第八章三異步電動機的啟動、調(diào)速與制動

第八章三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動8.1三相異步電動機的啟動8.1.1三相異步電動機的直接啟動所謂三相異步電動機的啟動過程是指三相異步電動機從接入電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動時起，到達額定轉(zhuǎn)速為止這一段過程。根據(jù)上一節(jié)的分析知，三相異步電動機在啟動時啟動轉(zhuǎn)矩并不大，但轉(zhuǎn)子繞組中的電流I很大，通常可達額定電流的4～7倍，從而使得定子繞組中的電流相應增大為額定電流的4～7倍。這么大的啟動電流將帶來下述不良后果。（1）啟動電流過大使電壓損失過大，啟動轉(zhuǎn)矩不夠使電動機根本無法啟動。（2）使電動機繞組發(fā)熱，絕緣老化，從而縮短了電動機的使用壽命。（3）造成過流保護裝置誤動作、跳閘。（4）使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動，進而形成影響連接在電網(wǎng)上的其他設備的正常運行。因此，電動機啟動時，在保證一定大小的啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，還要求限制啟動電流在允許的范圍內(nèi)。（忽略勵磁支路影響）

起動時，n=0，s＝1，轉(zhuǎn)子電動勢

起動電流大，定子繞組漏阻抗壓降增大，定子有效作用電壓減小，每極氣隙磁通量下降,b.s=1，轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)低（0.3左右）,起動轉(zhuǎn)矩不大：起動電流很大:例：一臺三相異步電動機參數(shù)為：定子繞組為Y聯(lián)接。求：1、額定轉(zhuǎn)差率；2、忽略勵磁支路時，轉(zhuǎn)子額定電流；3、轉(zhuǎn)子起動電流；5、轉(zhuǎn)子額定功率因數(shù)；6、轉(zhuǎn)子起動功率因數(shù)；7、額定轉(zhuǎn)矩；8、起動轉(zhuǎn)矩；9、臨界轉(zhuǎn)差率；10、最大轉(zhuǎn)矩；11、起動電流對磁通的影響

1、額定轉(zhuǎn)差率2、忽略勵磁支路時，轉(zhuǎn)子額定電流（等值電路為一相）3、轉(zhuǎn)子起動電流4、轉(zhuǎn)子額定功率因數(shù)5、轉(zhuǎn)子起動功率因數(shù)6、額定轉(zhuǎn)矩7、起動轉(zhuǎn)矩8、臨界轉(zhuǎn)差率9、最大轉(zhuǎn)矩10、起動電流對磁通的影響

此例說明，雖然三相異步電動機起動時轉(zhuǎn)子電流高達其額定工作時的5倍以上，所產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩卻小于額定轉(zhuǎn)矩結(jié)論：三相異步電動機直接起動時，起動電流很大，起動轉(zhuǎn)矩卻不大。短時大電流沖擊，籠型轉(zhuǎn)子可承受，但對電源產(chǎn)生沖擊，起動過頻繁電機會過熱；起動轉(zhuǎn)矩小，會使起動時間拖長，負載重時可能不能起動。直接起動適用范圍：非頻繁、負載較輕、電源相對電機容量足夠大。啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩：降低啟動電流方法：降低電源電壓；加大定子邊電阻或電抗；加大轉(zhuǎn)子邊電阻或電抗。增大啟動轉(zhuǎn)矩方法：加大轉(zhuǎn)子邊電阻對策要求：1、增大起動轉(zhuǎn)矩2、減小起動電流對策分析：一、起動時增大轉(zhuǎn)子繞組電阻可減小起動電流

；

二、最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子繞組電阻大小無關(guān)，增大轉(zhuǎn)子繞組電阻不影響最大電磁轉(zhuǎn)矩；三、臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子繞組電阻成正比；四、同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子繞組電阻無關(guān)。結(jié)論：如果能在轉(zhuǎn)子回路串入附加電阻使臨界轉(zhuǎn)差率s＝1，則可達到即減小起動電流又獲得最大起動轉(zhuǎn)矩的目的。應用前提：轉(zhuǎn)子回路能串入電阻適用對象：繞線轉(zhuǎn)子異步電動機例如上例中若可使起動時轉(zhuǎn)子電阻則可在起動電流降為20.5A的情況下以最大電磁轉(zhuǎn)矩起動。8.1.2繞線形異步電動機的啟動

