电气传动自动控制系统第3章

1、3.4 异步电动机的制动工作状态从三相异步电动机机械特性分析中知道，三相异步电动机的固有机械特性和各种人工机械特性遍布于T-n坐标系平面的4个象限。因此，三相异步电动机拖动的交流电力拖动系统运行时，在拖动各种不同负载的条件下，若改变异步电动机电源电压的大小、相序、频率，或者改变绕线式异步电动机转子电路所串电阻等参数，三相异步电动机就会运行在4个象限的各种不同状态。三相异步电动机各种工作状态的定义方法与直流电机是一致的。电动工作状态：指电磁转矩的方向与转速的方向相同，第I、III象限。制动工作状态：指电磁转矩的方向与转速的方向相反，第II、IV象限。与直流电动机相同，异步电动机也可工作于三种制动

2、工作状态：回馈制动、反接制动和能耗制动。3.4.1 反接制动状态有倒拉反接（转速反向）制动和电源反接制动两种。1、倒拉反接制动(Plugging)实现方法：在异步电动机转子电路串接较大电阻。制动原理：对绕线式异步电动机拖动位能性负载（比如起重机或电梯），如图3-20所示。系统原来提升重物工作在固有机械特性的A点上，以速度nA稳定工作。若突然在转子电路串入较大的电阻Rad，其机械特性变为曲线3，由于机械惯性，转速不能突变，传动系统由工作点A过渡到A点。由于此时TATL，则系统处于动态减速状态。当电机转速沿机械特性减速到零时，电机转矩TC仍小于负载转矩TL，重物将倒拉着电机反转，系统则处于反向加速

3、状态，即沿着机制特性3反向加速进入第IV象限到D点，这时，系统又处于新的稳定运行状态，即以nD稳定下放重物。TD与nD的方向相反，故为制动转矩。由于速度反向，故称倒拉反接制动。图3-20 异步电动机倒拉反接制动状态时的机械特性改变转子电路串接的电阻Rad的大小可以调整下放速度。所串电阻Rad愈大，下放速度愈快。如图3-20机械特性曲线4所示。倒拉反接制动时，机械特性进入第IV象限，转速反向，即n1，则Pmec小于零，这表示异步电机不是向外输出机械功率，而是负载向电机内输入机械功率。电磁功率Pem为0电磁功率大于零，表示异步电机仍由定子向转子传递电磁功率。综上，异步电机轴上输入的机械功率转换为电

4、功率之后，连同定子传递来的电磁功率全部变成转子铜耗，消耗在转子电阻上。其功率流图如图3-21所示。转子铜耗pcu2为：pcu2=Pem-Pmec= Pem+|Pmec|其值很大，故倒拉反接制动的能量损耗较大。优点：可获得稳定的下放速度。缺点：能量损耗较大应用场合：倒拉反接制动可用在位能性负载下放重物的场合，以获得稳定的下放速度。图3-21 异步电动机反接制动状态时的功率流图图3-22 异步电动机电源反接制动状态时的机械特性2、电源反接制动(Reverse Voltage Braking)实现方法：改变异步电动机的定子接线相序（三条电源线中两条对调），同时对绕线式异步电动机可在转子电路串接适当阻

5、值的电阻。制动原理：如图3-22所示，设异步电动机原在机械特性1上的A点稳定工作。当定子电源相序改变后，旋转磁场的方向改变，从而同步转速n0的方向与原来相反。若同时在转子电路串入电阻Rad，其机械特性为曲线2。由于机械惯性，转速不能突变，工作点由A点过渡到B点，TB0，电磁转矩的方向与转速方向相反，为制动转矩。这时，系统在电磁转矩TB和负载转矩TL的共同制动作用下，动态减速，沿机械特性2向下变化直到C点，转速为零。若此时切断电源，则系统即停车。否则，由于|TC|大于TL，系统反向起动，沿机械特性2进入第III象限。若为反抗性负载，则系统稳定工作在D点；若为位能性负载，负载转矩方向不变，则进入第

