三相异步电动机的起动、调速和制动

1、李小鹏 副教授天津工程师范学院 三相异步电动机的起动、调速和制动 起动性能包括起动性能包括鼠笼异步电动机的起动7.17.1鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动 三相异步电动机在实际运行过程中，由于生产上三相异步电动机在实际运行过程中，由于生产上的需要而起动和停止。在选用电动机时，必须要求电的需要而起动和停止。在选用电动机时，必须要求电动机能带动生产机械并很快地转到额定转速。动机能带动生产机械并很快地转到额定转速。（1）能产生足够大的起动转矩）能产生足够大的起动转矩Tst，使电动机很，使电动机很快地转动起来。快地转动起来。（2）起动电流）起动电流Ist不要太大，避免起动时大电流在不要太大，避

2、免起动时大电流在电网上产生较大的压降而影响接在电网上的其它电网上产生较大的压降而影响接在电网上的其它电气设备和电动机的正常运行。电气设备和电动机的正常运行。 一般普通鼠笼式一般普通鼠笼式异步电动机，异步电动机， 所以要研究异步机的起动所以要研究异步机的起动特性和异步机的各种起动特性和异步机的各种起动方法。方法。NstII74ststTT3 .19 .0nn10I0TstIst1T,I1n=f(I1)n=f(T) 三相异步电动机直接起动时的机械特性和电流特性鼠笼异步电动机的起动三相异步电动机的起动、调速和制动stI起动电流起动电流 ：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的中小型鼠笼式电机起动电流为

3、额定电流的5 7 倍。倍。0n定子电流定子电流 原因：起动时原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流大电流使电网电压降低大电流使电网电压降低 影响其他负载工作影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累频繁起动时造成热量积累 电机过热电机过热影响：影响：异步电动机直接起动时的问题：异步电动机直接起动时的问题：电流大但转矩并不大。电流大但转矩并不大。2212211122)()(cosXXSRRUIICTmMem 起动时，起动时， S1， 等效阻抗小，等效阻抗小， 起动电流大；起动电流大； f2f1 ， 2接近接近900， cos

4、2很小，很小， 转子电流用功转子电流用功分量小。分量小。 鼠笼异步电动机的起动 不仅取决于电机本身的大小，不仅取决于电机本身的大小， 还与供电电网容量还与供电电网容量和供电线路长短有关。和供电线路长短有关。 （要求母线降落不大于（要求母线降落不大于10） 电动机容量与供电变压器的比值；电动机容量与供电变压器的比值； 起动是否频繁；起动是否频繁； 供电线路距离；供电线路距离； 同一台变压器其它用户的要求；同一台变压器其它用户的要求；一般一般7.5KW以下电机允许直接起动。以下电机允许直接起动。鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动电流造成影响鼠笼异步电动机的起动电流造成影响

5、 起动电流大，在电网的变压器容量与异起动电流大，在电网的变压器容量与异步电动机起动容量相比不足够大时，直接起步电动机起动容量相比不足够大时，直接起动会使变压器输出电压下降，当电压降动会使变压器输出电压下降，当电压降U10%时，将使接在变压器上的其他电器时，将使接在变压器上的其他电器及电动机正常工作受影响。直接起动的起动转及电动机正常工作受影响。直接起动的起动转矩并不大，而起动时必须满足矩并不大，而起动时必须满足Tst1.1TL条件条件电动机才能起动起来，在空载情况下可以满足电动机才能起动起来，在空载情况下可以满足上述要求，而当重载起动时可能满足不了上述上述要求，而当重载起动时可能满足不了上述要

6、求。要求。鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动7.1.1 7.1.1 在额定电压下直接起动在额定电压下直接起动 将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称直接起动。直接起动。 一般一般7.5kW以下的小容量鼠笼异步电动机都可以下的小容量鼠笼异步电动机都可以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动的以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动的容量还可相应增大，一般按经验公式核定：容量还可相应增大，一般按经验公式核定： 式中式中kI为起动电流倍数；为起动电流倍数；Ist为电动机的起动电流为电动机的起动电流（A）；）；IN为电动机的额定电流（为电动机的额定电

7、流（A）；）；SN为电源为电源变压器总容量；变压器总容量；PN为电动机的额定功率。为电动机的额定功率。)(4)(43kWPkVASIIkNNNstI鼠笼异步电动机的起动 起动电流大，对电机本身无太大影响（因为是起动电流大，对电机本身无太大影响（因为是短时的，且现代设计的鼠笼电机都按直接起动电磁短时的，且现代设计的鼠笼电机都按直接起动电磁力和发热来考虑机械强度和热稳定的）主要对电网力和发热来考虑机械强度和热稳定的）主要对电网有影响，如果电源容量较大，可以直接起动。一般有影响，如果电源容量较大，可以直接起动。一般7.5千瓦以下容量电动机可以直接起动。千瓦以下容量电动机可以直接起动。注意注意：容量大

