電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)8章

第8章

三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)

我們知道異步電動(dòng)機(jī)的作用就是拖動(dòng)負(fù)載工作，那么關(guān)于它的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速問題就是我們關(guān)心的重點(diǎn)。在三相異步電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)慣例規(guī)定。本章討論三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)及各種運(yùn)行狀態(tài)。8.1三相異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)對于電動(dòng)機(jī)來說最簡單、最直接的起動(dòng)方法就是我們大家能最先想到的直接起動(dòng)法。由前面所介紹的機(jī)械特性出發(fā)，我們知道如果在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，由于最初起動(dòng)瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)cos

2

很低，造成了起動(dòng)電流相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。R’2R1jX1jX’2

普通鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流Is=KIIN=(4~7)IN,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts=KTTN=(0.9~1.3)TN

啟動(dòng)電流較大有什么影響呢？啟動(dòng)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(jī)是屬于頻繁起動(dòng)的，頻繁出現(xiàn)短時(shí)大電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)熱較多而過熱。

2、變壓器容量卻是有限的。若變壓器額定容量相對不夠大時(shí)，電動(dòng)機(jī)短時(shí)較大的起動(dòng)電流，會(huì)使變壓器輸出電壓短時(shí)下降幅度較大，超過了正常規(guī)定值。1）使當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)，啟動(dòng)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(huì)變暗，數(shù)控設(shè)備可能失常，重載的異步電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)等。啟動(dòng)必須滿足的條件是：啟動(dòng)電流要足夠小；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要足夠大。

降低起動(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩反而可能減小。而直接起動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要專門的起動(dòng)設(shè)備。啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：一般地說，容量在7.5kw以下的小容量鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)都可直接起動(dòng)。8.2三想鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的降壓啟動(dòng)8.2.1定子串接電抗器起動(dòng)：

三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電抗器起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)電抗器接入定子電路；起動(dòng)后，切除電抗器，進(jìn)入正常運(yùn)行。RkjXkRkjXkjX顯然，定子串電抗器起動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動(dòng)，只能用于空載和輕載。

串電抗起動(dòng)時(shí)，可以近似把Zk看成是電抗性質(zhì)。設(shè)串電抗時(shí)電動(dòng)機(jī)定子電壓與直接起動(dòng)時(shí)電壓比值為u。RkjXkRkjXkjX8.2.2Y一

起動(dòng)在這里主要是利用了Y一

電壓之間的關(guān)系，我們知道在Y接中線電壓是相電壓的

3倍，注意這種方法只適用與繞組在起動(dòng)的時(shí)候是Y接，而運(yùn)行的時(shí)候是

接。直接啟動(dòng)時(shí)每相起動(dòng)電壓為每相啟動(dòng)電流啟動(dòng)線電流Y一

啟動(dòng)時(shí)每相啟動(dòng)電壓為每相啟動(dòng)電流啟動(dòng)線電流8.2.3自耦變壓器（啟動(dòng)補(bǔ)償器）降壓啟動(dòng)利用了自耦變壓器有抽頭可供選用，可以實(shí)現(xiàn)不同要求的降壓。自耦變壓器二次電壓與一次電壓的關(guān)系降壓啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系自耦變壓器一次電流與啟動(dòng)電流的關(guān)系降壓啟動(dòng)自耦變壓器一次電流與直接啟動(dòng)時(shí)電流的關(guān)系降壓為啟動(dòng)時(shí)電流與直接啟動(dòng)時(shí)電流的關(guān)系采用自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，與直接起動(dòng)相比較，電壓降低到倍，起動(dòng)電流與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低到倍。采用自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，與直接起動(dòng)相比較，電壓降低到倍，起動(dòng)電流與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低到倍。

實(shí)際上起動(dòng)用的自耦變壓器，備有幾個(gè)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(shí)接在73%抽頭上）；QJ3型也有三種抽頭，分別為40％、60%、80%（出廠時(shí)接在60％抽頭上）等。這也是我們前面所講的優(yōu)點(diǎn)，但是，自耦變壓器體積大，價(jià)格高，也不能帶重負(fù)載起動(dòng)。自耦變壓器降壓起動(dòng)在較大容量鼠籠異步電動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。前面所介紹的幾種鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法，主要目的都是減小起動(dòng)電流，但同時(shí)又都程度不同地降低了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此只適合空載或輕載起動(dòng)。對于重載起動(dòng)，尤其要求起動(dòng)過程很快的情況下，則需要起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的異步電動(dòng)機(jī)。加大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法是增大轉(zhuǎn)子電阻。對于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，則可在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串電阻。對于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，只有設(shè)法加大鼠籠本身的電阻值，這類電動(dòng)機(jī)有高轉(zhuǎn)差率鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和深槽式鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。下面介紹繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。8.4三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)前面我們已經(jīng)分析了繞線式異步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性知識,從中我們知道通過給繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻可以很好的改善電機(jī)的起動(dòng)性能。8.4.1

轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)

頻敏變阻器勵(lì)磁阻抗：頻敏變阻器與一般變壓器勵(lì)磁阻抗不完全相同，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：（1）頻率為50Hz的電流通過時(shí)，阻抗比一般變壓器勵(lì)磁阻抗小得多。這樣串在轉(zhuǎn)子回路中，既限制了起動(dòng)電流，又不致使起動(dòng)電流過小而減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（2）頻率為50Hz的電流通過時(shí),Rp>>Xp，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(lì)磁電流越大，因此勵(lì)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，因此較大。

