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三相异步电动机的各种起动、调速和制动方法，各种方法的工作原理与相应的机械特性。,主要内容,以稳态机械特性nf（Tem）为手段，研究如何通过改变电压、频率、定转子的绕组参数、转差率、极对数等实现三相异步电动机的起动、调速和制动。,研究方法,7.1三相异步电动机的起动,1.对三相异步电动机起动过程的要求,要足够大;不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击；起动时间要尽量短；经济性起动设备简单，起动过程中能量消耗低。,,,,,,,,,2.异步电动机的起动分析,（7-1）,由参数表达式得异步电机起动时，于是有,（7-2）,异步电机直接起动时起动电流很大，而起动转矩并不大。,3.为什么大中容量的电动机不能直接起动,直接起动时，起动电流大，启动转矩小。过大的起动电流会造成电动机本身发热，影响寿命。同时过大的起动电流会因变压器供电容量的限制，造成电网电压下降，影响周围设备的正常运转，甚至造成电机自身不能起动。,4.如何解决异步电机的起动问题,解决问题的关键在于如何降低起动电流,由电机的起动电流的参数表达式可得降低起动电流有两种办法,,降低定子电压U1,增加转子回路电阻r2,,,5.三相鼠笼型异步电机的起动方法,A.直接起动B.降压起动C.高起动性能的特殊笼型异步电机D.软启动,A、三相鼠笼式异步电动机的直接起动,对于的异步电动机可以直接起动。,若下列条件满足,则电动机可以采用直接起动。,对于额定功率超过的异步电动机，可以根据下式来确定是否可以直接起动。,,B、三相鼠笼式异步电动机的降压起动,（1）定子串电阻（或电抗）的降压起动,（2）自耦变压器的降压起动,与额定电压直接起动相比，降压起动时定子绕组的电压降为，于是有,,,其中，为定子电压时的起动电流；为定子电压时的起动电流；,,,,忽略激磁电流，由变压器的磁势平衡方程式得,,（7-5）,将式（7-5）代入下式,,（7-6）,（7-7）,结论与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时，电压减低倍，则起动电流和起动转矩均降低倍。,,,3星-三角（）降压起动,,,,图7.3起动时的电流和电压之间的关系,,,,,结论采用降压起动时，电网所承担的起动电流和起动转矩均为直接起动时的。,,,,,传统降压起动方法的不足,图7.4异步电动机各种起动方法下的电流波形,在转子升至一定转速时均需切换至全压正常运行，切换时刻把握不好不仅会造成起动过程的不平滑，而且也会引起起动过程中的两次电流冲击,C.三相鼠笼式异步电动机的软起动,电子式软起动器的设定曲线（或目标函数）主要采用的几种形式,斜坡电压起动；voltagerampstart,,斜坡电流起动；（currentrampstart,,阶跃起动；恒流软起动currentlimitstart）,,脉冲冲击起动脉冲恒流软起动kickstart）,,图7.5异步电动机软起动器的组成框图,工作原理在起动过程中，通过控制移相角来调节定子电压，并采用系统闭环限制起动电流，确保起动过程中的定子电流、电压或转矩按预定函数关系（或目标函数）变化，直至起动过程结束。然后将软起动器切除，使得电动机与电源直接相连。,,D、高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机,基本思想通过适当增大起动时转子导条的电阻，达到既降低起动电流又提高起动转矩的目的。,1直接增大转子电阻的鼠笼式异步电动机,为了增大转子电阻，转子导条不是采用纯铝，而是改用电阻率较高的铝合金浇注，由于其正常运行时的转差率比一般鼠笼式异步电动机高，故又称为高转差率鼠笼异步电动机。,2深槽式鼠笼式异步电动机,图7.6深槽式鼠笼异步电动机转子导条及电流分布,基本思想利用集肤效应，使得起动时转子感应电流的频率较高（），电流主要集中在槽口处，导致转子电阻加大，从而限制了起动电流，并且增大了起动转矩的目的。而正常运行时，由于转子频率较低（），集肤效应基本消失，则转子电阻恢复，从而确保了正常运行时异步电动机的效率。,,,c、双鼠笼式异步电动机,转子绕组采用上、下鼠笼式结构，如图7.7所示。,上笼采用电阻率较大的材料如黄铜，且截面积较小；,下笼采用电阻率较小的材料如紫铜，且截面积较大,利用集肤效应，确保起动时，因转子频率较高，使得转子电流主要集中在电阻较大的上笼（或起动笼）；正常运行时，转子频率较低，转子电流主要集中在电阻较小的下笼（或运行笼）。,,,6.