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1、第六章三相交流异步电动机第六章 三相交流异步电动机三相的意思是有三相绕组，通入三相对称电流，每个绕组是一相。三相异步电动机结构简单，运行可靠，制造方便，有较高的运行效率和较好的工作特性，所以非常通用，这里就以三相异步电动机为例介绍交流电机。6.1 结构三相异步电动机种类很多，但基本结构相同，都是由定子和转子这两大基本部分组成的，在定子和转子之间具有一定气隙。此外，还有一些附件。6.1.1 定子部分定子是用来产生旋转磁场的，三相异步电动机的定子一般由外壳、定子铁心和定子绕组组成。（）定子铁心异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由薄硅钢片叠压而成的。每片之间绝缘，减少了由于交变磁通通过引起的铁
2、心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子线圈。（）定子绕组定子绕组是三相电动机的电路部分，给三相钉子绕组通入对称三相电流时就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组又由若干线圈连接而成。线圈由绝缘铜/铝导线绕制而成。每个绕组即为一相，各绕组在空间相差120电角度。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端是，末端是，这六个出线端在接线盒里的排列方式如图，可以接成星形或三角形。6.1.2 转子部分（）转子铁心是由硅钢片叠压而成的，套在转轴上，作为电动机磁路的一部分，同时用来安放转子绕组。（）转子绕组分为绕线型和鼠笼型两种，异步电动机由此分为绕组转子异步电动机与鼠笼异
3、步电动机两种。绕线型绕组与定子绕组一样也是个三相绕组，一般接成星形。三相引出线分别接到转轴上的三个集电环（滑环）上，集电环与转轴是绝缘的。通过电刷与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能。鼠笼型绕组在转子铁心每个槽中插入一根铜条，铜条两端的铜环（端环）把导条连接起来，称为铜排转子。或者是把转子导条和端环、风扇叶片等用铝液一次浇铸成型，称为铸铝转子。笼形绕组因结构简单、制造方便、运行可靠，所以得到广泛应用。6.1.3 其它部分外壳：一般由铸铁或铸钢浇铸成型，保护和固定定子绕组和转子，包括机座、轴承盖、端盖、接线盒、吊环等部件；机座：保护和固定定子绕组；轴承：支撑
4、转子轴；轴承盖：固定转子，使转子不能轴向移动，存放润滑油，保护轴承；端盖：防护作用，支撑转子，把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀旋转；接线盒：保护和固定绕组的引出线端子；吊环：起吊、搬抬电动机；风扇：通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为1mm左右，气隙太大时，电动机运行的功率因数降低；气隙太小，装配困难，高次谐波磁场增强，附加损耗增大，启动性能差。6.1.4 铭牌数据l 额定功率：满负载运行时三相电动机轴上输出的机械功率，单位W或者kW。l 额定电压：接到电动机绕组上的线电压。三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的5%。电压过高，电
5、动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。l 额定电流：三相电动机在额定电源电压下输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，单位A。如果超过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。三相异步电动机额定功率和其它额定数据之间有如下关系式：为额定功率因数；为额定效率l 额定频率：电动机所接交流电源每秒钟内周期变化的次数，我国规定标准电源频率为50Hzl 额定转速：三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，一般略小于对应的同步转速。l 绝缘等级：三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。l 定额：三相电动机的运转状态，即允
