《电机拖动及控制》-第四章

第4章三相异步电动机

交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两大类。异步电动机主要作为电动机运行，其转速与电源频率之间不存在严格不变的关系。同步电动机主要用作发电机，其转速与电源频率存在一种严格不变的关系。异步电动机具有结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便、成本较低、效率较高等优点，是现代化生产中应用最广泛的一种动力设备。异步电动机可分为单相异步电动机和三相异步电动机，单相异步电动机主要应用在家用电器和医疗设备等小功率领域，三相异步电动机广泛应用在矿山机械、轧钢设备和起重机等大功率用电设备。返回4.1三相异步电动机的基本结构

异步电动机有鼠笼式和绕线式两类，其结构如图4-1及图4-2所示。它们的区别在于转子结构不同。异步电动机结构主要由固定不动的定子和旋转的转子所组成，定子与转子间存在很小的间隙，称为气隙。1.定子异步电动机定子由定子铁心、定子绕组和机座等部件组成，定子的作用是用来产生磁场。1)定子铁心定子铁心是电动机磁路的一部分，由于异步电动机中的磁场是旋转的，定子铁心中的磁通为交变磁通。为了减小磁场在铁心中引起的涡流及磁滞损耗，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚、表面具有上一页下一页返回4.1三相异步电动机的基本结构

绝缘层(涂绝缘漆或硅钢片表面具有氧化膜绝缘层)的硅钢片叠压而成。定子铁心叠片内圆冲有均匀分布的一定形状的槽，用以嵌放定子绕组。中小型电动机的定子铁心采用整圆冲片，如图4-3(a)所示。大中型电动机常采用扇形冲片拼成一个圆。

2)定子绕组定子绕组是电动机的电路部分，由许多线圈按一定的规律连接而成。小型异步电动机的定子绕组由高强度漆包圆铜线或铝线绕制而成;大中型异步电动机的定子绕组用截面较大的扁铜线绕制成型，再包上绝缘材料。

3)机座机座是电动机的外壳，用以固定和支撑定子铁心及端盖，机座应上一页下一页返回4.1三相异步电动机的基本结构

具有足够的强度和刚度，同时还应满足通风散热的需要。小型异步电动机的机座一般用铸铁铸成，大型异步电动机的机座常用钢板焊接而成。为了增加散热面积、加强散热，封闭式异步电动机的机座外壳上面有散热筋，防护式电动机的机座两端端盖开有通风孔或机座与定子铁心间留有通风道等。2.转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件构成。转子的作用是用来产生电磁转矩。

1)转子铁心转子铁心也是电动机磁路的一部分。通常用定子冲片内圆冲下来的原料做转子叠片，即一般仍用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套装在转轴上，转子铁心叠片外圆冲有嵌放转子绕组的槽，如图4-3(b)所示。上一页下一页返回4.1三相异步电动机的基本结构

2)转子绕组转子绕组的作用是感应电动势和电流并产生电磁转矩。其结构形式有鼠笼式和绕线式两种，现分述如下。

(1)鼠笼式转子绕组。在每个转子槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一铜质端环焊起来形成一个鼠笼的样子，称为铜条转子，如图4-4所示。也可用铸铝的方法，把转疆导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图4-5所示。一般采用铸铝转子。因鼠笼式转子结构简单、制造方便、运行可靠，所以得到广泛应用。为了提高电动机的启动转矩，在容量较大的异步电动机中，可采用双鼠笼式或深槽式结构的转子，在后面的内容中将会介绍其结构特点和工作原理。上一页下一页返回4.1三相异步电动机的基本结构

(2)绕线式转子绕组。绕线式转子绕组与定子绕组相似，也是制成三相绕组，一般接成星形，3根引出线分别接到转轴上彼此绝缘的3个集电环上，通过电刷装置与外部电路相连，如图4-6所示。转子绕组回路串入二相可变电阻的目的是为了改善启动J隆能或调节转速。为了消除电刷和集电环之间的机械摩擦损耗及接触电阻损耗，在大中型绕线式电动机中，还装设有提刷短路装置。启动时转子绕组与外电路接通，启动完毕后，在不需要调速的情况下，将外部电阻全部短接。

3)转轴转轴一般由中碳钢或合金钢制成，其作用是支撑转子和传递转矩，因此要求它有一定的机械强度。上一页下一页返回4.1三相异步电动机的基本结构

3.气隙气隙的大小对异步电动机的性能影响很大。为了降低电动机的励磁电流和提高功率因数，气隙应尽可能做得小些，但气隙过小，将使装配困难或运行不可靠，因此气隙的大小除了考虑电性能外，还要考虑便于安装。气隙的最小值常由制造加工工艺和安全运行等因素来决定，异步电动机气隙一般为0.2~2mm，比直流电动机和同步电动机定子、转子气隙小得多。上一页返回4.2三相交流绕组

定子三相交流绕组的作用是产生旋转磁场和二相对称交流电动势，它是电动机实现机电能量转换的重要部件。4.2.1交流绕组的基本知识1.交流绕组的基本要求从运行和设计制造两个方面考虑，对交流绕组提出如下要求:(1)在一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势，绕组电动势和磁动势的波形接近正弦波。

(2)三相绕组对称，即三相绕组在空间互差120°电角度，各相绕组匝数相等、电阻和电抗相等，以获得二相对称电动势和磁动势。下一页返回4.2三相交流绕组

(3)用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好。

(4)制造工艺简单，安装、检修方便。2.三相交流绕组的分类三相交流绕组种类很多，按槽内元件边的层数，分为单层绕组和双层绕组。单层绕组按连接方式不同可分为等元件式、链式、交叉式和同心式绕组等，双层绕组则分为叠绕组和波绕组。按每极每相所占槽数是整数还是分数，三相交流绕组分为整数槽和分数槽绕组;按绕组节距，又有整距绕组、短距绕组及长距绕组之分。单层绕组一般用于小型异步电动机定子中，双层叠绕组一般用于汽轮发电机及大中型异步电动机的定子中，水轮发电机的定子绕组和绕线式异步电动机的转子绕组，常采用双层短距波绕组。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

3.交流绕组常用的名词术语

(1)线圈。线圈是组成交流绕组的基本单元，又称绕组元件。线圈可以是单匝，也可以是多匝串联而成，如图4-7所示。线圈沿铁心轴向的两个直线部分称为有效边，它是进行电磁能量转换的部分。在槽外用于连接两个有效边的部分称为端部。

(2)极距τ。槽电动机定子铁心内每个磁极所占有的距离称为极距。极距常用每一磁极所占的定子槽数来表示，即或式中，D为定子铁心内径;P为电动机磁极对数;Z为定子铁心槽数。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

(3)线圈节距y。节距是指一个线圈的两个有效边之间的跨距，一般也用定子槽数来表示。从绕组产生最大磁动势或电动势的要求出发，节距y应接近于电动机极距，即当y=τ时，称为整距绕组;当y<τ时，称为短距绕组;当y>τ时，称为长距绕组。短距和长距线圈能改善电动势和磁动势波形。但实际应用中由于长距线圈端部长，用铜量较多，一般都不采用，交流电动机多采用短距绕组。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

