電機及拖動基礎(chǔ)第三章課件

1、第三章三相異步電動機的電力拖動 凡是由電動機拖動生產(chǎn)機械，完成一定工藝要求的系統(tǒng)，都稱為電力拖動系統(tǒng)。生產(chǎn)機械稱為電動機的負載。電力拖動系統(tǒng)一般由控制設(shè)備、電動機、傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械和電源五部分組成，如圖3-1所示。 電動機作為原動機，通過傳動機構(gòu)帶動生產(chǎn)機械執(zhí)行某一生產(chǎn)任務(wù)；控制設(shè)備由各種控制電機、電器、自動化元件及工業(yè)控制計算機、可編程序控制器等組成，用以控制電動機的運動，從而對生產(chǎn)機械的運動實現(xiàn)自動控制；電源的作用是向電動機和其他電氣設(shè)備供電。最簡單的電力拖動系統(tǒng)如日常生活中的電風(fēng)扇、洗衣機、工業(yè)生產(chǎn)中的水泵等；復(fù)雜的電力拖動系統(tǒng)如軋鋼機、電梯等。 本章中首先介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

2、，然后介紹生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩特性和三相異步電動機的機械特性，最后主要研究三相異步電動機拖動應(yīng)用的三大問題起動、制動、調(diào)速。第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 電力拖動系統(tǒng)中所用的電動機種類很多，生產(chǎn)機械的性質(zhì)也各不相同。因此，需要找出它們普遍的運動規(guī)律，予以分析。從動力學(xué)的角度看，它們都服從動力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。所以，我們首先研究電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)，建立電力拖動系統(tǒng)的運動方程式。一、單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 所謂單軸電力拖動系統(tǒng)，就是電動機輸出軸直接拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，如圖3-2所示。 根據(jù)牛頓第二定律，物體作直線運動時，作用在物體上的拖動力F總是與阻力FL以及速度變化時產(chǎn)生的慣性力ma所平衡。

3、平衡方程式寫為式中F拖動力(N)；FL阻力(N)；m物體的質(zhì)量(kg)；a物體獲得的加速度(m/s2)，a=dv/dt；v物體運動的線速度(m/s)。 與直線運動時相似，做旋轉(zhuǎn)運動的電力拖動系統(tǒng)運動平衡關(guān)系，即運動方程式為(忽略T0)式中T電動機的拖動轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)(Nm)；TL生產(chǎn)機械的阻力矩(負載轉(zhuǎn)矩)(Nm)；G轉(zhuǎn)動體所受的重力(N)，G=mg；D轉(zhuǎn)動體的慣性直徑(m)；GD2物體的飛輪力矩(Nm2)，它是電動機飛輪力矩和生產(chǎn)機械飛輪力矩之和，為一個整體的物理量，反映了轉(zhuǎn)動體的慣性大小。電動機和生產(chǎn)機械各旋轉(zhuǎn)部分的飛輪力矩可在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄中查到。二、電力拖動系統(tǒng)運動狀態(tài)的分析 電力拖

4、動系統(tǒng)的運動狀態(tài)，即是處于靜態(tài)(靜止不動或勻速)還是處于動態(tài)(加速或減速)，是用運動方程式來判斷的。 先任意規(guī)定某一旋轉(zhuǎn)方向為正向運動，即n0，則反向運動n0。運動方程式中電磁轉(zhuǎn)矩T和負載轉(zhuǎn)矩TL的正、負有如下規(guī)定：T幫助正向運動為正，反對正向運動為負；T幫助反向運動為負，反對反向運動為正。TL反對正向運動為正，幫助正向運動為負；TL反對反向運動為負，幫助反向運動為正。若轉(zhuǎn)矩為負，把負號提到轉(zhuǎn)矩符號前面，如-T。 無論正向還是反向運動，T與n同向時，為拖動轉(zhuǎn)矩；T與n反向時，為制動轉(zhuǎn)矩。TL也同理。對正向運動而言，電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)分析如下：1)當(dāng)T=TL時，dn/dt=0，則n=0或n=

5、常數(shù)，即電力拖動系統(tǒng)處于靜止不動或勻速運行的穩(wěn)定狀態(tài)。2)當(dāng)TTL時，dn/dt0，電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過渡過程中。3)當(dāng)TTL時，dn/dt0，電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也是過渡過程。 由此可知，系統(tǒng)在T=TL穩(wěn)定運行時，一旦受到外界的干擾，平衡被打破，轉(zhuǎn)速將會變化。對于一個穩(wěn)定系統(tǒng)來說，要求具有恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 當(dāng)T-TL=常數(shù)時，系統(tǒng)處于勻加速或勻減速運動狀態(tài)，其加速度或減速度dn/dt與飛輪力矩GD2成反比。飛輪力矩GD2越大，系統(tǒng)慣性越大，轉(zhuǎn)速變化就越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，靈敏度低；慣性越小，轉(zhuǎn)速變化越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，靈敏度高。注意：對反向運動，dn/dt0時，電力拖動

6、系統(tǒng)的運動狀態(tài)是反向加速；dn/dt0時，是反向減速。第二節(jié)生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性 生產(chǎn)機械運行時常用負載轉(zhuǎn)矩標(biāo)志其負載的大小。不同的生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律不同，用負載轉(zhuǎn)矩特性來表征，即生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速n與負載轉(zhuǎn)矩TL之間的關(guān)系n=f(TL)。各種生產(chǎn)機械特性大致可分為以下三種類型。一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性 恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩TL的大小不隨轉(zhuǎn)速變化，TL=常數(shù)，這種特性稱為恒轉(zhuǎn)矩負載特性。它有反抗性和位能性兩種：1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點是，負載轉(zhuǎn)矩的大小不變，但負載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機械運動的方向相反，總是阻礙電動機的運轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機的旋轉(zhuǎn)方向改變時，負載轉(zhuǎn)矩的作用方向也隨

7、之改變，永遠是阻力矩。屬于這類特性的生產(chǎn)機械有軋鋼機和機床的平移機構(gòu)等。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性曲線如圖3-5所示。2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負載 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點是，負載轉(zhuǎn)矩由重力作用產(chǎn)生，不論生產(chǎn)機械運動的方向變化與否，負載轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終不變。例如起重設(shè)備提升重物時，負載轉(zhuǎn)矩為阻力矩，其作用方向與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反；當(dāng)下放重物時，負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動機旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動機旋轉(zhuǎn)。位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性曲線如圖3-6所示。二、恒功率負載特性 恒功率負載的特點是，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值，即 就是說，負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。例如，一些機床切削加工，車床粗加工時

