第09章-交流电机拖动基础

1、-1-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础电机与拖动基础（第电机与拖动基础（第2版）版） 第一节第一节 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性第二节第二节 异步电动机的起动异步电动机的起动第三节第三节 异步电动机的调速异步电动机的调速第四节第四节 异步电动机的制动异步电动机的制动第五节第五节 同步电动机的电力拖动同步电动机的电力拖动*-2-引引 言言 本章是交流电机拖动的基础，主要以异步电动机本章是交流电机拖动的基础，主要以异步电动机为重点，以稳态分析为手段，讨论交流电力拖动系统为重点，以稳态分析为手段，讨论交流电力拖动系统的起动、调速和制动的原理、方法及性能。第一节主的起动、调速

2、和制动的原理、方法及性能。第一节主要介绍异步电动机的机械特性；第二节介绍异步电动要介绍异步电动机的机械特性；第二节介绍异步电动机的起动性能和起动方法；第三节介绍异步电动机的机的起动性能和起动方法；第三节介绍异步电动机的调速原理；第四节介绍异步电动机的制动方法和特性；调速原理；第四节介绍异步电动机的制动方法和特性；第五节讨论同步电动机的起动和调速等问题。第五节讨论同步电动机的起动和调速等问题。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 -3-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 第一节第一节 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和

3、参数固定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，电磁转矩的条件下，电磁转矩Te与转速与转速n（或转差率（或转差率s）之间的函数关系。）之间的函数关系。 一、机械特性的三种表达式一、机械特性的三种表达式 1. 物理表达式物理表达式 在第七章我们已导出异步电动机的电磁转矩公式在第七章我们已导出异步电动机的电磁转矩公式 2rmTecosICT （9-1）sr22srsr0/UIRRsXX2022)(cosrrrsXRR 这样，由上式可间接得到异步电动机的机械特性关系。虽然不这样，由上式可间接得到异步电动机的机械特性关系。虽然不能直接得到异步电动机的机械特性关系，但因其在形式上

4、与直流电能直接得到异步电动机的机械特性关系，但因其在形式上与直流电动机的转矩方程相似，物理概念清楚，因此被称为机械特性的物理动机的转矩方程相似，物理概念清楚，因此被称为机械特性的物理表达式。表达式。 -4- 2. 参数表达式参数表达式 根据异步电动机电磁转矩与电磁功率的关系，可以写出电磁根据异步电动机电磁转矩与电磁功率的关系，可以写出电磁转矩与转子电流的关系转矩与转子电流的关系 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础22rrrre11p3/3/2/602 /I RsI RsTnfn22psrsre222211srsr0srsr03/3/22/60n U RsU RsTnfRRsXXRR

5、sXX（9-4） 在上式中，固定在上式中，固定Us、f1及阻抗等参数，电磁转矩只是转差率及阻抗等参数，电磁转矩只是转差率的函数，也就是异步电动机的机械特性关系的函数，也就是异步电动机的机械特性关系 。这里，电。这里，电磁转矩方程是以异步电动机参数的形式表示的，便于根据电动机磁转矩方程是以异步电动机参数的形式表示的，便于根据电动机参数进行计算，因此称为机械特性的参数表达式。由参数进行计算，因此称为机械特性的参数表达式。由 便便可画出可画出Te - s曲线。曲线。 )(eTfn )(eTfn -5-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 3. 实用表达式实用表达式 实际应用时，三相异步电动

6、机的参数不易得到，所以参数表实际应用时，三相异步电动机的参数不易得到，所以参数表达式使用不便。若能利用异步电机产品目录中给出的数据，找出达式使用不便。若能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，即便是比较粗糙，但也很有实用价异步电动机的机械特性公式，即便是比较粗糙，但也很有实用价值，这就是实用公式。值，这就是实用公式。 (1) 最大电磁转矩最大电磁转矩 在参数表达式（在参数表达式（9-4）中令）中令 ， 可得到最大电磁转矩可得到最大电磁转矩 0d/desT2psem221sssr03122n UTfRRXX （9-5）最大转矩对应的转差率称为临界转差率，用最大转矩对应的

7、转差率称为临界转差率，用sm表示为表示为 rm22ssr0RsRXX （9-6）-6-式中式中“+”号适用于电动机状态；号适用于电动机状态；“-”号适用于发电机状态。号适用于发电机状态。 一般情况下，一般情况下， 的值不超过的值不超过 值的值的5%，可以忽略，可以忽略Rs的影响。这样的影响。这样第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础2sR2sr0()XX2psem1sr0312 2 ()n UTf XX rmsr0()RsXX （9-7） 也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩的也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩的绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相

8、等，机械特性绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。具有对称性。 上两式说明：上两式说明：最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。 -7- 最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用称过载能力，用 表示为表示为第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础NemTT（9-8） (2) 实用表达式的推导实用表达式的推导 用式（用式（9-4）去除以式（）去除

