電機拖動技術基礎總學時：40理論學時：36實驗學時：4周學時：

4主講：王偉1電機拖動技術基礎總學時：40主講：王偉1第五章：交流電動機的工作原理及特性本章要求：1、了解異步電動機的基本結構和旋轉磁場的產生。2、掌握異步電動機的工作原理，機械特性，以及啟動、調速和制動的各種方法、特點及應用。3、掌握單相電動機的工作原理和啟動方法。4、了解同步電動機的結構特點、工作原理、運行特性及啟動方法。2第五章：交流電動機的工作原理及特性本章要求：1、了解異步電動常用的交流電動機有三相異步電動機(或稱感應電動機)和同步電動機。異步電動機結構簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有較好的穩態和動態特性，因此，它是工業中使用得最為廣泛的一種電動機，同步電機既可作發電機使用，也可作電動機使用。本章主要介紹三相異步電動機的工作原理，啟動、制動、調速的特性和方法。3常用的交流電動機有三相異步電動機(或稱感應電動機)和同步電5.1三相異步電動機的結構和工作原理一、三相異步電動機的基本結構三相異步電動機主要由定子和轉子兩個部分組成，定子是不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子和轉子之間有一定的氣隙。如圖4.1所示。45.1三相異步電動機的結構和工作原理一、三相異步電動1．定子定子由定子鐵心、繞組以及機座組成。定子鐵心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅鋼片疊壓而成，片與片之間是絕緣的，以減少渦流損耗。定子鐵心的硅鋼片的內圓沖有定子槽，槽中安放線圈，如圖4.2所示。硅鋼片鐵心在疊壓后成為一個整體，固定于機座上。定子繞組是電動機的電路部分。三相電動機的定子繞組分為三個部分對稱地分布在定子鐵心上，稱為三相繞組，分別用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C稱為首端，而X、Y、Z稱為末端。三相繞組接入三相交流電源，三相繞組中的電流在定子鐵心中產生旋轉磁場。機座主要用于固定與支撐定子鐵心。中小型異步電動機一般采用鑄鐵機座。根據不同的冷卻方式采用不同的機座型式。51．定子52．轉子：轉子由鐵心與繞組組成。轉子鐵心也是電動機磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成。轉子鐵心裝在轉軸上。硅鋼片沖片如圖4.2所示。異步電動機轉子繞組多采用鼠籠式和線繞式兩種形式。因此異步電動機按繞組形式的不同分為鼠籠式異步電動機和線繞式異步電動機兩種。線繞式和鼠籠式兩種電動機的轉子構造雖然不同，但工作原理是一致的。轉子的作用是產生轉子電流，即產生電磁轉矩。鼠籠式異步電動機轉子繞組是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環上而組成，如圖4.3（ａ）所示，小型鼠籠式轉子繞組多用鋁離心澆鑄而成，如圖4.4所示。這不僅是以鋁代銅，而且制造也快。62．轉子：轉子由鐵心與繞組組成。鼠籠式異步電動機轉子繞組是線繞式異步電動機轉子繞組是由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽內，并分為三相對稱繞組，與定子產生的磁極數相同。線繞式轉子通過軸上的滑環和電刷在轉子回路中接入外加電阻，用以改善啟動性能與調節轉速，如圖4.5所示。7線繞式異步電動機轉子繞組是由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽內，并

右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機的外形圖。下面是它主要部件的拆分圖。8右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機的外形圖。下面二、三相異步電動機的旋轉磁場由上可知，要使異步電動機轉動起來，必須要有一個旋轉磁場。異步電動機的旋轉磁場是怎樣產生的呢?它的旋轉方向和旋轉速度是怎樣確定的呢?現在分別加以說明。

1、旋轉磁場的產生當電動機定子繞組通以三相電流時，各相繞組中的電流都會產生自己的磁場。由于電流隨時間變化，它們產生的磁場也將隨時間變化，而三相電流產生的總磁場(合成磁場)不僅隨時間變化，而且是在空間旋轉的，故稱旋轉磁場。為了簡便起見，假設每相繞組只有一個線匝，分別嵌放在定子內圓周的6個凹槽之中。現將三相繞組的末端X、Y、Z相連，首端A、B、C接三相交流電源。且三相繞組分別叫做A、B、C相繞組。如圖4.6所示。9二、三相異步電動機的旋轉磁場由上可知，要使異步電動機轉動起假定定子繞組中電流的正方向規定為從首端流向末端，且A相繞組的電流iA作為參考正弦量，即iA的初相位為零，則三相繞組A、B、C的電流（相序為A—B—C）的瞬時值為：圖4.7所示是這些電流隨時間變化的曲線。10假定定子繞組中電流的正方向規定為從首端流向末端，且A相繞組下面分析不同時間的合成磁場。1).t=0時：iA=0；iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產生的合成磁場，如圖4.8（a）箭頭所示。11下面分析不同時間的合成磁場。112).t=T/6時：iA為正，電流從A端流到X端；iB為負，電流從Y端流到B端；iC=0。此時的合成磁場如圖4.8（b）所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π/3。3).t=T/3時：iA為正，電流從A端流到X端；iB=0；iC為負，電流從Z端流到A端。此時的合成磁場如圖4.8(c)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了2π/3。4).t=T/2：iA=0；iB為正，電流從B端流到Y端；iC為負，電流從Z端流到A端。此時的合成磁場如圖4.8(d)所示。合成磁場從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π。按以上分析可以證明：當三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場也在不斷旋轉，故稱旋轉磁場。122).t=T/6時：122．旋轉磁場的旋轉方向從圖4.6和圖4.7可見，A相繞組內的電流超前B相繞組內的電流2π/3，而B相繞組內的電流又超前C相繞組內的電流2π/3，同時圖4.8中所示旋轉磁場的旋轉方向為從A→B→C，即向順時針方向旋轉。如果將定子繞組接至電源的三根導線中的任意兩根線對調，例如，將B，C兩根線對調，使B相與C相繞組中電流的相位對調，如圖4.9所示，此時A相繞組內的電流超前C相繞組內的電流2π/3，而C相繞組內的電流又超前B相繞組內的電流2π/3，用上述同樣的分析方法可知，此時旋轉磁場的旋轉方向將變為A→C→B，即向逆時針方向旋轉，如圖4.10所示，即與未對調前的旋轉方向相反。由此可見，要改變旋轉磁場的旋轉方向，只要把定子繞組接到電源的三根導線中的任意兩根對調即可。132．旋轉磁場的旋轉方向133．旋轉磁場的極數與旋轉速度在交流電動機中，旋轉磁場相對定子的旋轉速度被稱為同步速度，用n0表示。以上討論的旋轉磁場，具有一對磁極（磁極對數用p表示）即p=1。從上述分析可以看出，電流變化經過一個周期（變化3600

