第 5章 三相异步电动机的电力拖动

5.1 三相异步电动机的机械特性

5.2 三相异步电动机的起动

5.3 三相异步电动机的制动

5.4三相异步电动机的调速

思考题与习题

　　本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.1 三相异步电动机的机械特性

一、物理表达式

5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式

二、参数表达式

三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。)s(fTem

0 2 2'

em TT C I cos 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。

02

'2 cosI

2 21 1

2 221 1 1 22

em'

Rm pU

sTR

f ( R ) ( X X )s

说明：电磁转矩与电源参数（Ｕ 1、f1）、结构参数（ R、 X、 m、p）和运行参数（ s）有关。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动 三相异步电动机的机械特性 曲线)( emTfn

第 5章 三相异步电动机的电力拖动在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界

转差率，可令 求得 : 0ds

dTem

mT

N

T

T

2 2

2 21 21 1 2

' '

m ''

R Rs

X XR ( X X )

2 2

1 1 1 1

2 21 1 21 1 1 1 2

44 [ ]m ''

m pU m pUT

f ( X X )f R R ( X X )

最大转矩与额定转矩之比称为过载能力 :

2、 越大， 越大； 与 无关。2R 2Rms emT

1 、 与 成正比； 与 无关。mT2

1U mT 1U

3 、 和 都近似与漏抗成反比mT ms

第 5章 三相异步电动机的电力拖动在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩 :

)1(0 sn

21 1 2

2 21 1 2 1 22

'

st ' '

m pU RT

f ( R R ) ( X X )

结论：当其它参数一定时

1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；

3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。

stst

N

TK

T

4 、起动转矩倍数

第 5章 三相异步电动机的电力拖动三、实用表达式

2 mem

m

m

TT

sss s

工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：

9550 NN

N

PT

n m T NT T 1

1

NN

n ns

n

2 1m N T Ts s ( )

将 Tm 和 sm 代入即可得到机械特性方程式。

利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性

一、固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。

s n0

nNsN

nmsm

10 TN Tst Tm

Tem

几个特殊点：

A

B

CD

1. 起动点 A: 0 1 em stn ,s ,T T

2. 最大转矩点 B: m m em mn n ,s s ,T T

3. 额定运行点 C N m em Nn n ,s s ,T T

4. 同步运行点D

1 0 0emn n ,s ,T

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。

1. 降压时的人为机械特性s n

sm

1 0

TL

UN

0

Tst Tm

Tem

n1

0.8UN

0.64Tst 0.64Tm

下降后 , 和 均下降 , 但 不变 , 和 减少。

1U mT stT

ms stkT

如果电机在定额负载下运行 , 下降后 , 下降 , 增大 , 转子电流因 增大而增大 , 导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。

1U n s

2 2sE sE

第 5章 三相异步电动机的电力拖动2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性

串电阻后 , 、 不变， 增大。n mT ms

在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻， 减小。

stT 1ms st mT T

stT

串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。

1 0 Tst Tm

Tem

s n0

n1

sm R2

Tst

sm R2+Rs

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.2 三相异步电动机的起动

起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程 .对电动机的起动性能要求二：起动电流小 ,起动转矩不大。1. 起动电流大的原因 起动时 , , 转子感应电动势大 ,使转子电流大 ,根据磁动势平衡关系 ,定子电流必然增大 .

1,0 sn

2. 起动转矩不大的原因从下述公式分析 0 2 2

'st em TT T C I cos

起动时 , , 远大于运行时的 , 转子漏抗 很大 , 很低 ,尽管 很大 ,但 并不大 .

1s s 22 sXX s 2cos

2I 22 cosI

由于起动电流大 ,定子漏阻抗压降大 ,使定子感应电动势减小 ,对应的气隙磁通减小 .

由上述两个原因使得起动转矩不大 .

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.2.1 三相笼型异步电动机的起动

一、直接起动

可以直接起动的条件：起动电流倍数

)kW(

)kVAkI 电动机容量

电源容量（3

4

1

二、降压起动

1

3stY

st

T

T

适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时 Y接；运行时△接。

起动电流关系 :

Y- △ 降压起动多用于空载或轻载起动

1.Y-△ 降压起动

1

3stY

st

I

I

起动转矩关系 :

第 5章 三相异步电动机的电力拖动2. 自耦变压器降压起动

Nst

S

UI

Z直接起动时的起动电流：

11

Nst

S s

U UI

Z kZ

降压后二次侧起动电流：

1 2

1 1 Nst st

s

UI I

k k Z 变压器一次侧电流：

2

1st

st

I

I k

电网提供的起动电流减小倍数：

2

1st

st

T

T k

起动转矩减小的倍数：

自耦变压器一般有三个分接头可供选用。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.2.2 三相绕线型异步电动机的起动

一、转子回路串电阻起动

在转子回路中串联适当的电阻 ,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。

为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动

电动机由 a点开始起动，经 b→c→d→e→f →g→h，完成起动过程。

起动过程

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。

起动时， S2断开，转子串入频敏变阻器 ,S1闭合，电机通电开始起动。

起动时 , , 频敏变阻器铁损大 ,反映铁损耗的等效电阻 大 ,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着 上升 , 减小 ,铁损减少 , 等效电阻 减小 ,相当于逐渐切除 , 起动结束 ,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

2 1f f

n

2fmR

mR

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.3 三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动实现：制动时， S1断开 , 电机脱离电网，同时 S2闭合 , 在定子绕组中通入直流励磁电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。

