第14章-三相異步電動機的啟動及速度調節(jié)課件

主要內容

啟動性能啟動方法調速方法主要內容1啟動過程：指電動機從靜止到達正常工作轉速的過程。啟動過程特點：電流一般較大，轉矩并不大14.1

異步電動機的啟動性能原因:開始時候n＝0，s＝1啟動過程：14.1

異步電動機的啟動性能原因:開始時候2功率因數cos很低最初起動瞬間很大的啟動電流引起定子漏阻抗壓降增大，主磁通約減少到額定值的一半。一般情況:功率因數cos很低最初起動瞬間很大的啟動電流引起定3起動電流較大有什么影響呢？1、首先對于繞組來說是非常不利的，如果電機是屬于頻繁起動的，頻繁出現短時大電流會使電動機內部發(fā)熱較多而過熱。影響：2、對供電的變壓器來講，容量卻是有限的。若變壓器額定容量相對不夠大時，電動機短時較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓短時下降幅度較大，超過了正常規(guī)定值，例如U＞10％或更嚴重。這樣一來，影響了幾個方面：（1）起動電動機本身，由于電壓太低起動轉矩下降很多（），當負載較重時，可起動不了。（2）影響由同一臺配電變壓器供電的其他負載，比如說電燈會變暗，數控設備可能失常，重載的異步電動機可能停轉等。起動電流較大有什么影響呢？影響：2、對供電的變壓器來講，容4起動轉矩不大有什么影響呢？電機的起動是非常困難，1.1-1.2的條件下，電動機才能正常起動。一般地說，如果異步電動機輕載和空載起動，直接起動時的起動轉矩就夠大了，但是如果是重載起動例如，且要求起動過程快時，某些異步電動機例如繞線式三相異步電動機，往往小于1，直接起動的起動轉矩就不夠大了。

起動轉矩不大有什么影響呢？5

從上面分析看出，三相異步電動機直接起動有些情況下是可行的，而下面兩種情況下是不可行的：①變壓器與電動機容量之比不足夠大；②起動轉矩不能滿足要求。不能直接起動的第①種情況下需要減小起動電流，第②種情況下需要加大起動轉矩。即起動必須滿足的條件是：

起動電流要足夠??；起動轉矩要足夠大。起動電流：從上面分析看出，三相異步電動機直接起動有些情況下是可行的，6從上面兩個表達式我們可以看出，降低起動電流的方法有：①降低電源電壓；②加大定子邊電抗或電阻；③加大轉子邊電阻或電抗。

加大起動轉矩的方法只有適當加大轉子電阻，但不能過份，否則起動轉矩反而可能減小。而直接起動的最大優(yōu)點就是不需要專門的起動設備。第14章--三相異步電動機的啟動及速度調節(jié)課件7一、直接啟動利用閘刀或者接觸器把電動機直接接到具有額定電壓的電源上。14.2

鼠籠式異步電動機的啟動方法一般地說，容量在7.5kw以下的小容量鼠籠式異步電動機都可直接起動。優(yōu)點：設備簡單操作方便。一、直接啟動14.2

鼠籠式異步電動機的啟動方法一8二、降壓啟動若電源供電變壓器的容量不夠大時，就采取降壓啟動。由于轉矩是按照電壓平方的規(guī)律而下降的，所以這種方法適合于對轉矩要求不高的場合。常用的降壓啟動方法自耦變壓器降壓啟動星-三角啟動定子繞組串電阻或電抗啟動二、降壓啟動91．自耦變壓器（啟動補償器）降壓啟動設在額定電壓下直接起動時，起動電流為Ist。自耦變壓器的變比為ka起動時電壓降低到1/ka倍，電動機的起動電流相應減小到1/ka倍電網供給的起動電流比直接起動時減小到1/ka2

倍1．自耦變壓器（啟動補償器）降壓啟動102、星-三角啟動三角形連接直接起動時起動電流星形連接起動，起動電流起動電流和轉矩均減少為1/32、星-三角啟動11優(yōu)點：設備少，操作簡便優(yōu)點：123、定子繞組串電阻或者電抗器啟動

