電機學(xué)課件第8章三相異步電動機的起動與制動1(李發(fā)海)

第八章三相異步電動機的電力拖動

我們知道異步電動機的作用就是拖動負(fù)載工作，那么關(guān)于它的起動、制動和調(diào)速問題就是我們關(guān)心的重點。在三相異步電動機電力拖動系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等物理量的正方向，都按電動機慣例規(guī)定。本章討論三相異步電動機的起動、調(diào)速及各種運行狀態(tài)。

起動要求：1）起動力矩Ts盡可能的大；2）起動電流Is盡可能的??；在滿足Ts足夠大的條件下，盡量減少Is。3）起動設(shè)備盡可能的簡單。電動機的起動指定子接通電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速從n=0到n=nN。如果在額定電壓下直接起動三相異步電動機,會出現(xiàn)什么結(jié)果？為什么？

8－1籠型三相異步電動機的起動一、三相異步電動機的直接起動一般地說，容量在7.5kw以下的小容量鼠籠式異步電動機都可直接起動。起動電流較大有什么影響呢？1、首先對于繞組來說是非常不利的，如果電機是屬于頻繁起動的，頻繁出現(xiàn)短時大電流會使電動機內(nèi)部發(fā)熱較多而過熱。對于變壓器而言，整個交流電網(wǎng)的容量相對于單個的三相異步電動機來講是非常大的。但是具體到直接供電的變壓器來講，容量卻是有限的。若變壓器額定容量相對不夠大時，電動機短時較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓短時下降幅度較大，超過了正常規(guī)定值，例如U＞10％或更嚴(yán)重。這樣一來，影響了幾個方面：（1）起動電動機本身，由于電壓太低起動轉(zhuǎn)矩下降很多（），當(dāng)負(fù)載較重時，可能起動不了。（2）影響由同一臺配電變壓器供電的其他負(fù)載，比如說電燈會變暗，數(shù)控設(shè)備可能失常，重載的異步電動機可能停轉(zhuǎn)等。****考慮對電網(wǎng)的沖擊7.5kW以下可采用****較大容量需考慮供電設(shè)備的容量起動轉(zhuǎn)矩不大有什么影響呢？很顯然，電機的起動是非常吃力的，的條件下，電動機才能正常起動。一般地說，如果異步電動機輕載和空載起動，直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩就夠大了，但是如果是重載起動例如，且要求起動過程快時，某些異步電動機例如繞線式三相異步電動機，往往小于1，直接起動的起動轉(zhuǎn)矩就不夠大了。

從上面分析看出，三相異步電動機直接起動有些情況下是可行的，而下面兩種情況下是不可行的：①變壓器與電動機容量之比不足夠大；②起動轉(zhuǎn)矩不能滿足要求。不能直接起動的第①種情況下需要減小起動電流，第②種情況下需要加大起動轉(zhuǎn)矩。即起動必須滿足的條件是：起動電流要足夠小；起動轉(zhuǎn)矩要足夠大。起動電流：

從上面兩個表達(dá)式我們可以看出，降低起動電流的方法有：①降低電源電壓；②加大定子邊電抗或電阻；③加大轉(zhuǎn)子邊電阻或電抗。加大起動轉(zhuǎn)矩的方法只有適當(dāng)加大轉(zhuǎn)子電阻，但不能過份，否則起動轉(zhuǎn)矩反而可能減小。而直接起動的最大優(yōu)點就是不需要專門的起動設(shè)備。1.定子串電阻或電抗——分壓起到降壓作用2.自耦變壓器降壓起動3.星形-三角形起動，用于可以有2種接法的電機，正常運行時用三角形接法，起動時用星形接法，相電壓降為正常運行時的4.延邊三角形起動對不同的起動要求，需專門設(shè)計電機。二、三相鼠籠異步電動機的降壓起動降壓起動的分析降壓起動設(shè)備M（一）定子串接電抗器起動：

三相異步電動機定子串電抗器起動，起動時電抗器接入定子電路；起動后，切除電抗器，進(jìn)入正常運行。顯然此時的電抗器起到了分壓的作用。三相異步電動機直接起動時，其每相等值電路如圖（a）所示，電源電壓直接加在短路阻抗上。定子邊串入電抗X起動時，每相等值電路如圖（b）所示，

串電抗起動時，可以近似把看成是電抗性質(zhì)。設(shè)串電抗時電動機定子電壓與直接起動時電壓比值為u，則

顯然，定子串電抗器起動，降低了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動，只能用于空載和輕載。工程實際中，往往先給定線路允許電動機起動電流的大小，再計算電抗X的大小。計算公式推導(dǎo)如下：其中短路阻抗為串電抗或電阻降壓起動設(shè)備M可等效為