8、小不是绝对的，如果电网容量大，：容量大小不是绝对的，如果电网容量大， 就可以允许容量再大些的电机直接起动。就可以允许容量再大些的电机直接起动。 只要直接起动时起动电流在电网中引起电只要直接起动时起动电流在电网中引起电 压降不超过电网额定电压的（压降不超过电网额定电压的（1015）% 就允许直接起动。就允许直接起动。鼠笼异步电动机的起动 起动的主要矛盾时电流。起动的主要矛盾时电流。 降低电流的方法，降低电流的方法， 主要靠主要靠降低电压。降低电压。2212211)()(XXRRUIQ起动电流：起动电流： 降压起动时，降压起动时， 起动电流与定子电压成比例降低。待起动电流与定子电压成比例降低。待转

9、速升高到一定值，转速升高到一定值， 恢复全电压。恢复全电压。 注意：注意： 起动转矩与起动转矩与U2成正比，成正比， 降压起动后，降压起动后， 比比起动电流降低得更厉害。起动电流降低得更厉害。鼠笼异步电动机的起动常用的降压起动方法常用的降压起动方法鼠笼异步电动机的起动7.1.2 7.1.2 星星三角起动降压起动三角起动降压起动 正常运行时，接成正常运行时，接成形的鼠笼电动机，形的鼠笼电动机，在起动时接成星形，起动完毕后再接成在起动时接成星形，起动完毕后再接成 ，称星称星-三角起动。三角起动。 AAIstXCCBBI1stU1IYAYCZUNI(a) 直接起动(b)Y-降压起动XYZY-降压起动

10、电流示意图鼠笼异步电动机的起动Y 起动：起动： 正常正常运行运行lUAZBYXClI 起动起动ABCXYZlUlYI鼠笼异步电动机的起动Y-Y-起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩直接起动直接起动(接接) 降压起动降压起动( Y接接)起动电流起动电流 起动转矩起动转矩 起动电流及起动转矩降低同样的倍数，即都为起动电流及起动转矩降低同样的倍数，即都为直接起动时的三分之一。直接起动时的三分之一。kNstZUII1133kNkYstZUZUII31113 3311st11kNkNZUZUstII311ststII3ststTT星星三角起动适用条件三角起动适用条件条件：条件：1.只适用于空载或轻载起动

11、。只适用于空载或轻载起动。2.只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。 3.限于在限于在500V以下的低压电机以下的低压电机(因高压电机定子出因高压电机定子出6个端头有困难个端头有困难)。星星三角起动的优点：三角起动的优点： 设备简单，价格便宜，故在轻载起动时应优先设备简单，价格便宜，故在轻载起动时应优先采用。缺点是应用时要受一定条件的限制。采用。缺点是应用时要受一定条件的限制。鼠笼异步电动机的起动7.1.37.1.3自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩I1st全压直接起动时的起动电流；全压直接起动时的起动电流

12、； I1st 降压时电降压时电源提供的起动电流源提供的起动电流(即即TA的原边电流的原边电流)；I2电动机的起电动机的起动电流动电流(TA的副边的副边电流电流)U 11N21121221211211UIIIIIIUUNNUUUUststN，设，鼠笼异步电动机的起动 电动机定子绕组内的电流：直接起动时为电动机定子绕组内的电流：直接起动时为I1st ，降压起动时为降压起动时为I2，这时电网供给这时电网供给TA的电流为的电流为I1st ，从电网输入的电流为从电网输入的电流为I1st = I2 / = I1st/ 2，即即 I1st = I1Q/ 2 ,说明串入说明串入TA起动后电网供给的电流减起动后

13、电网供给的电流减小了小了2 倍。倍。注注：电动机的起动电流仍减小：电动机的起动电流仍减小倍，倍， I1st = I2 / 而而I1st = I1st/ 2 ，对电网冲击电流减小，只有，对电网冲击电流减小，只有I1st/ 2 倍倍,起动转矩起动转矩Tst U2， Tst = Tst / 2。鼠笼异步电动机的起动 起动电流和起动转矩降低的比值相同，与定子起动电流和起动转矩降低的比值相同，与定子串电阻或电抗的起动方式相比较，在获得同样起动串电阻或电抗的起动方式相比较，在获得同样起动转矩的条件下，这种方法的限流效果好。反之，若转矩的条件下，这种方法的限流效果好。反之，若在相同的起动电流条件下，可获得比

14、较大起动转矩在相同的起动电流条件下，可获得比较大起动转矩故用自耦变压器降压起动的方法能带动较大的负载故用自耦变压器降压起动的方法能带动较大的负载起动。起动。 国产自耦变压器为满足不同的负载要求，其副国产自耦变压器为满足不同的负载要求，其副边一般有三个抽头，可根据允许的起动电流和所需边一般有三个抽头，可根据允许的起动电流和所需的起动转矩任意选择。这种起动方法的缺点：起动的起动转矩任意选择。这种起动方法的缺点：起动设备体积较大，价格高。设备体积较大，价格高。鼠笼异步电动机的起动自耦变压器的选择自耦变压器的选择 常用常用QJ3、QJ2系列，用于较大容量，系列，用于较大容量，Y接的鼠接的鼠笼式电动机。

15、笼式电动机。 QJ2的抽头为：的抽头为：55% 64% 73% QJ3的抽头为：的抽头为：40% 60% 80% 其中，其中， QJ2型自耦变压器允许在型自耦变压器允许在4小时内每小时小时内每小时连续起动连续起动5次，每次次，每次1.5秒。秒。 QJ3 型为短时工作制，型为短时工作制，只允许在室温下连续起动两次，以后待冷却后才能只允许在室温下连续起动两次，以后待冷却后才能再行起动。选用时一定要注意这些问题。再行起动。选用时一定要注意这些问题。 例：例：55%抽头意思为抽头意思为N2/N1=1/ =0.55， =1/0.55=1.82 适用于有载起动。适用于有载起动。鼠笼异步电动机的起动7.1.