8、，切削量大(TL大)，用低速檔；精加工時，切削量小(TL小)，用高速檔。恒功率負載特性曲線如圖3-7所示。三、通風(fēng)機型負載特性 通風(fēng)機型負載的特點是負載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，即式中K比例常數(shù)。 常見的這類負載如鼓風(fēng)機、水泵、液壓泵等，通風(fēng)機型負載特性曲線如圖3-8所示。 必須指出，以上三類是典型的負載特性，實際生產(chǎn)機械的負載特性常為幾種類型負載的綜合。例如起重機提升重物時，電動機所受到的除位能性負載轉(zhuǎn)矩外，還要克服系統(tǒng)機械摩擦所造成的反抗性負載轉(zhuǎn)矩，所以電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL應(yīng)是上述兩個轉(zhuǎn)矩之和。第三節(jié)三相異步電動機的機械特性 三相異步電動機的機械特性是描述電力拖動系統(tǒng)各種運行狀

9、態(tài)的工具，是指轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，因此先研究三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。一、三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式 在第二章中，T=Pem/1是三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的基本公式，除此之外，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩還與哪些因數(shù)有關(guān)呢?1.電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式 我們把T=Pem/1的分子、分母用已學(xué)過的公式展開，整理后可得電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式式中CT轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 式(3-1)表明異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通成正比，與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比，物理意義非常明確，所以稱為電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式。它常用來定性分析三相異步電動機的運行問題。2.電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式 由于電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式不能直接反映轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)

10、系，而電力拖動系統(tǒng)則常常需要用轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式進行運行分析，故推導(dǎo)如下：根據(jù)三相異步電動機的簡化等效電路：可得 式(3-2)反映了三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與電源相電壓U1、頻率f1、電動機的參數(shù)(r1、r2、X1、X2、p及m1)以及轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系，圖3-9三相異步電動機的T-s曲線稱為參數(shù)表達式。顯然，當(dāng)U1、f1及電動機的參數(shù)不變時，電磁轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，對應(yīng)于不同s的值，有不同的T值，將這些數(shù)據(jù)繪成曲線，就是T=f(s)曲線，也稱T-s曲線，如圖3-9所示。T=f(s)曲線分析如下： 曲線分為三部分，0s1為電磁制動狀態(tài)；sTL，電動機才能順利起動。電動機手冊上通常給

11、出起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)KM，KM=Tst/TN。Y系列三相異步電動機KM=1.82.0。3.電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式 在工程計算上，用式(3-2)比較繁鎖，為了使用方便，往往通過電動機手冊或產(chǎn)品目錄給出的技術(shù)數(shù)據(jù)如額定功率、額定轉(zhuǎn)速等來計算電磁轉(zhuǎn)矩，因此推導(dǎo)出(推導(dǎo)過程略)電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式為式(3-5)中的最大轉(zhuǎn)矩Tmax和臨界轉(zhuǎn)差率sm可利用已知技術(shù)數(shù)據(jù)求出： 以上三種電磁轉(zhuǎn)矩表達式，應(yīng)用場合不同：物理表達式適合于定性分析；參數(shù)表達式便于分析參數(shù)對電動機運行性能的影響；實用表達式則適應(yīng)于工程計算。二、三相異步電動機的機械特性 上面我們分析了T-s曲線，但在電力拖動系統(tǒng)中常用機械特性n-T，即n=f(

12、T)曲線來分析電動機的電力拖動問題，它與T-s曲線的變換關(guān)系如圖3-10所示。1.固有機械特性 固有機械特性是指三相異步電動機工作在額定電壓和額定頻率下，由電動機本身固有參數(shù)所決定的機械特性。在正常工作情況下，異步電動機的固有機械特性是硬特性，即異步電動機的轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速略為減小。 定性繪制固有機械特性的步驟是：先從電動機的銘牌和產(chǎn)品目錄中查取該電動機的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，算出Tmax、sm和Tst值，這樣有了同步點、最大轉(zhuǎn)矩點、起動點等幾個特殊運行點，就可畫出n=f(T)曲線，即為異步電動機的固有機械特性曲線。2.人為機械特性 在分析電動機拖動系統(tǒng)的運行時，常利用人為機械特性來進行闡述。由機械特性

13、的參數(shù)表達式可知，人為地改變異步電動機的任何一個或多個參數(shù)(U1、f1、p、定子回路電阻或電抗、轉(zhuǎn)子回路電阻或電抗等)，都可以得到各不相同的機械特性。這些機械特性統(tǒng)稱為人為機械特性。下面分別定性討論幾種人為機械特性的特點。注意：定性畫人為機械特性時，只要先定性畫出固有機械特性，然后抓住人為機械特性的同步點、最大轉(zhuǎn)矩點、起動點與固有機械特性比較有何變化，最終通過這三個特殊點，定性畫出人為機械特性。(1)降低定子端電壓的人為機械特性如果異步電動機的其他條件都與固有特性時一樣，僅降低定子相電壓所得到的人為機械特性，稱為降壓人為機械特性，其特點如下：1)降壓后同步轉(zhuǎn)速n1不變，即不同U1的人為機械特性

14、都通過固有機械特性的同步點。2)降壓后，最大轉(zhuǎn)矩Tmax隨U21成比例下降，但sm或nm=n1(1-sm)跟固有特性時一樣，為此不同U1的人為機械特性的最大轉(zhuǎn)矩點的變化規(guī)律如圖3-11所示。3)降壓后的起動轉(zhuǎn)矩Tst也隨U21成比例下降。 由圖3-11可知，端電壓U1下降后，電動機的Tst和過載能力(m=Tmax/TN)都顯著地下降了，這在實際應(yīng)用中必須注意。例如，設(shè)原來運行于a點，端電壓下降為U1后，工作點變?yōu)閎點，顯然這時轉(zhuǎn)速降低了，起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都變小了。從圖3-11中可以看到：如果電壓下降太多，使Tmax小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機將停轉(zhuǎn)。(2)轉(zhuǎn)子回路串對稱三相電阻的人為機械特性對于繞線

15、轉(zhuǎn)子三相異步電動機，如果其他條件都與固有特性時一樣，僅在轉(zhuǎn)子回路串入對稱三相電阻Rp，所得的人為特性簡稱為轉(zhuǎn)子串電阻人為機械特性，其特點如下：1)同步轉(zhuǎn)速不變，即不同Rp的人為機械特性都通過固有機械特性的理想空載點。2)轉(zhuǎn)子串電阻后的最大轉(zhuǎn)矩Tmax的大小不變，但臨界轉(zhuǎn)差率smsm，且隨Rp的增大而增大(或nm隨Rp的增大而減小)，為此不同Rp的人為機械特性的最大轉(zhuǎn)矩點的變化規(guī)律如圖3-12所示。3)當(dāng)sm增大，而sm1時，Tst隨Rp的增大而增大；但當(dāng)sm1后，Tst隨Rp的增大而減小。 由圖3-12可知，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串合適電阻，可以改變轉(zhuǎn)速而用于調(diào)速，也可以改變起動轉(zhuǎn)矩，從而