三相绕线式异步电动机的起动,绕线式异步电动机的起动主要靠转子回路外串电阻的起动方法,（1）转子串电阻的分级起动,（2）转子串频敏变阻器的起动,图7.10频敏变阻器的结构与等效电路,利用涡流效应，在起动时，转子电流的频率较高，铁心内的涡流损耗与频率的平方成正比，等效铁耗电阻自然较大，从而既限制了起动电流，又达到了提高起动转矩的目的。随着转速升高，转子电流的频率下降，铁心内的涡流损耗以及相应的也随着下降，从而确保了绕线式异步电动机的平滑起动。起动过程结束后，可通过集电环将频敏变阻器短接后切除。,,,异步电动机起动方式总结,鼠笼型异步电机起动方法,绕线转子异步电机起动方法,直接起动,降压起动,高起动性能特殊笼型异步电机,软起动,转子回路外串三相对称电阻起动,,,转子串电阻分级起动,转子串频敏变阻器起动,自耦合变压器降压起动,Y-△降压起动,定子串电阻或电抗降压起动,,7.2三相异步电动机的调速,调速方式分类,变极调速,变频调速,改变转差率调速,1.改变定子电压的调压调速,2.绕线式异步电动机的转子串电阻调速,3.电磁离合器调速,4.绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速,,,,1、变极调速,,两个半相绕组首尾顺次连接,两个半相绕组首首尾尾连接,半相绕组电流方向变化，极对数发生改变,,,,,,,,,,两种典型的变极接线方法,a、Y/YY接变极调速,对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。,,,变极前后电动机的输出转矩,,,Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。,假定变极调速前后定子的功率因数、效率均不变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值,变极前后电动机的输出功率,,,,这种调速方式多用于传送带和起重机类负载,Y/YY接变极时，电机参数发生变化,极对数PP/2,定子绕组电阻由r1r1/4,,,（1）比较最大电磁转矩,,,,,（2）比较起动转矩,（3）比较临界转差率,4Y/YY变极调速的机械特性,,,,,,,b、△/YY接变极调速,,变极前后,线电压保持不变,线电流,2IN,,假定变极调速前后电机的功率因数、效率均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值，则/YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系,,,,,结论/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式。,,,/YY接变极调速的机械特性,2、变频调速,fN,,n,,,,,基频以上调速,基频以下调速,,a、基频以下的变频调速,由,fN,,,基频以上调速,基频以下调速,,,,磁饱和，励磁电流增加,,,恒压频比控制,对变频调速的要求（1）主磁通，以防止定子铁心过饱和；（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）尽可能保持不变。,a.保持常数（的机械特性,与频率无关，即过载能力不变,,,与频率无关，即机械特性硬度不变,不同频率下机械特性曲线,,,,,,,,,,,,,,,,,机械特性曲线平行,,b.保持常数的机械特性,由异步电机机械特性的参数表达式得,,f1Temax,,,,f1Temax,,,,由上式可见，的降低是由定子绕组电阻的影响所致。尤其是当低到使得可以与相比较时，下降严重。,,,,,,,,,f1,,,增加,,,,,Temax降低,增加U1/f1的值,Temax升高,,,,Temax保持不变,,,,,,提高低频时的,,c.调速性质的分析,基频以下的变频调速属于恒转矩调速,输出功率正比于定子频率（或转速）,,,保持不变,,,,三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系,d、基频以上的变频调速,,,,机械特性,最大电磁转矩,临界转差率,对应于最大转矩时的转速降,与频率无关,,三相异步电动机变频调速时的典型机械特性（基频以上调速）,与频率无关，机械特性硬度不变,调速性质的分析,,,基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速范围宽；频率连续可调，可以实现无级调速。,恒功率调速,,三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系,1.