第三章三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性

第三章

三相異步電動機(jī)的電力拖動

TheThree-phaseInductionMachinesDrives本章基本教學(xué)要求1.熟悉分析三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性及各種運(yùn)行狀態(tài)的基本方法；2.掌握三相異步電動機(jī)的起動、制動；3.了解三相交流電動機(jī)的調(diào)速方法。重點(diǎn)：機(jī)械特性、調(diào)速、起制動。本次課程內(nèi)容和教學(xué)要求內(nèi)容：

三相異步電動機(jī)固有和人為機(jī)械特性。要求：掌握機(jī)械特性各種表達(dá)式和適用場合。3.1三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性是指在電動機(jī)定子電壓、頻率以及繞組參數(shù)一定的條件下，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速或電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，即n=?(T)或T=?(s)。機(jī)械特性可用函數(shù)表示，也可用曲線表示，用函數(shù)表示時(shí)，有三種表達(dá)式：物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式和實(shí)用表達(dá)式。3.1.1機(jī)械特性物理表達(dá)式

電磁轉(zhuǎn)矩為：說明為異步機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

為轉(zhuǎn)子電流折算值；為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。物理表達(dá)式物理表達(dá)式它反映了不同轉(zhuǎn)速時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T與主磁通Φm以及轉(zhuǎn)子電流有功分量I2ˊcosφ2之間的關(guān)系，此表達(dá)式一般用來定性分析在不同運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)。3.1.2參數(shù)表達(dá)式由物理表達(dá)式、功率關(guān)系、簡化等值電路可推出參數(shù)表達(dá)式：說明

參數(shù)表達(dá)式說明，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與定子每相電壓U1平方成正比，若電源電壓波動大，會對轉(zhuǎn)矩造成很大影響。在電壓、頻率及繞組參數(shù)一定的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系可用曲線表示，下面對機(jī)械特性曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行分析。機(jī)械特性曲線①最大轉(zhuǎn)矩Tm

最大轉(zhuǎn)矩Tm是T=?（s）的極值點(diǎn)，則：最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率為：兩式中“+”為電動狀態(tài)（特性在第Ⅰ象限）；“-”為制動狀態(tài)（特性在第Ⅱ象限）。最大轉(zhuǎn)矩近似表達(dá)式

通常情況下，可忽略r1，則有：最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為過載倍數(shù)，其值大小反映電動機(jī)過載能力，用λm表示，即：一般異步電動機(jī)過載倍數(shù)λm=1.5～2.2。②起動轉(zhuǎn)矩Tst起動瞬間n=0或s=1時(shí)，電動機(jī)相當(dāng)于堵轉(zhuǎn)，這一時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，用Tst表示，則有：起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用kst表示，則有：一般普通異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為0.8～1.2。3.1.3實(shí)用表達(dá)式實(shí)用表達(dá)式：認(rèn)為，一般異步電動機(jī)的

，在任何s值時(shí)都有：，而，

可以忽略，簡化得：臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：當(dāng)拖動額定負(fù)載時(shí)，TL=TN，臨界轉(zhuǎn)差率為：額定轉(zhuǎn)矩為：從產(chǎn)品目錄查出該異步電動機(jī)的數(shù)據(jù)PN、nN、λm，應(yīng)用實(shí)用公式就可方便得出機(jī)械特性表達(dá)式。3.1.4固有機(jī)械特性異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性是指U1=U1N，?1=?1N，定子三相繞組按規(guī)定方式連接，定子和轉(zhuǎn)子電路中不外接任何元件時(shí)測得的機(jī)械特性n=?（T）或T=?（s）曲線。對于同一臺異步電動機(jī)有正轉(zhuǎn)（曲線1）和反轉(zhuǎn)（曲線2）兩條固有機(jī)械特性。說明特性上的各特殊點(diǎn)1(1)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)A

同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)又稱理想空載點(diǎn)，在該點(diǎn)處：s=0，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，電動機(jī)處于理想空載狀態(tài)。(2)額定運(yùn)行點(diǎn)B

在該點(diǎn)處：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，電動機(jī)處于額定運(yùn)行狀態(tài)。說明特性上的各特殊點(diǎn)2(3)臨界點(diǎn)C

在該點(diǎn)處：s=sm，T=Tm，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩是電動機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩。Tmˊ是異步電動機(jī)回饋制動狀態(tài)所對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩，若忽略r1的影響時(shí)，有Tmˊ=Tm。(4)起動點(diǎn)D

在該點(diǎn)處：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。3.1.5人為機(jī)械特性異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性是指人為改變電動機(jī)的電氣參數(shù)而得到的機(jī)械特性。由參數(shù)表達(dá)式可知，改變定子電壓U1、定子頻率f1、極對數(shù)p、定子回路電阻r1和電抗x1、轉(zhuǎn)子回路電阻r2ˊ和電抗x2ˊ，都可得到不同的人為機(jī)械特性。1.降低定子電壓的人為機(jī)械特性在參數(shù)表達(dá)式中，保持其它參數(shù)不變，只改變定子電壓U1的大小，可得改變定子電壓的人為機(jī)械特性。討論電壓在額定值以下范圍調(diào)節(jié)的人為特性（為什么？）降電壓人為機(jī)械特性曲線Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm與電壓無關(guān)TL1-恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性、TL2-風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性分析

定子電壓U1下降后，電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)矩都明顯降低，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如原先運(yùn)行在A點(diǎn)，電網(wǎng)電壓由于某種原因降低，使負(fù)載運(yùn)行至B點(diǎn)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子阻抗角增大，則轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降

2.定子回路串入對稱電阻的人為機(jī)械特性當(dāng)定子電阻r1增大時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1不變，但臨界轉(zhuǎn)矩Tm、臨界轉(zhuǎn)差率sm、起動轉(zhuǎn)矩Tst都變小定子回路串入對稱電阻的接線圖和人為機(jī)械特性定子回路串入對稱電抗的人為機(jī)械特性

如果定子回路串入對稱的電抗，同步轉(zhuǎn)速n1仍不變，但臨界轉(zhuǎn)矩Tm、臨界轉(zhuǎn)差率sm、起動轉(zhuǎn)矩Tst也都變小。兩種接線可實(shí)際應(yīng)用于鼠籠式異步電動機(jī)的起動，以限制起動電流。定子回路串入對稱電抗的接線圖和人為機(jī)械特性3.轉(zhuǎn)子回路串入對稱電阻的人為機(jī)械特性繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻的接線圖和人為機(jī)械特性分析當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻r2增大時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1和臨界轉(zhuǎn)矩Tm不變，但臨界轉(zhuǎn)差率sm變大，起動轉(zhuǎn)矩Tst隨轉(zhuǎn)子電阻r2增大而增大，直至Tst=Tm

當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻r2再增大時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩Tst反而減小。轉(zhuǎn)子串入對稱三相電阻的方法應(yīng)用于繞線式異步電動機(jī)的起動和調(diào)速。課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.異步電動機(jī)機(jī)械特性表達(dá)式2.固有機(jī)械特性3.人為特性機(jī)械特性思考題：P2406-1、6-2、6-6作業(yè):P2416-33、6-34本次課程內(nèi)容和教學(xué)要求內(nèi)容：三相異步電動機(jī)的起動。要求：熟悉啟動的基本要求，掌握繞線式和鼠籠電動機(jī)起動方式。6.2鼠籠異步電動機(jī)的起動三相異步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于生產(chǎn)上的需要而起動和停止。在選用電動機(jī)時(shí)，必須要求電動機(jī)能帶動生產(chǎn)機(jī)械并很快地轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速。要求電動機(jī)起動時(shí)滿足（1）能產(chǎn)生足夠大的起動轉(zhuǎn)矩Tst，使電動機(jī)很快地轉(zhuǎn)動起來。（2）起動電流Ist不要太大，避免起動時(shí)大電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生較大的壓降而影響接在電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備和電動機(jī)的正常運(yùn)行。從前面分析三相異步電動機(jī)固有機(jī)械特性而知道，如果在額定電壓下直接起動三相異步電動機(jī)，起動電流大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大，這時(shí)的功率因數(shù)低。6.1.1鼠籠異步電動機(jī)一般普通鼠籠式異步電動機(jī)，所以要研究異步機(jī)的起動特性和異步機(jī)的各種起動方法。分析

