0.2左右；另一方面大，所以定子漏阻抗压降大，电势减小，主磁通要相应减小。综上所述，异步电动机的固有起动特性并不理想。从式（3-17）可见，如适当增加转子电阻，可以改善起动特性。在绕线电机的转子回路中能够通过集电环接入附加电阻。因此，在既要求限制起动电流又要求有较大起动转矩的场合，通常采用绕线转子异步电动机。鼠笼式异步电动机转子回路无法外接附

21、加电阻，考虑到运行效率，也不易设计成有较大的转子电阻，为了改善起动性能又保留鼠笼式电动机的结构优点，可以采用特殊结构形式的转子。电机界进行了大量研究工作，其中，以深槽式电动机和双鼠笼式电动机效果较好，其工作原理留待后文叙述.三、鼠笼式异步电动机的起动鼠笼式电动机有直接起动和降压起动两种方法。（一）直接起动小容量电动机起动方法直接起动也称为全压起动。这种起动方法最简便，不需要复杂的起动设备，但因起动电流较大，只允许在小容量电动机中使用。在一般电网容量下，7.5KW的电动机就认为是小容量，所以 的异步电动机可以直接起动。但是所谓小容量也是相对的，如果电网容量大就可以允许容量较大的电动机直接起动。因

22、此，对容量较大的电动机，若能满足下列要求，也可允许直接起动。式中，为笼型异步电动机的起动电流倍数，其值可根据电动机的型号和规格从有关手册中查得。（二）降压起动大中容量电动机轻载起动方法对于不允许直接起动的笼型异步电动机，为限制起动电流，只有降低加在绕组上的电压。图3-8 笼型异步电动机 电阻减压起动原理图但是由于和成正比，因此，这种方法只适用于空载或轻载起动的负载。降压起动时，可以采用近几年得到应用的电机软起动器，也可以采用传统的降压起动方法，前者在本书第二篇再作介绍，以下介绍三种传统的降压起动方法。1定子电路串电阻器或电抗器降压起动（1）起动线路定子串联电阻起动的原理线路图如图3-8所示。起

23、动时，先将转换开关QC投向“起动”侧，然后合上主开关Q，电机开始起动。此时起动电阻串入定子电路中，较大的起动电流在上产生了较大的电压降，从而降低了加到定子上的电压，限制了起动电流。当转速升高到一定数值时，把QC转换到“运行”侧，切除起动电阻，电动机全压起动，起动结束后将运行于某一稳定转速。在定子电路中串接电抗起动，效果相同，都能起到减小起动电流的目的。接线原理图同图3-8，只要将取代即可。定子串电阻起动能耗较大，所以只在电动机容量较小时使用。容量较大的异步电动机多用串电抗起动。（2）起动电流和起动转矩设加在定子绕组上的电压为U1，并令在式（3-22）中令直接起动时， 降压起动时，由式（3-17

24、）: 式中，分别为每相的短路电阻和电抗。由上可知，降压后，起动电流降低到全压时的1/，起动转矩将会降到全压时的（3）起动电阻或电抗的计算设起动时，定子绕组串入的电阻为则: 将代入上式化简后可得：如定子串电抗起动，则Xst的计算公式为最后还应校核起动转矩，应使之满足以下关系式中，为起动时的负载转矩，如不满足，则应考虑选用其他起动方法。（4）和的估算从上可知，要计算或，应预先知道电动机的短路参数和。和可根据电动机的铭牌值上给定的额定线电压和线电流估算。当定子Y接时当定子D（三角形）按时设电动机直接起动时的功率因数为，则 按一般电动机的平均数值，可认为2自耦变压器降压起动（1）起动线路这种起动方法是

25、利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。图3-9a为其接线图。起动时，把开关QC投向“起动”位置，这时自耦变压器一次绕组加全电压，而电动机定子电压仅为抽头部分的电压值，电动机减压起动。待转速接近稳定时,再把开关转换到“运行”位置，这样就把自耦变压器切除,电动机全电压运行，起动结束。（2）起动电流和起动转矩自耦变压器降压起动时，其一相电路如图（3-9b）所示，设自耦变压器的变比为Ka由电机学可知 （3-23）由图3-9b可见: （3-24） 为由电网供给的起动电流 （3-25）为额定电压下直接起动时的起动电流。起动转矩与加在电子绕组上的电压平方成正比，因此 （3-26）a）