在定子繞組的電路中串入一個三相電阻器或者電抗器來產生一定的電壓降，使得達到降低啟動電流的目的。3、定子繞組串電阻或者電抗器啟動13由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，所以隨著電壓降低，啟動電流減小1/k倍，啟動轉矩減少1/k2倍；串電阻器啟動時，要消耗較大的功率；串電抗器啟動時，當K2短接啟動電抗器時還會產生較大的短路電流(電抗器儲存能量的釋放)，所以串電抗器適合于啟動轉矩要求不大且啟動不頻繁的場合。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，所以隨著電壓降低，啟動電流14三、軟啟動實現鼠籠式異步電動機的無級平滑啟動。軟起動器：磁控式和電子式。啟動過程中，電動機所加的電壓不是一個固定值，軟啟動裝置輸出電壓按指定要求上升，使被控電動機電壓由零按指定斜率上升到全電壓，轉速相應地由零加速到規(guī)定轉速。軟起動器能保證電動機在不同負載下平滑啟動，減小電動機啟動時對電網的沖擊，又降低自身所受沖擊力。鼠籠式電動機不能直接啟動時，應選用軟啟動。三、軟啟動1514.3

繞線式異步電動機的啟動降壓啟動在限制啟動電流的同時，大大降低了啟動轉矩。在需要較大啟動轉矩的應用場合，人們不得不選擇價格昂貴的繞線式異步電動機。繞線式異步電動機的特點是可以在轉子回路中接入附加電阻，以改善其啟動和調速性能。如果，則獲得最大啟動轉矩。14.3

繞線式異步電動機的啟動降壓啟動在限制啟動電流的16一、轉子回路串電阻啟動串入多級電阻，啟動過程中采用逐級切除啟動電阻的方法。一、轉子回路串電阻啟動171．起動開始時，使全部電阻均串入轉子回路，隨著轉速的上升，電磁轉矩將減小。2．為了縮短起動時間，通常隨轉速上升分級切除部分電阻，使在整個起動過程中電動機保持有較大的電磁轉矩。3．待起動完畢后，轉子繞組便被短路，轉入正常運行。4.繞線式異步電動機應用在啟動比較困難的場合。如鏟土機、卷揚機、起重吊車等。特點和適用場合1．起動開始時，使全部電阻均串入轉子回路，隨著轉速的上升，電18二、轉子繞組外串頻敏變阻器啟動頻敏變阻器（BP）：其電阻值能隨著轉子轉速的上升（轉子電流頻率f2下降）而自動減小。頻敏變阻器結構相當于一個只有原邊的變壓器。但其鐵心用較厚的鐵板疊成，渦流損耗比普通變壓器大。二、轉子繞組外串頻敏變阻器啟動19工作原理：BP實質上是一臺只有初級繞組而且鐵心損耗較大的三相變壓器。BP的鐵耗大就相當于Rm大。而鐵耗與磁通的頻率（等于轉子頻率f2=sf1）的1.3次方成正比。開始啟動時，s較大，故f2較大，Rm也較大，相當于轉子電阻自動增加，則Ist減小、Tst增大；隨著啟動過程的進行，n逐漸變大、s逐漸變小，則f2變小，也就是鐵耗減小，所以Rm變小，相當于轉子電阻自動變小。

工作原理：20啟動完畢后，將轉子回路短路。頻敏變阻器相當于一種無觸點變阻器，結構簡單，成本低，所以應用較為廣泛。啟動完畢后，將轉子回路短路。2114.4

改善啟動性能的三相鼠籠式異步電動機鼠籠式異步電動機直接啟動電流較大，啟動轉矩卻不大。降壓啟動減小啟動電流，但其啟動轉矩也顯著降低。利用“集膚效應”，使啟動時轉子電阻增大，以增大啟動轉矩并減小啟動電流，而正常運行時候轉子電阻又能自動減小，轉子銅耗不大，不影響運行效率。深槽式異步電動機和雙籠型異步電動機14.4

