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1、12012年5月9日Wednesday第1页第四章 三相感应电动机的起动、制动与调速 引言 4.1 三相感应电动机的直接起动 4.2 三相鼠笼式感应电动机的降压起动 4.3 三相绕线式感应电动机的起动 4.4 深槽式和双笼感应电动机 4.5 感应电动机的附加转矩及其对起动的影响 4.6 三相感应电动机的各种运行状态 4.7 感应电动机的调速 小结2012年5月9日Wednesday第2页引言 感应电动机结构简单，价格便宜，而且其性能良好、运行可靠，交流电力拖动系统中的电动机主要是三相感应电动机。在三相感应电动机电力拖动系统中，电动机转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定。
2、本章讨论三相感应电动机的起动、调速及各种运行状态。2012年5月9日Wednesday第3页4.1 三相感应电动机的直接起动 一、起动电流的影响 二、起动转矩的影响2012年5月9日Wednesday第4页 从三相感应电动机固有机械特性的分析中知道，如果在额定电压下直接起动三相感应电动机，由于最初起动瞬间主磁通m约为额定值的一半，功率因数cos2很低，起动电流相当大而起动转矩并不大。2012年5月9日Wednesday第5页 普通鼠笼式三相感应电动机为例，起动电流(KI为起动转矩倍数)，起动转矩，图示为三相感应电动机直接起动时的固有机械特性与电流特性，其中为I1定子每相电流，而。(4 7)st
3、INNIK II(0.9 1.3)stTNNTK TT120III2012年5月9日Wednesday第6页一、起动电流的影响 对电动机本身的影响：感应电动机不存在换向问题，对不频繁起动的感应电动机来说，短时大电流没什么关系。对频繁起动的感应电动机来说，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热，但是只要限制每小时最高起动次数，电动机也是承受得住的。因此可以说，只考虑电动机本身，是可以直接起动的。22012年5月9日Wednesday第7页 对供电变压器的影响：整个交流电网的容量相对于单个的三相感应电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不
4、够大、电动机额定功率相对不算小时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如U10或更严重。造成：对起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多，当负载较重时，造成难于起动。影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。2012年5月9日Wednesday第8页 变压器额定容量相对电动机讲不足够大时，三相感应电动机不允许直接起动。衡量三相感应电动机额定功率与供电变压器额定容量相对是大还是小，需要考虑几方面因素，比如说三相感应电动机是由专用变压器供电还是与其他负载共用一台变压器；或者其他负载对电压稳
5、定性要求高还是没什么要求；或者供电线路是否很长等。因此总的来说大容量变压器允许大功率电动机直接起动，小容量变压器允许小功率电动机直接起动，各地电业管理部门对此都有具体规定。2012年5月9日Wednesday第9页二、起动转矩的影响 只有在的条件下，电动机才能正常起动。一般地说，如果感应电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩就够大了，但是如果是重载起动，例如，且要求起动过程快时，某些感应电动机例如绕线式三相感应电动机，KT往往小于1，直接起动的起动转矩就不够大了。1.11.2stLTTLNTT2012年5月9日Wednesday第10页 三相感应电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种
6、情况下是不可行的：变压器与电动机容量之比不足够大。起动转矩不能满足要求。不能直接起动的第种情况下需要减小起动电流，第种情况下需要加大起动转矩。起动电流或起动转矩的大小为1122212122122211212()()32()()ssstUIIrrxxpU rTfrrxx2012年5月9日Wednesday第11页 上式看出，降低起动电流的方法有：降低电源电压；加大定子边电阻或电抗；加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过分，否则起动转矩反而可能减小。在供电变压器容量较大，电动机容量较小的前提下，三相鼠笼式感应电动机可以直接起动。一般地说，容量在7.5kW以下的小容量
