1、電機拖動與控制電機拖動與控制 第五章第五章 異步電機電力拖動異步電機電力拖動第第5章章 三相異步電動機電力拖動三相異步電動機電力拖動 以交流電動機為原動機的電力拖動系統為交流電力拖動系統。 三相異步電動機由于結構簡單，價格便宜，且性能良好，運行可靠，故廣泛應用在各種拖動系統中。5.1 三相籠型異步電動機的起動三相籠型異步電動機的起動 異步電動機從接通電源，到進入穩定運行的過程，稱為起動。異步電動機起動過程具有如下特點： （1）起動電流大。 異步電動機在剛起動時s1，若忽略勵磁電流，則起動電流為短路電流，數值很大，一般電動機的起動電流可達額定電流的47倍，這樣大的起動電流，一方面使電源和線路上產

2、生很大的壓降，影響其他用電設備的正常運行，使電燈亮度減弱，電動機的轉速下降，欠電壓繼電保護動作而將正在運轉的電氣設備斷電等。 另一方面,起動電流很大將引起電機發熱，特別對頻繁起動的電機，發熱更為厲害。 異步電動機起動特點 （2）起動時間短。 起動電流隨著轉速的上升很快下降，起動時間短。 （3）起動轉矩不高。 起動時雖然電流很大，但定子繞組阻抗壓降變大，電壓為定值，則感應電動勢將減小，主磁通m將減小； 起動時的功率因數很小，從轉矩的物理表達式可看出，此時起動轉矩并不大。三相異步電動機的起動 為使異步電動機能帶負載很快達到穩定運行，同時又不影響接在同一電網上的其它設備，對起動的基本要求是起動轉矩足

3、夠大，起動電流又不要太大。 由上面的分析可以看出，要限制起動電流，可以采取降壓或增大電機參數的方法。為增大起動轉矩，可適當加大轉子的電阻。所以大容量的異步電動機一般采用加裝起動裝置起動。 衡量三相異步電動機起動裝置性能的主要技術指標有起動轉矩倍數kst、起動電流倍數ki、起動時間和起動設備性能和造價,起動過程的平滑性等。5.1.1 5.1.1 直接起動直接起動 給電動機定子繞組加上額定電壓使之起動的方法稱為直接起動，或稱全壓起動。 直接起動是最簡單的起動方法。起動時用刀開關、電磁起動器或接觸器將電動機定子繞組直接接到電源上。 直接起動時，起動電流很大，一般選取熔體的額定電流為電機額定電流的2.

4、53.5倍。 電動機的起動電流 對于一般小型籠型異步電動機如果電源容量足夠大時，應盡量采用直接起動方法。對于某一電網，多大容量的電動機才允許直接起動，可按下列經驗公式來確定 電動機的起動電流倍數ki需符合式中電網允許的起動電流倍數，才允許直接起動，否則應采取降壓起動。一般10kW以下的電動機都可以直接起動。隨電網容量的加大，允許直接起動的電動機容量也變大。電動機額定功率電源總容量341NstiIIk5.1.2 5.1.2 籠型異步電動機的降壓起動籠型異步電動機的降壓起動 降壓起動是指電動機在起動時降低加在定子繞組上的電壓，起動結束時加額定電壓運行的起動方式。 降壓起動雖然能降低電動機起動電流，

5、但由于電動機的轉矩與電壓的平方成正比，因此降壓起動時電動機的轉矩減小較多，故此法一般適用于電動機空載或輕載起動。1.1.定子串接電抗器或電阻的降壓起動定子串接電抗器或電阻的降壓起動 起動時，電抗器或電阻接入定子電路；起動后，切除電抗器或電阻，進入正常運行。三相異步電動機定子邊串入電抗器或電阻起動時，定子繞組實際所加電壓降低，而減小起動電流。 但定子邊串電阻起動時，能耗較大，實際應用不多。 2.Y-2.Y-降壓起動降壓起動 對正常運行采用形接法的異步電動機，起動時定子繞組接成Y形，運行時定子繞組接成形，其接線圖如圖所示。 實際工作中，為了接線方便，電機繞組的引出線順序作了調整，接線方式如圖（b）