9、以式（9-5）得）得 22rsssr0e22emsrsr02() (/ )() R RRXXTTs RRsXX22ssr0rm/RXXRs因为因为 qssssqsRRsssssRRRRsRsRssRRRTTmmmrsmmmrsrs2r2m2rmrsreme221222-8-其中其中第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础sr222rssr0sr0s221RRqRRXXXXR 当定子电阻的范围为当定子电阻的范围为 ，q 的范围为的范围为 。若定子电阻满足若定子电阻满足 ，就有，就有 。所以只要满足定子。所以只要满足定子电阻很小的条件上式可简化为电阻很小的条件上式可简化为 s0R20 qss

10、r0RXX0qssssTTmmeme2（9-9） 这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。-9- (3) 实用公式的使用实用公式的使用 从实用公式可知，必须在知道最大转从实用公式可知，必须在知道最大转矩矩Tem和临界转差率和临界转差率sm的基础上才能进行计算。的基础上才能进行计算。 额定输出转矩额定输出转矩T2N可以通过额定功率可以通过额定功率PN和额定转速和额定转速nN计算，计算，在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为TN=T2N。另外，过载。另外，过载能力可以从产品目录中查到，这样能力可以从产品目录中查到，这样 。

11、将额定工作点的将额定工作点的sN和和TN代入式（代入式（9-9），得），得第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础NemTTNmmN21ssss（9-10）12Nmss（9-11）-10- 这样在实用表达式中，在按产品目录求出这样在实用表达式中，在按产品目录求出Tem与与sm后，只剩下后，只剩下Te与与s两个未知数了。如欲绘制异步电动机的机械特性，只要给定两个未知数了。如欲绘制异步电动机的机械特性，只要给定一系列的一系列的s值，按实用表达式求出相应的值，按实用表达式求出相应的Te值即可绘制出机械特性值即可绘制出机械特性曲线。曲线。 当电动机在额定负载以下运行时，转差率当电动机在额定负载以

12、下运行时，转差率s很小，很小， ，实用表达式可进一步近似写为实用表达式可进一步近似写为 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础smmsssssTTmeme2（9-12）由此可见，当由此可见，当 时，时，Te与与s成正比，机械特性是一条直线。上式成正比，机械特性是一条直线。上式称为机械特性的近似计算公式，应用这个公式时，称为机械特性的近似计算公式，应用这个公式时，sm可按下式计可按下式计算算 Nss Nm2 ss（9-13）-11- 对于异步电动机机械特性的对于异步电动机机械特性的3种表达式，其应用场合各有不种表达式，其应用场合各有不同。一般物理表达式适用于定性地分析同。一般物理表达式适

13、用于定性地分析 Te 与与 及及 间的间的关系；参数表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的关系；参数表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。 二、固有机械特性二、固有机械特性 1. 固有机械特性曲线固有机械特性曲线 三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变时，在定转三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变时，在定转子回路中不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械子回路中不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。其特性。其T-s曲线（也即曲线（也即T-n曲线）见图曲线）见图9

14、-1所示。其中曲线所示。其中曲线1为电为电源正相序时的机械特性曲线，此时异步电动机处于正向电动运源正相序时的机械特性曲线，此时异步电动机处于正向电动运行状态；曲线行状态；曲线2为电源负相序时的机械特性曲线，此时异步电动为电源负相序时的机械特性曲线，此时异步电动机处于反向电动运行状态。机处于反向电动运行状态。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础m22cosI-12- 异步电机的机械特性可视为异步电机的机械特性可视为由两部分组成，即当由两部分组成，即当 时，时，机械特性近似为直线，称为机械特性近似为直线，称为机械机械特性的直线部分特性的直线部分，又可称为，又可称为工作工作部分部分，因为

15、电动机不论带何种性，因为电动机不论带何种性质的负载均能稳定运行；当质的负载均能稳定运行；当 时，时，机械特性为一曲线，称为机械特性为一曲线，称为机械特机械特性的曲线部分性的曲线部分，有时又称之为，有时又称之为非非工作部分工作部分。但所谓非工作部分是。但所谓非工作部分是仅对恒转矩负载或恒功率负载而仅对恒转矩负载或恒功率负载而言的，因为电动机这一特性段与言的，因为电动机这一特性段与这类负载转矩特性的配合，使电这类负载转矩特性的配合，使电力拖动系统不能稳定运行，而对力拖动系统不能稳定运行，而对于泵类风机性负载，则在这一特于泵类风机性负载，则在这一特性段上系统却能稳定工作。性段上系统却能稳定工作。 第

16、九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础NLTT mss -13- 2. 起动转矩起动转矩 三相异步电动机起动时，即三相异步电动机起动时，即n = 0，s = 1时的电磁转矩称为起时的电磁转矩称为起动转矩，用动转矩，用Tst 表示。将表示。将s = 1代入式（代入式（9-4）中，得到起动转矩）中，得到起动转矩第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础2psrst221srsr032 ()() n U RTfRRXX（9-14） 从式中看出，从式中看出，Tst 与电压平方成正比，漏电抗越大，起动转矩与电压平方成正比，漏电抗越大，起动转矩越小。将起动转矩与额定电磁转矩的比值称为起动转矩倍数