7、鼠笼式感应电动机都可直接起动。直接起动，不需要专门的起动设备，这是三相感应电动机的最大优点之一。1122212122122211212()()32()()ssstUIIrrxxpU rTfrrxx2012年5月9日Wednesday第12页4.2 三相鼠笼式感应电动机的降压起动 一、定子串接电抗器起动 二、Y起动 三、自耦变压器(起动补偿器)降压起动32012年5月9日Wednesday第13页一、定子串接电抗器起动 三相感应电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。定子边串电抗起动可以理解为增大定子边电抗值，也可以理解为降低定子实际所加电压，其目的是
8、减小起动电流。2012年5月9日Wednesday第14页 根据图示等值电路，可以得出1111()skskUIzjXUI z2012年5月9日Wednesday第15页 三相感应电动机直接起动的起动电流大，对供电变压器冲击大，采用降压起动减小起动电流。上面三个关系式中的电压、电流均为相值，需要换成线值。三相感应电动机定子串电抗降电压起动时，电动机端电压线值从降到，起动电流线值从降成。11111122211()()kkskskskskzUuUzXIzUuIUzXTzUuTUzXNUUsIsI22()kNkskskskskzUuUzXIzuIzXTzuTzX2012年5月9日Wednesday第1
9、6页 工程实际中，往往先给定线路允许电动机起动电流的大小，再计算电抗X的大小。计算公式推导如下：其中短路阻抗为 若定子回路串电阻起动，也属于降压起动，也可以降低起动电流。但由于外串的电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中型、大型感应电动机更不经济，因此这里不予介绍。1skskkkkIzuIzXuzuXzuXzu33NNksINUUzIK I2012年5月9日Wednesday第17页二、Y-起动 对于运行时定子绕组接成形的三相鼠笼式感应电动机，为了减少启动电流，可以采用Y-起动方法，即起动时，定子绕组Y接，起动后换成接，其接线图如图所示。开关K2合到下边，电动机定子绕组Y接，电动机开始起动；当转
10、速升高到一定程度后，开关K2从下边断开合向上边，定子绕组接，电动机进入正常运行。2012年5月9日Wednesday第18页 电动机直接起动时，定子绕组接，如图(a)所示，每一相绕组起动电压大小为U1UN，每相起动电流为，线上的起动电流为采用Y-起动，起动时定子绕组Y接，如图(b)所示，每相起动电压为I3sII1133NUUU 42012年5月9日Wednesday第19页 每相起动电流，则 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13。直接起动时起动转矩为，Y-起动时起动转矩为，则YI11/313NYNUIUIUU1/
11、3sTsT2111()3ssTUTU2012年5月9日Wednesday第20页 起动转矩与起动电流降低的倍数一样，都是直接起动的13。显然，当需要限制起动电流不得超过直接起动电流的13时，Y-起动的起动转矩是定子串电抗起动的起动转矩的3倍。Y-起动可以用于拖动的轻负载。0.31.11.1 3ssLsTTTT2012年5月9日Wednesday第21页 Y-起动方法简单，只需一个Y-转换开关(做成Y-起动器)，价格便宜，因此在轻载起动条件下，应该优先采用。但是Y-起动的电动机定子绕组6个出线端都要引出来，对于高电压的电动机有一定困难。因此，我国采用Y-起动方法的电动机额定电压都是380V，绕组
12、都是接法。2012年5月9日Wednesday第22页三、自耦变压器(起动补偿器)降压起动 三相鼠笼式感应电动机采用自耦变压器降压起动接线图如图所示。起动时，开关K投向起动一边，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，属降压起动。当转速升高到一定程度后，开关K投向运行边，自耦变压器被切除，电动机定子直接接在电源上，电动机进入正常运行。2012年5月9日Wednesday第23页 自耦变压器降压起动时，一相电路如图所示，电动机起动电压下降为，与直接起动时电压的关系为 电动机降压起动电流为，与直接起动的起动电流之间关系是 自耦变压器原边的起动电流为，与之间关系为UNU21NNUUNsIsI2
