电机及拖动基础第三章课件.ppt

1、第三章第三章三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 凡是由电动机拖动生产机械，完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成，如图3-1所示。电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械执行某一生产任务；控制设备由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控制器等组成，用以控制电动机的运动，从而对生产机械的运动实现自动控制；电源的作用是向电动机和其他电气设备供电。最简单的电力拖动系统如日常生活中的电风扇、洗衣机、工业生产中的水泵等；复杂的电力拖动系统如轧钢机、电梯等。本章中首先介

2、绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍生产机械的转矩特性和三相异步电动机的机械特性，最后主要研究三相异步电动机拖动应用的三大问题起动、制动、调速。第一节第一节电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统中所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。一、单轴电力拖动系统的运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程式 所谓单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统，如图3-2所示。根据牛顿第二定律，物体作

3、直线运动时，作用在物体上的拖动力F总是与阻力FL以及速度变化时产生的惯性力ma所平衡。平衡方程式写为式中F拖动力(N)；FL阻力(N)；m物体的质量(kg)；a物体获得的加速度(m/s2)，a=dv/dt；v物体运动的线速度(m/s)。与直线运动时相似，做旋转运动的电力拖动系统运动平衡关系，即运动方程式为(忽略T0)式中T电动机的拖动转矩(电磁转矩)(Nm)；TL生产机械的阻力矩(负载转矩)(Nm)；G转动体所受的重力(N)，G=mg；D转动体的惯性直径(m)；GD2物体的飞轮力矩(Nm2)，它是电动机飞轮力矩和生产机械飞轮力矩之和，为一个整体的物理量，反映了转动体的惯性大小。电动机和生产机械

4、各旋转部分的飞轮力矩可在相应的产品目录中查到。二、电力拖动系统运动状态的分析二、电力拖动系统运动状态的分析 电力拖动系统的运动状态，即是处于静态(静止不动或匀速)还是处于动态(加速或减速)，是用运动方程式来判断的。先任意规定某一旋转方向为正向运动，即n0，则反向运动n0。运动方程式中电磁转矩T和负载转矩TL的正、负有如下规定：T帮助正向运动为正，反对正向运动为负；T帮助反向运动为负，反对反向运动为正。TL反对正向运动为正，帮助正向运动为负；TL反对反向运动为负，帮助反向运动为正。若转矩为负，把负号提到转矩符号前面，如-T。无论正向还是反向运动，T与n同向时，为拖动转矩；T与n反向时，为制动转矩

5、。TL也同理。对正向运动而言，电力拖动系统的运动状态分析如下：1)当T=TL时，dn/dt=0，则n=0或n=常数，即电力拖动系统处于静止不动或匀速运行的稳定状态。2)当TTL时，dn/dt0，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。3)当TTL时，dn/dt0，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过程。由此可知，系统在T=TL稳定运行时，一旦受到外界的干扰，平衡被打破，转速将会变化。对于一个稳定系统来说，要求具有恢复平衡状态的能力。当T-TL=常数时，系统处于匀加速或匀减速运动状态，其加速度或减速度dn/dt与飞轮力矩GD2成反比。飞轮力矩GD2越大，系统惯性越大，转速变化就越小，系统稳定

6、性好，灵敏度低；惯性越小，转速变化越大，系统稳定性差，灵敏度高。注意：对反向运动，dn/dt0时，电力拖动系统的运动状态是反向加速；dn/dt0时，是反向减速。第二节第二节生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩TL之间的关系n=f(TL)。各种生产机械特性大致可分为以下三种类型。一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种：1.反抗性恒转矩负载 反抗性恒转

7、矩负载的特点是，负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的作用方向也随之改变，永远是阻力矩。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床的平移机构等。反抗性恒转矩负载特性曲线如图3-5所示。2.位能性恒转矩负载 位能性恒转矩负载的特点是，负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻力矩，其作用方向与电动机旋转方向相反；当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。位能性恒转矩负载特性曲线如图3-6所示。二、

8、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 恒功率负载的特点是，当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，即 就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小(TL小)，用高速档。恒功率负载特性曲线如图3-7所示。三、通风机型负载特性三、通风机型负载特性 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比，即式中K比例常数。常见的这类负载如鼓风机、水泵、液压泵等，通风机型负载特性曲线如图3-8所示。必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载

9、转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。第三节第三节三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是描述电力拖动系统各种运行状态的工具，是指转速和电磁转矩之间的关系，因此先研究三相异步电动机的电磁转矩。一、三相异步电动机的电磁转矩表达式一、三相异步电动机的电磁转矩表达式 在第二章中，T=Pem/1是三相异步电动机电磁转矩的基本公式，除此之外，驱动转子运转的电磁转矩还与哪些因数有关呢?1.电磁转矩的物理表达式 我们把T=Pem/1的分子、分母用已学过的公式展开，整理后可得电磁转矩的物理表达式式中CT转矩常数