改善啟動性能的三相鼠籠式異步電動機鼠籠式異步電221.深槽式異步電動機特點：槽形窄而深，槽深與槽寬之比為10～121.深槽式異步電動機23（1）起動時在剛起動時，f2=f1。頻率較高，導體漏抗大于電阻，漏抗占主要成分，槽電流的分布近似與漏抗成反比。槽底部分漏抗較大，該部分電流較小。愈接近于槽口漏抗愈小，該部分電流較大——集膚效應。（1）起動時24由于電流的分布不均勻，等效槽導體的有效面積減小——集膚效應使槽導體電阻增加集膚效應作用使槽漏磁通有所減少，轉子漏抗也有所減少，二者均促使起動轉矩增大，改善了起動特性。等效截面由于電流的分布不均勻，等效槽導體的有效面積減小——集膚效應使25（2）正常運行時在正常運行時，由于轉子電流的頻率很低，槽導體的漏抗比電阻小得多，槽中電流將依電阻而均勻分布，轉子電阻恢復到固有的直流電阻。由于槽深而窄，轉子漏抗較普通鼠籠式轉子漏抗大——功率因數及過載能力有所降低。（2）正常運行時262.雙鼠籠式異步電動機（Double-squirrel-cagerotor）上籠Topbar：

截面小，電阻大下籠Bottombar：

截面大，電阻小下籠交鏈的漏磁通比上籠多，漏抗大2.雙鼠籠式異步電動機（Double-squirrel-c27（1）起動時轉子電流的頻率f2=f1，轉子漏抗大于轉子電阻，電流分配決定于漏抗。下層鼠籠有較大的漏抗，電流較小，功率因數較低，所產生的電磁轉矩也較小。上層鼠籠僅有非常小的漏抗，電流較大，且電阻較大，起動時所產生的電磁轉矩也較大。上層鼠籠又稱起動鼠籠。（1）起動時28（2）起動過程結束后轉子電流的頻率很小，下層鼠籠的漏抗很小，兩個鼠籠轉子的電流分配決定于電阻。下層鼠籠電阻較小，電流較大，運行時在產生電磁轉矩方面起主要的作用，下層鼠籠稱為運行鼠籠。（2）起動過程結束后29雙鼠籠機械特性與等效電路

雙鼠籠電動機的T＝f(s)曲線雙鼠籠機械特性與等效電路

雙鼠籠電動機的T＝30設下層鼠籠的電阻和漏抗為r'in和x'in，上層鼠籠的電阻為r'ou，兩層鼠籠共同漏抗為x'co設下層鼠籠的電阻和漏抗為r'in和x'in，上層鼠籠的電阻為3114.5異步電動機的調速方法綜述異步電動機結構簡單、堅固耐用、維修方便、制造容易，大量被用來拖動轉速基本不變的生產機械。在實際應用中，許多機械需要調速，如車床、電力機車、風機、水泵等。為了節(jié)能和方便，則要求設法從電機本身出發(fā)進行電氣調速。異步電動機過去被認為調速性能不好。隨著電力電子技術的發(fā)展，異步電動機的調速問題已經基本解決。異步電動機的調速性能甚至可以做到優(yōu)于直流電動機。剩余的問題是降低成本、實際應用。14.5異步電動機的調速方法綜述異步電動機結構簡單、堅固耐32我們知道，異步電動機的轉速為：因此，三相異步電動機的調速方法很多，大致可以分成以下幾種類型：（1）改變轉差率s調速，包括改變定子電壓、繞線式異步電動機轉子回路串電阻等方法；調速方法分類：我們知道，異步電動機的轉速為：調速方法分類：33（2）改變旋轉磁通勢同步轉速調速，包括改變定子繞組極對數、改變供電電源頻率等方法；（3）雙饋調速，包括串級調速，屬改變理想空載轉速的一種調速方法；（4）利用轉差離合器調速。下面簡要異步電機的幾種常用調速方法。（2）改變旋轉磁通勢同步轉速調速，包括改變定子繞組極對數、改3414.6三相異步電動機的變極調速改變旋轉磁場的極對數，可以成倍地改變其同步轉速，由于正常運行時s很小，因此電動機的轉速n也將近似成倍地變化。改變定子繞組極對數的方法有：（1）在定子中安放兩套極對數不同的獨立繞組；（2）在一套定子繞組中，改變它的連接方法，得到不同的極對數（單繞組變極異步電動機）（3）在定子槽中安放兩套極對數不同的獨立繞組而每套獨立繞組又可以分別改變它的連接方法。14.6三相異步電動機的變極調速改變旋轉磁場的極對數，可35變極調速方法只適應于鼠籠式電機優(yōu)點：設備簡單，運行可靠，機械特性較硬，有適應恒轉矩或恒功率調速能力。局限性：只能一級一級改變轉速，不能平滑調速。應用場合：不要求連續(xù)調節(jié)的場合。變極調速方法只適應于鼠籠式電機36一、單繞組變極三相異步電動機的變速原理一、單繞組變極三相異步電動機的變速原理37二、變極三相電動機接法及其功率與轉矩的關系1D-YY變極調速低速倍極數D接法，高速少極數YY接法不同接法時保持電壓U1和每個繞組中的電流Ij不變。