6、所示。對于運行時定子繞組為Y形接的籠型異步電動機則不能用這種方法起動。起動參數分析： 設三相電源的線電壓為UL，起動時每相定子繞組的阻抗模為|Z|，Y形接法的相電流和線電流用IPY和ILY表示，形接法的相電流與線電流用IP與IL表示。電機的起動電流用線電流表示。 若電動機采用接直接起動，各相定子繞組承受電源的線電壓UL，起動參數為ZUILpZUIILst3L2LstUTTstY接降壓起動時的起動參數 電機采用Y接降壓起動時的起動參數： 由式可見，Y-起動時，對供電變壓器造成沖擊的起動電流是直接起時的1/3；Y-起動時起動轉矩也是直接起動的1/3。 Y-起動比定子串電抗器起動性能要好，可用于拖動

7、TL0.3TSt的輕負載起動。 Y-起動方法簡單，價格便宜，因此在輕載起動條件下，應優先采用。我國采用Y-起動方法的電動機額定電壓都是380V，繞組是接法。ZUI3LpYpYYLstIII2)3/(LtsUTTYst3.3.自耦變壓器（起動補償器）起動自耦變壓器（起動補償器）起動 自耦變壓器也稱為起動補償器。 起動時電源電壓加在自耦變壓器高壓側，電動機接在自耦變壓器的低壓側，因此經自耦變壓器降壓后，使加在電動機定子繞組上的電壓降低，從而減小起動電流。 起動結束后電源直接加到電動機上，并切除自耦變壓器，使電動機全壓運行。自耦變壓器降壓起動的接線 變比為k時，自耦變壓器降壓起動時的起動電流和起動轉

8、矩都降低為直接起動時的1/ k2倍。自耦變壓器一般有23組抽頭，其電壓可以分別為一次電壓UL的80%、65%或80%、60%、40%。 該種方法對定子繞組采用Y型或形接法都可以使用，缺點是設備體積大，投資較貴。4.4.延邊三角形起動延邊三角形起動 延邊三角形減壓起動介于自耦變壓器起動與Y-起動方法之間。 如果將延邊三角形看成一部分為Y形接法，另一部分為形接法，則Y形部分比重越大，起動時電壓降得越多。若電源線電壓為380V，根據分析和試驗可知，Y形和形的抽頭比例為11時，電動機每相電壓是268V；抽頭比例為12時，每相繞組的電壓為290V。可見，延邊三角形可采用不同的抽頭比，來滿足不同負載特性的

9、要求。 延邊三角形起動的優點是節省金屬，重量輕：缺點是內部接線復雜。 籠型異步電動機除了可在定子繞組上想辦法減壓起動外，還可以通過改進籠的結構來改善起動性能，這類電動機主要有深槽式和雙籠式。延邊三角形起動原理圖5.2 5.2 三相繞線式異步電動機的起動三相繞線式異步電動機的起動 前面在分析機械特性時已經說明，適當增加轉子電路的電阻不僅可以降低起動電流，還可以提高起動轉矩。繞線轉子異步電動機正是利用這一特性，起動時在轉子回路中串入電阻器或頻敏變阻器來改善起動性能。5.2.1 5.2.1 轉子串接電阻器起動轉子串接電阻器起動 起動時，在轉子電路串接起動電阻器，借以提高起動轉矩，同時因轉子電阻增大也