三相繞線形異步電動機轉(zhuǎn)子中有三相繞組，可以通過滑環(huán)和電刷串接外加電阻。在上一節(jié)分析轉(zhuǎn)子串電阻的人為機械特性時已知：適當增加轉(zhuǎn)子串接電阻，可以減小啟動電流并提高電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，繞線形異步電動機正是利用了這一特性。按照繞線形異步電動機啟動過程中轉(zhuǎn)子串接裝置的不同，有串電阻啟動和串頻敏電阻器啟動兩種方法。1．轉(zhuǎn)子串電阻啟動在這種啟動方式中，由于電阻是常數(shù)，所以為了獲取較平滑的啟動過程，將啟動電阻分為幾級，在啟動過程中逐級切除。右圖是繞線形異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動的原理圖。繞線形異步電動機串電阻啟動原理圖Rst1Rst23~M3~S1S2S①串聯(lián)Rst1和Rst2起動（特性a）總電阻R22=R2+Rst1+Rst2n0TnOa(R22)TLT2a1a2T1切除

Rst2b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2②合上S2，切除Rst2（特性b）總電阻R21=R2+Rst13~M3~S1S2Rst1Rst2S切除

Rst1③合上S1，切除Rst1（特性c）總電阻:R2c(R2)b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2c1c2p3~M3~S1S2Rst1Rst2S繞線形異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動機械特性逐級切除附加起動電阻的起動法1、圖解法計算

確定繪特性I按

預選

連接得IV，交T＝于b過b作平行于橫軸直線，交T＝于c連接和c，得III，交T＝于d……，直到按起動級數(shù)m的要求，通過f點所作平行橫軸的直線與固有機械特性曲線交點g處，否則調(diào)整重新作圖。穩(wěn)定運行段有此式說明電磁轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)差率與臨界轉(zhuǎn)差率成正比又因為臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比所以：轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比:：一相繞組回路中外接附加起動電阻：一相繞組自身電阻由于轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比所以，對額定轉(zhuǎn)矩，有的值分別對應線段AB、AC、…、AF的長度，有

同理可得：

當轉(zhuǎn)子電阻已知時，可直接計算。si可通過讀圖獲得。若未知，則可先計算額定狀態(tài)時，額定轉(zhuǎn)差率很小，對星形繞組，有[每相轉(zhuǎn)子繞組的額定電阻]例繞線轉(zhuǎn)子異步電動機

要求轉(zhuǎn)子繞組串電阻分4級起動，試求各級附加起動電阻阻值。2、解析法S一定時，電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率成反比，臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比，故S一定即轉(zhuǎn)速一定時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電阻成反比。令,若起動分為m級，則有：由于轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比所以有額定轉(zhuǎn)矩時，

即

2．轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器啟動

根據(jù)上述分析知：要想獲得更加平穩(wěn)的啟動特性，必須增加啟動級數(shù)，這就會使設備復雜化。為此采用了在轉(zhuǎn)子上串頻敏變阻器的啟動方法。所謂頻敏變阻器，是由厚鋼板疊成鐵心并在鐵心柱上繞有線圈的電抗器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.11所示。它是一個鐵損耗很大的三相電抗器，如果忽略繞組的電阻和漏抗時，其一相的等效電路如圖4.12所示。

頻敏變阻器結(jié)構(gòu)示意圖頻敏變阻器一相等效電路

基本思想利用鐵磁材料中渦流損耗與勵磁電流頻率的平方成正比的特點，用渦流損耗較大的材料作鐵心做成電抗器，起動時串入轉(zhuǎn)子繞組，R部分可分為銅阻和反映鐵耗的等值電阻起動時，較高，渦流損耗較大，相應較大，與頻率成正比的也較大，可增加起動轉(zhuǎn)矩、限制起動電流；隨轉(zhuǎn)速上升，不斷下降，渦流損耗跟著下降，、自動平滑地減少。起動結(jié)束，很小，、的值近似為0。