10、。式(3-1)表明异步电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流的有功分量成正比，物理意义非常明确，所以称为电磁转矩的物理表达式。它常用来定性分析三相异步电动机的运行问题。2.电磁转矩的参数表达式 由于电磁转矩的物理表达式不能直接反映转矩与转速的关系，而电力拖动系统则常常需要用转速或转差率与转矩的关系式进行运行分析，故推导如下：根据三相异步电动机的简化等效电路：可得 式(3-2)反映了三相异步电动机的电磁转矩T与电源相电压U1、频率f1、电动机的参数(r1、r2、X1、X2、p及m1)以及转差率s之间的关系，图3-9三相异步电动机的T-s曲线称为参数表达式。显然，当U1、f1及电动机的参数不变

11、时，电磁转矩仅与转差率s有关，对应于不同s的值，有不同的T值，将这些数据绘成曲线，就是T=f(s)曲线，也称T-s曲线，如图3-9所示。T=f(s)曲线分析如下：曲线分为三部分，0s1为电磁制动状态；sTL，电动机才能顺利起动。电动机手册上通常给出起动转矩倍数KM，KM=Tst/TN。Y系列三相异步电动机KM=1.82.0。3.电磁转矩的实用表达式 在工程计算上，用式(3-2)比较繁锁，为了使用方便，往往通过电动机手册或产品目录给出的技术数据如额定功率、额定转速等来计算电磁转矩，因此推导出(推导过程略)电磁转矩的实用表达式为式(3-5)中的最大转矩Tmax和临界转差率sm可利用已知技术数据求出

12、：以上三种电磁转矩表达式，应用场合不同：物理表达式适合于定性分析；参数表达式便于分析参数对电动机运行性能的影响；实用表达式则适应于工程计算。二、三相异步电动机的机械特性二、三相异步电动机的机械特性 上面我们分析了T-s曲线，但在电力拖动系统中常用机械特性n-T，即n=f(T)曲线来分析电动机的电力拖动问题，它与T-s曲线的变换关系如图3-10所示。1.固有机械特性 固有机械特性是指三相异步电动机工作在额定电压和额定频率下，由电动机本身固有参数所决定的机械特性。在正常工作情况下，异步电动机的固有机械特性是硬特性，即异步电动机的转矩增大，转速略为减小。定性绘制固有机械特性的步骤是：先从电动机的铭牌

13、和产品目录中查取该电动机的有关技术数据，算出Tmax、sm和Tst值，这样有了同步点、最大转矩点、起动点等几个特殊运行点，就可画出n=f(T)曲线，即为异步电动机的固有机械特性曲线。2.人为机械特性 在分析电动机拖动系统的运行时，常利用人为机械特性来进行阐述。由机械特性的参数表达式可知，人为地改变异步电动机的任何一个或多个参数(U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗等)，都可以得到各不相同的机械特性。这些机械特性统称为人为机械特性。下面分别定性讨论几种人为机械特性的特点。注意：定性画人为机械特性时，只要先定性画出固有机械特性，然后抓住人为机械特性的同步点、最大转矩点、起动点与固

14、有机械特性比较有何变化，最终通过这三个特殊点，定性画出人为机械特性。(1)降低定子端电压的人为机械特性如果异步电动机的其他条件都与固有特性时一样，仅降低定子相电压所得到的人为机械特性，称为降压人为机械特性，其特点如下：1)降压后同步转速n1不变，即不同U1的人为机械特性都通过固有机械特性的同步点。2)降压后，最大转矩Tmax随U21成比例下降，但sm或nm=n1(1-sm)跟固有特性时一样，为此不同U1的人为机械特性的最大转矩点的变化规律如图3-11所示。3)降压后的起动转矩Tst也随U21成比例下降。由图3-11可知，端电压U1下降后，电动机的Tst和过载能力(m=Tmax/TN)都显著地下

15、降了，这在实际应用中必须注意。例如，设原来运行于a点，端电压下降为U1后，工作点变为b点，显然这时转速降低了，起动转矩和最大转矩都变小了。从图3-11中可以看到：如果电压下降太多，使Tmax小于负载转矩，电动机将停转。(2)转子回路串对称三相电阻的人为机械特性对于绕线转子三相异步电动机，如果其他条件都与固有特性时一样，仅在转子回路串入对称三相电阻Rp，所得的人为特性简称为转子串电阻人为机械特性，其特点如下：1)同步转速不变，即不同Rp的人为机械特性都通过固有机械特性的理想空载点。2)转子串电阻后的最大转矩Tmax的大小不变，但临界转差率smsm，且随Rp的增大而增大(或nm随Rp的增大而减小)