16、47.1.4定子串电阻或电抗的降压起动定子串电阻或电抗的降压起动鼠笼异步电动机的起动定子定子等值电路等值电路 从上图的等值电路中可见，定子串电阻或电抗从上图的等值电路中可见，定子串电阻或电抗起动，电压从起动，电压从U1N降至降至U1 ，即加到定子绕组上的电即加到定子绕组上的电压在起动时为压在起动时为U1 ，这样就减小了起动电流。，这样就减小了起动电流。Ist1UNrkjxk(a)全压起动Ist1UN(b)定子串电阻起动RstU1Ist1UN(b)定子串电抗起动jXstU1rkjxkrkjxk定子串电阻或电抗时的等值电路鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动分析分析起动电流及起动转矩起动电流及

17、起动转矩 设设为起动电流所需降低的倍数，为起动电流所需降低的倍数，Ist 为降压为降压时的起动电流，则应有：时的起动电流，则应有： Ist =Ist/ ，IstU1st，U1st =U1st/ =U1N/ 说明电压降低了说明电压降低了倍。倍。 由于由于T U2，则则Tst =Tst/ 2 ，说明转矩降说明转矩降低了低了2倍。只要使倍。只要使Tst （1.151.25）TL，即满，即满足要求。足要求。鼠笼异步电动机的起动说明说明 从从 I1st =I1st/ ， Tst =Tst/ 2，可见：可见： 定子回路串电阻或电抗的降压起动方法虽然定子回路串电阻或电抗的降压起动方法虽然能降低起动电流，但使

18、起动转矩显著减小。只适能降低起动电流，但使起动转矩显著减小。只适用于空载或轻载起动。电抗降压起动通常用于高用于空载或轻载起动。电抗降压起动通常用于高压电动机，电阻降压起动一般用在低压电动机。压电动机，电阻降压起动一般用在低压电动机。降压起动除了限制起动电流，有时以减小起动转降压起动除了限制起动电流，有时以减小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳加速。加速。鼠笼异步电动机的起动3)起动电阻或电抗的计算起动电阻或电抗的计算 计算计算Rst或或Xst后，还应校验满足后，还应校验满足Tst （1.151.25）TL , TL为起动时的负为起动时的负

19、载转矩。载转矩。kkkstkkkstrxrRxrxX2222222211鼠笼异步电动机的起动4) rk 和和xk的估算的估算 rk 和和xk可通过实验方法测出，也可估算。可通过实验方法测出，也可估算。方法一：短路试验方法一：短路试验(如已有电机如已有电机)，测出，测出rk 、xk、 zk方法二：估算方法二：估算(尚无电机尚无电机)，根据铭牌数据可知，根据铭牌数据可知 当定子当定子Y接时：接时： 当定子当定子接时：接时：设直接起动时的功率因数为设直接起动时的功率因数为cos1st=0.25 ，则有则有NINstNkNINstekIKUIUzIKUIUz1111111133/33stkstkkst

20、kkzzxzr1211cos1sincos，7.1.57.1.5高起动转矩的鼠笼电动机高起动转矩的鼠笼电动机鼠笼异步电动机的起动1 1、高转差率三相异步电动机（、高转差率三相异步电动机（YHYH系列）系列） YH系列电动机的功率等级、外形与安装尺寸与系列电动机的功率等级、外形与安装尺寸与Y系列电动机同系列电动机同机座的相同。工作方式为断续工作制机座的相同。工作方式为断续工作制S3，负载持续率有，负载持续率有15、25、40和谐和谐0%等四种。等四种。 YH系列高转差率三相异步电动系列高转差率三相异步电动机是机是Y系列电机的派生系列，它具有系列电机的派生系列，它具有堵转转矩大、堵转电流小、转差率

21、高堵转转矩大、堵转电流小、转差率高和机械特性软等特点，适用于传动飞和机械特性软等特点，适用于传动飞轮转矩大和不均匀冲击负载以及正、轮转矩大和不均匀冲击负载以及正、反转次数多的工作场合。如锤击机、反转次数多的工作场合。如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等机械设备剪刀机、冲压机和锻冶机等机械设备鼠笼异步电动机的起动特点：槽深特点：槽深h，槽宽槽宽b，hb，即，即h =(1012)b与普通笼型异步电动与普通笼型异步电动机相比，这种电机的主要结构特点是转子槽形窄而深，转子导体机相比，这种电机的主要结构特点是转子槽形窄而深，转子导体或是整根的铜条，或是铝熔液浇铸而成。或是整根的铜条，或是铝熔液浇铸而成。2