10、限制了起動電流； 起動結束，切除轉子所串電阻。 為了在整個起動過程中得到比較大的起動轉矩，需分幾級切除起動電阻。起動接線圖和特性曲線轉子串接電阻器轉子串接電阻器起動過程 (1)接觸器KMl、KM2、KM3的主觸點全斷開，電動機定子接額定電壓，轉子每相串入全部電阻。如正確選取電阻的阻值，使轉子回路的總電阻值X20，則此時Sm1，即最大轉矩產生在電動機起動瞬間，如圖6-7（b）中曲線0中a點為起動轉矩。 (2)由于TL，電機加速到b點時，TTs2，為了加速起動過程，接觸器KMl閉合切除起動電阻，特性變為曲線1，因機械慣性，轉速瞬時不變，工作點水平過渡到c點，使該點TTs1。 (3)因Ts1TL，轉

11、速沿曲線1繼續上升，到d點時KM2閉合，被切除，電機運行點從d轉變到特性曲線2上的e點。依次類推，直到切除全部電阻；電動機便沿著固有特性曲線3加速，經h點，最后運行于i點（TTL）。 上述起動過程中，電阻分三級切除，故稱為三級起動，切除電阻時的轉矩稱切換轉矩。在整個起動過程中產生的轉矩都是比較大的，適合于重載起動，廣泛用于橋式起重機、卷揚機、龍門吊車等重載設備。其缺點是所需起動設備較多，起動時有一部分能量消耗在起動電阻上，起動級數也較少。5.2.2 5.2.2 轉子串頻敏變阻器起動轉子串頻敏變阻器起動 頻敏變阻器的結構特點： 它是一個三相鐵心線圈，其鐵心不用硅鋼片而用厚鋼板疊成，電機起動時鐵心

12、中產生渦流損耗和一部分磁滯損耗，且隨頻率的變化而變化，鐵心損耗對應的等效電阻，為隨頻率變化的電阻； 頻敏變阻器的線圈又是一個電抗，故電阻和電抗都隨頻率變化而變化，故稱頻敏變阻器，它與繞線轉子異步電動機的轉子繞組相接。三相繞線式電動機轉子串頻敏變阻器起動轉子串頻敏變阻器起動工作原理轉子串頻敏變阻器起動工作原理 起動時，s1，f2f150Hz，此時頻敏變阻器的鐵心損耗大，等效電阻大，既限制了起動電流，增大起動轉矩，又提高了轉子回路的功率因數。 隨著轉速n升高，s下降，f2減小，鐵心損耗和等效電阻也隨之減小，相當于逐漸切除轉子電路所串的電阻。 起動結束時，nnN ，f2sN fl(13)Hz，此時頻

13、敏變阻器基本不起作用，可以閉合接觸器KM主觸點，予以切除。 頻敏變阻器起動結構簡單，運行可靠，但與轉子串電阻起動相比，在同樣起動電流下，起動轉矩要小些。5.3 5.3 三相異步電動機的調速三相異步電動機的調速 人為地在同一負載下使電動機轉速從某一數值改變為另一數值，以滿足生產過程的需要，這一過程稱為調速。 近年來，隨著電力電子技術的發展，異步電動機的調速性能大有改善，交流調速應用日益廣泛，在許多領域有取代直流調速系統的趨勢。 從異步電動機的轉速關系式可以看出，異步電動機調速可分以下三大類： (1)改變定子繞組的磁極對數p 變極調速。(2)改變供電電網的頻率fl 變頻調速。 (3)改變電動機的轉

14、差率s，方法有改變電壓調速、繞線式電機轉子串電阻調速和串級調速。 5.3.15.3.1變極調速變極調速 在電源頻率不變的條件下，改變電動機的極對數，電動機的同步轉速n1就會發生變化，從而改變電動機的轉速。若極對數減少一半，同步轉速就提高一倍，電動機轉速也幾乎升高一倍。 通常用改變定子繞組的接法來改變極對數，這種電機稱多速電動機。其轉子均采用籠型轉子，因其感應的極對數能自動與定子相適應。1.1.變極調速原理變極調速原理 設定子繞組由兩個結構完全相同的線圈組構成，每一個線圈組稱半相繞組。 圖6-9（a）(b)(c)為電機定子繞組的接線形式，從圖中可以看出，只要將定子繞組的兩個半相繞組中的任何一個半

