《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課件第5章

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

上式表明異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力設(shè)備的三相異步電動(dòng)機(jī)易燒毀?

解電動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)勢(shì)平衡方程式,定子電流也將大為增加,長(zhǎng)期超過額定值就會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與電動(dòng)機(jī)相電壓U1、電源頻率f1、電動(dòng)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(dòng)機(jī)的各參數(shù)不變時(shí),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(dòng)機(jī)的T-s

曲線,如圖5-1所示。圖5-1三相異步電動(dòng)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(shí),轉(zhuǎn)矩有一最大值Tmax,稱為異步電動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)各參數(shù)與電源頻率不變時(shí),Tmax與成正比,sm

則保持不變,與U1無(wú)關(guān)。

(2)當(dāng)電源頻率及電壓U1不變時(shí),sm

和Tmax

近似地與成反比。

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

成正比,Tmax

則與無(wú)關(guān)。由于此特點(diǎn),對(duì)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻時(shí),可使sm

增大,但Tmax不變。上兩式中,在電源頻率f1較低時(shí),因而忽略

Tmax是異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)將因承擔(dān)不了而停轉(zhuǎn)。為保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)因短時(shí)過載而停轉(zhuǎn),要求其額定運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo),它反映了電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載的極限。一般異步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)=1.8～3.0,對(duì)于起重冶金用的異步電動(dòng)機(jī),其可達(dá)3.5。除了Tmax

外,異步電動(dòng)機(jī)還有另一個(gè)重要參數(shù),即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst,它是異步電動(dòng)機(jī)接至電源開始啟動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩,此時(shí)

,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(dòng)機(jī)各參數(shù)與電源頻率不變時(shí),Tst與成正比。

(2)當(dāng)電源頻率及電壓U1不變時(shí),Tst隨的增大而減小。(3)當(dāng)電源頻率、電壓U1與電動(dòng)機(jī)其他各參數(shù)不變時(shí),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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路串一適當(dāng)電阻來增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst,從而改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

增大到最大轉(zhuǎn)矩Tmax,那么此時(shí)臨界轉(zhuǎn)差率sm

應(yīng)為1,

故

對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī),其啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù),用Kst

表示,即

Kst

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

為1.8~2.0。顯然,當(dāng)Tst>TL時(shí),電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)。在額定負(fù)載下,只有Kst>1的籠型異步電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)。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(duì)于分析電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)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(dòng)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(jì)算很不方便,為此,導(dǎo)出了一個(gè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行在T-s曲線的線性段時(shí),因?yàn)閟《s,所以s

/sm《

sm/s,從而忽略s/sm,式（5-6）就可簡(jiǎn)化為

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

以上異步電動(dòng)機(jī)的三種電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)機(jī)參數(shù)變化對(duì)其運(yùn)行性能的影響；實(shí)用表達(dá)式適用于工程計(jì)算。5.2三相異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)問題,三相異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)工作在額定電壓及額定頻率下,電動(dòng)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(shí)所獲得的機(jī)械特性n=f(T),如圖5-3所示。異步電動(dòng)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(shí),轉(zhuǎn)速略微減小。圖5-3三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線1.幾個(gè)特殊運(yùn)行點(diǎn)

1）啟動(dòng)點(diǎn)A

啟動(dòng)點(diǎn)A

的特點(diǎn)是

,T=Tst,啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件,不難判斷對(duì)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?dòng)機(jī)下斜時(shí)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(dòng)點(diǎn),n=f(T)曲線是上斜的,對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載,均因在電動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)的任何一個(gè)或多個(gè)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(shí)的人為機(jī)械特性。1.降低定子端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性如果異步電動(dòng)機(jī)的其他條件都與固有特性時(shí)的一樣,僅降低定子端電壓時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

