《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》課件第5章

第5章三相異步電動機(jī)的電力拖動5.1三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式5.2三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性5.3三相異步電動機(jī)的啟動5.4三相異步電動機(jī)的制動5.5三相異步電動機(jī)的調(diào)速思考與練習(xí)題5.1三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

5.1.1電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

若把代入異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的基本公式

上式表明異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通Φ1成正比,與轉(zhuǎn)子電流的有功分量

成正比，其物理意義非常明確,所以該式稱為電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式。該表達(dá)式與直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式極為相似,常用它來定性分析三相異步電動機(jī)的運(yùn)行問題。式中：

CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù),CＴ=m1pN1kw1/。

（5-1）

例5.1

為何在農(nóng)村的“雙搶”期間,作為動力設(shè)備的三相異步電動機(jī)易燒毀?

解電動機(jī)的燒毀是指繞組過電流嚴(yán)重,繞組的絕緣因過熱損壞,造成繞組短路等故障。由于“雙搶”期間,水泵、打稻機(jī)等農(nóng)用機(jī)械用量大,用電量增加很多,電網(wǎng)電流增大,線路壓降增大,使電源電壓下降較多,這樣影響到農(nóng)用電動機(jī),使其主磁通大為下降,在同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下,由式(5-1)可知轉(zhuǎn)子電流大為增加,盡管主磁通下降,空載電流也會下降,但它下降的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及轉(zhuǎn)子電流增加的程度大,根據(jù)磁動勢平衡方程式,定子電流也將大為增加,長期超過額定值就會發(fā)生“燒機(jī)”現(xiàn)象。5.1.2電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式

由于電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式不能直接反映轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,而電力拖動系統(tǒng)卻常常需要用轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行分析,故推導(dǎo)參數(shù)表達(dá)式如下：因?yàn)楦鶕?jù)三相異步電動機(jī)的近似等效電路又可知

把以上兩式和

代入公式

中,可得(5-2)由于式（5-2）反映了三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與電動機(jī)相電壓U1、電源頻率f1、電動機(jī)的（r1、

、Ｘ1、、p及m1）以及轉(zhuǎn)差率s

之間的關(guān)系,因此稱為電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式。顯然當(dāng)U1、f1及電動機(jī)的各參數(shù)不變時,電磁轉(zhuǎn)矩T僅與轉(zhuǎn)差率s有關(guān),根據(jù)式（5-2）可繪出異步電動機(jī)的T-s

曲線,如圖5-1所示。圖5-1三相異步電動機(jī)的T-s

曲線

由圖5-1可知,在s值很小的區(qū)間,T∝s,該段稱為線性區(qū)；在s

值較大的區(qū)間,T∝1/s，該段稱為非線性區(qū)。因此T-s

曲線為一條二次曲線,在某一轉(zhuǎn)差率sm

時,轉(zhuǎn)矩有一最大值Tmax,稱為異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。令dT/ds=0可求得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩Tmax

時的臨界轉(zhuǎn)差率sm

為(5-3)

把式（5-3）代入式（5-2）可求得最大轉(zhuǎn)矩Tmax

為(5-4)而忽略得r1近似表達(dá)式。由式（5-3）及式（5-4）可知：

(1)當(dāng)電動機(jī)各參數(shù)與電源頻率不變時,Tmax與成正比,sm

則保持不變,與U1無關(guān)。

(2)當(dāng)電源頻率及電壓U1不變時,sm

和Tmax

近似地與成反比。

(3)當(dāng)電源頻率、電壓U1與電動機(jī)其他各參數(shù)不變時,sm與

成正比,Tmax

則與無關(guān)。由于此特點(diǎn),對繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻時,可使sm

增大,但Tmax不變。上兩式中,在電源頻率f1較低時,因而忽略

Tmax是異步電動機(jī)可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL>Tmax,電動機(jī)將因承擔(dān)不了而停轉(zhuǎn)。為保證電動機(jī)不會因短時過載而停轉(zhuǎn),要求其額定運(yùn)行時的電磁轉(zhuǎn)矩TN<Tmax

。我們把最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為過載倍數(shù)或過載能力,用表示,即

是異步電動機(jī)的一個重要性能指標(biāo),它反映了電動機(jī)短時過載的極限。一般異步電動機(jī)的過載倍數(shù)=1.8～3.0,對于起重冶金用的異步電動機(jī),其可達(dá)3.5。除了Tmax

外,異步電動機(jī)還有另一個重要參數(shù),即啟動轉(zhuǎn)矩Tst,它是異步電動機(jī)接至電源開始啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩,此時

,因此將s=1代入式（5-2）,可得(5-5)

由式（5-5）可知：

(1)當(dāng)電動機(jī)各參數(shù)與電源頻率不變時,Tst與成正比。

(2)當(dāng)電源頻率及電壓U1不變時,Tst隨的增大而減小。(3)當(dāng)電源頻率、電壓U1與電動機(jī)其他各參數(shù)不變時,Tst

隨的適當(dāng)增大而增大。利用此特點(diǎn),可在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路串一適當(dāng)電阻來增大啟動轉(zhuǎn)矩Tst,從而改善電動機(jī)的啟動性能。如果要利用在轉(zhuǎn)子電路串一適當(dāng)電阻Rst

而使啟動轉(zhuǎn)矩Tst

增大到最大轉(zhuǎn)矩Tmax,那么此時臨界轉(zhuǎn)差率sm

應(yīng)為1,

故

對籠型異步電動機(jī),其啟動轉(zhuǎn)矩不能用轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻的方法來改變,我們把它的啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),用Kst

表示,即

Kst

是籠型異步電動機(jī)的另一個重要性能指標(biāo),它反映了電動機(jī)的啟動能力,一般Y系列三相異步電動機(jī)的Kst

為1.8~2.0。顯然,當(dāng)Tst>TL時,電動機(jī)才能啟動。在額定負(fù)載下,只有Kst>1的籠型異步電動機(jī)才能啟動。5.1.3電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式

上述參數(shù)表達(dá)式,對于分析電磁轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)參數(shù)間的關(guān)系,進(jìn)行某些理論分析,是非常有用的。但是,由于在電動機(jī)的產(chǎn)品目錄中,定子及轉(zhuǎn)子的內(nèi)部參數(shù)是查不到的,往往只給出額定功率PN

、額定轉(zhuǎn)速nN及過載倍數(shù)等,所以用參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行定量計算很不方便,為此,導(dǎo)出了一個較為實(shí)用的表達(dá)式（推導(dǎo)從略）,即(5-6)上式中的Tmax

及sm可用下述方法求出：(5-7)忽略T0,將T≈TN,s=sN代入式（5-6）中,可得(5-8)

當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行在T-s曲線的線性段時,因?yàn)閟《s,所以s

/sm《

sm/s,從而忽略s/sm,式（5-6）就可簡化為

上式即為電磁轉(zhuǎn)矩的簡化實(shí)用表達(dá)式,又稱直線表達(dá)式,用起來更為簡單。但需注意,為了減小誤差,上式中sm的計算應(yīng)采用以下公式：(5-9)(5-10)

以上異步電動機(jī)的三種電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,應(yīng)用場合有所不同。一般物理表達(dá)式適用于定性分析T

與Φ1及之間的關(guān)系；參數(shù)表達(dá)式適用于定性分析電動機(jī)參數(shù)變化對其運(yùn)行性能的影響；實(shí)用表達(dá)式適用于工程計算。5.2三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性

上一節(jié)我們分析了T-s曲線,但在電力拖動系統(tǒng)中常用機(jī)械特性,即n=f(T)關(guān)系曲線來分析電力拖動問題,三相異步電動機(jī)的n=f(T)曲線可由T-s