16、，为此不同Rp的人为机械特性的最大转矩点的变化规律如图3-12所示。3)当sm增大，而sm1时，Tst随Rp的增大而增大；但当sm1后，Tst随Rp的增大而减小。由图3-12可知，绕线转子异步电动机转子回路串合适电阻，可以改变转速而用于调速，也可以改变起动转矩，从而改善异步电动机的起动性能。三、电力拖动系统稳定运行的条件三、电力拖动系统稳定运行的条件 前面分析了生产机械的负载转矩特性n=f(TL)和电动机的机械特性n=f(T)，把两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。所谓稳定运行，就是指电力拖动系统在某种外界因素的扰动下，离开原来的平衡状态，当外界因素消失后，仍能恢复到原来的

17、平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。这里的“扰动”一般是指电网电压波动或负载的微小变化。电动机在电力拖动系统中运行时，会使系统出现稳定运行和不稳定运行两种情况。在电力拖动系统中，电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，即TTL是系统稳定运行的必要条件。系统要稳定运行，还需要两条特性配合恰当。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 下面我们利用判断电力拖动系统稳定运行的条件，来分析三相异步电动机的机械特性和负载转矩特性配合是否能稳定运行的问题。临界转差率sm或临界转速nm是三相异步电动机机械特性的“稳定”区域和“不稳定”区域的分界点。如图3-13所示，从理想空载点即同步点到最大转矩点，n=f(

18、T)曲线是下斜特性。由电力拖动系统稳定运行的必要和充分条件，不难判断对常遇到的恒转矩、恒功率、通风机型负载，都可稳定运行。这是因为在电动机下斜的机械特性部分和这三种不同负载的转矩特性的交点处，均满足(dT/dn)(dTL/dn)。从最大转矩点到起动点，n=f(T)曲线是上斜的曲线，对恒转矩负载和恒功率负载均因与电动机机械特性的交点处(dT/dn)(dTL/dn)，而不能稳定运行，只是对通风机型负载可以稳定运行。例如图3-13中的恒转矩负载特性曲线1与三相异步电动机的机械特性有两个交点，在A点可以稳定运行，而在B点则不能稳定运行。通风机型负载特性曲线2与电动机的机械特性交点C虽然可以稳定运行，但

19、转速太低，损耗大，效率低，通风机工作并不理想。对恒定负载来说，额定转差率sN和临界转差率sm的数值最好小一些，这样机械特性可以硬些。对有冲击性负载来说，相反地要求sN和sm要大些，使机械特性软一些。这样，当冲击性负载到来时，电动机的转速降低较多，拖动系统(特别是带有飞轮装置的)可以放出更多的动能来帮助电动机共同克服冲击性负载。第四节第四节三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动一、概述一、概述 在电动机带动生产机械的起动过程中，不同的生产机械有不同的起动情况。有些机械在起动时负载转矩很小，负载转矩随着转速增加而与转速平方近似成正比增加。例如鼓风机负载，起动时只需克服很小的静摩擦转矩，当转速升高

20、时，风量很快增大，负载转矩很快增大；有些机械在起动时的负载转矩与正常运行时一样大，例如电梯、起重机和皮带运输机等；有些机械在起动过程中接近空载，待速度上升至接近稳定时，再加负载，例如机床、破碎机等；此外，还有频繁起动的机械设备等。以上这些因素都将对电动机的起动性能之一的起动转矩提出不同的要求。衡量三相异步电动机起动性能好坏最主要的是起动电流和起动转矩，我们总是希望在起动电流较小的情况下能获得较大的起动转矩。但是一台普通的三相异步电动机不采取措施而直接投入电网起动，即全压起动时，其起动电流很大，而起动转矩却不很大，这对电网或电动机自身均是不利的。起动电流大的原因是，当电动机接入电网的起动瞬时由于

21、n=0，转子处于静止状态，旋转磁场以n1切割转子导体，故转子电动势和转子电流达到最大值，因而定子电流即起动电流也达到最大值。由图2-21可知，此瞬时s=1，等效负载电阻(1-s)r2/s=0，等效电路的阻抗仅为短路阻抗Zk,忽略起动时的励磁支路电流，则定子从电网吸收的起动电流的近似值为式中UN?电动机的额定相电压。可见三相异步电动机的起动电流就是额定电压下的堵转(短路)电流，为额定电流的57倍。这样大的起动电流会使电源和供电线路上的压降增大，引起电网电压波动，影响并联在同一电网上的其他负载正常工作。例如，附近照明灯亮度减弱，正在工作的电动机速度下降，甚至拖不动负载而停车等；特别对较小容量的供电