26、接线图 b）自耦变压器一相电路图3-9 异步电动机自耦变压器减压起动原理线路图式（3-25）和式（3-26）表明，采用自耦变压器减压起动与直接起动相比较，电压降低到1Ka,起动电流和起动转矩都降低到全压起动时的1。与定子串电抗（或电阻）的起动方法比较，在同样的起动电流下，采用自耦变压器减压起动时，电动机可产生较大的起动转矩。故这种减压起动可带较大的负载。自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用。由于这种方法可获得较大的起动转矩，加上自耦变压器副边一般有三个抽头，可以根据允许的起动电流和所需的起动转矩选用，故这种起动方法在10kW以上的三相笼型异步电动机得到广泛应用。其缺点是起动设备

27、体积较大，初投资大，需维护检修。常用的起动用自耦变压器有和两种系列。 型的三个抽头分别为电源电压的55、64和73；型的40、60和80。自耦变压器容量的选择与电动机的容量、起动时间和连续起动次数有关。3Y起动 图3-10 异步电动机Y-起动原理线路图用这种方法起动的异步电动机，运行时定子绕组必须是接法,起动时改接成Y。（1）起动线路图3-10为Y起动时的原理线路图。起动时，将QC投向起动侧，再将Q合上，定子绕组结成Y，每相的电压为，实现降压起动，待转速接近额定值时，将QC投向运行侧，使定子绕阻接成全压运行。起动结束。（2）起动电流和起动转矩如图3-11设接法时电网供给的起动电流为 （3-27

28、） Y接法时电网供给的起动电流为 （3-28） （3-29）则式（3-29）表明，用Y减压起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的1/3。Y起动操作方便，起动设备简单，应用较为广泛。但由于以下几点使它的应用有一定的限制：只适用于正常运行为联结电动机，为便于推广Y起动方法，Y系列中，容量为4KW以上的电动机，绕组都是联结，额定电压为380V。由于起动转矩减小到直接起动时的1/3，故只适用于空载或轻载起动。这种起动方法的电动机定子绕组必须引出六图3-11 Y形和形接法时的电压和电流个出线端，这对于高电压电动机有一定的困难，所以Y起动只限于500V以下的低压电动机上。4减压起动方法的比较表3-1

29、列出了上述三种减压起动方法的主要数据，为便于说明问题，现将直接起动也列于表内。表3-1 减压起动方法比较起动方法U1/UNI1n/I1nTn/Tn优缺点直接起动111起动最简单，但起动电流大，起动转矩小，只适用于小容量轻载起动串电阻或电抗起动起动设备较简单，起动转矩较小，适用于轻载起动自耦变压器起动起动转矩较大，有三种抽头可选，起动设备较复杂，可带较大负载起动Y-起动起动设备简单，起动转矩较小，适用于轻载起动；只用于联结电机表中、和分别为起动电压、起动电流和起动转矩的相对值。表示减压起动加于定子一相绕组上的电压与直接起动时加于定子的额定相电压之比；表示减压起动时电网向电动机提供的线电流与直接起

30、动时的线电流之比； 为减压起动时电动机产生的起动转矩与直接起动时起动转矩之比。例3-2，一台三相笼型异步电动机，PN75kW，nN=1470r/min，U1N=380V，定子接，I1N=137.5A，N=2%,cos1N=0.90,起动电流倍数KI=6.5，起动转矩倍数KT=1.0, 拟带半载起动，电源容量为1000KV·，选择适当的起动方法。解：1）直接起动。电源允许电动机直接起动的条件是 因KI6.5>4，故该电动机不能采用直接起动法起动。2）半载指50额定负载转矩，尚属轻载，拟用减压起动：定子串电抗（电阻）起动从上面可知，电源允许该电动机的起动电流倍数KI=I1st/I1

31、N=4，而电动机直接起动的电流倍数 KI=I1st/I1N=6.5。定子串电抗（电阻）减压满足起动电流条件时，对应的a为对应的起动转矩为取a =1.625，虽满足了电源对起动电流的要求，但因Tst=0.38TN <TLst=0.5TN，起动转矩不能满足要求，故不能用定子串电抗（或电阻）的起动方法。Y-起动同样，起动电流可满足起动要求，而起动转矩不满足，故不能用Y起动法。自耦变压器起动设选用QJ2系列，其电压抽头为55、64、73。如选用64一档抽头时，变比K10.64=1.56起动转矩不能满足要求。如选用73一档时，变比根据计算结果，可以选用电压抽头为73的自耦变压器减压起动。四、特种笼