二、變極三相電動機接法及其功率與轉矩的關系38輸出功率關系：低速D接法時（倍極數時）高速YY接法時（少極數時）假定不考慮cosφ和η的變化時輸出功率關系：39輸出轉矩關系倍極數時少極數時輸出轉矩關系40結論：D-YY接法轉速變化一倍時，功率只變化了15.47%，接近恒功率調速；低速時的轉矩比高速時轉矩大到1.732倍。結論：412、Y-YY變極低速倍極數Y接法，高速少極數YY接法2、Y-YY變極42輸出功率關系

低速Y接法（即倍極數）時：高速YY接法時（少極數時）假定不考慮cosφ和η的變化時輸出功率關系43輸出轉矩關系倍極數時少極數時

結論：Y-YY接法若轉速增加一倍時，功率也增加了一倍；Y-YY調速的方法屬于恒轉矩調速。

輸出轉矩關系結論：Y-YY接法若轉速增加一倍時，功率也增加4414.7異步電動機的變頻調速已知：因此，改變三相異步電動機電源頻率，可以改變旋轉磁通勢的同步轉速，達到調速的目的。額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調。14.7異步電動機的變頻調速已知：45一、從基頻向低頻調速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。這是因為如果只降低定子頻率f1而定子每相電壓保持額定值不變，則Φm要增大。由于在U1=UN,f1=fN時電動機的主磁路就已接近飽和，Φm再增大，主磁路必然過飽和，這將使勵磁電流急劇增大，鐵損耗增加，CosΦ下降。一、從基頻向低頻調速46降低電源電壓有兩種控制方法。⑴保持=常數：這種方法是恒磁通控制方式降低電源電壓有兩種控制方法。47上式是保持氣隙每極磁通為常數變頻調速時的機械特性方程式。下面根據該方程式，具體分析一下最大轉矩Tm及相應的轉差率sm。最大轉矩處，對應的轉差率為sm，即：上式是保持氣隙每極磁通為常數變頻調速時的機械特性方程式。下面48式中

為轉子靜止時轉子一相繞組漏電感系數折合值，最大轉矩處的轉速降落為：第14章--三相異步電動機的啟動及速度調節(jié)課件49當改變頻率時，若保持E1/f1=常數，1最大轉矩Tm＝常數，與頻率無關，2并且最大轉矩對應的轉速降落相等，也就是不同頻率的各條機械特性是平行的。如圖所示。在一定的靜差率要求下，調速范圍寬，而且穩(wěn)定性好。

3由于頻率可以連續(xù)調節(jié)，因此變頻調速為無級調速，平滑性好。當改變頻率時，若保持E1/f1=常數，3由于頻率可50經分析，恒磁通變頻調速是屬于為恒轉矩調速方式。即當：I1＝I1N，I'

2＝I'2N

時，

T＝TN經分析，恒磁通變頻調速是屬于為恒轉矩調速方式。即當：51⑵保持=常數⑵保持=常數52最大轉矩Tm為：從上式可以看出，當頻率減小時，最大轉矩不是一個常數。隨頻率的降低而減小。最大轉矩Tm為：從上式可以看出，當頻率減小時，最大轉矩不是一53已知（）與f1成正比變化，