22、变压器或电网系统影响更甚。对电动机本身来说，虽然起动电流大，但持续的时间不长，损耗引起的电动机的温度增加来不及升到过热程度，因而不至起破坏作用(起动频繁和惯性较大、起动时间较长的电动机除外)。不过，过大的电磁力对电动机的影响，也不能低估。起动转矩不大的原因是：第一，由于起动电流很大，定子绕组中的阻抗压降增大，而电源电压不变，根据定子电路的电动势平衡方程式，感应电动势将减小，则主磁通1将与感应电动势成比例地减小；第二，起动时s=1，转子漏抗比转子电阻大得多，转子功率因数很低，虽然起动电流大，但转子电流的有功分量并不大。由转矩公式T=CT1I2cos2可知，起动转矩并不大，一般Tst=(1.82)

23、TN。根据以上分析可知三相异步电动机起动时的起动电流大主要是对电网不利；起动转矩并不很大主要是对负载不利，这是因为若电源电压因种种原因下降较多，则起动转矩按电压平方下降，可能会使电动机带不动负载起动。不同类型的机械负载，不同容量的电网，对电动机起动性能的要求是不同的。有时要求有较大的起动转矩，有时要求限制起动电流，但更多的情况是两个要求须同时满足。总之，一般情况下起动要求是尽可能限制起动电流，有足够大的起动转矩，同时起动设备尽可能简单经济、操作方便，且起动时间要短。二、三相笼型异步电动机的起动二、三相笼型异步电动机的起动1.全压起动 全压起动就是用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压

24、的电网上。虽然前面已分析了全压起动存在起动电流大、起动转矩并不大的缺点，但是这种起动方法最简单，操作很方便。所以，对于一般小容量的三相笼型异步电动机，如果电网容量足够大，应尽量用此方法起动。可参考以下经验公式来确定电动机能否全压起动，即 此式的左边为电源允许的起动电流倍数，右边为电动机的起动电流倍数，所以只有电源允许的起动电流倍数大于电动机的起动电流倍数时才能全压起动。否则应采用减压起动。2.减压起动 减压起动时并不能降低电源电压，只是采用某种方法使加在电动机定子绕组上的电压降低。减压起动的目的是减小起动电流，但同时也减小了电动机起动转矩(TU21)。所以这种起动方法对电网有利，对负载不利。对

25、于某些机械负载在起动时要求带满负载起动，就不能用这种方法，但对于起动转矩要求不高的设备，这种方法是适用的。减压起动常有以下几种方法：(1)定子串电阻或电抗减压起动电动机起动时，在定子电路中串入电阻(见图3-14a)或电抗，待起动后再将它切除。显然，串入的电阻或电抗起分压作用，使加在电动机定子绕组上的相电压U1?低于电源相电压UN?(即全压起动时的定子端电压)，使起动电流Ist小于全压起动时的Ist，定子串电阻起动的等效电路如图3-14b所示。可见，调节所串电阻或电抗的大小，可以得到电网所允许通过的起动电流。这种起动方法的优点是起动较平稳，运行可靠，设备简单。缺点是起动转矩随电压的二次方降低，只

26、适合轻载起动，同时起动时电能损耗较大。(2)自耦变压器减压起动自耦变压器用来进行电动机减压起动时称为起动补偿器，它的接线图如图3-15a所示。起动时，自耦变压器的高压侧接至电网，低压侧(有抽头，按需要选择)接电动机定子绕组。起动完毕，切除自耦变压器，电动机直接接至额定电压的电网运行。图3-15 用自耦变压器减压起动的原理如图3-15b所示，由于加在电动机定子绕组上的相电压U1?=UN?/k(k1)，电动机的起动电流Ist2=Ist/k(即自耦变压器的二次电流)下降。由于电动机接在自耦变压器的二次侧，而自耦变压器的一次侧接电网，故电网供给电动机的起动电流，也就是自耦变压器的一次电流Ist=Ist

27、2/k=Ist/k2(k=UN?/U1?)将大大小于全压起动电流。自耦变压器减压起动的优点是：电网限制的起动电流相同时，用自耦变压器减压起动将比其他减压起动方法获得较大的起动转矩；起动用自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，用户可根据电网允许的起动电流和机械负载所需的起动转矩进行选配。采用自耦变压器减压起动时的电路较复杂，设备价格较高，不允许频繁起动。(3)/减压起动这种方法只适用于定子绕组在正常工作时是联结的三相异步电动机。电动机定子绕组的六个端头都引出来接到换接开关上，如图3-16所示。在起动时，定子绕组先是联结，这时电动机在相电压U1?=UN/3的低压下起动，待电动机转速升高以后，再改成联