15、相繞組的電流反向，就可將磁極對數增加一倍或減少一半，這就是單繞組倍極比的變極原理，如/，/極等。三相籠型電動機變極時定子繞組接線及磁路結構示意圖2.2.三種常用的變極方案三種常用的變極方案 圖6-10是三相籠型電動機三種常用的變極方案，變極前定子的各相繞組是順串的，因而是倍極數，變極后圖6-10（a）(c)中每相繞組的兩個半相繞組改為反并，(b)中每相繞組的兩個半相繞組改為反串，極數均減少一半。必須注意的是，繞組改接后，應將B、C兩相的出引端對調，以保持高速電機與低速電機的轉向相同。 變極調速主要用于各種機床及其他設備上。它所需設備簡單、體積小、重量輕，這三種接線方案中三相繞組只需引出9個端點

16、，所以接線簡單，調速級數少。三相籠型電動機三種常用的變極方案 5.3.2 5.3.2 變頻調速變頻調速 隨著晶閘管整流和變頻技術的迅速發展，異步電動機的變頻調速應用日益廣泛，有逐步取代直流調速的趨勢，它主要用于拖動泵類負載，如通風機、水泵等。 由定子電勢方程式U1El4.44f1N1K1m可看出，當降低電源頻率f1調速時，若電源電壓U1不變，則磁通m將增加，使鐵心飽和，從而導致勵磁電流和鐵損耗的大量增加，電機溫升過高等，這是不允許的。因此在變頻調速的同時，為保持磁通m不變，就必須降低電源電壓，使U1/f1為常數。 變頻調速根據電動機輸出性能的不同可分為 （1）保持電動機過載能力不變。 （2）保

17、持電動機恒轉矩輸出。 （3）保持電動機恒功率輸出。 變頻調速的主要優點是能平滑調速、調速范圍廣、效率高。主要缺點是系統較復雜、成本較高。5.3.3 5.3.3 改變定子電壓調速改變定子電壓調速 此法用于籠型異步電動機，靠改變轉差率s調速。 對于轉子電阻大、機械特性曲線較軟的籠型異步電動機而言，如加在定子繞組上的電壓發生改變，則負載TL對應于不同的電源電壓U1、U2、U3，可獲得不同的工作點aI、a2、a3，顯然電動機的調速范圍很寬。 缺點是低壓時機械特性太軟，轉速變化大，可采用帶速度負反饋的閉環控制系統來解決該問題。 改變電源電壓調速時，過去都采用定子繞組串電抗器來實現，目前已廣泛采用晶閘管交

18、流調壓線路來實現。高轉子電阻籠型異步電動機調壓調速5.3.4 5.3.4 轉子串電阻調速轉子串電阻調速 此法只適用于繞線轉子異步電動機，靠改變轉差率s調速。 繞線轉子異步電動機轉子串電阻的機械特性如圖6-12所示。 轉子串電阻時最大轉矩不變，臨界轉差率加大。所串電阻越大，運行段特性斜率越大。若帶恒轉矩負載，原來運行在固有特性上的a點，轉子串電阻R1后，就運行于b點，轉速由na變為nb，依此類推。 若轉速越低，轉差率s越大，轉子損耗越大，低速時效率不高。 轉子串電阻調速的優點是方法簡單，主要用于中、小容量的繞線轉子異步電動機，如橋式起動機等。繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速的機械特性5.3.5