(4)电角度。电动机圆周的几何角度是360o，称为机械角度。从电磁观点来看，经过一对磁极，导体的基波电动势变化了一个周期，相当于360o电角度，即一对磁极占有空间360o电角度。若电动机的极对数为p，则电动机圆周为pX360o电角度，即电角度=pX360o(5)槽距角a。相邻两个槽间的电角度称为槽距角。若定子槽数为G，电动机极对数为p，则(6)每极每相槽数q。每一磁极下每相所占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相数为m，则上一页下一页返回4.2三相交流绕组

式中，q为整数，称为整数槽绕组;P为分数，称为分数槽绕组。

(7)相带。每相绕组在每个磁极下所连续占有的电角度qa称为绕组的相带。由于每个磁极的电角度是180o，对三相绕组而言，每相占有60o的电角度，称为60o相带。交流电动机一般采用60o相带。

(8)极相组。将一个磁极下属于同一相的g个线圈按一定方式串联成的线圈组，即为极相组。4.槽电动势星形图为了帮助分析绕组的电动势和绕组元件的连接规律，将各槽内导体感应的正弦电动势用向量图表示，即为槽电动势星形图。现举一实例来说明。设有一台Z=36,2p=4的三相异步电动机，定子槽内导体沿上一页下一页返回4.2三相交流绕组

圆周均匀分布，如图4-8所示各槽内导体的基波电动势在时间上依次相差一个槽距角a=20o。将定子铁心上均匀分布的36个槽按顺序编号，每个槽的导体电动势采用同样编号的向量表示，则该电动机的槽电动势星形图如图4-9所示，由于各同极性磁级下对应位置的电动势同相位，所以19、20、21、…向量分别与1,2、3,…向量重合。若电动机有P对磁极，则有p个重合的槽电动势星形图。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

4.2.2三相单层绕组

三相单层绕组的每个槽内只放置一个线圈边，整台电动机的线圈数等于总槽数的一半。单层绕组的种类很多，可分为等元件式、链式、同心式和交叉式绕组等，下面以交叉式绕组为例，分析单层绕组的排列及连接方式。

【例4-1】Y132S-4型三相异步电动机，定子槽数Z=36，极数2p=4，每相支路数2a=1，其定子绕组采用单层交叉式绕组，大线圈节距为8槽，小线圈节距为7槽。试绘出其三相绕组展开图。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

解(1)计算极距τ，每极每相槽数q，槽距角α。

(2)分极、分相。将槽依次编号，电动机每极下共9槽，整个定子可分为4X3=12个相带，每个相带内有3个槽，每个相带的槽号分布情况如表4-1所示。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

(3)按线圈节距要求将各线圈边按电流方向连接成线圈。以A相为例，在第一对极下，可将线圈边2与10,3,11相连，组成两个节距为8的大线圈组;而将线圈边12与19相连，组成一个节距为7的小线圈组。一对极下有两个线圈组，两对极下共4个线圈组。如图4-10(a)所示，根据每相支路数2a=1的要求，将线圈组按“头接头、尾接尾”的规律，沿电流方向顺向串联就构成A相绕组。

(4)根据三相绕组对称原则，B、C两相绕组的连接方法与A相相同。三相绕组在空间依次互差120o电角度，如图4-10(b)所示。等元件式、同心式及链式绕组的展开图如图4-11所示。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

单层绕组的优点是元件少，结构简单，嵌线较方便，槽内没有层间绝缘，槽利用率高。但单层绕组为等效整距绕组，不能利用短距来改善电动势和磁动势的波形，产生的磁动势和电动势波形较差，故电动机铁损耗和噪声较大，启动性能不良，一般用于10kW以下的小容量异步电动机。为克服此弊端，可采用双层绕组。三相双层绕组分为叠绕组和波绕组两种。为了改善电动势和磁动势的波形及节约端部连接的用铜量，双层绕组一般都采用短距绕组。双层绕组的优点主要是，可选择最有利的节距使磁动势和电动势波形更接近于正弦波;所有线圈具有同样的形状和尺寸，便于生产机械化;可组成较多的并联支路;端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。双层绕组的缺点是，在工艺上嵌线较困难，双层叠绕组线圈间连接线较长，在多极电动机中这种连线用铜量很大。上一页下一页返回4.2三相交流绕组

因此，双层叠绕组主要用于极数不多的中小型同步电动机、异步电动机和大型汽轮发电机的定子绕组，多极水轮发电机的定子绕组和绕线式异步电动机的转子绕组常采用波绕组。上一页返回4.3三相旋转磁动势

为了讨论定子三相绕组流过对称的三相正弦交流电流后，所建立的磁动势沿气隙空间分布情况及随时间变化规律，先来分析单相绕组的磁动势。1.单相绕组的磁动势在气隙均匀的电动机定子上安放一单相集中整距绕组AX，匝数为N，在绕组中通入正弦交流电，它将在电动机内产生一个两极磁场，磁场分布如图4-12所示。由于气隙均匀，若略去铁心中的磁阻不计，可认为绕组所产生的磁动势全部降落在两个气隙上并均匀分布在气隙的圆周表面上。在绕组AX的轴线处选定一个坐标原点O，横坐标为空间电角度a(指定子圆周上离开原点的距离)，纵坐标为磁动势F，将定子内圆展开成一平面后，内圆各处气隙磁路上磁动势大小相下一页返回4.3三相旋转磁动势

等，正好等于绕组磁动势的一半，即为1/2iN。且规定，磁力线从定子到转子时，磁动势为正，反之为负，故气隙磁动势在空间为矩形分布，如图4-13所示。但是由于电流i=Imcosωt为正弦交变电流，故磁动势也按正弦规律交变，即矩形波的幅值随时间作正弦变化，轴线位置在空间上固定不动而幅值大小随时间按正弦规律变化的磁动势为脉振磁动势。一个集中绕组在均匀气隙中产生的脉振磁动势为一沿空间分布的周期性变化的矩形波，可用傅里叶级数将其分解为基波和一系列奇次上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

谐波，如图4-13所示。其中，基波含量最大，也是脉振的，基波磁动势的幅值随时间作正弦变化，空间上随离开绕组轴线的距离也按正弦规律变化，即基波磁动势既是时间函数，又是空间函数，由傅里叶级数分析可得基波磁动势为通常交流电动机绕组采用分布短距绕组，分布和短距对高次谐波有削弱作用，选择适当的节距，可以削弱5次和7次谐波磁动势，在三相绕组的连接中，可消除3次及其倍数次谐波磁动势。上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

2.三相旋转磁动势的产生

1)三相旋转磁动势的形成用图解法分析三相合成磁动势的形成简单形象。在三相交流电动机定子铁心里，放置着对称的三相绕组A-X、B-Y,C-Z，且二相绕组在空间互差120。电角度，如图4-14(a)所示。在三相对称定子绕组中通入三相对称交流电流iA、iB、iC，即上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