28、结，使电动机在额定电压下正常运行。由图3-17可以推算出起动电流下降到全压起动时的1/3，限流效果好；但起动转矩也跌得厉害，为原来的1/3。因此只适于空载和轻载起动。这种起动方法的优点是设备比较简单，成本低，运行比较可靠，所以Y系列容量等级在4kW及以上的小型三相笼型异步电动机都是联结，以便采用/减压起动，其缺点是只适用于正常运行时定子绕组是联结的电动机，并只有一种固定的降压比。从以上分析可知，不论采用哪一种减压起动方法使起动电流减小至电网的允许范围内，都将使电动机的起动转矩受到损失，即起动转矩与定子绕组相电压的二次方成比例减小。表3-1列出它们与全压起动比较的特征。3)试用/减压起动。因电动

29、机正常运行时是联结，可以讨论此问题。可见虽然起动电流小于电网允许值，但起动转矩不符合要求，故不能采用。4)试用自耦变压器减压起动。因为用自耦变压器起动，希望流过电网的电流自耦变压器电压比的二次方应满足则抽头电压比校验起动电流取标准抽头0.73，校验起动转矩 可见用抽头为0.73的自耦变压器减压起动，起动电流和起动转矩均符合电网和负载的要求。另外，从上面的解题步骤可推出更简便的方法求解，即 此例中，我们用具体的数据证实了在减压起动的相同限流条件下，采用自耦变压器减压起动的起动转矩较大。3.软起动 笼型异步电动机的软起动是区别于传统减压起动方式(定子串电抗或电阻减压起动、自耦变压器减压起动、/减压

30、起动)的一种新型的起动方式，它使电动机的输入电压从0V或低电压开始，按预先设置的方式逐步上升，直到全电压结束。控制软起动器内部晶闸管的导通角，从而控制其输出电压或电流，达到有效地控制电动机的起动。软起动依赖于串接在电源和电动机之间的软起动器，如图3-18所示。通常在软起动器输入和输出两端，并联接触器KM1触点，在软起动器输入端串联接触器KM触点，如图3-18所示。当软起动完成后，KM1图3-18软起动接线示意图触点闭合，KM触点断开。工作电流通过KM1送至电动机，该方法大大提高了软起动器的使用寿命，同时避免了电动机运行时软起动器产生的高次谐波，因为接触器通断时，触点两端电压基本为零，也提高了接

31、触器的使用寿命。软起动与传统减压起动方式的不同之处是：(1)无冲击电流在起动电动机时，通过逐渐增大软起动器晶闸管导通角，电压无级上升，使电动机起动电流从零开始线性上升到设定值，电动机平滑地加速，通过减小转矩波动来减轻对齿轮、联轴器及传送带的损害。(2)恒流起动软起动器可以引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机平稳起动。(3)电流无级调节根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调节至最佳的起动电流。软起动器还能实现在轻载时，通过降低电动机端电压，提高功率因素，减少电动机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的；在重载时，则提高电动机端电压，确保电动机正常运行。若用可编程序控制

32、器(PLC)控制，可撤去停止、起动按钮。起动、停止的控制过程可用PLC的顺序控制完成，并能实现用一台软起动器起动多台电动机。原则上，笼型异步电动机在不需要调速的各种应用场合都可适用软起动。软起动器特别适用各种泵类或风机负载需要软起动的场合。同样，软起动器可用于笼型异步电动机的软停止，以减轻停机过程中振动引起的轻负载移位和液体溢出等。4.改善起动性能的笼型异步电动机 三相笼型异步电动机减压起动时，为降低起动电流而使起动转矩也减小。为了克服这一缺点，通过改进笼型异步电动机转子槽形，来改善电动机的起动性能，即不仅要减小起动电流，还要增大起动转矩。实际应用中常用深槽式和双笼式两种转子槽型，下面分别予以

33、介绍。(1)深槽式笼型异步电动机深槽式电动机的主要特点是转子的槽型特别深而窄，槽的高度与宽度之比一般为1012，如图3-19a所示。深槽式异步电动机是利用转子槽漏磁通分布不同所引起的集肤效应来改善起动性能的。我们把转子导条看成是由很多沿槽高排列的小导条并联而成，各小导条电流的分布取决于它们的漏阻抗的大小。起动时，s=1，转子频率f2=f1，这相对于正常运行时f2=13Hz是较高的，转子槽中各并联小导条的漏电抗比电阻大，电流分配主要取决于漏电抗的大小。由图3-19a可见，沿槽高越靠近槽底的小导条交链的漏磁链越多，其漏电抗也越大，所以转子电流主要从槽口处漏电抗小的小导条通过，转子导条沿槽高的电流密

