2025/6/261三相交流電動機的電力拖動★4.1電力拖動系統基礎★4.2三相異步電動機的電力拖動★4.3三相同步電動機的拖動★4.4應用實例★4.5三相交流電動機電力拖動的仿真2025/6/2624.1電力拖動系統基礎原動機帶動生產機械運動，或通過傳動機構經過中間變速或運動方式變換，再帶動生產機械的工作機構運動稱為電力拖動。電力拖動系統組成如圖4-1所示。圖4-1電力拖動系統構成2025/6/2634.1電力拖動系統基礎電力拖動系統可分為典型的單軸或多軸拖動系統，又可按照不同的生產機械負載分為以下幾種類型：⒈摩擦類負載圖4-2多軸拖動系統它的特點是：由多根轉動軸組成的旋轉運動系統。2025/6/2644.1電力拖動系統基礎⒉位能類負載圖4-3位能性負載拖動系統它的特點是：位能負載為主，還包括有少量的摩擦負載。2025/6/2654.1電力拖動系統基礎3.鼓風機類負載圖4-4鼓風機類負載拖動系統它的特點是：阻轉矩隨著轉速的升高而不斷地增大。2025/6/2664.1電力拖動系統基礎4.1.1運動方程式由于可以將各種類型生產機械運動系統折算為等效的典型的一根旋轉軸的單軸拖動系統，即電動機、傳動機構、工作機構等所有運動部件均以同一轉速旋轉。1.單軸拖動系統運動方程式

依照動力學定律，電動機的電磁轉矩T除克服運動系統的負載轉矩TL=T2+T0之外，還使整個系統沿著電動機電磁轉矩的方向產生角加速度

，而

的大小與旋轉體的轉動慣量J成正比。即2025/6/2674.1電力拖動系統基礎2.拖動系統運動方程式的實用表達式

在工程計算中，表示轉動快慢用轉速n，而不用角速度Ω；表示旋轉物體的慣性用飛輪矩GD2，而不用轉動慣量J。注意：GD2這個物理量是表示整個旋轉系統的飛輪矩，它是各個旋轉部件飛輪矩折算到電動機軸上的總和.2025/6/2684.1電力拖動系統基礎所以，電力拖動系統的基本運動方程式為2025/6/2694.1電力拖動系統基礎上式表明T與TL不平衡是系統運轉速度n產生變動的原因，即當

時，

，系統處于加速過程，轉速升高；當時

，

，系統處于減速過程，轉速降低。不管是轉速n↑，還是n↓，電力拖動系統的轉速都處于變化過程中，所以稱這種工作狀態為過渡過程或動態。當

時

，

，系統處于恒定轉速運轉或靜止不動狀態，n=const，系統的這種工作狀態稱為穩定狀態或靜態。2025/6/26104.1電力拖動系統基礎4.1.2生產機械的負載轉矩特性

生產機械的負載轉矩特性指的是電動機轉速n與負載轉矩TL之間的函數關系。生產機械的負載轉矩特性曲線，按負載性質的不同可歸納為三種類型。

1．恒轉矩型機械特性

恒轉矩負載的特點是負載轉矩為常數，不隨轉速的變化而變化，即TL=常數。這類負載的生產機械有起重機、金屬切削機床的進給裝置、卷揚機、龍門刨床、印刷機和載物時的傳送帶等。它又具體分為：(1)反抗性恒轉矩特性

轉矩總是阻礙運動的。當轉動方向改變時，負載轉矩的方向也隨之改變。2025/6/26114.1電力拖動系統基礎(2)位能性恒轉矩特性

它是受重力作用而產生的轉矩。當轉動方向改變時，位能性轉矩仍保持其原來的作用方向。(a)反抗性恒轉矩特性(b)位能性恒轉矩特性圖4-5恒轉矩機械特性2025/6/26124.1電力拖動系統基礎2．恒功率型機械特性

恒功率負載的特點是負載轉矩TL與轉速n成反比，其乘積近似保持不變。如機床對零件的切削運動就屬于這類負載的生產機械。恒功率型機械特性

，即圖4-6恒功率機械特性2025/6/26134.1電力拖動系統基礎3．通風機型機械特性

這種負載轉矩的大小與運行速度的平方成正比，如通風機、水泵、油泵等都屬于這種負載。這些設備中的空氣、水、油對機器葉片的阻力與轉速的平方成正比。

通風機型機械特性為

，而實際的通風機負載機械特性為TL=T0＋kn2圖4-7理想通風機負載機械特性圖4-8實際通風機負載機械特性2025/6/26144.1電力拖動系統基礎4.1.3電力拖動系統穩定運行的條件