16、改善異步電動機的起動性能。三、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 前面分析了生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性n=f(TL)和電動機的機械特性n=f(T)，把兩種特性配合起來，就可以研究電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題。 所謂穩(wěn)定運行，就是指電力拖動系統(tǒng)在某種外界因素的擾動下，離開原來的平衡狀態(tài)，當(dāng)外界因素消失后，仍能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，或在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)。這里的“擾動”一般是指電網(wǎng)電壓波動或負載的微小變化。電動機在電力拖動系統(tǒng)中運行時，會使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定運行和不穩(wěn)定運行兩種情況。 在電力拖動系統(tǒng)中，電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性有交點，即TTL是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。系統(tǒng)要穩(wěn)定運行，還需要兩條特性配合恰

17、當(dāng)。電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是 下面我們利用判斷電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件，來分析三相異步電動機的機械特性和負載轉(zhuǎn)矩特性配合是否能穩(wěn)定運行的問題。 臨界轉(zhuǎn)差率sm或臨界轉(zhuǎn)速nm是三相異步電動機機械特性的“穩(wěn)定”區(qū)域和“不穩(wěn)定”區(qū)域的分界點。如圖3-13所示，從理想空載點即同步點到最大轉(zhuǎn)矩點，n=f(T)曲線是下斜特性。由電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要和充分條件，不難判斷對常遇到的恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、通風(fēng)機型負載，都可穩(wěn)定運行。這是因為在電動機下斜的機械特性部分和這三種不同負載的轉(zhuǎn)矩特性的交點處，均滿足(dT/dn)(dTL/dn)。從最大轉(zhuǎn)矩點到起動點，n=f(T)曲線是上斜的曲線，對恒轉(zhuǎn)矩

18、負載和恒功率負載均因與電動機機械特性的交點處(dT/dn)(dTL/dn)，而不能穩(wěn)定運行，只是對通風(fēng)機型負載可以穩(wěn)定運行。 例如圖3-13中的恒轉(zhuǎn)矩負載特性曲線1與三相異步電動機的機械特性有兩個交點，在A點可以穩(wěn)定運行，而在B點則不能穩(wěn)定運行。通風(fēng)機型負載特性曲線2與電動機的機械特性交點C雖然可以穩(wěn)定運行，但轉(zhuǎn)速太低，損耗大，效率低，通風(fēng)機工作并不理想。 對恒定負載來說，額定轉(zhuǎn)差率sN和臨界轉(zhuǎn)差率sm的數(shù)值最好小一些，這樣機械特性可以硬些。對有沖擊性負載來說，相反地要求sN和sm要大些，使機械特性軟一些。這樣，當(dāng)沖擊性負載到來時，電動機的轉(zhuǎn)速降低較多，拖動系統(tǒng)(特別是帶有飛輪裝置的)可以放出

19、更多的動能來幫助電動機共同克服沖擊性負載。第四節(jié)三相異步電動機的起動一、概述 在電動機帶動生產(chǎn)機械的起動過程中，不同的生產(chǎn)機械有不同的起動情況。有些機械在起動時負載轉(zhuǎn)矩很小，負載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加而與轉(zhuǎn)速平方近似成正比增加。例如鼓風(fēng)機負載，起動時只需克服很小的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，風(fēng)量很快增大，負載轉(zhuǎn)矩很快增大；有些機械在起動時的負載轉(zhuǎn)矩與正常運行時一樣大，例如電梯、起重機和皮帶運輸機等；有些機械在起動過程中接近空載，待速度上升至接近穩(wěn)定時，再加負載，例如機床、破碎機等；此外，還有頻繁起動的機械設(shè)備等。以上這些因素都將對電動機的起動性能之一的起動轉(zhuǎn)矩提出不同的要求。 衡量三相異步電動機起動性

20、能好壞最主要的是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，我們總是希望在起動電流較小的情況下能獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。但是一臺普通的三相異步電動機不采取措施而直接投入電網(wǎng)起動，即全壓起動時，其起動電流很大，而起動轉(zhuǎn)矩卻不很大，這對電網(wǎng)或電動機自身均是不利的。 起動電流大的原因是，當(dāng)電動機接入電網(wǎng)的起動瞬時由于n=0，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)磁場以n1切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，故轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流達到最大值，因而定子電流即起動電流也達到最大值。由圖2-21可知，此瞬時s=1，等效負載電阻(1-s)r2/s=0，等效電路的阻抗僅為短路阻抗Zk,忽略起動時的勵磁支路電流，則定子從電網(wǎng)吸收的起動電流的近似值為式中UN電動機的額定相電壓。

21、可見三相異步電動機的起動電流就是額定電壓下的堵轉(zhuǎn)(短路)電流，為額定電流的57倍。這樣大的起動電流會使電源和供電線路上的壓降增大，引起電網(wǎng)電壓波動，影響并聯(lián)在同一電網(wǎng)上的其他負載正常工作。例如，附近照明燈亮度減弱，正在工作的電動機速度下降，甚至拖不動負載而停車等；特別對較小容量的供電變壓器或電網(wǎng)系統(tǒng)影響更甚。對電動機本身來說，雖然起動電流大，但持續(xù)的時間不長，損耗引起的電動機的溫度增加來不及升到過熱程度，因而不至起破壞作用(起動頻繁和慣性較大、起動時間較長的電動機除外)。不過，過大的電磁力對電動機的影響，也不能低估。起動轉(zhuǎn)矩不大的原因是：第一，由于起動電流很大，定子繞組中的阻抗壓降增大，而電源

22、電壓不變，根據(jù)定子電路的電動勢平衡方程式，感應(yīng)電動勢將減小，則主磁通1將與感應(yīng)電動勢成比例地減??；第二，起動時s=1，轉(zhuǎn)子漏抗比轉(zhuǎn)子電阻大得多，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，雖然起動電流大，但轉(zhuǎn)子電流的有功分量并不大。由轉(zhuǎn)矩公式T=CT1I2cos2可知，起動轉(zhuǎn)矩并不大，一般Tst=(1.82)TN。根據(jù)以上分析可知三相異步電動機起動時的起動電流大主要是對電網(wǎng)不利；起動轉(zhuǎn)矩并不很大主要是對負載不利，這是因為若電源電壓因種種原因下降較多，則起動轉(zhuǎn)矩按電壓平方下降，可能會使電動機帶不動負載起動。不同類型的機械負載，不同容量的電網(wǎng)，對電動機起動性能的要求是不同的。有時要求有較大的起動轉(zhuǎn)矩，有時要求限制起動電流，

23、但更多的情況是兩個要求須同時滿足?？傊?，一般情況下起動要求是盡可能限制起動電流，有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，同時起動設(shè)備盡可能簡單經(jīng)濟、操作方便，且起動時間要短。二、三相籠型異步電動機的起動1.全壓起動 全壓起動就是用刀開關(guān)或接觸器將電動機定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。雖然前面已分析了全壓起動存在起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩并不大的缺點，但是這種起動方法最簡單，操作很方便。所以，對于一般小容量的三相籠型異步電動機，如果電網(wǎng)容量足夠大，應(yīng)盡量用此方法起動?？蓞⒖家韵陆?jīng)驗公式來確定電動機能否全壓起動，即 此式的左邊為電源允許的起動電流倍數(shù)，右邊為電動機的起動電流倍數(shù)，所以只有電源允許的起動電流倍數(shù)大于電動機的