22、.2.深槽式异步电动机深槽式异步电动机 由于气隙和槽导体由于气隙和槽导体(非铁磁材料非铁磁材料)的磁阻大而转的磁阻大而转子铁芯磁阻小，故漏磁通基本上只穿过一次槽导子铁芯磁阻小，故漏磁通基本上只穿过一次槽导体。然后经槽底部铁芯形成闭合回路。体。然后经槽底部铁芯形成闭合回路。 若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图(a)可见槽底部导条链的漏磁通多，则底部漏抗大，槽可见槽底部导条链的漏磁通多，

23、则底部漏抗大，槽顶部导条链的漏磁通少，则顶部漏抗小。由于槽很顶部导条链的漏磁通少，则顶部漏抗小。由于槽很深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且x2 f2。鼠笼异步电动机的起动起动时：起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1， f2较高，则较高，则sx2 较较大，大，sx2r2，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。槽顶部漏抗小。槽顶部漏抗sx2小，则电流密度大，槽底部漏抗小，则电流密度大，槽底部漏抗sx2大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到槽顶部的作用称趋表效应槽顶部的作用称趋表效应(集肤

24、效应，挤流效应集肤效应，挤流效应)。 图图(b)中电流密度分布，它是自下而上逐渐增中电流密度分布，它是自下而上逐渐增大，槽底部分导体在流通电流时所起作用很小，就大，槽底部分导体在流通电流时所起作用很小，就相当于导体有效高度及截面积缩小，导体电阻变相当于导体有效高度及截面积缩小，导体电阻变大，从而减小了起动电流，增大了起动转矩。见图大，从而减小了起动电流，增大了起动转矩。见图(c)所示，导体有效截面缩小，故起动时，转子有效所示，导体有效截面缩小，故起动时，转子有效电阻增加，起动性能得改善。电阻增加，起动性能得改善。鼠笼异步电动机的起动 （b）正常运行时，正常运行时，s很小，很小， f2=sf1

25、很很小，小，x2s=sx2 很小，这时转子电流的大小主要很小，这时转子电流的大小主要由电阻决定。由电阻决定。 r2 sx2，因各处电阻相等，因各处电阻相等，则电流的分布是均匀的，导体截面积全部得则电流的分布是均匀的，导体截面积全部得以利用，而使转子电阻自动减小到较低的正以利用，而使转子电阻自动减小到较低的正常数值。常数值。(集肤效应不明显集肤效应不明显)优缺点优缺点优点优点：起动时转子电阻加大，改善了起动性：起动时转子电阻加大，改善了起动性能，而运行时为正常值，转子电阻仍然较能，而运行时为正常值，转子电阻仍然较小，不致影响电动机的运行效率。小，不致影响电动机的运行效率。 缺点缺点：转子槽漏抗较

26、大，功率因数稍低，最：转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小，即大转矩倍数稍小，即Mm稍小。稍小。鼠笼异步电动机的起动特性曲线特性曲线 深槽式异步电机的机械深槽式异步电机的机械特性从图中可见深槽式过载特性从图中可见深槽式过载能力比普通鼠笼异步电机低。能力比普通鼠笼异步电机低。它的起动性能是靠降低了一它的起动性能是靠降低了一些工作性能而得到改善的。些工作性能而得到改善的。曲线曲线1为普通鼠笼式为普通鼠笼式曲线曲线2为深槽式鼠笼异步电机为深槽式鼠笼异步电机1普通型2深槽型nn10T机械特性鼠笼异步电动机的起动3.3.双鼠笼式异步电动机双鼠笼式异步电动机结构特点：电动机转子上有两套鼠笼。结构

27、特点：电动机转子上有两套鼠笼。下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。制成，电阻较小。上笼：导体截面小，上笼：导体截面小，用电阻系数较大的用电阻系数较大的黄铜制成，电阻较黄铜制成，电阻较大。大。鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动7.2 7.2 绕线式异步机起动绕线式异步机起动方法：方法：鼠笼异步电动机的起动7.2.17.2.1绕线式电机转子串三相对称电阻起动绕线式电机转子串三相对称电阻起动 起动时，要限制起动电流起动时，要限制起动电流Ist，同时希望有较大，同时希望有较大的起动转矩的起动转矩Tst。现以三级起动为例，

28、即现以三级起动为例，即 m=3。 1. 分级起动过程分级起动过程 起动前，起动前，KM1、KM2、KM3 加速接触器常开加速接触器常开接点均打开，现使线路接触器接点均打开，现使线路接触器KM线圈导电，其常线圈导电，其常开接点闭合，电动机在串入全部电阻开接点闭合，电动机在串入全部电阻R3下起动，然下起动，然后逐级短接起动电阻，一直加速到稳定运行点后逐级短接起动电阻，一直加速到稳定运行点I点点为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起动级数动级数m、转矩转矩Tst1及及Tst2有关。有关。鼠笼异步电动机的起动2.机械特性的线性化机械特性的线性化 异步机

29、的机械特性是非线性的，如图所示异步机的机械特性是非线性的，如图所示mst sTmTms5 . 00 1Tns12异步电动机机械特性的线性化异步电动机机械特性的线性化 1-实际特性实际特性 2-线性化特性线性化特性0n1鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动说说 明明 分级起动时电机工作在机械特性的工作段，即分级起动时电机工作在机械特性的工作段，即ssm段，在这段中可认为段，在这段中可认为s/smRm，转子电流转子电流I2大部大部分流过分流过Rm支路，相当于串电阻起动；当支路，相当于串电阻起动；当ns f2 Rm 相当于连续自动切除电阻。同时相当于连续自动切除电阻。同时 f2 sXm 当当n=