6、许连续使用的时间，分为连续、短时、周期断续三种。l 接法：星形还是三角形。三相电动机定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏电动机。l 防护等级：三相电动机外壳的防护等级，IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电动机防固体和防水的能力。数字越大，防护能力越强。6.2 工作原理和转动原理6.2.1 工作原理三相异步电动机转子之所以会旋转，实现电能向机械能转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。AX、BY、CZ是三相定子绕组，在空间彼此相隔120，接成星形。为了保证绕组通电以后，形成对称的磁势和电势，它们在空间的分布必须对称。所以顺时针方向的排列顺序是AZBXCY。三
7、相绕组的首端A、B、C接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组，设电源的相序为A、B、C，并将的初始相位角设在90。则有为了分析方便，假设电流在绕组中从首端流向末端时，电流为正；从末端流向首端时为负。当时，为正，为负，根据“右手螺旋定则”，三相电流产生的磁场叠加的结果便形成一个合成磁场，如图（）所示。此时的合成磁场是一对磁极，上边是极下边是极。当时，为正，为负，合成磁场如图（）所示，它的方位与时相比，顺时针转过了120。当时，为正，为负，合成磁场转过240。当时，合成磁场转过一圈。由此可见，对称三相电流分别通入对称三相绕组AX、BY、CZ中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场（方
8、向由电流初相角决定）。如何改变旋转磁场的方向呢？最简单的方法：使其中某两相电源对调即可。这是电动机产生一对磁极时的情况。当定子绕组连接形成两对磁极时，同样分析可知，电流变化一个周期，磁场只转动半圈，即旋转磁场的转速减慢了一半。由此类推，当旋转磁场有对磁极时，交流电每变化一个周期，旋转磁场就在空间转动转。因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速、定子电流频率以及磁极对数之间的关系是，又称为同步转速。6.2.2 转动原理三相交流电流通入定子绕组后，便形成一个旋转磁场，转速为。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。现在旋转磁
9、场按逆时针方向旋转，极在上，极在下，根据右手定则（磁力线穿过手心，大拇指是导体旋转方向），转子导体中感应出的电动势和电流方向为上半部由外向里，下半部由里向外。流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力的作用，力的方向由左手定则决定。电磁力作用在转子导体上对转轴形成电磁转矩，转子按照旋转磁场方向旋转起来。转子转速为，它始终不会加速到旋转磁场的转速，只有这样，转子和旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组中才能产生感应电动势和电流，这是异步电动机工作的必要条件。旋转磁场的转速和转子的转速的差值与同步转速的比值称为转差率。转差率是异步电动机的基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态和机械特性有
10、重要意义。转子尚未转动时，；若，则。可知，异步电动机处于电动状态时，额定运行时，。可见，额定运行时，n和接近。6.3 空载运行6.3.1 电磁关系当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过对称三相交流电流，三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速旋转的磁动势。由旋转磁动势建立气隙主磁场。这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组中感应出对称的定子电动势；转子电动势和转子电流。空载时轴上没有任何机械负载，异步电动机产生的电磁转矩仅用来克服摩擦力、风力产生的阻转矩，所以是很小的。电机所受阻转矩很小，其转速接近同步转速，转子与旋转磁场的相对转速就接近于。这样就