三相电流的波形如图4-14(b)所示。现假设电流的瞬时值为正时是从绕组首端流人，尾端流出;则瞬时值为负时是从绕组尾端流入，首端流出。电流流人端用符号表示，流出端用表示。下面选择各相电流出现最大值的几个瞬间来分析三相旋转磁动势的形成，如图4一15所示。当ωt=0o时,iA=0,A相电流具有正的最大值，电流从首端A流入，从尾端X流出iB=ic=1/2Im,B相和C相电流均为负，故电流均从绕组的尾端流人，首端流出，如图4-15(a)所示，根据标识的电流方向，利用右手螺旋定则，判断出此时合成磁动势的方向，合成磁动势轴线正好位于A相绕组轴线上。上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

当ωt=120o时,iB=Im,B相电流具有正的最大值，电流从首端B流入，从尾端Y流出；iA=iC=-1/2Im,A相和C相电流均为负，因此AW两相电流均从尾端流入，首端流出，如图4-15(h)所示。根据右手螺旋定则，判断出此时合成磁动势的方向，合成磁动势轴线正好位于B相绕组轴线上。磁动势方向沿顺时针方向旋转了120o。当ωt=240o时，ic=Im,iA=iB=-1/2Im,C相电流具有正的最大值，A相和B相电流均为负。同理可判断此时合成磁动势方向，如图4-15(c)所示，合成磁动势轴线正好位于C相绕组轴线上。磁动势方向从起始位置沿顺时针方向旋转了240o。上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

当ωt=360o时，A相电流又达到最大值，合成磁动势轴线又旋转到了A相绕组的轴线上，磁动势方向从起始位置沿顺时针方向旋转了360o

。故电流变化一个周期，合成磁动势也旋转了一周。由此得出结论:在三相对称交流绕组中通入三相对称交流电，将形成一个旋转磁动势。

2)旋转磁场的转向由图4-15可见，若三相绕组中通入的为正序电流，电流出现正的最大值的顺序为A-B-C，则旋转磁场的方向也是为A相一B相一C相。如果任意对调两相绕组所接交流电源的相序，即通入三相绕组的电流变为负序，电流出现正的最大值的顺序则为A-C-B；同样用图解法分析可知，旋转磁场方向也将变为A相一C相一B相。上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

由此可得出结论:旋转磁场方向取决于通入三相绕组中的电流相序，始终由超前电流相转向滞后电流相。改变电流相序，就可以改变旋转磁场的方向。

3)旋转磁场的转速三相对称定子绕组中通入三相对称交流电产生旋转磁场，这个旋转磁场的转速称为同步转速，它与电源频率和定子绕组的磁极对数有关。

(1)当电动机为一对磁极时，电流变化一个周期，旋转磁场旋转一周。若交流电频率为f.，则每分钟变化60f次，旋转磁动势每分钟要转60f周，即，n1=60f(r/min)，说明旋转磁场的转速与电源频率f成正比。上一页下一页返回4.3三相旋转磁动势

(2)电流变化一个周期，旋转磁场相应旋转了360。电角度，对于一对磁极电动机，电流变化一个周期，旋转磁场也旋转了360。机械角度，即旋转了一周。对于p对磁极电动机，则旋转磁场在空间旋转360。

/p机械角度，即旋转了1/p周。这就是说，旋转磁场的转速与磁极对数成反比。综上所述，旋转磁场的同步转速与电源频率f.磁极对数p的关系可以用以下数学表达式表示上一页返回4.4三相异步电动机的工作原理

在异步电动机的定子铁心里，嵌放着对称的三相绕组A-X,B-Y,C-Z，如图4-16所示。以鼠笼式异步电动机为例，转子是一闭合的多相绕组，下面分析异步电动机的工作原理。当异步电动机三相对称定子绕组接通三相对称交流电流时，定子电流便产生一个旋转磁场，且以同步转速n1沿着顺时针方向旋转。转子导体开始是静止的，故转子导体将切割定子磁场而感应电动势并产生感应电流。假设转子为纯电阻性电路，转子电流与感应电动势同相位，其方向由右手定则确定。转子载流导体在磁场中受到电磁力作用，由左手定则可判定电磁力F的方向。电磁力F对转轴形成一个电磁转矩，其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子沿着旋转磁场方向旋转，将输入的电能变成转子旋转的机械能。下一页返回4.4三相异步电动机的工作原理

异步电动机的转子旋转方向始终与旋转磁场的方向一致，而旋转磁场的方向取决于通入交流电的相序，因此任意对调电动机的两根电源线，便可使电动机反转。关于转差率、:

异步电动机的转子转速总是低于定子旋转磁场转速n1，这是异步电动机转子产生感应电动势和电流并形成电磁转矩的必要条件。因电动机转速与旋转磁场转速n1不同步，“异步”由此而得名。由于异步电动机的转子电流是依靠电磁感应作用产生的，所以又称为感应式电动机。通常我们将同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比称为转差率，用字母、表示，即上一页下一页返回4.4三相异步电动机的工作原理

异步电动机带额定负载时，转差率很小，一般s在0.01~0.06。由于转差率s反映了转子与旋转磁场之间的相对运动，故、的大小对异步电动机转子电动势、电流、频率、电抗、功率因数等物理量都有直接影响。转差率、是异步电动机的一个重要参数。根据转差率、，可以求电动机的实际转速n，即【例4-2】J02-51-2型10kW异步电动机，电源频率为50Hz，转子额定转速为2930r/min。求额定转差率，并求转差率、为0.1时的转速。上一页下一页返回4.4三相异步电动机的工作原理

解两极异步电动机的同步转速为额定转差率为转差率为0.l时的转速。上一页返回4.5三相异步电动机的三种运行状态

根据转差率大小和正负，异步电动机有电动机运行、发电机运行和电磁制动三种运行状态。1.电动机运行状态当异步电动机作为电动机运行时，电磁转矩为驱动性质，电磁转矩克服负载制动转矩而做功，把从定子吸收的电功率转换成机械功率从转子输出。电动机转速n与定子旋转磁场转速n1同方向，如图4-17(a)所示，且实际转速取决于负载大小。当电动机静止时，n=0,s=1;当异步电动机处于理想空载运行时，转速接近于同步转速n1。因此异步电动机作为电动机运行时，转速变化范围为0<n<n1,，转差率变化范围为0<s<1.下一页返回4.5三相异步电动机的三种运行状态

2.发电机运行状态如果用原动机拖动异步电动机顺着旋转磁场的方向旋转，且使电动机转速n大于同步转速n1，即n>n1，则s<0，磁场切割转子导体的方向与电动机运行状态时相反。因此，转子电动势、转子电流及电磁转矩方向也与电动机运行状态时相反，如图4-17(b)所示，电磁转矩与转子转向相反，对电动机起制动作用，转子从原动机吸收机械功率。由于转子电流改变了方向，定子电流跟随改变方向，也就是说，定子绕组由原来从电网吸收电功率，变成向电网输出电功率，使电动机处于发电机运行状态。当异步电动机作为发电机运行时，其转速可在n1<n<∞变化，相应的转差率在-∞<s<0变化。上一页下一页返回4.5三相异步电动机的三种运行状态