也隨成比例下降。

不同定子端電壓U1時(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有何影響呢？現(xiàn)分析如下：設(shè)電動(dòng)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(shí)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(shí)轉(zhuǎn)速降低了,轉(zhuǎn)差率變大,使轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)不能在額定負(fù)載下連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行,否則,會(huì)影響電動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)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(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī),如果其他條件都與固有特性時(shí)的一樣,僅在轉(zhuǎn)子電路串三相對(duì)稱電阻時(shí)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(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

隨Rp的增大而增大；當(dāng)sm=1時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

等于最大轉(zhuǎn)矩Tmax

；但當(dāng)sm＞1時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

隨Rp

的增大而減小。轉(zhuǎn)子電路串不同電阻Rp

時(shí)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩,從而應(yīng)用于改善異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。圖5-6轉(zhuǎn)子電路串不同電阻Rp時(shí)的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律

3.定子電路串三相對(duì)稱電阻或電抗時(shí)的人為機(jī)械特對(duì)于籠型三相異步電動(dòng)機(jī),如果其他條件都與固有特性時(shí)的一樣,僅在定子電路串三相對(duì)稱電阻或電抗時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)的人為機(jī)械特性的變化規(guī)律

定子電路串對(duì)稱電阻或電抗,一般用于三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng),以限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。此外,還有改變極對(duì)數(shù)p

以及改變電源頻率f1時(shí)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)過程中,不同的生產(chǎn)機(jī)械有不同的啟動(dòng)情況。有些生產(chǎn)機(jī)械在啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行時(shí)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(dòng)過程中接近空載,待轉(zhuǎn)速上升至接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),才加負(fù)載,例如機(jī)床、破碎機(jī)等；此外,還有頻繁啟動(dòng)的機(jī)械設(shè)備等。以上這些因素都將對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能提出不同的要求。

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

和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst／TN

。一般情況下,電力拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求是：?jiǎn)?dòng)電流盡可能小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大,同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、操作方便,且啟動(dòng)時(shí)間短。5.3.1三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

三相籠型異步電動(dòng)機(jī)可采用全壓?jiǎn)?dòng)、減壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方法。1.全壓?jiǎn)?dòng)

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

——電動(dòng)機(jī)的額定相電壓。

由上式可知,全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流僅受電動(dòng)機(jī)漏阻抗的限制。由于漏阻抗很小,因此啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)等效電路

對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī),過大的啟動(dòng)電流將造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱,影響電動(dòng)機(jī)壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組(特別是端部)在電磁力的作用下,會(huì)發(fā)生變形,可能造成繞組短路而燒壞電動(dòng)機(jī)。過大的啟動(dòng)電流還會(huì)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(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或無(wú)法帶負(fù)載啟動(dòng)。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(dòng)機(jī)的額定功率小于7.5kW時(shí)允許全壓?jiǎn)?dòng)；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(dòng)機(jī)也允許全壓?jiǎn)?dòng)?！?5-12)

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

減壓?jiǎn)?dòng)是通過降低直接加在電動(dòng)機(jī)定子繞組的端電壓來減小啟動(dòng)電流的。由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與定子端電壓U1的平方成正比,因此減壓?jiǎn)?dòng)時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將大大減小。所以減壓?jiǎn)?dòng)只適用于對(duì)啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)方法有以下幾種：1)定子串電阻或電抗減壓?jiǎn)?dòng)定子串電阻或電抗減壓?jiǎn)?dòng)是利用電阻或電抗的分壓作用降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，其接線圖如圖5–9(a)所示。啟動(dòng)時(shí)把換接開關(guān)Q2

投向“啟動(dòng)”的位置,此時(shí)定子電路串入啟動(dòng)電阻或電抗,然后閉合主開關(guān)Q1,電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn),待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),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(dòng)的等效電路如圖5–9(b)所示。設(shè)電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的相電壓為,啟動(dòng)電流為Ist,而定子串電阻后的相電壓,啟動(dòng)電流為,則(k﹥1)(5-13)減壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與全壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

之比為(5-14)