17、，用越小。将起动转矩与额定电磁转矩的比值称为起动转矩倍数，用KT 表示表示NstTTTK（9-15） 电动机起动时，起动转矩电动机起动时，起动转矩Tst大于大于1.11.2倍的负载转矩就可倍的负载转矩就可以顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数以顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数KT = 0.81.2。-14- 3. 稳定运行问题稳定运行问题 三相异步电动机的机械特性在三相异步电动机的机械特性在 范围内，是一根下斜范围内，是一根下斜的曲线。根据电力拖动系统稳定条件，三相异步电动机拖动恒转的曲线。根据电力拖动系统稳定条件，三相异步电动机拖动恒转矩负载和泵类负载运行时，均能稳定运行。而在矩负载和泵

18、类负载运行时，均能稳定运行。而在 范围，范围，机械特性上翘，如果三相异步电动机拖动恒转矩负载将不能稳定机械特性上翘，如果三相异步电动机拖动恒转矩负载将不能稳定运行。但如果是拖动泵类负载，若满足运行。但如果是拖动泵类负载，若满足 的条件，的条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势势 比正常运行时大很多。这将造成转子电流、比正常运行时大很多。这将造成转子电流、 定子电流定子电流均很大，因此不能长期运行。所以，三相异步电动机稳定运行在均很大，因此不能长期运行。所以，三相异步电动机稳定运行在 范围内，长期稳定运行在范围内，

19、长期稳定运行在 范围内。范围内。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础m0ss 1m ssnTnTd/dd/dLer0rsEE m0ss N0ss -15- 三、人为机械特性三、人为机械特性 三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或增大定、转子阻抗的情况下，增大定、转子阻抗的情况下， 所得到的机械特性称为人为机械特所得到的机械特性称为人为机械特性。性。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 1. 降低定子端电压降低定子端电压的人为机械特性的人为机械特性 在电磁转矩的参数表在电磁转矩的参数表达式中，保持其它量都不

20、达式中，保持其它量都不变，只改变定子电压变，只改变定子电压Us的的大小。由于异步电动机的大小。由于异步电动机的磁路在额定电压下工作于磁路在额定电压下工作于近饱和点，故不宜再升高近饱和点，故不宜再升高电压，所以只讨论降低定电压，所以只讨论降低定子电压子电压Us时的人为机械特时的人为机械特性。性。 -16- 2. 定子回路串三相对称电阻的人为机械特性定子回路串三相对称电阻的人为机械特性 定子回路串入电阻并不影响同步转速定子回路串入电阻并不影响同步转速n1，但是最大电磁转，但是最大电磁转矩矩Tem、起动转矩、起动转矩Tst 和临界转差率和临界转差率 sm都随着定子回路电阻值的都随着定子回路电阻值的增

21、大而减小。增大而减小。第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-17- 3. 定子回路串三相对称电抗的人为机械特性定子回路串三相对称电抗的人为机械特性 定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率，似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率， 而串电阻时电阻消而串电阻时电阻消耗有功功率。耗有功功率。 4. 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性转子回路串三相对称电阻的人为机械特性 绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路后再三相短路。转

22、子回路串入电阻并不影响同步转入转子回路后再三相短路。转子回路串入电阻并不影响同步转速速n1。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入电阻后，电阻后，Tem不变。不变。 由于临界转差率与转子回路电阻成正比，由于临界转差率与转子回路电阻成正比，当转子串入电阻后当转子串入电阻后sm增大。转子回路串三相对称电阻的人为机增大。转子回路串三相对称电阻的人为机械特性如图械特性如图9-4所示。所示。第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-18-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 从图从图9-4看出，看出，在转子回路中串入合适的电阻，

23、可以增大起在转子回路中串入合适的电阻，可以增大起动转矩动转矩，当所串入的电阻满足，当所串入的电阻满足 rmsr01RRsXX（9-16）则有则有 ，即起动转矩为最，即起动转矩为最大电磁转矩，其中大电磁转矩，其中 。但是若串入转子回路的电阻再但是若串入转子回路的电阻再增加，则增加，则 ， 。因。因此，此，转子回路串电阻增大起动转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。是有一个限度。 emstTT RkkRie1semstTT 例例9-19-1-19-第二节第二节 异步电动机的起动异步电动机的起动 异步电动机定子绕组接入电网后，异步电动机定子绕组接入电

24、网后， 转子从静止状态到稳定运转子从静止状态到稳定运行状态的过程，称为异步电动机的起动。行状态的过程，称为异步电动机的起动。 在电力拖动系统中，通在电力拖动系统中，通常要求电动机应具有足够大的起动转矩，常要求电动机应具有足够大的起动转矩， 以拖动负载较快地达到以拖动负载较快地达到稳定运行状态，而起动电流又不要太大，稳定运行状态，而起动电流又不要太大， 以免引起电网电压波动以免引起电网电压波动过大，而影响电网上其它负载的正常工作。过大，而影响电网上其它负载的正常工作。 因此，衡量异步电动因此，衡量异步电动机起动性能的主要指标是机起动性能的主要指标是起动转矩倍数起动转矩倍数KT=Tst /TN和和

