三相異步電機的啟動及速度調(diào)節(jié)

三相異步電機的啟動及速度調(diào)節(jié)第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二起動電流倍數(shù)、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動時間及起動過程中的功率損耗及起動設(shè)備的簡單性和可靠性等。我們對第一個指標(biāo)最為關(guān)注，因為很大的起動電流會使供電變壓器輸出電壓明顯下降，這樣會影響變壓器的其它用戶的正常用電，以及對本身電機的起動產(chǎn)生不利影響。起動性能指標(biāo)有：第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二數(shù)＝4～7，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)＝1.4～2.2。異步電動機在額定電壓下直接起動時，起動電流倍三相異步電動機的直接起動0IsIsTnT0第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二由于起動瞬間，主磁通約減少為額定值的一半，功率因數(shù)又很低，造成了起動電流很大，起動轉(zhuǎn)矩確并不太大。通常，只有在7.5kW容量的小型鼠籠型電動機可采用直接起動。&kjXkRNU&sI直接起動第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二14.2三相籠型異步電動機的起動一、直接起動可以直接起動的條件：起動電流倍數(shù)二、降壓起動適用于正常運行時定子繞組為三角形接線的電動機。起動時Y接；運行時△接。起動電流關(guān)系:Y-△降壓起動多用于空載或輕載起動1.Y-△降壓起動起動轉(zhuǎn)矩關(guān)系:第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二對于正常運行時定子繞組采用“D”聯(lián)結(jié)的異步電動機，起動時定子“Y”聯(lián)結(jié)，起動完畢后換成“D”聯(lián)結(jié)。這樣起動時，每相起動電壓大小和直接起動時每相電壓大小之間的關(guān)系：第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二每相起動電流為:起動線電流為:起動轉(zhuǎn)矩為:，第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二2.自耦變壓器降壓起動直接起動時的起動電流：降壓后二次側(cè)起動電流：變壓器一次側(cè)電流：電網(wǎng)提供的起動電流減小倍數(shù)：起動轉(zhuǎn)矩減小的倍數(shù)：自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用。第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二電動機降壓起動時電流為，與直接起動時的起動電流之間關(guān)系為自耦變壓器高壓側(cè)的起動電流，與之間的關(guān)系為第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二自耦變壓器降壓起動與直接起動相比，供電變壓器供給的起動電流之間關(guān)系為自耦降壓起動，與直接起動時，起動轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系為第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二3.定子繞組串電阻或者電抗器啟動在定子繞組的電路中串入一個三相電阻器或者電抗器來產(chǎn)生一定的電壓降，使得達到降低啟動電流的目的。串電阻器啟動時，要消耗較大的功率；串電抗器啟動時，當(dāng)K2短接啟動電抗器時還會產(chǎn)生較大的短路電流，所以串電抗器適合于啟動轉(zhuǎn)矩要求不大且啟動不頻繁的場合。

Ust

=UN/k;Ist'/Ist=1/k;Tst'/Tst=1/k*k第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二設(shè)串電抗時定子電壓與直接起動時定子額定電壓的比值為。則定子串電抗器起動定子串電抗器（電阻器）起動'sI&'1U&NU&kjXkRjX第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二三、軟啟動應(yīng)用自動控制線路組成軟啟動器，無級平滑啟動，分為：磁控式和電子式。啟動時過程中，所加電壓不是一個固定值，啟動器輸出電壓按指定要求上升電子啟動器采用智能化控制第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二起動方法起動電壓相對值（電動機相電壓）起動電流相對值（供電變壓器線電流）起動轉(zhuǎn)矩相對值啟動設(shè)備直接起動111最簡單串電抗起動一般Y－△起動簡單，只適用于D聯(lián)結(jié)380V電機自耦降壓起動較復(fù)雜這里介紹的幾種鼠籠型電動機降壓起動的方法，主要目的是限制起動電流，但同時起動轉(zhuǎn)矩也不同程度的降低了，因此只適用于輕空載起動。第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二14-3

繞線式異步電動機的啟動

降壓啟動在限制啟動電流的同時，大大降低了啟動轉(zhuǎn)矩。在需要較大啟動轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場合，人們不得不選擇價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，以改善其啟動和調(diào)速性能。如果R2'+Rst'=sqrt[R12+(X1s+X2s')2]，則獲得最大啟動轉(zhuǎn)矩。第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二一、轉(zhuǎn)子回路串電阻起動

在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩。

為了有較大的起動轉(zhuǎn)矩、使起動過程平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，并隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸切除起動電阻。啟動電阻器有金屬絲電阻器、鑄鐵電阻器、水電阻器等，但都按短時方式設(shè)計