起動電流大，在電網(wǎng)的變壓器容量與異步電動機(jī)起動容量相比不足夠大時(shí)，直接起動會使變壓器輸出電壓下降，當(dāng)電壓降ΔU>10%時(shí)，將使接在變壓器上的其他電器及電動機(jī)正常工作受影響。直接起動的起動轉(zhuǎn)矩并不大，而起動時(shí)必須滿足Tst>1.1TL條件電動機(jī)才能起動起來，在空載情況下可以滿足上述要求，而當(dāng)重載起動時(shí)可能滿足不了上述要求。結(jié)論異步電動機(jī)起動應(yīng)考慮：①限制起動電流；②足夠的起動轉(zhuǎn)矩，滿足Tst>1.1TL條件；③起動的經(jīng)濟(jì)性，包括設(shè)備簡單、操作方便和低起動損耗。6.1.2直接起動

將定子三相繞組直接接在三相電源上起動，稱直接起動。一般7.5kW以下的小容量鼠籠異步電動機(jī)都可以直接起動。如果變壓器容量足夠大，直接起動的容量還可相應(yīng)增大，一般按經(jīng)驗(yàn)公式核定：

式中kI為起動電流倍數(shù)；Ist為電動機(jī)的起動電流（A）；IN為電動機(jī)的額定電流（A）；SN為電源變壓器總?cè)萘?；PN為電動機(jī)的額定功率。說明起動電流大，對電機(jī)本身無太大影響（因?yàn)槭嵌虝r(shí)的，且現(xiàn)代設(shè)計(jì)的鼠籠電機(jī)都按直接起動電磁力和發(fā)熱來考慮機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定的）主要對電網(wǎng)有影響，如果電源容量較大，可以直接起動。一般7.5千瓦以下容量電動機(jī)可以直接起動。注意：容量大小不是絕對的，如果電網(wǎng)容量大，就可以允許容量再大些的電機(jī)直接起動。只要直接起動時(shí)起動電流在電網(wǎng)中引起電壓降不超過電網(wǎng)額定電壓的（10~15）%

就允許直接起動。6.2.3降壓起動1)定子串電阻或電抗的降壓起動分析

設(shè)起動電流需降低的倍數(shù)為α，降壓起動電流為Istˊ，則應(yīng)有式中Ist為直接起動時(shí)的起動電流（A）。又因?yàn)閁N/U1ˊ=Ist1/Ist1ˊ=α，Tst∝U12，所以降壓起動轉(zhuǎn)矩為

分析1.等值電路從上圖的等值電路中可見，定子串電阻或電抗起動，電壓從U1N降至U1′，即加到定子繞組上的電壓在起動時(shí)為U1′，這樣就減小了起動電流。分析2)起動電流及起動轉(zhuǎn)矩

設(shè)α為起動電流所需降低的倍數(shù)，Ist′為降壓時(shí)的起動電流，則應(yīng)有：

Ist

′=Ist/α，Ist∝U1st，U1st

′=U1st/α=U1N/α說明電壓降低了α倍。

由于T

∝

U2，則Tst

′=Tst/α2

，說明轉(zhuǎn)矩降低了α2倍。只要使Tst

′≥（1.15~1.25）TL，即滿足要求。說明從I1st

′=I1st/α，Tst

′=Tst/α2，可見：定子回路串電阻或電抗的降壓起動方法雖然能降低起動電流，但使起動轉(zhuǎn)矩顯著減小。只適用于空載或輕載起動。電抗降壓起動通常用于高壓電動機(jī)，電阻降壓起動一般用在低壓電動機(jī)。降壓起動除了限制起動電流，有時(shí)以減小起動轉(zhuǎn)矩為主要目的，以減輕對機(jī)構(gòu)的沖擊并保證平穩(wěn)加速。3)起動電阻或電抗的計(jì)算計(jì)算Rst或Xst后，還應(yīng)校驗(yàn)滿足Tst

′≥（1.15~1.25）TL

,TL為起動時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。4)rk

和xk的估算

rk

和xk可通過實(shí)驗(yàn)方法測出，也可估算。方法一：短路試驗(yàn)(如已有電機(jī))，測出rk

、xk、

zk方法二：估算(尚無電機(jī))，根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可知當(dāng)定子Y接時(shí)：

當(dāng)定子Δ接時(shí)：設(shè)直接起動時(shí)的功率因數(shù)為cosφ1st=0.25

，則有2.星—三角起動正常運(yùn)行時(shí)，接成Δ形的鼠籠電動機(jī)，在起動時(shí)接成星形，起動完畢后再接成Δ

，稱星-三角起動。

Y-Δ起動電流和起動轉(zhuǎn)矩直接起動(Δ接)

降壓起動(Y接)起動電流起動轉(zhuǎn)矩起動電流及起動轉(zhuǎn)矩降低同樣的倍數(shù)，即都為直接起動時(shí)的三分之一。星—三角起動適用條件條件：1.只適用于空載或輕載起動。2.只限于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形接線的電機(jī)。3.限于在500V以下的低壓電機(jī)(因高壓電機(jī)定子出6個(gè)端頭有困難)。星—三角起動的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，價(jià)格便宜，故在輕載起動時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用。缺點(diǎn)是應(yīng)用時(shí)要受一定條件的限制。2.定子繞組串入自耦變壓器降壓起動定子串電阻或電抗的降壓起動雖然在起動時(shí)限制了起動電流但起動轉(zhuǎn)矩減小過多，只用于空載或輕載。如果負(fù)載較重時(shí)，應(yīng)采用自耦變壓器降壓起動。起動電流和起動轉(zhuǎn)矩I1st——全壓直接起動時(shí)的起動電流；

I1st′——降壓時(shí)電源提供的起動電流(即TA的原邊電流)；I2——電動機(jī)的起動電流(TA的副邊電流)公式推導(dǎo)電動機(jī)定子繞組內(nèi)的電流：直接起動時(shí)為I1st

，降壓起動時(shí)為I2，這時(shí)電網(wǎng)供給TA的電流為I1st′

，從電網(wǎng)輸入的電流為I1st′=I2/

α=I1st/

α2，即I1st′=I1Q/

α2,說明串入TA起動后電網(wǎng)供給的電流減小了α2

倍。注：電動機(jī)的起動電流仍減小α倍，I1st′=I2/

α

而I1st′=I1st/

α2

，對電網(wǎng)沖擊電流減小，只有I1st/

α2

倍,起動轉(zhuǎn)矩Tst

∝U2，Tst

′=Tst/α2。說明起動電流和起動轉(zhuǎn)矩降低的比值相同，與定子串電阻或電抗的起動方式相比較，在獲得同樣起動轉(zhuǎn)矩的條件下，這種方法的限流效果好。反之，若在相同的起動電流條件下，可獲得比較大起動轉(zhuǎn)矩故用自耦變壓器降壓起動的方法能帶動較大的負(fù)載起動。國產(chǎn)自耦變壓器為滿足不同的負(fù)載要求，其副邊一般有三個(gè)抽頭，可根據(jù)允許的起動電流和所需的起動轉(zhuǎn)矩任意選擇。這種起動方法的缺點(diǎn)：起動設(shè)備體積較大，價(jià)格高。自耦變壓器的選擇常用QJ3、QJ2系列，用于較大容量，Y接的鼠籠式電動機(jī)。

QJ2的抽頭為：55%64%73%QJ3的抽頭為：40%60%80%

其中，QJ2型自耦變壓器允許在4小時(shí)內(nèi)每小時(shí)連續(xù)起動5次，每次1.5秒。QJ3

型為短時(shí)工作制，只允許在室溫下連續(xù)起動兩次，以后待冷卻后才能再行起動。選用時(shí)一定要注意這些問題。例：55%抽頭意思為N2/N1=1/α=0.55，