25、起动电流倍数起动电流倍数KI=Ist / IN。 一、异步电动机起动性能分析一、异步电动机起动性能分析 普通的异步电动机普通的异步电动机 如果不采取任何措施如果不采取任何措施 而直接接入电网起动而直接接入电网起动时，时，往往起动电流往往起动电流Ist 很大，而起动转矩很大，而起动转矩Tst 不足。不足。其原因可以根据其原因可以根据下面异步电动机的转矩公式来分析。下面异步电动机的转矩公式来分析。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-20-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 在起动初始，异步电动机转速为在起动初始，异步电动机转速为n = 0，转差率，转差率s = 1，转子电

26、流，转子电流的频率的频率f2=sf1，转子绕组的电动势，转子绕组的电动势sEr0=Er0，比正常运行时（，比正常运行时（s = 0.010.05）的电动势值大）的电动势值大20倍以上，此时转子电流倍以上，此时转子电流Ir很大，定子很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；很大；其次，其次，由于转子频率很高（由于转子频率很高（f2=sf1 50Hz），转子漏磁），转子漏磁sXr0Rr，使得转子内的功率因数，使得转子内的功率因数cos2很小，所以尽管起动时转很小，所以尽管起动时转子电流子电流Ir 很大，但其有功分

27、量很大，但其有功分量Ircos2并不大，而且，由于起动电并不大，而且，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势Es和与之成和与之成正比的主磁通正比的主磁通 m减小，因此起动转矩减小，因此起动转矩Tst并不大。并不大。2rmTecosICT 2r02r0rr)/(XsREI2r02rr2)/(/cosXsRsR-21- 总之，异步电动机在起动时存在以下两种矛盾：总之，异步电动机在起动时存在以下两种矛盾： 1）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限；）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限； 2）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩

28、才能起动。）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能起动。 因此，应根据情况，针对主要矛盾，寻求不同的解决方法。因此，应根据情况，针对主要矛盾，寻求不同的解决方法。下面按下面按4种情况分别讨论常用的异步电动机的起动方法。种情况分别讨论常用的异步电动机的起动方法。 二、小容量电动机的轻载起动二、小容量电动机的轻载起动直接起动直接起动 直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上接到具有额定电压的电网上,也称为全压起动。这种起动方法的也称为全压起动。这种起动方法的优点是操作简便、起动设备简单；缺点是起动电流大，会引起优

29、点是操作简便、起动设备简单；缺点是起动电流大，会引起电网电压波动。现代设计的笼型异步电动机，本身都允许直接电网电压波动。现代设计的笼型异步电动机，本身都允许直接起动。因此对于笼型异步电动机而言，直接起动方法的应用主起动。因此对于笼型异步电动机而言，直接起动方法的应用主要受电网容量的限制。要受电网容量的限制。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-22- 三、中、大容量电动机轻载起动三、中、大容量电动机轻载起动降压起动降压起动 若电动机容量较大，则不能直接起动。此时，若仍是轻载若电动机容量较大，则不能直接起动。此时，若仍是轻载起动，起动时的主要矛盾就是起动电流大而电网允许冲击电流起动，

30、起动时的主要矛盾就是起动电流大而电网允许冲击电流有限的矛盾，对此只有减小起动电流才能予以解决。而对于笼有限的矛盾，对此只有减小起动电流才能予以解决。而对于笼型异步电动机，减小起动电流的主要方法是降压起动。型异步电动机，减小起动电流的主要方法是降压起动。 1. 星形星形-三角形（三角形（Y-）换接起动）换接起动 Y-换接起动方法只适用于正常运行时定子绕组接成三角形换接起动方法只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机，其每相绕组均引出两个出线端，三相共引出六个出的电动机，其每相绕组均引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在起动时将定子绕组接成星形，起动完毕后再换接成三线端。在起动时将定子绕组接

31、成星形，起动完毕后再换接成三角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的作电压的 。 设起动时接成设起动时接成Y形的定子绕组的线电压为形的定子绕组的线电压为Us，该电压也就是，该电压也就是电网电压，则相电压为电网电压，则相电压为 。这时线电流与相电流相等，则。这时线电流与相电流相等，则Y形起动电流为形起动电流为 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础3/ 13/sUssstY3ZUI-23- 三角形连接时每相绕组的相电压与线电压相等为三角形连接时每相绕组的相电压与线电压相等为Us，相电，相电流是线电流的流是线电流的

32、 ，即，即形起动电流为形起动电流为 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础3/ 1ssst3ZUI31ststYII-24- 2. 自耦降压起动自耦降压起动 自耦降压起动方法就是利用三相自耦变压器降低加到电动自耦降压起动方法就是利用三相自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流的起动方法。采用自耦变机定子绕组的电压，以减小起动电流的起动方法。采用自耦变压器降压起动时，自耦变压器的一次侧（高压边）接电网，二压器降压起动时，自耦变压器的一次侧（高压边）接电网，二次侧（低压边）接到电动机的定子绕组上，待其转速基本稳定次侧（低压边）接到电动机的定子绕组上，待其转速基本稳定时，再把电

