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1、8.1 三相异步电动机直接起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,第 8 章 三相异步电动机的起动与制动,8.2 三相鼠笼式异步电动机降压起动,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,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，必须要求电动机能带动生产机械并很快地转到额定转速。,8.1 三相异步电动机直接起动,一、异步电动机起动要求,(1)能产生足够大的起动转矩Ts，使电动机很快地转动起来。 (2)起动电流Is不要太大，避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气设备和电动机的正常运行。 此外，起动
2、时间要满足生产机械要求，起动设备要简单、经济、可靠。 从前面分析三相异步电动机固有机械特性而知道，如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动电流大，而起动转矩并不大，这时的功率因数低。,一般普通鼠笼式异步电动机， 所以要研究异步机的起动特性和异步机的各种起动方法。,n,n,1,0,I,0,T,s,I,s,T,I,1,n,=,f,(,I,1,),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,二、固有起动特性,1.特点,*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。,*起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时,
3、,远大于运行时的 ,转子漏抗 很大, 很低,尽管 很大,但 并不大。,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。,(1)起动电流大的影响 对电动机本身的影响； 对电源和其他负载的影响； 电动机起动瞬间对负载会造成一定的机械冲击,2.直接起动存在的问题,(2)起动转矩不大的影响 起动时必须满足Ts1.1TL条件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要求。,三、小容量电机的直接起动,将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称直接起动。 一般7.5kW以下的小容量鼠笼异步电动机都可以直接起动。
4、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： 式中kI为起动电流倍数；Is为电动机的起动电流（A）；IN为电动机的额定电流（A）；SN为电源变压器总容量；PN为电动机的额定功率。,说明:,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7.5千瓦以下容量电动机可以直接起动。注意：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。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（1015）% 就允许直接起动。,当电
5、网容量不够大而不能采用直接起动时，根据起动电流与端电压成正比的关系，可以采用降低电压的办法来减小起动电流，简称降压起动。 降压起动只适用于对起动转矩要求不高的场合。 常用的降压起动方法主要有定子串接电抗器起动、Y-起动、自耦变压器起动和延边三角形起动等。,8.2 三相鼠笼式异步电动机降压起动,一、定子串电抗降压起动,笼型异步电动机串电抗降压起动原理图,1.线路,2.降压原理,(a)直接起动,(b)定子串电抗起动,3.电抗X的计算,（Y连接）（连接）,一、定子串电抗降压起动,优点：价格便宜，结构简单 缺点：定子串电抗器起动降低了起动电流，但起动转矩降低的更多。因此，定子串电抗器起动只能用于空载和
6、轻载起动。,4.优、缺点,一、定子串电抗降压起动,定子回路串接的电抗器换成电阻，即定子回路串电阻起动，也属于降压起动，能够降低起动电流。但由于外串电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中大型异步电动机很不经济。,二、Y-起动,笼型异步电动机Y-起动的原理线路图,1.线路,2.降压原理,(a)直接起动,(b) Y-起动,电动机直接起动时，定子绕组接,Y接和接时起动线电流比值为,上式说明，Y-起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的 ，但是，对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的1 / 3。,二、Y-起动,二、Y-起动,若直接起动时起动转矩为 ，Y-起动时起动转矩为 ，则,起