α=1/0.55=1.82適用于有載起動。6.2.4具有高起動轉(zhuǎn)矩的鼠籠電動機(jī)1.槽深式特點(diǎn)：槽深h，槽寬b，h>>b，即h=(10~12)b與普通籠型異步電動機(jī)相比，這種電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子槽形窄而深，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體或是整根的銅條，或是鋁熔液澆鑄而成。示意圖說明由于氣隙和槽導(dǎo)體(非鐵磁材料)的磁阻大而轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻小，故漏磁通基本上只穿過一次槽導(dǎo)體。然后經(jīng)槽底部鐵芯形成閉合回路。若假想沿槽高把轉(zhuǎn)子導(dǎo)體分成若干并聯(lián)小導(dǎo)條，它們兩端為端環(huán)短接，其電壓相等，則各小導(dǎo)條中的電流將按其阻抗的反比例來分配。由上圖(a)可見槽底部導(dǎo)條鏈的漏磁通多，則底部漏抗大，槽頂部導(dǎo)條鏈的漏磁通少，則頂部漏抗小。由于槽很深，則槽底與槽頂漏抗相差甚遠(yuǎn)，且x2σ∝f2。分析起動時(shí)：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2較高，則sx2

較大，sx2>>r2，槽內(nèi)電流的分布主要取決于漏抗的大小。槽頂部漏抗sx2小，則電流密度大，槽底部漏抗sx2大，則電流密度小。這種把導(dǎo)體中的電流排擠到槽頂部的作用稱趨表效應(yīng)(集膚效應(yīng)，擠流效應(yīng))。分析

圖(b)中電流密度分布，它是自下而上逐漸增大，槽底部分導(dǎo)體在流通電流時(shí)所起作用很小，就相當(dāng)于導(dǎo)體有效高度及截面積縮小，導(dǎo)體電阻變大，從而減小了起動電流，增大了起動轉(zhuǎn)矩。見圖(c)所示，導(dǎo)體有效截面縮小，故起動時(shí)，轉(zhuǎn)子有效電阻增加，起動性能得改善。分析（b）正常運(yùn)行時(shí)，s很小，f2=sf1

很小，x2s=sx2

很小，這時(shí)轉(zhuǎn)子電流的大小主要由電阻決定。r2>>sx2，因各處電阻相等，則電流的分布是均勻的，導(dǎo)體截面積全部得以利用，而使轉(zhuǎn)子電阻自動減小到較低的正常數(shù)值。(集膚效應(yīng)不明顯)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：起動時(shí)轉(zhuǎn)子電阻加大，改善了起動性能，而運(yùn)行時(shí)為正常值，轉(zhuǎn)子電阻仍然較小，不致影響電動機(jī)的運(yùn)行效率。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子槽漏抗較大，功率因數(shù)稍低，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)稍小，即Mm稍小。特性曲線

深槽式異步電機(jī)的機(jī)械特性從圖中可見深槽式過載能力比普通鼠籠異步電機(jī)低。它的起動性能是靠降低了一些工作性能而得到改善的。曲線1為普通鼠籠式曲線2為深槽式鼠籠異步電機(jī)2.雙鼠籠式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電動機(jī)轉(zhuǎn)子上有兩套鼠籠。下籠：導(dǎo)體截面大，用電阻系數(shù)較小的紫銅制成，電阻較小。上籠：導(dǎo)體截面小，用電阻系數(shù)較大的黃銅制成，電阻較大。說明原理：交流電流的趨表效應(yīng)由左圖可見。上籠鏈的漏磁通少，所以電抗小，而下籠的漏磁通多，故漏電抗大。上下籠電抗及電阻關(guān)系是：分析1.起動時(shí)：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2較高，則sx2

較大，sx2>>r2，槽內(nèi)電流的分布主要取決于漏抗的大小。因x2σ∝f2，x2σ>>r2，

x2σ外<x2σ內(nèi)，即電流主要通過上籠，故又稱上籠為起動籠。由于上籠本身電阻大，起動時(shí)，電流減小，轉(zhuǎn)矩增大，其機(jī)械特性如圖曲線1所示。分析2.正常運(yùn)行時(shí)：s很小，f2

很小，電流分配主要取決于轉(zhuǎn)子電阻r2

，r2>>sx2，即下籠電流大，上籠電流小，下籠起主要作用。故又稱下籠為運(yùn)行籠，其機(jī)械特性如圖曲線2所示。特性

曲線3為曲線1和2的合成曲線，即為雙鼠籠異步電機(jī)的機(jī)械特性?？梢婋p籠型異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩較大具有較好的起動性能。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子漏抗較大，功率因數(shù)稍低，過載能力比普通型異步機(jī)低，而且用銅量較多，制造工藝復(fù)雜。價(jià)格較高。一般用于起動轉(zhuǎn)矩要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上。6.3繞線式異步機(jī)起動方法：轉(zhuǎn)子串三相對稱電阻起動，電阻分級切除轉(zhuǎn)子串頻敏電阻起動6.3.1繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串三相對稱電阻起動

起動時(shí)，要限制起動電流Ist，同時(shí)希望有較大的起動轉(zhuǎn)矩Tst?，F(xiàn)以三級起動為例，即m=3。

1.分級起動過程起動前，KM1、KM2、KM3

加速接觸器常開接點(diǎn)均打開，現(xiàn)使線路接觸器KM線圈導(dǎo)電，其常開接點(diǎn)閉合，電動機(jī)在串入全部電阻R3下起動，然后逐級短接起動電阻，一直加速到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)I點(diǎn)為止，起動過程結(jié)束。起動的快速性和平穩(wěn)性與起動級數(shù)m、轉(zhuǎn)矩Tst1及Tst2有關(guān)。原理圖（以三級起動為例）2.機(jī)械特性的線性化異步機(jī)的機(jī)械特性是非線性的，如圖所示說明

分級起動時(shí)電機(jī)工作在機(jī)械特性的工作段，即s<sm段，在這段中可認(rèn)為s/sm<sm/s，故可忽略實(shí)用公式中分母的s/sm項(xiàng)，有將異步電動機(jī)非線性的工作段近似為一條直線。當(dāng)T=Tm時(shí)，實(shí)際特性曲線s=sm，而線性化后的曲線在T=Tm時(shí)，s=sm/2，線性化后有誤差，但誤差不大，在工作范圍內(nèi)，基本上與實(shí)際特性相重合。3.解析法計(jì)算起動電阻

一般取T1≤0.9Tm，T2=（1.1~1.2）TL，已知：T=2Tms/sm，當(dāng)sm一定時(shí)，T

∝

s

。

同一T值下當(dāng)T=常數(shù)時(shí)，r2′/s=常數(shù)，轉(zhuǎn)子串電阻后，轉(zhuǎn)子電阻R2變化，則轉(zhuǎn)差率也變化；當(dāng)T不變時(shí)，R2/s也不變。

公式推導(dǎo)過程由上述可得出：s1/s2=R1/R2，s

∝

R

根據(jù)T=2Ts/sm，在s不變情況下，再根據(jù)

同一s值下，T

∝1/R，即s不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻成反比。從而推出；公式推導(dǎo)過程

令設(shè)起動時(shí)級數(shù)為m級，則各級每相轉(zhuǎn)子總電阻為：轉(zhuǎn)子各級分段電阻為公式推導(dǎo)過程根據(jù)可得一般轉(zhuǎn)子繞組為Y接，所以轉(zhuǎn)子的阻抗為：式中sN——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率

E2N——轉(zhuǎn)子額定電勢(指線電勢)