曲線變換而來,如圖5-2所示。圖5-2三相異步電動機(jī)的n=f(T)曲線5.2.1固有機(jī)械特性

固有機(jī)械特性是指三相異步電動機(jī)工作在額定電壓及額定頻率下,電動機(jī)按規(guī)定的接線方式接線,定子及轉(zhuǎn)子電路中不外串電阻或電抗時所獲得的機(jī)械特性n=f(T),如圖5-3所示。異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性為硬特性,即電磁轉(zhuǎn)矩從零增大到最大轉(zhuǎn)矩時,轉(zhuǎn)速略微減小。圖5-3三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線1.幾個特殊運(yùn)行點(diǎn)

1）啟動點(diǎn)A

啟動點(diǎn)A

的特點(diǎn)是

,T=Tst,啟動電流Ist=(4～7)IN

。

2）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P

最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P

的特點(diǎn)是

,T=Tmax

。

3）額定工作點(diǎn)B

額定工作點(diǎn)B

的特點(diǎn)是

,T=TＮ

,I1=IN。

4）同步點(diǎn)H（理想空載點(diǎn)）同步點(diǎn)H的特點(diǎn)是n=n1,T=0,,I1=I0。

2.穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

從同步點(diǎn)到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)是“穩(wěn)定”運(yùn)行區(qū)域,從最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)到啟動點(diǎn)是“不穩(wěn)定”運(yùn)行區(qū)域,如圖5-4所示。其原因分析如下：圖5-4三相異步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

從同步點(diǎn)到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn),n=f(T)曲線是下斜的,由第2章已敘述過的電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件,不難判斷對常遇到的恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、通風(fēng)機(jī)型負(fù)載,在該段都可穩(wěn)定運(yùn)行,這是因?yàn)樵陔妱訖C(jī)下斜時的機(jī)械特性部分和這三種不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)處,均滿足(dT/dn)<(dTL/dn)。從最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)到啟動點(diǎn),n=f(T)曲線是上斜的,對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載,均因在電動機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)處有(dT/dn)>(dTL/dn),不滿足穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件,而不能在該段穩(wěn)定運(yùn)行；只是對通風(fēng)機(jī)型負(fù)載,在該段可以穩(wěn)定運(yùn)行。5.2.2人為機(jī)械特性由電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式可知,人為地改變異步電動機(jī)的任何一個或多個參數(shù)（U1,f1,p,定、轉(zhuǎn)子電路的電阻或電抗等）,都可以得到不同的機(jī)械特性,這些機(jī)械特性統(tǒng)稱為人為機(jī)械特性。下面介紹改變某些參數(shù)時的人為機(jī)械特性。1.降低定子端電壓時的人為機(jī)械特性如果異步電動機(jī)的其他條件都與固有特性時的一樣,僅降低定子端電壓時得到的人為機(jī)械特性,根據(jù)式（5-3）、式（5-4）及式（5-5）可知其特點(diǎn)如下

(1)因?yàn)閚1=60f1/p,所以降壓后,同步轉(zhuǎn)速n1不變,即不同U1的人為機(jī)械特性都通過固有機(jī)械特性的同步點(diǎn)。

(2)降壓后的最大轉(zhuǎn)矩Tmax

隨成比例下降,但臨界轉(zhuǎn)差率sm

或臨界轉(zhuǎn)速nm

不變。

(3)降壓后的啟動轉(zhuǎn)矩Tst

也隨成比例下降。

不同定子端電壓U1時的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律如圖5-5所示。降低定子端電壓后,對電動機(jī)的運(yùn)行有何影響呢？現(xiàn)分析如下：設(shè)電動機(jī)原來在額定情況下運(yùn)行于固有機(jī)械特性的a

點(diǎn),如圖5-5所示,此時定子電流為額定電流。若負(fù)載保持為額定值不變,端電壓下降為U′后,工作點(diǎn)則變?yōu)閎

點(diǎn),顯然這時轉(zhuǎn)速降低了,轉(zhuǎn)差率變大,使轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢變大,轉(zhuǎn)子電流變大,定子電流也隨著變大,將超過額定電流值,因此電動機(jī)不能在額定負(fù)載下連續(xù)長期運(yùn)行,否則,會影響電動機(jī)壽命甚至可能燒壞。從圖5-5中還可以看到：端電壓U1下降后,電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst

和過載倍數(shù)都顯著地下降了。如果電壓下降太多（電壓為U″）,使小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL,電動機(jī)將停轉(zhuǎn),這在實(shí)際應(yīng)用中必須注意。圖5-5降低定子端電壓的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律2．轉(zhuǎn)子電路串三相對稱電阻時的人為機(jī)械特性對于繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī),如果其他條件都與固有特性時的一樣,僅在轉(zhuǎn)子電路串三相對稱電阻時得到的人為機(jī)械特性,根據(jù)式（5-3）、式（5-4）及式（5-5）可知其特點(diǎn)如下：

(1)因?yàn)閚1=60f1/p,所以轉(zhuǎn)子串電阻后,同步轉(zhuǎn)速n1不變。

(2)轉(zhuǎn)子串電阻后的最大轉(zhuǎn)矩Tmax

不變,但臨界轉(zhuǎn)差率sm

隨Rp

的增大而增大（或臨界轉(zhuǎn)速nm

隨Rp的增大而減小)。(3)當(dāng)sm

增大,而sm＜1時,啟動轉(zhuǎn)矩Tst

隨Rp的增大而增大；當(dāng)sm=1時,啟動轉(zhuǎn)矩Tst

等于最大轉(zhuǎn)矩Tmax

；但當(dāng)sm＞1時,啟動轉(zhuǎn)矩Tst

隨Rp

的增大而減小。轉(zhuǎn)子電路串不同電阻Rp

時的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律如圖5-6所示。由圖5-6可知,繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻,可以改變轉(zhuǎn)速而應(yīng)用于調(diào)速,也可以改變啟動轉(zhuǎn)矩,從而應(yīng)用于改善異步電動機(jī)的啟動性能。圖5-6轉(zhuǎn)子電路串不同電阻Rp時的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律

3.定子電路串三相對稱電阻或電抗時的人為機(jī)械特對于籠型三相異步電動機(jī),如果其他條件都與固有特性時的一樣,僅在定子電路串三相對稱電阻或電抗時得到的人為機(jī)械特性,根據(jù)式（5-3）、式（5-4）及式（5-5）可知其特點(diǎn)如下：(1)因?yàn)閚1=60f１／p,所以定子電路串電阻或電抗后,同步轉(zhuǎn)速n1不變。

(2)串入電阻或電抗Xp

后的最大轉(zhuǎn)矩Tmax

及臨界轉(zhuǎn)差率sm

都隨Xp

的增大而減小。

(3)串入電阻或電抗Xp

后的啟動轉(zhuǎn)矩Tst

隨Xp

的增大而減小。定子電路串不同電阻或電抗時的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律如圖5-7所示。圖5-7定子電路串不同電阻或電抗時的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律

定子電路串對稱電阻或電抗,一般用于三相籠型異步電動機(jī)的降壓啟動,以限制電動機(jī)的啟動電流。此外,還有改變極對數(shù)p

以及改變電源頻率f1時的人為機(jī)械特性,這些將在本章第5.5節(jié)結(jié)合調(diào)速原理一起介紹。5.3三相異步電動機(jī)的啟動

在電動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械的啟動過程中,不同的生產(chǎn)機(jī)械有不同的啟動情況。有些生產(chǎn)機(jī)械在啟動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小,但負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加近似地與轉(zhuǎn)速平方成正比地增加,例如鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載；有些生產(chǎn)機(jī)械在啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行時的一樣大,例如電梯、起重機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)等；有些生產(chǎn)機(jī)械在啟動過程中接近空載,待轉(zhuǎn)速上升至接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,才加負(fù)載,例如機(jī)床、破碎機(jī)等；此外,還有頻繁啟動的機(jī)械設(shè)備等。以上這些因素都將對電動機(jī)的啟動性能提出不同的要求。