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

(a)原理線路圖；(b)等效電路

定子串電阻或電抗減壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)較平穩(wěn),運(yùn)行可靠,設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是：定子串電阻啟動(dòng)時(shí)電能損耗較大；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動(dòng)。電阻減壓?jiǎn)?dòng)一般用于低壓電動(dòng)機(jī),電抗減壓?jiǎn)?dòng)通常用于高壓電動(dòng)機(jī)。電阻減壓及電抗減壓?jiǎn)?dòng)有手動(dòng)及自動(dòng)等多種控制線路,但由于啟動(dòng)時(shí)電能損耗較多,因此實(shí)際應(yīng)用不多。2)自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)自耦變壓器用作電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)時(shí),稱為自耦補(bǔ)償啟動(dòng)器。自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)是利用自耦變壓器降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓,其原理接線圖如圖5-10(a)所示。啟動(dòng)時(shí),把開關(guān)Q投向“啟動(dòng)”位置,這時(shí)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(gè)抽頭，按需要選擇)接電動(dòng)機(jī)定子繞組。待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),把開關(guān)Q投向“運(yùn)行”位置，切除自耦變壓器,使電動(dòng)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?jiǎn)?dòng)

(a)原理線路圖；(b)等效電路

自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)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(dòng)機(jī)定子繞組上的相電壓,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流即自耦變壓器的二次側(cè)電流為,電網(wǎng)供給電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與全壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩之比為(5-16)

自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：電網(wǎng)限制的啟動(dòng)電流相同時(shí),用自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)將比用其他減壓?jiǎn)?dòng)方法獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)用自耦變壓器的二次繞組一般有三個(gè)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(dòng)電流和機(jī)械負(fù)載所需的啟動(dòng)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(jià)格高、需維護(hù)檢修；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動(dòng)。自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓?jiǎn)?dòng)用,有手動(dòng)及自動(dòng)控制線路,應(yīng)用很廣泛。3)Y/△減壓?jiǎn)?dòng)對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為△形連接的電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)時(shí)定子繞組改接成Y形連接,這時(shí)加在每相定子繞組上的電壓為全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的,可以實(shí)現(xiàn)減壓?jiǎn)?dòng),其接線圖如圖5-11所示。啟動(dòng)時(shí),將開關(guān)Q2投向“Y”位置,使定子繞組連接成星形，電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)；待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時(shí),再將開關(guān)Q2投向“△”位置,使定子繞組連接成三角形,啟動(dòng)過程結(jié)束,電動(dòng)機(jī)便在額定電壓下正常運(yùn)行。圖5-11Y/△減壓?jiǎn)?dòng)接線圖圖5-12Y形連接啟動(dòng)和△形連接啟動(dòng)原理圖

(a)△形連接全壓?jiǎn)?dòng)；(b)Y形連接減壓?jiǎn)?dòng)

三相籠型異步電動(dòng)機(jī)分別采用Y形連接啟動(dòng)和△形連接啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與△形連接全壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩之比為(5-19)Y/△減壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡(jiǎn)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(jià)廉,所以Y系列容量等級(jí)在4kW以上的小型三相籠型異步電動(dòng)機(jī)都設(shè)計(jì)成△形連接,以便采用Y/△啟動(dòng)。其缺點(diǎn)是：只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為△形連接的電動(dòng)機(jī),并且只有一種固定的降壓比；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓的平方降低,只適合輕載啟動(dòng)。從以上分析可知,不論采用哪一種減壓?jiǎn)?dòng)方法使啟動(dòng)電流減小至電網(wǎng)允許的范圍內(nèi),都將使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩受到損失,即啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)方法又有各自的特點(diǎn)。3．軟啟動(dòng)

前面介紹的幾種減壓?jiǎn)?dòng)方法都屬于有級(jí)啟動(dòng),啟動(dòng)的平滑性不高。應(yīng)用軟啟動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)平滑啟動(dòng),這種啟動(dòng)方法稱為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器可分為磁控式與電子式兩種。磁控式軟啟動(dòng)器由一些磁性自動(dòng)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(dòng)器取代。下面簡(jiǎn)單介紹電子軟啟動(dòng)器的四種啟動(dòng)方法：