由旋轉運動方程

可知，當

時，過渡過程加速，當

時，過渡過程減速，而電力拖動穩定運行條件:常數，即

，即電動機的機械特性與負載的機械特性的交點上（工作點），以下分交點a、b兩種情況討論。1.工作在a

點分兩種情況：（1）由圖4-9(a)可知，干擾使負載轉矩TL

，則電磁轉矩T<TL，由電動機的機械特性曲線可知n

，T

，系統運行到a'點，干擾過后由于T＞TL，使n

，T

，則T=TL，系統回到a點，即穩定工作點。

2025/6/26154.1電力拖動系統基礎（2）由圖4-9(b)可知，干擾使負載轉矩TL

，則電磁轉矩T>TL，由電動機的機械特性曲線可知n

，T

，T=TL→a"點，干擾過后由于T＜TL

，使n

，T

，T=TL

，系統回到a點，即穩定工作點。

(a)干擾使TL

(b)干擾使TL

圖4-9拖動系統工作在a點運行情況2025/6/26164.1電力拖動系統基礎2.工作在b

點分兩種情況:（1）由圖4-10可知，干擾使負載轉矩TL

，則電磁轉矩T<TL，由電動機的機械特性曲線可知n

，T

，則n

，最終n=0，即堵轉，干擾過后由于T＜TL，不能運行。

（2）干擾使負載轉矩TL

，則電磁轉矩T>TL，由電動機的機械特性曲線可知n

，T

，則n

，系統運行到b'點，干擾過后由于T＜TL，n

，T

，系統運行到a

點，即穩定工作點。

2025/6/26174.1電力拖動系統基礎圖4-10拖動系統工作在b點運行情況2025/6/26184.1電力拖動系統基礎則由此可得如下結論，交點a為穩定工作運行點，b為不穩定運行點，即穩定運行的充分條件:圖4-11拖動系統穩定運行情況2025/6/26194.2三相異步電動機的電力拖動4.2.1異步電動機的機械特性

異步電動機的機械特性是指電動機的轉速n與轉矩T的關系

，由前面的運動方程可知，它決定拖動系統穩定運行及過渡過程的工作情況。其中，固有機械特性是指在額定電壓及額定頻率下，定子及轉子電路不外接電阻，電磁轉矩與轉子轉速(或轉差率)之間的關系，即

，具體可有以下兩種表達式。2025/6/26204.2三相異步電動機的電力拖動圖4-12異步電動機的機械特性2025/6/26214.2三相異步電動機的電力拖動1.參數表達式由近似等值電路得則2025/6/26224.2三相異步電動機的電力拖動由上式可得幾個特殊點分析：①最大轉矩

，則得如下的近似式：2025/6/26234.2三相異步電動機的電力拖動則,結論：

，；；②過載倍數最大轉矩與額定轉矩之比，稱為電動機的過載倍數或過載能力。即2025/6/26244.2三相異步電動機的電力拖動③最初起動轉矩結論：

2025/6/26254.2三相異步電動機的電力拖動④起動轉矩倍數最初起動轉矩與額定轉矩之比，稱為電動機的起動轉矩倍數，即⑤額定工作點電動機的轉矩和轉速均為額定值的工作點,即

。⑥同步轉速點電動機的轉速為同步轉速和轉矩為零的工作點，即

。2025/6/26264.2三相異步電動機的電力拖動2.電磁轉矩的實用表達式由參數表達式得

2025/6/26274.2三相異步電動機的電力拖動，則得機械特性的實用表達式2025/6/26284.2三相異步電動機的電力拖動4.2.2異步電動機的人為機械特性

由電動機的機械特性參數表達式可知，異步電動機電磁轉矩T的數值是由某一轉速n(或s)下，電源電壓Us、電源頻率f1、定子極對數np、定子及轉子電路的電阻Rs、Rr'及電抗Xls、Xlr'等參數決定，人為地改變電源電壓、電源頻率、定子極對數、定子和轉子電路的電阻及電抗等參數，可得到不同的人為機械特性。⒈降低定子電壓

同步轉速與定子電壓無關，臨界轉差率也與定子電壓無關。隨著定子電壓的降低，最大轉矩和起動轉矩大幅度減少。2025/6/26294.2三相異步電動機的電力拖動圖4-13改變電源電壓的人為機械特性2025/6/26304.2三相異步電動機的電力拖動2轉子電路串電阻

轉子電路串電阻后，最大轉矩保持不變，而臨界轉差率增加，起動轉矩視具體情況而定。圖4-15繞線式異步電動機轉子電路串電阻時的人為機械特性2025/6/26314.2三相異步電動機的電力拖動4.2.3三相異步電動機的起動1.三相異步電動機的起動問題及起動方法