32、型转于异步电动机的起动普通笼型电动机，虽然结构简单、运行可靠，但其起动性能较差，只能应用在空载或轻载起动的生产机械上。例如，在一般的金属切削机床、鼓风机、泵等的拖动上使用。为了改善它的起动性能，即既要有较大的起动转矩，又要有较小的起动电流。除采用绕线型异步电动机外，常采用特殊结构形式转子的笼型电动机。使它在起动时，如同绕线转子异步电动机那样具有较大的转子电阻，以改善起动性能；而在运行时，又如普通笼型转子电动机那样具有较高的效率。最为常见的有深槽式和双笼型两种异步电动机，它们都是利用交流电流的“集肤效应”达到起动时转子电阻较大，而正常运行时转子电阻自动变小的要求。（一）深槽式异步电动机图3-12

33、 深槽笼型转子异步电动机a）槽漏磁分布 b）导条内电流密度分布 c）导条有效截面这种电动机的转子槽深而窄，通常槽深与槽宽之比为，当转子导条中通过电流时，槽漏磁通的分布如图3-12a所示。由图可见，与导条底部相交链的漏磁通比槽口部分所交链的漏磁通要多，因此，若把槽导条看成是由许多单元导体并联组成，则愈靠近槽底的导体单元的漏电抗愈大，而愈接近槽口部分的导体单元的漏电抗则愈小。在起动时，转子电流频率，转子漏电抗很大，因此各导体单元中电流的分配将主要决定于漏电抗。漏电抗愈大则电流愈小。这样在气隙主磁通所感应的相同电动势的作用下，导条中靠近槽底处的电流密度将很小，而靠近槽口处的则较大，沿槽高的电流密度分

34、布如图3-12b所示。电流的这种集肤效应，其效果相当于减小了转子导体的高度和截面，如图3-12c所示。因此，在起动时转子电阻增大了，满足了起动的要求。当起动完毕，电动机正常运行时，转差率s很小，转子电流频率很低，一般为，因此转子漏抗很小，集肤效应基本消失，导条内的电流分布均匀，转子电阻恢复到正常值，使电动机正常运行时铜耗小，效率高。由于深槽转子的漏磁通增多，所以正常运行时转子漏电抗较大，这就使得深槽异步电动机的过载能力和功率因数比普通型笼型异步电动机的要低。图3-13 双笼型异步电动机a）槽漏磁 b）机械特性（二）双笼型异步电动机它的转子上有两套导条，如图3-13a所示的外笼1和内笼2，这两套

35、笼型绕组一般都有各自的端环。两笼间由狭长的缝隙隔开，显然，与内笼相链的漏磁通比外笼的要多得多，也即内笼的漏电抗比外笼的大得多。外笼通常用电阻系数大的黄铜或青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；而内笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。起动时，转差率，转子电流频率较高，转子电抗大于电阻，两笼的电流分配取决于两者的漏抗大小。因为内笼具有较大的漏抗，转子电流被排挤到外笼中，起动时外笼起主要作用，所以外笼也称为起动笼。其对应的机械特性如图3-13b曲线1；起动结束，电机进入正常运行，很小，转子电流频率f2很低，转子漏抗远小于转子电阻，电流在两笼间的分配主要决定于电阻，因内笼电阻小，故

36、内笼在运行时起主要作用。所以，内笼是运行笼，其对应的机械特性如图3-13b曲线2。在不同的转速下把曲线1和曲线2对应的转矩相加，即可得到双笼型异步电动机的机械特性，如图3-13b曲线3。可见双笼型电动机具有较好的起动特性。如在制造时变更内、外笼的参数，便可得到不同形状的机械特性。图3-14 三相绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器的起动a）线路图 b）频敏变阻器等值电路 c）机械特性和深槽式电动机一样，双笼型异步电动机的功率因数和过载能力稍低，而且用铜量较多，制造工艺较复杂，价格较贵。因此，一般只用于小容量重载起动的场合。五、三相绕线转子异步电动机的起动这种电动机的起动方法，适用于大中容量异步电