第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二，電機的起動轉(zhuǎn)矩為最大電磁轉(zhuǎn)矩。1）轉(zhuǎn)子回路串電阻起動：這種起動方法可以減小起動電流，但所串電阻合適時，還能增加起動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)所串電阻滿足：

為了有較大平均起動轉(zhuǎn)矩，減小電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，常采用電阻逐級切除法。第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

電動機由a點開始起動，經(jīng)b→c→d→e→f→g→h，完成起動過程。起動過程第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器。

起動時，S2斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器,S1閉合，電機通電開始起動。起動時,,頻敏變阻器鐵損大,反映鐵損耗的等效電阻大,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子回路串入一個較大電阻。隨著上升,減小,鐵損減少,等效電阻減小,相當(dāng)于逐漸切除,起動結(jié)束,S2閉合，切除頻敏變阻器，轉(zhuǎn)子電路直接短路。

第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二三相異步電動機的制動1能耗制動實現(xiàn)：制動時，S1斷開,電機脫離電網(wǎng)，同時S2閉合,在定子繞組中通入直流勵磁電流。

直流勵磁電流產(chǎn)生一個恒定的磁場，因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割恒定磁場，導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢和電流。感應(yīng)電流與磁場作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)，轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，感應(yīng)電動勢和電流為零，制動過程結(jié)束。

制動過程中，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路電阻上——能耗制動。第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二nTemA0n1C1B23

對籠型異步電動機,可以增大直流勵磁電流來增大初始制動轉(zhuǎn)矩。

對繞線型異步電動機,可以增大轉(zhuǎn)子回路電阻來增大初始制動轉(zhuǎn)矩。制動電阻大?。旱诙豁?，共六十頁，編輯于2023年，星期二一、電源兩相反接的反接制動2反接制動實現(xiàn)：將電動機電源兩相反接可實現(xiàn)反接制動。機械特性由曲線1變?yōu)榍€2，工作點由A→B→C，n=0,制動過程結(jié)束。繞線式電動機在定子兩反接同時,可在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)制動電阻來限制制動電流和增大制動轉(zhuǎn)矩

,曲線3。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動條件:適用于繞線式異步電動機帶位能性負載情況。實現(xiàn)：在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)適當(dāng)大電阻RB。電機工作點由A→B→C，n=0，制動過程開始，電機反轉(zhuǎn)子，直到D點。在第四象限才是制動狀態(tài)。由于電機反向旋轉(zhuǎn)，n<0，所以s>1。第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二反接制動時，s>1，所以有機械功率為電磁功率為機械功率為負，說明電機從軸上輸入機械功率；電磁功率為正說明電機從電源輸入電功率，并軸定子向轉(zhuǎn)子傳遞功率。而表明，軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變成電功率后，連同定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，所反接制動的能量損耗較大。第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二3回饋制動實現(xiàn)：電動機轉(zhuǎn)子在外力作用下，使n>n1.