33、动机直接接到电网上，同时将自耦变压器从电网上时，再把电动机直接接到电网上，同时将自耦变压器从电网上切除。切除。第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-25- 根据变压器原理，可知根据变压器原理，可知 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 设设I2为定子绕组电压为为定子绕组电压为U2时的起动电流，时的起动电流，Ist为全电压为全电压U1时的时的起动电流，则起动电流，则（9-19）根据以上两式，可得根据以上两式，可得122112NNIIUU12st2UUII212st1NNII-26- 上式表明：利用自耦变压上式表明：利用自耦变压器后，电动机端电压器后，电动机端电压 Us=U2

34、降降到到 ，定子电流，定子电流Is=I2也也降到降到 ， 通过自耦变压通过自耦变压器，又使从电网上吸取的电流器，又使从电网上吸取的电流I1 降低为全电压起动电流降低为全电压起动电流 Ist的的 。由于。由于 ，而异步机的电磁转矩而异步机的电磁转矩 ，所以利用自耦变压器后，起动所以利用自耦变压器后，起动转矩也降到转矩也降到 （Tst为全为全电压电压U1时的起动转矩），即时的起动转矩），即起起动转矩与起动电流降低同样的动转矩与起动电流降低同样的倍数。倍数。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础112/UNNst12/INN212/ NN112s/UNNU 2seUT st212/TNN-

35、27- 3. 串电阻（抗）起动方法串电阻（抗）起动方法 所谓串电阻（抗）起动，即起动时，在电动机定子电路中所谓串电阻（抗）起动，即起动时，在电动机定子电路中串接电阻或电抗，待电动机转速基本稳定时再将其从定子电路串接电阻或电抗，待电动机转速基本稳定时再将其从定子电路中切除。中切除。 由于起动时，由于起动时， 在串接电阻或电抗上降掉了一部分电在串接电阻或电抗上降掉了一部分电压，所以加在电动机定子绕组上的电压就降低了，相应地起动压，所以加在电动机定子绕组上的电压就降低了，相应地起动电流也减小了。电流也减小了。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础例例9-29-2-28- 该起动方法的该起动

36、方法的优点是起动电流冲击小，运行可靠，起动设优点是起动电流冲击小，运行可靠，起动设备构造简单；缺点是起动时电能损耗较多。备构造简单；缺点是起动时电能损耗较多。 笼式异步电动机定子串接电阻（抗）降压起动时，串接电笼式异步电动机定子串接电阻（抗）降压起动时，串接电阻的大小应根据电动机的参数及起动要求来选择计算，阻的大小应根据电动机的参数及起动要求来选择计算， 具体计具体计算方法可参阅教材相关内容。算方法可参阅教材相关内容。 4. 延边三角形起动方法延边三角形起动方法 图图9-9a为正常运行时为三角形联结的电动机（为正常运行时为三角形联结的电动机（380/660V）的定子三相绕组，每相绕组的中间引出

37、一个出线端，故定子三的定子三相绕组，每相绕组的中间引出一个出线端，故定子三相绕组共有相绕组共有9个出线端。如起动时将绕组的个出线端。如起动时将绕组的1、2、3三个出线端三个出线端接电源；接电源；4、5、6三个出线端分别与三个中间出线端三个出线端分别与三个中间出线端8、9、7相相连，如图连，如图9-9b所示，即成了所谓的延边三角形联结法。所示，即成了所谓的延边三角形联结法。 三相绕组联结成延边三角形时，绕组的相电压低于电源电三相绕组联结成延边三角形时，绕组的相电压低于电源电压，且降低值与绕组的中间引出端的抽头比例有关。因此在起压，且降低值与绕组的中间引出端的抽头比例有关。因此在起动过程中，将定子

38、绕组联结成延边三角形，可使定子绕组的电动过程中，将定子绕组联结成延边三角形，可使定子绕组的电压降低，也能减小起动电流。压降低，也能减小起动电流。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-29- 延边三角形起动具有体积小、质量轻、允许经常起动等优点，延边三角形起动具有体积小、质量轻、允许经常起动等优点，而且采用不同的抽头比例，可以得到延边三角形联结法的不同相而且采用不同的抽头比例，可以得到延边三角形联结法的不同相电压，其值比星形电压，其值比星形-三角形换接起动时星形联结法的电压值高，三角形换接起动时星形联结法的电压值高，因此其起动转矩比星形因此其起动转矩比星形-三角形换接起动时大，它能用

39、于重载起三角形换接起动时大，它能用于重载起动。延边三角形起动法预期将获得进一步推广，并将逐步取代动。延边三角形起动法预期将获得进一步推广，并将逐步取代自耦降压起动方法。其缺点是电动机内部接线较为复杂。自耦降压起动方法。其缺点是电动机内部接线较为复杂。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-30- 四、小容量电动机重载起动四、小容量电动机重载起动笼型异步电动机的特殊形式笼型异步电动机的特殊形式 小容量电动机重载起动时的主要矛盾是起动转矩不足。解决小容量电动机重载起动时的主要矛盾是起动转矩不足。解决这一矛盾的方法有两个：一是按起动要求选择容量大一号或更大这一矛盾的方法有两个：一是按起动要

