第5章 三相异步电动机的运行与拖动2

上 一 页 电机及拖动基础教学课件 5.3.1能耗制动 5.3 三相异步电动机的制动 5.3.2 反接制动 5.3.3 回馈制动 5.4.1三相异步电动机的降定子电压调速 5.4.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 5.4 三相异步电动机的调速 5.4.3电磁转差离合器调速 5.4.4绕线式异步电动机的串级调速 5.4.5 变极调速 5.4.6 变频调速 小 结 回 目 录 习 题 回 首 页 第5章 三相异步电动机的运行与拖动 摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用。 5.3 三相异步电动机的制动（返回顶部） 三相异步电动机的制动是三相异步电动机的起动的逆过程。异步电动机的制动就是使电动机的转矩 与转速 反向，即 起反抗运动的作用。使电动机转速由某一稳定转速迅速降为零的过程或者使电动机产生的转矩与负载转矩相平衡，从而使电动机的下降转速保持恒定。 三相异步电动机的制动方法有能耗制动，反接制动，回馈制动三种，其制动运动状态有能耗制动状态，反接制动状态，回馈制动状态。 本节主要分析和讨论各种制动方法的原理，机械特性及其制动过程，并总结三相异步电动机的各种运行状态。 5.3.1能耗制动（返回顶部） 上 一 页 回 目 录 1.能耗制动的原理

如果三相异步电动机定子绕组断开三相电源后，则电机内无磁通势。从而电磁转矩 ＝0，电动机在负载转矩作用下，自然停车，这是自然制动过程。 能耗制动的电路原理图如图5.22所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流

(

也称直流励磁电流)，即接通开关2K，从而在电机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁通势

，最大幅值为

。在三相交流电源切断后的瞬间，

电动机转子由于机械惯性其转速 不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转。此时，直流电流 产生的空间固定不转的磁通势

相对于旋转的转子

是一个旋转磁通势；旋转方向为顺时针，转速大小为 。这种相对运动导致了转子绕组有感应电动势 定则可知， 的方向与磁通势

，并产生电流

和电磁转矩 ，根据左手

相对于转子的旋转方向是一样的，但与转

速 的方向相反，电动机处于制动运行状态，电机转速迅速下降，直到转速

时，磁通势

与转子相对静止，

＝0,

＝0,

, 减速过

程结束，电动机将停转，实现了快速制动停车。如果负载是反抗性负载，则电机转速

将停车。如果负载是位能性负载，则电机转速

时必

须立即用机械抱闸，将电机轴刹住停车。

图5.22 能耗制动接线图

由于制动过程，转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上，因此，称为能耗制动。 2.能耗制动的机械特性

三相异步电动机能耗制动的机械特性的推导类似于三相异步电动机固有机械特性的推导。当异步电动机切断三相交流电源，接入直流电流

时的等

值电路如图5.23所示。它是转子绕组相数、匝数、绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边界的结果。

图5.23 能耗制动的等值电路 图5.24 能耗制动的电流关系

图中 为能耗制动转差率。当直流磁通势 于转子之间相对转速（既转差）

不变时，即 则

，且 的相对转子的转速即同步转速为 ，

转子绕组感应电动势 的大小和频率为：

图中 为等值电流，它是通过三相异步电动机定子绕组接入直流电流 换

算得到的。利用三相交流电流产生的旋转磁通势

的办法，可推导出

与

的关系如下：

等效替代直流磁通势

当电动机定子绕组为ㄚ 形接法时，有

当电动机定子绕组为△形接法时，有

根据等值电路画出能耗制动时各电流之间的关系图如图5.24 所示，则

(5.25)

忽略励磁电阻 的铁损耗作用，则

(5.26)

对于转子功率因数角 ，有

(5.27)

将式（5.26）、（5.27）代入式（5.25），整理各得

则

(5.28)

上式为能耗制动的机械特性表达式。

和电动机运行状态时的机械特性参数表达式推导方法一样，可导出能耗制动时的最大转矩

及相应的转差率

为

(5.29)

根据式（5.28）画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图 5.25 所示，图中曲线

图5.25 能耗制动的机械特性 图5.26 能耗制动过程

1为直流电流为 ，转子串入电阻 时的特性；曲线2为直流电流为

(

＞

)，

，转子串入电阻 转子串入电阻

时的特性；曲线3为直流电流为

时的特性；曲线4为电机运行的固有特性。

3.制动过程分析

三相异步电动机工作于电动运行状态时，采用能耗制动停车，电动机的运行点如图5.26所示。即

。改变直流电流

的大小而改变制动的选择

转矩的大小，从而改变制动时间的大小。4.直流电流 对于三相鼠笼式异步电动机取

对于三相绕线式异步电动机取

式中 为异步电动机的空载电流，一般取 。

能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流 目的。

5.3.2 反接制动（返回顶部）

三相异步电动机的反接制动分为定子电源反接的反接制动和倒拉反接制动两种

1.定子电源反接的反接制动

的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到

（1）反接制动原理

三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图5.27电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速 转，从而实现了快速制动停车。 （2）机械特性