I2N——轉(zhuǎn)子額定電流(指線電流)正常運(yùn)行時(shí)sN很小，可忽略sNx2，則得

公式推導(dǎo)過程Rm——起動時(shí)轉(zhuǎn)子的最大電阻，因?yàn)镽m很大，雖然起動瞬間s=1，仍可忽略電抗，則有式中

I2st——起動轉(zhuǎn)矩為T1時(shí)的轉(zhuǎn)子電流公式推導(dǎo)過程若起動級數(shù)m未知，可用下式計(jì)算：解析法計(jì)算起動電阻步驟：1.當(dāng)已知起動級數(shù)m時(shí)：(1)預(yù)選T1（），計(jì)算γ，(2)驗(yàn)算T2

，T2=T1/γ≥（1.15~1.25）TL(不滿足應(yīng)修改T1或起動級數(shù)并重新計(jì)算)直至T2大小合適。(3)計(jì)算r2，根據(jù)r2和γ計(jì)算各級電阻值。2.當(dāng)起動級數(shù)m未知時(shí)：(1)預(yù)選T1、T2

，求γ；(2)求起動級數(shù)m，取接近的整數(shù)，再修正γ；(3)計(jì)算r2

，用r2和γ計(jì)算各級電阻值。說明

轉(zhuǎn)子回路串電阻分級起動時(shí)起動電阻計(jì)算是在機(jī)械特性線性化前提下得出的，因此有一定的誤差，但已完全能滿足工程實(shí)際的要求。6.3.2繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻的起動1.頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)鐵心由厚鋼板或鐵板迭成，有三相繞組，接成Y形，出線為a、b、c去接轉(zhuǎn)子。等效電路

轉(zhuǎn)子回路串入頻敏變阻器后，將轉(zhuǎn)子電流分成二個(gè)分量。IL為勵(lì)磁電流(無功分量)，建立磁場。IT為有功分量，產(chǎn)生鐵損耗。鐵損電阻Rm(等效電阻)和電抗Xm均隨轉(zhuǎn)子頻率而變化。工作原理

起動時(shí)，s=1，f2=f1，Xm>Rm，轉(zhuǎn)子電流I2大部分流過Rm支路，相當(dāng)于串電阻起動；當(dāng)n↑→s↓

→f2↓→Rm

↓→相當(dāng)于連續(xù)自動切除電阻。同時(shí)

f2↓→sXm

↓

當(dāng)n=nN時(shí)，f2很小，f2

≈(1~3)Hz，Xm

≈0，Rm幾乎被短路，故渦流很小。起動完畢，阻抗器被自動切除。特性

從以上分析可知，頻敏變阻器是一種無觸點(diǎn)的變阻器。它結(jié)構(gòu)簡單，材料和加工要求低，并且因沒有觸點(diǎn)和易磨損元件，壽命長，使用和維護(hù)方便，有較好的機(jī)械特性和起動平滑的優(yōu)點(diǎn)，但因頻敏變阻器的等效阻抗是一個(gè)非線性時(shí)變參數(shù)，計(jì)算起來相當(dāng)復(fù)雜。工程上用經(jīng)驗(yàn)公式或使用表格計(jì)算。課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)1.鼠籠異步電動機(jī)起動2.繞線異步電動機(jī)起動思考題：P2406-7、6-8、

6-9、6-10、

6-11、6-13作業(yè):P2416-35本次課程內(nèi)容和教學(xué)要求內(nèi)容：三相異步電動機(jī)的各種調(diào)速。要求：熟悉異步機(jī)各種調(diào)速原理和機(jī)械特性以及應(yīng)用場合。6.4三相異步電動機(jī)的調(diào)速6.4.1異步調(diào)速方法異步機(jī)變極調(diào)速——鼠籠電機(jī)變轉(zhuǎn)差率s

調(diào)速調(diào)壓調(diào)速滑差電機(jī)調(diào)速(電磁離合器調(diào)速)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子串電勢調(diào)速變頻調(diào)速變頻機(jī)組交—直—交變頻交—交變頻6.4.2

變極調(diào)速

變頻調(diào)速要采用專用變速電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為鼠籠式根據(jù)當(dāng)f1一定時(shí)，n1∝1/p，改變極對數(shù)p，可變n1。

1.變極原理

電機(jī)定子每相繞組由二部分組成，每一部分稱為半相繞組，改變其中一個(gè)半相繞組的電流方向，電機(jī)產(chǎn)生的磁極對數(shù)即可改變。如：已知電機(jī)繞組接線如下圖所示：變極原理

現(xiàn)改變接線，使一個(gè)半相繞組的電流反向，則如下圖所示。從上面分析可知，如果二個(gè)繞組電流方向相同，2p=4，讓一個(gè)半相繞組電流反向，2p=2，則極對數(shù)可減半。變極接線方式2p=4時(shí)，n1=1500r/min；2p=2時(shí)，n1=3000r/min；二個(gè)半相繞組由串→并(電流方向要改變)極對數(shù)減半，n1升高一倍。改變一個(gè)半相繞組的接線方式很多。如下：2.三相繞組的接線方式1）Y—YY變換(單星形變雙量形)

三相繞組的每相定子繞組有中心抽頭。在Y接法中，將繞組1、2、3端接電源，二個(gè)半相繞組電流相同，設(shè)此時(shí)極對數(shù)為2p

，同步轉(zhuǎn)速為n1。Y—YY變換

在YY接法中，將1、2、3端都于0點(diǎn)相聯(lián)，4、5、6端接電源，B、C二相接電源對調(diào)，每相二個(gè)半相繞組并聯(lián)，其中一個(gè)半相繞組電流反相，這時(shí)，極對數(shù)為p，同步轉(zhuǎn)速為2n1，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2）Δ—YY變換

在Δ接線中，端點(diǎn)1、2、3接電源，4、5、6空著，二個(gè)半相繞組中電流方向相同，設(shè)此時(shí)極對數(shù)為2p，同速轉(zhuǎn)速為n1。Δ—YY變換

在YY接線中，1、2、3端點(diǎn)連在一起，4、5、6端點(diǎn)接電源，其中一個(gè)半相繞組電流反向，這時(shí)，極對數(shù)為p，同步轉(zhuǎn)速為2n1，(近似)屬恒功率調(diào)速

3.容許輸出功率和轉(zhuǎn)矩輸出功率：P2=P1η=3U1I1η

cosφ式中：η為電動機(jī)的效率，P1為電動機(jī)的輸入功率，U1為電動機(jī)定子相電壓，I1為電動機(jī)定子相電流；cosφ為電動機(jī)定子的功率因數(shù)。現(xiàn)假設(shè)變極前后，η和cosφ保持不變，則P2

∝

U1I1。已知T=Pem/Ω1，

Ω1=2πf1/p，則T=Pem

p

/2πf1。

設(shè)Pem=P1(忽略定子損耗)，T=3U1I1cosφ

p

/2πf1所以有T∝U1I1p分析

為使電機(jī)得到充分利用，在變極前后均使電動機(jī)繞組內(nèi)流過額定電流，即保持半相繞組電流為I1N

不變。Y接時(shí)：每相電壓為U1,每相電流為I1N，極對數(shù)p=2，故TY∝U1I1N×2；YY接時(shí)：相電壓為U1，每相電流為2I1N，極對數(shù)p=1，故TYY∝U12I1N×1。

所以有TY=TYY，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。又因P=TΩ，PYY=2PY，則輸出功率不等。分析

Δ接時(shí)，相電壓等于線電壓為U1，相電流為I1N極對數(shù)p=2。

可見，從Δ-YY變換的變級調(diào)速為非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。分析

輸出功率：可見，從Δ-YY變換的變極調(diào)速亦為非恒功率調(diào)速，但比較接近于恒功率調(diào)速方式，故可認(rèn)為是近似恒功率調(diào)速，允許輸出轉(zhuǎn)矩將減少近一半。4.機(jī)械特性(定性分析)

由Tm、Tst及sm可定性畫出機(jī)械特性。假設(shè)變極前后每個(gè)半相繞組參數(shù)相等均為：r1/2、x1/2、r2′/2、x2′

/2。1.Y-YY變換的機(jī)械特性Y接時(shí)：二個(gè)半相繞組串聯(lián)參數(shù)為：r1、x1、r2′、x2′YY接時(shí)：二個(gè)半相繞組并聯(lián)參數(shù)為：r1/4、x1/4、r2′/4、x2′