對于三相異步電動機的起動，要求：①電動機應有足夠大的起動轉矩；②在滿足起動轉矩要求的前提下，起動電流越小越好；③起動設備應力求結構簡單、操作方便、價格低廉、制造和維修方便；④應力求降低起動過程中的能量損耗。

一般電動機的起動電流可達額定電流的4～7倍，這樣大的起動電流，一方面使電源和線路上產生很大的壓降，影響其他用電設備的正常運行，使電動機的轉速下降，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。2025/6/26324.2三相異步電動機的電力拖動

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。(1)起動時的情況起動瞬間s=1，根據電磁轉矩和轉子電流的公式，有2025/6/26334.2三相異步電動機的電力拖動

電機起動時一般要求：Tst>

1.2TL，Ist=（4～7）IN，若起動轉矩Tst過小，將無法直接起動電動機。若起動電流Is過大，將造成電動機過熱，減少其壽命，產生強大的電動力，損壞電機，甚至危害到人的生命，還會使電網電壓降低，影響其他正常生產的電動機，易生產出廢品。(2)起動方法①直接起動

該方法適用于小容量籠型電動機。容量在7.5KW以下的籠型電動機均可以直接起動，一般按可下面經驗公式決定：2025/6/26344.2三相異步電動機的電力拖動

若上式成立，則可以采用直接起動，否則要用降壓起動。同時，需要校驗電動機的起動轉矩是否大于負載轉矩。②鼠籠型異步電動機的降壓起動a.定子串電抗或電阻起動則

解得

2025/6/26354.2三相異步電動機的電力拖動——串聯電抗起動的起動電流減小倍數同理，若串聯電阻起動，則起動電阻為電磁轉矩與定子電流的平方成正比。2025/6/26364.2三相異步電動機的電力拖動

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，從而減小起動電流。但定子邊串電阻起動時，能耗較大，實際應用不多。2025/6/26374.2三相異步電動機的電力拖動圖4-16定子串電阻或電抗的降壓起動控制線路2025/6/26384.2三相異步電動機的電力拖動b.Y—Δ起動

設UN為線電壓；ZK為電機的短路阻抗。Y接法時，

Δ接法時2025/6/26394.2三相異步電動機的電力拖動

即采用Y—Δ起動，線電流降低到直接起動時的三分之一。同理分析可知轉矩關系：

即采用Y—Δ起動，轉矩降低到直接起動時的三分之一。控制線路如圖4-18。2025/6/26404.2三相異步電動機的電力拖動圖4-18Y—Δ起動控制電路2025/6/26414.2三相異步電動機的電力拖動c.自耦變壓器降壓起動供電電源變壓器提供的直接起動電流Ist為2025/6/26424.2三相異步電動機的電力拖動

采用自耦變壓器降壓起動時，對電網的沖擊電流降低到直接起動時的

倍。

電壓抽頭可以根據負載情況及電源情況來選擇，一種是40%、60%、80%，另一種是55%、64%、73%。自耦變壓器適用于大中型電動機的重載起動。控制線路如圖4-19。2025/6/26434.2三相異步電動機的電力拖動圖4-19自耦變壓器降壓起動控制電路2025/6/26444.2三相異步電動機的電力拖動

2繞線型三相異步電動機的起動

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。(1)轉子串電阻分級起動2025/6/26454.2三相異步電動機的電力拖動

開始起動時，在轉子中串入合適的電阻，以最大電磁轉矩起動。通過適時切除電阻，可使起動時間縮短。最后達到穩定工作點。該方法既可限制起動電流，又可提高起動轉矩。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。

2025/6/26464.2三相異步電動機的電力拖動圖4-21轉子串電阻分級起動

(a)分級起動電路(b)機械特性2025/6/26474.2三相異步電動機的電力拖動(2)轉子串頻敏變阻器起動

頻敏變阻器的特點是它的阻值會隨著轉速的升高而自動減小。電機開始起動時，轉子電流的頻率較高，頻敏變阻器的等效電阻比較大，可起到限制起動電流和提高起動轉矩的作用。隨著轉速的升高，轉子電流的頻率下降，頻敏變阻器的等效電阻也隨之減小，使電動機起動平滑。當轉速接近額定值時，可將頻敏變阻器切除。2025/6/26484.2三相異步電動機的電力拖動4.2.4三相異步電動機的制動1.三相異步電動機的回饋制動(1)回饋制動的實現及能量關系電動機在外力（如起重機下放重物）作用下，電機的轉速大于同步轉速，轉子中感應電動勢、電流和轉矩的方向都發生了變化，轉矩方向與轉子轉向相反，成為制動轉矩。圖4-24回饋制動原理圖2025/6/26494.2三相異步電動機的電力拖動即產生回饋條件：