电动机的固有特性如图5.28所示的曲线1。当定子两相反接时，旋转磁场

，电机将停

改变方向，则同步转速为 ，转差率 ，反接制动

机械特性变为曲线2。根据异步电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻

，则机械功率为

即负载向电动机内输入机械功率。而定子传递到转子的电磁功率为

表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。由于

表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。 （3）制动过程分析

三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K 闭合2K 断开。当电机

定子电源反接时，开关1K 断开2K 闭合，同时转子回路串入大电阻，即3K 断开，电动机的运行点以

，使得电动机快速停车。如果电动

机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速 则电动机将反向起动到

点。

时切断电源并停车，否

（4）反接制动电阻的计算 根据新要求的最大制动转矩进行。 例5.6 JZR51－8型绕线式异步电动机，

V,

A,

＝22kW,

,

。如果拖动额定负载运行时，采用反接制

，求转子每相串入的制动电

动停车，要求制动开始时最大制动转矩为 阻值。

解:电动机额定转差率

转子每相电阻

制动后瞬间电动机转差率

过制动开始点（ ＝1.964, 为

）的反接制动机械特性的临界转差率

固有机械特性的 为

转子串入反接制动电阻为

定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三

图5.27 定子电源反接的反接制动 图5.28 反接制动的机械特性

相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。

2.倒拉反接制动

这里仅对倒拉反接制动过程进行分析。

倒拉反接制动状态指三相绕线式异步电动机拖动位能性恒转矩负载时，在转子回路上串入较大电阻，使机械特性变为图5.29（b）所示的曲线2，电动机反转运行于第Ⅳ象限的B点。曲线1为电动机的固有特性。

倒拉反接制动适用于位能性恒转矩负载。例如，起重机将重物保持均匀速度下降时，使得位能性负载—重物倒过来拉着电动机反转。如图5.29（a）所示电动机定子电源断开时（既1K断开2K闭和）。工作运行于 点，即转数

，处于停车状态。电动机按提升方向接通电源（既1K闭和，并

，即2K断开）。由于起动转矩

点加速到

负载转矩

,,

在转子回路串入电阻

电机被重物拖着反转，电机运行点由 点，电磁转矩

电动机处于稳定的反接制动运行状态，且电机以 的转速重物匀速下放。

（a）接线原理图 （b）机械特性

图5.29 倒拉反接制动4.直流电流 的选择

对于三相鼠笼式异步电动机取

对于三相绕线式异步电动机取

式中 一般取

为异步电动机的空载电流，

。

能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流 目的。

5.3.3 回馈制动（返回顶部）

前面所述反接制动机械特性，如图5.28所示曲线2或曲线3。当三相异步电机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负相序 行于第Ⅳ象限的 转速

，且

时，电动机运

，

的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到

点（称为回馈制动运行点），对应的电磁转矩

, 则称为反向回馈制动运行。例如，起重机下放重物

（如图5.30所示），电机利用回馈制动下放重物时，定子两相反接，这时同步转速由

起动转矩为

（图5.28的C点）。由于转矩

, 则 ,电机将反向加速运行到 点。以 的转速使重

物匀速下放。下放过程中，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能“回馈”到电网中。为防止下降转速过快，转子串电阻