與直流電動機(jī)一樣,衡量三相異步電動機(jī)啟動性能好壞的主要指標(biāo)是啟動電流倍數(shù)Ist／IN

和啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst／TN

。一般情況下,電力拖動系統(tǒng)對電動機(jī)的啟動要求是：啟動電流盡可能小，而啟動轉(zhuǎn)矩足夠大,同時啟動設(shè)備盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、操作方便,且啟動時間短。5.3.1三相籠型異步電動機(jī)的啟動

三相籠型異步電動機(jī)可采用全壓啟動、減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。1.全壓啟動

全壓啟動,也叫直接啟動,即用刀開關(guān)或接觸器把電動機(jī)的定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。由于啟動時,,等效負(fù)載電阻,忽略勵磁支路電流可得啟動時的等效電路如圖5-8所示,啟動電流近似為(5-11)式中:

——電動機(jī)的額定相電壓。

由上式可知,全壓啟動時的啟動電流僅受電動機(jī)漏阻抗的限制。由于漏阻抗很小,因此啟動電流很大,一般可達(dá)額定電流的4～7倍。某些籠型異步電動機(jī)甚至可達(dá)到額定電流的8～12倍。圖5-8籠型異步電動機(jī)全壓啟動等效電路

對于經(jīng)常啟動的電動機(jī),過大的啟動電流將造成電動機(jī)發(fā)熱,影響電動機(jī)壽命；同時電動機(jī)繞組(特別是端部)在電磁力的作用下,會發(fā)生變形,可能造成繞組短路而燒壞電動機(jī)。過大的啟動電流還會使供電線路壓降增大,造成電網(wǎng)電壓顯著下降,而影響接在同一電網(wǎng)的其他電氣設(shè)備的正常工作,甚至使電動機(jī)停轉(zhuǎn)或無法帶負(fù)載啟動。這是因?yàn)門st

及Tmax

均與定子端電壓U1的平方成正比,電網(wǎng)電壓的顯著下降,可使Tst

及Tmax

均下降到低于TL（見本章5.2節(jié)的分析）。

一般規(guī)定,異步電動機(jī)的額定功率小于7.5kW時允許全壓啟動；如果功率大于7.5Kw,而電源總?cè)萘枯^大,則符合下式要求者,電動機(jī)也允許全壓啟動。≤(5-12)

如果不能滿足上式的要求,則必須采用減壓啟動的方法,通過減壓,把啟動電流限制到允許的范圍內(nèi)。2.減壓啟動

減壓啟動是通過降低直接加在電動機(jī)定子繞組的端電壓來減小啟動電流的。由于啟動轉(zhuǎn)矩Tst與定子端電壓U1的平方成正比,因此減壓啟動時,啟動轉(zhuǎn)矩將大大減小。所以減壓啟動只適用于對啟動轉(zhuǎn)矩要求不高的設(shè)備,如離心泵、通風(fēng)機(jī)械等。常用的減壓啟動方法有以下幾種：1)定子串電阻或電抗減壓啟動定子串電阻或電抗減壓啟動是利用電阻或電抗的分壓作用降低加到電動機(jī)定子繞組的電壓，其接線圖如圖5–9(a)所示。啟動時把換接開關(guān)Q2

投向“啟動”的位置,此時定子電路串入啟動電阻或電抗,然后閉合主開關(guān)Q1,電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn),待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,把開關(guān)Q2投向“運(yùn)行”的位置,使電源電壓直接加到定子繞組上。

定子串電阻啟動的等效電路如圖5–9(b)所示。設(shè)電動機(jī)全壓啟動時的相電壓為,啟動電流為Ist,而定子串電阻后的相電壓,啟動電流為,則(k﹥1)(5-13)減壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩與全壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩Tst

之比為(5-14)

可見,調(diào)節(jié)啟動電阻或電抗的大小,可以得到電網(wǎng)所允許通過的啟動電流。圖5-9定子串電阻或電抗減壓啟動

(a)原理線路圖；(b)等效電路

定子串電阻或電抗減壓啟動的優(yōu)點(diǎn)是：啟動較平穩(wěn),運(yùn)行可靠,設(shè)備簡單。缺點(diǎn)是：定子串電阻啟動時電能損耗較大；啟動轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動。電阻減壓啟動一般用于低壓電動機(jī),電抗減壓啟動通常用于高壓電動機(jī)。電阻減壓及電抗減壓啟動有手動及自動等多種控制線路,但由于啟動時電能損耗較多,因此實(shí)際應(yīng)用不多。2)自耦變壓器減壓啟動自耦變壓器用作電動機(jī)減壓啟動時,稱為自耦補(bǔ)償啟動器。自耦變壓器減壓啟動是利用自耦變壓器降低加到電動機(jī)定子繞組的電壓,其原理接線圖如圖5-10(a)所示。啟動時,把開關(guān)Q投向“啟動”位置,這時自耦變壓器的高壓側(cè)接至電網(wǎng)加額定電壓,低壓側(cè)(有三個抽頭，按需要選擇)接電動機(jī)定子繞組。待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,把開關(guān)Q投向“運(yùn)行”位置，切除自耦變壓器,使電動機(jī)直接接至額定電壓的電網(wǎng)運(yùn)行。

圖5-10自耦變壓器減壓啟動

(a)原理線路圖；(b)等效電路

自耦變壓器減壓啟動的等效電路如圖5–10(b)所示,設(shè)串自耦變壓器后加在電動機(jī)定子繞組上的相電壓,電動機(jī)的啟動電流即自耦變壓器的二次側(cè)電流為,電網(wǎng)供給電動機(jī)的啟動電流即自耦變壓器的一次側(cè)電流為,則(k﹥1)以上兩式相乘得(5-15)減壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩與全壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩之比為(5-16)

自耦變壓器減壓啟動的優(yōu)點(diǎn)是：電網(wǎng)限制的啟動電流相同時,用自耦變壓器減壓啟動將比用其他減壓啟動方法獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩；啟動用自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭（二次側(cè)電壓分別為80%、60%、40%的電源電壓）,用戶可根據(jù)電網(wǎng)允許的啟動電流和機(jī)械負(fù)載所需的啟動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選配。缺點(diǎn)是：自耦變壓器體積大、質(zhì)量大、價格高、需維護(hù)檢修；啟動轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動。自耦變壓器減壓啟動適用于容量較大的低壓電動機(jī)作減壓啟動用,有手動及自動控制線路,應(yīng)用很廣泛。3)Y/△減壓啟動對于正常運(yùn)行時定子繞組為△形連接的電動機(jī),啟動時定子繞組改接成Y形連接,這時加在每相定子繞組上的電壓為全壓啟動時的,可以實(shí)現(xiàn)減壓啟動,其接線圖如圖5-11所示。啟動時,將開關(guān)Q2投向“Y”位置,使定子繞組連接成星形，電動機(jī)減壓啟動；待電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時,再將開關(guān)Q2投向“△”位置,使定子繞組連接成三角形,啟動過程結(jié)束,電動機(jī)便在額定電壓下正常運(yùn)行。圖5-11Y/△減壓啟動接線圖圖5-12Y形連接啟動和△形連接啟動原理圖