R1與f1無關。因此，在f1接近額定頻率時，，隨著f1的減小，Tm減少得不多，但是，當f1較低時，（）比較小，R1相對變大了。這樣一來，隨著f1的降低，Tm就減小了。顯然此時的機械特性上面的機械特性，特別在低頻低速的機械特性變壞了。保持U1/f1=常數降低頻率調速近似為恒轉矩調速方式。已知（）與f1成正比54二、從基頻向高頻調速升高電源電壓是不允許的，因此升高頻率向上調速時，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。保持電壓不變升高頻率時，電動機電磁轉矩二、從基頻向高頻調速55第14章--三相異步電動機的啟動及速度調節(jié)課件56因此，頻率越高時，Tm越小，sm也減小，最大轉矩對應的轉速降落為根據電磁轉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。因此，頻率越高時，Tm越小，sm也減小，最大轉矩對應的轉速降57綜上所述，三相異步電動機變頻調速具有以下幾個特點：①從基頻向下調速，為恒轉矩調速方式；從基頻向上調速，近似為恒功率調速方式；②調速范圍大；③轉速穩(wěn)定性好；④運行時小，效率高；⑤頻率可以連續(xù)調節(jié)，變頻調速為無級調速。綜上所述，三相異步電動機變頻調速具有以下幾個特點：5814.8改變定子電壓調速從表達式上可以看出,異步電機的同步轉速n1

與電壓無關，不同電壓的人為機械性，都得通過n1點。我們知道，電磁轉矩T與S成正比，為此最大轉矩Tm以及起動轉矩TS都要隨U1的降低而按U1的平方減小。而最大轉矩對應的轉差率Sm

不變。如圖所示。14.8改變定子電壓調速從表達式上可以看出,異步電機的同59snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax降低定子電壓可以降低轉速，但轉速變化范圍非常小。若拖動通風機負載，調速范圍比較大，且電動機能穩(wěn)定運行于大于Sm的區(qū)域。snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN06014.9繞線異步電動機的調速一、在轉子回路中串電阻調速我們知道，改變轉子回路串入電阻值的大小，例如轉子繞組本身電阻為R2，分別串入電阻RSl、RS2

、RS3時，所串電阻越大，轉速越低.（拖動恒轉矩負載，且為額定負載轉矩，即TL=TN

）已知電磁轉矩T為：當電源電壓一定時，主磁通Φm基本上是定值，轉子電流I2可以維持在它的額定值工作。至于COS,作如下的推導：14.9繞線異步電動機的調速一、在轉子回路中串電阻調速61根據轉子電流：從上式看出，轉子串電阻調速時，如果保持電機轉子電流為額定值，必有：根據轉子電流：62可見，轉子回路串電阻是屬恒轉矩調速方法，當負載轉矩TL=TN時，根據上式，則有：式中s1、s2、s3別是轉子串入不同的電阻后的轉差率。這種調速方法的調速范圍不大，一般為（2～3）:1。

可見，轉子回路串電阻是屬恒轉矩調速方法，當負載轉矩TL=TN63負載小時，調速范圍就更小了。由于轉子回路電流很大，使電阻的體積笨重，抽頭不易，所以調速的平滑性不好，基本上屬有級調速。多用于斷續(xù)工作的生產機械上，在低速運行的時間不長，且要求調速性能不高的場合，如用于橋式起重機。負載小時，調速范圍就更小了。由于轉子回路電流很大，使電阻的體64二、繞線式異步電動機串級調速1、串級調速的原理：前述轉子串電阻調速要消耗功率，若在轉子加上電壓就可不增加損耗,但要求加在電機轉子繞組的電壓頻率與轉子繞組感應電動勢同頻率。如果把異步電機轉子感應電動勢變?yōu)橹绷麟妱觿?，同時把轉子外加電壓也變?yōu)橹绷髁浚@就是串級調速的基本思路。二、繞線式異步電動機串級調速1、串級調速的原理：65在轉子回路中接入一個和轉子電勢同相數、同頻率的附加電勢在轉子回路中