6、IV象限，稳定工作在E点。（若为鼠笼式异步电动机，其机械特性曲线为曲线3，制动过程类似。）电源反接制动时，同步转速与原来方向相反，即n00即电源反接制动的能量关系与倒拉反接制动的能量关系相同。鼠笼式异步电动机转子无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。优点：制动强度大，制动效果好；可获得的稳定下放速度。缺点：能量损耗较大；制动准确度差，如需停车，需用自动控制线路切断电源。应用场合：电源反接制动适用于迅速停车和迅速反向的场合，也可用在位能负载下放重物的场合，以获得稳定的下放速度。例3-5 绕线式异步电动机的铭牌数据如下：PN=3.5KW，nN=910r/min，E2N=204V，I2N=12.2A

7、，lm=2.5。如果拖动额定负载运行时，采用电源反接制动，要求开始制动时最大制动转矩为1.5TN，求转子每相串入的制动电阻值。解： 电源反接制动刚开始的转差率为把制动开始点的参数s=s1，T=T1=1.5TN,代入其中，为电源反接制动机械特性的临界转差率有，化简成求得即：=5.72或=0.64固有机械特性的临界转差率为当r1、xsc（x1、）不变时，sm，则有即则转子串入Rad1或Rad2皆可满足要求。3.4.2 回馈制动状态实现方法：当异步电动机由于某种原因使其转速超过旋转磁场的转速（即同步转速），异步电机就把轴上的机械能或系统储存的动能转变为电能回馈给电网，此时，对拖动系统而言产生制动作用

8、，这就是回馈制动。制动原理：回馈制动时，由于电机的转速n大于同步转速n0，即，则转差率s为此时，电动机机械功率Pmec为0输出功率小于零表示电动机轴上的机械功率不是由电机向外输出，而是由外向电机内输入。电磁功率Pem为0电磁功率小于零表示电磁功率不是由定子向转子传递，而是由转子向定子传递，即送给电网。总之，异步电机由轴上向电机输入机械功率P2转换为电功率以后，去掉转子电路的铜耗pCu2，剩下的大部分由转子通过气隙传给定子。再去掉定子损耗pCu1和pFe后，全部反馈到电网中去。因而称为回馈制动。其功率流图如图3-23所示。这时的异步电机实际是一台与电网并联的异步发电机。图3-23 异步电动机回馈

9、制动状态时的功率流图尽管回馈制动时异步电机向电网回馈能量，同时，也仍然从电网吸取能量。为什么？下面研究转子电流I2即可知道原因。转子电流的有功分量为转子电流的无功分量为由此可知：回馈制动时s0，则I2a0，即说明转子电流的有功分量改变了方向，与电动状态相反，而转子电流的无功分量方向不变，与电动状态相同。可知，此时异步电动机虽然向电网回馈有功功率，但仍需从电网吸取无功功率，即吸取励磁电流以建立磁场。又有T=CTFI2cosj20T0，即说明电机的电磁转矩与转速方向相反，为制动转矩。应用场合：回馈制动可用在位能负载下放重物的场合，以获得较高的稳定下放速度。例如，回馈制动可以发生在起重机下放重物时。

10、若在转子电路中串接电阻，回馈制动的转速会更高，如图3-24所示。因而，回馈制动时转子电路一般不串接电阻，以免转速过高。图3-24 异步电动机回馈制动状态时的机械特性大多数回馈制动是当异步电动机降低同步转速时自然发生的过程。例如，异步电动机进行变极调速（对于多极电机），由少极数（高同步转速）变到多极数（低同步转速）时，会自然产生回馈制动过程。其在机械特性上的过渡过程如图3-25所示。图3-25 异步电动机由高速调为低速时发生的回馈制动状态优点：能量损耗小。仅从电网吸取滞后的无功功率，以建立励磁磁场（这对电网是有利的）。还能回馈给电网能量，回馈电网有功功率。可获得较高的稳定下放速度。3.4.3 能

11、耗制动状态实现方法：将处于电动状态的异步电机的定子从交流电源上切除，立即把它接到直流电源上去，而转子电路或直接短接，或经电阻短接。制动原理：异步电动机能耗制动时，由于定子绕组通以直流电源，则在电机内部建立一个静止的、恒定不动的磁场（而不是旋转磁场）。而转子由于机械惯性仍继续旋转，定子上静止不动的磁场则会在旋转的转子中感应电势，从而产生转子电流。定子磁场与转子电流相互作用，产生制动转矩，即所产生的转矩的方向与转子的旋转方向相反，从而使电机减速。当电机的转速减为零时，转子不在感应电势，也就不在产生制动转矩，则电机停转，系统停车。 电动状态 能耗制动图3-26 能耗制动原理能耗制动时，异步电机作为独