1阻抗接法不變，所以:電網(wǎng)線電流變化的倍數(shù)=相電流變化倍數(shù)若定子回路串電阻起動，也屬于降壓起動，也可以降低起動電流。但由于外串的電阻上有較大的有功功率損耗，特別對中型、大型異步電動機更不經(jīng)濟，因此這里不予介紹。

(二)起動在這里主要是利用了星—三角電壓之間的關(guān)系，我們知道在星接中線電壓是相電壓的倍，注意這種方法只適用與繞組在起動的時候是星形接，而運行的時候是三角形接。如圖所示：

如果起動的時候是三角形聯(lián)接，這樣，相電壓等于線電壓每相起動電流為線上的起動電流為。而如果起動時定子繞組Y接，如圖（b）所示，每相起動電壓為每相起動電流，則線起動電流為:上式說明，起動時，盡管相電壓和相電流與直接起動時相比降低到原來的，但是對供電變壓器造成沖擊的起動電流則降低到直接起動時的1／3。直接起動時起動轉(zhuǎn)矩為，起動時起動轉(zhuǎn)矩為，則：起動可以用于拖動的輕負(fù)載。在輕載起動條件下，應(yīng)該優(yōu)先采用。

Y-Δ起動降壓起動設(shè)備M相電壓減少電網(wǎng)線電流減小為原線電流的3分之一

（三）自耦變壓器降壓起動如圖所示：我們在前邊已經(jīng)學(xué)過了自耦變壓器的工作原理，在這里就是利用了自耦變壓器有抽頭可供選用，比較靈活，可以實現(xiàn)不同要求的降壓。電動機起動電壓下降為，與直接起動時電壓的關(guān)系為電動機降壓起動電流為，與直接起動的起動電流之間關(guān)系是：自耦變壓器原邊的起動電流為，與之間關(guān)系為：因此降壓起動與直接起動相比，供電變壓器的起動電流的關(guān)系為：自耦變壓器起動時記起動轉(zhuǎn)矩為，與直接起動時起動轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：采用自耦變壓器降壓起動時，與直接起動相比較，電壓降低到倍，起動電流與起動轉(zhuǎn)矩降低到倍。

實際上起動用的自耦變壓器，備有幾個抽頭供選用。例如QJ2型有三種抽頭，分別為55%（即=55%）、64%、73%（出廠時接在73%抽頭上）；QJ3型也有三種抽頭，分別為40％、60%、80%（出廠時接在60％抽頭上）等。這也是我們前面所講的優(yōu)點，但是，自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶重負(fù)載起動。自耦變壓器降壓起動在較大容量鼠籠異步電動機上廣泛應(yīng)用。自耦變壓器降壓降壓起動設(shè)備M自耦變壓器變比（四）延邊三角形起動

到目前為止，前面所介紹的幾種鼠籠式異步電動機降壓起動方法，主要目的都是減小起動電流，但同時又都程度不同地降低了起動轉(zhuǎn)矩，因此只適合空載或輕載起動。對于重載起動，尤其要求起動過程很快的情況下，則需要起動轉(zhuǎn)矩較大的異步電動機。加大起動轉(zhuǎn)矩的方法是增大轉(zhuǎn)子電阻。對于繞線式異步電動機，則可在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串電阻。對于鼠籠式異步電動機，只有設(shè)法加大鼠籠本身的電阻值，這類電動機有高轉(zhuǎn)差率鼠籠式異步電動機、雙鼠籠式異步電動機和深槽式鼠籠異步電動機。8.3高起動轉(zhuǎn)矩的三相鼠籠式異步電機8.3.1轉(zhuǎn)子電阻值較大的鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子電阻大，則直接啟動時的轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩也大，但同時額定轉(zhuǎn)差率較大，運行段機械特性較軟。一般澆注式的鼠籠都采用鋁，有些電動機鼠籠由合金鋁澆注而成，或者還采用轉(zhuǎn)子小槽，減小導(dǎo)條截面積，這樣使轉(zhuǎn)子電阻增大；一般焊接式的鼠籠都采用紫銅，有些電動機鼠籠材料用黃銅，黃銅的電阻率比紫銅高，所以轉(zhuǎn)子電阻較大8.3.2深槽式鼠籠異步電動機1、轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)槽高/槽寬=10~202、特點將轉(zhuǎn)子導(dǎo)體看成小導(dǎo)體并聯(lián)組成，當(dāng)有I2時，漏磁通分布如圖。底部漏電抗X大起動時f2很大，轉(zhuǎn)子漏電抗比電阻大很多，I2大小由X決定；由于底部漏電抗X大，I2被擠到槽口，該現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。電流密度分布如圖。0h12h/d=10～20利用“集膚效應(yīng)”原理