(1)限流或恒流啟動(dòng)方法。用電子軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)限制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流或保持恒定的啟動(dòng)電流,主要用于輕載軟啟動(dòng)。(2)斜坡電壓?jiǎn)?dòng)法。用電子軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)定子電壓由小到大斜坡線性上升,主要用于重載軟啟動(dòng)。

(3)轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)法。用電子軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升,啟動(dòng)的平滑性好,能夠降低啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,是較好的重載軟啟動(dòng)方法。

(4)電壓控制啟動(dòng)法。用電子軟啟動(dòng)器控制電壓以保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,是較好的輕載軟啟動(dòng)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(dòng)裝置,供不同類型的用戶選用?；\型異步電動(dòng)機(jī)的減壓?jiǎn)?dòng)方法歷經(jīng)星形—三角形啟動(dòng)器以及自耦補(bǔ)償啟動(dòng)器,發(fā)展到磁控式軟啟動(dòng)器,目前又發(fā)展到先進(jìn)的電子軟啟動(dòng)器。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)籠型異步電動(dòng)機(jī)不能采用全壓?jiǎn)?dòng)方法時(shí),應(yīng)首先考慮選用電子軟啟動(dòng)方法。電子軟啟動(dòng)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(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)

前面已指出,籠型異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)顯著,但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小、啟動(dòng)電流較大。為了改善這種電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻增大,以增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并減小啟動(dòng)電流,在正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電阻又能自動(dòng)減小。深槽式與雙籠型異步電動(dòng)機(jī)可滿足這種要求。1)深槽式異步電動(dòng)機(jī)深槽式異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子電流頻率f2=f1,這相對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)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(duì)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(shí)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(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)矩,限制啟動(dòng)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(dòng)結(jié)束時(shí),各并聯(lián)導(dǎo)條的漏電抗相對(duì)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(gè)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(dòng)機(jī)雙籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子具有兩套籠型繞組,兩籠間由狹長(zhǎng)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??；其下籠導(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(dòng)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(dòng)時(shí),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?。挥捎谙禄\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(dòng)籠。由于上籠電阻大,因此可以增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,減小啟動(dòng)電流。啟動(dòng)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??；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(shí)起主要作用,故下籠也稱為運(yùn)行籠。雙籠型異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)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(gè)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?duì)稱電阻或頻敏變阻器來改善啟動(dòng)性能。因此對(duì)于大、中型異步電動(dòng)機(jī)需要重載啟動(dòng)時(shí),可優(yōu)先選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。1．轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入合適的三相對(duì)稱啟動(dòng)電阻Rst

時(shí),就能使啟動(dòng)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(dòng)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(shí),Tst=Tmax

；當(dāng)Rst

增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm>1時(shí),Tst<Tmax

。

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

逐級(jí)切除,最后使電動(dòng)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(dòng)時(shí)讓啟動(dòng)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(dòng)時(shí)拖動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻三級(jí)啟動(dòng)原理接線圖。啟動(dòng)時(shí),三個(gè)接觸器觸頭KM1、KM2、KM3都斷開,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路總電阻為

R3=Rst1+Rst2+Rst3+r2,與此相對(duì)應(yīng),電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速沿曲線Aa上升,Tst下降,到達(dá)b

點(diǎn)時(shí),使接觸器KM1閉合,將三相電阻Rst1切除,電動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩始終在Tst1

和Tst2

之間變動(dòng),直到最后電動(dòng)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(shí)操作啟動(dòng)器手柄,將電刷提起,同時(shí)將三只集電環(huán)自行短接,以減小運(yùn)行中對(duì)的電刷的磨損及摩擦損耗。為了保證啟動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)原理圖和啟動(dòng)機(jī)械特性(a)串電阻三級(jí)啟動(dòng)原理圖；(b)串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性2.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動(dòng)