3.电磁制动状态如果用外力拖动电动机逆着旋转磁场的旋转方向转动，则旋转磁场将以高于同步转速的速度((n1+n)切割转子导体，切割方向与电动机运行状态时相同。因此，转子电动势、转子电流和电磁转矩的方向与电动机运行状态时相同，但电磁转矩与转子转向相反，对电动机起制动作用，故称为电磁制动运行状态，如图4-17(c)所示。为克服这个制动转矩，外力必须向转子输入机械功率，同时电动机定子又从电网吸收电功率，这两部分功率都在电动机内部以损耗的方式转化成热能消耗了。异步电动机作为电磁制动状态运行时，转速变化范围为-∞<n<0，相应的转差率变化范围为1<s<∞。上一页下一页返回4.5三相异步电动机的三种运行状态

由以上分析可见，异步电动机可以在电动机、发电机和电磁制动三种状态下运行。现代异步电动机主要作为电动机运行;电磁制动往往只是异步电动机在完成某一生产过程中而出现的短时运行状态。例如，交流起重机下放重物时，为限制下放速度，使异步电动机运行于电磁制动状态。至于异步发电机，则有时用于农村小型水电站和风力发电站中。上一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

1.异步电动机的感应电动势异步电动机气隙中的磁场旋转时，定子绕组切割旋转磁场将产生感应电动势，其中每相定子绕组的基波感应电动势为式中，f1为定子绕组的电流频率，即电源频率(Hz);φ1为每极基波磁通(Wb);N1为每相定子绕组的串联匝数;KW1为由定子绕组结构所决定的绕组系数，一般在0.9~1。异步电动机的转子在转动时，每相转子绕组的基波感应电动势为式中，f2为转子绕组中的电流频率(Hz);N2为转子绕组每相的串联匝数;KW2为转子绕组的基波绕组系数。下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

2.三相异步电动机的功率和转矩在机电能量转换过程中，直流电动机和异步电动机有所不同。直流电动机的电磁功率在电枢中发生，电枢轴直接输出机械功率;而一台交流电动机的电磁功率发生在定子绕组，经由气隙传送给转子输出机械功率。三相异步电动机的功率流程如下:电源输入的电功率P1送入定子绕组，其中一小部分功率损耗pCu1是定子电阻的铜损耗功率;另一小部分pFe为定子铁性磁滞和涡流的功率损耗;余下的大部分功率Pem借助于气隙由定子传送给转子，称为异步机的电磁功率。转子得到的电磁功率中还会损失很少一部分，即转子电流的铜损耗pCu2，剩余的就是使转子旋转的总机械功率Pm，转子在旋转时还有轴承和风阻损耗功率pm及附加损耗功率pad，最后才是轴上输出的净机械功率p2。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

1)功率流程图(图4-18)功率平衡方程式如下2)三相异步电动机的效率上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

3)转矩平衡方程式由于机械功率等于相应的转矩与机械角速度的乘积，将异步电动机的功率平衡方程式两边同除以转子的机械角速度Ω，即可得到相应稳定运行时的转矩平衡方程式式中，T为电动机的电磁转矩，为电动机的输出转矩，T2=为电动机的空载转矩上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

在工程上根据不同的前提条件，计算电动机的电磁转矩时有以下三种表达式可供选择。

(1)电磁转矩的物理表达式。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

从式(4-15)得出结论:异步电动机的电磁转矩与主磁通φ1成正比，与转子电流的有功分量I2'cosψ2成正比。此结论在异步电动机定性的运行分析时很有用处。

(2)电磁转矩的参数表达式。在分析计算电力拖动有关问题时，需要直接利用转速或转差率与转矩的关系，根据电磁转矩的参数表达式和电动机的近似等效电路可推出电磁转矩的参数表达式如下:上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

式(4-16)反映了二相异步电动机电磁转矩T和电动机的相电压U1、电源频率f，和电动机的参数(r1,r2,X1,X2'p,m1)以及转差率s之间的关系。我们得出一个重要结论:当电源电压和频率不变、电动机的参数不变时，电磁转矩仅仅和转差率s有关。得出三相电动机的T-s曲线如图4-19所示。从图4-19中可看出:在正、负最大转矩时对应的转差率-sm和sm之间，电动机的转矩接近于直线，称为线性工作区;在其他区域为非线性工作区。出现最大转矩的转差率称为临界转差率sm。显然，异步电动机的特性曲线为二次曲线，求最大转矩时的转差率sm，即变化率为零的点。令dT/ds=0，可求得产生最大转矩时的临界转差率sm为上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

最大转矩为在式(4-17)中，考虑到电源频率较高时r1<<(X1+X2')而忽略r1，从而得出了近似表达式。

(3)电磁转矩的实用表达式。由于在工程实践中，电动机的参数一般从产品说明书中只能得到额定功率、额定转速、过载倍数等基本数据，电动机内部数据一般是不给出的，为此导出一个简单实用的电磁转矩表达式就非常必要。下面给出电磁转矩的实用表达式(推导从略)。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

当电动机运行在线性工作区域时，因为s<<sm，所以s/Sm<<Sm/S，从而忽略s/sm，得出上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

而其中的临界转差率

(4)三相电动机的过载倍数或过载能力λm。最大转矩Tmax为使电动机可能产生的最大转矩，当负载转矩大于Tmax时，电动机必然减速直至停转。为保证电动机不会因短时过载而停转，要求其额定转矩比最大转矩小。最大转矩与额定转矩的比值定义为过载倍数λm一般电动机的过载倍数λm=1.8~3.0，起重冶金用的电动机过载倍数可以达到3.5。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

(5)二相电动机的启动转矩Tst.

所谓启动转矩是指电动机接通电源开始旋转时的电磁转矩Tst。显然，启动转矩和电源电压成正比，与一、二次电抗之和X1+X2'相关，启动转矩随电抗和的增大而减小，而随二次电阻的增大而增大。这就提供了增大启动转矩、减小启动电流的一种方法，即在转子回路串入电阻的启动方法。3.三相电动机的机械特性三相电动机的机械特性是指工作在额定电压及额定频率下，按照规定的接线方式接线，定子及转子电路中不外接电阻或电抗时所获得的机械特性n=f(1),如图4-20所示;异步电动机的固有机械特性为硬特性，即电磁转矩从零增大到最大转矩时，转速只会略为减小。在固有机械特性曲线(图4-21)上，有几个特殊的运行点。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

1)启动点A启动点A的特点是:n=0(S=1),T=Trt，启动电流Irt=(4~7)IN.2)最大转矩点P最大转矩点P的特点是:n=nm(s=sm),T=Tmax.3)额定工作点B额定工作点B的特点是:n=nn(s=sn),T=TN,I1=IN.4)同步点H同步点H的特点是:n=n1,T=0,I2'=0,I=I0。在曲线图中从同步点到最大转矩点之间是稳定运行区域，从最大转矩点到启动点之间是不稳定运行区域。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

4.人为机械特性(图4-22)

采取一定的人为措施，改变电动机的任何一个或多个参数，如定子电压、频率、极对数、定子和转子的电阻或电抗等，即可得到不同的机械特性。

1)降低定子端电压时的人为机械特性

(1)不同电压时的同步转速不变。因为n1=60f1/p，所以降压后，各条人为特性曲线都经过同步点。

(2)降压后的最大转矩Tmax随U成比例下降，但临界转差率sm和临界转速nm不变。

(3)降压后的启动转矩Trt也随电压的平方而下降。降低定子电压对电动机的运行有何影响呢?从曲线图可看出，若上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