40、求选择容量大一号或更大些的电动机；些的电动机； 另一是选用起动转矩较高的特殊形式的笼型电动另一是选用起动转矩较高的特殊形式的笼型电动机。机。 通过改进其内部的结构，获得较好起动性能的特殊型式的笼通过改进其内部的结构，获得较好起动性能的特殊型式的笼型异步电动机，主要有高转差率笼型异步电动机、深槽式异步电型异步电动机，主要有高转差率笼型异步电动机、深槽式异步电动机、双笼型异步电动机等。这些特殊形式的笼型异步电动机的动机、双笼型异步电动机等。这些特殊形式的笼型异步电动机的共同特点是起动转矩较大。共同特点是起动转矩较大。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-31- 1. 高转差率鼠笼式异步

41、电动机高转差率鼠笼式异步电动机 这种电动机的转子导条不是采用普通的铝条，而是采用电阻这种电动机的转子导条不是采用普通的铝条，而是采用电阻率较高的率较高的ZL-14铝合金，铝合金， 通过适当地加大转子导条的电阻来改善通过适当地加大转子导条的电阻来改善起动性能，这样既可限制起动电流，又可增大起动转矩。但这种起动性能，这样既可限制起动电流，又可增大起动转矩。但这种电动机在稳定运行时转差率比普通的鼠笼式电动机的转差率高，电动机在稳定运行时转差率比普通的鼠笼式电动机的转差率高，鼓称之为高转差鼠笼式异步电动机。国产高转差鼠笼式异步电动鼓称之为高转差鼠笼式异步电动机。国产高转差鼠笼式异步电动机的型号为机的型

42、号为JZ型，使用场合主要是起重运输机械和冶金企业的辅型，使用场合主要是起重运输机械和冶金企业的辅助机械的电力拖动等，因此也称之为起重助机械的电力拖动等，因此也称之为起重-冶金型电动机。冶金型电动机。 为了适应起动频繁的要求，除适当增大了转子导条的电阻改为了适应起动频繁的要求，除适当增大了转子导条的电阻改善其起动性能外，该电动机的结构也比较坚固，与普通鼠笼式电善其起动性能外，该电动机的结构也比较坚固，与普通鼠笼式电动机相比，定子和转子间的气隙较大，过载能力也高。但也正因动机相比，定子和转子间的气隙较大，过载能力也高。但也正因为这种电动机的气隙大，使得激磁电流也大，功率因数降低，再为这种电动机的气

43、隙大，使得激磁电流也大，功率因数降低，再加上转子电阻大而引起的正常运行时的损耗较大，效率比较低。加上转子电阻大而引起的正常运行时的损耗较大，效率比较低。所以不是经常起动的拖动系统一般不采用这种电动机。所以不是经常起动的拖动系统一般不采用这种电动机。 第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础-32-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 2. 深槽式异步电动机深槽式异步电动机 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过程中转子导条内的“集肤效应集肤效应”，以达到既改善起动性能又不，以达到既改善起动性能

44、又不降低正常运行效率的目的。所谓集肤效应即是转子槽漏磁通引起降低正常运行效率的目的。所谓集肤效应即是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。转子导条的电流集挤在导条表层的效应。-33-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 3. 双笼型异步电动机双笼型异步电动机 这种异步电动机的转子上安装了两套笼，如图这种异步电动机的转子上安装了两套笼，如图9-11所示。两所示。两个笼间由狭长的缝隙隔开，显然里面的笼相连的漏磁通比外面的个笼间由狭长的缝隙隔开，显然里面的笼相连的漏磁通比外面的笼的大得多。外面的笼导条较细，采用电阻率较大的黄铜或铝青笼的大得多。外面的笼导条较细，采用电阻率较大

45、的黄铜或铝青铜等材料制成，故电阻较大，称为起动笼；里面的笼截面较大，铜等材料制成，故电阻较大，称为起动笼；里面的笼截面较大，采用电阻率较小的紫铜等材料制成，故电阻较小，称为运行笼。采用电阻率较小的紫铜等材料制成，故电阻较小，称为运行笼。-34-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 五、中、大容量电动机重载起动五、中、大容量电动机重载起动绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的起动起动 中、大容量电动机重载起动时，中、大容量电动机重载起动时， 起动的两种矛盾同时起作用，起动的两种矛盾同时起作用，问题最尖锐。问题最尖锐。 如果上述特殊形式的笼型电动机还不能适应，则只如果上述特殊形式的笼型