13、1ssNINUIUNsIsI21ssININ2012年5月9日Wednesday第24页 因此降压起动与直接起动相比，供电变压器的起动电流的关系为 自耦变压器起动时起动转矩为，与直接起动时起动转矩之间的关系为221()ssININsTsT2221()()ssNTNUTUN52012年5月9日Wednesday第25页 前二式表明，采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到倍，起动电流与起动转矩降低到倍。实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽头供选用。例如QJ 2型有三种抽头，分别为55(即N2/N155)、64、73(出厂时接在73抽头上)；QJ 3型也有三种抽头，分别为40、60、
14、80(出厂时接在60抽头上)等。21NN221()NN2012年5月9日Wednesday第26页 自耦变压器降压起动，比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少；比起Y-起动，有几种抽头供选用比较灵活，并且N2/N1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感应电动机上广泛应用。2012年5月9日Wednesday第27页四、延边三角形起动 降压效果介于直接起动和Y-起动之间。2012年5月9日Wednesday第28页综合2012年5月9日Wednesday第29页 到目前为止，前面所介绍的几种鼠笼式
15、感应电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动转矩较大的感应电动机。计算式表明，加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式感应电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼式感应电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值，这类电动机有高转差率鼠笼式感应电动机、双鼠笼式感应电动机和深槽式鼠笼感应电动机。2012年5月9日Wednesday第30页4.3三相绕线式感应电动机的起动 一、转子串频敏变阻器起动 二、转子串电阻分级起动62012年5月9日Wednesday第31页 绕线式三相感应
16、电动机，转子回路中可以外串三相对称电阻，以增大电动机的起动转矩。如果外串电阻Rs的大小合适，则可以做到，起动转矩达到可能的最大值。同时，从计算式看出由于Rs比较大，起动电流也明显减小了。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。绕线式三相感应电动机可以应用在重载和频繁起动的生产机械上。212srRxx2012年5月9日Wednesday第32页一、转子串频敏变阻器起动 对于单纯为了限制起动电流，增大起动转矩的绕线式感应电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动。频敏变阻器是一个三相铁心线圈，它的铁心是由实心铁板或钢板叠成，板的厚度为3050mm。绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动，接
17、线如图所示。接触器触点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。2012年5月9日Wednesday第33页 频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用表示。但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点：1)频率为50Hz的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，既限制了起动电流，又不致使起动电流过小而减小起动转矩。2)频率为50Hz的电流通过时，其原因是频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流较大，
18、因此励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此较大。pppzrjxpprxprpx2012年5月9日Wednesday第34页 绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时，s1，转子回路中的电流的频率为50Hz。转子回路串入，而，因此转子回路主要是串入了电阻，而且。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩。由于存在，电动机最大转矩稍有所下降。pppzrjxpprx2prrpx2012年5月9日Wednesday第35页 起动过程中，随着转速升高，转子回路电流频率逐渐降低。我们知道，