8.1.3籠形異步電動機的啟動

直接起動：電流大、起動轉(zhuǎn)矩不大。不能在轉(zhuǎn)子繞組中串電阻或電抗。

三相籠形異步電動機的啟動有兩種方式，第一種是直接啟動，即將額定電壓直接加在電動機定子繞組端。第二種是降壓啟動，即在電動機啟動時降低定子繞組上的外加電壓，從而降低啟動電流。啟動結(jié)束后，將外加電壓升高為額定電壓，進入額定運行。從電動機容量的角度講，通常認為滿足下列條件之一的即可直接啟動，否則應采用降壓啟動的方法。（1）容量在10kW以下（2）符合下列經(jīng)驗公式1．三相籠形異步電動機的直接啟動直接啟動的優(yōu)點是所需設備少，啟動方式簡單，成本低，是小型籠形異步電動機主要采用的啟動方法，如圖所示。

三相籠形異步電動機的直接啟動

2．三相籠形異步電動機的降壓啟動

降壓啟動方式是指在啟動過程中降低其定子繞組端的外施電壓，啟動結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復到額定值。這種方法雖然能達到降低啟動電流的目的，但啟動轉(zhuǎn)矩也減小很多，故此法一般只適用于電動機的空載或輕載啟動，具體方法包括：電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩均與電壓Us的平方成正比關(guān)系減少，而臨界轉(zhuǎn)差率與Us無關(guān)。僅適合空載、輕載起動。M3~3~RSS1FUS2起動運行M3~XSS1FUS23~（1）定子串電阻或電抗器降壓啟動這種啟動方法不受電動機定子繞組接法形式的限制，但由于啟動電阻的存在，將使設備體積增大，電能損耗大，目前已較少采用。（2）Y/△降壓啟動對于正常運行為△形接法的三相交流異步電動機，若在啟動時將其定子繞組接為Y形，則啟動時其定子繞組上所加的電壓僅為正常運行的，降低了啟動電壓。目前生產(chǎn)的Y系列功率在4kV以上的中小型三相異步電動機，其定子繞組的規(guī)定接法一般為△形接法，所以在啟動時，可以對其采用Y/△降壓啟動方法，即在電動機啟動過程中，將定子繞組接成Y形接法，啟動過程結(jié)束后，再接成△形接法。圖4.7是Y/△降壓啟動的原理圖，其工作情況如下。適用于：正常運行為△聯(lián)結(jié)的電動機。3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2適用于：正常運行為△聯(lián)結(jié)的電動機。3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2Y起動適用于：正常運行為△聯(lián)結(jié)的電動機。運行S23~UNS1FUU1U2V1V2W1W24.3三相異步電動機的起動電動機直接啟動時，定子繞組△接，每一相繞組啟動電壓為，每相啟動電流為，線上的啟動電流為采用Y/△啟動，每一相啟動電壓每相啟動電流為線啟動電流與相啟動電流相等

起動轉(zhuǎn)矩比

起動電流比（3）定子串自耦變壓器降壓啟動這種方法是利用自耦變壓器將電源電壓降低后再加到電動機定子繞組端，達到減小啟動電流的目的，如圖所示。

設自耦變壓器的一次側(cè)電壓U1（即電源電壓），電流為I1，二次側(cè)電壓為U2，電流為I2，變壓比為k，則

自耦變壓器降壓啟動對一相定子繞組，設全壓起動時起動電流為則降壓起動時電源電壓是定子繞組電壓的起動電流下降為自耦變壓器輸入繞組電流和輸出繞組電流的關(guān)系與普通變壓器相同：優(yōu)點：起動定子繞組電源電壓可調(diào)缺點：起動轉(zhuǎn)矩相應下降。8.2三相異步電動機的調(diào)速可知，異步電動機有下列三種基本調(diào)速方法：（1）改變定子極對數(shù)調(diào)速。（2）改變電源頻率調(diào)速。（3）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式1.繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子回路串接對稱電阻時的機械特性為

從機械特性看，轉(zhuǎn)子串電阻時，同步速和最大轉(zhuǎn)矩不變，但臨界轉(zhuǎn)差率增大。當恒轉(zhuǎn)矩負載時，電機的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的增大而減小。8.2.1改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的實質(zhì)是：將P1的一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)移到運動系統(tǒng)之外，以削弱P2，達到減速的目的。方法：1、消耗型：將轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電路中：調(diào)壓（籠型）、串電阻調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）2、回饋型：將轉(zhuǎn)差功率大部分回饋電網(wǎng)：串極調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）3、轉(zhuǎn)差功率不變型：變極調(diào)速、變頻調(diào)速2.繞線轉(zhuǎn)子電動機的串級調(diào)速在繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子回路串接一個與轉(zhuǎn)子電動勢同步頻率的附加電動勢。通過改變的幅值和相位，也可實現(xiàn)調(diào)速，這就是串級調(diào)速。改變電動機的電壓時，機械特性為3.改變定子電壓調(diào)速