24、起動電流倍數(shù)時才能全壓起動。否則應(yīng)采用減壓起動。2.減壓起動 減壓起動時并不能降低電源電壓，只是采用某種方法使加在電動機定子繞組上的電壓降低。減壓起動的目的是減小起動電流，但同時也減小了電動機起動轉(zhuǎn)矩(TU21)。所以這種起動方法對電網(wǎng)有利，對負載不利。對于某些機械負載在起動時要求帶滿負載起動，就不能用這種方法，但對于起動轉(zhuǎn)矩要求不高的設(shè)備，這種方法是適用的。減壓起動常有以下幾種方法：(1)定子串電阻或電抗減壓起動電動機起動時，在定子電路中串入電阻(見圖3-14a)或電抗，待起動后再將它切除。顯然，串入的電阻或電抗起分壓作用，使加在電動機定子繞組上的相電壓U1低于電源相電壓UN(即全壓起動時的

25、定子端電壓)，使起動電流Ist小于全壓起動時的Ist，定子串電阻起動的等效電路如圖3-14b所示?？梢?，調(diào)節(jié)所串電阻或電抗的大小，可以得到電網(wǎng)所允許通過的起動電流。這種起動方法的優(yōu)點是起動較平穩(wěn)，運行可靠，設(shè)備簡單。缺點是起動轉(zhuǎn)矩隨電壓的二次方降低，只適合輕載起動，同時起動時電能損耗較大。(2)自耦變壓器減壓起動自耦變壓器用來進行電動機減壓起動時稱為起動補償器，它的接線圖如圖3-15a所示。起動時，自耦變壓器的高壓側(cè)接至電網(wǎng)，低壓側(cè)(有抽頭，按需要選擇)接電動機定子繞組。起動完畢，切除自耦變壓器，電動機直接接至額定電壓的電網(wǎng)運行。圖3-15 用自耦變壓器減壓起動的原理如圖3-15b所示，由于加

26、在電動機定子繞組上的相電壓U1=UN/k(k1)，電動機的起動電流Ist2=Ist/k(即自耦變壓器的二次電流)下降。由于電動機接在自耦變壓器的二次側(cè)，而自耦變壓器的一次側(cè)接電網(wǎng)，故電網(wǎng)供給電動機的起動電流，也就是自耦變壓器的一次電流Ist=Ist2/k=Ist/k2(k=UN/U1)將大大小于全壓起動電流。 自耦變壓器減壓起動的優(yōu)點是：電網(wǎng)限制的起動電流相同時，用自耦變壓器減壓起動將比其他減壓起動方法獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩；起動用自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭，用戶可根據(jù)電網(wǎng)允許的起動電流和機械負載所需的起動轉(zhuǎn)矩進行選配。 采用自耦變壓器減壓起動時的電路較復(fù)雜，設(shè)備價格較高，不允許頻繁起動。

27、(3)/減壓起動這種方法只適用于定子繞組在正常工作時是聯(lián)結(jié)的三相異步電動機。電動機定子繞組的六個端頭都引出來接到換接開關(guān)上，如圖3-16所示。在起動時，定子繞組先是聯(lián)結(jié)，這時電動機在相電壓U1=UN/3的低壓下起動，待電動機轉(zhuǎn)速升高以后，再改成聯(lián)結(jié)，使電動機在額定電壓下正常運行。 由圖3-17可以推算出起動電流下降到全壓起動時的1/3，限流效果好；但起動轉(zhuǎn)矩也跌得厲害，為原來的1/3。因此只適于空載和輕載起動。 這種起動方法的優(yōu)點是設(shè)備比較簡單，成本低，運行比較可靠，所以Y系列容量等級在4kW及以上的小型三相籠型異步電動機都是聯(lián)結(jié)，以便采用/減壓起動，其缺點是只適用于正常運行時定子繞組是聯(lián)結(jié)的

28、電動機，并只有一種固定的降壓比。 從以上分析可知，不論采用哪一種減壓起動方法使起動電流減小至電網(wǎng)的允許范圍內(nèi)，都將使電動機的起動轉(zhuǎn)矩受到損失，即起動轉(zhuǎn)矩與定子繞組相電壓的二次方成比例減小。表3-1列出它們與全壓起動比較的特征。3)試用/減壓起動。因電動機正常運行時是聯(lián)結(jié)，可以討論此問題。 可見雖然起動電流小于電網(wǎng)允許值，但起動轉(zhuǎn)矩不符合要求，故不能采用。4)試用自耦變壓器減壓起動。因為用自耦變壓器起動，希望流過電網(wǎng)的電流自耦變壓器電壓比的二次方應(yīng)滿足則抽頭電壓比校驗起動電流取標(biāo)準(zhǔn)抽頭0.73，校驗起動轉(zhuǎn)矩 可見用抽頭為0.73的自耦變壓器減壓起動，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均符合電網(wǎng)和負載的要求。另外

29、，從上面的解題步驟可推出更簡便的方法求解，即 此例中，我們用具體的數(shù)據(jù)證實了在減壓起動的相同限流條件下，采用自耦變壓器減壓起動的起動轉(zhuǎn)矩較大。3.軟起動 籠型異步電動機的軟起動是區(qū)別于傳統(tǒng)減壓起動方式(定子串電抗或電阻減壓起動、自耦變壓器減壓起動、/減壓起動)的一種新型的起動方式，它使電動機的輸入電壓從0V或低電壓開始，按預(yù)先設(shè)置的方式逐步上升，直到全電壓結(jié)束?？刂栖浧饎悠鲀?nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制其輸出電壓或電流，達到有效地控制電動機的起動。 軟起動依賴于串接在電源和電動機之間的軟起動器，如圖3-18所示。通常在軟起動器輸入和輸出兩端，并聯(lián)接觸器KM1觸點，在軟起動器輸入端串聯(lián)接觸器KM觸

30、點，如圖3- 18所示。當(dāng)軟起動完成后，KM1圖3-18軟起動接線示意圖觸點閉合，KM觸點斷開。工作電流通過KM1送至電動機，該方法大大提高了軟起動器的使用壽命，同時避免了電動機運行時軟起動器產(chǎn)生的高次諧波，因為接觸器通斷時，觸點兩端電壓基本為零，也提高了接觸器的使用壽命。軟起動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處是：(1)無沖擊電流在起動電動機時，通過逐漸增大軟起動器晶閘管導(dǎo)通角，電壓無級上升，使電動機起動電流從零開始線性上升到設(shè)定值，電動機平滑地加速，通過減小轉(zhuǎn)矩波動來減輕對齒輪、聯(lián)軸器及傳送帶的損害。(2)恒流起動軟起動器可以引入電流閉環(huán)控制，使電動機在起動過程中保持恒流，確保電動機平穩(wěn)起動。(