11、可近似认为旋转磁场不切割转子绕组，则，则。可见，异步电动机空载运行时，空载磁动势即为定子上的磁势；建立气隙磁场的励磁磁动势就是，即，产生的磁通为。励磁磁动势产生的磁通绝大部分同时与定、转子交链，这部分称为主磁通，主磁通参与能量转换，在电动机中产生有用的电磁转矩。的磁路由定、转子铁心和气隙组成，是非线性磁路。另外有一小部分磁通仅与定子绕组交链，称为定子漏磁通。不参与能量转换，主要通过空气闭合，可近似认为是线性磁路。6.3.2 定子电压平衡关系设空载时，定子每相端电压，相电流；主磁通在定子中感应的每相电动势为；漏磁通在定子中感应出的每相电动势；定子每相电阻。则电动机空载时每相定子电压平衡方程式为（
12、感应电动势方向总是阻碍电流、磁通变化的）。磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则；感应电动势正方向与磁通正方向符合右手螺旋定则，感应电动势实际方向由楞次定律确定，总是阻碍电流以及磁通的变化。如何求取呢？设为定子中感应电动势的瞬时值，为定子每相绕组匝数，为定子绕组系数，则依据电磁感应定律，有（一个导体为）。由于加在定子上的电流是按正弦规律变化的，磁通也按正弦规律变化，有，其中为主磁通幅值，为交流电流的角频率。则有，令为定子绕组感应电动势幅值，则为定子绕组感应电动势的有效值，则有在相位上比滞后90，用相量表示即为另外，可令，其中为励磁电阻，反映铁耗的等效电阻；为励磁电抗，对应于主磁通；为励磁阻抗。
13、是由感应出的定子每相电动势，用来建立励磁磁动势。代表主磁通，代表损耗，反映了磁路的非线性特性，因为交变磁通作用于铁心时，一方面产生涡流，一方面使铁心磁化，都会使铁心发热，产生一部分能量损耗。这部分能量损耗称为铁损耗，用反映。同理，可求得，其中为定子漏磁抗，与漏磁通相对应（无电阻项，因为是线性磁路，无需铁耗等效）。则有，令为定子每相漏阻抗，因为，可近似认为或。显然，对于电动机，当频率恒定时，。可见，在异步电动机中，若外加电压一定，主磁通大体上也为一恒定值。6.4 负载运行当三相异步电动机负载运行时，由于轴上机械负载转矩增加，原空载时的电磁转矩无法平衡负载转矩，电动机开始减速。此时，磁场与转子之间
14、相对运动速度加大，转子感应电动势增大，转子电流和电磁转矩增加。当电磁转矩增加到和负载转矩相平衡时，电动机就以低于空载时的转速稳定运行。6.4.1 电磁关系负载运行时，电动机将以低于同步转速的速度旋转，其转向与气隙旋转磁场的转向相同。因此，气隙磁场与转子的相对转速为，也就是气隙磁场切割转子绕组的速度。于是，转子绕组中感应出电动势，产生电流，频率为转子电流还产生转子磁动势，总的气隙磁动势是与定子磁动势的合成。转子磁动势相对于转子的旋转速度为转子的磁极对数与定子的磁极对数始终是相同的，则若定子旋转磁场为顺时针方向，而转子的转速小于同步转速，所以感应出来的转子电动势或电流的相序也必然按顺时针方向排列。
15、而合成磁动势的转向决定于绕组中电流的相序，所以转子磁动势的转向与定子磁动势的转向相同，也为顺时针方向，则转子磁动势在空间中相对于定子的旋转速度为，即等于定子磁动势在空间的旋转速度。即无论异步电动机转速如何变化，定、转子磁动势相对静止。6.4.2 转子绕组各电磁量的特点可见，当负载转矩变化时，转子转速和转差率都会随之变化，而的变化会引起电动机内部许多物理量的变化。（）转子绕组感应电动势及电流频率：，和成正比转子静止时，s=1，；转子转动时，随着s的减小而减小（）转子旋转时转子绕组的感应电动势其中为转子每相绕组匝数，为转子绕组系数，是转子旋转时感应电动势，为转子静止时（n=0，s=1）的感应电动势
16、，又称为堵转电动势。可见，转子电动势大小也与转差率成正比。当转子不动时，转子电动势达到最大（即转子静止时的电动势）；当转子转动时，随着的减小而减小。（）转子电抗：其中，是转子绕组每相漏电感，则为转子静止时每相漏电抗，。可见，转子电抗的大小与转差率成正比。转子不动时，转子电抗达到最大（即转子静止时的电抗）；当转子转动时，随着的减小而减小。（）转子电流由于转子电动势和转子漏电抗都随改变，故转子电流也和有关，其中为转子每相绕组的电阻，则有上式说明转子电流随的增大而增大，当电动机启动瞬间，为最大，转子电流也为最大（启动时电流最大）；当转子旋转时，减小，转子电流也随之减小。（）转子电路的功率因数由于转子
17、每相绕组都有电阻和电抗，是一个感性电路。所以转子电流滞后于转子电动势角度，功率因数为，说明转子功率因数随增大而减小。6.4.3 磁动势平衡方程式当异步电动机空载运行时，主磁通是由定子绕组的空载磁动势产生的。异步电动机负载运行时，气隙中的合成磁场的主磁通是由定子磁动势和转子磁动势共同产生的。由电磁关系可知，定转子磁动势在空间相对静止，可以合并为一个合成磁动势，即称为励磁磁动势，它产生气隙中的旋转磁场；上式称为异步电动机的磁动势平衡方程式。上式也可写为，即认为定子电流建立起来的磁动势有两个分量：一个是励磁分量用来产生主磁通；另一个是负载分量用来抵消转子磁动势的去磁作用，保证主磁通不变。异步电动机磁