负载不变，端电压的降低导致转速下降，转差率增大，转子电流必然增大，定子电流也成比例变大，电动机超载。如果下降值过大，启动转矩和过载倍数同时变小，电动机出现堵转，造成过热烧毁事故。2)转子回路串入三相电阻时的人为机械特性对于绕线电动机，在转子回路串入电阻是容易实现的，它可以解决鼠笼式电动机无法适应的重载启动和运行中需要调速的问题。图4-23为绕线电动机转子回路通过滑环将转子电流引出，三相对称地接入电阻，并用接触器实现短接的机械特性。从图上可知:(1)因为n1=60f1/p，所以转子串入电阻后同步转速n1不变。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

(2)转子串入电阻后的最大转矩Tmax不变，临界转差率、m随串入电阻的增大而增大，临界转速nm也随R的增大而增大。

(3)当临界转差率sm增大，而sm<1时，启动转矩随R的增大而增大;当临界转差率等于1时，启动转矩为最大转矩;但当临界转差率大于1时，启动转矩随R的增大而减小。由上述结论可知:绕线式电动机转子回路串入电阻可以改变转速从而应用于调速，也可改变启动转矩从而应用于改善异步电动机的启动性能。正因为绕线式电动机所具有的这些特点，使其在电力拖动中得到广泛应用。电源容量不允许10kW以上的电动机直接启动时，或设备运转中需要调速时，都要应用绕线式电动机。上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

5.三相异步电动机的运行

1)空载运行所谓空载是指电动机的定子绕组接人二相交流电源，轴上不带机械负载的运行状态。此时定子绕组的电动势平衡方程式为式(4-19)是在忽略空载电流的阻抗压降条件下得出的，因为空载电流相对于额定电流很小，造成的压降不超过额定电压的1%。式(4-19)也说明，当电源频率一定时，主磁通仅与外加电压成正比，一般电源电压为额定值，因此空载时电动机的主磁通在空载和带负载时都比较稳定，基本不变。实际上，电动机空载时总是有电流的，因此必然产生上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

损耗。电动机的空载损耗(有功功率损耗)包括电磁损耗和机械损耗。电磁损耗主要包括磁滞和涡流的损耗，通常称为铁损耗;机械损耗主要是摩擦和风阻及高次谐波等造成的附加损耗。为反映电磁损耗，引入励磁电阻rm和励磁电抗Xm作为励磁参数，从而得出异步电动机空载运行的等效电路如图4-24所示。图4-24中，Rm为励磁电阻，是反映铁心损耗的等效电阻Xm为励磁电抗，是反映铁心磁化性能的一个参数;Zm为励磁阻抗，Zm=Rm+jXm。

2)异步电动机的负载运行当异步电动机负载运行时，由于轴上带上了机械负载，原来空载时的电磁转矩不足以平衡轴上的负载阻转矩，电动机开始降速，旋转磁场与转子之间的相对运动速度增加，于是转子绕组中的感应电动势E2上一页下一页返回4.6三相异步电动机的机电特性和平衡方程式

和转子电流I2都增大了。直观上表现为负载加重、定子电流相应增加，所以定子电流可以反映负载的大小，通常采用监视电流表判断电动机的运行是否正常。异步电动机的工作原理和变压器类似，其磁路和电动势的分析也有类似之处。特殊的是，电动机转子的频率、漏电抗都和转差率相关，转子的频率f2=sf1，转动时的漏电抗X2s，与转子静止时的漏电抗X2也有以下关系:X2s=2πf2L2=sX2.上一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

1.启动性能三相异步电动机从接通电源开始，转速从零增加到额定转速或对应负载下的稳定转速的过程称为启动过程。异步电动机启动时，为了使电动机能够转动并很J决达到额定转速，要求电动机具有足够大的启动转矩，启动电流较小，并希望启动设备尽量简单、可靠、操作方便，启动时间短。衡量电动机启动性能的指标如下。

1)启动电流电动机启动瞬间的电流叫启动电流。刚启动时，n=0,s=1，气隙旋转磁场与转子相对速度最大，因此，转子绕组中的感应电动势也最大，由转子电流公式(4-8)可知，启动时s=1，异步电动机转子电流达到下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

最大值，一般转子启动电流Ist2是额定电流I2N的5~8倍。根据磁动势平衡关系，定子电流随转子电流而相应变化，故启动时定子电流Ist1也很大，可达额定电流的4~7倍。这么大的启动电流将带来以下不良后果:(1)使线路产生很大的电压降，导致电网电压波动，从而影响到接在电网上其他用电设备的正常工作。特别是容量较大的电动机启动时此问题更突出。

(2)电压降低，电动机转速下降，严重时使电动机停转，甚至可能烧坏电动机。另一方面，电动机绕组电流增加，铜损耗过大，使电动机发热、绝缘老化。特别是对需要频繁启动的电动机影响较大。

(3)使电工机绕组端部普由礴力冲击，甚至发生形变。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

在电动机手册上一般给出的参数是:启动电流倍数Ist/IN.2)启动转矩异步电动机启动时，启动电流很大，但启动转矩却不大。因为启动时，s=1，f2=f1，转子漏抗X20很大，x20>>r2，转子功率因数角ψ2=arctan(x20/r2)接近90o，功率因数cosψ1很低;同时，大的启动电流也会引起电源电压降低，使电动机主磁通有所减小。由于这两方面因素，根据电磁转矩公式可知，尽管I2很大，异步电动机的启动转矩并不大。《电动手册》上给出的参数为:启动转矩倍数Mst/MN3)启动时间异步电动机的启动电流在空载和重载时的峰值是相同的，但加速到额定转速所需时间不同，因此根据负载的不同，给出不同的时间限定，即保护整定值。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

通过以上分析可知，异步电动机启动的主要问题是启动电流大，而启动转矩却不大。为了限制启动电流，并得到适当的启动转矩，根据电网的容量、负载的性质、电动机启动的频繁程度，对不同容量、不同类型的电动机应采用不同的启动方法。下面分别介绍异步电动机的启动方法。鼠笼式转子异步电动机的启动方法可分为全压和降压两种。2.鼠笼式转子异步电动机的全压启动全压启动的方法比较简单，直接通过开关将三相交流电源电压加到电动机的定子绕组。此方法的启动电流大，一般可达到额定电流的4~7倍，而启动转矩却只有额定转矩的0.6~1.0倍，因此，鼠笼式电动机只能应用于空载或轻载启动的场合。同时启动时的大电流造成电源电压的严重下降，影响同一电源上其他电器的正常工作。所以，鼠笼式电动机采用全压启动法必须遵循以下原则:上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

(1)功率限制-----在公用电源上直接启动的鼠笼式电动机功率不准超过7.5kW.(2)电动机由专用变压器供电----如果电动机工作在频繁启动的工作状态，功率不允许超过变压器容量的20%;电动机不经常启动时，功率不超过变压器容量的30%。(3)压降限制---电动机启动时，电源电压降低值不允许超过额定电压的15%.(4)经验公式验证法----满足下式的电动机方可全压启动:(5)容量在7.5kW以下的三相异步电动机一般均可采用直接启动。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

