第8章 三相異步電動機(jī)的啟動與制動

1、電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-11 異步電動機(jī)的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的分析； 籠型異步電動機(jī)的啟動方法； 繞線式異步電動機(jī)的啟動方法； 三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài) 主要內(nèi)容 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-12 8.1 三相異步電動機(jī)的直接啟動 8.1.1 異步電動機(jī)的啟動過程分析 異步電動機(jī)的啟動：是指電機(jī)從靜止 狀態(tài)加速到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的整個過程。包括最 初的啟動狀態(tài)和加速過程。 要求：根據(jù)轉(zhuǎn)矩的物理公式學(xué)會分析異步電動機(jī)啟動時(shí)各物 理量的變化情況。 2 r 1 I 1 U 1 x 1 r s s r 1 2 2 x 2 I 1、啟動電流分析 1 1s 22 1212

2、U I (rr )( xx ) 等效電路如右圖所示。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-13 2、啟動轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)分析 2 2s 22 22 r cos rx 最初的啟動轉(zhuǎn)矩為： 2 21 2 211 2 2 1 )()(2 3 xxrrf rpU Ts 可見，啟動電流要比額定電流大很多，約為額定電流的57 倍，啟動時(shí)功率因數(shù)很低，大約為0.2左右，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的物理公 式： 221 cosICT Tj 雖然啟動電流和轉(zhuǎn)子側(cè)電流較大，但啟動轉(zhuǎn)矩并不大，一 般只有額定轉(zhuǎn)矩的12倍。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-14 8.1.2 8.1.2 三相異步電動機(jī)的啟動要求三相異步

3、電動機(jī)的啟動要求 電動機(jī)啟動的一般要求是：足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，較小的啟 動電流，啟動設(shè)備盡可能簡單，易于操作，并有良好的經(jīng)濟(jì)性。 電動機(jī)只有在轉(zhuǎn)矩Tst大于等于1.1TL時(shí)，才能帶動負(fù)載快 速啟動達(dá)到正常值，過大的啟動電流會造成較大的線路電壓降， 影響接在同一臺配電變壓器上的其他負(fù)載的正常運(yùn)行。對于頻 繁啟動的異步電動機(jī)，大的啟動電流也會造成電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱過 多而損壞電機(jī)。 直接啟動最為簡單，當(dāng)電網(wǎng)有足夠的容量，應(yīng)盡可能采取 此法。 存在的主要問題：啟動電流很大，造成的電壓降會影響同 一電網(wǎng)變壓器下的其他電氣設(shè)備的正常工作，電源容量越大， 這種不良影響越小。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021

4、-7-15 1、用電單位有獨(dú)立的變壓器，對不經(jīng)常啟動的異步電動機(jī)，其 容量小于變壓器容量的30%可允許直接啟動； 2、對于需要頻繁啟動的電動機(jī)，容量應(yīng)小于變壓器容量的20%， 才能允許啟動。 3、如果動力負(fù)載與照明負(fù)載共用一個電源，允許直接啟動的異 步電動機(jī)的容量，應(yīng)按啟動時(shí)所引起的電壓降不超過5%為原則。 4、電網(wǎng)容量越大，允許直接啟動異步電動機(jī)的容量也隨之增大。 5、（1）異步電動機(jī)的功率小于7.5 KW （2）異步電動機(jī)的功率大于7.5 KW 時(shí) KI = I1st/I1N 0.25*3+(電源總?cè)萘?啟動電動機(jī)容量） 多大容量電動機(jī)可以直接啟動？ 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021

5、-7-16 Xst 8.2.1 定子串接電抗器啟動 8.2 三相鼠籠型異步電機(jī)的啟動 要求：掌握降壓啟動中常用的四種啟動方法 掌握兩種特殊的籠型異步電動機(jī)啟動方法 掌握與籠型異步電動機(jī)有關(guān)的一些概念 ks ks zIU jXzIU 11 11 )( Xz z u U U I I k k s s 1 1 1 1 222 1 1 )()( Xz z u U U T T k k s s 設(shè)串電抗時(shí)電動機(jī)定子電壓與 直接啟動時(shí)電壓比值為u，則 只能用于空載和輕載 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-17 電抗X大小的計(jì)算 Xz z u I I k k s s k Z u u X 1 N N s