19、频敏变阻器中铁损耗的大小与频率的平方成正比，频率低，损耗小，电阻也小；电抗，频率低，电抗也小。极端情况下，电流为直流时。因此，起动过程中，频敏变阻器是随着电流频率sf1的降低，也自动减小。正因为如此，电动机在几乎整个起动过程中始终保持较大电磁转矩。起动结束后，sf1很低，很小，近似认为，频敏变阻器自动不起作用。这时，可以闭合接触器触点K，可以切除。ppxL0px pppzrjxpppzrjx0pz 2012年5月9日Wednesday第36页 利用频敏变阻器在50Hz时较大，13Hz时的随频率改变参数的特性，用于绕线式电动机起动，只要的大小合适，就可以得到较大的，近于恒起动转矩的机械特性。0p
20、z pppzrjx72012年5月9日Wednesday第37页二、转子串电阻分级起动 为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式感应电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。图示为绕线式三相感应电动机转子串电阻分级起动的接线图与机械特性，起动过程如下：2012年5月9日Wednesday第38页 1)接触器触点K1，K2，K3断开，绕线式感应电动机定子接额定电压，转子每相串入起动电阻电动机开始起动。起动点为机械特性曲线3上的a点，起动转矩为T11.5cm，由集肤效应所引起的导条的电阻增大系数(即交、直流电阻之比)是，krh(以cm计)，如图所示。2012年5月9日Wedne
21、sday第46页 当起动完毕，电动机正常运行时，由于转子电流频率很低(一般为13Hz)，转子绕组的漏电抗比转子电阻小得多，因此前述各小导体中电流的分配将主要决定于电阻。由于各小导体电阻相等，导条中的电流将均匀分布，因此集肤效应基本消失，转子导条的电阻又重新变小，接近等于直流电阻，而电动机的工作特性接近于一般的笼型转子电机。由此可见正常运行的转子电阻会自动变小，从而满足了减小转子铜耗以提高电机效率的要求。2012年5月9日Wednesday第47页 上述的集肤效应不仅影响转子电阻也影响转子漏抗。从图示的槽漏磁通所经路径可以看出，通过某一小导体中的电流，仅仅产生从该小导体到槽口处的漏磁通，而不产生
22、从该小导体到槽底的漏磁通，因为后者与该电流没有交链。这样，同样大小的电流，愈靠近槽底，产生的漏磁通就愈多，愈靠近槽口则严它的漏磁通愈少。由此可见，当集肤效应把导条中的电流挤到槽口时，同一电流产生的槽漏磁通减少了，因此槽漏抗减小了。所以集肤效应增加转子电阻而减小转子漏抗。2012年5月9日Wednesday第48页 深槽感应电动机的转子槽形较深，正常工作时转子漏抗比一般笼型电动机稍大，因此深槽电动机的额定功率因数和最大转矩比普通笼型电动机稍低一些。深槽电动机的等效电路，形式上仍与普通笼型电动机一样，但是它的转子参数(有效电阻，漏抗)是随转差率的变化而变化的。92012年5月9日Wednesday
23、第49页二、双笼感应电动机 上笼称为起动笼，下笼称为工作笼。上、下笼既可以是互相独立的，亦可以具有公共的端环。图示双笼转子的一种槽形。不难看出，在同样的导条电流下，下笼交链的漏磁通总要比上笼多得多，即下笼的漏抗要比上笼大很多。上笼通常用黄铜或铝、青铜等电阻率较高的材料制成，电阻较大；下笼的导条截面较大，且用电阻率较低的紫铜制成，电阻较小。总之，使得上笼的电阻大、漏抗小；而下笼的电阻小、漏抗大。2012年5月9日Wednesday第50页 起动时，转子频率较高，转子的漏阻抗中漏抗起主要作用，因此上、下笼导条中电流的分配主要取决于其漏抗。由于下笼漏抗较大，故下笼电流很小，电流多挤集于上笼(这与深槽
24、电机中电流挤集于导条上部的原理相似)，而上笼的电阻较大，因此上笼可产生较大的起动转矩。由于起动时上笼起主要作用，所以上笼称为起动笼。正常运行时，转子电流频率很低，漏抗减小，上、下笼的漏阻抗中电阻起主要作用，上、下笼之间电流的分配基本上取决于它们的电阻。由于下笼电阻较小，所以正常运行时电流主要集中在下笼，产生电机的工作转矩。正常工作时由于下笼起主要作用，所以下笼称为工作笼。2012年5月9日Wednesday第51页 电机的Ts曲线可以看作为上、下笼的Ts曲线的叠加，如图所示。改变上、下笼的尺寸、材料和上、下笼之间的缝隙尺寸，就可以改变上、下笼的参数，从而得到不同的起动和工作性能的配合，以满足各