基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；,3.变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速范围宽；,2.频率连续可调，可以实现无级调速。,3.改变转差率的调速,,a、改变定子电压调速,带恒转矩负载的调速范围小，带载能力差。,带风机泵类负载的调速范围较大。,随着定子电压的降低，电机的机械特性变软。,,如何改善鼠笼型异步电机的调速性能,（1）采用高转差率电机可以扩大其调速范围。,（2）采用转速闭环的方案提高机械硬度,（3）将调压调速与变极调速结合。,b、电磁滑差离合器调速,滑差离合器电动机又称为“电磁调速电动机”,1滑差离合器的工作原理,利用右手定则判断电枢导体切割转子磁场产生的感应电流的方向,利用左手定则判断电枢导体在转子磁场中受到的电磁力的方向,,,利用牛顿定律判断转子受到的反作用力的方向,,,,,2电磁滑差离合器的机械特性,随着直流励磁电流的增大，相同转速条件下滑差离合器输出的电磁转矩增大；改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速。,随着转速的降低，机械特性变软；调速范围窄。,3滑差电机的闭环调速系统,,,d、绕线式异步电动机的转子串电阻调速,,外加转子电阻越大，则转子转差率越大，转速越低。,,1调速性质的分析,电源电压保持不变,调速过程中充分利用电动机的绕组,调速过程中负载转矩保持不变,,,,,,绕线转子异步电机转子串电阻调速的一些结论,1.,2.,适用恒转矩负载,3.转子回路电阻增大，转差率增大，转速降低。,4.调速时同步速不变，只能在同步速以下调节，随着转速的降低，机械特性变软，降低了静态调速精度。,,定子降压调速,转子串电阻调速,滑差离合器调速,,转子的转差功率都消耗在转子电阻上，通过损耗的改变，实现了调速，因此调速效率很低,转差功率消耗型调速方式,,,,,e、绕线式异步电动机的串级调速与双馈调速,在转子回路中引入附加电势Ead，频率与E2相同，相位相反或相同，幅值可变。,一相转子电流,当带恒转矩负载时，转子电流I2不变,s1未串入反相附加电势Ead的转差率,s2串入反相附加电势Ead的转差率,过渡过程分析I2Temnsss2s1,,,,,,,,Ead,n,,,,串入反相附加电势Ead瞬间,,,如何物理实现附加电势Ead的引入,附加电势Ead的频率与E2相同，相位相反或相同，幅值可变。,串极调速是一种在转子侧引入一个变频、变幅值电压的调速方法,变频器,逆变器,,,,,sPem,,sPem,,K1k2分别为整流器和逆变器的电压整流系数,Ui为逆变器的输出电压,Ud为整流器的输出电压,β为逆变器的逆变角,U2T为逆变器的次级输入相电压,β,Ui（Uad）,机械惯性，n来不及变化,Ud不变,Id,I2,n,sE20,Ud,,,,,,,,,,,,,,,,Id,,,达到新的平衡,,串级调速功率流程图,,,,,,,逆变角β,回馈功率sPem减小,回馈功率sPem增大,,S减小，n升高,S增大，n降低,,,,,增加,减小,双馈调速,,,sPem,sPem,,,sPem,sPem,7.3三相异步电动机的制动,1、能耗制动,问题1能否采用和直流电机能耗制动一样的方法实现交流电机的能耗制动,,,,,,,,,,,,,,3,,,,,,fem,fem,,a.异步电机的能耗制动原理图,b.能耗制动时三相异步电动机的机械特性计算,定子直流合成磁势为,,假设我们能用等效旋转磁场的磁势等效此直流磁势，就可以借助于异步电机的参数表达式来分析能耗制动的机械特性。,（1）.幅值等效,产生旋转磁场的三相对称电流的一相等效电流,（2）等效前后磁场与转子的相对速度不变,,相对定子的转速为同步速度,相对转子的转速为,,,,,3能耗制动时的等效电路,4能耗制动时三相异步电动机的机械特性表达式,忽略铁耗（rm0）,,,,,改变转子电阻的大小，可以改变制动转差率的大小。,能耗制动时，改变直流励磁电流的大小，可以改变最大制动转矩，改变制动时间,,,,,能耗制动的功率流图,2、反接制动,a、转速反向的反接制动,,机械轴不是输出机械功率,而是输入机械功率,由拖动系统的机械势能转变而来的.,b、定子相序改变的反接制动,,C、回馈制动,,,,,,,,90φ1180,P1m1U1I1cosφ10,S0,,,,,,7.4异步电动机的四象限运行状态分析,
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