電角度），旋轉磁場在空間也旋轉了一轉（轉了3600機械角度），若電流的頻率為f，旋轉磁場每分鐘將旋轉60f轉，即：如果把定子鐵心的槽數增加1倍（12個槽），制成如圖4.11所示的三相繞組，其中，每相繞組由兩個部分串聯組成，再將這三相繞組接到對稱三相電源使通過對稱三相電流（圖4.7），便產生具有兩對磁極的旋轉磁場。143．旋轉磁場的極數與旋轉速度如果把定子鐵心的槽數增加1倍從圖4.12可以看出，對應于不同時刻，旋轉磁場在空間轉到不同位置，此情況下電流變化半個周期，旋轉磁場在空間只轉過了π/2，即1/4轉，電流變化一個周期，旋轉磁場在空間只轉了1/2轉。由此可知，當旋轉磁場具有兩對磁極（p=2）時，其旋轉速度僅為一對磁極時的一半，即每分鐘60f/p轉。依次類推，當有p對磁極時，其轉速為：所以，旋轉磁場的旋轉速度n0與電流的頻率成正比而與磁級對數成反比，因為標準工業頻率（即電流頻率）為50Hz，因此，對應于p=1、2、3、4時，同步轉速分別為3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min。15從圖4.12可以看出，對應于不同時刻，旋轉磁場在空間轉到不三相異步電動機的工作原理，是基于定子旋轉磁場(定子繞組內三相電流所產生的合成磁場)和轉子電流(轉子繞組內的電流)的相互作用。三、三相異步電動機的基本工作原理如圖5．6(a)所示，當定子的對稱三相繞組接到三相電源上時，繞組內相通過對稱三相電流，并在空間產生旋轉磁場，該磁場沿定于內圓周方向旋轉。圖5．6(b)所示為具有一對磁極的旋轉磁場，我們擬想磁極位于定子鐵心內畫有陰影線的部分。16三相異步電動機的工作原理，是基于定子旋轉磁場(定子繞組內三相當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產生感應電勢e2、假設旋轉磁場向順時針方向旋轉，則相當于轉于導體向逆時針方向旋轉切割磁通．根據右手定則，在N極面下轉于導體中感應電勢的方向系由圖而指向讀者．而在s極面下轉于導體中感應電勢方向則由讀者指向圖面。由于電勢e2的存在，轉子繞組中將產生轉子電流i2。根據安培電磁力定律，轉子電流與旋轉磁場相互作用將產生電磁力F(其方向由左手定則決定，這里假設i2和e2同相，該力在轉子的軸上形成電磁轉矩．且轉矩的作用方向與旋轉磁場的旋轉方向相同，轉子受此轉矩作用，便按旋轉磁場的旋轉方向旋轉起來。但是，轉子的旋轉速度n(即電動機的轉速)恒比旋轉磁場的旋轉速度(稱為同步轉速)小，因為如果兩種轉速相等，轉子和旋轉磁場沒有相對運動，轉子導體不切割磁通，便不能感應電勢e2和產生電流i2，也就沒有電磁轉矩，轉子就不會繼續旋轉。因此，轉子和旋轉磁場之間的轉速差是保證轉于旋轉的主要因素。17當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產生感應電勢e2、假設由于轉子轉速不等于同步轉速，所以把這種電動機稱為異步電動機，而把轉速差(n0-n）與同步轉速n0的比值稱為異步電動機的轉差率，用S表示，即

轉差率是異步電機的一個基本物理量，它反映電機的各種運行情況。當轉子旋轉時，如果在軸上加有機械負載，則電動機輸出機械能。從物理本質上分析，異步電動機的運行和變壓器相似，即電能從電源輸入定子繞組(原繞組)，通過電磁感應的形式．以旋轉磁場作媒介。傳送到轉子繞組(副繞組)，而轉子中的電能通過電磁力的作用變換成機械能輸出。由于在這種電動機中、轉子電流的產生和電能的傳遞是基于電磁感應現象，所以異步電動機又稱為感應電動機。通常異步電動機在額定負載時，S接近于0，轉差率很小，約為0.015一0.06018由于轉子轉速不等于同步轉速，所以把這種電動機稱為異步電動機，三相電機的定子繞組．每相都由許多線圈(或稱繞組元件)所組成。1．兩種接法定子繞組的首端和末端通常都接在大電動機的接線盒的接線柱上，一般按圖4.14所示的方法排列。按照我國電工專業標準規定，定子繞組出線端的首端為D1、D2、D3，末端為D4、D5、D6。四、定子繞組線端連接方式三相電動機的定子繞組有星形（Y型）和三角形（△形）兩種不同的接法，如圖4.15所示。19三相電機的定子繞組．每相都由許多線圈(或稱繞組元件)所組成。2．線電壓與相電壓線電壓：兩相繞組首端之間的電壓，用U1表示；相電壓：一相繞組首、尾之間的電壓，用U相表示。對于星形接法，；對于三角形接法，

。3．線電流與相電流線電流：電網的供電電流，用I1表示；相電流：每相繞組的電流，用I相表示。對于星形接法，相I1=I；對于三角形接法，。4．電動機的輸入功率202．線電壓與相電壓205.額定參數電動機在制造工廠所擬定的情況下工作時，稱為電動機的額定運行，通常用額定值來表示其運行條件，這些數據大部分都標明在電動機的銘牌上。使用電動機時，必須看懂銘牌。（1）額定功率PN：在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率。PN=ηNP1N輸出功率的一般表達式為：P2=ηP1其中：η為效率；P1為輸入功率P2為輸出功率215.額定參數電動機在制造工廠所擬定的情況下工作時，稱為電動（2）額定電壓UN：在額定運行情況下，定子繞組端應加的線電壓值。如標有兩種電壓值（例如220/380V），這表明定子繞組采用Δ/Y連接時應加的線電壓值。即：三角形接法時，定子繞組應接~220V的電源電壓星形接法時，定子繞組應接~380的電源電壓。（3）額定頻率f：在額定運行情況下，定子外加電壓的頻率（f=50Hz）。（4）額定電流IN：在額定頻率、額定電壓和軸上輸出額定功率時，定子的線電流值。如標有兩種電流值（例如10.35/5.9A），則對應于定子繞組為Δ/Y連接的線電流值。三角形接法時，定子繞組應接

10.35A的電源電壓星形接法時，定子繞組應接5.9A的電源電壓。（5）額定轉速nN：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，電動機的轉速。與此轉速相對應的轉差率稱為額定轉差率SN。22（2）額定電壓UN：在額定運行情況下，定子繞組端應加的線電一般不標在電動機銘牌上的幾個額定值如下。（1）額定功率因數cos?N

：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，定子相電流與相電壓之間相位差的余弦。（2）額定效率ηN

：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，電動機輸出機械功率與輸入電功率之比，其表達式為（3）額定負載轉矩TN：電動機在額定轉速下輸出額定功率時軸上的負載載矩。（4）線繞式異步電動機轉子靜止時的滑環電壓和轉子的額定電流。通常手冊上給出的數據就是電動機的額定值。23一般不標在電動機銘牌上的幾個額定值如下。（3）額定負載轉矩T6、定子繞組連線方法的選用定子三相繞組的連接方式（Y形或Δ形）的選擇，和普通三相負載一樣，須視電源的線電壓而定。如果電源的線電壓等于電動機的額定相電壓，那么，電動機的繞組應該接成三角形；如果電源的線電壓是電動機額定相電壓的