19、5.3.5 串級調速串級調速 所謂串級調速，就是在異步電動機的轉子回路串入一個三相對稱的附加電勢，其頻率與轉子電勢相同，改變的大小和相位，就可以調節電動機的轉速。它也是適用于繞線轉子異步電動機，靠改變轉差率s調速。5.4 5.4 三相異步電動機的反轉與制動三相異步電動機的反轉與制動 6.4.1 6.4.1 三相異步電動機的反轉三相異步電動機的反轉 從三相異步電動機的工作原理可知，電動機的旋轉方向取決于定子旋轉磁場的旋轉方向。因此只要改變旋轉磁場的旋轉方向，就能使三相異步電動機反轉，而旋轉磁場的旋轉方向與相序一致，所以只要改變電動機接入電源的相序，就可以改變電動機的旋轉方向。 圖6-13是利用控

20、制開關SA來實現電動機正、反轉的原理線路圖。 當SA向上合閘時，L1接A相，L2接B相，L3接C相，電動機正轉。當SA向下合閘時，L1接B相，L2接A相，L3接C相，即將電動機任意兩相繞組與電源接線互調，則旋轉磁場反向，電動機跟著反轉。異步電動機正反轉原理線路圖5.4.2 5.4.2 三相異步電動機的制動三相異步電動機的制動 電動機除了上述電動狀態外，還有制動狀態。所謂制動狀態就是電動機受到與轉子轉向相反的轉矩作用時的工作狀態，這一轉矩稱為制動轉矩。在下述情況運行時，則屬于電動機的制動狀態。 (1)在負載轉矩為位能轉矩的機械設備中(例如起重機下放重物時，運輸工具在下坡運行時)使設備保持一定的運

21、行速度。 (2)在機械設備需要減速或停止時，電動機能實現減速和停止。 三相異步電動機的制動方法有下列兩類：機械制動和電氣制動。機械制動是利用機械裝置使電動機從電源切斷后能迅速停轉。它的結構有好幾種型式，應用較普遍的是電磁抱閘，它主要用于起重機械上吊重物時，使重物迅速而又準確地停留在某一位置上。電氣制動是使電動機所產生的電磁轉矩和電動機的旋轉方向相反。常用的方法有能耗制動和反接制動。1.1.能耗制動能耗制動 方法：將運行著的異步電動機的定子繞組從三相交流電源上斷開后，立即接到直流電源上，如圖6-14所示，用斷開QS1，閉合QS2來實現。 當定子繞組通入直流電源時，在電機中將產生一個恒定磁場。轉子

22、因機械慣性繼續旋轉時，轉子導體切割恒定磁場，在轉子繞組中產生感應電動勢和電流，轉子電流和恒定磁場作用產生電磁轉矩，根據右手定則可以判定電磁轉矩的方向與轉子轉動的方向相反，為制動轉矩。 在制動轉矩作用下，轉子轉速迅速下降，當n0時，T0，制動過程結束。這種方法是將轉子的動能轉變為電能，消耗在轉子回路的電阻上，所以稱能耗制動。能耗制動的機械特性能耗制動原理 如圖6-15所示，電動機正向運行時工作在固有機械特性1上的a點。定子繞組改接直流電源后，因電磁轉矩與轉速反向，因而能耗制動時機械特性位于第二象限，如曲線2。電機運行點也移至b點，并從b點順曲線2減速到O點。 對于采用能耗制動的異步電動機，既要求有較大的的制動轉矩，又要求定、轉子回路中電流不能太大而使繞組過熱。根據經驗，能耗制動時對籠型異步電動機取直流勵磁電流為(45)I0，對繞線轉子異步電動機取(23)Io，制動所串電阻 能耗制動的優點是制動力強，制動較平穩。缺點是需要一套專門的直流電源供制動用。N2N2I3E4 . 02 . 0(）r 2.2.反接制動反接制動反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制動兩種。（1）電源反接制動方法：改變電動機定子繞組與電源的聯接相序，如圖6-16所示，斷開QS1，接通QS2即可。電源的相序改變，旋轉磁場立即反轉，而使轉子繞組中感應電勢、電流和電磁轉矩都改變方向。因機械慣性，轉子轉向未變，電磁