調(diào)壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也非恒功率調(diào)速，它最適用于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的負載，如風機類負載，也可用于恒轉(zhuǎn)矩負載，最不適用恒功率負載。8.2.2變極調(diào)速變極調(diào)速是改變定子繞組的極對數(shù)實現(xiàn)的，只用于籠型電動機。以4極變2極為例：U相兩個線圈，順向串聯(lián)，定子繞組產(chǎn)生4極磁場：反向串聯(lián)和反向并聯(lián)，定子繞組產(chǎn)生2極磁場：Y→反并YY，2p-p?→YY，2p-p注意：當改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序8.2.3變頻調(diào)速改變?nèi)喈惒诫妱訖C電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。變頻調(diào)速的優(yōu)點是無級變速，變速范圍大，且具有較硬的機械特性。變頻調(diào)速的缺點是有一套專門的變頻電源，調(diào)速系統(tǒng)較為復雜，設備投資較高。以下：過分增磁會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，使繞組過熱，損壞電機。為不使磁通飽和，降頻必須同時降壓受絕緣耐壓限制，電壓只能維持額定，

磁通必隨頻率上升而下降。以上：1.從基頻向下變頻調(diào)速我們知道，三相異步電動機每相電壓：降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓有兩種控的制方法。⑴保持=常數(shù)：上式是保持氣隙每極磁通為常數(shù)變頻調(diào)速時的機械特性方程式。下面根據(jù)該方程式，具體分析一下最大轉(zhuǎn)矩Tmax及相應的轉(zhuǎn)差率scr。最大轉(zhuǎn)矩處，對應的轉(zhuǎn)差率為scr，即最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降落為：最大轉(zhuǎn)矩對應轉(zhuǎn)速當改變頻率時，若保持=常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與頻率無關(guān)，并且最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落相等，也就是不同頻率的各條機械特性是平行的，硬度相同。根據(jù)上式畫出保持恒磁通變頻調(diào)速的機械特性，如圖所示。這種調(diào)速方法機械特性較硬，在一定的靜差率要求下，調(diào)速范圍寬，而且穩(wěn)定性好。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此變頻調(diào)速為無級調(diào)速，平滑性好。另外，電動機在正常負載運行時，轉(zhuǎn)差率s較小，因此轉(zhuǎn)差功率較小，效率較高。經(jīng)分析，恒磁通變頻調(diào)速是屬于為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。即當：時，實現(xiàn)：Es測量困難，用保持Us/f=常數(shù)近似。s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性是一段直線：s較小范圍內(nèi)，不同f時機械特性為一族平行曲線。隨頻率減少而減少。s接近于1時，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比。機械特性是關(guān)于原點對稱的一段雙曲線高低速最大電磁轉(zhuǎn)矩不一致：Rs影響：低速時補償Rs的壓降。2.從基頻向上變頻調(diào)速：升高電源電壓是不允許的，因此升高頻率向上調(diào)速時，只能保持電壓為UN不變，頻率越高，磁通Φm越低，是一種降低磁通升速的方法，類似他勵直流電動機弱磁升速情況。保持不變升高頻率時，電動機電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)論2：頻率f升高，Tmax減小，scr也減小，最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)結(jié)論1：基頻以上調(diào)速時最大轉(zhuǎn)矩與頻率成反比頻率升高，電源電壓保持為額定值不變Us保持額定值不變，s變化極小，功率近似保持不變結(jié)論3：弱磁升速的變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式畫出升高電源頻率的機械特性，其運行段近似平行，如圖所示。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式畫出升高電源頻率的機械特性，其運行段近似平行，如圖所示。綜上所述，三相異步電動機變頻調(diào)速具有以下幾個特點：①從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式；②調(diào)速范圍大；③轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；④運行時小，效率高；⑤頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速為無級調(diào)速。8.3三相感應電動機的制動三相異步電動機的電動狀態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n同方向，電機從電源吸收電功率，扣除自身損耗外，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率送至負載；