倍，那么，電動機的繞組就應該接成星形。三角形接法時，定子繞組應接~220V的電源電壓星形接法時，定子繞組應接~380的電源電壓。（如標有兩種電流值（例如10.35/5.9A），則對應于定子繞組為Δ/Y連接的線電流值。三角形接法時，定子繞組應接10.35A的電源電壓星形接法時，定子繞組應接5.9A的電源電壓。246、定子繞組連線方法的選用定子三相繞組的連接方式（Y形或Δ例5.1電源線電壓為380V，現有兩臺電動機，其銘牌數據如下，試選擇定子繞組的連接方式。1.Y90S-4，功率1.1kW，電壓220/380V，連接方法Δ/Y，電流4.67/2.7A，轉速1400r/min，功率因數0.79。2.JY112M-4，功率4.0kW，電壓380V/660V，連接方法Δ/Y，電流8.8A/5.1A，轉速1440r/min，功率因數0.82。解：Y90S-4電動機應接星形（Y），如圖4.16(a)所示。JY112M-4電動機應接成三角形（Δ），如圖4.16(b)所示25例5.1電源線電壓為380V，現有兩臺電動機，其銘牌數據如一、三相異步電動機的定子電路三相異步電動機的電磁關系同變壓器類似，定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當于副繞組。當定子繞組接上三相電源電壓（相電壓為u1）時，則有三相電流通過（相電流為i1），定子三相電流產生旋轉磁場，其磁力線通過定子和轉子鐵心而閉合，這磁場不僅在轉子每相繞組中要感應出電動勢e2，而且在定子每相繞組中也要感應出電動勢e1（實際上三相異步電動機中的旋轉磁場是由定子電流和轉子電流共同產生的），如圖4.17所示。5．2三相異步電動機的定子電路和轉子電路26一、三相異步電動機的定子電路5．2三相異步電動機的定子電路設定子和轉子每相繞組的匝數分別為N1和N2，圖4.18所示電路圖是三相異步電動機的一相電路圖。旋轉磁場的磁感應強度沿定子與轉子間空氣隙的分布是近于按正弦規律分布的，因此，當其旋轉時，通過定子每相繞相的磁通也是隨時間按正弦規律變化的，即φ=Φmsinωt，其中，Φm是通過每相繞組的磁通最大值，在數值上等于旋轉磁場的每極磁通Φ，即為空氣隙中磁感應強度的平均值與每極面積的乘積。定子每相繞組中產生的感應電動勢為：它也是正弦量，其有效值為：式中，f1為e1的頻率。因為旋轉磁場和定子間的相對轉速為n0

，所以，定子每相繞組中產生的感應電動勢頻率為它等于定子電流的頻率，即f1=f。27設定子和轉子每相繞組的匝數分別為N1和N2，圖4.18所定子電流除產生旋轉磁通（主磁通）外，還產生漏磁通φL1

，這漏磁通只圍繞定子繞組的一相，而與其他相及轉子繞組不相連。因此，在定子每相繞組中還要產生漏磁電動勢和變壓器原繞組的情況一樣，加在定子每相繞組上的電壓也分成三個分量，即如用復數表示，則為式中，R1和X1(X1=2πf1LL1)為定子每相繞組的電阻和漏磁感抗。由于R1和X1（或漏磁通φL1）較小，其上電壓降與電動勢E1比較起來，常可忽略，于是28定子電流除產生旋轉磁通（主磁通）外，還產生漏磁通和變壓器原繞二、三相異步電動機的轉子電路如前所述,異步電動機之所以能轉動，是因為定子接上電源后，在轉子繞組中產生感應電動勢，從而產生轉子電流，而這電流同旋轉磁場的磁通作用產生電磁轉矩之故。因此，在討論電動機的轉矩之前，必須先弄清楚轉子電路中的各個物理量——轉子電動勢e2、轉子電流i2、轉子電流頻率f2、轉子電路的功率因數cos?2、轉子繞組的感抗X2以及它們之間的相互關系。旋轉磁場在轉子每相繞組中感應出的電動勢為其有效值為式中，f2為轉子電動勢e2或轉子電流i2相對于旋轉磁場的頻率29二、三相異步電動機的轉子電路如前所述,異步電動機之所以能轉動可見轉子頻率f2與轉差率S有關，也就是與轉速n有關。在n=0，即S=1（電動機開始啟動瞬間）時，轉子與旋轉磁場間的相對轉速最大，轉子導體被旋轉磁力線切割得最快，所以這時f2最高，即f2=f1。異步電動機在額定負載時，S=1.5%~6%，則f2=(0.75~3)Hz(f1=50Hz)。因為旋轉磁場和轉子間的相對轉速為(n0?n)，所以在n=0，即S=1時，轉子電動勢為

E20=4.44f1N2Φ這時，f2=f1

，轉子電動勢最大。而

E2=SE20可見轉子電動勢E2

與轉差率S

有關。30可見轉子頻率f2與轉差率S有關，也就是與轉速n有關。因因此，對于轉子每相電路，有如用復數表示，則為式中，R2和X2——轉子每相繞組的電阻和漏磁感抗。X2與轉子頻率f2有關，即在n=0，即S=1時，轉子感抗為這時f2=f1，轉子感抗最大。而可見轉子感抗X2與轉差率有關。轉子每相電路的電流為在轉子每相繞組中還要產生漏磁電動勢31因此，對于轉子每相電路，有如用復數表示，則為式中，R2和即轉子電流I2也與轉差率S有關。當S增大，即轉速n降低時，轉子與旋轉磁場間的相對轉速(n0?n)增加，轉子導體被磁力線切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。當S=0，即n0?n=0時，I2=0；當S很小時，R2>>SX20即與S近似成正比；當S接近1時，SX20>>R2，32即轉子電流I2也與轉差率S有關。當S增大，即轉速n降由于轉子有漏磁通φL2

，相應的感抗為X2

，因此，I2比E2滯后?2角，因而轉子電路的功率因數為它也與轉差率S有關。當S很小時，R2>>SX20，cos?2≈1；當S增大時，X2增大，cos?2減小；當接近1時，I2、cos?2隨S的變化關系可用圖4.19所示的曲線表示。由上可知，轉子電路的各個物理量，如電動勢、電流、頻率、感抗及功率因數等都與轉差率有關，亦即與轉速有關。33由于轉子有漏磁通φL2，相應的感抗為X2，因此，I34345．2．4三相異步電動機的能流圖三相異步電動機的功率和損耗可用圖5.21所示的能流圖來說明。從電源輸送到定子電路的電功率式中，U1、I1和cos1——定子繞組的線電壓、線電流和功率因數。

P1為異步電動機的輸入功率，其中，除去定子繞組的銅損Pcu1和定子鐵心的鐵損Pfe1外，剩下的這部分電功率Pe，借助于旋轉磁場從定子電路傳遞到轉子電路，這部分功率稱為電磁功率。從電磁功率中減去轉子繞組的銅損Pcu1(轉于鐵損忽略不計，因為轉子鐵心中交變磁化的頻率f2是很低的)后．剩下的即轉換為電動機的機械功率Pm。355．2．4三相異步電動機的能流圖三相異步電動機的功率和損在機械功率中減去機械損失功率Pm后，即為電動機的輸出(機械)功率P2，異步電動機的銘脾上所標的就是P2的額定值。輸出功率與輸入功率的比值，稱為電動機的效率，即式中，P——電動機的總功率損失。電動機在輕載時效率很低，隨著負載的增大，效率逐漸增高，通常在接近額定負載時，效率達到最高值。一般異步電動機在額定負載時的效率為0.7一0.9。容量愈大，其效率也愈高。若將Pcu1和Pm

忽略不計，則式中，T——電動機的電磁轉矩；

T2——電動機軸上的輸出轉矩，且電動機的額定轉矩則可由鋁牌上所標的額定功率和額定轉速根據式(5.24)求得36在機械功率中減去機械損失功率Pm后，即為電動機的輸出(機37375.3.1

三相異步電動機的轉矩電磁轉矩（以下簡稱轉矩）是三相異步電動機最重要的物理量之一。機械特性是它的主要特性。三相異步電動機的轉矩是由旋轉磁場的每極磁通Φ與轉子電流I2相互作用而產生的,它與Φ和I2的乘積成正比，還與轉子電路的功率因數cos?2有關，圖4.20所示反映了cos?2對轉矩的影響。5.3三相異步電動機的轉矩與機械特性385.3.1三相異步電動機的轉矩5.3三相異步電動機的轉矩與圖4.20(a)所示的是假設轉子感抗與其電阻相比可以忽略不計，即cos?2=1的情況，在圖中旋轉磁場用虛線所示的磁極表示，根據右手定則不難確定轉子導體中感應電動勢E2的方向（用外層記號表示）。因為，在這種情況下，I2與E2同相，所以，I2的方向（用內層的記號表示）與E2的方向一致，再應用左手定則確定轉子各導體受力的方向，由圖可見在cos?2=1的情況下，所有作用于轉子導體的力將產生同一方向的轉矩。39圖4.20(a)所示的是假設轉子感抗與其電阻相比可以忽略不計圖4.20(c)所示的是實際情況，電流I2比電動勢E2滯后?2角,即cos?2<1的情況，這樣，各導體受力的方向不盡相同，在同樣的電流和旋轉磁通之下，產生的轉矩較cos?2=1時為小。由此可以得出圖4.20(b)所示是假設轉子電阻與其感抗相比可以忽略不計，即cos?2=0的情況，這時I2比E2滯后900