(a)△形連接全壓啟動；(b)Y形連接減壓啟動

三相籠型異步電動機(jī)分別采用Y形連接啟動和△形連接啟動的原理,如圖5-12所示,由該原理圖可知(5-17)(5-18)Y形連接減壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩與△形連接全壓啟動的啟動轉(zhuǎn)矩之比為(5-19)Y/△減壓啟動的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡單,成本低,運(yùn)行可靠,體積小,重量輕,且檢修方便,可謂物美價廉,所以Y系列容量等級在4kW以上的小型三相籠型異步電動機(jī)都設(shè)計成△形連接,以便采用Y/△啟動。其缺點(diǎn)是：只適用于正常運(yùn)行時定子繞組為△形連接的電動機(jī),并且只有一種固定的降壓比；啟動轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動。從以上分析可知,不論采用哪一種減壓啟動方法使啟動電流減小至電網(wǎng)允許的范圍內(nèi),都將使電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩受到損失,即啟動轉(zhuǎn)矩隨定子繞組相電壓的平方成比例減小。但不同的減壓啟動方法又有各自的特點(diǎn)。3．軟啟動

前面介紹的幾種減壓啟動方法都屬于有級啟動,啟動的平滑性不高。應(yīng)用軟啟動器可以實(shí)現(xiàn)籠型異步電動機(jī)的無級平滑啟動,這種啟動方法稱為軟啟動。軟啟動器可分為磁控式與電子式兩種。磁控式軟啟動器由一些磁性自動化元件(如磁放大器、飽和電抗器等)組成,由于它們的體積大、較笨重、故障率高,現(xiàn)已被先進(jìn)的電子軟啟動器取代。下面簡單介紹電子軟啟動器的四種啟動方法：

(1)限流或恒流啟動方法。用電子軟啟動器實(shí)現(xiàn)啟動時限制電動機(jī)啟動電流或保持恒定的啟動電流,主要用于輕載軟啟動。(2)斜坡電壓啟動法。用電子軟啟動實(shí)現(xiàn)電動機(jī)啟動時定子電壓由小到大斜坡線性上升,主要用于重載軟啟動。

(3)轉(zhuǎn)矩控制啟動法。用電子軟啟動實(shí)現(xiàn)電動機(jī)啟動時啟動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升,啟動的平滑性好,能夠降低啟動時對電網(wǎng)的沖擊,是較好的重載軟啟動方法。

(4)電壓控制啟動法。用電子軟啟動器控制電壓以保證電動機(jī)啟動時產(chǎn)生較大的啟動轉(zhuǎn)矩,是較好的輕載軟啟動方法。

目前,一些生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出各種類型的電子軟啟動裝置,供不同類型的用戶選用?；\型異步電動機(jī)的減壓啟動方法歷經(jīng)星形—三角形啟動器以及自耦補(bǔ)償啟動器,發(fā)展到磁控式軟啟動器,目前又發(fā)展到先進(jìn)的電子軟啟動器。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)籠型異步電動機(jī)不能采用全壓啟動方法時,應(yīng)首先考慮選用電子軟啟動方法。電子軟啟動方法也為進(jìn)一步的智能控制打下了良好的基礎(chǔ)。4.改善啟動性能的三相籠型異步電動機(jī)

前面已指出,籠型異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)顯著,但啟動轉(zhuǎn)矩較小、啟動電流較大。為了改善這種電動機(jī)的啟動性能,可以從轉(zhuǎn)子槽形著手,設(shè)法利用“集膚效應(yīng)”,使啟動時轉(zhuǎn)子電阻增大,以增大啟動轉(zhuǎn)矩并減小啟動電流,在正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)子電阻又能自動減小。深槽式與雙籠型異步電動機(jī)可滿足這種要求。1)深槽式異步電動機(jī)深槽式異步電動機(jī)的槽形深而窄,通常槽深與槽寬之比為10~12,如圖5–13(a)所示。設(shè)沿槽深方向轉(zhuǎn)子導(dǎo)條由許多根小導(dǎo)條并聯(lián)組成,由圖5-13(a)所示的槽漏磁通分布情況可知,越靠近槽底部分的小導(dǎo)條交鏈的漏磁通越多,其漏電抗也越大。圖5-13深槽式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子槽形及集膚效轉(zhuǎn)子槽及漏磁通；(b)電流密度分布；（c）導(dǎo)條有效截面

啟動時,轉(zhuǎn)子電流頻率f2=f1,這相對于正常運(yùn)行時f2=1～3Hz是較高的,轉(zhuǎn)子槽中各并聯(lián)小導(dǎo)條的漏電抗相對電阻也較大,其電流密度主要決定于漏電抗的大小,由于越靠近槽底的導(dǎo)條,其漏電抗越大,因此從槽口到槽底方向,各導(dǎo)條中的電流密度逐漸減小,如圖5-13(b)所示,這時轉(zhuǎn)子電流大部分集中到槽口部分的導(dǎo)條中,這種現(xiàn)象稱為電流的“集膚效應(yīng)”。由于這一效應(yīng),靠近槽底部分的導(dǎo)條中幾乎沒有電流流過,相當(dāng)于整個轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的有效截面減小了,如圖5–13(c)所示,從而使轉(zhuǎn)子電阻增大,因此就可增大啟動轉(zhuǎn)矩,限制啟動電流。

隨著轉(zhuǎn)速的升高,轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸降低,各并聯(lián)導(dǎo)條的漏電抗也逐漸減小,“集膚效應(yīng)”逐漸減弱。啟動結(jié)束時,各并聯(lián)導(dǎo)條的漏電抗相對電阻很小,其電流密度主要決定于其電阻的大小,使轉(zhuǎn)子電流均勻地分布在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的整個截面上,轉(zhuǎn)子電阻恢復(fù)到較小的直流電阻。2)雙籠型異步電動機(jī)雙籠型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子具有兩套籠型繞組,兩籠間由狹長的縫隙隔開,如圖5-14(a)所示。其上籠導(dǎo)條截面較小,且由電阻率較大的黃銅或鋁青銅制成,因而電阻較大,但上籠交鏈的漏磁通少,漏抗?。黄湎禄\導(dǎo)條截面較大,且由電阻率較小的紫銅制成,因而電阻較小,但下籠交鏈的漏磁通多,漏抗大。

圖5-14雙籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子槽形及機(jī)械性(a)轉(zhuǎn)子槽及漏磁通；(b)機(jī)械特性

啟動時,轉(zhuǎn)子電流頻率較高,兩籠的漏電抗都較大,轉(zhuǎn)子電流主要決定于漏電抗的大小；由于下籠電抗大,上籠電抗小,因此轉(zhuǎn)子電流大部分流過上籠,“集膚效應(yīng)”顯著,使上籠起主要作用,故上籠也稱為啟動籠。由于上籠電阻大,因此可以增大啟動轉(zhuǎn)矩,減小啟動電流。啟動結(jié)束后,轉(zhuǎn)子電流頻率很低,兩籠的漏電抗都很小,轉(zhuǎn)子電流主要決定于轉(zhuǎn)子電阻的大小；由于下籠電阻小,上籠電阻大,因此轉(zhuǎn)子電流大部分流過下籠,使下籠在正常運(yùn)行時起主要作用,故下籠也稱為運(yùn)行籠。雙籠型異步電動機(jī)的機(jī)械特性是上、下籠機(jī)械特性的合成,如圖5–14(b)所示。5.3.2三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的啟動

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子三相繞組一般都接成Y形,三根引出線通過三個集電環(huán)和電刷引到定子出線盒上,通?？稍谕獠看攵探拥娜鄬ΨQ電阻或頻敏變阻器來改善啟動性能。因此對于大、中型異步電動機(jī)需要重載啟動時,可優(yōu)先選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。1．轉(zhuǎn)子串電阻啟動當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入合適的三相對稱啟動電阻Rst