37、动机重载起动。这是因为，当绕线转子异步电动机转子串入适当电阻起动时，既可增大起动转矩，又可限制起动电流，可以同时解决笼型异步电动机起动时存在的两个问题。绕线转子异步电动机起动有转子串接频敏变阻器和转子串接电阻两种起动方法。（一）转子串接频敏变阻器起动所谓频敏变阻器，实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。从结构上看，它好象是一个没有二次绕组的三相芯式变压器，只是它的铁心不是硅钢片而是用厚度为的钢板叠成，以增大铁耗。三个绕组分别绕在三个铁心柱上，并接成星形，然后接到转子滑环上。如图3-15a所示。图b为频敏变阻器每一相的等值电路，其中为频敏变阻器绕组的电阻，为带铁心绕组的电抗，为反映铁耗的等值电阻，

38、因其铁片厚，铁耗大，故值较一般电抗器大。图3-14a工作原理如下：电动机起动时，触头2Q断开，转子串人频敏变阻器，然后触头1Q闭合，接通电源，电动机起动。当电动机起动时，转子电流频率，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，即铁耗大，对应的大，使转子电路电阻增大，从而使起动电流减小，起动转矩增大。起动过程中，随转速上升，逐渐降低，频敏变阻器的铁耗及其相对应的等值电阻rmm也就随之减小这就相当于在起动过程中逐步切除转子电路串人的电阻。起动结束后，转子电路直接短路。图3-15 三相绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动a）接线图 b）机械特性因为频敏变阻器的等值电阻是随频率的变化而自动变化的，

39、因此称为“频敏变阻器”，它相当于一种无触点的变阻器。在起动过程中，它能自动、无级地减小电阻，如果它的参数选择适当，可以在起动过程中保持起动转矩近似不变，使起动过程加快。这时电动机的机械特性如图3-14c曲线2所示。曲线1为电动机的固有机械特性。频敏变阻器结构简单，运行可靠，使用维护方便，因此使用广泛。（二）转子串接电阻起动为加快起动过程，使整个起动过程中尽量保持较大的加速转矩，和直流电动机一样，绕线式异步电动机也采用逐段切除起动电阻的转子串电阻分级起动。它有转子串接对称电阻和不对称电阻两种情况，前者必须同时切换三相电阻，以保持起动过程中三相始终是对称的；而后者每相起动电阻并不同时切换，而是各相

40、轮流依次切换。下面就转子串接对称电阻的情况，介绍起动过程和起动电阻的计算。图3-15所示为绕线型三相异步电动机转子串对称电阻分级起动的接线图以及与之相对应的三级起动的机械特性。1起动过程串入转子电路的起动电阻分成段，在起动过程中逐步切除。在图3-15中，曲线1对应于转子电阻为的人为特性；曲线2对应于转子电阻为+r2的人为特性，曲线3对应于电阻为，曲线4为固有机械特性。 开始起动时，n0，全部电阻接入，这时的起动电阻为，随转速上升。转速沿曲线1变化，转矩逐渐减小，当减到时，接触器触头1K闭合，切除，电动机的运行点由曲线1（b点）跳变到曲线2（c点），转矩由跃升为；电动机的转速和转矩又沿曲线2变化

41、，待转矩又减到时，触头2K闭合，电阻被切除，电机运行点由曲线2（d）跳变到曲线3（e），电动机的转速和转矩又沿着曲线3变化，最后3K闭合，起动电阻全部切除，转子绕组直接短路，电动机运行点沿固有特性变化，直到电磁转矩与负载转矩相平衡，电动机稳定运行。如图3-15b中的h点。2起动电阻的计算根据式（3-21），n常数，即s常数时，转矩与成反比，即而，故在一定转速下，电磁转矩的大小与转子电路的总电阻成反比，即（3-30）这是计算起动电阻的依据。在图3-15中，特性4与特性3相对应的转子电阻为，根据两点的转速相等，由式（3-30）得对于d,e两点则得对于三级起动显然可得式中，为起动转矩比，即相邻两级极