。由圖可見，在這種情況下，作用于轉子各導體的力正好互相抵消，轉矩為零。因為40圖4.20(c)所示的是實際情況，電流I2比電動勢E2所以轉矩的另一個表示式為：式中，K——與電動機結構參數、電源頻率有關的常數；U1、U——定子繞組電壓，電源電壓；R2——轉子每相繞組的電阻；X20——電動機不動（n=0）時轉子每相繞組的感抗。41所以轉矩的另一個表示式為：式中，K——與電動機結構參數、在異步電動機中，轉速n=(1?S)n0，為了符合習慣畫法，可將T?S曲線換成轉速與轉矩之間的關系n?T曲線，即n=f(T)稱為異步電動機的機械特性。它有固有機械特性和人為機械特性之分。異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規定的接線方式，定子和轉子電路中不串接任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有（自然）機械特性。根據1．固有機械特性可得到三相異步電動機的固有機械特性曲線如圖4.21所示。5.3.2三相異步電動機的機械特性42在異步電動機中，轉速n=(1?S)n0，為了符合習慣從特性曲線上可以看出，四個特殊點可以決定特性曲線的基本形狀和異步電動機的運行性能，這四個特殊點是：(1)理想空載工作點：T=0，n=n0，S=0，此時電動機的轉速為理想空載轉速n0。(2)額定工作點：T=TN，n=nN，S=SN，此時額定轉矩和額定轉差率為式中，PN——電動機的額定功率；nN——電動機的額定轉速，一般nN=(0.94~0.985)n0；SN——電動機的額定轉差率，一般SN=0.06~0.015；TN——電動機的額定輸出轉矩。43從特性曲線上可以看出，四個特殊點可以決定特性曲線的基本形狀和（3）啟動工作點：T=Tst，n=0，S=1。將S=1代入轉矩公式中，可得可見，異步電動機的啟動轉矩Tst與U、R2及X20有關，當施加在定子每相繞組上的電壓U降低時，啟動轉矩會明顯減小；當轉子電阻適當增大時，啟動轉矩會增大；而若增大轉子電抗則會使啟動轉矩大為減小，這是我們所不需要的。通常把在固有機械特性上啟動轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的啟動能力系數。它表征了電動機啟動能力的大小。一般λst=1.0~1.2。44（3）啟動工作點：T=Tst，n=0，S=1。將（4）臨界工作點：T=Tmax，n=nm，S=Sm。欲求轉矩的最大值，可根據轉矩特性令dT

/dn=0，而得臨界轉差率再將Sm代入轉矩公式中，即可得最大轉矩Tmax的大小與定子每相繞組上所加電壓U的平方成正比，這說明異步電動機對電源電壓的波動是很敏感的。電源電壓過低，會使軸上輸出轉矩明顯下降，甚至小于負載轉矩，而造成電機停轉；最大轉矩Tmax的大小與轉子電阻的大小無關，但臨界轉差率Sm卻正比于R2，這對線繞式異步電動機而言，在轉子電路中串接附加電阻，可使Sm增大，而Tmax卻不變。45（4）臨界工作點：T=Tmax，n=nm，S異步電動機在運行中經常會遇到短時沖擊負載，如果沖擊負載轉矩小于最大電磁轉矩，電動機仍然能夠運行，而且電動機短時過載也不會引起劇烈發熱。通常把在固有機械特性上最大電磁轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載能力系數。它表征了電動機能夠承受沖擊負載的能力大小，是電動機的又一個重要運行參數。各種電動機的過載能力系數在國家標準中有規定，如普通的JO和JO2系列鼠籠式異步電動機的λm=1.8～2.2，供起重機械和冶金機械用的JZ和JZR型線繞式異步電動機的λm=2.5～2.8。在實際應用中，用轉矩特性計算機械特性非常麻煩，如把它化成用

Tmax和Sm表示的形式，則方便多了。為此，將上述公式經整理后就可得到此式為轉矩-轉差率特性的實用表達式，也叫規格化轉矩—轉差率特性。46異步電動機在運行中經常會遇到短時沖擊負載，如果沖擊負載轉矩小474748482、人為機械特性由上述分析可知：異步電動機的機械特性與電動機的參數有關，也與外加電源電壓、電源頻率有關，將機械特性關系式中的參數人為地加以改變而獲得的特性稱為異步電動機的人為機械特性，即改變定子電壓、定子電源頻率、定子電路串入電阻或電抗、轉子電路串入電阻或電抗等，都可得到異步電動機的人為機械特性。492、人為機械特性49即最大轉矩Tmax和Tst與U2