時,就能使啟動電流減小到規(guī)定的范圍內(nèi),而且由圖5-6可知,轉(zhuǎn)子電路串電阻Rst

后,在一定范圍內(nèi),啟動轉(zhuǎn)矩Tst

隨Rst

的增大而增大；當(dāng)Rst

增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm=1時,Tst=Tmax

；當(dāng)Rst

增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm>1時,Tst<Tmax

。

在實(shí)際應(yīng)用中,為了縮短啟動時間,增大整個啟動過程中的加速轉(zhuǎn)矩,并使啟動過程較為平滑,與直流電動機(jī)一樣,通常把轉(zhuǎn)子電路所串的電阻Rst

逐級切除,最后使電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于固有機(jī)械特性上,而且在剛開始啟動時讓啟動電阻Rst

足夠大,以使臨界轉(zhuǎn)差率sm>1,Tst<Tmax,這樣可以減小啟動時拖動系統(tǒng)的機(jī)械沖擊,如圖5–15(a)所示為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻三級啟動原理接線圖。啟動時,三個接觸器觸頭KM1、KM2、KM3都斷開,電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路總電阻為

R3=Rst1+Rst2+Rst3+r2,與此相對應(yīng),電動機(jī)轉(zhuǎn)速處于人為機(jī)械特性曲線Aa

的a點(diǎn),如圖5–15(b)所示;電動機(jī)轉(zhuǎn)速沿曲線Aa上升,Tst下降,到達(dá)b

點(diǎn)時,使接觸器KM1閉合,將三相電阻Rst1切除,電動機(jī)被切換到人為機(jī)械特性曲線Ac的c

點(diǎn);轉(zhuǎn)速又沿曲線Ac

上升,這樣,電阻被逐段切除,使電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩始終在Tst1

和Tst2

之間變動,直到最后電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于固有機(jī)械特性曲線Ag的h點(diǎn)。此時操作啟動器手柄,將電刷提起,同時將三只集電環(huán)自行短接,以減小運(yùn)行中對的電刷的磨損及摩擦損耗。為了保證啟動過程平穩(wěn)快速,一般選取Tst1=(1.5～2)TN,Tst2=(1.1～1.2)TN。圖5-15異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動原理圖和啟動機(jī)械特性(a)串電阻三級啟動原理圖；(b)串電阻啟動機(jī)械特性2.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動

轉(zhuǎn)子電路串電阻啟動比較復(fù)雜,不但要逐段切除電阻,而且在每切除一段電阻的瞬間,啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩會突然增大,造成電氣和機(jī)械沖擊。為了克服這個缺點(diǎn),可采用轉(zhuǎn)子電路串頻敏變阻器啟動。

頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)如圖5–16(a)所示,它實(shí)際上是一個三相鐵心線圈,其鐵心由若干片較厚的鋼板或鐵板疊壓而成,三個鐵心柱上繞著連接成星形的三個繞組。當(dāng)繞組內(nèi)通過交流電流時,鐵心內(nèi)產(chǎn)生比普通變壓器大得多的鐵心損耗,且鐵心損耗與頻率的平方成正比,每相鐵心繞組的等效電路如圖5–16(b)所示。其中rp是頻敏變阻器每相繞組本身的電阻,其值較小；Rmp

是反映頻敏變阻器鐵心損耗的等效電阻,Xmp

是頻敏變阻器的每相電抗。圖5-16繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動原理圖和等效電路(a)頻敏變阻器結(jié)構(gòu)；(b)頻敏變阻器等效電路

轉(zhuǎn)子電路串入頻敏變阻器后,啟動時,s=1,f2=f1最高,頻敏變阻器內(nèi)鐵心損耗很大,對應(yīng)的等效電阻Rmp

也很大,但由于啟動時轉(zhuǎn)子電流很大,使頻敏變阻器的鐵心過于飽和,Xmp并不大,此時相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子電路串入一個較大的啟動電阻Rmp,從而使啟動電流減小,啟動轉(zhuǎn)矩增大,獲得較好的啟動性能。隨著轉(zhuǎn)速的升高,s減小,f2降低,使Rmp

隨頻率的平方成正比地減小,同時Xmp

也隨頻率成正比地減小,相當(dāng)于隨轉(zhuǎn)速的升高自動且連續(xù)地減小啟動電阻,當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定值時,s很小,f2

極低,所以Rmp

及Xmp

都很小,相當(dāng)于將啟動電阻全部切除,此時應(yīng)將電刷提起,同時將三只集電環(huán)短接,使電動機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上,啟動過程結(jié)束。

由以上分析可知,轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動不但具有減小啟動電流、增大啟動轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn),而且具有等效啟動電阻隨轉(zhuǎn)速升高自動且連續(xù)減小的優(yōu)點(diǎn),所以其啟動的平滑性優(yōu)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動。此外,頻敏變阻器還具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動已被大量推廣與應(yīng)用。5.4三相異步電動機(jī)的制動

與直流電動機(jī)相同,三相異步電動機(jī)既可工作于電動狀態(tài),也可工作于制動狀態(tài)。電動狀態(tài)的特點(diǎn)是：電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n

方向相同,機(jī)械特性位于第一、三象限,如圖5–17所示,而且電動機(jī)從電網(wǎng)吸取電能,并把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。制動狀態(tài)的特點(diǎn)是：電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n

方向相反,機(jī)械特性必然位于第二、四象限。圖5-17電動狀態(tài)的異步電動機(jī)(a)電動狀態(tài)接線原理圖；(b)電動狀態(tài)的機(jī)械特性5.4.1能耗制動

實(shí)現(xiàn)能耗制動的方法是將定子繞組從三相交流電源斷開,然后立即加上直流勵磁電源,同時在轉(zhuǎn)子電路串入制動電阻。

如圖5–18(a)所示,將KM1閉合,而KM2保持?jǐn)嚅_時,電動機(jī)處于正向電動穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),設(shè)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n

逆時針旋轉(zhuǎn),此時電磁轉(zhuǎn)矩T與n

同向,負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與n

反向。能耗制動時,將KM1斷開,而KM2閉合,使定子繞組脫離三相交流電源而接到直流電源上,通入直流電流If,流過定子繞組的直流電流在空間則產(chǎn)生一個靜止的磁場,而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)按原方向在靜止的磁場中轉(zhuǎn)動,因而切割磁感應(yīng)線在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和方向相同的感應(yīng)電流（方向由右手定則判斷）,該電流再與靜止的磁場相互作用,從而產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩（方向由左手定則判斷）,如圖5–18(b)所示,此時電磁轉(zhuǎn)矩T

與n

反向,電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ起制動作用。如果電動機(jī)拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,則在電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的制動作用下,電動機(jī)減速運(yùn)行,直到轉(zhuǎn)速n=0時,轉(zhuǎn)子不切割磁感應(yīng)線,感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流都等于零,制動的電磁轉(zhuǎn)矩T=0,制動過程結(jié)束。在上述制動過程中,電力拖動系統(tǒng)原來儲存的機(jī)械能（即動能）被電動機(jī)轉(zhuǎn)換為電能消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上,因此稱為能耗制動過程。

圖5-18三相異步電動機(jī)的能耗制動(a)原理接線圖；(b)制動原理圖

處于能耗制動狀態(tài)的異步電動機(jī)實(shí)質(zhì)上變成了一臺交流發(fā)電機(jī),其輸入是電動機(jī)所儲存的機(jī)械能,其負(fù)載是轉(zhuǎn)子電路中的電阻,因此能耗制動狀態(tài)時的機(jī)械特性與發(fā)電機(jī)狀態(tài)時的機(jī)械特性一樣,處于第二象限（由圖5–2知）,而且由于制動到n=0時,T=0,因此能耗制動時的機(jī)械特性是一條經(jīng)過原點(diǎn)且形狀與發(fā)電機(jī)狀態(tài)機(jī)械特性相似的曲線,如圖5–19所示（具體推導(dǎo)過程見有關(guān)參考書）。其中曲線1為轉(zhuǎn)子不串電阻時的固有機(jī)械特性；曲線2為增大勵磁電流If而轉(zhuǎn)子不串電阻時的機(jī)械特性,此時最大制動轉(zhuǎn)矩增大,但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速不變；曲線3為勵磁電流