18、动势的平衡关系，使得电路上无直接联系的定、转子电流有了关联。6.4.4 电压平衡方程式定子电路每相绕组电动势平衡方程式不变。转子电路自身闭合，对外输出电压是，则有转子电路每相绕组电动势平衡方程式为令，为转子绕组在转差率为时的漏阻抗。6.5 等效电路异步电动机定、转子之间只有磁路上的联系，没有电路上的联系，不便于实际计算，所以要进行等效电路的分析。为了能将转子电路与定子电路作直接的电的连接，等效要在不改变定子绕组的物理量（定子电动势、电流、功率因数等）而且转子对定子的影响不变的原则下进行。即，将转子电路折算到定子侧时要保持折算前后（转子磁动势）不变，以保证磁动势平衡不变，且折算前后各功率不变。为
19、了找到异步电动机的等效电路，除了进行转子绕组折算外，还要进行转子频率折算。6.5.1 频率折算频率折算：将频率为的旋转转子电路折算为与定子频率相同的等效静止转子电路。转子静止不动时，因此只要将实际上转动的转子电路折算为静止不动的等效转子电路，便达到频率折算的目的。实际运行的转子电流（）分子分母同时除以转差率，可得到（）上两式电流数值仍然相等，但两式的物理意义不同了。（） 式中实际转子电流频率为，是转子转动时的实际情况（） 式中为等效静止时转子所具有的电流，其频率为，是转子静止不动时的等效情况由于频率折算前后转子电流数值未变，所以磁动势大小不变。同时，的转速为同步转速，与转子转速无关，所以（）式
20、频率折算能够保持电磁效应不变。频率折算前后转子的电磁效应不变，即转子电流的大小、相位不变，除了改变与频率有关的参数之外，只要用等效转子的电阻代替实际转子电阻即可。可分解为，后者为异步电动机的等效负载电阻，它消耗的电功率为，这部分损耗在实际电路中并不存在，它实质上表征了异步电动机输出的机械功率。6.5.2 绕组折算进行频率折算后，将旋转的异步电动机转子电路化为等效静止电路，但是还不能把定、转子电路连接起来，因为两个电路的电动势还不相等。方法：人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为，每相串联匝数为，绕组系数为且经过频率折算的转子绕组。但仍要保证折算前后转子对定子的
21、电磁效应不变，即转子的磁动势、转子总的视在功率、铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变。（）电流折算由保持转子磁动势不变的原则，即，折算后的转子电流有效值为，其中称为电流比。（）电动势折算由于定、转子磁动势在绕组折算前后都不变，故气隙中主磁通也不变，绕组折算前后转子电动势分别为。则，其中称为电压比。（）阻抗折算由折算前后，转子铜耗不变原则，有，则同理，由绕组折算前后转子电路的无功功率不变原则，有。6.5.3 型等效电路由型等效电路可得异步电动机负载时的基本方程式为空载运行时，此时相当于转子开路。转子堵转时（接上电源，转子被堵住不动），转子侧近似短路。因此在异步电动机启动初始接上电源时，就相当于短路状
22、态，会使电动机电流很大，应多加注意。6.6 功率和电磁转矩6.6.1 功率平衡方程式异步电动机的功率关系可用型等效电路图来分析。异步电动机通电运行时，型等效电路中每个电阻上都会产生一定损耗。如：定子电阻产生的定子铜损耗励磁电阻产生的定子铁损耗转子电阻产生的转子铜损耗电流输入电功率去掉定子铜损耗和铁损耗之后，便是定子传递给转子回路的电磁功率，即电磁功率又等于等效电路转子回路全部电阻的损耗，即电磁功率去掉转子电阻上的损耗，就是等效负载电阻上的损耗，这部分等效损耗实际上是传递给电动机轴上的机械功率是转子绕组中的电流与气隙旋转磁场共同作用下产生的电磁转矩，带动转子以转速旋转所对应的功率。电动机运行时，
23、还存在着由于轴承摩擦产生的机械损耗和附加损耗。大型电机中，小型电机中转子的机械功率减去机械损耗和附加损耗才是转轴上实际输出的功率，用表示：可见，异步电动机运行时，从电源输入电功率到转轴输出机械功率的全过程为异步电动机运行时，电磁功率、转子损耗和机械功率三者之间定量关系是：这表明，当一定时，越小，转子铜损耗越小，越大，效率越高。电机运行时，若增大，转子铜耗也增大，电机易发热，效率降低。6.6.2 转矩平衡方程式除以轴的角速度就是电磁转矩，即，其中是同步角速度。令，则由可得到，两边同时除以角速度，可得到，称为空载转矩，称为输出转矩。忽略，则有，为负载转矩，同理，。例：有一台Y形连接的四极绕线式转子