12、立的发电机工作，将转子储存的动能转化为电能消耗在转子电阻中。为了产生和保持励磁电流，有两种方法，第一种方法是定子绕组从交流电源上切除后，接到适当选择的电容器上，称为自励能耗制动；第二种方法是定子从交流电源上切除后，由直流电源供电，称为他励能耗制动。后者得到广泛的应用。接线方式：异步电动机在正常的接线方式下，可以运行在电动运转状态，还可以运行在回馈制动和反接制动状态。而异步电动机在能耗制动状态时定子绕组要有特殊的接线方式，三相定子绕组接直流电流的两种常用接线方式如图3-27所示。为了研究异步电机的能耗制动，可以把频率变化的同步发电机当作异步电机来看待。把直流电流在定子中产生的磁势看成是由对称的三

13、相交流电流产生的磁势。这样的等效代替需要保持两种情况下的磁势不变，即Fdc=Fac。对于图3-27(a)所示的接线方式时，所产生的直流磁势幅值为由交流电流产生的磁势幅值为则直流电流与交流电流的等效关系为不同的接线方式下，二者的等效关系是不同的。对于图3-27(b)所示的接线方式时，经过类似的推导可以得出，此时二者的等效关系为(a)(b)图3-27 异步电动机他励能耗制动时定子的接线方式及其磁势矢量图能耗制动时的转差率用v表示，此时磁场相对于转子的转速为-n，则v为能耗制动时异步电机的铁损耗很小，可以忽略，则此时等效电路中励磁支路的rm可以忽略，如图3-28所示。 图3-28 能耗制动时异步电机

14、的等效电路 图3-29 异步电机能耗制动时的电流矢量图此时，转子电流折算值为励磁电流为又由能耗制动时的电流矢量图3-29，有其中则可以推导出能耗制动时异步电动机的电磁转矩为则得到能耗制动时异步电动机的机械特性表达式为对上式进行分析可得，能耗制动时所能产生的最大转矩为：对应的临界转差率为：则有以下几个小结论T、TmaxIac2Tmax与r2无关vmr2vm与Iac无关异步电动机能耗制动时机械特性的实用表达式异步电动机能耗制动时的机械特性绘制于第II、IV象限，如图3-29所示。在能耗制动时，改变转子串接电阻或定子直流励磁电流的大小，均可调节制动转矩的数值。若认为工作在磁路不饱和（xm为常数）的条

15、件下，图3-30中曲线1和3分别对应的是不同转子电阻情况下的能耗制机械特性，曲线3的转子电阻大于曲线1的，因此曲线3对应较大的临界转差率，但最大转矩不受影响；曲线2为增加了直流励磁电流的能耗制动机械特性，与曲线1相比，最大转矩增加了，但对应的临界转差率不变。图3-30 异步电动机能耗制动时的机械特性优点：可实现准确停车。缺点：有能量损耗。应用场合：常用在要求准确停车的场合，也可用于位能负载下放重物以获得稳定转速的场合。能耗制动广泛地应用在矿井提升及起重机等生产机械上。至此，前面分别叙述了三相异步电动机的反接制动、回馈制动和能耗制动，再连同其电动运行状态一起将其在各种运行状态下的机械特性绘制在如

16、图3-31所示的四个象限中，以加深理解。图3-31 三相异步电动机在四个象限内的各种运行状态3.5 三相异步电动机的调速方法？近年来，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的飞速发展，交流调速日趋完善，大有取代直流调速的趋势。交流调速在工业应用中，大体上有三大领域：凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速；直流调速达不到的，如大容量、高转速、高电压以及环境十分恶劣的场合，都能使用交流调速；原来不调速的风机、泵类负载，采用交流调速后，可以大幅度节能。交流电动机主要有同步电动机和异步电动机两种。同步电动机的调速靠改变供电电源的频率改变其同步转速。异步电动机的转速为n=n0(1s)