成正比，當降低定子電壓時，n0和Sm不變，而Tmax和Tst大大減小。在同一轉差率情況下，人為特性與固有特性的轉矩之比等于電壓的平方之比。因此在繪制降低電壓的人為特性時，是以固有特性為基礎，在不同的S處，取固有特性上對應的轉矩乘降低電壓與額定電壓比值的平方，即可作出人為特性曲線，如圖4.22所示。1）降低電動機電源電壓時的人為特性根據50即最大轉矩Tmax和Tst與U2成正比，當降低定子電如當定子繞組外加電壓為UN、0.8UN、0.5UN時，轉子輸出最大轉矩分別為Ta=Tmax、Tb=0.64Tmax和Tc=0.25Tmax。可見，電壓愈低，人為特性曲線愈往左移。由于異步電動機對電網電壓的波動非常敏感，運行時，如電壓降低太多，會大大降低它的過載能力與啟動轉矩，甚至使電動機發生帶不動負載或者根本不能啟動的現象。例如，電動機運行在額定負載TN下，即使λm=2，若電網電壓下降到70%UN，則由于這時，電動機也會停轉。此外，電網電壓下降，在負載不變的條件下，將使電動機轉速下降，轉差率S增大，電流增加，引起電動機發熱甚至燒壞。51如當定子繞組外加電壓為UN、0.8UN、0.5UN時，2）定子電路接入電阻或電抗時的人為特性在電動機定子電路中外串電阻或電抗后，電動機端電壓為電源電壓減去定子外串電阻上或電抗上的壓降，致使定子繞組相電壓降低,這種情況下的人為特性與降低電源電壓時的相似，如圖4.23所示。圖中實線1為降低電源電壓的人為特性，虛線2為定子電路串入電阻R1S或電抗X1S的人為特性。從圖中可看出，所不同的是定子串入R1S或X1S后的最大轉矩要比直接降低電源電壓時的最大轉矩大一些，這是因為隨著轉速的上升和啟動電流的減小，在R1S或X1S上的壓降減小，加到電動機定子繞組上的端電壓自動增大，致使最大轉矩大些；而降低電源電壓的人為特性在整個啟動過程中，定子繞組的端電壓是恒定不變的。522）定子電路接入電阻或電抗時的人為特性圖中實線1為降低電源3）改變定子電源頻率時的人為特性改變定子電源頻率f對三相異步電動機機械特性的影響是比較復雜的，下面僅定性地分析n=f(T)的近似關系。根據并注意到上列式中X20∝f，K∝1/f，且一般變頻調速采用恒轉矩調速，即希望最大轉矩Tmax保持為恒值，為此在改變頻率f的同時，電源電壓U也要作相應的變化，使U/f=常數，這在實質上是使電動機氣隙磁通保持不變。在上述條件下就存在有n0∝f，Sm∝1/f，Tst∝1/f和Tmax不變的關系，即隨著頻率的降低，理想空載轉速n0要減小，臨界轉差率要增大，啟動轉矩要增大，而最大轉矩基本維持不變，如圖4.24。533）改變定子電源頻率時的人為特性并注意到上列式中X20∝4）轉子電路串電阻時的人為特性在三相線繞式異步電動機的轉子電路中串入電阻R2r后［見圖4.25(a)］，轉子電路中的電阻為R2+R2r。根據R2r的串入對理想空載轉速n0、最大轉矩Tmax沒有影響，但臨界轉差率Sm則隨著R2r的增加而增大，此時的人為特性將是一根比固有特性較軟的一條曲線，如圖4.25(b)所示。544）轉子電路串電阻時的人為特性R2r的串入對理想空載轉速n一、異步電動機的啟動特性1．生產機械對電動機啟動的主要要求（1）有足夠大的啟動轉矩，保證生產機械能正常啟動。即要求電動機的啟動轉矩大于負載轉矩，否則電動機不能啟動。一般場合下希望啟動越快越好，以提高生產效率。（2）在滿足啟動轉矩要求的前提下，啟動電流越小越好。因為過大啟動電流的沖擊，對電網和電動機本身都是不利的。對電網而言，它會引起較大的線路壓降，特別是電源容量較小時，電壓下降太多，會影響接在同一電源上的其他負載，例如影響到其他異步電動機的正常運行甚至停車；對電動機本身而言，大的啟動電流將在繞組中產生大的損耗，引起發熱，加速電動機繞組絕緣老化，且在大電流沖擊下，電動機繞組端部受電動力的作用，有發生位移和變形的可能，容易造成短路事故。（3）要求啟動平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小對生產機械的沖擊。（4）啟動設備安全可靠，力求結構簡單，操作方便。（5）啟動過程中的功率損耗越小越好。其中，（1）和（2）兩條是衡量電動機啟動性能的主要技術指標。5．4三相異步電動機的啟動特性55一、異步電動機的啟動特性5．4三相異步電動機的啟動特性552．異步電動機的啟動特性（1）啟動電流大：異步電動機在接入電網啟動的瞬時，由于轉子處于靜止狀態，定子旋轉磁場以最快的相對速度（即同步轉速）切割轉子導體，在轉子繞組中感應出很大的轉子電動勢和轉子電流，從而引起很大的定子電流，一般啟動電流Ist可達額定電流IN的5～7倍，（2）啟動轉矩大：異步電動機啟動時，雖然啟動電流很大，但因啟動時S=1，轉子功率因數cos?2很低，因而啟動轉矩Tst=KmΦI2stcos?2st卻不大，一般Tst=(0.8~1.5)TN。異步電動機的固有啟動特性如圖4.26所示。顯然，異步電動機的這種啟動性能和生產機械的要求是相矛盾的，為了解決這些矛盾，必須根據具體情況，采取不同的啟動方法。鼠籠式異步電動機有直接啟動和降壓啟動兩種方法，線繞式異步電動機啟動方法常用的有逐級切除啟動電阻法和頻敏變阻器啟動法。采用什么啟動方法，要根據實際情況而定。562．異步電動機的啟動特性顯然，異步電動機的這種啟動性能和生產二．異步電動機的直接啟動（全壓啟動）直接啟動就是將電動機的定子繞組通過閘刀開關或接觸器直接接入電源，在額定電壓下進行啟動運行。1．特點電動機定子繞組的工作電壓和啟動電壓相等。2．直接啟動的條件由于直接啟動時啟動電流很大，因此，在什么情況下采用直接啟動，有關供電、動力部門都有規定，主要取決于電動機的功率與供電變壓器的容量之比值。分三種情況：（1）獨立變壓器供電（即變壓器供動力用電）的情況下，若電動機啟動頻繁時，電動機功率小于變壓器容量的20%時允許直接啟動；（2）獨立變壓器供電（即變壓器供動力用電）的情況下，若電動機不經常啟動，電動機功率小于變壓器容量的30%時也允許直接啟動；（3）如果沒有獨立的變壓器供電（即與照明共用電源）的情況下，電動機啟動比較頻繁，則常按經驗公式來估算，滿足下列關系則可直接啟動。57二．異步電動機的直接啟動（全壓啟動）57例5.7：有一臺要求經常啟動的鼠籠式異步電動機，其PN=20kW，Ist/IN=6.5，如果供電變壓器（電源）容量為560kVA，且有照明負載，問可否直接啟動？同樣的Ist/IN比值，功率為多大的電動機則不允許直接啟動？58例5.7：有一臺要求經常啟動的鼠籠式異步電動機，其PN=鼠籠式異步電動機直接啟動的經驗數據見表5.1。表5.1鼠籠式異步電動機直接啟動的經驗數據直接啟動因無需附加啟動設備，且操作和控制簡單、可靠，所以，在條件允許的情況下應盡量采用，考慮到目前在大中型廠礦企業中，變壓器容量已足夠大，因此，絕大多數中、小型鼠籠式異步電動機都采用直接啟動。59鼠籠式異步電動機直接啟動的經驗數據見表5.1。表5.1鼠籠三．定子串電阻或電抗器降壓啟動異步電動機采用定子串電阻或電抗器的降壓啟動原理接線圖如圖4.27所示。啟動時，接觸器1KM斷開，KM閉合，將啟動電阻Rst串入定子電路，使啟動電流減小；待轉速上升到一定程度后再將1KM閉合，Rst被短接，電動機接上全部電壓而趨于穩定運行。這種啟動方法的缺點是：·啟動轉矩隨定子電壓的平方關系下降，其機械特性見圖4.22所示，故它只適用于空載或輕載啟動的場合；·不經濟，在啟動過程中，電阻器上消耗能量大，不適用于經常啟動的電動機，若采用電抗器代替電阻器，則所需設備費較貴，且體積大。60三．定子串電阻或電抗器降壓啟動這種啟動方法的缺點是：60四．Y?Δ降壓啟動Y?Δ降壓啟動的接線圖如圖4.28所示。啟動：觸點KM和1KM閉合，2KM斷開，將定子繞組接成星形接入電網而啟動；運行：待轉速上升到一定程度后再將1KM斷開，2KM閉合，將定子繞組接成三角形接入電網，電動機啟動過程完成而轉入正常運行。Y?Δ啟動方法適用于電動機運行時定子繞組接成三角形的情況。設U1為電源線電壓，IstY