6、 N k IK U I U z 1 33 若定子回路串電阻啟動，也屬于降壓啟動，也可以降低 啟動電流。但由于外串的電阻上有較大的有功功率損耗，特 別對中型、大型異步電動機(jī)更不經(jīng)濟(jì)。 定子串電阻或電抗啟動的特點(diǎn)為： 啟動平穩(wěn)、運(yùn)行可靠、 方法簡單,降壓后，啟動轉(zhuǎn)矩 Tst 與電壓的平方成正比例降低， 啟動電流 Ist 與電壓成正比例降低。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-18 8.2.2 定子繞組星-三角形接法切換啟動 接時(shí)每相電壓等于線電壓U1=UN,每相啟動電流為 ,線上的啟 動電流為 。而當(dāng)啟動時(shí)定子繞組Y接，每相啟動電壓為 I s I3I 33 1 1 N UU U 3 13

7、/ 1 1 N NY U U U U I I 每相啟動電流為 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-19 III Ys 3 1 3 1 3 3/ I I I I S S 若直接啟動時(shí)啟動轉(zhuǎn)矩為 ，星三角啟動時(shí)啟動轉(zhuǎn)矩為 s T s T 3 1 )( 2 1 1 U U T T s s 則： s ss L T TT T3 . 0 31 . 11 . 1 的輕負(fù)載?？捎糜谕蟿?說明，星三角啟動時(shí)，盡管相電壓和相電流與直接啟動時(shí)相比 降低到原來的1 ，但是對供電變壓器造成沖擊的啟動電流則 降低到直接啟動時(shí)的13。啟動轉(zhuǎn)矩降低到直接啟動時(shí)的13 3 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-1

8、10 運(yùn)行 啟動 由變壓器原理知： U/UN = N2/N1 設(shè)啟動時(shí)： 電壓電流 UNIs UIs I/Is = ( U/UN =) N2/N1 IS/IS = N2/N1 8.2.3 自耦變壓器啟動 N IS U IS IS/Is = (N2/N1)2 自耦變壓器啟動時(shí)啟動轉(zhuǎn)矩為TS，與 直接啟動時(shí)啟動轉(zhuǎn)矩TS之間的關(guān)系為： 2 1 22 )() ( N N U U T T Ns S 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-111 采用自耦變壓器降壓啟動時(shí)，與直接啟動相比較，電壓降 低到N2/N1倍，啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩降低到(N2/N1)2倍。 實(shí)際上啟動用的自耦變壓器，備有幾個抽頭供

9、選用。例如 QJ 2型有三種抽頭，分別為55%（即=55%）、64%、73%（出 廠時(shí)接在73%抽頭上）；QJ 3型也有三種抽頭，分別為40、 60%、80%（出廠時(shí)接在 60抽頭上）等。但是，自耦變壓器 體積大，價(jià)格高，也不能帶重負(fù)載啟動。自耦變壓器降壓起動 在較大容量鼠籠異步電動機(jī)上廣泛應(yīng)用。 表8-1 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-112 8.3 高啟動轉(zhuǎn)矩的三相鼠籠式異步電動機(jī) 這種電動機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條不是采用普通的 鋁條，而是采用電阻率較高的鋁合金， 通過 適當(dāng)?shù)丶哟筠D(zhuǎn)子導(dǎo)條的電阻來改善啟動性能， 這樣既可限制啟動電流，又可增大啟動轉(zhuǎn)矩。 但這種電動機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率比普

10、通的 鼠籠式電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率高，故稱之為高轉(zhuǎn)差 鼠籠式異步電動機(jī)。使用場合主要是起重運(yùn) 輸機(jī)械和冶金企業(yè)的輔助機(jī)械的電力拖動等， 因此也稱之為起重-冶金型電動機(jī)。 8.3.1 轉(zhuǎn)子電阻值較大的鼠籠式異步電動機(jī) n n1 1 2 3 4 T 0 1普鼠籠;2高轉(zhuǎn)差率; 3起重冶金;4力矩式 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大，會使電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的效率降低，且 價(jià)格較貴。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-113 8.3.2 深槽式鼠籠異步電動機(jī) 深槽異步電動機(jī)的槽型窄而深，一般槽深與槽寬之比在10： 1以上，當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條流過電流時(shí)，深槽中的漏磁通的分布如圖。 n n1 1 T 0 2 1普通鼠籠式; 2深槽

11、式鼠籠 集膚效應(yīng)的強(qiáng)弱與轉(zhuǎn)子電流的頻率有關(guān)，頻率越高，集膚 效應(yīng)越明顯。啟動結(jié)束以后，正常運(yùn)行時(shí)，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電 路頻率較低 （1-3 Hz），導(dǎo)體的漏抗很小，集膚效應(yīng)消失， 導(dǎo)體中電流均勻分布，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻變?yōu)檩^小的電阻，因此對 于運(yùn)行特性來說，效率并不降低，但由于漏抗比普通籠型轉(zhuǎn)子 漏抗大，以致功率因數(shù)和過載能力有所降低。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-114 8.3.3 8.3.3 雙鼠籠異步電動機(jī)雙鼠籠異步電動機(jī) 這種異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上安 裝了兩套籠，如圖所示。兩個籠 間由狹長的縫隙隔開，顯然里面 的籠相連的漏磁通比外面的籠的 大得多。外面的籠導(dǎo)條較細(xì)，采 用電阻率較大