25、种不同负载的要求，这是双笼电机优于深槽电机之处。与一般笼型电机相比，由于转子漏抗稍大，所以双笼电机的功率因数和最大转矩要稍差一些。2012年5月9日Wednesday第52页 双笼电动机的等效电路可仿照一般笼型电动机的等效电路导出，其特点是转子边有两个绕组，这两个绕组同时被气隙主磁通所交链，因此等效电路中有两个并联的转子回路。另外，对于图a所示的转子槽形，上笼与下笼除本身有电阻、漏抗外，上、下笼之间还有互漏磁通的交链(即对定子绕组而言是漏磁，对上、下笼而言则是互感磁通)；所以在转子电路中，有一个串联的互漏电抗接在两个并联回路的前面，如图b所示。2012年5月9日Wednesday第53页4.5
26、 感应电动机的附加转矩及其对起动的影响 一、感应电机中的高次谐波磁场 二、高次谐波磁场所产生的附加转矩及其对起动的影响 三、削弱附加转矩的方法2012年5月9日Wednesday第54页 前面分析的感应电动机中的电磁转矩是由气隙中的基波磁场与由它感应的转子电流相互作用而产生的。实际上，气隙中除了基波磁场外，还存在一系列高次谐波磁场，从而还产生着一系列附加的电磁转矩，简称附加转矩或谐波转矩。在某些场合下，这种附加转矩可能对电动机的起动产生严重影响，例如不能起动，或在低速下“爬行”而不能达到额定转速等。先分析高次谐波磁场的产生和性质，再介绍附加转矩及其对起动的影响。102012年5月9日Wedne
27、sday第55页一、感应电机中的高次谐波磁场 感应电机气隙中存在高次谐波磁场的原因有三：绕组磁动势在空间的分布不是正弦波，以及通过绕组中的电流不是时间的正弦函数，但一般较少出现后一种情况。定、转子表面有齿、槽存在，而不是平滑的。电机磁路系统的饱和程度不是均匀的，例如在磁场波幅附近的齿高度饱和，而在磁通密度很低处的齿则不饱和，致使各股磁通在铁心中所遇到的磁阻不一样。前面两个因素是主要的，第三个因素对电机运行的影响较小。因此下面只对前面两项作详细分析。2012年5月9日Wednesday第56页 关于三相，或一般说m相对称绕组磁动势的高次谐波，已分析过，绕组磁动势的每一谐波产生相应的旋转磁场。从前
28、所述可知，高次谐波磁动势的次数2mk1（式中k1，2，3，）。对整数槽绕组来说，在高次谐波磁动势中，次数为z2mqk1（式中q为整数，且k1，2，3，）的谐波的绕组系数kwz都与基波的绕组系数kwl相同，因此是高次谐波磁动势中较强的谐波，称为齿谐波磁动势。相应地，由齿谐波磁动势建立的谐波磁场也较强，往往是产生较强附加转矩的主要原因。显然，这种谐波磁场的极对数和转速应与产生它的齿谐波磁动势相同，即极对数zp（2mqk1）pkZp（其中Z为m相绕组所嵌的槽数），而转速为nzn1/zn1/k（Z/p）1（取“+”为顺转，取“”为反转）。2012年5月9日Wednesday第57页 对第二个原因，定、
29、转子表面有齿、槽存在，引起气隙不均匀，即气隙磁导不是常数，因此即使在基波磁动势作用下，也会产生高次谐波磁场。把这种由于定、转子存在齿槽所引起的高次谐波磁场称为齿磁导谐波磁场。当槽开口甚大时(如定子采用开口槽)，齿磁导谐波，磁场将是主要的谐波磁场。理论分析表明，由于定子槽开口(第二个原因)引起的谐波磁场的次数(概括了极对数和转速)，与由第一个原因(即定子绕组磁动势中的齿谐波磁动势)所产生的完全相同，两者的次数都是kZ1p土12km1q1土1，因此可将两者的效应叠加起来。将这两者合成的磁场称为齿谐波磁场。这样，所谓定子齿谐波磁场是指：由定子的齿谐波磁动势所产生的磁场，和由定子基波磁动势因槽开口而产
30、生的齿磁导谐波磁场，两者的合成磁场。同理，当转子表面存在齿槽时，则气隙中的磁场将含有由转子产生的次数为kZ2p土1的齿谐波磁场，其中Z2为转子槽数。2012年5月9日Wednesday第58页二、高次谐波磁场所产生的附加转矩及其对起动的影响 1异步附加转矩 和基波磁场的情况一样，定子建立的每个高次谐波磁场都与由它感应的转子电流互相作用而产生转矩，这种转矩称为异步附加转矩。在异步附加转矩中，一般以5次和7次谐波磁场影响较大，如果定于采用整距集中绕组，则一阶齿谐波也为5次和7次，这时5次和7次齿谐波磁场将特别显著，用一实例说明。2012年5月9日Wednesday第59页 由某一定子磁场所产生的作
31、用于转子的电磁转矩的方向，就是从转子上来观察时该磁场的旋转方向。根据这一原则，不难分析出图中各曲线的形状。把曲线T1、T5和T7叠加(代数和)，便得电动机的合成转矩曲线T，如图所示。2012年5月9日Wednesday第60页 从图可见，在n17附近，合成转矩曲线T发生明显的下陷，因此在起动过程中，电动机总电磁转矩曲线出现一个最小值，称为最小转矩Tmin。若电动机的总负载转矩(T2T0)小于起动转矩Tst，但大于最小转矩Tmin，则电动机起动后将在低速点。处“爬行”，而不会达到它应有的正常运行点A。从上分析可见，异步附加转矩的出现引起电动机的转矩特性曲线发生畸变，使电动机的起动性能变坏。112