及IstΔ

為定子繞組分別接成星形及三角形的啟動電流（線電流），Z為電動機在啟動時每相繞組的等效阻抗。則有即定子接成星形時的啟動電流等于接成三角形時啟動電流的1/3，而接成星形時的啟動轉矩，接成三角形時的啟動轉矩，所以，TstY=TstΔ/3，即Y連接降壓啟動時的啟動轉矩只有Δ連接直接啟動時的1/3。所以61四．Y?Δ降壓啟動啟動：觸點KM和1KM閉合，2Y?Δ降壓啟動方法的特點：·設備簡單、經濟、啟動電流小；·啟動轉矩小，且啟動電壓不能按實際需要調節，故只適用于空載或輕載啟動的場合；·只適用于正常運行時定子繞組Δ接線的異步電動機。由于這種方法應用廣泛，我國已專門生產能采用Y?Δ降壓啟動的三相異步電動機，其定子額定電壓為380V，即電源的線電壓，連接方法為Δ。62Y?Δ降壓啟動方法的特點：62五．自耦變壓器降壓啟動自耦變壓器降壓啟動的原理接線圖如圖4.29(a)所示。啟動：1KM，2KM閉合，KM斷開，三相自耦變壓器T的三個繞組連成星形接于三相電源，使接于自耦變壓器副邊的電動機降壓啟動：運行：當轉速上升到一定值后，1KM，2KM斷開，自耦變壓器T被切除，同時KM閉合，電動機接上全電壓運行。圖4.29(b)為自耦變壓器啟動時的一相電路。63五．自耦變壓器降壓啟動啟動：1KM，2KM閉合，KM斷開由變壓器的工作原理知：副邊電壓與原邊電壓之比為，U2=KU1，啟動時加在電動機定子每相繞組的電壓是全壓啟動時的K倍，因而電流I2也是全壓啟動時的K倍，即I2=KIst（注意：I2為電動機定子電流，即變壓器副邊電流。Ist為全壓啟動時的啟動電流，即全壓啟動時電網的供電電流）；而變壓器原邊電流I1=KI2=K2Ist

，即此時電網供電電流I1是直接啟動時電流Ist的K2

倍。64由變壓器的工作原理知：副邊電壓與原邊電壓之比為，U2=K特點：·與Y?Δ降壓啟動時情況一樣，只是在Y?Δ降壓啟動時的K=1/3為定值，而自耦變壓器啟動時的K是可調節的，這就是此種啟動方法優于Y?Δ啟動方法之處，當然它的啟動轉矩也是全壓啟動時的K2

倍。·變壓器的體積大、重量重、價格高、維修麻煩，且啟動時自耦變壓器處于過電流（超過額定電流）狀態下運行，因此，不適于啟動頻繁的電動機。所以，它在啟動不太頻繁，要求啟動轉矩較大、容量較大的異步電動機上應用較為廣泛。通常把自耦變壓器的輸出端做成固定抽頭（一般有K=80%、65%和50%三種電壓，可根據需要進行選擇）、連同轉換開關（圖4.29中的KM，1KM和2KM）和保護用的繼電器等組合成一個設備，叫啟動補償器。65特點：65六、延邊三角形啟動延邊三角形啟動法就是在啟動時使定子繞組的一部分作三角形連接，另一部分作星形連接，如圖4.30(a)所示。從啟動時定子繞組連接的圖形來看，就好像將一個三角形三邊延長了一樣，因此，稱為“延邊三角形”。啟動時將定子繞組接成延邊三角形，啟動完了后將定子繞組換接成如圖4.30(b)所示的三角形。從圖4.30(a)可看出啟動時每相繞組的電壓低于作三角形連接直接啟動時的電壓，也是屬于降壓啟動，不過，這種接法與Y?Δ換接啟動法比，延邊三角形接法的相電壓較Y接法的大，所以，啟動電流和啟動轉矩都較大，具體大多少，則由星形部分繞組與三角形部分繞組匝數之比來確定。由于這種啟動方法對電動機定子繞組的出線有特殊的要求，所以用得不是很多，這里就不作進一步的分析了。66六、延邊三角形啟動從圖4.30(a)可看出啟動時每相繞組的電七、線繞式異步電動機的啟動方法鼠籠式異步電動機的啟動轉矩小，啟動電流大，因此不能滿足某些生產機械需要大啟動轉矩低啟動電流的要求。線繞式異步電動機由于能在轉子電路中串電阻，因此具有較大的啟動轉矩和較小的啟動電流，即具有較好的啟動特性。在轉子電路中串電阻的啟動方法常用的有兩種：逐級切除啟動電阻法和頻敏變阻器啟動法。1．逐級切除啟動電阻法采用逐極切除啟動電阻的方法，其目的和啟動過程與§3.4中他勵直流電動機采用逐級切除啟動電阻的方法相似，主要是為了使整個啟動過程中電動機能保持較大的加速轉矩。啟動過程如下：如圖4.31(a)所示：67七、線繞式異步電動機的啟動方法1．逐級切除啟動電阻法67啟動開始時，觸點1KM，2KM，3KM均斷開，啟動電阻全部接入，KM閉合，將電動機接入電網。電動機的機械特性如圖4.31(b)中曲線Ⅲ所示，初始啟動轉矩為TA，加速轉矩Ta1=TA?TL，這里TL為負載轉矩。在加速轉矩的作用下，轉速沿曲線Ⅲ上升，軸上輸出轉矩相應下降，當轉矩下降至TB時，加速轉矩下降到Ta2=TB?TL，這時，為了使系統保持較大的加速度，讓3KM閉合，使各相電阻中的Rst3被短接（或切除），啟動電阻由R3減為R2，電動機的機械特性曲線由曲線Ⅲ變化到曲線Ⅱ，只要R2的大小選擇合適，并掌握好切除時間，就能保證在電阻剛被切除的瞬間電動機軸上輸出轉矩重新回升到TA，即使電動機重新獲得最大的加速轉矩。以后各段電阻的切除過程與上述相似，直到轉子電阻全部被切除，電動機穩定運行在固有機械特性曲線上，即圖中曲線Ⅳ上相應于負載轉矩TL的點9，啟動過程結束。68啟動開始時，觸點1KM，2KM，3KM均斷開，啟動電阻全部2．頻敏變阻器啟動法采用逐級切除啟動電阻法來啟動線繞式異步電動機時，可以由手動操作“啟動變阻器”或“鼓形控制器”來切除電阻，也可以用繼電器-接觸器自動切換電阻，前者很難實現啟動要求，且對提高勞動生產率、減輕勞動強度不利；后者則增加附加設備等費用，且維修較麻煩。因此，單從啟動而言，逐級切除啟動電阻的方法不是很好的方法。若采用頻敏變阻器來啟動線繞式異步電動機，則既可自動切除啟動電阻，又不需要控制電器。頻敏變阻器實質上是一個鐵心損耗很大的三相電抗器，鐵心由一定厚度的幾塊實心鐵板或鋼板疊成，一般做成三柱式，每柱上繞有一個線圈，三相線圈連成星形，然后接到線繞式異步電動機的轉子電路中，如圖4.32所示。頻敏變阻器為什么能取代啟動電阻呢？因在頻敏變阻器的線圈中通過轉子電流，它在鐵心中產生交變磁通，在交變磁通的作用下，鐵心中就會產生渦流，渦流使鐵心發熱，從電能損失的觀點來看，這和電流通過電阻發熱而損失電能一樣，所以，可以把渦流的存在看成是一個電阻R。另外，鐵心中交變的磁通又在線圈中產生感應電勢，阻礙電流流通，因而有感抗X（即電抗）存在。所以，頻敏變阻器相當于電阻R和電抗X的并聯電路692．頻敏變阻器啟動法頻敏變阻器實質上是一個鐵心損耗很大的三相啟動過程中頻敏變阻器內的實際電磁過程如下：啟動開始時，n=0,S=1，轉子電流的頻率（f2=Sf)高，鐵損大（鐵損與f22成正比），相當于R大，且X∝f2，所以，X也很大，即等效阻抗大，從而限制了啟動電流。另一方面由于啟動時鐵損大，頻敏變阻器從轉子取出的有功電流也較大，從而提高了轉子電路的功率因數，增大了啟動轉矩。隨著轉速的逐步上升，轉子頻率