3.鼠笼式电动机的降压启动降压启动是利用启动设备将加在电动机定子绕组上的电源电压降低，启动结束后恢复其额定电压运行的启动方式。当电源容量不够大，电动机直接启动的线路电压降超过15%时，应采用降压启动。降压启动以降低启动电流为目的，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此，降压启动时，虽然启动电流减小，启动转矩也大大减小，故此法一般只适用于电动机空载或轻载启动。降压启动的方法有以下几种。

1)定子回路串入电抗(电阻)降压启动如图4-25所示，启动时，接触器触点S1闭合，在异步电动机定子回路串入适当的电抗器或变阻器，启动电流在电抗器X(或电阻器R)上产生电压降，对电源电压起分压作用，使定子绕组上所加电压低于电源电压，待电动机转速升高后，接触器触点S2闭合，切除电抗X(或电阻R)，电动机在全电压下正常运行。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

定子回路串入电抗(或电阻)降压启动时，按照降低定子电压的电动机机械特性在负载固定的前提下，启动电流与启动电压成比例减小，若加在电动机上的电压减小到原1/K,则启动电流也减小到原来的1/K而启动转矩因与电源电压的平方成正比，因而减小到原来的1/k2

定子回路串入电阻器降压启动，设备简单、操作方便、价格便宜，但要在电阻上消耗大量电能，故不能用于经常启动的场合，一般用于低压电动机。定子回路串入电抗器降压启动避免了上述缺点，但其设备费用较高，故通常用于高压电动机的启动。此方法成本高，因为电抗器和高压开关所用绝缘材料和制造工艺都比低压电器高得多。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

2)星形一三角形(Y-D)变换接法降压启动这种启动方法只适用于正常运行时定子绕组作二角形接法的电动机。启动时定子绕组接成星形，待电动机转速上升到接近额定转速时，再改回三角形。其原理接线图如图4-26(a)所示。Y-△换接降压启动是利用Y-△启动器来实现的。启动时，合上开关S1，再把S2置于Y侧，定子绕组作星形连接法，每相绕组承受的相电压为线电压的1/3，启动电流较小。待电动机转速升高到接近额定转速时，再把开关S2置于△侧，定子绕组改接成三角形，绕组相电压即为线电压，电动机在额定电压下正常运行。下面我们将电动机作星形启动及三角形全压启动时的启动电流、启动转矩作以比较，如图4-26(b),(c)所示。

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设电源电压为U1，电动机每相阻抗为Z，启动时，三相绕组接成星形，绕组电压为U1/3，故电网供给电动机的启动电流为若电动机作三角形直接启动，则绕组相电压为电源线电压，定子绕组每相启动电流为U1/Z。故电网供给电动机的启动电流为Y形与△形连接启动时，启动电流的比值为上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

由于启动转矩与相电压的平方成正比，故星形与三角形连接启动的启动转矩的比值为综上所述，采用Y△降压启动，其启动电流及启动转矩都减小到直接启动时的1/3.Y-△换接启动的最大优点是启动设备简单，成本低，我国生产的J02及Y系列4~100kW的三相鼠笼式异步电动机定子绕组都采用二角形连接，使Y△降压启动方法得以广泛应用。此法的缺点是启动转矩只有三角形直接启动时的1/3,启动转矩降低很多，而且是不可调的，因此只能用于轻载或空载启动的设备上。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

3)自藕变压器降压启动这种启动方法是利用自藕变压器来降低加在电动机定子绕组上的端电压，其原理接线如图4-27所示。启动时，先合上开关S1，再将开关S2掷于“启动”位置，这时电源电压经过自藕变压器降压后加在电动机上启动，限制了启动电流;待转速升高到接近额定转速时，再将开关S2掷于“运行”位置，自藕变压器被切除，电动机在额定电压下正常运行。下面对自藕变压器降压启动后的启动电流和启动转矩与全压启动时的情况作以比较。设电网电压为U，自藕变压器的变比为Ka，变压器抽头比为Ka，经自藕变压器降压后，加在电动机上的启动电压(自藕变压器二次侧上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

电压)为于1/KaU1，由于电动机的启动电流与定子绕组上的电压成正比，故通过电动机定子绕组的电流(自藕变压器二次侧电流)Ista‘也为额定电压下直接启动时启动电流Ist的1/ka倍，又由于自藕变压器的电流与电压成反比，自藕变压器一次侧电流为其二次侧电流的1/Ka。电网供给电动机的启动电流Ista为流过电动机定子绕组电流的1/Ka,为直接启动电流的1/Ka2倍,即式中，Ista为降压后电网供给电动机的启动电流;I'sta为降压后电动机定子绕组的启动电流;Ist为在额定电压下直接启动的电流。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

采用自藕变压器降压启动时，加在电动机上的电压为额定电压的1/ka倍，由于启动转矩与电源电压的平方成正比，所以启动转矩也减小到直接启动时的几倍，即式中，Msta为自藕变压器降压启动转矩;Mst为在额定电压下直接启动的转矩。由此可见，利用自藕变压器降压启动，电网供给的启动电流及电动机的启动转矩都减小到直接启动时的1/Ka2上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

自藕变压器二次侧通常有几个抽头，如40%,60%,80%3个抽头分别表示二次侧电压为一次侧电压的百分比。自藕变压器降压启动的优点是不受电动机绕组连接方式的影响，且可按允许的启动电流和负载所需的启动转矩来选择合适的自藕变压器抽头。其缺点是设备体积大，投资大。自藕变压器降压启动一般用于Y△启动不能满足要求，且不频繁启动的大容量电动机。

4)延边二角形降压启动用丫△降压启动，启动电流和启动转矩固定地减小为直接启动的1/3，无法调节。在此基础上发展了延边三角形降压启动，它的启动方法与Y△启动法相似。在启动时，将电动机定子绕组的一部分接成星形，另一部分接成三角形，当启动结束时，再把绕组改接成上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

三角形接法正常运行。延边三角形降压启动时，每相绕组所承受的电压比星形时大，而比三角形时小，故其启动电流及启动转矩介于Y△降压启动与三角形直接启动之间。这种启动方法的优点是改变星形及三角形中间抽头位置可以获得不同的启动电流及启动转矩，以适应不同的启动要求。其缺点是结构复杂，绕组抽头多，故该方法在实际应用中受到了一定限制。4.补偿启动因为鼠笼式异步电动机启动时需要很大的感性无功电流，可以在电动机电源进线处并联电器，提供容性无功电流，二者相抵，失电源供给的启动电流大大降低。JQB系列全自动启动补偿控制器属于20世纪80年代出现的一种全压启动设备，其工作原理是:针对鼠笼式上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

电动机启动电流大、启动转矩小、功率因数低的缺点，采用自愈式金属化膜电力电容器作为补偿器件，实现鼠笼式电动机的全压启动，完成启动后，保留一部分电容作为功率因数补偿，提高电动机运行时的功率因数。在线路设计上，采用PLC电容器先于电动机40-v100ms投入，避免充电峰值电流与电动机启动电流叠加。将启动电流限制在额定电流的2.5倍以下。启动后功率因数不低于0.95。对于负载变化特别频繁的电动机，则需要加装功率因数自动控制器，并联的电客器也要分为多组，以活应角载的今化。

