第16讲三相异步电动机的起动与调速课件

回顾点：机械特性的三种表达式固有机械特性定性分析分析T与电动机参数之间的关系根据电动机产品目录中查到的数据进行计算n=0,s=11回顾点：定性分析分析T与电动机参数之间的关系根据电动机产品目过载倍数,反映了电动机短时过载能力起动转矩倍数,反映了电动机的起动能力;只有当Tst>TL（一般取：Tst>(1.1~1.2)TL

）电机才能起动。2过载倍数,反映了电动机短时过载能力起动转矩倍数,反映了电动机几个特殊点起动（堵转）点A；n=0,T=Tst,I1st=(4~7)I1N额定工作点B；n=nN,T=TN,I1=I1N同步转速（理想空载）点H；n=ns,T=0,I'2=0,I1=I0最大转矩（临界）点P和P′电动状态最大转矩点P—T=Tmax,s=sm回馈制动最大转矩点P'—T=T'max,s=s'm

回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大固有机械特性3几个特殊点固有机械特性3人为机械特性异步电动机电磁转矩T的数值由某一转速n（或s）的电源电压Uϕ、电源频率f1、定子极对数p、定子及转子电路的电阻及电抗（R1、R2′、X1、X2′）决定的。人为机械特性——通过人为改变上述参数得到的机械特性。人为机械特性4人为机械特性人为机械特性4补充：三相异步电动机起动、调速、制动5补充：5三相异步电动机的起动性能起动电流倍数：αsc=Ist/IN起动转矩倍数：Kst=Tst/TN起动时间起动时消耗的能量起动设备的简单和可靠三相异步电动机的起动方法6三相异步电动机的起动性能三相异步电动机的起动方法6一、三相笼型异步电动机的起动方法（一）直接起动三相笼型异步电动机的起动方法直接起动减压起动软起动实现方法通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定子绕组7一、三相笼型异步电动机的起动方法（一）直接起动三相笼型异步电起动时，s=1，起动电流大，可达额定电流的4～7倍，某些笼型异步电动机甚至可达8～12倍f2=f1，

接近于90o，

很小，起动转矩小起动时刻，电机处于堵转状态（n=0,s=1）在等效电路中，由于Zm>>Z2’可视励磁支路开路，则Im=0，所以I2’=I18起动时刻，电机处于堵转状态（n=0,s=1）8≤一般规定：异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。

如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法。9≤一般规定：异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接（二）减压起动1．电阻减压或电抗减压起动实现方法：起动时Q2投向“起动”位置，起动电阻Rst或起动电抗Xst接入定子电路，闭合主开关Q1，电机起动转速接近于稳定转速时，Q2换接到“运行”位置，电源电压直接加到定子绕组上，电动机起动结束。优点：起动平稳、运行可靠、构造简单缺点：Tst和电压的二次方成正比减小，只适用于轻载起动的场合起动时能量损耗较多，实际应用少10（二）减压起动1．电阻减压或电抗减压起动实现方法：10实现方法：利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，减小起动电流。Uφ，I1——一次侧相电压和电流Ux，Ix——二次侧相电压和电流N1，N2——一、二次绕组匝数Ist——全压Uφ起动时的起动电流2．自耦减压起动11实现方法：2．自耦减压起动11通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为电压Ux降低为(N2/N1)Uφ起动转矩为Tst——全压Uφ起动时的起动转矩起动转矩和起动电流降低同样的倍数优点：电压抽头可供不同负载起动时选择缺点：体积大，质量大，价格高需要维护检修适用范围：容量较大的低压电动机起动12通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为12实现方法：起动时，将定子绕组联结成星形转速接近稳定时改联结成三角形起动相电压变化情况起动相电流变化情况起动转矩变化情况优点：体积小、重量轻、价廉物美、运行可靠、检修方便缺点：起动电压只能降到，不能根据不同的负载选择不同的起动电压3．星形—三角形（Y—Δ）起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机13实现方法：3．星形—三角形（Y—Δ）起动适用于正常运行时定电机Y-△降压启动控制FU1KM1L1L2L3UVWFRQSM3~KM2U'V'W'KM3FRSB2SB1KTFU2KM1KM3KM2KTKM3KM2KTKM1KM214电机Y-△降压启动控制FU1KM1L1L2L3UVWFRQS实例：某三相异步电机，三角形连接，以200KV.A的三相变压器供电。已知：试分析能否：直接起动？星-三角起动？选用变比为0.73的自耦变压器起动？分析：1、15实例：某三相异步电机，三角形连接，以200KV.A的三相变压分析：2、3、16分析：16（三）软起动方法1．限流或恒流起动方法2．斜坡电压起动法用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流，主要用于轻载软起动。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要用于重载软起动。3．转矩控制起动法用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法。17（三）软起动方法1．限流或恒流起动方法2．斜坡电压起动法用4．转矩加脉冲突跳控制起动法5．电压控制起动法此方法与转矩控制起动法类似，其差别在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的轻载软起动方法。184．转矩加脉冲突跳控制起动法5．电压控制起动法此方法与转矩控二、绕线转子异步电动机的起动方法（一）转子串联电阻起动实现方法：起动时，调在最大电阻位置随着转速的上升，均匀地减小电阻，直到完全切除转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷优点：可限制起动时的定、转子电流、增大起动转矩、减少起动时间适用范围：功率较大的重载起动19二、绕线转子异步电动机的起动方法（一）转子串联电阻起动实现方（二）转子串联频敏变阻器起动实现方法：起动时，转子频率较高，变阻器内涡流损耗较大，RF也较大随着转速的上升，转子频率不断下降，涡流损耗及RF跟着下降，电动机平滑起动起动结束，短接集电环，切除频敏变阻器优点：结构简单、价格便宜、制造容易、运行可靠、维护方便、能自动操作适用范围：功率较大的重载起动所谓频敏变阻器，是由厚钢板叠成铁心并在铁心柱上绕有线圈的电抗器20（二）转子串联频敏变阻器起动实现方法：所谓频敏变阻器，是由异步电动机的调速方法