轉(zhuǎn)子電路串電阻啟動(dòng)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(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)突然增大,造成電氣和機(jī)械沖擊。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),可采用轉(zhuǎn)子電路串頻敏變阻器啟動(dòng)。

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(gè)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(gè)鐵心柱上繞著連接成星形的三個(gè)繞組。當(dāng)繞組內(nèi)通過交流電流時(shí),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?。籖mp

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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)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(dòng)時(shí),s=1,f2=f1最高,頻敏變阻器內(nèi)鐵心損耗很大,對(duì)應(yīng)的等效電阻Rmp

也很大,但由于啟動(dòng)時(shí)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(shí)相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子電路串入一個(gè)較大的啟動(dòng)電阻Rmp,從而使啟動(dòng)電流減小,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大,獲得較好的啟動(dòng)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(shí)Xmp

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

極低,所以Rmp

及Xmp

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

由以上分析可知,轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動(dòng)不但具有減小啟動(dòng)電流、增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn),而且具有等效啟動(dòng)電阻隨轉(zhuǎn)速升高自動(dòng)且連續(xù)減小的優(yōu)點(diǎn),所以其啟動(dòng)的平滑性優(yōu)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)。此外,頻敏變阻器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(dòng)已被大量推廣與應(yīng)用。5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

與直流電動(dòng)機(jī)相同,三相異步電動(dòng)機(jī)既可工作于電動(dòng)狀態(tài),也可工作于制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)是：電動(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)是：電動(dòng)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(dòng)狀態(tài)的異步電動(dòng)機(jī)(a)電動(dòng)狀態(tài)接線原理圖；(b)電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性5.4.1能耗制動(dòng)

實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)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(lì)磁電源,同時(shí)在轉(zhuǎn)子電路串入制動(dòng)電阻。

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

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),此時(shí)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(dòng)時(shí),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(gè)靜止的磁場(chǎng),而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)按原方向在靜止的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),因而切割磁感應(yīng)線在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)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(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T

與n

反向,電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ起制動(dòng)作用。如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)作用下,電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行,直到轉(zhuǎn)速n=0時(shí),轉(zhuǎn)子不切割磁感應(yīng)線,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流都等于零,制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩T=0,制動(dòng)過程結(jié)束。在上述制動(dòng)過程中,電力拖動(dòng)系統(tǒng)原來儲(chǔ)存的機(jī)械能（即動(dòng)能）被電動(dòng)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(dòng)過程。

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

處于能耗制動(dòng)狀態(tài)的異步電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上變成了一臺(tái)交流發(fā)電機(jī),其輸入是電動(dòng)機(jī)所儲(chǔ)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(dòng)狀態(tài)時(shí)的機(jī)械特性與發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)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(dòng)到n=0時(shí),T=0,因此能耗制動(dòng)時(shí)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(shí)的固有機(jī)械特性；曲線2為增大勵(lì)磁電流If而轉(zhuǎn)子不串電阻時(shí)的機(jī)械特性,此時(shí)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大,但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速不變；曲線3為勵(lì)磁電流

If

不變而轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)的機(jī)械特性，此時(shí)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變,但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速增大。設(shè)制動(dòng)前,電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)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(dòng)作用下,很快減速到n=0。圖5-19三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)機(jī)械特性

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

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

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

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)采用能耗制動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速停車時(shí),根據(jù)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為（1.25~2.2）TN的要求,計(jì)算勵(lì)磁電流If和轉(zhuǎn)子電路所串的制動(dòng)電阻Rbk

的公式如下：（2～3）(5-20)式中,I0為異步電動(dòng)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(shí)的額定線電動(dòng)勢(shì)；

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(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)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(dòng)平穩(wěn),但制動(dòng)至轉(zhuǎn)速較低時(shí),制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較小,制動(dòng)效果不理想。

(3)由于制動(dòng)時(shí)電動(dòng)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(dòng)比較經(jīng)濟(jì)。5.4.2反接制動(dòng)

1．電源反接制動(dòng)