值不

宜太大。 图5.30 起重机下放重物的回馈制动 同理，正向回馈制动运行是指电动机工作于第Ⅱ象限，且电机转速

,

转差率

输入的机械功率 磁功率 功率

。电动机， 电

，电动机的输入。即正向回馈制动

过程中，转子送出的电磁功率

, 除了定子绕组上的铜损耗

外，其余的回

馈给定子电源了。例如下章叙

述的变极或变频调速过程，则为正向回馈制动过程。 5.3.4 三相异步电动机的各种运行状态

和直流电动机一样，三相异步电动机按其转矩 与转速 的方向的异同，可分为电动运行状态和制动运行状态。各种运行状态如图5.31 所示。 1.电动运行状态

当 与 同方向，机械特性及其稳定运行点在第Ⅰ、Ⅲ象限。若电机运行于第Ⅰ象限，

,

, 称为正向电动状态，其稳定运行点

,

、

称

为正向电动运行点；若电机运行于第Ⅲ象限， 动状态，其稳定运行点

、

, 称为反向电

称为反向运行点。在电动状态，电机通过定

子向电网吸收电能，经过转子转换成机械能输

出。 2.制动运行状态 图5.31 三相异步电动机的各种运行状态

当 与 反方向，机械特性及其稳定运行点在第Ⅱ、Ⅳ象限。能耗制动、反接制动、倒拉反接制动和回馈制动点等各种制动运行过程和状态根据上述分析结果绘于图5.31中。

例5.7 某起重机吊钩由一台绕线式三相异步电动机拖动，电动机额定数据为：

kW,

,

,

,

。电动

，下放重物

机的负载转矩 的情况是：提升重物 。

(1)提升重物，要求有低速、高速二档，且高速时转速 性上的转速，低速时转速

为工作在固有特

，工作于转子回路串电阻的特性上。

求两档转速各为多少及转子回路应串入的电阻值。 (2)下放重物要求有低速、高速二档，且高速时转速 的固有机械特性上的转速，低速时转速

为工作在负序电源

，仍然工作于转子回路串

电阻的特性上。求两档转速及转子应串入的电阻值。说明电动机运行在哪种状态。

解:（1）根据题意画出该电动机运行时相应的机械特性，见下图所示。点A、B是提升重物时的两个工作点。

(2)计算固有机械特性的有关数据： 额定转差率

固有机械特性的临界转差率

额定转矩

1)提升重物转速及转子回路串入电阻的计算 提升重物时负载转矩

高速为

低速时转子每相串入电阻 低速为

的计算：

低速时B点的转差率为

过B点的机械特性的临界转差率为

低速时每相串入电阻

，则

2)下放重物两档速度及串入电阻的计算 下放重物时负载转矩

负载转矩为 在固有机械特性上运行时的转差率为

（另一解不合理，舍去）

相应转速降落为

负相序电源高速下放重物时电动机运行于反向回馈制动运行状态，其转速为

低速下放重物电动机运行于倒拉反转状态。低速下放转速为

相应转差率为

过D点的机械特性的临界转差率为

低速下放重物时转子每相串入电阻值为 ，则

第5章 三相异步电动机的运行与拖动

摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用。

5.4 三相异步电动机的调速（返回顶部）

三相异步电动机的调速开始于上世纪50年代末。在电气传动领域中，原来只用于恒速传动的交流电动机实现了调速控制，以取代制造复杂，价格昂贵，维护麻烦的直流电动机。以后，随着电力电子技术和微型计算机的发展，再加上现代控制理论向电气传动领域的渗透，使得交流调速技术得到了迅速发展，其设备容量不断扩大，性能指标及可靠性不断提高，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，在各工业部门中，使得交流调速系统逐步取代直流调速系统，以达到节能、缩小体积、降低成本的目的。 根据三相异步电动机的转速公式为

式中 为异步电动机的定子电压供电频率； 为异步电动机的极对数；

为异步电动机的转差率。

所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。 1.转差率调速

改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗（ (又称转差功率)，使转子发热，系统效率降低。 2.改变电动机的极对数

通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速

）

所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。 3.变频调速

通过改变定子绕组的电压供电频率 的转速 基本上正比于

来实现。当转差率 一定时，电动机

。很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电

源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。

本节就上述异步电动机的各种调速方法的基本原理、特点和性能进行介绍。 5.4.1三相异步电动机的降定子电压调速（返回顶部） 1.调速原理及机械特性

根据三相异步电动机降低定子电源电压的人为机械特性，在同步转速 变的条件下，电磁转矩

,

,

(且

不

。降低电源电压可以降低转速，定子电压为 )的机械特性如图5.32

、

、

所示。对于恒转矩

负载，在不同电压下的稳定运行点为 电压下的稳定运行点为 行时的转速将降低（ 节。

、

、 或

；对于泵类负载，在不同

。可见，当定子电压降低时，稳定运

）从而实现了转速的调

图5.32

异步电动机降压调速

2.调速方法的特点及特性

其特点和性能为：

1）三相异步电动机降压调速方法比较简单；

2）对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载时，调速范围很小，没多大实用价值；

3）若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好调速效果，但在低速运行时，由于转差率 增大，消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重；

4）低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求； 5）采用下述闭环控制系统的调速范围一般为10:1。 3.降压调速方法的改进

（1）若要求拖动恒转矩负载且调速范围要求较宽的场合，可采用高转差率型双鼠笼型或深槽型的鼠笼电机（表现出高转子电阻）（参阅其他书籍）；对于采用绕线式异步电动机，可在转子回路串入电阻。其机械特性如图5.32

所示。由于低速下转子发热严重，多采用绕线式异步电动机，使大部分转差功率消耗在电机外部的电阻上。

（2）若要求低速时机械特性较硬，即在一定静差率下有较宽的调速范围，又保证电机具有一定的过载能力，可采用转速负反馈降压调速闭环控制系统，其原理框图及静特性如图5.33所示。