30、nN时，时， f2很小，很小， f2 (13)Hz ， Xm 0， Rm几乎被短路，故涡流很小。起动完毕，阻抗器几乎被短路，故涡流很小。起动完毕，阻抗器被自动切除。被自动切除。鼠笼异步电动机的起动特特 性性 从以上分析可知，频敏变阻器是一种无触点从以上分析可知，频敏变阻器是一种无触点的变阻器。它结构简单，材料和加工要求低，并的变阻器。它结构简单，材料和加工要求低，并且因没有触点和易磨损元件，寿命长，使用和维且因没有触点和易磨损元件，寿命长，使用和维护方便，有较好的机械特性护方便，有较好的机械特性和起动平滑的优点，但因频和起动平滑的优点，但因频敏变阻器的等效阻抗是一个敏变阻器的等效阻抗是一个非线

31、性时变参数，计算起来非线性时变参数，计算起来相当复杂。工程上用经验公相当复杂。工程上用经验公式或使用表格计算。式或使用表格计算。Tn0n1转子串频敏变阻器的起动特性鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动7.3 7.3 异步电动机的软起动异步电动机的软起动 异步异步 电电 动动 机起动时要产生较大的电流冲击，在实际中通常机起动时要产生较大的电流冲击，在实际中通常采用降压起动的方法。传统的笼型电动机的起动方式有采用降压起动的方法。传统的笼型电动机的起动方式有Y- 起动，起动，降压起动，串电阻或电抗器降压起动，三角形起动。这些方法虽降压起动，串电阻或电抗器降压起动，三角形起动。这些方法虽然可以起到

32、一定的限流作用，但仍然存在许多问题：然可以起到一定的限流作用，但仍然存在许多问题：(a) 上述上述 起起 动方式在电机起动过程中需要进行电源切换，电动动方式在电机起动过程中需要进行电源切换，电动机将有瞬时大电流冲击问题。机将有瞬时大电流冲击问题。(b) 起动起动 设设 备的起动参数一般无法调整，负载的适应性较差，备的起动参数一般无法调整，负载的适应性较差，对较重的负载，经常出现难以起动的现象。对较重的负载，经常出现难以起动的现象。(c) 起动起动 过过 程中，接触器带负载切换，容易造成接触器触点的程中，接触器带负载切换，容易造成接触器触点的拉弧损失，发生故障多，工作量大。拉弧损失，发生故障多，

33、工作量大。鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动 随着随着 电电 力力 电子技术的进步和发展，一种新型的起动设备软电子技术的进步和发展，一种新型的起动设备软起动器正在工业中推广应用。这种软起动器使得电动机起动平稳，起动器正在工业中推广应用。这种软起动器使得电动机起动平稳，对电网冲击小，可实现电动机软停车、软制动、以及电动机的过对电网冲击小，可实现电动机软停车、软制动、以及电动机的过载、缺相保护。实现电动机节电运行。与传统的起动设备相比，载、缺相保护。实现电动机节电运行。与传统的起动设备相比，软起动器具有更好的起动性能。随着它的推广和应用，软起动器软起动器具有更好的起动性能。随着它的推广和应用

34、，软起动器将很快替代传统起动设备。将很快替代传统起动设备。软起动相控触发脉冲的确定相控触发脉冲的确定将三 组 反 并联的晶闸管分别接至三相负载就形成了一个三相调压电路，此时负载接成Y形：Y 形形 调调 压压 电电 路路在此 电 路 中由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相沟通电路。为此:F在在 三三 相电路中至少要有一相正向相电路中至少要有一相正向晶闸管与另一向反向晶闸管同时导晶闸管与另一向反向晶闸管同时导通；通；F 为为 了了 保证在电路起始工作时使两个晶闸管同时导通，以及在感性保证在电路起始工作时使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较大时仍能保证不同相的正、反向的

35、两相晶闸管同时导负载与控制角较大时仍能保证不同相的正、反向的两相晶闸管同时导通，所以如同三相全控整流电流一样，要求采用大于通，所以如同三相全控整流电流一样，要求采用大于60“的宽脉冲或的宽脉冲或双脉冲的触发电路。双脉冲的触发电路。鼠笼异步电动机的起动F为为 保保 证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管触发信号除证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格的了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格的保持一定的相位关系。既要求保持一定的相位关系。既要求A, B, C三相电路中正向晶闸管三相电

36、路中正向晶闸管(即在交流电源即在交流电源为正半波时工作的晶闸管为正半波时工作的晶闸管)的触发信号互差的触发信号互差2/3，三相电路中反向晶闸管，三相电路中反向晶闸管(即即在交流电源为负半波时工作的晶闸管在交流电源为负半波时工作的晶闸管)的触发信号也互差的触发信号也互差2/3 ，但同一相，但同一相中反并联着的两个正、反向的晶闸管的触发脉冲相角应互差二。根据上面中反并联着的两个正、反向的晶闸管的触发脉冲相角应互差二。根据上面的讨论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发脉冲的序列应如图中的讨论，可得出三相调压电路中各晶闸管触发脉冲的序列应如图中T1 T2 、T3 、 T4, 、T5、T6的次序，相应两个