制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上——能耗制动。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动

n

Tem

A

0

n1

C

1

B23 对笼型异步电动机 ,可以

增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 。

对绕线型异步电动机 ,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 。

.101 s，n 所以能耗制动时由于

制动电阻大小：2

2

2

0 2 0 43

NB

N

ER ( . ~ . ) R

I

第 5章 三相异步电动机的电力拖动

一、电源两相反接的反接制动5.3.2 反接制动

实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。

.,

,

11 sn想空载转速变为理改变由于定子旋转磁场方向

机械特性由曲线 1变为曲线 2，工作点由 A→B →C，n=0, 制动过程结束。绕线式电动机在定子两反接同时 ,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩 , 曲线3。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、倒拉反转的反接制动

条件 : 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。

实现：在转子回路串联适当大电阻 RB。

电机工作点由 A→B →C， n=0，制动过程开始，电机反转子，直到 D 点。在第四象限才是制动状态。

由于电机反向旋转，n<0，所以 s>1 。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动反接制动时， s>1 ，所以有

机械功率为 21 2 2

10MEC

sP m I R

s

电磁功率为 2 21 2 0em

RP m I

s

机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。

而 2 2 221 2 2 1 2 1 2 2

1MEC em

RsP P m I R m I m I R

s s

表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.3.3 回馈制动实现：电动机转子在外力作用下，使 n>n1.

回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。一、下放重物时的回馈制动

首先将定子两相反接 ,定子旋转磁场的同步速为 -n1 ，特性曲线变为 2。工作点由 A到 B。经过反接制动过程（由B到 C）、反向加速过程（ C到 -n1 变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到 C 点保持稳定运行。

电机机械特性曲线 1，运行于 A 点。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、变极或变频调速过程中的回馈制动

电机机械特性曲线 1，运行于 A 点。

电机工作点由 A变到 B，电磁转矩为负， ，电机处于回馈制动状态。

1Bn n

当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为 2。同步速变为 。1n

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.4 三相异步电动机的调速

由异步电动机的转速公式

11

601 1

fn n ( s ) ( s )

p

可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：

（ 1）改变定子极对数 调速。p

（ 2）改变电源频率 调速。1f

（ 3）改变转差率 调速。s

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.4.1 变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。 以 4极变 2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生 4极磁场：

反向串联和反向并联，定子绕组产生 2极磁场：

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、三种常用变极接线方式

Y→ 反并 YY ， 2p-p

Y→ 反串 Y ， 2p-p

∆→YY ， 2p-p

注意：　　　　　　　　　当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序

第 5章 三相异步电动机的电力拖动三、变极调速时容许输出

容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。

1. Y-YY 联结方式

Y-YY 后 ,极数减少一半 , 转速增大一倍 ,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输出功率和转矩为

2YY Yn n

NI

2YY Y

YY Y

P P

T T

可见， Y-YY 联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动2. ∆-YY 联结方式∆-YY 后 ,极数减少一半 , 转速增大一倍 ,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输出功率和转矩为

2YYn n

NI

1 15

0 58YY

YY

P . P

T . T

可见，∆ -YY 联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。

同理可以分析，正串 Y-反串 Y联结方式的变极调速属恒功率调速。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动四、变极调速时的机械特性

1. Y-YY 联结方式

2

2

mYY mY

mYY mY

stYY stY

s s

T T

T T

2. △-YY 联结方式

2

32

3

mYY m

mYY m

stYY st

s s

T T

T T

变极调速时 ,转速几乎是成倍变化的 ,调速的平滑性较差 ,但具有较硬的机械特性 ,稳定性好 , 可用于恒功率和恒转矩负载 .

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.4.2 变频调速一、电压随频率调节的规律 当转差率 s变化不大时，电动机的转速 n基本与电源频率 f1 正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是， 1 1

01 1 1 1 1 1

2 21 1 1

21 1 2 1

4 44 4 44

4

w w

mT

N N N

E U

. f N k . f N k

T m pU Uc

T f ( X X )T f T

频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：

2 21 1 1 12 21 1 1 1

N

N N N

U U U f T

f T f T U f T

及

第 5章 三相异步电动机的电力拖动1 、恒转矩变频率调速

此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。

常数

1

1

1

1

f

f

U

U对恒转矩负载

2、恒功率变频率调速

此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。

对恒功率负载1

1

95509550 f

f

n

n

T

TnTnTP

N

N

N

NNNNNN

常数

常数

1

1

1

1

f

U

f

U得

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、频率调速时电动机的机械特性

变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示

21 12

1 2 18m

m p UT ( )

( L L ) f

最大转矩

21 2 12 2

1 2 1 1

1

8st

m pR UT ( )

( L L ) f f

起动转矩

2 1 21

1 1 2 1 2

60 30

2m

R f Rn sn

f ( L L ) p p( L L )

临界点转速降

在基频以下调速时 ,保持 , 即恒转矩调速。常数11 / fU

在基频以上调速时 ,电压只能 ，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。

1 1NU U

第 5章 三相异步电动机的电力拖动5.4.3 变转差率调速一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为 从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。

21ems

em

s TR ( )R

sT

设 、 、 是转子串联电阻 前的量， 、 、 是串联电阻后的量， 则转子串接的电阻为：

ms semT

ms s emT sR

第 5章 三相异步电动机的电力拖动二、绕线转子电动机的串级调速

在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。

sE2

adE

adE通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动

改变电动机的电压时，机械特性为

三、调压调速

调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。

第 5章 三相异步电动机的电力拖动主编：……撰稿教师：……（以姓氏为序）制作：……责任编辑：……电子编辑：……