31、3)電流無級調(diào)節(jié)根據(jù)負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)節(jié)至最佳的起動電流。 軟起動器還能實現(xiàn)在輕載時，通過降低電動機端電壓，提高功率因素，減少電動機的銅耗、鐵耗，達到輕載節(jié)能的目的；在重載時，則提高電動機端電壓，確保電動機正常運行。 若用可編程序控制器(PLC)控制，可撤去停止、起動按鈕。起動、停止的控制過程可用PLC的順序控制完成，并能實現(xiàn)用一臺軟起動器起動多臺電動機。 原則上，籠型異步電動機在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可適用軟起動。軟起動器特別適用各種泵類或風(fēng)機負載需要軟起動的場合。 同樣，軟起動器可用于籠型異步電動機的軟停止，以減輕停機過程中振動引起的輕負載移位和液體溢出等。

32、4.改善起動性能的籠型異步電動機 三相籠型異步電動機減壓起動時，為降低起動電流而使起動轉(zhuǎn)矩也減小。為了克服這一缺點，通過改進籠型異步電動機轉(zhuǎn)子槽形，來改善電動機的起動性能，即不僅要減小起動電流，還要增大起動轉(zhuǎn)矩。實際應(yīng)用中常用深槽式和雙籠式兩種轉(zhuǎn)子槽型，下面分別予以介紹。(1)深槽式籠型異步電動機深槽式電動機的主要特點是轉(zhuǎn)子的槽型特別深而窄，槽的高度與寬度之比一般為1012，如圖3-19a所示。深槽式異步電動機是利用轉(zhuǎn)子槽漏磁通分布不同所引起的集膚效應(yīng)來改善起動性能的。我們把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條看成是由很多沿槽高排列的小導(dǎo)條并聯(lián)而成，各小導(dǎo)條電流的分布取決于它們的漏阻抗的大小。 起動時，s=1，轉(zhuǎn)子頻率f

33、2=f1，這相對于正常運行時f2=13Hz是較高的，轉(zhuǎn)子槽中各并聯(lián)小導(dǎo)條的漏電抗比電阻大，電流分配主要取決于漏電抗的大小。由圖3-19a可見，沿槽高越靠近槽底的小導(dǎo)條交鏈的漏磁鏈越多，其漏電抗也越大，所以轉(zhuǎn)子電流主要從槽口處漏電抗小的小導(dǎo)條通過，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿槽高的電流密度分布情況如圖3-19b所示。這時轉(zhuǎn)子電流被“擠”到槽口表面，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。結(jié)果是槽底部分的導(dǎo)條截面內(nèi)幾乎沒有電流通過，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的有效截面積減小了，如圖3-19c所示，使轉(zhuǎn)子電阻r2增大(一般可達額定運行時轉(zhuǎn)子電阻的3倍)，使起動電流減小而起動轉(zhuǎn)矩增大，可滿載起動。 隨著轉(zhuǎn)速升高至起動結(jié)束，轉(zhuǎn)子頻率逐漸降低，集膚效應(yīng)

34、影響逐漸降低，各并聯(lián)小導(dǎo)條的漏電抗也逐漸降低至小于電阻，這時電流分配主要取決于各并聯(lián)小導(dǎo)條電阻的大小，轉(zhuǎn)子電流逐漸均勻地分布在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的整個截面上，轉(zhuǎn)子電阻逐漸降到正常值。 與普通籠型異步電動機相比，由于深槽式異步電動機轉(zhuǎn)子漏磁通大，使正常運行時的轉(zhuǎn)子漏抗大，因此電動機的功率因數(shù)及過載能力要降低些。所以，深槽式異步電動機起動性能的改善是靠犧牲某些性能指標(biāo)而取得的。(2)雙籠式異步電動機雙籠式異步電動機的轉(zhuǎn)子具有兩套籠型繞組，如圖3-20a所示，其上籠導(dǎo)條截面積較小，且由電阻率較大的黃銅或鋁青銅等制成，因而電阻較大。但它交鏈的槽漏磁通較少，故漏抗小；下籠導(dǎo)體截面積較大，用紫銅制成，電阻較小，但它

35、交鏈的槽漏磁通較多，漏抗大。如果上下籠都是鑄鋁而成的，則上籠截面積遠比下籠的小得多，如圖3-20b所示，因而上籠電阻比下籠大得多。 起動時轉(zhuǎn)子電流的頻率高，集膚效應(yīng)使電流多“擠”到上籠，使上籠起主要作用，故稱為起動籠。由于上籠電阻大，可以減小起動電流而增大起動轉(zhuǎn)矩。起動結(jié)束后，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，下籠漏電抗減小，而本身電阻又小，轉(zhuǎn)子電流主要從下籠導(dǎo)條中通過，下籠在正常運行時起主要作用，故稱為工作籠。雙籠式異步電動機的機械特性是上、下籠機械特性的合成，如圖3-20c所示。改變上、下籠導(dǎo)條的材料和截面積，可以得到不同的合成機械特性，從而滿足不同的負載要求。圖3-20 雙籠式異步電動機與深槽式異步電動

36、機一樣有很好的起動性能，可以滿載起動，但前者的運行特性好于后者。不過深槽式電動機制造簡單，也比較便宜。三、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動 對于需要大、中容量電動機帶動重載起動的生產(chǎn)機械或者需要頻繁起動的電力拖動系統(tǒng)，不僅要限制起動電流而且還要足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。這就需要用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻或串頻敏變阻器來改善起動性能。1.轉(zhuǎn)子串電阻起動 當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機每相轉(zhuǎn)子回路串入起動電阻Rst時，其起動相電流為 可見只要Rst足夠大，就可以使起動電流Ist限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。由圖3-12可知，轉(zhuǎn)子回路串電阻Rp=Rst后，其起動轉(zhuǎn)矩Tst可隨Rst的大小自由調(diào)節(jié)：在一定范圍內(nèi)，Tst隨Rs

37、t的增加而增加，以適應(yīng)重載起動的要求；也可以讓Rst足夠大，使sm1，TstTmax，然后再逐漸減小Rst使Tst增大，這樣可以減小起動時的機械沖擊。因此，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻，可以得到比普通籠型電動機優(yōu)越得多的起動性但是在實際應(yīng)用中，起動電阻Rst在起動過程中是通過開關(guān)逐級切除(短接)的，如圖3-21所示(三級起動，即分三次切除)。 分級起動過程分析如下：剛起動時，全部起動電阻都接入，這時轉(zhuǎn)子回路每相電阻為R3=Rst3+Rst2+Rst1+r2，對應(yīng)的人為機械特性如圖3-22的Aa所示，其sm31；且對應(yīng)的最大起動轉(zhuǎn)矩Tst1=0.85Tmax。當(dāng)轉(zhuǎn)速沿Aa加速到b點，電磁轉(zhuǎn)矩降為