37、晶闸管的触发脉冲相位差为习的次序，相应两个晶闸管的触发脉冲相位差为习/3。Y 形形 调调 压压 电电 路路鼠笼异步电动机的起动软起动由由 于于 异异 步电动机是电感性负载，从电力电子技术方面可知，只有步电动机是电感性负载，从电力电子技术方面可知，只有当移相角当移相角大于感性负载的功率因数角大于感性负载的功率因数角时才能起调压作用，而当时才能起调压作用，而当 外，发外，发出的触发脉冲还应使晶闸管正常触发导通。出的触发脉冲还应使晶闸管正常触发导通。鼠笼异步电动机的起动软起动用双用双 向向 晶晶 闸管调压的方法有两种闸管调压的方法有两种:F一种是相控技术一种是相控技术 通过改变晶闸管的触发相位来改变

38、电压输出波形以实现调压。采用相控技术的问题在于它输出电压中所含谐波分量比较大。F另一种是整周波通断控制另一种是整周波通断控制 即用双向晶闸管作为静止接触器，交替地接通和切断几个周波的电源电压，用改变接通时间和切断时间之比来控制输出电压的有效值。 但是晶闸管的通断控制用于异步电动机定子上，通断交替的频率不能过低，否则一方面会引起电机转速的波动，而另一方面每次接通电流相当于一次重合闸过程;如通断交替频率较高，每次通断时间间隔中交流电周波数较少，采用整周波通断控制可能调速不够平滑，所以在异步电机的调压控制中多用相控技术。鼠笼异步电动机的起动电动机的软起动方式电动机的软起动方式F斜坡升压软起动斜坡升压

39、软起动 这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。F斜坡恒流软起动斜坡恒流软起动 这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1 至t2 阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。鼠笼异步电动机的起动F恒流软起动恒流软起动F脉冲冲击起动脉冲冲击起动

40、在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。 该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动鼠笼异步电动机的起动三相异步电动机的调速pfsnsn106011异步机异步机变极调速变极调速鼠笼电机鼠笼电机变转差率变转差率 s 调速调速调压调速调压调速滑差电机调速滑差电机调速(电磁离合器调速电磁离合器调速)转子串电阻调速转子串电阻调速转子串电势调速转子串电势调速变频调速变频调速变频机组变频机组交交直直交变频交变频交交交变频交变频三相异步电动机的调速调速方

41、式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美早早晚晚发发 展展 时时 间间三相异步电动机的调速电机控制算法功率半导体技术V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSP IGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80

42、年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化 更大容量 更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用三相异步电动机的调速 电机定子电压电机定子电压 U1必须随之同时发生变化，必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法我们称为法我们称为 VVVF（Variable Voltage Variable Frequency)，简称为，简称为 V/F变频控制。变频控制。U(V)f (Hz) 10503800典型变频调速

43、的 V-f 曲线图7.4.17.4.1变频调速变频调速三相异步电动机的调速VVVF控制方式VVVFVVVF控制方式控制方式 恒定fE1保持恒保持恒定定 2144. 4kfNE2144. 4kfNE 恒定保持在保持在接近饱接近饱和数值和数值保持在保持在接近饱接近饱和数值和数值进一步增大磁通进一步增大磁通 ，将，将使电机的铁心饱和，从使电机的铁心饱和，从而导致电机中流过很大而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损重时会因绕组过热而损坏电机。坏电机。磁通磁通 的减小，则铁的减小，则铁心未得到充分的利用，心未得到充分的利用

44、，使得输出转矩下降。使得输出转矩下降。定子电阻很小定子电阻很小1EU fU保持恒保持恒定定 111RiEU三相异步电动机的调速 VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩

45、能力其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。出矢量控制变频调速。三相异步电动机的调速磁场定向控制磁场定向控制(FOC)(FOC)矢量控制1971年，德国西门子公司的F.Blaschke 提出了感应电机矢量控制技术基本功能利用坐标变换实现定子电流励磁分量和转矩分量解耦。三相异步电动机的调速矢量控制过程矢量控制过程三相静止轴系ABC两相静止轴系,两相同步旋转轴系M-T3s/2s 变换Clarke变换2s/2r 变换 Park变换三相静止轴系ABC两相静止轴系,两相同步旋转轴系M-T2s/

46、3s 变换Clarke变换2r/2s 变换 Park变换电机系统电机系统三相异步电动机的调速矢量的核心技术矢量的核心技术坐标变换坐标变换 a() b c ua (ia) u (i) u (i) ub (ib) uc (ic) a b c ua (ia) ub (ib) uc (ic) q d uq (iq) ud (id) e 三相坐标到两相旋转坐标变换 三相坐标到两相静止坐标变换 三相异步电动机的调速励磁控制转矩控制PI调节器1PI调节器2坐标变换磁链估算坐标变换坐标变换坐标变换逆变器感应电机码盘dqdqabcabcrdtdr/dtd/电池*r*rrsdisqi*sdi*sqi*sdv*sq