34、度分布情况如图3-19b所示。这时转子电流被“挤”到槽口表面，这种现象称为集肤效应。结果是槽底部分的导条截面内几乎没有电流通过，相当于转子导条的有效截面积减小了，如图3-19c所示，使转子电阻r2增大(一般可达额定运行时转子电阻的3倍)，使起动电流减小而起动转矩增大，可满载起动。随着转速升高至起动结束，转子频率逐渐降低，集肤效应影响逐渐降低，各并联小导条的漏电抗也逐渐降低至小于电阻，这时电流分配主要取决于各并联小导条电阻的大小，转子电流逐渐均匀地分布在转子导条的整个截面上，转子电阻逐渐降到正常值。与普通笼型异步电动机相比，由于深槽式异步电动机转子漏磁通大，使正常运行时的转子漏抗大，因此电动机的

35、功率因数及过载能力要降低些。所以，深槽式异步电动机起动性能的改善是靠牺牲某些性能指标而取得的。(2)双笼式异步电动机双笼式异步电动机的转子具有两套笼型绕组，如图3-20a所示，其上笼导条截面积较小，且由电阻率较大的黄铜或铝青铜等制成，因而电阻较大。但它交链的槽漏磁通较少，故漏抗小；下笼导体截面积较大，用紫铜制成，电阻较小，但它交链的槽漏磁通较多，漏抗大。如果上下笼都是铸铝而成的，则上笼截面积远比下笼的小得多，如图3-20b所示，因而上笼电阻比下笼大得多。起动时转子电流的频率高，集肤效应使电流多“挤”到上笼，使上笼起主要作用，故称为起动笼。由于上笼电阻大，可以减小起动电流而增大起动转矩。起动结束

36、后，转子电流频率很低，下笼漏电抗减小，而本身电阻又小，转子电流主要从下笼导条中通过，下笼在正常运行时起主要作用，故称为工作笼。双笼式异步电动机的机械特性是上、下笼机械特性的合成，如图3-20c所示。改变上、下笼导条的材料和截面积，可以得到不同的合成机械特性，从而满足不同的负载要求。图3-20 双笼式异步电动机与深槽式异步电动机一样有很好的起动性能，可以满载起动，但前者的运行特性好于后者。不过深槽式电动机制造简单，也比较便宜。三、三相绕线转子异步电动机的起动三、三相绕线转子异步电动机的起动 对于需要大、中容量电动机带动重载起动的生产机械或者需要频繁起动的电力拖动系统，不仅要限制起动电流而且还要足

37、够大的起动转矩。这就需要用三相绕线转子异步电动机转子串电阻或串频敏变阻器来改善起动性能。1.转子串电阻起动 当绕线转子异步电动机每相转子回路串入起动电阻Rst时，其起动相电流为 可见只要Rst足够大，就可以使起动电流Ist限制在规定的范围内。由图3-12可知，转子回路串电阻Rp=Rst后，其起动转矩Tst可随Rst的大小自由调节：在一定范围内，Tst随Rst的增加而增加，以适应重载起动的要求；也可以让Rst足够大，使sm1，TstTmax，然后再逐渐减小Rst使Tst增大，这样可以减小起动时的机械冲击。因此，绕线转子异步电动机转子串电阻，可以得到比普通笼型电动机优越得多的起动性但是在实际应用中

38、，起动电阻Rst在起动过程中是通过开关逐级切除(短接)的，如图3-21所示(三级起动，即分三次切除)。分级起动过程分析如下：刚起动时，全部起动电阻都接入，这时转子回路每相电阻为R3=Rst3+Rst2+Rst1+r2，对应的人为机械特性如图3-22的Aa所示，其sm31；且对应的最大起动转矩Tst1=0.85Tmax。当转速沿Aa加速到b点，电磁转矩降为切换转矩Tst2(1.11.2)TL，为提高整个起动过程的平均起动转矩，使电动机有较大的加速度，缩短起动时间，且切除(短接)Rst3使电动机从b点跳至R2=Rst2+Rst1+r2所对应的人为机械特性Ac上的c点，而该点的转矩正好等于最大起动转