可见：要调节异步电动机的转速，可从改变下列三个参数入手：1）改变定子绕组的极对数p;2）改变供电电源的频率f1;3）改变转差率s。三相异步电机的调速21异步电动机的调速方法可见：要调节异步电动机的转速，可一、有极调速实现方法：改变定子绕组联结，一般用于笼型转子，转子极对数能自动与定子极对数相对应改变联结方法，得到的极对数成倍地变化，同步转速也成倍地变化，属于有级调速。22一、有极调速实现方法：22注：改变定子绕组联结后，要将V、W两相出现端交换，以保持调速前后转向相同定子绕组常用的接法Y/YY：△/YY：23注：改变定子绕组联结后，要将V、W两相出现端交换，以保持调速Y/YY：24Y/YY：24△/YY：25△/YY：25二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随成正比地变化，则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的。当定子频率较高时26二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随（式中为常数）可见，恒转矩变频调速时，如能保持=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通Φ

基本不变的要求。在恒功率调速时：27（式中由此可见，在恒功率调速时，如能满足=定值的条件，调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化了。如果此时按恒转矩调速满足=定值的条件，则磁通将基本不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。28由此可见，在恒功率调速时，如能满足=1．转子串接电阻调速该方法仅适用于绕线形异步电动机，其机械特性如图。图中曲线是一束电源电压不变，而转子电路所串电阻值不同的机械特性曲线。从图中不难看出，当串入电阻越大时，稳定运行速度越低（nA>nB>nC），且稳定性也越差。转子串电阻调速的优点是方法简单，设备投资不高，工作可靠。但调速范围不大，稳定性较差，平滑性也不是很好，调速的能耗比较大。在对调速性能要求不高的地方得到广泛的应用，如运输、起重机械等。三、能耗转差调速291．转子串接电阻调速三、能耗转差调速29调速（串电阻）后可见

