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1、 东北电力大学东北电力大学第第12章章 三相异步电动机的三相异步电动机的起动、调速和制动起动、调速和制动 东北电力大学东北电力大学 起动电流要小，以尽量减少由起动电流引起动电流要小，以尽量减少由起动电流引起的电网上电压降，而直接影响接在同一电起的电网上电压降，而直接影响接在同一电网上的其他电气设备的正常运行；网上的其他电气设备的正常运行；起动转矩要大，大于负载转矩，确保能够起动转矩要大，大于负载转矩，确保能够起动，并使起动过程加快。起动，并使起动过程加快。12.1 12.1 三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动一、对起动性能的要求一、对起动性能的要求 东北电力大学东北电力大学二、鼠
2、笼式异步电动机起动二、鼠笼式异步电动机起动 1、直接起动、直接起动 直接起动是利用刀闸开关或交流接触器把电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，所以也称为全压起动。2.降压起动降压起动 所谓降压起动就是在起动时，降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，待电机转速趋向于稳定后，再将定子绕组上电压恢复到正常值。东北电力大学东北电力大学(1)定子回路串电抗器起动 东北电力大学东北电力大学(2)星角换接起动 对于正常运行时定子绕组接成角形的三相鼠笼型异步电动机，为了减小起动电流，可以采用星角换接起动，即起动时，定子绕组星接，起动后换成角接。东北电力大学东北电力大学(3)自耦变压器降压起动自耦变
3、压器降压起动 自耦变压器降压起动原理接线如图自耦变压器降压起动原理接线如图125所示，所示，其一次侧接电源，二次侧降低的电压接电动机定子其一次侧接电源，二次侧降低的电压接电动机定子绕组，起动前先将绕组，起动前先将K合向起动位置合向起动位置(此时电动机定子此时电动机定子绕组接在自耦变压器二次侧绕组接在自耦变压器二次侧)，待电动机转速接近额，待电动机转速接近额定转速时，迅速把定转速时，迅速把K切换到运行位置，此时自耦变压切换到运行位置，此时自耦变压器被切除器被切除(脱离电源脱离电源)，电动机直接与电网相连。，电动机直接与电网相连。东北电力大学东北电力大学图图125 自耦变压器起动线路自耦变压器起动
4、线路 图图126 自耦变压器降压起动时的一相电路自耦变压器降压起动时的一相电路 东北电力大学东北电力大学自耦变压器起动参数关系：自耦变压器起动参数关系：东北电力大学东北电力大学起动方法起动电压相对值(电动机相电压)起动电流相对值(供电变压器线电流)起动转矩相对值起动设备直接起动111最简单串电抗起动一般星角起动简单只用于接380V电机自耦变压器较复杂，有三种抽头可选表表121 三相鼠笼式异步电动机起动方法的比较三相鼠笼式异步电动机起动方法的比较 东北电力大学东北电力大学12.2 12.2 双鼠笼和深槽式三相异步电动机双鼠笼和深槽式三相异步电动机一、深槽式三相异步电动机一、深槽式三相异步电动机深
5、槽转子中漏磁通的分布和起动时电流密度分布深槽转子中漏磁通的分布和起动时电流密度分布 东北电力大学东北电力大学起动时，起动时，转转子子频频率最高，率最高，则则漏抗最大，与漏抗最大，与电电阻相阻相比，它起主要作用，比，它起主要作用，这时这时影响影响转转子子电电流分布的主流分布的主要因素是漏抗，因槽底部分漏抗要因素是漏抗，因槽底部分漏抗较较槽口部分大，槽口部分大，因此起因此起动时动时，转转子子导导体的体的电电流就被流就被“挤挤”到了槽口到了槽口部分部分(即即趋趋肤效肤效应应)，其，其电电流密度分布如流密度分布如图图12127(b)7(b)所示。其效果就相当于所示。其效果就相当于转转子子导导体的有效截
6、面减小，体的有效截面减小，电电阻增大，从而增加了起阻增大，从而增加了起动转动转矩又限制了起矩又限制了起动电动电流。流。正常运转时，转子频率很低，转子漏抗大为减小，正常运转时，转子频率很低，转子漏抗大为减小，甚至比转子电阻还小，此时转子电流的分布主要甚至比转子电阻还小，此时转子电流的分布主要取决于电阻，故转子导条电流近于均匀分布取决于电阻，故转子导条电流近于均匀分布(趋肤趋肤效应消失效应消失)，相当于使转子绕组电阻自动减小，改，相当于使转子绕组电阻自动减小，改善了运行性能。善了运行性能。东北电力大学东北电力大学二、双鼠笼三相异步电动机二、双鼠笼三相异步电动机图图129 双鼠笼转子绕组中漏磁通的分