46、电动机还不能适应，则只能采用绕线转子异步电动机了。在绕线转子异步电动机的转子上能采用绕线转子异步电动机了。在绕线转子异步电动机的转子上串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大起动转矩，又减小串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大起动转矩，又减小起动电流，两种矛盾都能得到解决。三相绕线式异步电动机的起起动电流，两种矛盾都能得到解决。三相绕线式异步电动机的起动方法通常有转子串接电阻起动和转子串接频敏变阻器起动动方法通常有转子串接电阻起动和转子串接频敏变阻器起动两种方法。两种方法。 -35-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 1. 转子串接电阻起动转子串接电阻起动方法方法 绕线式异步电

47、动机的绕线式异步电动机的转子是三相绕组，它通过转子是三相绕组，它通过滑环与电刷可以串接附加滑环与电刷可以串接附加电阻，因此可以实现一种电阻，因此可以实现一种几乎理想的起动方法，即几乎理想的起动方法，即在起动时，在转子绕组中在起动时，在转子绕组中串接适当的起动电阻，以串接适当的起动电阻，以减小起动电流，增加起动减小起动电流，增加起动转矩，转矩， 待转速基本稳定待转速基本稳定时，将起动电阻从转子电时，将起动电阻从转子电路中切除，路中切除， 进入正常运进入正常运行。行。 -36-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 2. 转子串接频敏变阻器起动方法转子串接频敏变阻器起动方法 转子串接电阻起

48、动的绕线式异步电动机，当功率较大时，转转子串接电阻起动的绕线式异步电动机，当功率较大时，转子电流很大；若起动电阻逐段变化，则转矩变化也较大，对机械子电流很大；若起动电阻逐段变化，则转矩变化也较大，对机械负载冲击较大；此外，大功率电动机的控制设备较庞大，操作维负载冲击较大；此外，大功率电动机的控制设备较庞大，操作维护也不方便。如果采用频敏变阻器代替起动电阻，则可克服上述护也不方便。如果采用频敏变阻器代替起动电阻，则可克服上述缺点。频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小。缺点。频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小。 -37-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础第三节

49、第三节 异步电动机的调速异步电动机的调速 与直流拖动系统相似，在实际应用中往往也要求拖动生产机与直流拖动系统相似，在实际应用中往往也要求拖动生产机械的交流电动机的转速能够调节，但是要实现交流调速要比直流械的交流电动机的转速能够调节，但是要实现交流调速要比直流调速复杂和困难得多。本节仅讨论异步电动机调速的基本原理和调速复杂和困难得多。本节仅讨论异步电动机调速的基本原理和方法。方法。 按照异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率按照异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pem可分成两部分：一部分可分成两部分：一部分 为拖动负载的有效功率；另一为拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率部

50、分是转差功率 ， 与转差率成正比。与转差率成正比。 从能量转换的角度从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是回收，看，转差功率是否增大，是消耗掉还是回收， 显然是评价调速系显然是评价调速系统效率的一个指标。统效率的一个指标。 据此，据此， 又可把异步电动机的调速方法分为三又可把异步电动机的调速方法分为三类：类：em2)1 (PsPmssPP -38-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 1）转差功率消耗型）转差功率消耗型 全部转差功率都转换成热能消耗全部转差功率都转换成热能消耗掉。它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载掉。它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降

51、低（恒转矩负载时），越向下调效率越低。这类调速方法的效率最低，时），越向下调效率越低。这类调速方法的效率最低， 2）转差功率回馈型）转差功率回馈型 转差功率的一部分消耗掉，大部分转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高。回收的功率越多，其效率比前者高。 3）转差功率不变型）转差功率不变型 转差功率中转子铜损部分的消耗是转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但由于这类调速方法无论转速高低，不可避免的，但由于这类调速方法无论转速高低， 转差率保持不转差率保持不变，

52、所以转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。变，所以转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。 下面就以这种分类方法介绍几种异步电动机主要调速方法的下面就以这种分类方法介绍几种异步电动机主要调速方法的工作原理及其特性。工作原理及其特性。 -39-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 一、转差功率消耗型异步电动机调速方法一、转差功率消耗型异步电动机调速方法 这类方法的共同特点是在调速过程中均产生大量的转差功率，这类方法的共同特点是在调速过程中均产生大量的转差功率，并消耗在转子电路中。转差功率消耗型调速方法主要有改变定子并消耗在转子电路中。转差功率消耗型调速方法主要有改变定子电压调速法、转

53、子电路串接电阻调速法等。电压调速法、转子电路串接电阻调速法等。 1. 改变定子电压调速改变定子电压调速 异步电动机在同步转速异步电动机在同步转速n1和和临界转差率临界转差率 sm 保持不变的情况保持不变的情况下，输出转矩与所加定子电压的下，输出转矩与所加定子电压的平方成正比。因此，改变定子电平方成正比。因此，改变定子电压就可以改变其机械特性的函数压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。出转矩下的转速。 -40-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 对于恒转矩调速，如能增加异步电动机的转子电阻（如绕线对于恒转矩调速，如能增加异