啟動(dòng)時(shí)，s＝1，轉(zhuǎn)子回路中的電流的頻率為5OHz。轉(zhuǎn)子回路串入Zp，而Rp>>Xp

，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(dòng)電流，又提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。8.4.2轉(zhuǎn)子串電阻分級啟動(dòng)為了使整個(gè)起動(dòng)過程中盡量保持較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、繞線式異步電動(dòng)機(jī)可以采用逐級切除起動(dòng)電阻的轉(zhuǎn)子串電阻分級起動(dòng)。8.4.2轉(zhuǎn)子串電阻分級啟動(dòng)

主要優(yōu)點(diǎn)：可得到最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而且轉(zhuǎn)子回路只有電阻沒有電抗，啟動(dòng)過程中功率因數(shù)比串頻敏變阻器還要高；啟動(dòng)電阻同時(shí)可兼作調(diào)速電阻。但當(dāng)要求啟動(dòng)盡可能轉(zhuǎn)矩大時(shí)，啟動(dòng)級數(shù)多，特別是容量大的電動(dòng)機(jī)，將需要較多的設(shè)備，投資大，維修不方便。而且啟動(dòng)過程中能量損耗大，不經(jīng)濟(jì)。8.5三相異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是同方向時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，若電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方向相反時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。8.5.1

電動(dòng)運(yùn)行：當(dāng)工作在第Ⅰ象限時(shí)為正向電動(dòng)狀態(tài)。工作在第Ⅲ象限時(shí)為反向電動(dòng)狀態(tài)。

而在制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不同情況，又可分為：回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、到拉反轉(zhuǎn)及能耗制動(dòng)等。8.5.2能耗制動(dòng)1.能耗制動(dòng)基本原理切斷電動(dòng)機(jī)的三相交流電源，同時(shí)把直流電源通入它的定子繞組，三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)形成了一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的空間固定磁動(dòng)勢。

空間固定不轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢F=相對于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來說變成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢,旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。顯然T與n反方向，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，T為制動(dòng)性的阻轉(zhuǎn)矩。在此轉(zhuǎn)矩作用下電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行，直到n＝0，T＝0，減速過程才完全終止。上述制動(dòng)停車過程中，系統(tǒng)原來貯存的動(dòng)能消耗了，這部分能量主要被電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為電能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。因此，上述過程亦稱之為能耗制動(dòng)過程。三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩T的產(chǎn)生，是由于轉(zhuǎn)子與定于磁動(dòng)勢之間有相對運(yùn)動(dòng)；至于定子磁動(dòng)勢相對于定子本身是旋轉(zhuǎn)的還是靜止的，以及相對轉(zhuǎn)速是多少，都是無關(guān)緊要的。因此，分析能耗制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的三相異步電動(dòng)機(jī)，可以用三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢等效替代直流磁動(dòng)勢，在等效替代后，就可以使用電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的分析方法與所得結(jié)論。等效替代的條件是：（1）保持磁動(dòng)勢幅值不變，即=;

（2）保持磁動(dòng)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(dòng)機(jī)定子通入直流電流產(chǎn)生磁動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)差率用表示,則為:

轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與頻率則為:三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)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(dòng)勢作用的結(jié)果，并非指電機(jī)運(yùn)行時(shí)的量。有了等值電路，能耗制動(dòng)的機(jī)械特性推導(dǎo)就與正常運(yùn)行時(shí)的固有機(jī)械特性完全一樣了。4.能耗制動(dòng)的機(jī)械特性:

能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流、勵(lì)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(8-16)(8-17)代入(8-15)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，即對鼠籠式電動(dòng)機(jī)?。篒==(4~5)I0對繞線式電動(dòng)機(jī)?。篒==(4~5)I0上式便為能耗制動(dòng)的機(jī)械特性表達(dá)式，其與電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的機(jī)械特性方程式是一致的，但是電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，是用電源電壓來表示，而能耗制動(dòng)的這個(gè)式子，是用等效的定子電流來表示。能耗制動(dòng)時(shí)，視為已知量。對上式微分，并使，則得到能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖所示。顯然，能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性與定子接三相交流電源運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性很相似。改變直流勵(lì)磁電流的大小，或者改變繞線式異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。能耗制動(dòng)機(jī)械特性的實(shí)用公式為：8.5.3反接制動(dòng)過程處于正向電動(dòng)運(yùn)行的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r(shí)，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了反接制動(dòng)過程。同時(shí)，轉(zhuǎn)子回路串入較大的制動(dòng)電阻。

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從A-B-C

，到C點(diǎn)后，-TL＜T＜TL

可以準(zhǔn)確停車。8.5.3反接制動(dòng)過程當(dāng)拖動(dòng)較小負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，如果反接制動(dòng)停車，在降速到n=0時(shí)切斷電源并停車，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反向啟動(dòng)。

與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一樣，三相異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)停車不能耗制動(dòng)快，但能量損失大。8.5.3反接制動(dòng)過程鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路無法串電阻，因此反接制動(dòng)不能過于頻繁。

反接制動(dòng)停車的制動(dòng)電阻計(jì)算，根據(jù)所要求的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行。為了簡單起見，可以認(rèn)為反接制動(dòng)后瞬間的轉(zhuǎn)差率s

2，處于反接制動(dòng)機(jī)械特性的s＝0～sm

之間。pCu2=PM+|Pm|8.5.4倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行我們知道，拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)，若在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入一定值的電阻，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低。如果所串的電阻超過某一數(shù)值后，電動(dòng)機(jī)還要反轉(zhuǎn)，稱之為倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。8.5.4倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)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(dòng)過程一樣，電磁功率PM＞0，機(jī)械功率Pm＜0，轉(zhuǎn)子回路總銅耗pCu2=PM+|Pm|。但是倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)負(fù)載向電動(dòng)機(jī)送入的機(jī)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(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。這種運(yùn)行狀態(tài)與直流電動(dòng)機(jī)倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行的情況是一樣的。8.