【例4-3】一台132kW4极的鼠笼式电动机，拖动鼓风机。该电动机距离电源变压器约200m远，采用GLJ33X70的架空线供电，原设计认为变压器容量为2150kV.A，按直接启动施工安装，完成安装多次上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

试车，结果根本启动不了。采用JQB-150自动补偿启动器后，一次启动成功，启动电流在500A以下，小于2倍的额定电流。典型电路图如图4-28所示。图4-28中的PLC电源为220V(50Hz)，有两个时间继电器输出:第一个控制1CJ的自保接点延时40~100ms;第二个控制启动时间，启动完成后切除启动并联电容器组QC。YC为常接电容器组，补偿运行时的功率因数。如果是自行改造安装，可以不用PLC，用普通时间继电器也可达到目的。主回路电容器的功率及分组数目，可根据负载和电源容量大小及距离、电缆或架空线配电具体选择。并联的电容器组，本身必须带有放电电阻和熔断器，防止停机后残余电荷使人麻电。三相鼠笼式异步电动机各种降压启动方法的性能及优缺点如表4-2所示。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

【例4-4】有一台三角形连接的异步电动机，UN=380V,IN=20A,cosψ=0.87,ISt/IN,MSt/MN=1.4。试问:(1)当负载转矩ML=0.5MN时，能否采用Y-△换接降压启动?(2)当负载转矩ML=0.5MN时，如果采用自藕变压器降压启动，试确定自藕变压器的电压抽头(设自藕变压器有3个抽头，即73%,64%,55%).(3)采用自藕变压器降压启动时，电网供给的启动电流是多少?

解(1)正常启动时要求启动转矩不小于负载转矩的1.1倍。用Y-△换接启动时上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

MstY<ML，故不能采用Y-△换接降压启动。(2)用自藕变压器降压启动，设电压抽头比为K。如前所述，当启动转矩Mst≥1.1ML时，可以正常启动。故应选64%的电压抽头。(3)电网供给的启动电流为上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

5.绕线式异步电动机的启动鼠笼式异步电动机可以利用降压方法限制启动电流，但启动转矩也随启动电压成平方倍地减小了，故只适用于空载及轻载启动的机械负载。对于重载启动的机械负载，如起重机、卷扬机、龙门吊车等，广泛采用启动性能较好的绕线式异步电动机。绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机的最大区别是转子绕组为二相对称绕组。转子回路串入可调电阻或频敏变阻器之后，可以减小启动电流，同时增大启动转矩，因而其动性能比鼠笼式异步电动机的好。转子回路串入变阻器启动启动原理。根据转子电流公式上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

启动时的转子电流为启动时的转子回路功率因数为按照异步电动机的机械特性，由图4-23可以看出，绕线式电动机的转子回路阻抗不同时，对应不同的转速，但是最大转矩不变。因此，绕线式电动机可以做到在启动过程中不断改变转子回路的阻抗，可以做到既限制启动电流，又保持额定转矩，对重载启动的系统特别适用。方案1:在转子回路每相串接分段的电阻，二相电阻最好对称，启动过程中随着转速的增加，及时切除各段电阻，使电动机加速到额定转速，最后一段电阻的切除接触器动作后，转子三相绕组短接，电动机进入正常运行状态。为使启动过程平上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

稳，可以将转子的外接电阻分段的级数增多。一般小功率的启动级数有5段就足够了，重型设备的启动级数可达到15~18级。此种启动方式的优点是，结构简单，级数比较多时启动过程可以比较平稳，换挡时的电流冲击、机械冲击都较小。其缺点是电阻体积和功率比较大，占地面积大，启动过程的转差功率变成热量散发掉，造成能源浪费。而且，启动过程中多台接触器动作的噪声也大。（图4-29）方案2:采用频敏变阻器。频敏变阻器是一种电抗元件，其结构类似副绕组直接短路的三相变压器，三相二次绕组为铝管，相当于一匝的二次线圈。将其接人电动机的转子回路，电动机启动时，定子通电，转子感应电压频率为50Hz，阻抗Z=2πfL，随着转速的增加，频率降低，阻抗变小，到接近额定转速时阻抗降到最小(电抗为启动开始时上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

的0.01~0.03Ω，而线圈直流电阻本来就是非常小的)。此时用短接接触器将转子短接，频敏变阻器退出运行。此方案的优点是能做到平滑启动，操作简单，体积小。其缺点是，制造成本高，对低压电动机其价格和配套的电动机相当。由于价格限制，启动电流选在电动机额定电流的3~3.5倍，最后短接时，仍有较大的冲击电流。方案3:采用电液启动器。电液启动器是用二个弱碱性的液柱作为转子的串联电阻，启动过程中，每相的活动极板匀速下降，向底部固定极板靠拢，平滑改变电阻值，最后短接运行。调节电阻的方法，手动最简单，但现在的产品多为采用伺服电动机带动螺杆上下，限位开关定位，PLC操作。绕线式电动机采用电液启动的方法，综合了上述两种方法的优点，而且制造成本低，价格便宜，很容易实现启动过程的自动化，已经成为大功率绕线式电动机启动设备的主流装置。上一页下一页返回4.7三相交流异步电动机的启动

图4-30为1250kW,6kV高压绕线式电动机在转子回路串接电液启动器的控制原理图，该电动机是拖动重载启动的球磨机的主传动电动机，系统设有保护减速机、磨机轴承润滑、电动机强迫通风风机等辅助设备，因此需要必要的连锁，在电路图中已有标注。电动机的高压开关柜设在配电站，现场操作人员只需在启动柜上控制开停，配电站只设停车按钮，不准配电站柜前启动。使用该装置，启动电流可以控制在额定电流之内，启动平稳，加速平滑，最后短接时电流表基本不动，达到较理想的启动曲线。上一页返回4.8三相异步电动机的制动

三相异步电动机的制动方法有以下几种。1.能耗制动运行中的异步电动机需要制动时，断开二相交流电源开关，同时给定子通入直流电，形成固定磁场，转动着的转子导体切割磁力线产生感应电动势，在短接的转子中生成短路电流，变成热量而散失掉。当系统转动的动能消耗殆尽，电动机停转，完成制动过程。如图4-31所示。对绕线式异步电动机，可采用单相能耗制动法。其原理是:在转子电阻选择适当的前提下，断开定子的一相绕组，与另一相连接，电动机产生制动转矩，在同步转速时最大，随着转速的下降，制动转矩呈直线关系下降。在制动过程中，无须另设直流电源，但在定子绕组中流过的电流会达到2.5倍的额定电流，引起过热。因此，只适用于要求制动平稳而且功率不大的设备，如图4-32所示。下一页返回4.8三相异步电动机的制动