/4。已知：定性分析由上面公式得：Y接時(shí)：YY接時(shí)：定性分析

若拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，從Y向YY變極調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速從nB升到nA，幾乎增加一倍。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于TmY時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，變極速由高速降為低速時(shí)，電機(jī)要經(jīng)回饋制動狀態(tài)。Δ-YY變換的機(jī)械特性Δ接時(shí)：極對數(shù)為p，同步轉(zhuǎn)矩為n1，電壓為U1，阻抗為z1=r1+jx1、z2′=r2′

+jx2′

；YY接時(shí)：極對數(shù)為p/2，同步轉(zhuǎn)速為2n1

，電壓為阻抗為z1/4=r1/4+jx1/4、z2′/4=r2′/4+jx2′/4；Δ接時(shí)有YY接時(shí)機(jī)械特性

可見，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于TmYY時(shí)可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。4.應(yīng)用及注意問題1)應(yīng)用

a.變極調(diào)速適用變速電機(jī)其轉(zhuǎn)子為鼠籠式。

b.適用于有級調(diào)速的場合：Y-YY用于恒轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)機(jī)械，如起重運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)機(jī)械；Δ-YY用于恒功率生產(chǎn)機(jī)械，如各種機(jī)床的粗加工和精加工。除以上兩種變極方法外，還可以利用一套定子繞組改變成三種甚至四種極數(shù)的電動機(jī)，如2、4、8極及4、6、8、12極等。這種變極調(diào)速的電動機(jī)稱為多速電動機(jī)，已較普遍地用于生產(chǎn)機(jī)械上。注意問題2)注意問題改變定子接線方式時(shí)，必須將三相繞組中任意兩相的出線端交換一下，否則電機(jī)將反轉(zhuǎn)。3)優(yōu)缺點(diǎn)變極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，運(yùn)行可靠，機(jī)械特性較硬，可以有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式和恒功率調(diào)速方式。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速只能成倍增長，為有級調(diào)速。應(yīng)用舉例

為了改善變極調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速平滑性，可以綜合應(yīng)用變極調(diào)速與降壓調(diào)速，即變極降壓調(diào)速。粗調(diào)用變極法，細(xì)調(diào)用降壓法。此法可以使降壓調(diào)速不運(yùn)行在轉(zhuǎn)差率低的情況下。變極降壓調(diào)速既擴(kuò)大了調(diào)速范圍，提高調(diào)速平滑性，又減小低速損耗。4、6、10級三速如圖所示。6.4.3變頻調(diào)速

已知：n1=60f1/p，當(dāng)f1變，n1變，n

變。1.變頻與調(diào)壓的配合(變頻調(diào)速的控制方式)

當(dāng)f1↓而U1不變→Φm↑→I0↑

→I1↑過熱I0↑→cosφ1↓

而Φm↑→pFe↑→帶載能力下降。為了克服上述缺點(diǎn)，在基頻（50Hz）以下調(diào)速時(shí)，采用恒磁通調(diào)壓調(diào)速。分析

當(dāng)f1↑時(shí)，再繼續(xù)保持U1/f1=常數(shù)比較困難，因?yàn)閒1>50Hz時(shí)，U1↑>U1N不允許，這樣只能保持U1不變。

f1↑→Φm↓→T↓，而f1↑→n↑，P=TΩ屬恒功率調(diào)速。所以基頻以上采用恒壓調(diào)速。變頻機(jī)組調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，能改變同步發(fā)電機(jī)的頻率，使接在電網(wǎng)上的一組棍道鼠龍異步電動機(jī)調(diào)速，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。交-直-交變頻系統(tǒng)

整流器將50Hz電源的交流電整流成幅值可調(diào)的直流電，逆變器將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電。交-交變頻系統(tǒng)直接將50Hz的交流電變換成頻率可調(diào)的交流電。2.變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

只要找出Tm，sm，Tst及Δnm與頻率關(guān)系，即可定性畫出機(jī)械特性。1)最大轉(zhuǎn)矩Tm(Tm=常數(shù)，過載能力不變)分析(1)當(dāng)f1較高但f1<50Hz時(shí)：

r1<<x1+x2ˊ，忽略r1，

當(dāng)Tm=常數(shù)，U1/f1=常數(shù)分析(2)當(dāng)f1較低時(shí)：

r1的影響不能忽略，在r1上產(chǎn)生的I12r1→E1↓→

→Φm↓→Tm↓

當(dāng)f1↓→r1的影響↑→Tm↓(3)基頻以上調(diào)速時(shí)(U1=常數(shù))

f1↑→Φm↓→Tm↓2)運(yùn)行段的斜率

找出sm，Δnm與f1的關(guān)系。當(dāng)f1較高時(shí)，忽略r1，且f1<50Hz

可見，Δnm與f1無關(guān)。無論在基頻以下還是在基頻以上調(diào)速時(shí)，Δnm基本不變，則變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性與固有機(jī)械特性平行，只有在頻率f1很低時(shí)，r1不可以忽略，Δnm減小，機(jī)械特性更硬些。3)起動轉(zhuǎn)矩

f1較高時(shí)，可忽略當(dāng)U1/f1=常數(shù)時(shí)，特性3.變頻調(diào)速的特點(diǎn)1)在基頻以下變頻調(diào)速時(shí)，應(yīng)進(jìn)行定子電壓與頻率的配合控制，保持E1/f1為常數(shù)的配合?？刂茣r(shí)為恒磁通變頻調(diào)速。保持U1/f1為常數(shù)配合控制時(shí)為近似恒磁通變頻調(diào)速。前者屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，后者屬于近似恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。在基頻以上調(diào)速時(shí)，保持U1=U1N不變，隨f1升高，Φm下降，屬于近似恒功率調(diào)速方式。變頻調(diào)速的特點(diǎn)2)機(jī)械特性基本平行，屬硬特性，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。3)運(yùn)行時(shí)s小，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率高。4)可以連續(xù)調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。優(yōu)點(diǎn)：具有良好的調(diào)速性能。缺點(diǎn)：需一套性能優(yōu)良變頻電源。應(yīng)用：冶金，化工，機(jī)械制造業(yè)，采礦等。6.4.4調(diào)壓調(diào)速1.開環(huán)調(diào)壓調(diào)速特性及其調(diào)速性能U1變化時(shí)：sm不變，n1不變，T∝U12，Tm∝U12，U1↓→n↓→s↑，機(jī)械特性如圖所示，可見轉(zhuǎn)子電阻為正常值如一般的鼠籠異步電動機(jī)，對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速范圍很小，實(shí)用價(jià)值不高。分析

對風(fēng)機(jī)類負(fù)載，調(diào)速范圍較大，但存在低速時(shí)功率因數(shù)低(cosφ1低)，電流大(I2大)的問題。所以降壓調(diào)速只適用于高轉(zhuǎn)差率鼠籠電機(jī)或繞線式異步機(jī)。因?yàn)閚↓→s↑→φ2↑→φ1↑→cosφ1↓又因T=CmΦmI2′cosφ2，T不變時(shí)，φ2↑→cosφ2↓→I2↑）2.調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)壓裝置：以前用飽和電抗器，現(xiàn)廣泛采用可控硅交流調(diào)壓裝置。在前面所述開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速時(shí)，其機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍不大。加轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)后成了調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)分析

測速發(fā)電機(jī)TG測得電動機(jī)轉(zhuǎn)速即測速發(fā)電機(jī)的u∝n，當(dāng)n↑→u↑，將u與給定電壓u*比較得Δu，將Δu作為放大器輸入端，經(jīng)放大后的輸出為觸發(fā)器的發(fā)出信號，使觸發(fā)器發(fā)出一定相位的脈沖，晶閘管調(diào)壓器就輸出一定值的電壓，調(diào)節(jié)給定電壓u*的大小，就可得到不同輸出電壓值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)作用