，此時由功率平衡關系可知，電動機處于發電運行。圖4-25三相異步電動機的回饋制動電路2025/6/26504.2三相異步電動機的電力拖動，不計電動機本身損耗P0時，軸上輸出的機械功率電磁功率制動時電機軸上機械能被轉化為電能由轉子側傳送到定子側。2025/6/26514.2三相異步電動機的電力拖動上式表明，由轉子側傳送到定子側的功率最終回送電網。此時電動機將機械能轉變為電能饋送電網，所以稱回饋制動。2025/6/26524.2三相異步電動機的電力拖動2.反接制動(1)定子兩相反接的反接制動

改變電動機定子繞組與電源的聯接相序，如圖4-27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，電磁轉矩與轉子轉向相反，電機進行制動，此稱電源反接制動。2025/6/26534.2三相異步電動機的電力拖動圖4-27定子電源反接制動原理2025/6/26544.2三相異步電動機的電力拖動轉子實際旋轉方向與定子磁場旋轉方向相反：n與n1方向相反，則轉差率2025/6/26554.2三相異步電動機的電力拖動電動機輸入功率為

，即反接制動時，電動機從軸上輸入機械功率，也從電網輸入電功率，并全部消耗在轉子繞組電阻中。為保護電機不致過熱損壞，即限制制動電流和增大制動轉矩，需在轉子回路串入較大的制動電阻。制動電阻的計算方法：①當采用反接制動方式實現制動停車時，可根據要求的最大制動轉矩來計算所需要的制動電阻。②當采用反接制動方式下放重物時，可根據要求的穩定下放速度來確定所需要的附加制動電阻值。2025/6/26564.2三相異步電動機的電力拖動(2)轉速反向的反接制動（倒拉反接制動）

當繞線轉子異步電動機拖動位能性負載時，定子接線不變，在轉子回路中串入一個較大的電阻。因此時電磁轉矩小于負載轉矩，轉速下降，當電機減速至n＝0時，電磁轉矩仍小于負載轉矩，在位能負載的作用下，使電動機反轉。

當Tst

<TL時，電動機反轉，

稱為倒拉反接制動。繞線轉子異步電動機倒拉反接制動狀態，常用于起重機低速下放重物。2025/6/26574.2三相異步電動機的電力拖動3.能耗制動能耗制動基本原理：沒有外加的交流電源，在直流磁場的作用下，將儲存的能量消耗完。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。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，該電磁轉矩的方向與轉子轉動的方向相反，為制動轉矩。2025/6/26584.2三相異步電動機的電力拖動圖4-28能耗制動原理圖2025/6/26594.2三相異步電動機的電力拖動4.2.5三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。

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np—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。后2種屬于無級調速。2025/6/26604.2三相異步電動機的電力拖動1.變極調速(1)變極方法

電流反向變極法指繞組改接后，使其中一半繞組中的電流改變了方向，從而改變了極對數。（a）反向串聯或反向并聯np=12025/6/26614.2三相異步電動機的電力拖動（b）正向串聯np=2圖4-30改變極對數的調速原理2025/6/26624.2三相異步電動機的電力拖動2.變頻調速隨著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Us≈Eg＝4.44f1N1Kw1Φm可看出，當降低電源頻率f1調速時，若電源電壓Us不變，則磁通Φm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Φm不變，就必須降低電源電壓，使Us/f1為常數。變頻調速根據電動機輸出性能的不同可分為：保持電動機過載能力不變；保持電動機恒轉矩輸出；保持電動機恒功率輸出。2025/6/26634.2三相異步電動機的電力拖動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。

三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是：

，只要控制好

和

，便可達到控制磁通

的目的，因而采用變壓變頻調速的基本控制方式：(1)基頻以下調速保持

不變，當頻率

從額定值

向下調節時，使

常值，采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。當電動勢值較高時，忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓

，則得

，這是恒壓頻比的控制方式。2025/6/26644.2三相異步電動機的電力拖動低頻時，

和

都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，可以人為地把電壓

抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性如圖4-33中的b線，無補償的控制特性則為a線。圖4-33恒壓頻比控制特性2025/6/26654.2三相異步電動機的電力拖動(2)基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率從

向上升高，保持

，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電動機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖4-34所示。圖4-34異步電機變壓變頻調速的控制特性2025/6/26664.2三相異步電動機的電力拖動在基頻以下，磁通恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時磁通降低，基本上屬于“恒功率調速”。2025/6/2667已知3、繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速當電源電壓一定時，主磁通Φm基本上是定值，轉子電流I