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

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

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電源反接制動(dòng)時(shí),把定子繞組的兩相電源進(jìn)線對(duì)調(diào),同時(shí)在轉(zhuǎn)子電路串入制動(dòng)電阻Rbk,由于電源反接后,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)的方向改變,轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)。

如圖5-20(b)所示,設(shè)反接制動(dòng)前,電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(chǎng)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(shí)的機(jī)械特性,曲線3是轉(zhuǎn)子電路串入電阻Rbk

時(shí)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(dòng)狀態(tài),在制動(dòng)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(shí),制動(dòng)過程結(jié)束。對(duì)于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,若要停車,制動(dòng)到n=0時(shí)應(yīng)快速切斷電源,否則電動(dòng)機(jī)可能會(huì)反向啟動(dòng)?？梢娚鲜鲞^程是一個(gè)電源反接制動(dòng)過程,機(jī)械特性位于第二象限,實(shí)際上就是反向電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性在第二象限的延長(zhǎng)部分。

圖5-20三相異步電動(dòng)機(jī)的電源反接制動(dòng)

(a)制動(dòng)原理圖；(b)制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

電源反接制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為＞1

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

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

的近似計(jì)算可采用以下關(guān)系式：

由上式可推得求制動(dòng)電阻的公式,即(5-22)式中：sg——固有機(jī)械特性線性段上對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)的電源反接制動(dòng)具有以下特點(diǎn)：

(1)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩即使在轉(zhuǎn)速降至很低時(shí),仍較大,因此制動(dòng)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(dòng)到轉(zhuǎn)速為零時(shí)立即切斷電源。(3)由于電源反接制動(dòng)時(shí)s>1,從電源輸入的電功率

,從電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2≈Pm=TΩ<0。這說明制動(dòng)時(shí),電動(dòng)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(dòng)時(shí)能耗大、經(jīng)濟(jì)性差。

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

如圖5-21所示,設(shè)電動(dòng)機(jī)原來拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（重物）,處于正向電動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)子串入較大的電阻,使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流減小,電磁轉(zhuǎn)矩T

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

點(diǎn),T=TL

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

倒拉反接制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)差率為

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

的近似計(jì)算仍然采用式（5-22）。由以上分析可知,倒拉反接制動(dòng)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(dòng)時(shí)s>1,因此與電源反接制動(dòng)一樣,P1>0,P2<0。這說明制動(dòng)時(shí),電動(dòng)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(dòng)時(shí)能耗大、經(jīng)濟(jì)性差。5.4.3回饋制動(dòng)

處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的三相異步電動(dòng)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(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)⑴c電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相反,因此轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)E2s

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

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

由于制動(dòng)時(shí)s<0,T

與n

反向,從電源輸入的電功率

,從電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2≈Pm=TΩ<0。這說明制動(dòng)時(shí),電動(dòng)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(tái)發(fā)電機(jī),因此當(dāng)|n|>n1時(shí),電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。但應(yīng)注意回饋制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)不從電網(wǎng)吸取有功功率,但仍從電網(wǎng)吸取無(wú)功功率,用以建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。＜0圖5-22三相異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)機(jī)械特性

回饋制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是正向電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性在第二象限的延長(zhǎng)部分和反向電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性在第四象限的延長(zhǎng)部分,如圖5–22所示?；仞佒苿?dòng)常發(fā)生在以下幾種情況中：電車下坡時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)下放重物時(shí)采用電源反接,使電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串入電阻越大,回饋制動(dòng)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(dòng)時(shí),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(dòng)具有以下特點(diǎn)：

(1)電動(dòng)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(dòng)時(shí)電動(dòng)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(dòng)很經(jīng)濟(jì)。綜上所述,三相異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)所對(duì)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(dòng)狀態(tài)的過渡過程,圖(b)為各種制動(dòng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