設(shè)給定電壓為u*1，負(fù)載為TL1，定子電壓為U2系統(tǒng)工作在特性A點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載增大為TL2→n↓→u↓→Δu↑→U2↑=U1→T↑→過渡到特性的B點(diǎn)上。電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降為nB；若為開環(huán)系統(tǒng)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速就要降到特性曲線的C上所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nC。通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，只要給定電壓u*保持不變，系統(tǒng)就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也基本保持不變。系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)作用

在不同的給定電壓u*下，可以得到一族基本平行的閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械特性，如圖曲線1、2、3所示，如果連續(xù)地改變u*

，則可使系統(tǒng)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：定子電壓和電流存在高次諧波分量，功率因數(shù)較低，效率不夠高。適用：中小容量的交流電動機(jī)。3.調(diào)速性能

調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速方法是非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和非恒功率調(diào)速。只適用于風(fēng)機(jī)類型的負(fù)載(因這種調(diào)速方法T∝1/s，而風(fēng)機(jī)類負(fù)載TL∝1/s)。

調(diào)壓調(diào)速只適用于繞線異步電動機(jī)(轉(zhuǎn)子可串入電阻)，而對鼠籠電動機(jī)只能短時(shí)間欠載運(yùn)行(因轉(zhuǎn)子不能串入電阻)，調(diào)速過程中，尤其在低速運(yùn)行損耗大，轉(zhuǎn)子串入電阻可減輕電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱，而鼠籠型機(jī)只能短時(shí)運(yùn)行。6.4.5轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速1.串電阻后的機(jī)械特性轉(zhuǎn)子串電阻后，n1不變，r2↑→sm↑，Tm不變，在同一T下，s∝r2+RΩ，則轉(zhuǎn)子串入不同值的電阻后，可得到不同的轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性如右圖。調(diào)速過程：串電阻瞬間2.調(diào)速特點(diǎn)

有級調(diào)速，設(shè)備簡單，只適用于有載調(diào)速，空載時(shí)轉(zhuǎn)速變化不大。低速時(shí)特性軟，損耗大，效率下降，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法適用于起重機(jī)械類負(fù)載，對通風(fēng)機(jī)負(fù)載也可采用。3.調(diào)速時(shí)的損耗電磁功率：Pem=m1I2′

r2′/s銅損耗：pCu2=m1I2′2r2′=sPem全機(jī)械功率：Pj=m1I2′2

r2′(1-s)/s=(1-s)

Pem

當(dāng)s=0.5時(shí)，n=0.5n1，此時(shí)：Pem=Pj+pCu2，

Pj

=0.5

Pem，pCu2=0.5

Pem，電機(jī)效率很低，r2/s=常數(shù)只改變了Pj與pCu2間的分配。當(dāng)RΩ↑→s↑→pCu2↑→Pj↓→η↓

，說明轉(zhuǎn)速降低是靠增大轉(zhuǎn)子銅損減小全機(jī)械功率Pj得來的，故不經(jīng)濟(jì)。4.調(diào)速電阻的計(jì)算

同一T值下有：由已知的轉(zhuǎn)速n(或轉(zhuǎn)差率s)可求出RΩ。5.應(yīng)用適用于對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機(jī)械，如吊車提升機(jī)構(gòu)。6.4.6串極調(diào)速1.串級調(diào)速的基本原理轉(zhuǎn)子串入電阻調(diào)速時(shí)，調(diào)速瞬間：

n來不及變化，當(dāng)r2↑→I2↓→T↓→n↓→s↑→pCu2↑(pCu2=sPem)↑→轉(zhuǎn)差功率sPem消耗在電阻上→浪費(fèi)→η↓。

分析

能否找出一種方法，既將消耗在電阻上的功率利用起來，又能提高調(diào)速性能呢?串級調(diào)速就是在這種思想指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)出來的。電勢Ef與I2反相位，提供Ef

的裝置吸收電功率。若能夠?qū)⑽盏碾姽β世闷饋?，就解決了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速耗能大的問題。分析

如果將電阻RΩ換成電勢Ef，且使Ef與sE2同頻率相位相反，則轉(zhuǎn)子內(nèi)串入電勢Ef的等值電路如右圖。轉(zhuǎn)子電流：串入Ef瞬間，n來不及變化→I2↓→T↓→n↓→s↑→

I2↑→T↑=TL

可見，串入Ef后同樣能達(dá)到調(diào)速的目的。分析

Ef與sE2相位相反，即為反電勢，說明提供Ef的裝置是吸收電功率的。如能將這部分功率加以利用，電機(jī)的效率即可提高。當(dāng)然Ef也可以與sE2相位相同，則n>n1。轉(zhuǎn)子電勢sE2的大小變化，頻率也變化。f2=sf1，

Ef的頻率要隨f2變化是很困難的，所以先將轉(zhuǎn)子電勢E2s變成直流，之后引入直流電勢Ef

方向與E2s相反，這就是串級調(diào)速。串級調(diào)速可分為：機(jī)械回饋式和電氣回饋式。2.機(jī)械回饋式串級調(diào)速系統(tǒng)(電機(jī)回饋式串級調(diào)速)

異步電動機(jī)YD與ZD直流電動機(jī)同軸，共同拖動負(fù)載。YD的轉(zhuǎn)子電勢經(jīng)整流后與ZD的電樞相并聯(lián)，通過改變ZD的勵(lì)磁電流IL的大小而改變ZD的Ed，即達(dá)到調(diào)速目的。調(diào)速原理

IL=0，Ed=0，直流電勢Ef

由直流電動機(jī)供給。YD運(yùn)行在固有機(jī)械特性上，n

最高，s

最小。當(dāng)IL≠0時(shí)，Ed≠0，轉(zhuǎn)子引入附加電勢，

IL↑→Ed↑→Ef↑→I2↓→T↓→

n↓→s↑→I2↑→T↑=TL，

達(dá)到調(diào)速目的。功率關(guān)系

異步機(jī)YD的電磁功率為Pem，其中(1-s)Pem直接輸送給機(jī)械負(fù)載。而sPem進(jìn)入轉(zhuǎn)子，ZD輸入功率為sPem-pCu2，ZD輸出功率為sPem-pCu2-pZD，如果忽略損耗，則pCu2≈0，pZD

≈0。ZD的輸入為sPem，輸出為sPem，所以機(jī)械負(fù)載得到的功率為sPem+(1-s)Pem=Pem，電機(jī)的效率大大提高?？梢?，不論s多大，轉(zhuǎn)速n的高低，負(fù)載上得到的功率總是Pem，這樣轉(zhuǎn)差功率sPem得到利用，而沒有浪費(fèi)掉。這種電機(jī)回饋式串級調(diào)速系統(tǒng)，只適用于大功率，低調(diào)速范D≤（2~3）的場合。（因D

大→s大→sPem大→ZD容量→不適合，還不如直接用直流機(jī)調(diào)速）3.電氣回饋式串級調(diào)速系統(tǒng)

以前采用電氣回饋式串級調(diào)速系統(tǒng)，它與機(jī)械回饋式串級調(diào)速系統(tǒng)區(qū)別在于：

ZD不與YD同軸，而是拖動一臺異步發(fā)電機(jī)YF。由它發(fā)出三相交流電，把轉(zhuǎn)差率sPem回饋給電網(wǎng)，這種串級調(diào)速已不采用，而采用可控硅逆變器的電氣串級調(diào)速(SCR串級調(diào)速)如書上P218圖6-41直流電勢Ef由SCR逆變電源供給(Uβ)，轉(zhuǎn)子整流電壓為Ud。電氣回饋式示意圖低同步可控硅串級調(diào)速系統(tǒng)分析

當(dāng)Ud<Ef，Id=0，M=0；當(dāng)Ud>Ef，Id≠0，T≠0，電機(jī)輸出功率；當(dāng)Ud=Ef，Id=0，T=0，稱理想空載,n=n1，s=s0Ud=2.34s0E2=2.34U1cosβ=Ef