42、起动总电阻之比。已知转子每相电阻和起动转矩比时，各级总电阻为在一般情况下，当起动级数为m时，则最大起动总电阻为以下确定和m.在图3-15中，特性4和特性1在时，由上式可得 （3-31）从固有特性曲线4和直线构成的相似三角形可得由此代入式（3-31）得如推广到一般情况，代入上式可得 （3-32）如起动级数未知时，将式（3-32）两边求对数至此可归纳出计算起动电阻的步骤：当起动级数已知时，则1预选，计算；2验算，是否满足。（1.1-1.2）TL，如不满足，则应重选较大的值或增加级数，重新计算；3计算， ，用和计算各级电阻值。式中为转子额定电势，可在电动机铭牌上查得，这个值即为定子加额定电压转子开路

43、时两集电环间的电压；为转子额定电流。当起动级数未知时，则1预选和，求；2计算取接近的整数，再修正和T2；3计算r2，由r2和值计算各级电阻值。至于起动电阻每段的电阻值，可由相邻两级总电阻值相减求得。例3-4，某起重冶金用绕线转子异步电动机的部分技术数据为： 如果负载转矩，试求三级起动电阻值。解：1预选2验算满足要求。3计算各段电阻值各级总电阻值：各段电阻值：每相起动总电阻上面介绍的是绕线转子异步电动机转子串对称电阻起动的情况。这种情况所用的开关元件和电阻器较多，特别是起动级数较多时（通常起动级数M为35级），设备庞大。有时绕线转子异步电动机在起动和调速时，转子串接不对称电阻。起动时转子每相所串

44、的电阻总是不等的，分为大、中间和最小三种，每次切换时只将电阻最大那一相的电阻切除一段，并使这一相的电阻变为最小，按此规律切除起动电阻，最后一级的两段电阻将同时切除。在起动加速级（即机械特性数目）相同时，不对称电阻系统起动时所用的开关元件和电阻器大约是对称电阻系统时的1/3。由于这种控制方式比较经济、简单，故广泛应用于起重和冶金机械上。六、异步电动机起动时间和起动时能耗的计算（一）起动时间的计算三相异步电动机拖动系统的起动过程和直流电机拖动系统一样，也有电磁过渡过程和机械过渡过程，但是电磁过渡过程很快，对电动机的加速影响不大，所以只研究机械过渡过程。下面介绍用解析法来推导起动过渡过程时间的公式，

45、并由此分析影响起动时间的因素和缩短起间的途径。设异步电动机是空载起动，即。这时电机拖动系统的运动方程式为考虑到异步电动机机械特性的实用表达式为故= 而代入上式 （3-32） 为异步电机拖动系统的机电时间常数，将式（3-32）两边积分，求得起动时间为 （3-33）式中，和分别为加速时转差率的起始值和终了值。将上式整理后可得计算起动时间的一般公式为 （3-34）如果拖动系统是空载起动，则，对应起动时间。但在工程实践中，当时即认为起动过程结束。以此条件代入式（3-34），得空载起动时间为 （3-35）由式（3-34）和式（3-35）可见，当系统的机电时间常数一定时，起动时间与临界转差率值有关。从式（

46、3-35）不难看出，必然存在一个最佳临界转差率，它所对应的起动时间为最短。现求最短时的值，令，最后可得这就是说，当时，空载起动时间为最短，大于或小于0.407，起动时间都将延长。图3-16绘出不同值时的三条机械特性。由图可见，当时的那条机械特性，由到的起动范围内，特性所包围的面积为最大，所以其平均转矩最大，起动时间为最短。由于普通笼型转子异步电动机的，与最佳值0.407相差较远，所以起动时间较长。因此对于那些要经常起动制动作周期性运转的生产机械，为提高生产率，应采用转子电阻较高的高转差率异步电动机拖动，以缩短起动时间。若拖动电机为绕线转子异步电动机，则可以采用在转子电路中串接电阻的方法以提高值

47、，从而缩短起动时间。 图3-16 不同对应的机械特性曲线（二）起动时的能量损耗异步电动机起动时的电流较大，会产生较大的能量损耗。下面分析异步电动机起动时的能量损耗，以了解起动时能耗的大小与哪些因素有关，从而寻求减小能量损耗的措施。异步电动机起动时同样存在着铁耗和机械损耗，但与定、转子的铜耗相比，要小得多，为突出主要问题，使分析简化，只考虑铜损耗，即定、转子电路电阻上的损耗。异步电动机起动时，定子和转子中的铜耗可用下式求得如果忽略空载电流，则 ，代入上式得： （3-36）当电动机拖动系统是在空载情况下起动时，即负载转矩TL0，拖动系统的运动方程式为因nn1(1-s)，t代入上式可得： （3-37