32、012年5月9日Wednesday第61页2同步附加转矩 如果由定子某一个谐波磁场感应于转子中的电流所建立的某一谐波磁场的极对数，等于另一个定子谐波磁场的极对数，则在某一转子转速下，这两个极对数相等的定、转子磁场可以在空间上同步旋转而相对静止，因此它们互相作用而产生一个象同步电机一样的转矩，称为同步附加转矩。2012年5月9日Wednesday第62页 同步附加转矩叠加在电动机的异步转矩上，也使电机的转矩特性曲线发生畸变，影响电动机的起动性能。其中，由定子齿谐波磁场和转子齿谐波磁场所构成的同步转矩最显著，严重影响电动机的起动性能。2012年5月9日Wednesday第63页 齿谐波磁场的同步转
33、矩叠加在基波磁场的异步转矩上，使得电机的合成转矩从正值a急剧地改变到负值b，a点相当于定子齿谐波磁场的N极在转子齿谐波磁场的S极前面，两者互相作用而产生正值转矩时的情况；b点是当转子的S极滑移到定子N极前面时产生负值转矩的情况。在图中所示的转矩特性下，即使空载起动，电动机的转速也将停留在n17处而无法加速。如果同步附加转矩发生在n0(即s1)处，则往往造成“死点”，使电动机，根本起动不起来。由此可见，同步附加转矩对电动机起动影响的严重程度。2012年5月9日Wednesday第64页三、削弱附加转矩的方法 根据上面的分析可见，附加转矩可能对电动机的起动产生严重影响，甚至使电动机不能起动，所以应
34、当采取措施来消除或削弱感应电动机中的附加转矩。由于附加转矩是由高次谐波磁场，特别是齿谐波磁场产生的，因此要削弱附加转矩应从减小谐波磁场的大小或削弱其作用入手，通常采用下述四种方法。2012年5月9日Wednesday第65页1采用短距和整数槽的分布绕组 在前面已指出过，采用短距和较大q值的分布绕组可以削弱绕组的高次谐波磁动势，从而削弱其所建立的高次谐波磁场及其引起的附加转矩。但应注意不能用短距和分布绕组去削弱齿谐波，否则连基波也同样程度地被削弱。此外，分数槽绕组的谐波含量较多（除整数倍次数的谐波外，还有分数倍次数的谐波）而幅值往往较大，因此，在感应电动机中，应尽可能地不采用分数槽绕组。至于短距
35、，通常采用y15/6，来同时削弱5次和7次谐波。2012年5月9日Wednesday第66页2将转子或定子槽扭斜 消除或削弱齿谐波磁场引起的附加转矩的有效办法是将转子或定子槽扭斜。如果将转子槽扭斜一个定于槽距t1，则可同时大部分地消除Zp土1次的两个定子齿谐波磁场对转子产生的异步附加转矩，因为在此情况下，该两定子磁场感应于转子中的电动势和电流都被大大削弱了。如果转子槽扭斜的距离稍微减小，达到等于t1Z1(Z1p)，则可完全消除对起动影响最严重的定子Z1/p1次顺转齿谐波磁场的作用，因为这时该齿谐波磁场感应于转子中的电动势为零，如图所示。122012年5月9日Wednesday第67页2012年
36、5月9日Wednesday第68页3增大气隙 增大气隙也能有效地削弱高次谐波磁场，包括齿谐波磁场，随之削弱附加转矩。但增大气隙将使励磁电流增加，功率因数降低，因此一般不采用此法。2012年5月9日Wednesday第69页4合理选择定、转子槽数 适当选择定，转子槽数的配合，使定子的谐波次数与转子的谐波次数没有相等的机会，也即使得定子谐波的极对数不可能与转子的相等，则可消除同步附加转矩。例如，为避免定、转子的齿谐波磁场产生同步附加转矩，应使定子齿谐波的极对数Z1土p，与转子齿谐波的Z2土p不相等，即必须使Z1土p Z2土p。为此必须避免Z1Z2或Z1Z2土2p。2012年5月9日Wednesda
37、y第70页4.6 三相感应电动机的各种运行状态 一、电动运行 二、能耗制动 三、反接制动 四、倒拉反转制动运行 五、回馈制动运行2012年5月9日Wednesday第71页 从三相感应电动机机械特性分析中知道，三相感应电动机的固有机械特性与各种人为机械特性遍布于T-n坐标平面的4个象限。因此，交流电力拖动系统运行时，在拖动各种不同负载的条件下，若改变感应电动机电源电压的大小，相序及频率，或者改变绕线式感应电动机转子回路所串电阻等参数，三相感应电动机就会运行在4个象限的各种不同状态。三相感应电动机各种运行状态的定义是，若电磁转矩T与转速n的方向一致时，电动机运行于电动状态，若T与n的方向相反时，
38、电动机运行于制动状态。制动运行状态中，根据T与n的不同情况，又分成了回馈制动、反接制动、倒拉反转及能耗制动等。2012年5月9日Wednesday第72页一、电动运行 图示三相感应电动机机械特性，当电动机工作点在第象限时，例如A、B点，电动机为正向电动运行状态；当工作点在第象限时，例如C点，电动机为反向电动运行状态。132012年5月9日Wednesday第73页二、能耗制动 1能耗制动原理 制动停车过程中，系统原来储存的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。称为能耗制动过程。2012年5月9日Wednesday第74页 三相感应电动机能耗制动过程中电磁转矩T的产生，是