I2N

=sE2

(R2＋Rr)2＋(sX2)2=E2

＋X22R2＋Rr2

s

R2＋Rr

sR2

sN=

I2N

=sNE2R22＋(sNX2)2=E2

＋(X2)2R22

sN调速前30调速（串电阻）后I2N=sE2=E2R2＋Rr=(R2＋Rr)/s

＋X22R2＋Rr2

s

=R2/sN

＋X22R22

sN可见，调速前后cos2不变，根据T=CTΦm

I2cos2可知调速时允许的转矩不变，为恒转矩调速。

cos2

=R2R22＋(sNX2)2=R2/sN

＋X22R22

sN

cos2

=R2＋Rr

(R2＋Rr)2＋(sX2)2调速前调速后R2＋Rr

sR2

sN=31=(R2＋Rr)/sR2＋Rr2=R2/s2、改变定子电压调速定子调压的机械特性曲线，由图可知对恒转矩负载而言，其调速范围很窄，实用价值不大；对于通风机负载而言，其负载转矩TL随转速的变化而变化，其调速范围宽，所以目前大多数的风扇采用此法。但是这种调速方法在电动机转速较低时，转子电阻上的损耗较大，使电动机发热较严重，所以这种调速方法一般不宜在低速下长时间运行。Pcu2=sPe322、改变定子电压调速定子调压的机械特性曲线，为了提高调压调速的性能，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采用如下方案—速度闭环控制系统：

33为了提高调压调速的性能，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采

3．串级调速

所谓串级调速就是在绕线异步电动机的转子电路中引入一个附加电动势Ef（与E2S的频率相同，相位相同或相反）来调节电动机的转速，这种方法仅适于绕线异步电动机。由异步电动机的等值电路可以求得：

串级调速时通过改变的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。相位相同：+相位相反：-343．串级调速串级调速时通过改变的幅值和相位，也可3535三相异步电动机的制动M3~3~Q1一、能耗制动1.制动原理制动前

Q1合上，Q2断开，M为电动状态。制动时

Q1断开，Q2合上。定子:U→I1→恒定Φ转子:n（惯性）→E2→I2M为制动状态。n＋U－Q2

RbI1×ΦFFTT36三相异步电动机的制动M3~Q1一、能耗制动n＋Q2能耗制动原理：实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。

直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中产生感应电动势和感应电流（右手定则）。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质（左手定则），转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。37能耗制动原理：实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2能耗制动控制原理38能耗制动控制原理38能耗制动控制原理分析39能耗制动控制原理分析39二、反接制动1.定子反向的反接制动——迅速停车3~M3~3~M3~Rb制动前的电路制动时的电路(1)制动原理40二、反接制动1.定子反向的反接制动——迅速停车3~M31、电源两相反接的反接制动反接制动实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。绕线式电动机在定子两相反接的同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩

。注意：为了不导致电动机反向启动，当电动机停止的时候应立即切断电源。411、电源两相反接的反接制动反接制动实现：将电动机电源两相反接反接制动控制方法KMKMBRBRBRB2SB1SBKMBKMKMBKMKMKRn>M3~42反接制动控制方法KMKMBRBRBRB2SB1SBKMBKM三、回馈制动若三相异步电动机原工作在电动状态，由于某种原因（如带位能性负载下放或降压调速过渡过程），在转向不变的情况下，转子的转速n超过同步转速n0时，电动机便进入回馈制动状态（发动机状态）。因为n>n0，所以,这是回馈制动的特点。因为转差率S＜0，所以转子电动势＜0，转子电流反向，电磁转矩反向，为制动转矩。此时原动机带动电动机转子以高于同步转速旋转，电动机将原动机输入的机械功率转成电功率输出回馈电网，成为一台发电机。43三、回馈制动若三相异步电动机原工作在电动状态，由回顾点：机械特性的三种表达式固有机械特性定性分析分析T与电动机参数之间的关系根据电动机产品目录中查到的数据进行计算n=0,s=144回顾点：定性分析分析T与电动机参数之间的关系根据电动机产品目过载倍数,反映了电动机短时过载能力起动转矩倍数,反映了电动机的起动能力;只有当Tst>TL（一般取：Tst>(1.1~1.2)TL

）电机才能起动。45过载倍数,反映了电动机短时过载能力起动转矩倍数,反映了电动机几个特殊点起动（堵转）点A；n=0,T=Tst,I1st=(4~7)I1N额定工作点B；n=nN,T=TN,I1=I1N同步转速（理想空载）点H；n=ns,T=0,I'2=0,I1=I0最大转矩（临界）点P和P′电动状态最大转矩点P—T=Tmax,s=sm回馈制动最大转矩点P'—T=T'max,s=s'm