图5.32

高转子电阻电机降压调速机械特性

(a) 原理框图 （b） 静特性

图5.33 转速负反馈降压调速闭环控制系统

当电动机运行于 点时，对于的负载转矩为 ,系统处于平衡状态。由于

某种原因，如负载增大到 ，若无转速负反馈，则转速会下降。采用转速

，使电动机运行

，使

负反馈降压调速系统后，则电机定子电压会自动调节到 于

点。同理，若负载减小到

，则电机定子电压会自动调节到

、

电动机运行于 系统的静特性。

点，将三个工作点 ， ， 联接起来便是闭环控制

这种调速方法即非恒转矩调速方法，也非恒功率调速方法，多用于泵类负载的场合。

5.4.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速（返回顶部） 1.调速原理及机械特性

由三相异步电动机转子回路串电阻的人为机械特性在同步转速 矩 即

不变的条件下，临界转差率

与转子回路串电阻值

和最大转成正比，

, 改变转子回路串入的电阻值R，可以改变临界转差率，即降

一定时，转子回

低了转速，其机械特性如图5.34所示。对于恒转矩负载

路串入电阻 （ ）越大，）,则）,从而

临界转差率越大（ 转速越低（

实现了转速的调节。 2.调速方法的特点和性能

转子回路串电阻属恒转矩调速方法，其

特点和性能为：

1）绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方法简单，调速设备简单，易于

实现;

2）调速方法为分段多级调节，为有级调速系统，且调速的平滑性较差; 3）不利于空载或轻载调速，表现于转速变化很小; 4）低速时转差率 大。转差功率

大，效率低，经济性差;

5）调速范围不大，一般为（2～3）︰1，负 图5.34转子回路串电阻时的机械特性

载小时，调速范围更小。

这种调速方法多用于起重机一类的对调速性能要求不高的场合，对泵类负载也能应用。

5.4.3电磁转差离合器调速（返回顶部） 1.调速原理及机械特性

电磁转差离合器是一个鼠龙式异步电动机与负载之间的互相连接的电器设备如图5.35（a）所示，电磁转差离合器主要由电枢和磁极两个旋转部分组成，电枢部分与三相异步电

(a) 结构图 (b) 原理图

图5.35 电磁转差离合器动机相连，是主动部分电枢部分相当于由无穷多单元导

体组成的鼠笼转子，其中流过的涡流类似于鼠笼式的电流。磁极部分与负载联接是从动部分，磁极上励磁绕组通过滑环，电刷与整流装置连接，由整流装置提供励磁电流。电枢通常可以装鼠笼式绕组，也可以是整块铸钢。电枢与磁极之间有一个很小的气隙约0.5mm。电磁转差离合器的工作原理与异步电动机的相似。当异步电动机运行时，电枢部分随异步电动机的转子同速旋转，转速为 ，转向设为逆时针方向。若磁极部分的励磁绕组通入的励磁电流

时，磁极的磁场为零，电枢与磁极二者之间既无电的联

系又无磁的联系，无电磁转矩产生，磁极及关联的负载是不会转动的，这时负载相当于与电机“离开”。若磁极部分的励磁绕组通入的励磁电流

时，磁极部分则产生磁场，磁极与电枢二者之间就有了磁的联系。由于电枢与磁极之间有相对运动，电枢鼠笼式导体要适应电动势并产生电流，用右手法则可判定适应电流的方向如图5.35（b）所示。电枢载流导体受磁极的磁场作用产生作用于电枢上的电磁力 以判定

和电磁转矩

，用左手定则可

的方向与电枢的旋转方向相反，是制动转矩，它与作用在电枢上

的输入转矩 相平衡。而磁极部分则受到与电枢部分大小相等的，方向相反的电磁转矩，也就是逆时针方向的电磁转矩 分的负载跟随电枢转动，转速为 载转速

。在它的作用下，磁极部

，此时负载相当于被“合上”，而且负

始终小于电动机转速 ,即电枢与磁极之间一定要有转差

。这种基于电磁适应原理，使电枢与磁极之间产生转差的设备称

为电磁转差离合器。

由于异步电动机的固有机械特性较硬，可以认为电枢的转速 是恒定不变

的，而磁极的转速 取决与磁极绕组的电流 的大小。只要改变磁极电流

就不同，从而达

的大小，就可以改变磁场的强弱，则磁极和负载转速 到调速的目的。

电磁转差离合器改变励磁电流时的机械特性如图5.36所示。

图5.36 电磁转差离合器的机械特性

2.调速方法的特点和性能 其特点和性能为：

1）电磁转差离合器设备简单，控制方便，可平滑调速；

2）电磁转差离合器的机械特性较软，转速稳定性较差，调速范围较低。采用下述闭环控制系统的调速范围一般可达到10:1；

3）电磁转差离合器与三相鼠笼式异步电动机装成一体，即同一个机壳时，称为滑差电机或电磁调速异步电动机； 4）低速时转动功率损耗较大，效率较低。 3.调速方法的改进

为了提高机械特性的硬度，扩大调速范围，和降低调速方法一样。工程上常采用转速负反馈闭环调速系统。如图5.37所示。其特性曲线的分析类似转速负反馈降压调速闭环控制系统。