f2逐漸下降，從而使鐵損減少，感應電勢也減少，即由R和X組成的等效阻抗逐漸減少，這就相當于啟動過程中自動逐漸切除電阻和電抗。當轉速n=nN時，f2很小，R和X近似為零，這相當于轉子被短路，啟動完畢，進入正常運行。這種電阻和電抗對頻率的“敏感”作用，就是“頻敏”變阻器名稱的由來。70啟動過程中頻敏變阻器內的實際電磁過程如下：啟動開始時，n和逐級切除啟動電阻的啟動方法相比，采用頻敏變阻器的主要優點是：具有自動平滑調節啟動電流和啟動轉矩的良好啟動特性，且結構簡單，運行可靠，無需經常維修。它的缺點是：功率因數低（一般為0.3～0.8），因而啟動轉矩的增大受到限制，且不能用作調速電阻。因此，頻敏變阻器用于對調速沒有什么要求、啟動轉矩要求不大、經常正反向運轉的線繞式異步電動機的啟動是比較合適的。它廣泛應用于冶金、化工等傳動設備上。我國生產的頻敏變阻器系列產品，有不經常啟動和重復短時工作制啟動的兩類，前者在啟動完畢后要用接觸器KM短接（見圖4.32中虛線所示部分），后者則不需要。頻敏變阻器的鐵心和鐵軛間設有氣隙，在繞組上留有幾組抽頭，改變氣隙大小和繞組匝數，用以調整電動機的啟動電流和啟動轉矩，匝數少、氣隙大時啟動電流和啟動轉矩都大。為了使單臺頻敏變阻器的體積、重量不要過大，當電動機容量較大時，可以采用多臺頻敏變阻器串聯使用。71和逐級切除啟動電阻的啟動方法相比，采用頻敏變阻器的主要優點是八、各種啟動方法的比較和選用為了便于根據實際要求選擇合理的啟動方法，現將上述幾種常用啟動方法的啟動電壓、啟動電流和啟動轉矩的相對值列于表4.2。表中,UN、Ist和Tst為電動機的額定電壓、全壓啟動時的啟動電流和啟動轉矩，其數值可從電機的產品目錄中查到；Ust'、Ist

'和Tst'為按各種方法啟動時實際加在電動機上的線電壓、實際啟動電流（對電網的沖擊電流）和實際的啟動轉矩。72八、各種啟動方法的比較和選用表中,UN、Ist和Tst例5.8：有臺拖動空氣壓縮機的鼠籠式異步電動機,PN=40Kw,nN=1465r/min，啟動電流Ist=5.5IN，啟動轉矩Tst=1.6TN，運行條件要求啟動轉矩必須大于(0.9~1.0TN)，電網允許電動機的啟動電流不得超過3.5IN。試問應選用何種啟動方法。73例5.8：有臺拖動空氣壓縮機的鼠籠式異步電動機,PN=74745．5三相異步電動機的調速特性根據如在一定負載下，欲得到不同的轉速n，可以由改變Tmax、Sm、f和p四個參數入手，則相應地有如下幾種調速方法。755．5三相異步電動機的調速特性根據如在一定負載下，欲得到不一、調壓調速把改變電源電壓時的調速特性如圖4.33。由圖可見，電壓改變時，Tmax變化，而n0和Sm不變。1.對于恒轉矩性負載TL，負載特性曲線1與不同電壓下電動機的機械特性的交點為a、b、c，由圖可以看出：當電壓變化時，速度的變化很小，即調速范圍很小。2.對于離心式通風機型負載，負載特性曲線2與不同電壓下機械特性的交點為d、e、f，由圖可以看出，此時的調速范圍稍大。3.這種調速方法能夠無級調速，但當降低電壓時，轉矩也按電壓的平方比例減小，所以，調速范圍不大。4.在定子電路中串電阻（或電抗）和用晶閘管調壓調速都是屬于這種調速方法。76一、調壓調速由圖可見，電壓改變時，Tmax變化，而n0和當然，這種調速方法只適用于線繞式異步電動機，其啟動電阻可兼作調速電阻用，不過此時要考慮穩定運行時的發熱，應適當增大電阻的容量。轉子電路串電阻調速簡單可靠，但它是有級調速。隨轉速降低，特性變軟。轉子電路電阻損耗與轉差率成正比，低速時損耗大。所以，這種調速方法大多用在重復短期運轉的生產機械中，如在起重運輸設備中應用非常廣泛。原理接線圖和機械特性與圖4.31相同，從圖中可看出，轉子電路串不同的電阻，其n0和T

max不變，但Sm隨外加電阻的增大而增大。對于恒轉矩負載TL，由負載特性曲線與不同外加電阻下電動機機械特性的交點（9、10、11和12等點）可知，隨著外加電阻的增大，電動機的轉速降低。二、轉子電路串電阻調速77原理接線圖和機械特性與圖4.31相同，從圖中可看出，轉子電三、改變磁極對數調速在生產中大量的生產機械，它們并不需要連續平滑調速，只需要幾種特定的轉速就可以了，而且對啟動性能沒有高的要求，一般只在空載或輕載下啟動，在這種情況下用改變磁極對數調速的多速鼠籠式異步電動機是合理的。78三、改變磁極對數調速78可知：同步轉速n0與磁極對數p成反比，故改變磁極對數p即可改變電動機的轉速。以單繞組雙速電機為例，對變極調速的原理進行分析，如圖4.34所示，為簡便起見，將一個線圈組集中起來用一個線圈代表。單繞組雙速電動機的定子每相繞組由兩個相等圈數的“半繞組”組成。圖(a)中兩個“半繞組”串聯，其電流方向相同；圖(b)中兩個“半繞組”并聯，其電流方向相反。它們分別代表兩種磁極對數，即2p=4與2p=2。可見，改變磁極對數的關鍵在于使每相定子繞組中一半繞組內的電流改變方向，即可用改變定子繞組的接線方式來實現。若在定子上裝兩套獨立繞組，各自具有所需的磁極對數，兩套獨立繞組中每套又可以有不同的連接。這樣就可以分別得到雙速、三速或四速等電動機，通稱為多速電動機根據79可知：同步轉速n0與磁極對數p成反比，故改變磁極對數p注意，多速電動機的調速性質也與連接方式有關，如將定子繞組由Y改接成YY[圖4.34(a)]，即每相繞組由串聯改成并聯，則磁極對數減少了1倍，故nYY=2nY。可以證明：此時轉矩維持不變，而功率增加了1倍，即屬于恒轉矩調速性質；而當定子繞組由Δ改接成YY[圖4.34(b)]時，磁極對數也減少了1倍，即nYY=2nΔ，也可以證明，此時功率基本維持不變，而轉矩約減少了1倍，即屬于恒功率調速性質。另外，由于磁極對數的改變，不僅使轉速發生了改變，而且三相定子繞組中電流的相序也改變了，為了改變磁極對數后仍維持原來的轉向不變，就必須在改變磁極對數的同時，改變三相繞組接線的相序，如圖4.35所示，將B和C相對換一下，這是設計變極調速電動機控制線路時應注意的一個問題。多速電動機啟動時宜先接成低速，然后再換接為高速，這樣可獲得較大的啟動轉矩。多速電動機雖其體積稍大、價格稍高、只能有級調速，但因結構簡單、效率高、特性好，且調速時所需附加設備少，因此，廣泛用于機電聯合調速的場合，特別是中、小型機床上用得極多。80注意，多速電動機的調速性質也與連接方式有關，如將定子繞組由Y四、變頻調速從圖4.24所示的改變定子電源頻率時的人為機械特性可以看出，異步電動機的轉速正比于定子電源的頻率f，若連續地調節定子電源頻率f，即可實現連續地改變電動機的轉速。變頻調速用于一般鼠籠式異步電動機，采用一個頻率可以變化的電源向異步電動機定子繞組供電，這種變頻電源多為晶閘管變頻裝置。異步電動機的變頻調速是一種很好的調速方法81四、變頻調速8182825.6三相異步電動機的制動5.6.1