12、的黃銅或鋁青銅等 材料制成，故電阻較大，稱為啟 動籠；里面的籠截面較大，采用 電阻率較小的紫銅等材料制成， 故電阻較小，稱為運(yùn)行籠。 工作原理與深槽異步電動機(jī)基 本一致,機(jī)械特性如圖所示 T1外籠特性;T2內(nèi)籠特性; T雙鼠籠合成曲線 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-115 8.4 繞線式三相異步電動機(jī)的啟動繞線式三相異步電動機(jī)的啟動 8.4.1 轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器啟動 頻敏變阻器：是一種無觸點(diǎn)的變阻器， 每一相的等效電路與變壓器空載運(yùn)行時(shí)的等 值電路是一致的，忽略繞組漏阻抗時(shí)，其勵 磁阻抗為勵磁電阻與勵磁電抗串聯(lián)組成， 頻率為5OHz的電流通過時(shí)，阻抗比 一般變壓器勵磁阻抗小得

13、多。 （2）頻率為5OHz的電流通過時(shí)，等效電 阻rm較大。 n n1 1 T 0 2 1固有特性; 2人為特性 但是與一般變壓器勵磁阻抗不完全相 同，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)： 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-116 8.4.2 轉(zhuǎn)子串電阻分級啟動轉(zhuǎn)子串電阻分級啟動 1、轉(zhuǎn)子串電阻分級啟動 曲線3 對應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻為 Rz3=Rr+Rst3+Rst2+Rst1 的人為 特性 曲線2 對應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻為 Rz2=Rr+Rst2+Rst1的人為特性 曲線1 對于應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻為 Rz1=Rr+Rst1的人為特性 曲線0 則為固有機(jī)械特性。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-117 啟動

14、電阻計(jì)算可以采用圖解法或解析法 機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式: 即在同一條機(jī)械特性曲線上（R2=定值時(shí)）有Ts 一般情況 當(dāng)啟動級數(shù)為m時(shí) 1 mN rNst RT Rs T 1 22 r r m mr RR RR RR 111 122 mmst mmrst RRTR RRRT 1 m N Nst T s T s s T T m m 2 1 22 r r m mr RR RR RR 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-118 2、由 求出Tst2，判斷能否滿足起動要求，否則 需作調(diào)整。 1 2 st st T T 1、根據(jù)電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)和啟動級數(shù)，選定Tst1值，求出 若起動級數(shù)未定，則可選

15、定Tst1和Tst2求出值 3、用式 計(jì)算啟動電阻 1 22 r r m mr RR RR RR 啟動電阻每段的電阻值可由 相鄰兩級的總電阻相減求得 11 1212 2211 11 1 stmmmst m mmst mst m stst strr RR RR RRRR RR RR RR RR L 1 22 r r m mr RR RR RR 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-119 8.5 8.5 三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài) 要求：掌握異步電動機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài) 了解能耗制動、反接制動、倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋 制動運(yùn)行的條件。 T與n方向一致，nn1， 0sn

16、1. 回饋制動狀態(tài)實(shí)際上就是將軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能并 回饋到電網(wǎng)的異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 1、下放重物時(shí)的回饋制動 首先將定子兩相反接,定子旋轉(zhuǎn)磁場的 同步速為-n1，特性曲線變?yōu)?。工作點(diǎn)由A 到B。經(jīng)過反接制動過程（由B到C）、反 向加速過程（C到-n1變化），最后在位能 負(fù)載作用下反向加速并超過同步速，直到 D點(diǎn)保持穩(wěn)定運(yùn)行。 電機(jī)機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A點(diǎn)。 電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)與拖動基礎(chǔ) 2021-7-125 2、變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動 電機(jī)機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A點(diǎn)。 電機(jī)工作點(diǎn)由A變到B，電磁轉(zhuǎn) 矩為負(fù)， ，電機(jī)處于回饋 制動狀態(tài)。 1B n n 當(dāng)電機(jī)采用變極（增加極數(shù)）或 變頻（降低頻率）進(jìn)行調(diào)速時(shí)，機(jī)械 特性變?yōu)?。同步速變?yōu)?。 1 n 0/ )( 11 nnns無論哪種回饋制動，轉(zhuǎn)差率 異步電動機(jī)的回饋制動還可用于正向回饋制動運(yùn)行（例如電 車下坡）或反向回饋制動運(yùn)行（位能性負(fù)載）的拖動系統(tǒng)中，以 獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)