38、切換轉(zhuǎn)矩Tst2(1.11.2)TL，為提高整個起動過程的平均起動轉(zhuǎn)矩，使電動機有較大的加速度，縮短起動時間，且切除(短接)Rst3使電動機從b點跳至R2=Rst2+Rst1+r2所對應(yīng)的人為機械特性Ac上的c點，而該點的轉(zhuǎn)矩正好等于最大起動轉(zhuǎn)矩Tst1；然后再逐級切除Rst2、Rst1。 上述全部過程如圖3-22所示的abcdefg，最后將穩(wěn)定運行于固有機械特性的h點。此時操作起動器手柄將電刷提起同時將三只集電環(huán)自行短接，以減小運行中的電刷摩擦損耗，至此起動結(jié)束。注意：當(dāng)電動機停止運行時，應(yīng)把電刷重新放下，且把起動電阻全部接入，以便下次起動時用。2.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動從圖3-22可見：三相

39、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動，在逐級切除電阻的瞬時，轉(zhuǎn)矩從Tst2躍至Tst1，導(dǎo)致起動不夠平穩(wěn)。當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機不需要頻繁起動和調(diào)速時，我們可采用繞線轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動來增加起動的平穩(wěn)性。 頻敏變阻器是電阻和電抗值隨頻率而變化的裝置。外觀很像一臺沒有二次繞組，一次側(cè)聯(lián)結(jié)的三相心式變壓器，如圖3-23a所示。因其鐵心用較厚的鋼片疊壓而成，故鐵耗比普通變壓器大得多。轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器的等效電路如圖3-23b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是頻敏變阻器靜止時的每相電抗。 電動機起動時，s=1即f2=f1，轉(zhuǎn)子頻率較高，

40、且頻敏變阻器鐵心疊片很厚，所以其鐵耗很大，對應(yīng)的等效電阻Rmp也很大。由于起動電流的影響使頻敏變阻器的鐵心飽和，所以Xmp不大。此時相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子回路中串入一個較大的起動電阻Rmp，使起動電流減小而起動轉(zhuǎn)矩增大，獲得較好的起動性能。隨著轉(zhuǎn)速的升高，s減小即f2變低，鐵耗隨頻率的二次方成正比下降，使Rmp減小(這時sXmp也變小)，相當(dāng)于隨轉(zhuǎn)速升高自動且連續(xù)地減小起動電阻值。 當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定值時，sN很小即f2極低，所以Rmp及sXmp都很小，相當(dāng)于將起動電阻全部切除。此時應(yīng)把電刷提起且將三只集電環(huán)短接，使電動機運行于固有特性上，起動過程結(jié)束。第五節(jié)三相異步電動機的制動 若要使三相異步電動機在運行

41、中快速停車、反向或限速，就要進行電磁制動。而電磁制動的特點是產(chǎn)生一個與電動機轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，且希望與起動時的要求相似，即限制制動電流，增大制動轉(zhuǎn)矩，使拖動系統(tǒng)有較好的制動性能。異步電動機有能耗制動、反接制動及回饋制動三種方法。 為便于分析異步電動機拖動系統(tǒng)在各種制動運行時的機械特性及各物理量的正負、范圍，我們常與電動狀態(tài)進行對比。圖3-24a是正、反向電動運行的示意圖，圖3-24b是它們對應(yīng)的機械特性。正向電動時，位于第象限的機械特性過+n1點，且n0，T0；反向電動時，位于第象限的機械特性過-n1點，且n0，T0?？梢姡灰请妱訝顟B(tài)，|n|n1|，n和T同方向，n1和n同方向；s=01

42、;P1Pem=m1I22r2/s0，說明電動機從電網(wǎng)吸取電能；P2Pm=T0，說明電動機向負載輸送機械能。圖3-24一、能耗制動(1)能耗制動原理三相異步電動機實現(xiàn)能耗制動的方法是將定子繞組從三相交流電源上斷開，然后立即加上直流勵磁，如圖3-25a所示。流過定子繞組的直流電流在空間產(chǎn)生一個靜止的磁場，而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)按原方向在靜止磁場中轉(zhuǎn)動，因而切割磁力線在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢(方向由右手定則判斷)而產(chǎn)生方向相同(略轉(zhuǎn)子漏抗)的電流。根據(jù)左手定則可以判斷該電流再與靜止磁場作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T是制動性質(zhì)的，如圖3-25b所示。則系統(tǒng)減速，因為這種方法是將轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化為電能，并消耗在轉(zhuǎn)子回路的電

43、阻上，動能耗盡，系統(tǒng)停車，所以稱為能耗制動。(2)能耗制動機械特性由于定子繞組接入直流電，磁場的旋轉(zhuǎn)速度為零，所以機械特性由電動狀態(tài)時的過同步點變成能耗制動時的過原點，是倒立過來的電動狀態(tài)時的機械特性，如圖3-26所示(數(shù)學(xué)推導(dǎo)從略)。 當(dāng)三相異步電動機剛制動時，由于慣性，轉(zhuǎn)速來不及變，轉(zhuǎn)速最高nn1，轉(zhuǎn)子繞組切割靜止磁場的速度最高，感應(yīng)的電動勢最大，若轉(zhuǎn)子不串入制動電阻Rbk，則會造成制動電流過大而制動轉(zhuǎn)矩較小，如圖3-26曲線2中b點對應(yīng)的Tb；如果轉(zhuǎn)子電路中接入適當(dāng)電阻Rbk，則在同一轉(zhuǎn)速下，限制了制動電流且得到較大的制動轉(zhuǎn)矩，如曲線3的b點，從而提高了制動效果。 三相異步電動機的能耗制

44、動，制動平穩(wěn)，能準(zhǔn)確快速地停車。另外由于定子繞組和電網(wǎng)脫開，電動機不從電網(wǎng)吸取交流電能(只吸取少量的直流勵磁電能)，從能量的角度看，能耗制動比較經(jīng)濟。但是從能耗制動的機械特性可見，拖動系統(tǒng)制動至轉(zhuǎn)速較低時，制動轉(zhuǎn)矩也較小，此時制動效果不理想。所以若生產(chǎn)機械要求更快速停車時，則對電動機進行電源反接制動。二、反接制動1.電源反接制動(反接正轉(zhuǎn)象限n10,n0,s1)這種反接制動是將三相異步電動機的任意兩相定子繞組的電源進線對調(diào)，相當(dāng)于他勵直流電動機的電樞反接制動，適用于反抗性負載快速停車和快速反向。(1)制動原理和機械特性如圖3-27a所示，由于定子繞組兩相對調(diào)，使旋轉(zhuǎn)磁場反向，即-n10，則如圖

45、3-27b所示過-n1點的機械特性曲線2和3。設(shè)電動機原來在圖3-27b中固有機械特性1的a點正向電動運行，定子兩相反接瞬間n1反向，而轉(zhuǎn)速n由于機械慣性來不及變化(從a點水平跳變到曲線2的b點)，仍有n0，則轉(zhuǎn)子繞組相對切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向改變，E2s反向，I2s反向，電磁轉(zhuǎn)矩T反向(T0)，所以n與T反向，T是制動轉(zhuǎn)矩，因此n迅速下降，n至0時，對需要快速停車的反抗性負載，應(yīng)快速切斷電源，否則可能會反向旋轉(zhuǎn)。 可見上述是一個制動過程，機械特性處于象限。反接制動過程中由于制動瞬時nn1,s2，轉(zhuǎn)子電動勢E2s2E2，比s=1起動時的E2s=E2還要大一倍，因此制動電流太大且因轉(zhuǎn)子頻率大、漏抗大