起動時：f2=f1X2大，槽底電流小（槽底漏電抗大）電流集中于槽口——趨表效應(yīng)導(dǎo)線面積sR2

正常運行：nf2=sf1X2小，電流基本均勻分布——趨表效應(yīng)

sR2

8.3.3雙鼠籠異步電動機外籠：導(dǎo)條截面積小，用電阻率較高的黃銅制成，電阻較大；內(nèi)籠：導(dǎo)條截面積大，用電阻率較低的紫銅制成，電阻較??；當(dāng)導(dǎo)條里有電流流過時，內(nèi)籠漏磁鏈多、漏電抗較大，外籠漏磁鏈少、電抗較小雙鼠籠異步電動機(a)轉(zhuǎn)子槽與槽漏磁通；(b)機械特性

雙鼠籠異步電動機比普通異步電動機轉(zhuǎn)子漏電抗大，功率因數(shù)稍低，效率差不多。電機啟動時，轉(zhuǎn)子電流頻率較高，外籠電抗小，電流大，起主要作用，外籠又稱為啟動籠。電機運行時，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，導(dǎo)條內(nèi)有交流電流通過，電流的分配主要決定于電阻，內(nèi)籠電阻小、電流大，此時起主要作用，內(nèi)籠又稱為運行籠。外籠：起動籠，電阻大—黃銅或鋁青銅內(nèi)籠：運行籠，電阻小—紫銅起動時：f2=f1，內(nèi)籠漏抗大，電流集中在上籠→Ist小，Tst大運行時：f2=1-3Hz，漏抗遠(yuǎn)比電阻小，電流大部分從電阻較小的下籠流過。轉(zhuǎn)子漏抗大，cos和過載能力小，制造相對工藝復(fù)雜。用于對Tst要求高的場合。利用集膚效應(yīng)/1.深槽轉(zhuǎn)子或刀形槽轉(zhuǎn)子2.雙鼠籠轉(zhuǎn)子起動時，轉(zhuǎn)子頻率大，集膚效應(yīng)使電阻大，起動轉(zhuǎn)矩大。降壓起動在限制起動電流的同時，大大降低了起動轉(zhuǎn)矩。在需要較大起動轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場合，人們不得不選擇價格昂貴的繞線式異步電動機。繞線式異步電動機的特點是可以在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善其起動和調(diào)速性能。轉(zhuǎn)子可串電阻轉(zhuǎn)子可串頻敏電阻§8－2三相繞線式異步電動機的起動**下面我們將進(jìn)行詳細(xì)的介紹.如圖所示：1、起動過程如下：（l）接觸器觸點KI，K2，K3斷開，繞線式異步電動機定子接額定電壓、轉(zhuǎn)子每相串入起動電阻（），電動機開始起動。起動點為機械特性曲線3上的a點，起動轉(zhuǎn)矩為。（2）轉(zhuǎn)速上升，到b點時，，為了加大電磁轉(zhuǎn)矩加速起動過程，接觸器觸點K3閉合，切除起動電阻。忽略異步電動機的電磁慣性，只計拖動系統(tǒng)的機械慣性，則電動機運行點從b變到機械特性曲線2上的C點，該點上電動機電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，經(jīng)h點最后穩(wěn)定運行在j點。上述起動過程中，轉(zhuǎn)子回路外串電阻分三級切除，故稱為三級起動。T1為最大起動轉(zhuǎn)矩，T2為最小起動轉(zhuǎn)矩或切換轉(zhuǎn)矩。2.作圖法計算起動電阻

當(dāng)起動級數(shù)確定時，例如m＝3，起動機械特性作圖步驟如下：（1）先畫固有機械特性。（2）確定最大起動轉(zhuǎn)矩T1及切換轉(zhuǎn)矩T2。3.解析法計算起動電阻轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動：

繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路串電阻起動方法，要想獲得良好的起動特性，需要較多的起動級數(shù)，這樣，控制設(shè)備復(fù)雜，增加設(shè)備投資和維修的困難。人們通過實踐，創(chuàng)造了一種運用于繞線式異步電動機，而結(jié)構(gòu)比較簡單的起動元件－－敏變阻器起動。頻敏變阻器是一種靜止的無觸點電磁元件，它具有以下特點：1.結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，造價低廉2.運行可靠，堅固耐用，使用維護(hù)方便3.由于它的阻抗隨頻率而自動變化，可使控制系統(tǒng)大大簡化，宜于實現(xiàn)自動控制4.頻敏變阻器是一種感性元件，因而功率因數(shù)較低