能耗制動實現：制動時，S1斷開,電機脫離電網，同時S2閉合,在定子繞組中通入直流勵磁電流。

直流勵磁電流產生一個恒定的磁場，因慣性繼續旋轉的轉子切割恒定磁場，導體中感應電動勢和電流。感應電流與磁場作用產生的電磁轉矩為制動性質，轉速迅速下降，當轉速為零時，感應電動勢和電流為零，制動過程結束。

制動過程中，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路電阻上——能耗制動。異步電動機和直流電動機一樣，亦有三種制動方式：反饋制動、反接制動和能耗制動。835.6三相異步電動機的制動5.6.1能耗制動實現：制動時，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矩。

對繞線型異步電動機,可以增大轉子回路電阻來增大初始制動轉矩。制動電阻大小：84nTemA0n1C1B23對籠型異步電動機,可一、電源兩相反接的反接制動5.6.2

反接制動實現：將電動機電源兩相反接可實現反接制動。機械特性由曲線1變為曲線2，工作點由A→B→C，n=0,制動過程結束。繞線式電動機在定子兩反接同時,可在轉子回路串聯制動電阻來限制制動電流和增大制動轉矩

,曲線3。85一、電源兩相反接的反接制動5.6.2反接制動實現：將電動機二、倒拉反轉的反接制動條件:適用于繞線式異步電動機帶位能性負載情況。實現：在轉子回路串聯適當大電阻RB。電機工作點由A→B→C，n=0，制動過程開始，電機反轉子，直到D點。在第四象限才是制動狀態。由于電機反向旋轉，n<0，所以s>1。86二、倒拉反轉的反接制動條件:適用于繞線式異步電動機帶位能性反接制動時，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，并軸定子向轉子傳遞功率。而表明，軸上輸入的機械功率轉變成電功率后，連同定子傳遞給轉子的電磁功率一起消耗在轉子回路電阻上，所反接制動的能量損耗較大。87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，5.6.3

回饋制動（反饋制動）實現：電動機轉子在外力作用下，使n>n1.

回饋制動狀態實際上就是將軸上的機械能轉變成電能并回饋到電網的異步發電機狀態。一、下放重物時的回饋制動

首先將定子兩相反接,定子旋轉磁場的同步速為-n1，特性曲線變為2。工作點由A到B。經過反接制動過程（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點保持穩定運行。電機機械特性曲線1，運行于A點。885.6.3回饋制動（反饋制動）實現：電動機轉子在外力作用下二、變極或變頻調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，電磁轉矩為負，，電機處于回饋制動狀態。當電機采用變極（增加極數）或變頻（降低頻率）進行調速時，機械特性變為2。同步速變為。89二、變極或變頻調速過程中的回饋制動電機機械特性曲線1，運行于90909191一、反饋制動由于某種原因異步電動機的運行速度高于它的同步速度，即n>n0，S=(n0?n)/n0<0，異步電動機就進入發電狀態。顯然，這時轉子導體切割旋轉磁場的方向與電動狀態時的方向相反，電流I2改變了方向，電磁轉矩T=KmΦI2cos?2也隨之改變方向，即T與n的方向相反，T起制動作用。反饋制動時，電機從軸上吸取功率后，一部分轉換為轉子銅耗，大部分則通過空氣隙進入定子，并在供給定子銅耗和鐵耗后，反饋給電網。所以，反饋制動又稱發電制動，這時異步電動機實際上是一臺與電網并聯運行的異步發電機。由于T為負，S<0，所以，反饋制動的機械特性是電動狀態機械特性向第二象限的延伸，如圖4.36所示。5．6三相異步電動機的制動特性異步電動機和直流電動機一樣，亦有三種制動方式：反饋制動、反接制動和能耗制動。925．6三相異步電動機的制動特性92異步電動機的反饋制動運行狀態有兩種情況。1）負載轉矩為位能性轉矩的起重機械在下放重物時的反饋制動運行狀態。例如，橋式吊車，電動機反轉（在第三象限）下放重物。開始在反轉電動狀態工作，電磁轉矩和負載轉矩方向相同，重物快速下降，直至|?n|>|?n0|，即電機的實際轉速超過同步轉速后，電磁轉矩成為制動轉矩，當T=TL時，達到穩定狀態，重物勻速下降，如圖4.35中的a點。改變轉子電路內的串入電阻，可以調節重物下降的穩定運行速度，如圖4.35中的b點，轉子電阻越大，電機轉速就越高，但為了不致因電機轉速太高而造成運行事故，轉子附加電阻的值不允許太大。93異步電動機的反饋制動運行狀態有兩種情況。932）電動機在變極調速或變頻調速過程中，磁極對數突然增多或供電頻率突然降低，同步轉速n0突然降低時的反饋制動運行狀態。例如，某生產機械采用雙速電動機拖動，高速運行時為4極（2p=4），n0=1500

r/min；低速運行時為8極（2p=8），n0=750r/min；高速和低速情況下的機械特性如圖4.37所示。當電動機由高速檔切換到低速檔時，由于轉速不能突變，在降速開始一段時間內，電機運行到n02的機械特性的發電區域內（b點），此時電樞所產生的電磁轉矩為負，和負載轉矩一起，迫使電動機降速，在降速過程中，電機將運行系統中的動能轉換成電能反饋到電網，當電動機在高速檔所儲存的動能消耗完后，電機就進入p=8的電動狀態，一直到電動機的電磁轉矩又重新與負載轉矩相平衡，電機穩定運行在c點。942）電動機在變極調速或變頻調速過程中，磁極對數突然增多或供電二、電源反接制動如果正常運行時異步電動機三相電源的相序突然改變，即電源反接，這就改變了旋轉磁場的旋轉方向，電動機的機械特性曲線就由第一象限的曲線1變成了第三象限的曲線2，如圖4.38所示。由于機械慣性的原因，轉速不能突變，系統運行點只能由a點平移至特性曲線2的b點上，電磁轉矩由正變負，則轉子將在電磁轉矩和負載轉矩的共同作用下迅速減速。在從點b到點c的整個第二象限內，電磁轉矩T和轉速n的方向都相反，電機進入反接制動狀態。待n=0時（點c），應將電源切斷，否則電動機將反向啟動運行。由于反接制動時電流很大，因此鼠籠式電動機應在定子電路中串接電阻；線繞式電動機則應在轉子電路中串接電阻，這時的人為機械特性如圖4.38的曲線3所示，制動時工作點由a點轉換到d點，然后沿特性3減速，至n=0（e點），切斷電源。95二、電源反接制動在從點b到點c的整個第二象限內，電磁轉2．倒拉制動倒拉制動出現在位能負載轉矩超過電磁轉矩的時候，例如起重機下放重物，為了使下降速度不致太快，就常用這種工作狀態。若起重機提升重物時穩定運行在特性曲線l的a點(如圖5．44所示)，欲使重物下降，就在轉子電路內串人較大的附加電阻，此時系統運行點將從特性曲線1之a點移至特性曲線2之b點，負載轉矩TL將大于電動機的電磁轉矩了，電動機減速到c點(即n=0)，這時由于電磁轉矩T仍小于負載轉矩TL，重物將迫使電動機反向旋轉，重物被下放，即電動機轉速n由正變負，S＞1，機械特性由第一象限延伸到第四象限，電動機進入反接制動狀態。隨著下放速度的增加，S增大，轉子電流Is和電磁轉矩隨之增大，直至T＝TL系統達到相對平衡狀態，重物以-ns等速下故。可見，與電源反接的過渡制動狀態不