回饋制動狀態(tài)實際上就是將軸上的機械能轉(zhuǎn)變成電能并回饋到電網(wǎng)的異步發(fā)電機狀態(tài)。一、下放重物時的回饋制動

首先將定子兩相反接,定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為-n1，特性曲線變?yōu)?。工作點由A到B。經(jīng)過反接制動過程（由B到C）、反向加速過程（C到-n1變化），最后在位能負載作用下反向加速并超過同步速，直到C點保持穩(wěn)定運行。電機機械特性曲線1，運行于A點。第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動電機機械特性曲線1，運行于A點。電機工作點由A變到B，電磁轉(zhuǎn)矩為負，，電機處于回饋制動狀態(tài)。當(dāng)電機采用變極（增加極數(shù)）或變頻（降低頻率）進行調(diào)速時，機械特性變?yōu)?。同步速變?yōu)椤５诙?，共六十頁，編輯?023年，星期二1.深槽式異步電動機（Deepbarmotor）集膚效應(yīng)擠流效應(yīng)等效截面a．起動時在剛起動時，f2=f1。頻率較高，導(dǎo)體漏抗大于電阻，漏抗占主要成分，槽電流的分布近似與漏抗成反比。槽底部分漏抗較大，該部分電流較小。愈接近于槽口漏抗愈小，該部分電流較大——集膚效應(yīng)。由于電流的分布不均勻，等效槽導(dǎo)體的有效面積減小——集膚效應(yīng)使槽導(dǎo)體電阻增加；14.4改善啟動性能的三相鼠籠異步電動機第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二b．正常運行時 在正常運行時，由于轉(zhuǎn)子電流的頻率很低，槽導(dǎo)體的漏抗比電阻小得多，槽中電流將依電阻而均勻分布，轉(zhuǎn)子電阻恢復(fù)到固有的直流電阻。 由于槽深而窄，轉(zhuǎn)子漏抗較普通鼠籠式轉(zhuǎn)子漏抗大——功率因數(shù)及過載能力有所降低。集膚效應(yīng)作用使槽漏磁通有所減少，轉(zhuǎn)子漏抗也有所減少，二者均促使起動轉(zhuǎn)矩增大，改善了起動特性。啟動瞬間，由于磁路飽和，轉(zhuǎn)子漏抗將明顯減小。第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二高起動轉(zhuǎn)矩的三相鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)子電阻值較大的鼠籠型異步電動機：普通澆注的鼠籠都采用鋁，有些鼠籠采用合金鋁（錳鋁或硅鋁），或者改變轉(zhuǎn)子槽型，減小導(dǎo)體截面積；普通焊接式的鼠籠采用紫銅，用些采用電阻率較高的黃銅，目的都是為了增加轉(zhuǎn)子電阻值。機械特性曲線1為普通鼠籠電機的；曲線2為高轉(zhuǎn)差率電機的；曲線3為起重冶金用電機的。第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二2.雙鼠籠式異步電動機（Double-squirrel-cagerotor）外籠Topbar：截面小，電阻大內(nèi)籠Bottombar：截面大，電阻小內(nèi)籠交鏈的漏磁通比外籠多，漏抗也大第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二a．起動時轉(zhuǎn)子電流的頻率f2=f1，轉(zhuǎn)子漏抗大于轉(zhuǎn)子電阻，電流分配決定于漏抗。內(nèi)層鼠籠有較大的漏抗，電流較小，功率因數(shù)較低，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也較小。外層鼠籠僅有非常小的漏抗，電流較大，且電阻較大，起動時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也較大。層鼠籠又稱起動鼠籠。第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二b.起動過程結(jié)束后轉(zhuǎn)子電流的頻率很小，內(nèi)層鼠籠的漏抗很小，兩個鼠籠轉(zhuǎn)子的電流分配決定于電阻。內(nèi)層鼠籠電阻較小，電流較大，運行時在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩方面起主要的作用，內(nèi)層鼠籠稱為運行鼠籠。第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二S=1n=0雙鼠籠機械特性與等效電路設(shè)內(nèi)層鼠籠的電阻和漏抗為r'in和x'in，

外層鼠籠的電阻為r'ou，兩層鼠籠共同漏抗為x'co第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二集膚效應(yīng)的其他槽形瓶形梯形凸形第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二14.5三相異步電動機的調(diào)速由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式可知，異步電動機有下列三種基本調(diào)速方法：（1）改變定子極對數(shù)調(diào)速。（2）改變電源頻率調(diào)速。（3）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。改變機械特性曲線形狀調(diào)速（即改變電壓、改變轉(zhuǎn)子電阻、串級調(diào)速）。(1)和(2)適合于鼠籠式異步電動機，(3)中后兩種用于繞線式異步電動機。第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二14.6三相異步電動機變極調(diào)速一、變極原理變極調(diào)速只用于籠型電動機。以4極變2極為例：U相兩個線圈，順向串聯(lián)，定子繞組產(chǎn)生4極磁場：反向串聯(lián)和反向并聯(lián)，定子繞組產(chǎn)生2極磁場：第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二變極原理第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、三種常用變極接線方式Y(jié)→反并YY，2p-pY→反串Y，2p-p?→YY，2p-p注意：

當(dāng)改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二三、變極調(diào)速時容許輸出

容許輸出時是指保持電流為額定值條件下，調(diào)速前、后電動機軸上輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。1.Y-YY聯(lián)結(jié)方式Y(jié)-YY后,極數(shù)減少一半,轉(zhuǎn)速增大一倍,即，保持每一繞組電流為,則輸出功率和轉(zhuǎn)矩為

可見，Y-YY聯(lián)結(jié)方式時，電動機的轉(zhuǎn)速增大一倍，容許輸出功率增大一倍，而容許輸出轉(zhuǎn)矩保持不變，所以這種變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，它適用于恒轉(zhuǎn)矩負載。第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二2.?-YY聯(lián)結(jié)方式?-YY后,極數(shù)減少一半,轉(zhuǎn)速增大一倍,即，保持每一繞組電流為,則輸出功率和轉(zhuǎn)矩為