7、动转矩与起动电流降低的倍数一样，都是直接起动的1 / 3。,优点：方法简单（只需一个Y-转换开关），价格便宜，在轻载起动条件下应该优先采用；起动转矩和起动电流都降为三分之一。 缺点：只有三分之一档；只适用于工作时三角型接法的异步电动机。,3.优、缺点,二、 Y-起动,三、自耦变压器降压起动,异步电动机自耦变压器降压起动的原理线路图,1.线路,2.工作原理,降压起动与直接起动相比，供电变压器提供起动电流的关系为,2.工作原理,自耦变压器降压起动时电机的起动转矩 与直接起动时起动转矩 之间的关系为,采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到原来的 ，起动电流与起动转矩降低到原来的 。,
8、实际上，起动用的自耦变压器备有几个抽头供选用。例如QJ2型有三个抽头，分别为55%（即55%）、64%、73%（出厂时接在73%抽头上）；QJ3型也有三个抽头，分别为40%、60%、80%（出厂时接在60%抽头上）。,自耦变压器降压起动与定子串电抗起动相比，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失的较少；与Y-起动相比，有几种抽头供选用，比较灵活，并且较大时，可以拖动较大的负载起动。但是自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步电动机上被广泛应用。,3.特点,三、 自耦变压器降压起动,三相笼型异步电动机起动方法的比较,3.特点,三、自耦变压器降压起动,四、延
9、边三角形起动,笼型异步电动机定子三相绕组连接成延边三角形,引出9个出线端的定子三相绕组,对于重载起动的笼型异步电动机来说，前面介绍的几种方法已经不能满足起动的需要，必须采取其他的措施来提高起动转矩。 高起动转矩的笼型异步电动机包括高转差率异步电动机、深槽式异步电动机和双笼异步电动机等几种类型，其中后两种都是从转子槽形入手，利用“集肤效应”（也称趋肤效应）来达到起动时转子电阻较大而正常运行时转子电阻自动变小的要求。,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,一、高转差率笼型异步电动机,1普通鼠笼；2高转差率；3起重冶金；4力矩式,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,为了增大转子电阻，转子导
10、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。,二、深槽式笼型异步电动机,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,1.构造,(a)槽漏磁通分布,(b)电流密度,深槽式异步电动机的转子采用深而窄的槽形,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。,二、深槽式笼型异步电动机,2.工作原理,二、深槽式笼型异步电动
11、机,2.工作原理,集肤效应在普通异步电动机中也存在，只是因为槽形不那样窄和深，影响不显著而已。与普通异步电动机相比较，深槽式异步电动机转子槽漏抗较大，它的功率因数稍低，最大转矩倍数稍小。,3.深槽式异步电动机机械特性,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,二、深槽式笼型异步电动机,三、双鼠笼异步电动机,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,1.构造,转子槽与槽漏磁通分布,三、双鼠笼异步电动机,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,1.构造,异步电动机的转子上有两套导条，外笼（起动笼、上笼）与内笼（运行笼、下笼），两笼间由狭长的缝隙隔开。外笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导
12、条截面较小，故电阻较大；内龙笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。,三、双鼠笼异步电动机,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,2.工作原理,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外笼（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内笼（或运行笼）。,三、双鼠笼异步电动机,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,3.机械特性,双鼠笼异步电动机比普通异步电动机转子漏电抗大，功率因数稍低，但效率却差不多。双鼠笼异步电动机不像深槽式异步电动机转子槽很深，因此具有较好的机械强度，适用于高转速大容量的电机。,8.3 高起动转
13、矩的三相鼠笼式异步电动机,三、双鼠笼异步电动机,同容量笼型异步电动机的主要技术数据,8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机,三、双鼠笼异步电动机,由于大型电动机容量大，起动电流对电网冲击较大，又因带重载，负载要求电机提供较大的起动转矩，显然前述笼型异步电动机起动方法很难同时满足这两个要求，而绕线式异步电动机就显示出明显的优势。只要转子回路串的电阻合适，就可降低起动电流，同时增大起动转矩，因而绕线式三相异步电动机可以应用在重载和频繁起动的生产机械上。,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,一、转子串电阻分级起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,三相绕线式异步电动机的转子绕组可以通过电刷和滑环