17、=60f1/p(1s)由上式可知，要改变异步电动机的转速，可从三方面人手，即有三大类调速方法：（1）变极调速：改变定子绕组极对数p，以改变同步转速n0；（2）变频调速：改变供电电源频率f1，以改变同步转速n0；（3）改变转差率s调速。改变转差率s的方法很多，主要有以下四种：转子电路串接电阻调速；改变定子电压调速；电磁滑差离合器调速（滑差电机或电磁调速异步电动机）；串级调速。一、变极调速改变定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0改变，从而得到转速的调节。改变定子绕组的极对数，是通过改变定子绕组的接线方式得到的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应。绕线

18、转子异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，若同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此绕线转子异步电动机不采用变极调速。改变定子绕组的接法，得到的极对数成倍地变化，同步转速也成倍地变化，因此变极调速是有级调速。变极调速的异步电动机一般称为双速或多速异步电动机。变极调速的优点：设备简单，运行可靠，机械特性较硬，可以实现恒转矩调速和近似恒功率调速。缺点：平滑性差，有级调速。多应用于各种机床上。使变极调速与机械变速相配合，以达到比较满意的效果。二、改变转差率s调速转子电路串接电阻调速适用于绕线转子异步电动机。转子电路串接电阻后，机械特性变软，所串的电阻愈大，机械特性愈软。这种调速方法调速的上

19、限是nN，其下限受允许静差率的限制，调速范围仅能达到23。转子电路串接电阻调速为恒转矩调速。转子电路串接电阻调速的优点：方法简单，投资少。缺点：机械特性软，低速运行稳定性差，仍为有级调速，平滑性不高，调速范围小，并且损耗大，效率低。可用于对调速性能要求不高的场合。改变定子电压调速一般只能降低电源电压调速。对通风机负载，调压调速有较好的调速效果，不仅调速范围宽，也可稳定运行。对恒转矩负载，调压调速的调速范围很窄。若能增加异步电动机的转子电阻，如对于绕线转子异步电动机和高转差率鼠笼式异步电动机，可以获得较宽的调速范围。而对于一般的鼠笼式异步电动机，调压调速范围很窄，没有多大实用价值。对于恒转矩调速

20、，由于增加转子电阻，机械特性变软，工作点的稳定较差，静差率不能满足要求。为提高调压调速机械特性的硬度，采用速度闭环控制系统。为改善调压调速低速运行的性能，进一步扩大调速范围，在调压调速和变极调速的基础上发展为一种变极变压调速。这种调速方法综合了变极调速和调压调速的优点，避免了各自的缺点。我们知道变极调速的调速范围较宽，但平滑性差，是有级调速；而调压调速的调速范围较窄，但平滑性较好。这样，我们用变极调速进行粗调，用调压调速进行细调，就既扩大了调速范围，又提高了调速的平滑性。再加上速度闭环控制，可以得到比较理想的调速性能。电磁滑差离合器调速（滑差电机或电磁调速异步电动机）电磁滑差离合器和拖动它旋转

21、的异步电动机一起称为“滑差电机”，又称“电磁调速异步电动机”。异步电动机在电磁滑差离合器调速时，以本身并不调速的异步电动机为原动机，拖动电磁滑差离合器，通过改变电磁滑差离合器的励磁电流来实现调速。电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者无机械联系，均可自由旋转。如图3-28所示。电枢与异步电动机连接，由异步电动机拖动，称为主动部分；磁极与负载相连，称为从动部分。磁极由铁心和励磁绕组两部分组成。励磁绕组通直流励磁电流，则在磁极上建立磁场。当异步电动机拖动电枢旋转时，由于电磁感应，使磁极跟着电枢旋转。设电枢转速（即异步电动机的转速）为n，磁极转速（即负载转速）为n。n必小于n（若n=n，则T=0。）。调节励磁电流的大小即可调节转速n的大小。其原理与异步电动机的原理类似。电磁滑差离合器的“滑差”即指(nn)/n。电磁滑差离合器的原理与异步电动机相似，其机械特性也与异步电动机相似，但机械特性较软。为提高电磁滑差离合器调速的稳定性，常采用转速闭环调速控制系统。电磁滑差离合器调速的优点：设备简单，控制方便，价格低，可平滑调速。采用速度闭环可扩大调速范围。缺点：低速时损耗大，效率低，负载转矩较小时有失控区。这种调速方法适用于通风机负载和恒转矩负载。串级调速、双馈调速适用于绕线转子异步电动机。绕线转子异步电动机的串级调速