54、步电动机的转子电阻（如绕线式转子异步电动机或高转差率鼠笼式异步电动机），则改变电动式转子异步电动机或高转差率鼠笼式异步电动机），则改变电动机定子电压可获得较大的调速范围，如图机定子电压可获得较大的调速范围，如图9-15所示。所示。 但此时电动机的机械特性但此时电动机的机械特性太软，往往不能满足生产机械太软，往往不能满足生产机械的要求，且低压时的过载能力的要求，且低压时的过载能力较低，负载的波动稍大，电动较低，负载的波动稍大，电动机就有可能停转。对于恒转矩机就有可能停转。对于恒转矩性质的负载，如果要求调速范性质的负载，如果要求调速范围较大，往往采用带转速反馈围较大，往往采用带转速反馈控制的交流调

55、压器，以改善低控制的交流调压器，以改善低速时电动机的机械特性。速时电动机的机械特性。 -41-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 2. 转子电路串接电阻调速转子电路串接电阻调速 这种方法只适用于绕线式异步电动机，如图这种方法只适用于绕线式异步电动机，如图9-16所示：所示：-42-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 二、转差功率回馈型异步电动机调速方法二、转差功率回馈型异步电动机调速方法串级调速串级调速 针对上述串电阻调速存在的低效问题，设想如果在绕线式异针对上述串电阻调速存在的低效问题，设想如果在绕线式异步电动机转子电路中串入附加电动势步电动机转子电路中串入附加电动势

56、 Eadd 来取代电阻，通过电动来取代电阻，通过电动势这样一种电源装置吸收转子上的转差功率，并回馈给电网，以势这样一种电源装置吸收转子上的转差功率，并回馈给电网，以实现高效平滑调速实现高效平滑调速这就是串级调速的思想。这就是串级调速的思想。 根据电机的可逆性原理，异步电机既可以从定子输入或输出根据电机的可逆性原理，异步电机既可以从定子输入或输出功率，也可以从转子输入或输出转差功率，因此同时从定子和转功率，也可以从转子输入或输出转差功率，因此同时从定子和转子向电机馈送功率也能达到调速的目的。所以，串级调速又称为子向电机馈送功率也能达到调速的目的。所以，串级调速又称为双馈调速双馈调速。-43-第九

57、章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 1. 串级调速的基本原理串级调速的基本原理 串级调速的原理图如图串级调速的原理图如图9-17所示，在绕线式异步电动机的三所示，在绕线式异步电动机的三相转子电路中串入一个电压和频率可控的交流附加电动势相转子电路中串入一个电压和频率可控的交流附加电动势Eadd ，通过控制使通过控制使Eadd与转子电动势与转子电动势Er 具有相同的频率，其相位与具有相同的频率，其相位与Er 相相同或相反。同或相反。-44-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 当电动机转子没有串接的附加电动势，即当电动机转子没有串接的附加电动势，即Eadd=0时，异步电时，异步电

58、动机处在固有机械特性上运行。若电动机转子串接附加电动势，动机处在固有机械特性上运行。若电动机转子串接附加电动势，即即Eadd 0，这时，由式（，这时，由式（9-2）转子电流）转子电流Ir为为 （7-40）20r2radd0rr)(sXREsEI 由此可见，可以通过调节由此可见，可以通过调节Eadd的大小来改变转子电流的大小来改变转子电流Ir的数值，的数值，而电动机产生的电磁转矩而电动机产生的电磁转矩Te也将随着也将随着Ir的变化而变化，使电力拖的变化而变化，使电力拖动系统原有的稳定运行条件动系统原有的稳定运行条件Te =TL被打破，迫使电机变速。这被打破，迫使电机变速。这就是绕线式异步电动机串

59、接调速的基本原理。就是绕线式异步电动机串接调速的基本原理。 在串级调速过程中，电机转子上的转差功率在串级调速过程中，电机转子上的转差功率 Ps= sPem 只有一只有一小部分消耗在转子电阻上，而大部分被小部分消耗在转子电阻上，而大部分被Eadd吸收，吸收， 再设法通过电再设法通过电力电子装置回馈给电网。因此，串级调速与串电阻调速相比，具力电子装置回馈给电网。因此，串级调速与串电阻调速相比，具有较高的效率。有较高的效率。 -45-第九章第九章 交流电机拖动基础交流电机拖动基础 2. 串级调速的控制方式串级调速的控制方式 (1) 次同步调速方式次同步调速方式 使使Eadd的相位与的相位与Er相差相

60、差180 ，这时转子，这时转子电流的表达式为电流的表达式为 （9-28） 由上式可知，增加附加电动势由上式可知，增加附加电动势Eadd的幅值，将减少转子电流的幅值，将减少转子电流Ir，也就是减少转矩也就是减少转矩Te，从而降低电机的转速，从而降低电机的转速n。在这种控制方式中，。在这种控制方式中，转速是由同步速向下调节的，始终有转速是由同步速向下调节的，始终有n n1。 (2) 超同步调速方式超同步调速方式 如果使串接的附加电势如果使串接的附加电势Eadd与与Er同相，则同相，则转子电流转子电流Ir变为变为（9-29）20r2radd0rr)(sXREsEI20r2radd0rr)(sXREs