这种调速方法广泛用于纺织、造纸、烟草等机械上以及具有泵类负载特性的设备上。

图5.37 电磁转差离合器闭环控制系统

5.4.4绕线式异步电动机的串级调速（返回顶部） 1.串级调速原理

前述绕线式异步电动机转子回路串电阻调速时，在转子回路产生转差功率损耗

，且转速越低，转差率越大，转差功率损耗越大，效率就越

低，而且完全消耗在转子电阻上。

三相绕线式异步电动机的串级调速，就是在转子回路中不串入电阻，而是串入一个可控的转子外加电压 转子电势

，其频率与转子频率

相同，其相位与

反向或同相。其工作原理图如图5.38所示。其转子一相的等

值电路如图5.39所示，当

图5.38 串级调速原理图

(a)

与 反相 (b) 与

同相

图5.39 转子串电势等值电路

某一瞬间电势的极性 与 反相或同相时，有转子回路电流为

(5.30)

式中“–”号表示 与 反相，“+”号表示 与 同相。

异步电动机的电磁转矩T为

(5.31)

在负载转矩 一定的条件下，若转子串入 与 反相，则

直到 ，这时电动机就减速到一定的转速下稳定运行，而提供

与

的装

置通过转子电路吸收电能。同理，若转子串入 动机就加速到一定的转速下稳定运行。而提供

同相，可分析出电

的装备向转子回路输入电

能。由于此时，定子电源还向定子回路输入电能即定子和转子回路两路同

时输入电能，故串级调速又称为电动机的双馈调速。 因此，当绕线式异步电动机转子回路串入一可控的外加电压 动机实现转速调节。 2.串级调速的机械特性

由转子回路电流表达式（5.30）知：

是由两部分组成，一部分为转子电

时，可对电

压 产生的电流 ；另一部分为转子外加电压 产生的

电流

时取正值。

，且式中 与 反相时取负值， 与 同相

所以，异步电动机的电磁转矩为

(5.32)

式中 为异步电流机的电流变比，令 ，且有

(5.33)

式（5.33）和 、 值代入式（5.32），整理得

(5.34)

显然，串级调速方法中，异步电动机的电磁转矩 转磁场

与

由两部分组成：

为旋

作用产生的转矩分量。其机械特性与转子不串外加电压

时的异步电动机的机械特性一样，如图5—40 (a)所示。为由旋转磁场 和

作用产生的转矩分量，

取正值时，

取正值；

取负值时，

取负值，其机械特性如图5.40 (b)所示。绕线式异步电动机转子串电压 的机械特性由

和

合成得到，如图5.40 (c)所示。

(a) (b) (c)

图5.40 异步电动机串级调速的机械特性

由图5.40 (c)知：当 当

时，机械特性同普通异步电机的固有机械特性；

取正值时，机械特性基本上是平行上移。显然，机械特性的线性段较

硬，但低速时，最大转矩和起动转矩减小，且过载能力降低。3.串级调速的特点和性能 其特点和性能为

(1)串级调速的控制设备较复杂，成本较高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电压

频率相同的外加电压

，且要随频率

变用整

化，是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电压 流器整流成可控的直流电压来代替交变电压；

(2)串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率较高； (3)低速时，转差功率损耗较大，功率因数较低，过载能力较弱；

(4)串级调速范围一般为 负载。

，适用于大容量的通风机，提升机等泵类

4. 异步电动机串级调速系统的组成

串级调速电机转子回路要求提供可控幅值，频率和相位的电源。实现的方法有多种，早期的为机械串级调速系统，组合电机串级调速系统以及电机式串级调速系统（参阅有关文献）。目前常用的有采用可控硅组成的交直交变频器串级调速系统（如图5.41所示），和交交变频器串级调速系统（如图5.42所示）。