39、矩Tst1；然后再逐级切除Rst2、Rst1。上述全部过程如图3-22所示的abcdefg，最后将稳定运行于固有机械特性的h点。此时操作起动器手柄将电刷提起同时将三只集电环自行短接，以减小运行中的电刷摩擦损耗，至此起动结束。注意：当电动机停止运行时，应把电刷重新放下，且把起动电阻全部接入，以便下次起动时用。2.转子串频敏变阻器起动从图3-22可见：三相绕线转子异步电动机转子串电阻起动，在逐级切除电阻的瞬时，转矩从Tst2跃至Tst1，导致起动不够平稳。当绕线转子异步电动机不需要频繁起动和调速时，我们可采用绕线转子串频敏变阻器起动来增加起动的平稳性。频敏变阻器是电阻和电抗值随频率而变化的装置。外

40、观很像一台没有二次绕组，一次侧联结的三相心式变压器，如图3-23a所示。因其铁心用较厚的钢片叠压而成，故铁耗比普通变压器大得多。转子串频敏变阻器的等效电路如图3-23b所示。其中rp是频敏变阻器每相绕组本身的电阻，其值较小；Rmp是反映频敏变阻器铁心损耗的等效电阻，Xmp是频敏变阻器静止时的每相电抗。电动机起动时，s=1即f2=f1，转子频率较高，且频敏变阻器铁心叠片很厚，所以其铁耗很大，对应的等效电阻Rmp也很大。由于起动电流的影响使频敏变阻器的铁心饱和，所以Xmp不大。此时相当于在转子回路中串入一个较大的起动电阻Rmp，使起动电流减小而起动转矩增大，获得较好的起动性能。随着转速的升高，s减

41、小即f2变低，铁耗随频率的二次方成正比下降，使Rmp减小(这时sXmp也变小)，相当于随转速升高自动且连续地减小起动电阻值。当转速接近额定值时，sN很小即f2极低，所以Rmp及sXmp都很小，相当于将起动电阻全部切除。此时应把电刷提起且将三只集电环短接，使电动机运行于固有特性上，起动过程结束。第五节第五节三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 若要使三相异步电动机在运行中快速停车、反向或限速，就要进行电磁制动。而电磁制动的特点是产生一个与电动机转向相反的电磁转矩，且希望与起动时的要求相似，即限制制动电流，增大制动转矩，使拖动系统有较好的制动性能。异步电动机有能耗制动、反接制动及回馈制动三种方

42、法。为便于分析异步电动机拖动系统在各种制动运行时的机械特性及各物理量的正负、范围，我们常与电动状态进行对比。图3-24a是正、反向电动运行的示意图，图3-24b是它们对应的机械特性。正向电动时，位于第象限的机械特性过+n1点，且n0，T0；反向电动时，位于第象限的机械特性过-n1点，且n0，T0。可见，只要是电动状态，|n|n1|，n和T同方向，n1和n同方向；s=01;P1Pem=m1I22r2/s0，说明电动机从电网吸取电能；P2Pm=T0，说明电动机向负载输送机械能。图3-24一、能耗制动一、能耗制动(1)能耗制动原理三相异步电动机实现能耗制动的方法是将定子绕组从三相交流电源上断开，然后

43、立即加上直流励磁，如图3-25a所示。流过定子绕组的直流电流在空间产生一个静止的磁场，而转子由于惯性继续按原方向在静止磁场中转动，因而切割磁力线在转子绕组中感应电动势(方向由右手定则判断)而产生方向相同(略转子漏抗)的电流。根据左手定则可以判断该电流再与静止磁场作用产生的电磁转矩T是制动性质的，如图3-25b所示。则系统减速，因为这种方法是将转子动能转化为电能，并消耗在转子回路的电阻上，动能耗尽，系统停车，所以称为能耗制动。(2)能耗制动机械特性由于定子绕组接入直流电，磁场的旋转速度为零，所以机械特性由电动状态时的过同步点变成能耗制动时的过原点，是倒立过来的电动状态时的机械特性，如图3-26所

44、示(数学推导从略)。当三相异步电动机刚制动时，由于惯性，转速来不及变，转速最高nn1，转子绕组切割静止磁场的速度最高，感应的电动势最大，若转子不串入制动电阻Rbk，则会造成制动电流过大而制动转矩较小，如图3-26曲线2中b点对应的Tb；如果转子电路中接入适当电阻Rbk，则在同一转速下，限制了制动电流且得到较大的制动转矩，如曲线3的b点，从而提高了制动效果。三相异步电动机的能耗制动，制动平稳，能准确快速地停车。另外由于定子绕组和电网脱开，电动机不从电网吸取交流电能(只吸取少量的直流励磁电能)，从能量的角度看，能耗制动比较经济。但是从能耗制动的机械特性可见，拖动系统制动至转速较低时，制动转矩也较小