If

不變而轉(zhuǎn)子串電阻時的機(jī)械特性，此時最大制動轉(zhuǎn)矩不變,但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速增大。設(shè)制動前,電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行于固有機(jī)械特性曲線的a點(diǎn),能耗制動瞬間,系統(tǒng)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)水平跳變到曲線1或曲線2或曲線3上,然后在T

和TL的制動作用下,很快減速到n=0。圖5-19三相異步電動機(jī)的能耗制動機(jī)械特性

顯然,如果勵磁電流If較小且轉(zhuǎn)子電路不串制動電阻Rbk,則制動瞬間的制動轉(zhuǎn)矩較小而制動電流過大(曲線1的b

點(diǎn)),不能滿足系統(tǒng)的要求。因此對于籠型異步電動機(jī),為了增大制動瞬間的制動轉(zhuǎn)矩,就必須增大勵磁電流If

；而對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī),則采用轉(zhuǎn)子電路串電阻的方法來增大制動轉(zhuǎn)矩。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)采用能耗制動實(shí)現(xiàn)快速停車時,根據(jù)最大制動轉(zhuǎn)矩為（1.25~2.2）TN的要求,計算勵磁電流If和轉(zhuǎn)子電路所串的制動電阻Rbk

的公式如下：（2～3）(5-20)式中,I0為異步電動機(jī)的空載電流,一般取I0=(0.2～0.5)I1N,I1N

為定子額定電流。（0.2～0.4）（5-21）式中：E2N——轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的額定線電動勢；

I2N——轉(zhuǎn)子額定電流；

r2——轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻,。由以上分析可知,三相異步電動機(jī)的能耗制動具有以下特點(diǎn)：

(1)能夠使反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載準(zhǔn)確停車。

(2)制動平穩(wěn),但制動至轉(zhuǎn)速較低時,制動轉(zhuǎn)矩也較小,制動效果不理想。

(3)由于制動時電動機(jī)不從電網(wǎng)吸取交流電能,只吸取少量的直流電能,因此制動比較經(jīng)濟(jì)。5.4.2反接制動

1．電源反接制動

實(shí)現(xiàn)電源反接制動的方法是將三相異步電動機(jī)任意兩相定子繞組的電源進(jìn)線對調(diào),同時在轉(zhuǎn)子電路串入制動電阻。這種制動類似于他勵直流電動機(jī)的電壓反接制動。

如圖5-20(a)所示,反接制動前,電動機(jī)處于正向電動狀態(tài),以轉(zhuǎn)速n

逆時針旋轉(zhuǎn)。電源反接制動時,把定子繞組的兩相電源進(jìn)線對調(diào),同時在轉(zhuǎn)子電路串入制動電阻Rbk,由于電源反接后,旋轉(zhuǎn)磁場方向改變,但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向由于機(jī)械慣性來不及變化,因此轉(zhuǎn)子繞組切割磁場的方向改變,轉(zhuǎn)子電動勢E2s

改變方向,轉(zhuǎn)子電流I2和電磁轉(zhuǎn)矩T

也隨之改變方向,使T

與n

反向,T成為制動轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)便進(jìn)入反接制動狀態(tài)。

如圖5-20(b)所示,設(shè)反接制動前,電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行于固有機(jī)械特性曲線1的a

點(diǎn)。電源反接后,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向改變,轉(zhuǎn)速變?yōu)?n1,機(jī)械特性曲線應(yīng)該過（0,－n1）點(diǎn),其中曲線2是轉(zhuǎn)子電路不串電阻時的機(jī)械特性,曲線3是轉(zhuǎn)子電路串入電阻Rbk

時的機(jī)械特性。電源反接瞬間,系統(tǒng)的工作點(diǎn)從a

點(diǎn)水平跳變到曲線2的b

點(diǎn)或曲線3的b′點(diǎn),進(jìn)入反接制動狀態(tài),在制動的電磁轉(zhuǎn)矩T

和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

的共同作用下,轉(zhuǎn)速很快下降,到n=0時,制動過程結(jié)束。對于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,若要停車,制動到n=0時應(yīng)快速切斷電源,否則電動機(jī)可能會反向啟動?？梢娚鲜鲞^程是一個電源反接制動過程,機(jī)械特性位于第二象限,實(shí)際上就是反向電動狀態(tài)的機(jī)械特性在第二象限的延長部分。

圖5-20三相異步電動機(jī)的電源反接制動

(a)制動原理圖；(b)制動時的機(jī)械特性

電源反接制動時,電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為＞1

顯然,轉(zhuǎn)子電路不串電阻時,制動瞬間（b點(diǎn)）的制動轉(zhuǎn)矩較小而制動電流過大,制動效果不佳。若轉(zhuǎn)子電路串入電阻Rbk,則可使制動瞬間（b′點(diǎn)）的制動轉(zhuǎn)矩增大，同時也可減小制動電流。

當(dāng)電動機(jī)工作在機(jī)械特性的線性段時,根據(jù)式（5-9）及式（5-3）可知制動電阻Rbk

的近似計算可采用以下關(guān)系式：

由上式可推得求制動電阻的公式,即(5-22)式中：sg——固有機(jī)械特性線性段上對應(yīng)任意給定轉(zhuǎn)矩T的轉(zhuǎn)差率,sg=sN(T/TN)；

s——轉(zhuǎn)子串電阻Rbk

的人為機(jī)械特性線性段上與sg

對應(yīng)相同轉(zhuǎn)矩T的轉(zhuǎn)差率。由以上分析可知,三相異步電動機(jī)的電源反接制動具有以下特點(diǎn)：

(1)制動轉(zhuǎn)矩即使在轉(zhuǎn)速降至很低時,仍較大,因此制動強(qiáng)烈而迅速。

(2)能夠使反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn),若要停車,需在制動到轉(zhuǎn)速為零時立即切斷電源。(3)由于電源反接制動時s>1,從電源輸入的電功率

,從電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2≈Pm=TΩ<0。這說明制動時,電動機(jī)既要從電網(wǎng)吸取電能,又要從軸上吸取機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能,這些電能全部消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上,因此制動時能耗大、經(jīng)濟(jì)性差。

2．倒拉反接制動實(shí)現(xiàn)倒拉反接制動的方法是在轉(zhuǎn)子電路串一足夠大的電阻。這種制動類似于直流電動機(jī)的倒拉反接制動。圖5-21三相異步電動機(jī)倒拉反接制動的機(jī)械特性

如圖5-21所示,設(shè)電動機(jī)原來拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（重物）,處于正向電動狀態(tài),穩(wěn)定運(yùn)行于固有機(jī)械特性曲線1的a

點(diǎn)。如果在其轉(zhuǎn)子電路串入足夠大的電阻Rbk,使臨界轉(zhuǎn)差率sm>>1，以致于對應(yīng)的人為機(jī)械特性曲線2與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)落在第四象限。在串電阻的瞬間,由于機(jī)械慣性,電動機(jī)的工作點(diǎn)從a

點(diǎn)水平跳變到人為機(jī)械特性的b

點(diǎn),此時因?yàn)檗D(zhuǎn)子串入較大的電阻,使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流減小,電磁轉(zhuǎn)矩T