图5.41 交直交变频器串级调速系统

图5.42 交交变频器串级调速系统3

现以交直交变频器串级调速系统为例，介绍其运行原理。绕线式异步电动机的转子电压

经整流器整流成直流电压

，经滤波电抗器 滤波加到

有源逆变器上。逆变器将直流逆变电压 逆变成交流电压经逆变变压器送

入到点网上，且逆变出的电压和频率与电网上的一致，而直流逆变电压 通过整流器串入绕线式异步电机地转子回路，起到了转子回路串入外加电压

的作用。其极性相对转子每相电流

为反相，且起到吸收转差功率

的作用，新吸收的功率通过逆变器变成交流电能能反馈到电网上。改变逆变器的逆变角

，则可改变

的大小，即改变了转子回路外加电压

的大小，从而实现了异步电动机的串级调速。

由于转差功率通过逆变器回馈给电网，它把异步电动机与电网串接起来，把电机本身不能输出的转差功率接过来，再送到电网，故称作“串级”调速。同时，逆变器给异步电动机转子回路提供外加直流电势。 5.4.5 变极调速（返回顶部） 1.变级原理

由 知：改变异步电动机的定子绕组的极对数 ，可以改变

磁通势的同步转速 ，由于转差率 不变，则转速得到了调节。

三相鼠笼式异步电动机定子绕组极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式实现的。如图5-43(a) 所示的一个四极电机 尾相连时（正向串联），具有四个磁极

相定子绕组的两个线圈头；如果将定子绕组的联接

方式改成如图 5.43 (b)或 5.43 (c) 的形式，根据每相绕组中，一半线圈的电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通方向，此时定子绕组具有两个磁极

。由此可见，让半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从

而使同步转速增加一倍，运行的转速也接近成倍变化。

(a) 正向串联

(b) 反向串联 (c) 反向并联

图5.43 定子绕组变极原理图

变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。

2.两种典型的变极调速方法及其机械特性

改变定子绕组接线方式使半相绕组反向，从而实现变极的具体方法很多。这里只定性分析ㄚ-ㄚㄚ及△-ㄚㄚ两种典型方法。

对于ㄚ-ㄚㄚ接法或△-ㄚㄚ接法、ㄚ接法或△接法，每相中的两个半相绕组正向串联，极对数为

，同步转速为

，接线图如图5.44（a）、(b)