48、）另外转子电路中的能量损耗还可以用下列关系来推得：式中，T、Pm和分别为异步电动机的电磁转矩、电磁功率和旋转磁场的同步机械角速度。由上式可知：=Ts （3-38）将式（3-38）和式（3-37）一并代入式（3-36），经整理后得：这就是异步电动机起动过程中从s1加速到s2时能量损耗的计算公式。如果电动机是从静止状态（s10）起动到同步转速（s2=0），则上式表明，起动时的损耗与电动机拖动系统的动能贮存量成正比，并随转子电阻的增加而减小。通过上述分析可以看出，要减小起动时的能量损耗，其措施是：（1）减小拖动系统动能的贮存量。对于经常起动和制动的电动机，可选用转动惯量较小的专用电动机，如起重冶金工

49、业用异步电动机；也可采用两台一半功率的电动机组成双机拖动系统。（2）降低同步转速。拖动系统采用多速电动机，起动过程采用变极起动，起动时定子绕组接成多极对数(即较低)，起动一段时间后换接成少极对数（即较高），这样可降低起动过程的能耗；如拖动系统的异步电动机采用变频起动，则加到定子绕组的电源频率由低到高逐渐上升，对应的同步转速也由低到高，这样将大大减少起动过程的能耗。（3）提高转子电路的电阻。异步电动机转子电路的电阻增大，可使起动过程中的定子电路能量损耗降低。对于绕线转子异步电动机，起动时可在转子电路串接电阻；对于笼型转子，可采用高转子电阻的，即高转差率异步电动机。高转差率异步电动机不仅可以减少起

50、动过程中的能量损耗，还可以缩短起动过程的时间。例3-4，有一台双速笼型异步电动机， ，已知拖动系统的转动惯量铁耗和机械损耗可以忽略。试求：（1）单级起动到最高转速时电动机的能量损耗与起动时间；（2）分两级起动到最高转速时，电机的能量损耗与起动时间。解：（1）单级起动时能耗所以 起动时间 （2）两级起动时能耗第一级：第二级：总的能耗 由此可见，分级起动比单级起动的能耗几乎小一半。起动时间第一级：第二级：的起动时间为总的起动时间可见，两级起动比单级起动所需的时间也短一些。第三节 三相异步电动机的制动本节学时 2学时本节重点 1、三相异步电机的制动方法2、三相异步电机能耗制动、反接制动、回馈制动的原

51、理分析、能量分析及机械特性分析教学方法 通过与他励直流电机制动的对比分析，得出三相异步电机的三种制动方法，在此基础上分析了能耗制动、反接制动、回馈制动。并利用机械特性详细分析了各种制动下电机的运行情况，联系实际拖动系统分析了各种制动方法的应用。教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容:与直流电动机一样，三相异步电动机也有电动和制动两种运行状态。电动运行状态的特点：电磁转矩T与转速n同方向。这时电动机从电网吸取电功率，输出机械功率，机械特性位于第一和第三象限。制动运行状态的特点是：电磁转矩T与转速n反方向，转矩T对电动机起制动作用。制动时，

52、电动机将轴上吸收的机械能转换成电能，该电能或者消耗于转子电路中，或者反馈回电网。制动时的机械特性位于第二和第四象限。异步电动机制动的目的仍然是使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速；对于位能性负载，用制动可获得稳定的下降速度。异步电动机的制动方法同样有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。一、能耗制动（一）制动原理 异步电动机能耗制动的线路图如图3-17a所示。制动时，接触器触点1K断开，电动机脱离电网，然后立即将接触器2K的常开触点闭合，在定子绕组中通入直流电流I，于是在电动机内产生一个恒定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，转子切割此恒定磁场，从而在转子导体中感应电势产生电流，由图3-17b可以判定，转子电流与恒定磁场所产生的电磁转矩的方向与转子转向相反，为一制动转矩，使转速下降。当转速 图3-17 异步电动机能耗制动的线路图 图3-18 异步电动机能耗制动时的机械特性n0，转子电势和电流均为零，制动过程结束。这种方法将转子的动能变为电能消耗于转子电阻上（对绕线转子电动机包括转子的串接电阻），所以称为能耗制动。（二）机械特性曲线异步电动机能耗