45、，此时制动效果不理想。所以若生产机械要求更快速停车时，则对电动机进行电源反接制动。二、反接制动二、反接制动1.电源反接制动(反接正转象限n10,n0,s1)这种反接制动是将三相异步电动机的任意两相定子绕组的电源进线对调，相当于他励直流电动机的电枢反接制动，适用于反抗性负载快速停车和快速反向。(1)制动原理和机械特性如图3-27a所示，由于定子绕组两相对调，使旋转磁场反向，即-n10，则如图3-27b所示过-n1点的机械特性曲线2和3。设电动机原来在图3-27b中固有机械特性1的a点正向电动运行，定子两相反接瞬间n1反向，而转速n由于机械惯性来不及变化(从a点水平跳变到曲线2的b点)，仍有n0，

46、则转子绕组相对切割旋转磁场的方向改变，E2s反向，I2s反向，电磁转矩T反向(T0)，所以n与T反向，T是制动转矩，因此n迅速下降，n至0时，对需要快速停车的反抗性负载，应快速切断电源，否则可能会反向旋转。可见上述是一个制动过程，机械特性处于象限。反接制动过程中由于制动瞬时nn1,s2，转子电动势E2s2E2，比s=1起动时的E2s=E2还要大一倍，因此制动电流太大且因转子频率大、漏抗大而制动转矩Tb较小，制动效果不佳。所以生产实际的反接制动时，为改善制动性能，转子回路要串入制动电阻Rbk以限制过大的制动电流并增大转子功率因数而增大制动转矩，如曲线3的b点对应的制动转矩Tb。电源反接制动时，P

47、1Pem=m1I22r2/s0,P2Pm=T0，说明电动机既要从电网吸取电能，又要从轴上吸取机械能，因此能耗大，经济性较差。但该制动方法的制动转矩即使在转速降至很小时，仍较大，因此制动迅速。(2)制动电阻Rbk的计算线性段固有机械特性和转子串电阻的人为机械特性上，同一转矩条件下的转差率和转子回路总电阻间的关系为式中sg固有机械特性上对应任意给定转矩T的转差率，sg=sN(T/TN)；s转子串电阻的人为机械特性上的转差率，它与固有机械特性上的sg对应相同转矩T。式(3-12)是各种制动问题的一般计算公式，由它可以得到制动电阻的公式，即 在用上述公式计算并定性画机械特性来帮助分析时，注意相对应的固

48、有机械特性和转串电阻的人为机械特性的同步点是相同的。2.倒拉反接制动(正接反转象限n10，n0,s1)这种反接制动适用于将重物匀低速下放时电动机的制动。(1)制动原理和机械特性如图3-29a所示，由于定子接线与正向电动状态时一样，所以如图3-29b所示的机械特性仍过n1点。设异步电动机原运行于图3-29b所示的固有机械特性1中的a点来提升重物，处于正向电动状态。如果在转子回路串入足够大电阻Rbk，使sm1，以致于对应的人为机械特性与位能性恒转矩负载特性的交点落在第象限，如曲线2所示。在串入电阻的瞬时，转速n由于机械惯性来不及变化，工作点从a点水平跳变到曲线2的点b。由于TbTL，系统开始减速，

49、待到转速n为零时，电动机的电磁转矩Tc仍小于负载转矩TL，重物倒拉电动机转子反向旋转，即转速由正变负，此时T0而n0，电动机开始进入倒拉制动状态。在重物的作用下，电动机反向加速，电磁转矩逐步增大，直到Td=TL为止，电动机以nd的速度下放重物，处于稳定制动运行状态。这种反接制动转差率s为 所以与电源反接制动一样，倒拉反接制动的P10，P20，能耗大，经济性差，但它能以任意低的转速下放重物，安全性好。(2)制动问题计算利用同一转矩下转子电阻与转差率的关系式(3-12)、(3-13)进行有关制动问题计算时有两种情况：1)已知下放转速n，求需串入的制动电阻Rbk。用式(3-13)求解时注意，对应倒拉

50、反接制动：位于第象限的倒拉反接制动运行稳定下放点的s必大于1(因下放重物的n0，n10)，与倒拉反接制动人为机械特性对应的、过+n1的位于第象限的固有机械特性上对应给定负载转矩TL(略T0时，即为T)的sg0。2)已知串入的制动电阻Rbk，求下放转速n。用式(3-12)求出s后，用n=n1(1-s)计算n时，注意n10。三、回馈制动三、回馈制动(再生发电制动再生发电制动)1.反向回馈制动(象限，|n|n1|，n10，n0，s0)这种制动方法也称反向再生发电制动，适用于将重物高速稳定下放。反向回馈制动原理和机械特性如图3-31所示，将电源两相对调，旋转磁场反向，则如图3-31b所示的机械特性1过