所示；当定子绕组以ㄚ接法变成ㄚㄚ接法或从△接法变成ㄚㄚ接法时，每相中的两个半相绕组反向并联，极对数为 5.44(c)所示。

，同步转速为

，接线图如图

(a) Y接法 （b）△接法 (c) YY接法

图5.44 异步电动机Y-YY或△-YY接线图

无论是ㄚ接法还是△接法，定性分析中可以近似假定每半相绕组的参数都相等，分别为

、

、 、

和 和

，每相绕组参数为半相参数的；ㄚㄚ接法时，每相绕组的参数为、

、

和

。

两倍（串联），即为 、

半相绕组参数的0.5（并联），即为

下面分析ㄚ-ㄚㄚ接法变极调速时的机械特性。

ㄚ-ㄚㄚ接法时，ㄚ接法与ㄚㄚ接法，其每相电压相等， 数为 ㄚ接法

，则电动机最大转矩、起动转矩及临界转差率为

，定子相

ㄚㄚ接法

根据上述的分析结果，定性画出ㄚ-ㄚㄚ变极调速时异步电动机机械特性如图5-45（a）所示。可见，若拖动很转矩负载 调速，转速 几乎增加了一倍。

同理可定性画出△-ㄚㄚ接法变极调速时的机械特性，如图5.45(b)所示。

运行时，从ㄚ向ㄚㄚ变极

（a）ㄚ-ㄚㄚ接法 (b) △-ㄚㄚ接法

图5.45变极调速机械特性

3. 变极调速的特点和性能 其特点和性能为：

（1）变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便；

（2）变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；

（3）变极调速方法为有级调速，且调速的级数不多，一般最多为四级。普遍应用于各种机床、起重机和输送机等设备上；

（4）变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。 5.4.6 变频调速（返回顶部）

异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。 1. 变频调速原理及其机械特性

改变异步电动机定子绕组供电电源的频率 改变转速。如果频率 理。

，可以改变同步转速 ，从而

连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原

三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为

式中 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；

为基波绕组系数，

为定子电源频率；

为定子每相绕组匝数； 为每极气隙磁通量。

如果改变频率 ，且保持定子电源电压 不变，则气隙每极磁通 将增

大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率 时降低电源电压，已达到控制磁通

时，必须同

的目的。对此，需要考虑基频（额定

频率）以下的调速和基频以上调速两种情况。 （1）基频以下变频调速

为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率 气隙每极磁通 机的电磁转矩为

时，保持 为常数，使

为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动

上式对s求导，即 ，有最大转矩和临界转差率为

由上式可知：当

，随着

常数时，在 的降低，

较高时，即接近额定频率时，

较低时，

较

降低时，

减少的不多；当

小； 相对变大，则随着 最大转矩

的降低， 就减小了。显然，当

不等于常数。保持 常数，降低频率调速时的机械特征

如图5.46所示。这相当于他励直流电机的降压调速。

（a） 基频以下调速（ 常数） （b）基频以上调速（

图 5.46 变频调速的机械特性

=常数）

（2）基频以上变频调速

在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电

压为 不变，频率 越高，磁通 越低，是一种降低磁通升速的方法，

这相当于它励电动机弱磁调速。 保持

=常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为

上式求 ，得最大转矩和临界转差率为

由于

较高，

、

和

比 大的多，则上式变为

因此，频率越高时， 越小， 也越小。保持 为常数，升高频率调速

时的机械特性如图５.46(b)所示２.变频调速的特点和性能 其特点和性能为：

（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随

着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；

（2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；

（3）变频调速时，转差率 较小，则转差功率损耗较小，效率较高； （4）可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式；

（5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。

第5章 三相异步电动机的运行与拖动

摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用。

小 结（返回顶部）

1. 三相异步电动机的机械特性表达式 （1）物理表达式

（2）参数表达式

（3）实用表达式

当三相异步电动机在额定负载范围内（ 以得到简化的线性表达式（近似公式）为

）运行时，实用表达式可

2. 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性： （1）固有机械特性

三相异步电动机的定子加额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械特性称为固有机机械特性。此特性上有四个重要特殊点： 1）理想空载点，其特点是：

。

2）额定工作点，其特点是： 。且有

3）起动工作点，其特点是： 。且起动转矩为

4）临界工作点，其特点是： 。且最大转矩为

临界转差率为

式中“＋”号适用于电动机状态；式中“－”号适用于发电机状态。 （2）人为机械特性：

1）降低定子回路端的人为机械特性；

2）定子回路串接三相对称电抗或电阻时的人为机械特性； 3）转子回路串接三相对称电阻时的人为机械特性； 4）改变定子电源频率的人为机械特性（变频原理） 3.三相异步电动机的起动

（1）直接起动：只有在电网或供电变压器容量允许的前提下才能采用。一般用于容量小于

的鼠笼式异步电动机的直接起动。

（2）鼠笼式异步电动机的降压起动：如定子回路串接电抗或电阻，ㄚ－Δ，自耦变压器，延边三角形等。

（3）绕线式异步电动机的起动：如转子回路串接电阻或频敏变阻器。 4. 三相异步电动机的制动

（1）能耗制动：其特点是在定子两相绕组上加上直流电压或电流，产生制动转矩，使电机停车，机械特性由第一象限转为第二象限。

（2）反接制动：分为定子两相反接的反接制动和倒拉反接制动两种。其特点是

与 反向，若是定子电流反接制动（产生反抗性转矩），则

与

同向，机械特性由第一象限转为第二象限，使电机迅速停车（当 ＝0时要及时拉开电源，否则反转）；若是倒拉反接制动（产生反抗性转矩），则 与

仍反向，机械特性由第一象限转为第四象限，电机反转使重物匀速下

降。

（3）回馈制动：其特点是 ＞

,电磁转矩 和转差率 均为负值，机械

特性曲线是第一象限中电动机状态下的机械特性在第二象限的延伸。

5.三相异步电动机的各种运行状态。 （1）电动状态：其特点为

1） 与 方向相同， 为拖动性转矩；

2） ＜ ，即0＜ ＜1；

3）机械特性及其稳定特性在第一、三象限；

4）电机向电网吸收电能，并转变为机械能，从电机轴上输出。 （2）制动状态：其特点为

1） 与 方向相反， 为制动性转矩； 2）机械特性及其稳定特性在第二、四象限；

3）电机从轴上吸收电能，并转变为电能，但能量关系还随制动状态不同而异。

6．三相异步电动机的调速。

（1）改变转差率 调速：常用的方案有 1）改变定子电压调速； 2）转子回路串电阻调速； 3）电磁转差离合器调速； 4）串级调速。

这些调速方法除串级调速外，设备简单，起动性能好，随着转差率的增加，机械性能变软，功率被消耗在转子回路或电磁转差离合器的电枢上，效率降低。为了提高机械性能的硬度，扩大调速范围，必须采用转速负反馈闭环调速系统。 （2）变极调速：