46、而制動轉(zhuǎn)矩Tb較小，制動效果不佳。所以生產(chǎn)實際的反接制動時，為改善制動性能，轉(zhuǎn)子回路要串入制動電阻Rbk以限制過大的制動電流并增大轉(zhuǎn)子功率因數(shù)而增大制動轉(zhuǎn)矩，如曲線3的b點對應(yīng)的制動轉(zhuǎn)矩Tb。 電源反接制動時，P1Pem=m1I22r2/s0,P2Pm=T0，說明電動機既要從電網(wǎng)吸取電能，又要從軸上吸取機械能，因此能耗大，經(jīng)濟性較差。但該制動方法的制動轉(zhuǎn)矩即使在轉(zhuǎn)速降至很小時，仍較大，因此制動迅速。(2)制動電阻Rbk的計算線性段固有機械特性和轉(zhuǎn)子串電阻的人為機械特性上，同一轉(zhuǎn)矩條件下的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子回路總電阻間的關(guān)系為式中sg固有機械特性上對應(yīng)任意給定轉(zhuǎn)矩T的轉(zhuǎn)差率，sg=sN(T/TN)；s

47、轉(zhuǎn)子串電阻的人為機械特性上的轉(zhuǎn)差率，它與固有機械特性上的sg對應(yīng)相同轉(zhuǎn)矩T。 式(3-12)是各種制動問題的一般計算公式，由它可以得到制動電阻的公式，即 在用上述公式計算并定性畫機械特性來幫助分析時，注意相對應(yīng)的固有機械特性和轉(zhuǎn)串電阻的人為機械特性的同步點是相同的。2.倒拉反接制動(正接反轉(zhuǎn)象限n10，n0,s1)這種反接制動適用于將重物勻低速下放時電動機的制動。(1)制動原理和機械特性如圖3-29a所示，由于定子接線與正向電動狀態(tài)時一樣，所以如圖3-29b所示的機械特性仍過n1點。 設(shè)異步電動機原運行于圖3-29b所示的固有機械特性1中的a點來提升重物，處于正向電動狀態(tài)。如果在轉(zhuǎn)子回路串入足

48、夠大電阻Rbk，使sm1，以致于對應(yīng)的人為機械特性與位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性的交點落在第象限，如曲線2所示。在串入電阻的瞬時，轉(zhuǎn)速n由于機械慣性來不及變化，工作點從a點水平跳變到曲線2的點b。由于TbTL，系統(tǒng)開始減速，待到轉(zhuǎn)速n為零時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tc仍小于負載轉(zhuǎn)矩TL，重物倒拉電動機轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)速由正變負，此時T0而n0，電動機開始進入倒拉制動狀態(tài)。 在重物的作用下，電動機反向加速，電磁轉(zhuǎn)矩逐步增大，直到Td=TL為止，電動機以nd的速度下放重物，處于穩(wěn)定制動運行狀態(tài)。這種反接制動轉(zhuǎn)差率s為 所以與電源反接制動一樣，倒拉反接制動的P10，P20，能耗大，經(jīng)濟性差，但它能以任意低的轉(zhuǎn)速

49、下放重物，安全性好。(2)制動問題計算利用同一轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)子電阻與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系式(3-12)、(3-13)進行有關(guān)制動問題計算時有兩種情況：1)已知下放轉(zhuǎn)速n，求需串入的制動電阻Rbk。用式(3-13)求解時注意，對應(yīng)倒拉反接制動：位于第象限的倒拉反接制動運行穩(wěn)定下放點的s必大于1(因下放重物的n0，n10)，與倒拉反接制動人為機械特性對應(yīng)的、過+n1的位于第象限的固有機械特性上對應(yīng)給定負載轉(zhuǎn)矩TL(略T0時，即為T)的sg0。2)已知串入的制動電阻Rbk，求下放轉(zhuǎn)速n。用式(3-12)求出s后，用n=n1(1-s)計算n時，注意n10。三、回饋制動(再生發(fā)電制動)1.反向回饋制動(象限，|n|n

50、1|，n10，n0，s0) 這種制動方法也稱反向再生發(fā)電制動，適用于將重物高速穩(wěn)定下放。 反向回饋制動原理和機械特性如圖3-31所示，將電源兩相對調(diào)，旋轉(zhuǎn)磁場反向，則如圖3-31b所示的機械特性1過-n1點。 異步電動機在電磁轉(zhuǎn)矩和位能性負載轉(zhuǎn)矩的共同作用下，快速反向起動后沿機械特性曲線1的第象限電動(T0，n0)加速。當(dāng)電動機加速到等于同步速-n1時，盡管電磁轉(zhuǎn)矩為零，但是由于重力轉(zhuǎn)矩的作用，使電動機繼續(xù)加速至高于同步速(|n|n1|)進入曲線1的象限，轉(zhuǎn)差率為 這時轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相對切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與反向電動狀態(tài)時相反，因此sE2反向、I2反向、電磁轉(zhuǎn)矩T也反向，即由象限的T0變成象限的T0，

51、與轉(zhuǎn)速n方向相反(n0)，成為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，進入象限的反向回饋制動，最后當(dāng)T=TL時，電動機在曲線1的a點勻高速下放重物，此時電動機處于穩(wěn)定反向回饋制動運行狀態(tài)。 反向回饋制動運行狀態(tài)下放重物時，轉(zhuǎn)子回路所串電阻越大，下放速度越高，如圖3-31b曲線2的b點。因此，為使反向回饋制動時下放重物的速度不至于太高，通常是將轉(zhuǎn)子回路中的制動電阻切除或者使之很小。 回饋制動時s0，使P1Pem=m1I22r2/s0，P2Pm=T0，說明電動機從軸上吸取機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反饋回電網(wǎng)，經(jīng)濟性較好。但它的|n|n1|，下放重物的安全性較差。2.正向回饋制動(象限，n10，n0,s0) 這種制動發(fā)生在變極或電

52、源頻率下降較多的降速過程，如圖3-32所示。 如果原來電動機穩(wěn)定運行于a點，圖3-32正向回饋制動機械特性當(dāng)突然換接到倍極數(shù)運行(或頻率突然降低很多)時，則特性突變?yōu)榍€2，因n=na不能突變，工作點突變?yōu)閎點。因nbn1，進入回饋制動，在T及TL的共同制動下系統(tǒng)開始減速，從b點到n1的降速過程中都是s0，所以是回饋制動過程。從n1至c點，是電動降速過程。第六節(jié)三相異步電動機的調(diào)速 在工業(yè)生產(chǎn)中，有大量的生產(chǎn)機械為了滿足生產(chǎn)工藝要求，需要改變工作速度，例如金屬切削機床，由于工件的材料和精度的要求不同，工作速度也就不同，又如軋鋼機，因軋制不同品種和不同厚度的鋼材，要采取不同的最佳速度。人為地改變