回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大固有机械特性46几个特殊点固有机械特性3人为机械特性异步电动机电磁转矩T的数值由某一转速n（或s）的电源电压Uϕ、电源频率f1、定子极对数p、定子及转子电路的电阻及电抗（R1、R2′、X1、X2′）决定的。人为机械特性——通过人为改变上述参数得到的机械特性。人为机械特性47人为机械特性人为机械特性4补充：三相异步电动机起动、调速、制动48补充：5三相异步电动机的起动性能起动电流倍数：αsc=Ist/IN起动转矩倍数：Kst=Tst/TN起动时间起动时消耗的能量起动设备的简单和可靠三相异步电动机的起动方法49三相异步电动机的起动性能三相异步电动机的起动方法6一、三相笼型异步电动机的起动方法（一）直接起动三相笼型异步电动机的起动方法直接起动减压起动软起动实现方法通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定子绕组50一、三相笼型异步电动机的起动方法（一）直接起动三相笼型异步电起动时，s=1，起动电流大，可达额定电流的4～7倍，某些笼型异步电动机甚至可达8～12倍f2=f1，

接近于90o，

很小，起动转矩小起动时刻，电机处于堵转状态（n=0,s=1）在等效电路中，由于Zm>>Z2’可视励磁支路开路，则Im=0，所以I2’=I151起动时刻，电机处于堵转状态（n=0,s=1）8≤一般规定：异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。

如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法。52≤一般规定：异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接（二）减压起动1．电阻减压或电抗减压起动实现方法：起动时Q2投向“起动”位置，起动电阻Rst或起动电抗Xst接入定子电路，闭合主开关Q1，电机起动转速接近于稳定转速时，Q2换接到“运行”位置，电源电压直接加到定子绕组上，电动机起动结束。优点：起动平稳、运行可靠、构造简单缺点：Tst和电压的二次方成正比减小，只适用于轻载起动的场合起动时能量损耗较多，实际应用少53（二）减压起动1．电阻减压或电抗减压起动实现方法：10实现方法：利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，减小起动电流。Uφ，I1——一次侧相电压和电流Ux，Ix——二次侧相电压和电流N1，N2——一、二次绕组匝数Ist——全压Uφ起动时的起动电流2．自耦减压起动54实现方法：2．自耦减压起动11通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为电压Ux降低为(N2/N1)Uφ起动转矩为Tst——全压Uφ起动时的起动转矩起动转矩和起动电流降低同样的倍数优点：电压抽头可供不同负载起动时选择缺点：体积大，质量大，价格高需要维护检修适用范围：容量较大的低压电动机起动55通过自耦变压器，从电网吸取的电流降低为12实现方法：起动时，将定子绕组联结成星形转速接近稳定时改联结成三角形起动相电压变化情况起动相电流变化情况起动转矩变化情况优点：体积小、重量轻、价廉物美、运行可靠、检修方便缺点：起动电压只能降到，不能根据不同的负载选择不同的起动电压3．星形—三角形（Y—Δ）起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机56实现方法：3．星形—三角形（Y—Δ）起动适用于正常运行时定电机Y-△降压启动控制FU1KM1L1L2L3UVWFRQSM3~KM2U'V'W'KM3FRSB2SB1KTFU2KM1KM3KM2KTKM3KM2KTKM1KM257电机Y-△降压启动控制FU1KM1L1L2L3UVWFRQS实例：某三相异步电机，三角形连接，以200KV.A的三相变压器供电。已知：试分析能否：直接起动？星-三角起动？选用变比为0.73的自耦变压器起动？分析：1、58实例：某三相异步电机，三角形连接，以200KV.A的三相变压分析：2、3、59分析：16（三）软起动方法1．限流或恒流起动方法2．斜坡电压起动法用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动电流，主要用于轻载软起动。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要用于重载软起动。3．转矩控制起动法用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法。60（三）软起动方法1．限流或恒流起动方法2．斜坡电压起动法用4．转矩加脉冲突跳控制起动法5．电压控制起动法此方法与转矩控制起动法类似，其差别在于：起动瞬间加脉冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是较好的轻载软起动方法。614．转矩加脉冲突跳控制起动法5．电压控制起动法此方法与转矩控二、绕线转子异步电动机的起动方法（一）转子串联电阻起动实现方法：起动时，调在最大电阻位置随着转速的上升，均匀地减小电阻，直到完全切除转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷优点：可限制起动时的定、转子电流、增大起动转矩、减少起动时间适用范围：功率较大的重载起动62二、绕线转子异步电动机的起动方法（一）转子串联电阻起动实现方（二）转子串联频敏变阻器起动实现方法：起动时，转子频率较高，变阻器内涡流损耗较大，RF也较大随着转速的上升，转子频率不断下降，涡流损耗及RF跟着下降，电动机平滑起动起动结束，短接集电环，切除频敏变阻器优点：结构简单、价格便宜、制造容易、运行可靠、维护方便、能自动操作适用范围：功率较大的重载起动所谓频敏变阻器，是由厚钢板叠成铁心并在铁心柱上绕有线圈的电抗器63（二）转子串联频敏变阻器起动实现方法：所谓频敏变阻器，是由异步电动机的调速方法