2.反接制动运行中的异步电动机需要制动时，断开正转电源，合上反转的电源(用接触器或空气开关完成)，转子电流反向，产生额定转矩2倍以上的制动转矩，使电动机迅速停转，并进入反向启动状态。如果通过速度检测装置，立刻断开电源，电动机停止转动;如果不断开电源，则开始反向转动并加速到额定转速，显然，这种方法特别适用于频繁正反转的设备(如刨床等)。图4-33为反接制动的原理接线和特性曲线。反接制动电阻的计算如下。(1)三相定子绕组串接对称的制动电阻。每相串联的电阻为上一页下一页返回4.8三相异步电动机的制动

式中，K为系数，当要求最大反接制动电流不超过全电压启动电流时，K=1.3，当要求最大反接制动电流不超过全电压启动电流的一半时，K=1.5;姚为全电压启动定子绕组相电压(V);ISt为全电压启动电流(A)。

(2)三相定子绕组中两相串接制动电阻。每相串联电阻为式(4-28)计算值的1.5倍。

(3)反接制动电阻的功率P。式中，IN为电动机的额定电流(A);R为每相串联的制动电阻(Ω)。实际选用时，如果仅用于制动，而且不频繁反接制动，可选用计算值的1/4;如果又用于限制启动电流，而且较为频繁启动，选用电阻功率为计算值的1/3~1/2.上一页下一页返回4.8三相异步电动机的制动

【例4-5】一台Y200L三相鼠笼式异步电动机，PN=30kW,IN=56.9A,UN=380V,Y接法，要求反接制动电流的最大值小于额定电流的一半(全电压启动电流)，采用串接对称制动电阻。试计算反接制动电阻;如果两相串入制动电阻，求制动电阻。解启动电流按7倍计算取K=1.5上一页下一页返回4.8三相异步电动机的制动

取计算值的1/4，即取0.7kW.如果两相串入制动电阻，则制动电阻电阻消耗功率3.回馈制动运行中的异步电动机由于某种原因(如位势性负载处于重物下降过程中)，使电动机转速超过同步转速而进入发电状态，转子电流反向、电磁转矩方向与转子实际转向相反，变为制动转矩。电动机将机械能转换为电能反馈回电网。此方法多用于起重机下放重物的过程或下运物料的斜坡卷扬机、架空索道等设备系统。在开始带重物下放时，上一页下一页返回4.8三相异步电动机的制动

电动机转速小于同步转速，即n<n1，处于电动运行状态，电磁转矩与电动机旋转方向相同。接着在电磁转矩和重物重力产生的转矩双重作用下使转速超过旋转磁场的转速，即n>n1，电动机进入发电制动状态运行，此时的电磁转矩方向与电动运行状态时相反，称为制动转矩。电动机开始减速，直至制动转矩和重力转矩相平衡时，系统进入以恒定转速(电动机转速仍高于同步转速)平稳下降状态。另外，在采用变极电动机调速的拖动系统中，当电动机由少数极变换到多数极时，旋转磁场的转速突然成倍减少，而转子由于惯性，转速尚未降下来，于是转子转速大于同步转速，电动机进入发电制动状态。回馈制动的优点是节能，可将负载的机械能变成电能回馈电网。上一页返回4.9三相异步电动机的调速

三相异步电动机的调速有变极调速、变频调速和改变转差率调速(包括调节定子电压、绕线式电动机转子回路串入电阻、转子回路引人附加电势3种方法)，另外还包括鼠笼式电动机用电磁离合器调速等。下面分别叙述。1.变极调速通过改变定子绕组接线方式，改变极对数，达到改变同步转速以调节转子转速的目的。此方法是将每相绕组从中间断开，重现连接、使极数改变，达到改变转速的目的。常用的有两种方法，如图4-34所示。图4-34表示的改接方式其特点如下:Y/YY方案极对数减少一半，转速增加一倍，功率扩大一倍，转矩基本不变，属于恒转矩调速方式。而D/YY方案极对数减少一半，转速增加一倍，输出转矩近似少一半，上一页下一页返回4.9三相异步电动机的调速

输出功率近似保持不变，属于恒功率调速方式。变极调速的优点是设备简单、运行可靠，可以满足恒转矩或者恒功率的调速要求。其缺点是，绕组引出线头多，接线复杂，调速平滑性差，级数少。其适用范围受到一定的限制。2.变频调速改变电源频率，改变了同步转速，进行速度调节。我们知道异步电动机的转速与电源频率直接相关。只要改变电源的频率f，电动机的转速就随之改变。而一般电网的频率都是统一的标准频率(50Hz或60Hz)，改变电源频率难度较大。但是，从20世纪60年代以来，应用晶闸管变频的电力电子技术的日益上一页下一页返回4.9三相异步电动机的调速

普及，使异步电动机的变频调速有了重大突破。功能完善、技术成熟的变频器已经广泛应用于电力拖动系统。但是仅仅改变电源频率，还不能得到满意的调速特性，因为电源频率的变化会引起电动机其他参数的变化，影响电动机的运行性能。

(1)对于由于频率降低，因其原来已接近饱和的磁路更加饱和，励磁电流增大，铁损耗增加，发热严重，效率降低，采取的措施是:在降低频率的同时，也成比例地降低电压，保持电压/频率为常数。当频率高于50Hz时，电压不随频率成比例升高，只保持额定值不变，这样频率升高时，主磁通减少，电动机相当于弱磁调速。

(2)机械特性在调频时也有变化:同步点、最大转矩点、启动点都有所变化。针对不同性质负载，变频器可以设计不同的转矩、电压、电流。使调速性能满足拖动的要求。随着半导体变流技术的发展，元件成本的降低，鼠笼型异步电动机的调速问题将从根本上得到解决。上一页下一页返回4.9三相异步电动机的调速

3.改变转差率调速转子回路串入电阻改变转速调速、串级调速、定子调压调速均属于改变转差率的调速方法。其共同特点是，转差率增大，转差功率也增大，影响电动机效率。

1)转子电路串入电阻其特点是串入不同电阻，电动机最大转矩在不同转速下不变，是恒转矩调速。用多级电阻串联，分挡切除，可得到不同的转速，挡数越多，调速的平滑性越好，近年来推广的液体电阻启动调速器，采用弱碱溶液作为电阻器，可以平滑变阻，较好地解决了启动问题。如果需要长接于转子回路，用于调速，只要增加循环泵，使导电液体散热并保持均匀，可以达到满意的调速效果。上一页下一页返回4.9三相异步电动机的调速

2)串级调速在转子回路加入一个与转子同频率的附加电动势，此电动势相位可与转子电动势同相位或反相位，便可实现调速。但要求附加电动势不但大小和相位可调，而且其频率能自动跟随转子频率的变化，这种变频电源确实比较复杂。因此，在工程上采用先将转子电动势整流，变成直流电动势，然后串入一个可控的直流电动势，而这两个直流电压串联，相互作用控制转子电流，达到调速的目的。实际上是将转差功率通过逆变反送回电网。图4-35所示为晶闸管串级调速系统的原理示意图。系统工作时，先将异步电动机的转子电动势E2整流为直流电压Ud，再由晶闸管逆变器将直流电压逆变为工频交流电，经变压器T变换电压与电网相匹配，从而使转差功率sPem反馈回电网。改变逆变器的逆变角β，改变Uβ即可实现串级调速。上一页下一页返回4.9三相异步电动