53、電動機速度以滿足生產(chǎn)工藝要求，通常稱為調(diào)速。 調(diào)速可用機械方法、電氣方法或機械電氣相結(jié)合的方法，本節(jié)只討論電氣調(diào)速。電氣調(diào)速是人為地改變電動機的參數(shù)，使電力拖動系統(tǒng)運行于不同的人為機械特性上，從而在相同的負載下，得到不同的運行速度。這不同于由于負載變化，使電動機在同一條特性上發(fā)生的轉(zhuǎn)速變化。 究竟異步電動機可以采用哪些方法進行調(diào)速呢?根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速公式 可見，要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，可采用改變電源頻率f1、改變磁極對數(shù)p和改變轉(zhuǎn)差率s的方法來實現(xiàn)，其中改變轉(zhuǎn)差率的方法中又有改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電動勢等幾種，還可通過電磁轉(zhuǎn)差離合器來實現(xiàn)調(diào)速。 下面先介紹反映調(diào)速性能的調(diào)速指標(biāo)，

54、再分別介紹各種調(diào)速方法的基本原理、特點和調(diào)速性能。一、調(diào)速指標(biāo)電動機的調(diào)速性能，常用下列指標(biāo)衡量：1.調(diào)速范圍 調(diào)速范圍是指電動機在額定負載時所能達到的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用系數(shù)D表示，即 不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速范圍的要求不同，例如車床要求D=20120，龍門刨床要求D=1040，軋鋼機要求D=3120，造紙機要求D=320等。 由式(3-14)可知，要擴大調(diào)速范圍D，必須提高nmax和降低nmin，但nmax受電動機的機械強度等的限制，nmin受相對穩(wěn)定性的限制。2.調(diào)速的相對穩(wěn)定性(靜差率) 相對穩(wěn)定性是指負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速隨之變化的程度，工程上常用靜差率%來衡量相對穩(wěn)

55、定性。靜差率表示電動機在某一機械特性上運行時，由理想空載到額定負載所出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分數(shù)表示為 顯然，在相同的n0情況下，電動機的機械特性愈硬，靜差率就愈小，相對穩(wěn)定性就愈好(三相異步電動機中，n0=n1)。 生產(chǎn)機械調(diào)速時，要求靜差率小于一定值，以使負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)的變化，并保持一定的穩(wěn)定程度，生產(chǎn)機械容許的靜差率用r%表示。例如，臥式車床要求r%30%，一般設(shè)備要求r%50%，高精度的造紙機要求r%0.1%。3.調(diào)速的平滑性 調(diào)速的平滑性是指兩個相鄰調(diào)速級(如第i級與第i-1級)的轉(zhuǎn)速之比，用系數(shù)表示 值越接近于1，調(diào)速平滑性越好；在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)

56、速的級數(shù)越多，則調(diào)速的平滑性越好。不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速的平滑性要求不同，例如龍門刨床要求基本上近似無級調(diào)速(即1)。4.調(diào)速的經(jīng)濟性 調(diào)速的經(jīng)濟性是指對調(diào)速設(shè)備的投資和電能消耗、調(diào)速效率等經(jīng)濟效果的綜合比較。5.調(diào)速時的容許輸出 容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下，調(diào)速過程中軸上所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。在電動機穩(wěn)定運行時，實際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩由負載的需要來決定，故應(yīng)使調(diào)速方法適應(yīng)負載的要求。二、籠型異步電動機的變極調(diào)速 改變異步電動機的極對數(shù)p，可以改變其同步速度n1=60f1/p，從而使電動機在某一負載下的穩(wěn)定運行速度發(fā)生變化，達到調(diào)速的目的?？梢宰C明，只有當(dāng)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)相等時才能產(chǎn)生平

57、均電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，在改變定子繞組接線來改變磁極數(shù)時，必須同時改變轉(zhuǎn)子繞組的接線以保持定、轉(zhuǎn)子極數(shù)相等，這使變極接線及控制變得復(fù)雜。而籠型異步電動機當(dāng)定子極數(shù)變化時，其轉(zhuǎn)子極數(shù)能自動與之相等。所以變極調(diào)速一般用于籠型異步電動機。1.變極原理 下面用圖3-34來說明改變定子極數(shù)時，只要將一相繞組的半相連線改接即可。設(shè)電動機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，并設(shè)相電流是從頭U1進，尾U2出。當(dāng)兩個“半相繞組”頭尾相串聯(lián)時(稱為順串)，根據(jù)“半相繞組”內(nèi)的電流方向，用右手螺旋法可以定出磁場的方向，并用“”和“”表示在圖中，如圖3-34a

58、所示。很顯然，這時電動機所形成的是一個2p=4極的磁場；如果將兩個“半相繞組”尾尾相串聯(lián)(稱為反串)或頭尾相并聯(lián)(稱為反并)時，就形成一個2p=2極的磁場，分別如圖3-34b、c所示。 比較圖3-34可知，只要將兩個“半相繞組”中的任何一個的電流反向，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。 除了上述最簡單、最常用的倍極比變極方法之外，也可以用改變繞組接法達到非倍極比的變極目的，如4/6極等；有時，所需變極的倍數(shù)較大，利用一套繞組變極比較困難，則可用兩套獨立的不同極數(shù)的繞組，用哪一檔速度時就用哪一套繞組，另一套繞組開路空著。

59、如某電梯用多速電動機有6/24極兩套繞組，可得1000r/min和250r/min兩種同步速，低速為接近樓層準(zhǔn)確停車用。如果把以上兩種方法結(jié)合起來，即在定子上裝兩套繞組，每一套又能改變極數(shù)，就能得到三速或四速電動機，當(dāng)然這在結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜得多。2.兩種常用的變極方案 變極調(diào)速的具體接線方法很多，這里只討論兩種常用的變極接線，如圖3-35所示。在圖3-35a和圖3-35b中，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)，不過前者三相繞組是聯(lián)結(jié)，后者是聯(lián)結(jié)；變極時每相繞組的兩個“半相繞組”各都改接成反并，極數(shù)減少一半，而三相繞組都接成聯(lián)結(jié)。經(jīng)演變可以看出變極后它們都成了聯(lián)結(jié)，所以圖3-35

60、a和圖3-35b分別稱為/變極和/變極。顯然，這兩種變極接線中三相繞組只需9個引出端點，所以接線最簡單，控制最方便。 必須注意，上述圖中在改變定子繞組接線的同時，將V、W兩相的出線端進行了對調(diào)。這是因為在電動機定子的圓周上，電角度是機械角度的p倍。因此當(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?，F(xiàn)以下例進行說明。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，空間位置依次是U相為0、V相為1202=240、W相為2402=480(相當(dāng)于120)，這說明變極后繞組的相序改變了。如果外部電源相序不變，則變極后，不僅電動機的運行轉(zhuǎn)速發(fā)生了變