39、由于转子与定子磁动势之间有相对运动；相对运动速度的大小与方向不同，则转矩T的大小与方向也随之不同。至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。2012年5月9日Wednesday第75页 因此，分析能耗制动状态下运行的三相感应电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：需保持磁动势幅值不变，即；需保持磁动势与转子之间相对转速(即转差)不变，为0nn。FF2012年5月9日Wednesday第76页2定子等效电流 感应电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大
40、小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如图(a)所示的，当从出线端A进B出，如果电动机定子绕组为Y接，则A相绕组和B相绕组分别产生磁动势和，幅值相等，空间相差60空间电角度。如图(b)所示。与及合成磁动势的大小为AFBFF11114 124 132wABwN kFFIpN kFIp2012年5月9日Wednesday第77页 把等效为三相交流电流产生的，每相交流电流的有效大小为，则交流磁动势大小为F1I1114 132wN kFIp1111113 424 1322223wwFFN kN kIIppII2012年5月9日Wednesday第78页 结果说明，对于图示的定子Y接方式，产生的磁动势可
41、以用定子绕组通入大小为的三相交流电流产生的磁动势等效，二者磁动势幅值大小是一样的。I123II142012年5月9日Wednesday第79页 三相感应电动机能耗制动时，定子通入的具体方式可以有很多，而电动机定子绕组接线方式也有Y与之分，因此，对不同的情况，与 之间的换算关系也不一样，但只要按照的原则换算，各种情况下的换算关系都不难得到。例如图所示的电动机，定子接线如果为方式，其各相绕组电流及产生的磁动势的情况如图所示，则I1IIFF12/3II2012年5月9日Wednesday第80页3转差率与等值电路 磁通势与转子相对转速为(n)，的转速即同步转速为n1，能耗制动转差率用表示，则为 转子
42、绕组感应电动势的大小与频率则为FF1nn 2221EEff2012年5月9日Wednesday第81页 把转子绕组相数、匝数、绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边后，三相感应电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流，产生磁动势作用的结果，并非指电机运行时的量。有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。FF2012年5月9日Wednesday第82页4能耗制动的机械特性 根据等值电路画出电动机定子电流、励磁电流及转子电流之间的相量关系如图所示。它们之间大小的关系为 忽略铁损耗后，则有2221202 0222202 022cos(90)
43、2sinIIII IIII I21222220222222()sin()mmmmEEI zIrIxxxxxxrx 2012年5月9日Wednesday第83页 把前三式，整理后得到 能耗制动的机械特性表达式22212222()()mmI xIrxx 222222122111233()()mMmrrII xPTrxx2012年5月9日Wednesday第84页 得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为 能耗制动机械特性的实用公式为221122232()mmmmmI xTxxrxx2mmmTT152012年5月9日Wednesday第85页 根据式子画出三相感应电动机能耗制动时的机械特性如图所
44、示。显然，能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值的曲线，电磁转矩T0所对应的转差率0，但其相应的转速n0。图中曲线1与曲线2相比，m一样，但Tm不同，前者磁通势强、后者磁通势弱。电动机若为绕线式的，如曲线1与曲线3一样，但是，前者转子回路没串电阻，后者转子回路串入了电阻。从图机械特性看出，改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值R，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。2012年5月9日Wednesday第86页三、反接制动 处于正向电动运行的三相绕线式感应电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程