7、布和铸铝转子双鼠笼转子绕组中漏磁通的分布和铸铝转子 东北电力大学东北电力大学起动时，转子频率较高，转子漏抗远较电阻大，此时影响转子绕组电流分布的主要因素是漏抗，因上笼漏抗小，故起动时转子电流主要集中于上笼(即趋肤效应)，因此，起动时上笼起主要作用。又由于上笼的结构特点是电阻大，功率因数高，故有较大起动转矩，因此，上笼亦称起动笼。正常运行时，转子频率很低，漏抗就很小，此时影响转子绕组电流分布的主要因素是电阻，因下笼电阻小，故大部分电流从下笼流过，此时漏抗又较小，功率因数就较高，故有较大转矩，因此运行时主要靠下笼，故下笼亦称运行笼。东北电力大学东北电力大学一、转子串电阻起动一、转子串电阻起动图图1
8、211 绕线式异步电动机转子串电阻分级起动绕线式异步电动机转子串电阻分级起动 (a)接线图；接线图；(b)机械特性机械特性12.3 12.3 三相绕线式异步电动机的起动三相绕线式异步电动机的起动 东北电力大学东北电力大学二、转子串频敏变阻器起动二、转子串频敏变阻器起动 图图1212 频敏变阻器频敏变阻器(a)结构示意图；结构示意图；(b)等效电路等效电路 东北电力大学东北电力大学12.4 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速异步电动机的调速有以下几种方式：异步电动机的调速有以下几种方式：改变转差率改变转差率s调速，称为变转差率调速；调速，称为变转差率调速；改变磁极对数改变磁极对数P调速，称
9、为变极调速；调速，称为变极调速；改变电动机供电电源频率调速，称为变频调速。改变电动机供电电源频率调速，称为变频调速。东北电力大学东北电力大学一、一、变极调速变极调速时一相绕组的连接时一相绕组的连接(a)连接图；连接图；(b)展开图展开图 东北电力大学东北电力大学(a)把每相绕组分成两组；把每相绕组分成两组；(b)两组线圈反向串联；两组线圈反向串联；(c)两组线圈反向并联两组线圈反向并联时一相绕组的连接时一相绕组的连接 东北电力大学东北电力大学二、变频调速二、变频调速 当转差率基本不变时，电动机转速与电源频率当转差率基本不变时，电动机转速与电源频率成正比，因此改变频率就可以改变电动机的转速，成正
10、比，因此改变频率就可以改变电动机的转速，这种方法称为变频调速。这种方法称为变频调速。把异步电动机额定频率称为基频，变频调速时，把异步电动机额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向下调节，也可以从基频向上调节。可以从基频向下调节，也可以从基频向上调节。东北电力大学东北电力大学1、从基频向下调节、从基频向下调节异步电动机正常运行时异步电动机正常运行时 从基频向下调节时，若电压不变，则主磁通从基频向下调节时，若电压不变，则主磁通将增大，使磁路过于饱和而导致励磁电流急剧增将增大，使磁路过于饱和而导致励磁电流急剧增加、功率因数降低，因此在降低频率调速的同时，加、功率因数降低，因此在降低频率调速的同时，
11、必须降低电源电压。必须降低电源电压。东北电力大学东北电力大学 根据机械负载的情况，在调速中可采用不同的根据机械负载的情况，在调速中可采用不同的降低电压方法。例如，在拖动恒转矩负载时，保持降低电压方法。例如，在拖动恒转矩负载时，保持主磁通主磁通 不变，以保证最大转矩基本不变，此时需按不变，以保证最大转矩基本不变，此时需按照照 保持不变的规律来调节电压，也就是所谓的调保持不变的规律来调节电压，也就是所谓的调频调压。在异步电动机拖动风机负载低速运行时，频调压。在异步电动机拖动风机负载低速运行时，为了减小电动机铁为了减小电动机铁 耗，可使主磁通低于其额定值，耗，可使主磁通低于其额定值，为此电压应比为此
12、电压应比 保持不变时的电压更低一些。保持不变时的电压更低一些。东北电力大学东北电力大学2 2、从基频向上调节、从基频向上调节 由于电源电压不能高于电动机的额定电压，因此由于电源电压不能高于电动机的额定电压，因此当频率从基频向上调节时，电动机端电压只能保持为当频率从基频向上调节时，电动机端电压只能保持为额定值。这样，频率越高，主磁通越低，最大转矩也额定值。这样，频率越高，主磁通越低，最大转矩也越小。因此，从基频向上调节不适合于拖动恒转矩负越小。因此，从基频向上调节不适合于拖动恒转矩负载。载。目前，变频调速通过使用变频器来实现。变频器目前，变频调速通过使用变频器来实现。变频器是一种采用电力电子器件