可見，?-YY聯(lián)結(jié)方式時，電動機的轉(zhuǎn)速增大一倍，容許輸出功率近似不變，而容許輸出轉(zhuǎn)矩近似減少一半，所以這種變極調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，它適用于恒功率負載。同理可以分析，正串Y-反串Y聯(lián)結(jié)方式的變極調(diào)速屬恒功率調(diào)速。第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二四、變極調(diào)速時的機械特性1.Y-YY聯(lián)結(jié)方式2.△-YY聯(lián)結(jié)方式

變極調(diào)速時,轉(zhuǎn)速幾乎是成倍變化的,調(diào)速的平滑性較差,但具有較硬的機械特性,穩(wěn)定性好,可用于恒功率和恒轉(zhuǎn)矩負載.第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二變極電機切換時注意事項一般異步電動機在斷開電源后，轉(zhuǎn)子電流不會立即降為零，而是按一定的時間常數(shù)衰減。這個電流產(chǎn)生的磁通隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。如果轉(zhuǎn)子電流沒有衰減到零以前再次合上定子電源，則電源電壓和感應(yīng)電勢(殘留電壓)疊加可能產(chǎn)生比啟動電流還大的沖擊電流，影響電網(wǎng)和電機壽命。殘留電壓的衰減常數(shù)為Te=(Xm+X2s')/(2pfR2')≈Xm/(2pfR2')=Lm/R2'變極電機在極數(shù)切換時，應(yīng)該等到轉(zhuǎn)子電流充分衰減后再進行。應(yīng)該按照銘牌規(guī)定的接線方式接線，否則會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。變極后異步電動機轉(zhuǎn)速改變了，轉(zhuǎn)向也將改變，這是由于“相帶”改變的原因。第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二改變定子繞組極對數(shù)的方法，除了剛才介紹的單繞組變流法，獲得不同的極對數(shù)以外，還有定子采種放置兩套不同極對數(shù)繞組的方法，甚至這兩套繞組本身又可以采用變流法，從而可以得到更多的極對數(shù)。這樣出現(xiàn)了所謂的二速、三速甚至四速電機。

第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

另外，我們把變速比為的調(diào)速稱為倍極比調(diào)速；把變速比不是的，稱為非倍極比調(diào)速，例如是的這種調(diào)速方式。最后說明一點：單繞組多速異步電動機的轉(zhuǎn)子都是鼠籠型的，這時因為，鼠籠轉(zhuǎn)子能自動適應(yīng)定子的極對數(shù)，不必在采用其它措施。第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二14.7變頻調(diào)速一、電壓隨頻率調(diào)節(jié)的規(guī)律

當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時，電動機的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f1正比，連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。但是，

頻率改變將影響磁路的飽和程度、勵磁電流、功率因數(shù)、鐵損及過載能力的大小。為了保持變頻率前、后過載能力不變，要求下式成立：第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二求出最大轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二Tmax，Δnm與頻率無關(guān)，機械特性平行，硬度相同，類似于直流電動機的降壓調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

a.降低電源頻率時，Tmax不為常數(shù)。f1接近額定頻率時，X1s+X2s'＞＞R1，這時，Tmax變化不大。

b.當(dāng)f1較低時，X1s+X2s'較小，隨著f1的降低，Tmax變化較大。在低速時甚至拖不動負載。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、從基頻向上變頻調(diào)速—使用于恒功率負載

升高電源電壓時不允許的，在頻率上調(diào)時，只能保持電壓不變。頻率越大，磁通就越小，類似于直流電動機的弱磁增速。T=PM/Ω1=(m1pU12R2'/s)/{2π

f1[(R1+R2'/s)2+(X1s+X2s')2]}

=m1p2U1R2'/s/(2π

f1)/[(R1+R2'/s)2+(X1s+X2s')2]頻率較高時R1可以忽略，sm=R2'/sqrt[R12+(X1s+X2s')2]

≈R2'/(X1s+X2s')∝1/f1Tmax

≈(?)m1pU12/(2pf1)/{R1+sqrt[R12+(X1s+X2s')2}≈（1/2）m1p

U12/(2π

f1)/(X1s+X2s'）∝1/f12

最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差Δnm=smn1=C/f160f1/p=常數(shù)頻率越高時，Tmax越?。籹m也越小機械特性運行段近似平行。第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二1、恒轉(zhuǎn)矩變頻率調(diào)速此條件下變頻調(diào)速，電機的主磁通和過載能力不變。對恒轉(zhuǎn)矩負載2、恒功率變頻率調(diào)速此條件下變頻調(diào)速，電機的過載能力不變，但主磁通發(fā)生變化。對恒功率負載得第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二二、頻率調(diào)速時電動機的機械特性變頻調(diào)速時電動機的機械特性可用下列各式表示