可见：要调节异步电动机的转速，可从改变下列三个参数入手：1）改变定子绕组的极对数p;2）改变供电电源的频率f1;3）改变转差率s。三相异步电机的调速64异步电动机的调速方法可见：要调节异步电动机的转速，可一、有极调速实现方法：改变定子绕组联结，一般用于笼型转子，转子极对数能自动与定子极对数相对应改变联结方法，得到的极对数成倍地变化，同步转速也成倍地变化，属于有级调速。65一、有极调速实现方法：22注：改变定子绕组联结后，要将V、W两相出现端交换，以保持调速前后转向相同定子绕组常用的接法Y/YY：△/YY：66注：改变定子绕组联结后，要将V、W两相出现端交换，以保持调速Y/YY：67Y/YY：24△/YY：68△/YY：25二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随成正比地变化，则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的。当定子频率较高时69二、变频调速对于恒转矩调速，如果变频装置保证随（式中为常数）可见，恒转矩变频调速时，如能保持=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通Φ

基本不变的要求。在恒功率调速时：70（式中由此可见，在恒功率调速时，如能满足=定值的条件，调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化了。如果此时按恒转矩调速满足=定值的条件，则磁通将基本不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。71由此可见，在恒功率调速时，如能满足=1．转子串接电阻调速该方法仅适用于绕线形异步电动机，其机械特性如图。图中曲线是一束电源电压不变，而转子电路所串电阻值不同的机械特性曲线。从图中不难看出，当串入电阻越大时，稳定运行速度越低（nA>nB>nC），且稳定性也越差。转子串电阻调速的优点是方法简单，设备投资不高，工作可靠。但调速范围不大，稳定性较差，平滑性也不是很好，调速的能耗比较大。在对调速性能要求不高的地方得到广泛的应用，如运输、起重机械等。三、能耗转差调速721．转子串接电阻调速三、能耗转差调速29调速（串电阻）后可见

I2N

=sE2

(R2＋Rr)2＋(sX2)2=E2

＋X22R2＋Rr2

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sN调速前73调速（串电阻）后I2N=sE2=E2R2＋Rr=(R2＋Rr)/s

＋X22R2＋Rr2

s

=R2/sN

＋X22R22

sN可见，调速前后cos2不变，根据T=CTΦm

I2cos2可知调速时允许的转矩不变，为恒转矩调速。

cos2

=R2R22＋(sNX2)2=R2/sN

＋X22R22

sN

cos2

=R2＋Rr

(R2＋Rr)2＋(sX2)2调速前调速后R2＋Rr

sR2

sN=74=(R2＋Rr)/sR2＋Rr2=R2/s2、改变定子电压调速定子调压的机械特性曲线，由图可知对恒转矩负载而言，其调速范围很窄，实用价值不大；对于通风机负载而言，其负载转矩TL随转速的变化而变化，其调速范围宽，所以目前大多数的风扇采用此法。但是这种调速方法在电动机转速较低时，转子电阻上的损耗较大，使电动机发热较严重，所以这种调速方法一般不宜在低速下长时间运行。Pcu2=sPe752、改变定子电压调速定子调压的机械特性曲线，为了提高调压调速的性能，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采用如下方案—速度闭环控制系统：

76为了提高调压调速的性能，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采

3．串级调速

所谓串级调速就是在绕线异步电动机的转子电路中引入一个附加电动势Ef（与E2S的频率相同，相位相同或相反）来调节电动机的转速，这种方法仅适于绕线异