14、外串三相对称电阻，达到降低起动电流并同时提高起动转矩的目的。起动结束后，通过集电环将外串电阻短路，以确保电机的运行效率不受影响。,1.线路,绕线式异步电动机转子串电阻的起动接线图,一、转子串电阻分级起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,为了确保起动过程尽可能平稳，传统的绕线式异步电动机多采用逐级切除外串转子电阻的方法进行起动。,1.线路,绕线式异步电动机转子串电阻分级起动接线图,一、转子串电阻分级起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,2.工作原理,(a)接线图 (b)机械特性,一、转子串电阻分级起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,2.工作原理,(a)接线图,起动步骤：接触器K1、
15、K2、K3断开；电动机转速升高到b点时 ，接触器K3闭合；电动机转速继续升高到d点，电动机的电磁转矩，接触器K2闭合；电动机转速又继续升高，到达f点时，电动机的电磁转矩，接触器K1闭合；电动机转速又继续升高，经过h点后，最后稳定运行在j点。,二、转子串频敏变阻器起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,1.线路,用外串频敏变阻器来取代外串电阻起动可以克服转子串电阻分级起动所造成的冲击。,二、转子串频敏变阻器起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,2.频敏变阻器,频敏变阻器的等效电路,频敏变阻器的结构,频敏变阻器的结构与等效电路,二、转子串频敏变阻器起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,2
16、.频敏变阻器,基本工作原理： 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。,二、转子串频敏变阻器起动,8.4 绕线式三相异步电动机的起动,3.机械特性,1.电动状态 T与n方向一致，nn1，0s1， T为拖动转矩，特性在第、象限。 2.制动状态 T与n方向相反，T为制动转矩，特性在第、象限。分为反接制动，能耗制动，回馈制动(
17、再生发电制动)，倒拉反转。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,一、电动与制动状态,反向电动运行,1固有机械特性；2降低电源频率的人为机械特性；3电源相序为负序（ABC）时的固有机械特性,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,一、电动与制动状态,二、能耗制动运行状态,1.方法及制动原理方法： 将正在运行的三相异步电动机定子绕组断开三相交流电源，同时在定子两相绕组内通入直流电流。电动运行状态时，KM1闭合，能耗制动时KM1断开，KM2闭合,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,接线图,M,3,R,W,R,KM,2,KM,1,L,1,L,2,L,3,+,-,(a)接线图,N,S,n,1,n,1,
18、T,n,N,S,T,n,电动状态,制动状态,(b),能耗制动原理,三相异步电动机能耗制动原理接线图,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,制动原理,当定子绕组拉开三相交流电，通入直流电时，定子磁场变为固定不动的恒定磁场。转子由于惯性仍顺时针方向旋转。转子导体切割磁场产生的感应电势和感应电流的方向与电动状态时相反，从而使电动机产生的电磁转矩与电动状态时相反，即T为逆时针方向，这时T与n方向相反，故为制动状态。当转速n=0时，T=0，电动机不再产生电磁转矩。从而能准确停车。,制动过程中，n0，T0，所以特性在象限能量关系为：动能电能 消耗在转子电阻上。,N,S,n,1,n,1,T,n,N,S,T,
19、n,电动状态,制动状态,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,(1)机械特性方程,特性方程： 上式与电动机实用公式相似，所以机械特性曲线的形状也与电动机相似，只是当n=0时，T=0过原点。,2.机械特性,(2)分析机械特性曲线,(i)设磁路不饱和Xm =常数，增大r2(I1不变)时smN Tm不变，可得曲线2。(这里是以反向电动状态s轴为依据)(ii)保持r2、sm不变，增大I 时 I1 Tm 设磁路未饱和Xm =常数，可得曲线3，它同异步机改变定子电压的人为特性变化规律相同(因为改变定子电压就改变了气隙磁通m的大小，而改变直流电流I 也将改变恒定磁场的数值，二者实质相同，所以特性变化规律相同