，其中E2——相電勢；U1——相電壓；β——逆變角；s0——與理想空載轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率；則：s0=U1cosβ/E2；n0′

——串級調(diào)速時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速，n0′=n1(1-s0)；n1——異步機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。改變逆變角β→Ef變化→s0變化→n0′變化→n變化，但n1不變。4.異步機(jī)串級調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

無論采用哪種串級調(diào)速方法，對YD來說，其機(jī)械特性形狀都是一樣的，即都是在轉(zhuǎn)子內(nèi)引入一個(gè)附加電勢，改變附加電勢的大小，可以改變s的大小，達(dá)到調(diào)速的目的。特性分析已知：如果Ef=sE2，則I2=0，T=0，稱為理想空載狀態(tài)。令此時(shí)的轉(zhuǎn)差為s0，則有s0=Ef/E2。改變Ef

→s0變化；Ef越大→s0越大→特性向下移動，且特性硬度減??；Ef↑→Δsm′↑→特性越軟。

Ef越大，調(diào)速作用越明顯。Ef與sE2反相時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速向低于n1方向調(diào)節(jié)，稱低速同步調(diào)速；當(dāng)Ef相位與sE2同相時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速向高于n1的方向調(diào)節(jié)，稱超同步串級調(diào)速。特性特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：效率高，特性硬，調(diào)速范圍較寬，無級調(diào)速。缺點(diǎn)：系統(tǒng)總功率因數(shù)較低，設(shè)備體積大，成本高。適用：水泵，風(fēng)機(jī)等節(jié)能調(diào)速等。6.4.7電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速（滑差電機(jī)調(diào)速）1.電磁轉(zhuǎn)差離合器的組成由三部分組成：1)籠型異步電動機(jī)：拖動電樞旋轉(zhuǎn)。2)電磁轉(zhuǎn)差離合器：電樞，磁極，滑環(huán)等。3)可控硅整流電源：將交流電變?yōu)橹绷鳎峁┲绷鲃?lì)磁電流。工作原理結(jié)構(gòu)

電磁轉(zhuǎn)差離合器的結(jié)構(gòu)形式有多種，無論哪種，都由電樞和磁極組成(磁極包括鐵心和勵(lì)磁繞組)。這兩部分之間沒有機(jī)械上的聯(lián)系，二者中有氣隙，與異步電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙相似，電樞和磁極都能自由旋轉(zhuǎn)。電樞由異步電動機(jī)拖動旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)固有特性的直線段特性較硬，可認(rèn)為其轉(zhuǎn)速不變，異步機(jī)為原動力，這部分稱為主動部分。此軸叫主動軸?？煽毓枵麟娫赐ㄟ^電磁轉(zhuǎn)差離合器上滑環(huán)，給勵(lì)磁繞組供電。磁極通過聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載相聯(lián)，稱為從動部分。此軸叫從動軸。電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理

當(dāng)磁極上通過直流勵(lì)磁電流時(shí)，產(chǎn)生固定的磁極。異步電動機(jī)拖動電樞旋轉(zhuǎn)，電樞就切割磁力線，而產(chǎn)生渦流。如果將電樞看作不動，相當(dāng)于固定的磁極在空間轉(zhuǎn)動，可見它和異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場作用相當(dāng)。電樞作為載流導(dǎo)體，處在磁場中，受到電磁力作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理

電樞由整塊鑄鋼制成，為圓筒形鋼體。電樞相當(dāng)于無窮多根導(dǎo)體組成的鼠籠轉(zhuǎn)子，我們選擇其一根分析受力情況。設(shè)異步機(jī)以n1的轉(zhuǎn)速拖動電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢、電流，按右手定則，判斷為⊕，再以左手定則判斷出對電樞產(chǎn)生順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩M企圖迫使電樞反轉(zhuǎn)，但電樞的轉(zhuǎn)向是由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)向所決定的，因此，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就成為主動軸的阻轉(zhuǎn)矩。而它的反作用轉(zhuǎn)矩作用在磁極上，推動磁極逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，將原動機(jī)(異步機(jī))的機(jī)械功率傳到負(fù)載上，其轉(zhuǎn)速為n2

，方向與n1同向，磁極帶動負(fù)載一起旋轉(zhuǎn)。從動軸轉(zhuǎn)動后切割速度變?yōu)棣=n1-n2

而磁極的轉(zhuǎn)速n2又一定小于電樞轉(zhuǎn)速n1，工作原理與異步機(jī)相似。名稱

電磁轉(zhuǎn)差離合器名稱的由來：由于從動軸和負(fù)載相連，要向負(fù)載輸出機(jī)械功率，由前面分析可知，只有Δn≠0時(shí)，也就是說兩軸間有轉(zhuǎn)速差存在時(shí)，才有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，才能把主動軸的功率傳送給從動軸，故有轉(zhuǎn)差二字。又因直流勵(lì)磁電流為零時(shí)，沒有磁場，磁極不會轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于把生產(chǎn)機(jī)械和電樞分開，一旦加上勵(lì)磁電流，磁極立即轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于把生產(chǎn)機(jī)械和電樞“合上”，作用和機(jī)械離合器一樣。因此叫轉(zhuǎn)差離合器。因異步機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械之間不是通過機(jī)械直接連接，而是通過電磁作用互相聯(lián)系起來，所以全名叫“電磁轉(zhuǎn)差離合器”，簡稱離合器。名稱

因?yàn)樗淖饔迷砼c異步機(jī)的相似，而且經(jīng)常與異步機(jī)本來配套成一體。小容量的裝置中二者就裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，同時(shí)轉(zhuǎn)差也叫滑差，所以又常把電磁轉(zhuǎn)差離合器和拖動它的異步電動機(jī)一起稱為滑差電機(jī)，這種調(diào)速方法叫滑差電機(jī)調(diào)速。機(jī)械特性

滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性，就是電磁轉(zhuǎn)差離合器本身的機(jī)械特性。即從動軸上的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。即n2=f(T)，由于它的工作原理與異步電動機(jī)相似，所以機(jī)械特性也和異步機(jī)相似。離合器的電樞相當(dāng)于異步機(jī)的轉(zhuǎn)子，用鑄鋼制成，由于它的電阻較大，所以機(jī)械特性和異步機(jī)轉(zhuǎn)子具有較大電阻時(shí)的機(jī)械特性相似，特性比較軟。特性分析

當(dāng)n2=0時(shí)，切割磁場的轉(zhuǎn)速最高，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M最大，磁極轉(zhuǎn)動后，n2↑→Δn↓→直到n2=n1→Δn=0→T=0。它的理想空載轉(zhuǎn)速就是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n1。

改變勵(lì)磁電流的大小，就改變了磁場的強(qiáng)弱。這實(shí)質(zhì)上和異步電動機(jī)改變定子電壓的作用相同。所以改變勵(lì)磁電流大小，得到的機(jī)械特性相當(dāng)于異步電動機(jī)改變定子電壓的人為特性。用可控硅供電電源給直流勵(lì)磁，通過連續(xù)改變可控硅控制角，可以得到很多條人為特性。分析