47、vaibi矢量控制原理图三相异步电动机的调速nmn10TmnT 三相异步电动机 变频调速的机械特性fNf2f1f1f2f3f4f5f2f1fNf1f2f3f4f5变频调速的特点变频调速的特点1)在基频以下变频调速时，应进行定子电压与频率在基频以下变频调速时，应进行定子电压与频率的配合控制，保持的配合控制，保持E1/f1为常数的配合。控制时为恒为常数的配合。控制时为恒磁通变频调速。保持磁通变频调速。保持U1/f1为常数配合控制时为近似为常数配合控制时为近似恒磁通变频调速。前者属于恒转矩调速方式，后者恒磁通变频调速。前者属于恒转矩调速方式，后者属于近似恒转矩调速方式。在基频以上调速时，保属于近似恒

48、转矩调速方式。在基频以上调速时，保持持U1=U1N不变，随不变，随f1升高，升高， m下降，属于近似恒下降，属于近似恒功率调速方式。功率调速方式。三相异步电动机的调速变频调速的特点变频调速的特点2)机械特性基本平行，属硬特性，调速范围宽，转机械特性基本平行，属硬特性，调速范围宽，转速稳定性好。速稳定性好。3) 运行时运行时s小，转差功率损耗小，效率高。小，转差功率损耗小，效率高。4)可以连续调节，能实现无级调速。可以连续调节，能实现无级调速。优点优点：具有良好的调速性能。：具有良好的调速性能。缺点缺点：需一套性能优良变频电源。：需一套性能优良变频电源。应用应用：冶金，化工，机械制造业，采矿等。

49、：冶金，化工，机械制造业，采矿等。三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速变频器的构成变频器的构成控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口三相异步电动机的调速 R S T P 1 (+ ) P B (-) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PH制动电阻直流电抗器三相交流电机三相异步电动机的调速欧美品牌欧美品牌西门子西门子、科比科比、伦茨、施耐德施耐德、ABBABB 丹佛斯丹佛斯、ROCKWELLROCKWELL、VACONVAC

50、ON、 ABAB、西威西威 日本品牌日本品牌富士富士、三菱三菱、安川安川、三垦三垦、日立日立、欧姆龙欧姆龙 松下电器、松下电工、东芝、明电舍明电舍国产品牌国产品牌安邦信、佳灵、森兰森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰、汇川港台品牌港台品牌台达台达、普传、台安台安、东元、美高韩国品牌韩国品牌LG 、现代、三星、收获三相异步电动机的调速汇川低压变频器汇川低压变频器MD300A系列系列汇川汇川 MD300系列系列低压变频器低压变频器汇川汇川 MD320系列系列低压变频器低压变频器三垦变频器三垦变频器交交-交变频系统交变频系统 直接将直接将50Hz的交流电变换成频率可调的交流电。的交流电变换成频率可调的交

51、流电。三相异步电动机的调速7.4.2 7.4.2 变极调速变极调速 变频调速要采用专用变速电机，其转子为鼠笼式变频调速要采用专用变速电机，其转子为鼠笼式根据根据 当当f1一定时，一定时，n11/p，改变极对数改变极对数p，可变可变n1。 spfsnn160111三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 电机定子每相绕组由二部分组成，每一部分称为半相电机定子每相绕组由二部分组成，每一部分称为半相绕组，改变其中一个半相绕组的电流方向，电机产生的磁绕组，改变其中一个半相绕组的电流方向，电机产生的磁极对数即可改变。如：已知电机绕组接线如下图所示：极对数即可改变。如：已知电机绕组接线如下图所示：(b)反

52、向串联或反向并联(2p=2)NSAXa1x1a2x2NSa1a2x1x2NSAXa1x1a2x2三相异步电动机的调速(a)正向串联(2p=4)NSAXa1x1a2x2NSNNSSa1a2x2(b)反向串联或反向并联(2p=2)NSAXa1x1a2x2NSa1a2x1x2NSAXa1x1a2x2A相绕组变极原理7.4.3 7.4.3 转子串电阻调速转子串电阻调速1.串电阻后的机械特性串电阻后的机械特性 转子串电阻后，转子串电阻后，n1不变，不变，r2sm，Tm不变，在同一不变，在同一T下，下，s r2+R，则转子串入不则转子串入不同值的电阻后，可得到不同的同值的电阻后，可得到不同的转速，机械特性

53、如右图。转速，机械特性如右图。调速过程：串电阻瞬间调速过程：串电阻瞬间LssLsTTTIEsnTTTIR2222绕线式转子串电阻调速的机械特性绕线式转子串电阻调速的机械特性T43r2r2+R 2 2+R 3=R2r2+R 3=R1r2+R 1+R 2+R=R3nTLT00n121三相异步电动机的调速2.调速特点调速特点 有级调速，设备简单，只适用于有载调速，空有级调速，设备简单，只适用于有载调速，空载时转速变化不大。低速时特性软，损耗大，效率载时转速变化不大。低速时特性软，损耗大，效率下降，属于恒转矩调速。下降，属于恒转矩调速。 转子串电阻调速方法适用于起重机械类负载，转子串电阻调速方法适用于