20、),2.机械特性,1固有机械特性；2能耗制动机械特性,2.机械特性,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,能耗制动过程实现条件 电源条件:电源突然切除，电枢回路串电阻 负载条件:拖动反抗性恒转矩负载,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,二、能耗制动运行状态,K1,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,三、反接制动,1.线路,正向电动运行,反接制动过程,三、反接制动,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,2.制动过程,1,2,反接制动过程,反向起动过程,N,S,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,三、反接制动,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,三、反接制动,3.反接制动过程实现条件,电源
21、条件:改变电源相序，电枢回路串电阻 负载条件:拖动反抗性恒转矩负载,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,三、反接制动,与他励直流电动机制动停车一样，三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车，接着反向起动，这就是为了迅速改变转向，提高生产率。 反接制动过程中在转子电路串入较大的制动电阻一方面可以限制制动电流，同时可以增大制动转矩。停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,四、倒拉发转,1.方法及制动原理,绕线式异步电动机转子串入较大的电阻，如图所示，当电机提升重物G，电机以n
22、A转速提升重物。这时线路中接触器的常开接点全部闭合，转子回路没有外串电阻。,制动原理,若使KM3断电，其常开接点打开，串入电阻Rst3系统以较低转速nB提升重物。若再使KM2断电，其常开接点打开，串入电阻 Rst3 + Rst2，得特性3，如图所示。这时T=TL，n=0，电机既不提升重物也不放下重物。若再使KM1断电，转子回路串入全部电阻Rst1 + Rst2+ Rst3， 在n=0时，,制动原理,TTL，位能负载拉着电动机反转，使转子逆原先方向转动。T与n反向，制动状态。 T为制动转矩起限速作用，使下放重物不会出现危险的高速度。串入大电阻 Rs I2sTn。在n=0时电动机被 TL拉向反转。
23、,2.机械特性,3.制动电阻的计算方法,以固有机械特性为准，求出 在同一T值下， r2/s =常数， 即 ，可求出R,4.特点和应用,特点： s1 ，运行过程中能量消耗多，改变转子串接电阻，可变速度。 应用： 适用于位能性负载下放重物。,1.方法及制动原理方法：电机在拖动位能性负载时，当电动机产生的电磁转矩T与负载转矩 TL同方向时，使转速n ，即nn1，电动机工作在发电状态，向电网返回能量。特点：电机向电网输送有功功率，由电网向电机输入无功功率。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,五、回馈制动运行,电动状态时,由电网向电机输入的有功功率： 由电网向电机输入的无功功率： 其中I1a与U1同
24、相位。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,发电状态时：I1a与U1反向， 90；,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,2.能量关系,nn1，s0，Pm=m1I22r2 (1-s)/s0， 说明输入机械功率；PM= m1I22r2 /s0，说明由转子输入机械功率传到定子，再返回电源，这时电机为一台异步发电机，又因这时T、n方向相反故为制动状态，称回馈制动或再生发电制动。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,3.电流关系,(1)转子有功电流I2a：因s0， I2a0，由电动机流向电网。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,(2)无功电流,无功电流为： 电流方向不变，从电网流向电机，即电机
25、从电网吸收无功电流。 电机返回电网的有功功率,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,4.相量图,E,1,=E,2,f,1,-,I,1,r,1,jI,1,x,1,U,1,I,0,I,1,-I,2,jI,2,x,2,I,2,-,s,r,2,I,2,j,1,j,2,三相异步电动机回馈制动状态相量图,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,5.机械特性,三相异步电动机回馈制动时机械特性,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,6.特点和应用,特点： nn1，从电网吸收无功建立磁场，向电网输送有功，经济。 应用： 电机拖动位能性负载(如绕线式异步机)下放重物。,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,五、回馈制动运行,I,II,III,IV,正向电动运行,反向电动运行,反接制动过程,能耗制动过程,正向回馈制动,反向回馈制动运行,倒拉反转运行,能耗制动运行,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,三相异步电动机各种运行状态下的机械特性,三相异步电动机各种运行状态实现条件,转子串电阻，拖动反抗性负载,电源相序不变，电机转速高于,8.5 三相异步电动机的各种运行状态,本章结束！,