13、的固态频率变换装置，作为是一种采用电力电子器件的固态频率变换装置，作为异步电动机的交流电源，其输出电压的大小和频率都异步电动机的交流电源，其输出电压的大小和频率都可以连续调节，可使异步电动机转速在较宽范围内平可以连续调节，可使异步电动机转速在较宽范围内平滑调节。滑调节。东北电力大学东北电力大学三、改变转差率调速三、改变转差率调速1.1.改变电动机的端电压来调速改变电动机的端电压来调速 当电源电压频率一定时，改变电压，则电磁转当电源电压频率一定时，改变电压，则电磁转矩矩T随随 成正比变化，而临界转差率不变，由此成正比变化，而临界转差率不变，由此作出降低定子电压时的人为机械特性。作出降低定子电压时
14、的人为机械特性。东北电力大学东北电力大学图图1216 改变定子端电压调速改变定子端电压调速 东北电力大学东北电力大学2.绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 电动机转子回路串电阻后，其机械特性发电动机转子回路串电阻后，其机械特性发生变化，虽然最大转矩不变，但达到最大转矩时的生变化，虽然最大转矩不变，但达到最大转矩时的临界转差率变化。临界转差率变化。图图1217 转子回路中串电阻调速转子回路中串电阻调速带恒转矩负载时：带恒转矩负载时：东北电力大学东北电力大学3.串级调速串级调速 转子加入电阻来调速的主要缺点是损耗较大。为利用这部分电能，可在转子回路中接入一个转差频
15、率的功率变换装置，使这部分电能送回给电网，既达到调速目的、又获得较高的效率。东北电力大学东北电力大学1.改变电源相序的反接制动改变电源相序的反接制动(正转反接正转反接)异步电动机运行时，如果改变定子电流的相序，异步电动机运行时，如果改变定子电流的相序，使电机气隙磁场旋转方向反向，感应在转子中的感使电机气隙磁场旋转方向反向，感应在转子中的感应电动势和电流反向，由于转子惯性作用，转子转应电动势和电流反向，由于转子惯性作用，转子转向不变，所以由转子电流产生的电磁转矩方向与转向不变，所以由转子电流产生的电磁转矩方向与转子转向相反，电机处于反接制动状态，使转速迅速子转向相反，电机处于反接制动状态，使转速
16、迅速降低。降低。这种制动方法的优点是制动迅速，设备简单；这种制动方法的优点是制动迅速，设备简单；缺点是制动电流很大，需要采取限流措施，并且制缺点是制动电流很大，需要采取限流措施，并且制动时能耗大，振动和冲击力也较大。动时能耗大，振动和冲击力也较大。12.5 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动一、反接制动一、反接制动 东北电力大学东北电力大学2.转速反向的反接制动转速反向的反接制动(正接反转正接反转)这种制动是由外力使电动机转子的转向改变，而电这种制动是由外力使电动机转子的转向改变，而电源相序不变，这时电磁转矩方向不变，但与转子实际转源相序不变，这时电磁转矩方向不变，但与转子实际转向相反，
17、所以电磁转矩为制动转矩，使转子减速。这种向相反，所以电磁转矩为制动转矩，使转子减速。这种方式主要用于以绕线式异步电动机为动力的起重机械拖方式主要用于以绕线式异步电动机为动力的起重机械拖动系统。动系统。当起重机械提升重物时，电机运行在电动机状态，当起重机械提升重物时，电机运行在电动机状态，电磁转矩为拖动转矩，重物开始提升。如需下放重物，电磁转矩为拖动转矩，重物开始提升。如需下放重物，保持电源相序与提升重物时相同，但在转子回路中串入保持电源相序与提升重物时相同，但在转子回路中串入较大电阻，使电磁转矩小于负载转矩，于是重物拖动电较大电阻，使电磁转矩小于负载转矩，于是重物拖动电机转子反方向旋转，电机运
18、行在反接制动状态。机转子反方向旋转，电机运行在反接制动状态。东北电力大学东北电力大学二、能耗制动二、能耗制动12.5 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动能耗制动是指在异步电动能耗制动是指在异步电动机运行时，将定子绕组从机运行时，将定子绕组从电网断开，接到一个直流电网断开，接到一个直流电源上，由直流励磁在气电源上，由直流励磁在气隙中建立一个静止的磁场，隙中建立一个静止的磁场，于是对旋转的转子来说，于是对旋转的转子来说，相当于磁场反向旋转。因相当于磁场反向旋转。因此，它感应的转子电流生此，它感应的转子电流生成对转子起到制动作用的成对转子起到制动作用的电磁转矩。电磁转矩。东北电力大学东北电力大学三、回馈制动三、回馈制动 异步电动机运行时，若使转速超过同步转异步电动机运行时，若使转速超过同步转速，则电磁转矩和转速方向相反，成为制动转速，则电磁转矩和转速方向相反，成为制动转矩，电机转速减慢，此时异步电动机由电动状矩，电机转速减慢，此时异步电动机由电动状态变为发电状态运行。电机的有功电流方向也态变为发电状态运行。电机的有功电流方向也反向，电磁功率为负，电机将电能回馈到电网，反向，电磁功率为负，电机将电能回馈到电网，所以回馈制动也称为再生制动。所以回馈制动也称为再生制动。