減小,T<TL,使電動機(jī)從b點(diǎn)開始沿著人為機(jī)械特性減速運(yùn)行,到達(dá)c

點(diǎn)時,轉(zhuǎn)速降為零,但此時仍然有T<TL,因此位能性負(fù)載（重物）便迫使電動機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn),電動機(jī)開始進(jìn)入倒拉反接制動狀態(tài)。在重物的作用下,電動機(jī)反向加速,電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大,直到d

點(diǎn),T=TL

時為止,電動機(jī)處于穩(wěn)定的倒拉反接制動運(yùn)行狀態(tài),電動機(jī)以較低的速度勻速下放重物。

倒拉反接制動時的轉(zhuǎn)差率為

這一點(diǎn)與電源反接制動一樣,所以s>1是反接制動的共同特點(diǎn)。當(dāng)電動機(jī)工作在機(jī)械特性的線性段時,制動電阻Rbk

的近似計算仍然采用式（5-22）。由以上分析可知,倒拉反接制動具有以下特點(diǎn)：

(1)能夠低速下放重物,安全性好。

(2)由于制動時s>1,因此與電源反接制動一樣,P1>0,P2<0。這說明制動時,電動機(jī)既要從電網(wǎng)吸取電能,又要從軸上吸取機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能,這些電能全部消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上,因此制動時能耗大、經(jīng)濟(jì)性差。5.4.3回饋制動

處于電動運(yùn)行狀態(tài)的三相異步電動機(jī),由于某種原因使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速,即|n|>n1

時,電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)⑴c電動運(yùn)行狀態(tài)時相反,因此轉(zhuǎn)子電動勢E2s

、轉(zhuǎn)子電流I2和電磁轉(zhuǎn)矩T的方向也與電動狀態(tài)時相反,即T與n

反向,T成為制動轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)便處于制動狀態(tài),此時電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為（正向運(yùn)轉(zhuǎn)，n＞0)

由于制動時s<0,T

與n

反向,從電源輸入的電功率

,從電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2≈Pm=TΩ<0。這說明制動時,電動機(jī)從軸上吸取機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能,然后再把這些電能回饋給電網(wǎng),相當(dāng)于一臺發(fā)電機(jī),因此當(dāng)|n|>n1時,電動機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。但應(yīng)注意回饋制動時,電動機(jī)不從電網(wǎng)吸取有功功率,但仍從電網(wǎng)吸取無功功率,用以建立旋轉(zhuǎn)磁場。＜0圖5-22三相異步電動機(jī)回饋制動機(jī)械特性

回饋制動時,電動機(jī)的機(jī)械特性是正向電動狀態(tài)的機(jī)械特性在第二象限的延長部分和反向電動狀態(tài)的機(jī)械特性在第四象限的延長部分,如圖5–22所示?；仞佒苿映０l(fā)生在以下幾種情況中：電車下坡時被加速到超過同步轉(zhuǎn)速的過程或狀態(tài),如圖5-22中所示從h點(diǎn)到b

點(diǎn)的加速過程或b

點(diǎn)；變極或變頻調(diào)速時的降速過程,如圖5-22中所示從a

點(diǎn)平移到e

點(diǎn)后開始的e點(diǎn)到f

點(diǎn)之間的降速過程；電動機(jī)下放重物時采用電源反接,使電動機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的過程或狀態(tài),如圖5-22中所示從c

點(diǎn)到d

點(diǎn)的加速過程或d

點(diǎn)。電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串入電阻越大,回饋制動的穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速越高,如圖5-22中所示虛線的d′點(diǎn),所以回饋制動時,轉(zhuǎn)子電路不宜串入較大的電阻。

由以上分析可知,回饋制動具有以下特點(diǎn)：

(1)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速,即|n|>n1。

(2)只能高速下放重物,安全性差。

(3)制動時電動機(jī)不從電網(wǎng)吸取有功功率,反而向電網(wǎng)回饋有功功率,制動很經(jīng)濟(jì)。綜上所述,三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所對應(yīng)的機(jī)械特性畫在一起,如圖5-23所示。其中圖(a)為各種制動狀態(tài)的過渡過程,圖(b)為各種制動的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖5-23三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)械特性

(a)制動的過渡過程；(b)制動的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)5.5三相異步電動機(jī)的調(diào)速

從第2章的分析中已經(jīng)知道直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能,特別是在調(diào)速要求高和快速可逆的電力拖動系統(tǒng)中,大都采用直流調(diào)速方案。但是直流電動機(jī)價格高,維護(hù)檢修復(fù)雜,且不宜在易爆場合使用,而交流電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn),而且隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展,交流電動機(jī)的調(diào)速技術(shù)日趨完善,因此交流調(diào)速大有取代直流調(diào)速的趨勢。

根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知異步電動機(jī)的調(diào)速方法有以下三種：

(1)變極調(diào)速:通過改變定子繞組的極對數(shù)p來改變同步轉(zhuǎn)速n1,以進(jìn)行調(diào)速。

(2)變頻調(diào)速:通過改變電源頻率f1來改變同步轉(zhuǎn)速n1,以進(jìn)行調(diào)速。

(3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速:保持同步轉(zhuǎn)速n1不變,改變轉(zhuǎn)差率s

進(jìn)行調(diào)速,包括改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電路串電阻、轉(zhuǎn)子電路串電動勢(即串級調(diào)速)以及電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。下面分別介紹各種調(diào)速方法。5.5.1變極調(diào)速

改變定子繞組的極對數(shù),通常用改變定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)異步電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子極對數(shù)一致時,才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī),當(dāng)通過改變定子繞組的接線來改變定子極對數(shù)時,必須同時改變轉(zhuǎn)子繞組的接線才能保持定、轉(zhuǎn)子極對數(shù)相等,這將使變極接線及控制變得復(fù)雜。而對于籠型異步電動機(jī),當(dāng)改變定子極對數(shù)時,其轉(zhuǎn)子極對數(shù)能自動地保持與定子極對數(shù)相等。因此變極調(diào)速僅用于籠型異步電動機(jī)。1．變極原理

因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的定子三相繞組對稱,接法相同,所以通過一相繞組的分析,可知其三相變極原理。如圖5-24所示,設(shè)電動機(jī)的定子每相繞組都由兩個完全對稱的“半相繞組”所組成,以U相為例,假設(shè)相電流是從首端U1

流進(jìn),尾端U2

流出。如果將兩個“半相繞組”首尾相串聯(lián)(稱之為順串),則根據(jù)“半相繞組”內(nèi)的電流方向,用右手螺旋定則可以判斷出磁場的方向,表示在圖5–24(a)中,很顯然,這時電動機(jī)形成的是一個2p=4極的磁場；如果將兩個“半相繞組”尾尾相串聯(lián)(稱之為反串)或首尾相并聯(lián)(稱之為反并),則形成一個2p=2極的磁場,分別如圖5–24(b)、(c)所示。

圖5-24三相籠型異步電動機(jī)的變極原理

(a)順串2p=4；(b)反串2p=2；(c)反并2p=2

比較圖5-24可知,只要將兩個“半相繞組”中的任何一個“半相繞組”的電流反向,就可以將極對數(shù)增加一倍(順串)或減少一半(反串或反并)。這就是單繞組倍極比的變極原理。如2／4極、4／8極等。2．兩種常用的變極方案