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

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

從第2章的分析中已經(jīng)知道直流電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中,大都采用直流調(diào)速方案。但是直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格高,維護(hù)檢修復(fù)雜,且不宜在易爆場(chǎng)合使用,而交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),而且隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)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(shì)。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知異步電動(dòng)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(duì)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(dòng)勢(shì)(即串級(jí)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(duì)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(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)一致時(shí),才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)通過改變定子繞組的接線來改變定子極對(duì)數(shù)時(shí),必須同時(shí)改變轉(zhuǎn)子繞組的接線才能保持定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)相等,這將使變極接線及控制變得復(fù)雜。而對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)改變定子極對(duì)數(shù)時(shí),其轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)能自動(dòng)地保持與定子極對(duì)數(shù)相等。因此變極調(diào)速僅用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。1．變極原理

因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的定子三相繞組對(duì)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(dòng)機(jī)的定子每相繞組都由兩個(gè)完全對(duì)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(gè)“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(chǎng)的方向,表示在圖5–24(a)中,很顯然,這時(shí)電動(dòng)機(jī)形成的是一個(gè)2p=4極的磁場(chǎng)；如果將兩個(gè)“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(gè)2p=2極的磁場(chǎng),分別如圖5–24(b)、(c)所示。

圖5-24三相籠型異步電動(dòng)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(gè)“半相繞組”中的任何一個(gè)“半相繞組”的電流反向,就可以將極對(duì)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(duì)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(gè)“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(gè)“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(gè)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(gè)引出端,所以變極接線很簡(jiǎn)單,控制也很方便。

圖5-25三相籠型異步電動(dòng)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(shí),將V、W兩相的出線端進(jìn)行了對(duì)調(diào)。這是因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)定子的圓周上,電角度是機(jī)械角度的p倍,當(dāng)極對(duì)數(shù)改變時(shí),必然引起三相繞組的空間相序發(fā)生變化?，F(xiàn)舉例說明：設(shè)p=1時(shí),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(duì)數(shù)變?yōu)閜=2時(shí),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(dòng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變,在改變定子繞組接線的同時(shí),必須把V、W兩相出線端對(duì)調(diào),使接入電動(dòng)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(shí)的機(jī)械特性

1)Y/YY變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性由于Y形連接時(shí)的極對(duì)數(shù)是YY形連接時(shí)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(shí),每相繞組的參數(shù)為；而YY形連接時(shí),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(shí)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(shí)的機(jī)械特性,如圖5-26所示。圖5-26Y／YY變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

2)△／YY變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性同理可知因?yàn)椤餍芜B接改為ＹＹ形連接時(shí)，每相繞組的電阻、電抗也為△連接時(shí)的1/4，圖5－27△／YY變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性每相繞組的電壓是△形連接時(shí)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(shí)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(shí)的機(jī)械特性,如圖5-27所示。

4．變極調(diào)速時(shí)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(shí)的允許輸出

Y形連接時(shí)YY形連接時(shí)可見，從Y形連接變成YY形連接后，極對(duì)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(dòng)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(shí)的允許輸出△形連接時(shí)YY形連接時(shí)可見，從△形連接變成YY形連接后，極對(duì)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(shí)，進(jìn)刀量大、轉(zhuǎn)速低；精車時(shí)，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(jiǎn)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(jí)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(dòng)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(huì)引起電動(dòng)機(jī)其它參數(shù)的變化,影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能,所以下面將討論變頻的同時(shí)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(dòng)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(shí),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(lì)磁電流I0急劇增大,鐵損耗顯著增加,電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重,效率降低,功率因數(shù)降低,電動(dòng)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(shí),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(shí),由于電源電壓不能大于電動(dòng)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(shí),主磁通Φ1將減小,相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速。2．變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性下面我們將通過分析三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的幾個(gè)特殊點(diǎn)的變化規(guī)律,來分析變頻調(diào)速時(shí)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(duì)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(shí)機(jī)械特性的硬度是近似不變的,即變頻時(shí)的人為機(jī)械特性與固有機(jī)械特性平行。同時(shí)由式（5-4）可知,忽略定子電阻r1時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為

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

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

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

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

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

增大;當(dāng)頻率f1降至較低時(shí),根據(jù)式（