45、。如图(a)所示，接触器触点K1闭合为正向电动运行，K1断开K2闭合，则改变了电源相序。(b)图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串人较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从ABC，到C点后，可以准确停车。2012年5月9日Wednesday第87页2012年5月9日Wednesday第88页四、倒拉反转制动运行2012年5月9日Wednesday第89页五、回馈制动运行 正向回馈制动过程中有功功率传递关系的分析看出，这时的三相感应电动机实际上是一台发电机，它把系统减小的动能转变为电能送人交流电网。三相感应电动机也具有可逆性，与直流电机的情况相似。以上是第象限的正向回馈制动过
46、程分析。当三相感应电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序(ACB)时，电动机运行于第象限，如图1中的B点，电磁转矩T0，转速n0，称为反向回馈制动运行。起重机高速下放重物(指)时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的C点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。2012年5月9日Wednesday第90页 反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。运行在正向电动状态的三相感应电动
47、机，当拖动的负载是位能性恒转矩性质时，如果进行反接制动停车，当转速降到n0时若不采取停车措施，听其自然，那么电动机将会反向起动，并最后运行于反向回馈制动状态。如图中从ABCDE的过程，最后运行于E点。162012年5月9日Wednesday第91页4.7 感应电动机的调速 一、变极调速 二、变频调速 三、改变转差率来调速 四、双馈电机2012年5月9日Wednesday第92页 交流调速在工业应用中，大体上有三大领域：凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速；直流调速达不到，如大容量、高转速、高电压以及环境十分恶劣的场所，都能使用交流调速；原来不调速的风机、泵，采用交流调速后，可以大幅度节能。
48、2012年5月9日Wednesday第93页 感应电动机的转速 可从下列三个方面来调节感应电动机的转速：(1)改变定子绕组的极对数p；(2)改变电动机的转差率s；(3)改变电源频率f1。1160(1)(1)fnnssp2012年5月9日Wednesday第94页一、变极调速 在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。通常利用改变绕组接法，使一套定子绕组具备两种极对数而得到两个同步转速，称为单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四速电机。变极调速只能一级一级地调速，而不能平滑地调速。变极电动机的转子一般都是笼型，因为笼型转子的极对数能随
49、着定子极对数的改变而自动改变，使定、转子的极对数始终保持相等。如果是绕线型感应电动机，则当定子绕组改变极对数时，转子绕组也必须相应地改变其极对数，这就很不方便，因此极少采用。2012年5月9日Wednesday第95页 设定子每相有两组线圈(为简明起见，仅画出A相的两组)，每组线圈用一个集中线圈来表示。如果把定子绕组的两组线圈A1X1和A2X2串联，如图所示，则气隙中将形成四极磁场。若把绕组中的一半线圈(A2X2)反接，使该组线圈中的电流反向，则气隙中将形成两极磁场，如图所示。图a为两组线圈串联，b为两组线圈并联，无论是串联还是并联，第二组线圈A2X2中的电流均为反向。2012年5月9日Wed
50、nesday第96页172012年5月9日Wednesday第97页 欲使极对数改变一倍，只要改变定子绕组的接线，使每相绕组的两组线圈中有一组电流反向流通即可。双速电机的尺寸一般要比同容量的普通感应电机稍大，运行性能亦稍差，电机的出线端较多，并要装设换接开关。但是总的讲来，还是一种较经济的调速方法，故在不需要平滑调速的场合，常常采用这种方法。2012年5月9日Wednesday第98页二、变频调速 1从基频向下变频调速 2从基频向上变频调速 3变频器的基本构成 4电压型和电流型变频器 5PWM变频器2012年5月9日Wednesday第99页1从基频向下变频调速 三相感应电动机每相电压 如果降