通過改變半相繞組的電流方向來改變極對數(shù),其接線方法很多,最常用的兩種變極接線方式如圖5-25所示。變極前每相繞組的兩個“半相繞組”是順串的,因而是倍極數(shù),不過圖5-25(a)中三相繞組是Y形連接,圖5-25(b)中三相繞組是△形連接；變極后每相繞組的兩個“半相繞組”都改接成反并,極數(shù)減少一半,而三相繞組經(jīng)演變后,實(shí)質(zhì)上都成為兩個并聯(lián)的Y形連接,所以圖5-25(a)所示為Y/YY變極,圖5-25(b)所示則為△/YY變極。顯然,這兩種變極接線方式,每相繞組只需3個引出端,所以變極接線很簡單,控制也很方便。

圖5-25三相籠型異步電動機(jī)常用的兩種變極接線方式(a)Y／YY變極；(b)△／YY變極

必須注意,上述圖中在改變定子繞組接線的同時,將V、W兩相的出線端進(jìn)行了對調(diào)。這是因?yàn)樵陔妱訖C(jī)定子的圓周上,電角度是機(jī)械角度的p倍,當(dāng)極對數(shù)改變時,必然引起三相繞組的空間相序發(fā)生變化。現(xiàn)舉例說明：設(shè)p=1時,U、V、W三相繞組軸線的空間位置依次為0°、120°、240°電角度；而當(dāng)極對數(shù)變?yōu)閜=2時,三相繞組軸線的空間位置依次是U相為0°、V相為120°×2=240°、W相為240°×2=480°(相當(dāng)于120°),這說明變極后三相繞組的空間相序發(fā)生了改變。如果外部電源相序不變,則變極后,不僅電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化,而且因三相繞組空間相序的改變而引起旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向的改變,從而引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的改變。所以為了保證變極調(diào)速前后電動機(jī)的轉(zhuǎn)向不變,在改變定子繞組接線的同時,必須把V、W兩相出線端對調(diào),使接入電動機(jī)的電源相序改變,這是在工程實(shí)踐中必須注意的問題。3．變極調(diào)速時的機(jī)械特性

1)Y/YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性由于Y形連接時的極對數(shù)是YY形連接時的兩倍,因此n1YY=2n1Y

。若假定半相繞組的參數(shù)為r1／2、X1／2、

、

,則Y形連接時,每相繞組的參數(shù)為；而YY形連接時,每相繞組的參數(shù)為r1／4、X1／4、、。又因?yàn)閅形連接和YY形連接時每相繞組的電壓相等,所以根據(jù)式（5-3）、式（5-4）及式（5-5）可得出以下結(jié)論：根據(jù)以上結(jié)果,可定性畫出Y/YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性,如圖5-26所示。圖5-26Y／YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性

2)△／YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性同理可知因?yàn)椤餍芜B接改為ＹＹ形連接時，每相繞組的電阻、電抗也為△連接時的1/4，圖5－27△／YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性每相繞組的電壓是△形連接時的1／，所以根據(jù)式（5－3）、式（5－4）及式（5－5）可得出以下結(jié)論：圖5－27△／YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性根據(jù)以上結(jié)果,可定性畫出△／YY變極調(diào)速時的機(jī)械特性,如圖5-27所示。

4．變極調(diào)速時的允許輸出

假設(shè)變極前后,電源線電壓UN不變,通過線圈的電流IN不變,效率ηN和功率因數(shù)也近似不變,則變極前后的輸出功率及輸出轉(zhuǎn)矩的變化討論如下：

1)Y/YY變極調(diào)速時的允許輸出

Y形連接時YY形連接時可見，從Y形連接變成YY形連接后，極對數(shù)減少一半，轉(zhuǎn)速增加一倍，輸出功率增大一倍，而輸出轉(zhuǎn)矩基本上保持不變，所以這種變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，適用于拖動起重機(jī)、電梯、運(yùn)輸帶等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

2)△／YY變極調(diào)速時的允許輸出△形連接時YY形連接時可見，從△形連接變成YY形連接后，極對數(shù)減少一半，轉(zhuǎn)速增加一倍，輸出轉(zhuǎn)矩近似減小一半，而輸出功率近似保持不變，所以這種變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，適用于車床切削等恒功率負(fù)載。如粗車時，進(jìn)刀量大、轉(zhuǎn)速低；精車時，進(jìn)刀量小、轉(zhuǎn)速高。但兩者的功率近似不變。綜上所述，變極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單、運(yùn)行可靠、機(jī)械特性硬、效率高，而且采用不同的接線方式既可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也可實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速，以適應(yīng)不同負(fù)載的需要。變極調(diào)速的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速只能成倍變化，為有級調(diào)速。5.5.2變頻調(diào)速

平滑改變電源頻率,可以平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速n1,從而使電動機(jī)獲得平滑調(diào)速。但在工程實(shí)踐中,僅僅改變電源頻率,還不能得到滿意的調(diào)速特性,因?yàn)橹桓淖冸娫搭l率,會引起電動機(jī)其它參數(shù)的變化,影響電動機(jī)的運(yùn)行性能,所以下面將討論變頻的同時如何調(diào)節(jié)電壓,以獲得滿意的調(diào)速性能。

1．變頻與調(diào)壓的配合

由第4章的分析可知,若忽略電動機(jī)定子漏阻抗壓降,則由上式可知,當(dāng)電源頻率f1從基頻50Hz降低時,若電壓U1的大小保持不變,則主磁通Φ1將增大,使原來接近飽和的磁路更加過度飽和,導(dǎo)致勵磁電流I0急劇增大,鐵損耗顯著增加,電動機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重,效率降低,功率因數(shù)降低,電動機(jī)不能正常運(yùn)行。因此為了防止鐵心磁路飽和,一般在降低電源頻率f1的同時,也成比例地降低電源電壓,保持U1／f1=常數(shù),使Φ1基本恒定。當(dāng)電源頻率f1從基頻50Hz升高時,由于電源電壓不能大于電動機(jī)的額定電壓,因此電壓U1不能隨頻率f1成比例升高,只能保持額定值不變,這樣使得電源頻率f1升高時,主磁通Φ1將減小,相當(dāng)于電動機(jī)弱磁調(diào)速。2．變頻調(diào)速時的機(jī)械特性下面我們將通過分析三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的幾個特殊點(diǎn)的變化規(guī)律,來分析變頻調(diào)速時的機(jī)械特性

1)同步點(diǎn)因?yàn)閚1=60f1／p,所以n1∝f1。

2)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)由式（5-3）可知,對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的臨界轉(zhuǎn)速降為由該結(jié)論可知,變頻時機(jī)械特性的硬度是近似不變的,即變頻時的人為機(jī)械特性與固有機(jī)械特性平行。同時由式（5-4）可知,忽略定子電阻r1時最大轉(zhuǎn)矩為

注意：該結(jié)論只有在頻率f1較高時才是正確的,因?yàn)樵陬l率f1較低時,定子電阻r1不能忽略。所以從基頻向下變頻調(diào)速時,由于U1／f1為常數(shù),當(dāng)頻率f1剛開始降低時，頻率較高,根據(jù)該結(jié)論可知,Tmax

基本不變,電動機(jī)的過載能力不變。當(dāng)頻率f1降至較低時,只能根據(jù)式（5-4）推知Tmax

將減小,電動機(jī)的過載能力降低；從基頻向上變頻調(diào)速時,由于電壓U1不變,根據(jù)該結(jié)論可知Tmax

將減小,電動機(jī)的過載能力降低。3)啟動點(diǎn)由式（5-5）可知,忽略定、轉(zhuǎn)子電阻r1和時,啟動轉(zhuǎn)矩為

同樣,該結(jié)論只有在頻率f1較高時才是正確的。從基頻向下變頻調(diào)速時,由于U1／f1為常數(shù),當(dāng)頻率f1剛開始降低時,根據(jù)該結(jié)論可知Tst

增大;當(dāng)頻率f1降至較低時,根據(jù)式（