1）ㄚ－ㄚㄚ接法：属恒转矩调速；

2）△－ㄚㄚ接法：属恒功率调速。 （3）变频调速：

变频调速也是一种改变同步转速的调速方法。它分两种情况：在基频以下变频调速时，应使电压 其目的是保持磁通 持电压

与频率

按比例地配合调度，即

/

＝常数，

不变，属恒转矩调速：在基频以上变频调速时，应保

弱磁，属恒功率调速。

不变，这时频率升高，则磁通

变频调速能对异步电动机转速进行宽范围的连续调节，该方法控制功率小，调节方便，易于实现闭环控制，它是目前广泛采用的一种调速方式。

习 题（返回顶部）

5.1 己知某三相异步电动机，产品目录中的铭牌数据为；额定功率

，额定电压

数

额定电流

，过载能力

，额定效率

，起动电流倍数

，满载时，额定转速

，额定功率因数

，起动转矩倍

，，

试计算该三相异步电动机的机械特性。

5.2一台三相六极鼠笼式异步电动机铭牌数据为：额定电压

，额定转速

形接法，定子电阻

，额定频率

，转子电阻折合值

，求：

，定子绕组 ，定子漏电抗

，转子漏电抗折合值

（1）额定转矩；（2）最大转矩；（3）过载能力；（4）临界转差率。 5.3一台三相六极鼠笼式异步电动机，额定电压

形接法，额定频率

，过载能力

，定子绕组

，

，临界转差率

计算时假定不计定子电阻及空载损耗，试求： （1）设电机接至

，

电网上运行时过载能力，临界转差率

及空载电流为原来的多少倍？ （2）若保持过载能力不变，接至

电网时，电压为多少？

5.4一台三相六极鼠笼式异步电动机的额定数据为：

，

，

，

，起动转矩倍数为2，起动电流

倍数为7，定子△接，求： （1）直接起动时的起动电流；

（2）要是起动电流减少到直接起动时的l／4，求定子每相迎串入的电阻值。如果负载转矩为额定转矩的l／4，试校验此时的起动转矩是否能满足起动的要求。

5.5一台三相鼠笼式异步电动机的额定电压为 定子绕组△接，额定转速为

，

数如下：

，

，

，

，额定频率

，，

；起动参，试求：

，电机额定参数如下： ，

， ，

（1）直接起动时起动电流倍数和起动转矩倍数；

（2）采用Y一△起动时的起动电流倍数和起动转矩倍数。 5.6 一台三相异步电动机， 起动转矩倍数为2.0，试求：

（1）应用Y一△起动，起动电流和起动转矩各是多少？

（2）采用自耦变压器起动，使电动机能满载起动，变比是多少？此时电网

和电机起动电流各是多少？（该自耦变压器的抽头为80％，60％，40％）。 5.7 某三相鼠笼式异步电动机，

，

，过载能力

，起动电流倍数

，定子

接，

，

，△连接，起动电流倍数为0.5，

，起动转矩倍数

，

。车间变电站允许的最大冲击电流为

生产机械要求起动转矩不小于 ，试选择恰当的起动方法。

5.8 一台绕线式异步电动机

，

，

， ，

，

，拖动负载起动， ，求各级起动电阻值。

。若用转子串电阻四级起动，

5.9 某起重机吊钩由一台绕线试三相异步电动机拖动，电动机额定数据为： 负载转矩

，

的情况是：提升重物

，

，

。电动机的

，下放重物

(1)提升重物，要求有低速、高速两档，且高速时转速 固有特征上的转速，低速时转速

为电动机工作在

，电动机工作于转子回路串电

阻的特征上，求电动机两档转速及转子回路应串入的电阻值。 (2)下放重物，要求有低速、高速两档，且高速时转速 相序电源供电的固有特性上的转速，低速时的转速

为电动机在负（逆）

，电动机仍然

工作于转子回路串电阻的特性上，求电动机两档转速及转子回路应串人的

电阻值，说明电动机运行在哪种状态。

5.10 某台绕线式异步电动机主要技术数据为：

，

，

，

，

，

，

，电动机在固有特性上的额定工作点运行，现需要进行电源反接制

动，制动转矩限制在

，计算转子外串制动电阻值。

5.11有一台三相鼠笼式异步电动机，额定数据如下： 接，

，

，

，

，

，

，

，负载转矩为额定值不变，电源电压下降

和过载能力。

，试求电机转速

5.12 有一台三相绕线式异步电动机，技术数据如下； 四极，

，转子电流

，转子开路电压

， ，

， 接法，负载

转矩保持额定值不变，转子回路串入变阻器调速，试求： （1）变阻器每相电阻为

时的转速；

（2）变阻器每相电阻为 时的转速。

5.13 有一台三相鼠笼式异步电动机，技术数据为：

，八极，

若电机运行在

和

，

，

。负载转矩保持额定值不变，，试求：

（1）采用变频调速，频率和电压各是多少？ （2）采用降压调速，电压为多少？

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