54、起重机械类负载，对通风机负载也可采用。对通风机负载也可采用。三相异步电动机的调速3.调速时的损耗调速时的损耗电磁功率：电磁功率：Pem=m1I2 r2 /s铜损耗：铜损耗： pCu2=m1I2 2r2 =s Pem全机械功率：全机械功率：Pj=m1I2 2 r2 (1-s)/s= (1- s) Pem 当当s=0.5时，时，n=0.5n1，此时：，此时： Pem= Pj+ pCu2， Pj = 0.5 Pem，pCu2=0.5 Pem，电机效率很低，电机效率很低，r2 /s=常数常数只改变了只改变了Pj与与pCu2间的分配。间的分配。 当当 RspCu2Pj ，说明转速降说明转速降低是靠增大转

55、子铜损减小全机械功率低是靠增大转子铜损减小全机械功率 Pj得来的，故不得来的，故不经济。经济。三相异步电动机的调速4.调速电阻的计算调速电阻的计算 同一同一T值下有：值下有：由已知的转速由已知的转速 n (或转差率或转差率s )可求出可求出R。5.应用应用 适用于对调速性能要求不高的生产机械，如吊适用于对调速性能要求不高的生产机械，如吊车提升机构车提升机构。22sRrsr三相异步电动机的调速7.4.4 7.4.4 串极调速串极调速1.串级调速的基本原理串级调速的基本原理 转子串入电阻调速时，调速瞬间：转子串入电阻调速时，调速瞬间： n 来不及变化，当来不及变化，当r2I2TnspCu2 (pC

56、u2 =sPem)转差功率转差功率sPem消耗在电阻上消耗在电阻上浪费浪费。 三相异步电动机的调速分析分析 能否找出一种方法，既将消耗在电阻上的功率能否找出一种方法，既将消耗在电阻上的功率利用起来，又能提高调速性能呢利用起来，又能提高调速性能呢?串级调速就是在这串级调速就是在这种思想指导下，设计出来的。电势种思想指导下，设计出来的。电势Ef与与I2反相位，提反相位，提供供Ef 的装置吸收电功率。若能够将吸收的电功率利用的装置吸收电功率。若能够将吸收的电功率利用起来，就解决了转子串电阻调速耗能大的问题。起来，就解决了转子串电阻调速耗能大的问题。2Es(+)(-)r2jsx2RI2(a)Ef(b)

57、I2sE2(+)(-)(+)(-)r2jsx2绕线电机转子电路(a)转子串电阻 (b)转子串电势(+、-表示某一瞬间)极性三相异步电动机的调速分析分析 如果将电阻如果将电阻R换成电势换成电势Ef，且使且使Ef与与sE2同频率同频率相位相反，则转子内串入电势相位相反，则转子内串入电势Ef的等值电路如右图。的等值电路如右图。转子电流：转子电流： 串入串入Ef瞬间，瞬间，n来不及来不及变化变化I2Tns I2T=TL 可见，串入可见，串入Ef后同样能达到调速的目的。后同样能达到调速的目的。222222sxrEsEIfEfI2sE2(+)(-)(+)(-)r2jsx2绕线电机转子串电势三相异步电动机的

58、调速 Ef与与sE2相位相反，即为反电势，说明提供相位相反，即为反电势，说明提供Ef的的装置是吸收电功率的。如能将这部分功率加以利装置是吸收电功率的。如能将这部分功率加以利用，电机的效率即可提高。当然用，电机的效率即可提高。当然Ef也可以与也可以与sE2相位相位相同，则相同，则nn1。转子电势。转子电势sE2的大小变化，频率也变的大小变化，频率也变化。化。 f2=sf1， Ef的频率要随的频率要随f2变化是很困难的，所变化是很困难的，所以先将转子电势以先将转子电势E2s变成直流，之后引入直流电势变成直流，之后引入直流电势Ef 方向与方向与E2s相反，这就是串级调速。串级调速可分相反，这就是串级

59、调速。串级调速可分为：机械回馈式和电气回馈式。为：机械回馈式和电气回馈式。三相异步电动机的调速分析分析2.机械回馈式串级调速系统机械回馈式串级调速系统( 电机回馈式串级调速电机回馈式串级调速) 异步电动机异步电动机YD与与ZD直流电动机同轴，共同拖直流电动机同轴，共同拖动负载。动负载。YD的转子电势经整流后与的转子电势经整流后与ZD的电枢相并的电枢相并联，通过改变联，通过改变ZD的励磁电流的励磁电流IL的大小而改变的大小而改变ZD的的Ed，即，即 达到调速目的。达到调速目的。nTIEf2三相异步电动机的调速调速原理调速原理 IL=0， Ed=0，直流电势直流电势Ef 由直流电动机供给。由直流电

60、动机供给。 YD 运行在固有机械特性上，运行在固有机械特性上，n 最高，最高，s 最小。最小。 当当IL0时，时，Ed 0 ，转子引入附加电势，转子引入附加电势， ILEdEfI2T ns I2T=TL， 达到调速目的。达到调速目的。三相异步电动机的调速功率关系功率关系 异步机异步机YD的电磁功率为的电磁功率为Pem，其中，其中(1-s)Pem直接输送给直接输送给机械负载。而机械负载。而sPem进入转子，进入转子，ZD 输入功率为输入功率为sPem-pCu2，ZD输出功率为输出功率为sPem-pCu2-pZD，如果忽略损耗，则如果忽略损耗，则pCu20，pZD 0。ZD的输入为的输入为sPem