如果勵(lì)磁電流太小，磁場太弱，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩太小，從動軸轉(zhuǎn)動不起來，就會失控。所以有失控區(qū)。另外，在一定的磁場下，負(fù)載過大，從動軸轉(zhuǎn)速太低，也會形成從動部分跟不上主動部分，所以運(yùn)行速度不能太低。帶反饋調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用滑差電機(jī)調(diào)速既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速也不是恒功率調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，能平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：低速時(shí)損耗大，電樞易發(fā)熱變形。應(yīng)用：紡織、印染、造紙等工業(yè)部門的一般設(shè)備上?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本類型1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)2.轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗掉。晶閘管調(diào)壓調(diào)速屬于這一類。在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，是以增加轉(zhuǎn)差功率為代價(jià)來換取轉(zhuǎn)速的降低。但是由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，所以對于要求不高的小容量場合還有一定的應(yīng)用。2.轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率一小部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)。轉(zhuǎn)速越低，回饋的功率越多。繞線式異步電動機(jī)串級調(diào)速屬于這一類。顯然這類調(diào)速系統(tǒng)效率較高。3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅耗部分的消耗是不可避免的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率很高。變頻調(diào)速屬于此類。目前在交流調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速應(yīng)用最多、最廣泛，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)及其裝置仍是21世紀(jì)的主流技術(shù)與主流產(chǎn)品?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)今后發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢：1.以取代直流調(diào)速系統(tǒng)為目標(biāo)的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)。2.新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與開發(fā)。3.PWM模式的改進(jìn)和優(yōu)化。4.中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的研究與技術(shù)開發(fā)。課后復(fù)習(xí)要點(diǎn)三相異步電動機(jī)各種調(diào)速方法思考題：P2416-16、6-17、6-21作業(yè):P2416-24本次課程內(nèi)容和教學(xué)要求內(nèi)容：異步電動機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)。要求：掌握各種制動原理和機(jī)械特性以及應(yīng)用場合。6.5三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)6.5.1電動運(yùn)行狀態(tài)

T與n方向一致，n<n1，0<s<1，T為拖動轉(zhuǎn)矩，特性在第Ⅰ、Ⅲ象限。6.5.2制動運(yùn)行狀態(tài)

制動分為反接制動，能耗制動，回饋制動(再生發(fā)電制動)反接制動反接制動狀態(tài)是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，即轉(zhuǎn)速n和同步轉(zhuǎn)速n1反向的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。反接制動分為轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的反接制動和定子兩相反接的反接制動。1.定子兩相反接的反接制動定子兩相反接的反接制動又稱電源反接制動(1)方法及制動原理方法：將三相定子繞組二相出線頭對調(diào)一下，則n1轉(zhuǎn)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)串入三相對稱電阻RΩ。磁場模型原理反接瞬間：n1→-n1,n由于慣性來不及變化。這時(shí)s較大→sE2較大→I2很大。為限制轉(zhuǎn)子電流，要串制動電阻(在轉(zhuǎn)子回路中RΩ)。制動瞬間：反接制動瞬間因sA很小，nA

≈

n1，所以s≈2。

轉(zhuǎn)子回路串入大電阻，若改變串入的電阻值可改變制動特性的斜率。特性

當(dāng)電機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，在電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下，迫使電動機(jī)很快送減速到C點(diǎn)，n=0，制動結(jié)束。BC段為電源反接制動的制動特性，要想停車，需在n=0時(shí)拉閘，否則，若電機(jī)拖動反抗性負(fù)載，而且C點(diǎn)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則反向起動到D點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。CD段為反向電動狀態(tài)特性。若電動機(jī)拖動位能性負(fù)載，則要從反向電動狀態(tài)繼續(xù)加速到-n1(E)點(diǎn)，再到反向回饋制動狀態(tài)的F點(diǎn)，才能穩(wěn)定運(yùn)行。特性(2)能量關(guān)系(BC段特性)Pi<0說明系統(tǒng)儲存的機(jī)械能

+消耗在轉(zhuǎn)子電阻上Pem>0說明從電源上輸入電能(3)制動電阻的計(jì)算同一M值下，r2/s=常數(shù)。在同一Tm下：串入電阻后，由上面的公式可求出電阻值RΩ1及

RΩ2。已知TL，在同一TL下，可能有二個(gè)電阻值，有二條機(jī)械特性，即二個(gè)RΩ值。說明同一T值下，。如圖所示，如果s<sN，特性可視為直線，則如果s>sN，用實(shí)用公式求s。(4)應(yīng)用適用于迅速正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。2.轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的反接制動(負(fù)載倒拉反接制動)(1)方法及制動原理繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入較大的電阻，如圖所示，當(dāng)電機(jī)提升重物G，電機(jī)以nA轉(zhuǎn)速提升重物。這時(shí)線路中接觸器的常開接點(diǎn)全部閉合，轉(zhuǎn)子回路沒有外串電阻。制動原理

若使KM3斷電，其常開接點(diǎn)打開，串入電阻Rst3系統(tǒng)以較低轉(zhuǎn)速nB提升重物。若再使KM2斷電，其常開接點(diǎn)打開，串入電阻Rst3+Rst2，得特性3，如圖所示。這時(shí)T=TL，n=0，電機(jī)既不提升重物也不放下重物。若再使KM1斷電，轉(zhuǎn)子回路串入全部電阻Rst1+Rst2+

Rst3，在n=0時(shí)，T<TL，位能負(fù)載拉著電動機(jī)反轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子逆原先方向轉(zhuǎn)動。T與n反向，制動狀態(tài)。T為制動轉(zhuǎn)矩起限速作用，使下放重物不會出現(xiàn)危險(xiǎn)的高速度。串入大電阻Rst

→

I2s↓→T↓→n↓。在n=0時(shí)電動機(jī)被TL拉向反轉(zhuǎn)。特性(2)能量關(guān)系機(jī)械功率

電磁功率轉(zhuǎn)子銅損說明兩部分能量全部消耗在電阻上，一部分消耗在轉(zhuǎn)子本身的內(nèi)阻r2上，因r2很小，故能量大部分消耗在外串電阻RΩ上。這樣可以減小轉(zhuǎn)子發(fā)熱程度。(3)制動電阻的計(jì)算方法以固有機(jī)械特性為準(zhǔn)，求出

在同一T值下，r2/s=常數(shù)，

即，可求出RΩ(4)特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)：

s>1，運(yùn)行過程中能量消耗多，改變轉(zhuǎn)子串接電阻，可變速度。應(yīng)用：適用于位能性負(fù)載下放重物。6.5.3回饋制動運(yùn)行狀態(tài)(再生發(fā)電制動)1.方法及制動原理方法：電機(jī)在拖動位能性負(fù)載時(shí)，當(dāng)電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL同方向時(shí)，使轉(zhuǎn)速n↑↑

，即n>n1，電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)返回能量。特點(diǎn)：電機(jī)向電網(wǎng)輸送有功功率，由電網(wǎng)向電機(jī)輸入無功功率。

分析電動狀態(tài)時(shí),由電網(wǎng)向電機(jī)輸入的有功功率：

由電網(wǎng)向電機(jī)輸入的無功功率：其中I1a與U1同相位。分析發(fā)電狀態(tài)時(shí)：I1a與U1反向，φ

>90o；

2.能量關(guān)系

n>n1，s<0，Pj=m1I2′2r2′(1-s)/s<0，說明輸入機(jī)械功率；Pem=m1I2′2r2′/s<0，說明由轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率傳到定子，再返回電源，這時(shí)電機(jī)為一臺異步發(fā)電機(jī)，又因這時(shí)T、n方向相反故為制動狀態(tài)，稱回饋制動或再生發(fā)電制動。3.電流關(guān)系（1）轉(zhuǎn)子有功電流I2a′：因s<0，I2a′<0，由電動機(jī)流向電網(wǎng)（2）無功電流無功電流為：電流方向不變，從電網(wǎng)流向電機(jī)，即電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功電流。

電機(jī)返回電網(wǎng)的有功功率4.相量圖5.機(jī)械特性6.特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)：

n>n1，從電網(wǎng)吸收無功建立磁場，向電網(wǎng)輸送有功，經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用：電機(jī)拖動位能性負(fù)載(如繞線式異步機(jī))下放重物。6.5.4能耗制動運(yùn)行狀態(tài)(1)方法及制動原理方法：將正在運(yùn)行的三相異步電動機(jī)定子繞組斷開三相交流電源，同時(shí)在定子兩相繞組內(nèi)通入直流電流。電動運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，KM1閉合，能耗制動時(shí)KM1斷開，KM2閉合接線圖制動原理

當(dāng)定子繞組拉開三相交流電，通入直流電時(shí)，定子磁場變?yōu)楣潭ú粍拥?/p>