如圖所示：接觸器觸點K斷開時，電動機轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器起動。起動過程結(jié)束后，接觸器觸點K再閉合，切除頻敏變阻器，電動機進(jìn)入正常運行。頻敏變阻器每一相的等值電路與變壓器空載運行時的等值電路是一致的，忽略繞組漏阻抗時，其勵磁阻抗為勵磁電阻與勵磁電抗串聯(lián)組成，表示。但是與一般變壓器勵磁阻抗不完全相同，主要表現(xiàn)在以下兩點：⑴頻率為5OHz的電流通過時，阻抗比一般變壓器勵磁阻抗小得多。這樣串在轉(zhuǎn)子回路中，既限制了起動電流，又不致使起動電流過小而減小起動轉(zhuǎn)矩。（2）頻率為5OHz的電流通過，其原因是：頻敏變阻器中磁密取得高，鐵心處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大，因此勵磁電抗較小。而鐵心是厚鐵板或厚鋼板的、磁滯渦流損耗都很大，頻敏變阻器的單位重量鐵心中的損耗，與一般變壓器相比較要大幾百倍，因此rp較大。繞線式三相異步電動機轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動時，s＝1，轉(zhuǎn)子回路中的電流的頻率為5OHz。轉(zhuǎn)子回路串入，，因此轉(zhuǎn)子回路主要是串入了電阻。這樣，轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)大大提高了，既限制了起動電流，又提高了起動轉(zhuǎn)矩。起動過程中，轉(zhuǎn)速升高，S變小，xp下降，f2＝sf1變小，頻敏變阻器中鐵耗的大小與頻率的平方成正比，頻率低，損耗小，電阻rp小。所以，在起動過程中，頻敏變阻器的阻抗zp=rp＋jxp是隨著頻率的降低而自動減小的。這樣使得電動機在整個起動過程中始終保持較大的起動轉(zhuǎn)矩。

§8-5

三相異步電動機的各種運行狀態(tài)制動包括：回饋制動、反接制動、到拉反轉(zhuǎn)及能耗制動等。電動狀態(tài):制動狀態(tài):一、電動運行：

二、能耗制動：（1）能耗制動基本原理：如圖所示：制動停車過程：如何實現(xiàn)？基本的工作原理？如何分析能耗制動？

可以用三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢等效替代直流磁動勢，在等效替代后，就可以使用電動運行狀態(tài)時的分析方法與所得結(jié)論。等效替代的條件是？為什么可以等效替代？（1）保持磁動勢幅值不變，即（2）保持磁動勢與轉(zhuǎn)子之間相對轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)差）不變，為2.定子等效電流:異步電動機定子通入直流電流產(chǎn)生磁動勢，其幅值的大小與定子繞組的接法及通入的方法有關(guān)。例如圖所示的，合成磁動勢的大小為:

把等效為三相交流電流產(chǎn)生的,每相交流電流的有效大小為,則交流磁動勢大小為:等效的結(jié)果是

3.轉(zhuǎn)差率與等值電路:磁通勢與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速為(-n),的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速為,能耗制動轉(zhuǎn)差率用表示,則為:

轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的大小與頻率則為:三相異步電動機能耗制動的等值電路如圖所示。注意，等值電路中各電量是等效電流產(chǎn)生磁動勢作用的結(jié)果，并非指電機運行時的量。有了等值電路，能耗制動的機械特性推導(dǎo)就與正常運行時的固有機械特性完全一樣了。4.能耗制動的機械特性:能耗制動時，電動機內(nèi)鐵損耗很小，可以將其忽略。這樣一來，根據(jù)等值電路畫出電動機定子電流、勵磁電流及轉(zhuǎn)子電流之間的相量關(guān)系如圖所示。它們之間大小的關(guān)系為忽略鐵損耗后,則有:另外,還有整理后得到根據(jù)前一章的分析結(jié)果知道，電磁轉(zhuǎn)矩為電磁功率除以同步角速度，即上式便為能耗制動的機械特性表達(dá)式，其與電動運行狀態(tài)時的機械特性方程式是一致的，但是電動運行狀態(tài)時，是用電源電壓來表示，而能耗制動的這個式子，是用等效的定子電流來表示。能耗制動時，視為已知量。對上式微分，并使，則得到能耗制動運行時的最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為根據(jù)上式畫出三相異步電動機能耗制動時的機械特性如圖所示。顯然，能耗制動時的機械特性與定子接三相交流電源運行時的機械特性很相似。改變直流勵磁電流的大小，或者改變繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路每相所串的電阻值R，就都可以調(diào)節(jié)能耗制動時制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。能耗制動機械特性的實用公式為：三、反接制動:反接制動過程:處于正向電動運行的三相繞線式異步電動機，當(dāng)改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r，電動機便進(jìn)入了反接制動過程.反接制動過程中，電動機電源相序為負(fù)序，如圖所示:接觸器觸點K1閉合為正向電動運行，K1斷開K2閉合，則改變了電源相序。（b）圖為拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，反接制動的同時轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻時的反接制動機械特性。電動機的運行點從A—B—C，到C點后，＜T＜可以準(zhǔn)確停車。而在反接制動過程中,因為接的是反相序電源,所以,轉(zhuǎn)速大n0時,相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s1。若轉(zhuǎn)子回路總電阻折合值為，機械功率則為即負(fù)載向電動機內(nèi)輸入機械功率。顯然負(fù)載提供機械功率是靠轉(zhuǎn)動部分減少動能。從定子到轉(zhuǎn)子的電磁功率為 轉(zhuǎn)子回路銅損耗:因此，轉(zhuǎn)子回路中消耗了從電源輸入而來的電磁功率及由負(fù)載送入的機械功率，數(shù)值很大，在轉(zhuǎn)子回路中必須串入較大的外串電阻，以消耗大部分轉(zhuǎn)子回路銅損耗，保護(hù)電動機不致由于過熱而損壞。所謂大電阻是指比起動電阻阻值還要大。下圖就是反接過程中的機械特性圖:從圖上看出,如果電動機拖動負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，或者拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，這兩種情況下，如果進(jìn)行反接制動停車，那么必須在降速到n＝0時切斷電動機電源并停車，否則電動機將會反向起動，三相異步電動機反接制動停車比能耗制動停車速度快，但能量損失較大。一些頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，經(jīng)常采用反接制動停車接著反向起動，就是為了迅速改變轉(zhuǎn)向，提高生產(chǎn)率。反接制動停車的制動電阻計算，根據(jù)所要求的最大制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行。為了簡單起見，可以認(rèn)為反接制動后瞬間的轉(zhuǎn)差率s2，處于反接制動機械特性的s＝0～之間。鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子回路無法串電阻，因此反接制動不能過于頻繁。四、倒拉反轉(zhuǎn)制動運行:

我們知道，拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行的三相繞線式異步電動機，若在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入一定值的電阻，電動機轉(zhuǎn)速可以降低。如果所串的電阻超過某一數(shù)值后，電動機還要反轉(zhuǎn)，稱之為倒拉反轉(zhuǎn)制動運行狀態(tài)。倒拉反轉(zhuǎn)制動運行是轉(zhuǎn)差率s＞1的一種穩(wěn)態(tài)，其功率關(guān)系與反接制動過程一樣，電磁功率＞0，機械功率＜0，轉(zhuǎn)子回路總銅耗。但是倒拉反轉(zhuǎn)運行時負(fù)載向電動機送入的機械功率是靠著負(fù)載貯存的位能的減少，是位能性負(fù)載倒過來拉著電動機反轉(zhuǎn)。五、回饋制動運行:回饋制動運行分為正向回饋制動運行和反向回饋制動運行.1、正向回饋制動運行：通過將一部分機械能轉(zhuǎn)換為電能并回饋回電源的現(xiàn)象。從圖上可以看出：在這個降速過程中，電動機運行在第II象限BC這一段機械特性上時，轉(zhuǎn)速n＞0，電磁轉(zhuǎn)矩T＜0，是個制動運行狀態(tài)，稱之為正向回饋制動過程。整個回饋制動過程中，始終有n＞。正向回饋制動過程中，電動機的轉(zhuǎn)速n＞，轉(zhuǎn)差率

從三相異步電動機等值電路上看出，電動機總的機械功率為從定子到轉(zhuǎn)子的電磁功率為：實際是系統(tǒng)減少了動能而向電動機送入機械功率并轉(zhuǎn)換為電功率，扣除了轉(zhuǎn)子損耗后，變成了從轉(zhuǎn)子送往定子的電磁功率了。那么主要送到哪里去了呢？為此，先看著轉(zhuǎn)子過功率因數(shù)角的情況。我們知道根據(jù)以上兩式，畫出正向回饋制動時異步電動