24、异步电动机，额定负载时的转子铜耗，机械损耗，杂散损耗，试求额定负载时：（1）电磁功率、电磁转矩各为多少？（2）转速、转差率各为多少？（3）负载转矩、空载转矩各为多少？解：（1）电磁功率 额定转速 电磁转矩（2）由可得转速 转差率（3）负载转矩 空载转矩6.7 工作特性异步电动机的工作特性是指定子电压、频率为额定值时，电动机转速、定子电流、功率因数、电磁转矩和效率等与输出功率之间的关系曲线。这些关系曲线可以直接通过给异步电动机带上负载后测量得到，也可利用等效电路参数计算得到。它们衡量了电动机性能的优劣。转速特性空载时，转子的转速接近于同步转速，随着负载增加，转速要略微降低，这时转子电动势增大，从
25、而使转子电流增大，以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着增加，转子转速下降，转差率增大。转矩特性空载时，电磁转矩等于空载制动转矩。随着增加，因为，所以若基本不变，则是过原点的直线。考虑到增加时，稍有下降，故随着增加略向上偏离直线，在式中，值很小，而且可被认为是与无关的常数，所以将比平行上移数值。定子电流特性电动机空载时，转子电流近似为，定子电流等于励磁电流。随着负载的增加，转速下降，增大，转子电流增大，定子电流也增大。当时，由于的降低，增长得更快些。功率因数三相异步电动机运行时必须从电网中吸取感性无功功率，它的功率因数总是滞后的，永远小于。电动机空载时，定子电流基本上只有励磁电流，功率
26、因数很低，一般不超过0.2。当负载增加时，定子电流中有功电流增加，使功率因数提高。接近额定负载时，功率因数也达到最高。超过额定负载时，由于转速降低较多，转差率增大，使转子电流与电动势之间的相位角增大，转子功率因数下降较多，引起定子电流中无功电流分量也增大，因而电动机功率因数趋于下降。效率特性根据，电动机空载时，随着的增加，效率也增加。在正常运行范围内，因为主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来称为不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，随负载变化，称为可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机效率达到最大。时，效率最高，如果负载继续增大，效率反而降低。由此可见，效率曲
27、线与功率曲线都是在额定负载附近达到最高，因此选用电动机容量时，应注意使其与负载匹配。如果选得过小，电动机长期过载运行影响寿命；如果选得过大，则功率因数和效率都很低，浪费能源。6.8 机械特性电动机作为将电能转换成机械能从而带动其它机械工作的设备，最令人关心的是其机械特性。指在一定条件下，电动机的转速与转矩之间的关系。由于与转差率之间存在一定关系，机械特性往往也用表达。由等效电路中看，电磁功率则电磁转矩其中上式就是三相异步电动机的机械特性方程，它清楚表达了、与电动机各参数之间的关系。下面我们就从这个公式出发，分析电动机的固有机械特性和人为机械特性。6.8.1 固有机械特性指电动机工作在额定电压和
28、额定频率下，按规定方法接线，定、转子外接电阻为时，（或）与的关系。对于某一台确定的电动机而言，由机械特性方程可见，此时只有与是变量，其余均是确定值。因为机械特性是一个二次方程，故存在最大值。以为横轴，（或）为纵轴，可得到异步电动机固有机械特性曲线。整个机械特性可分为两部分：（）部分，即范围内。在这一部分，随着电磁转矩的增加，转速降低。这一部分是稳定运行工作部分，电动机应工作于这一范围内。此时，机械特性曲线近似为一条直线。（）部分，即范围内。这部分随着转矩减小，转速也减小。此区域称为不稳定运行区域，电动机一般不能稳定运行在这个范围内。有时也称这一部分为非工作部分。为进一步描述三相异步电动机的机械
29、特性的特点，下面着重分析几个反映电动机工作的特殊点。（）理想空载点此时，因转子电流，定子电流，所以电磁转矩。（）最大转矩点最大转矩点对应的转差率称为临界转差率，求，可得到则可求得最大电磁转矩由此进一步可知：临界转差率与电源电压无关，只与电动机自身参数有关，而且和转子电阻成正比，所以改变转子电阻的大小（如在绕线型异步电动机转子电路中串接变阻器）即可改变临界转差率。最大电磁转矩与转子电阻无关。因此电动机转子电阻的大小不会影响电动机最大转矩，只会影响产生最大转矩时的转差率。最大电磁转矩的大小与电源电压的平方成正比，而临界转差率却与电源电压无关。最大电磁转矩与额定电磁转矩的比称为过载能力，即。是异步电
30、动机的一个重要参数，设计时给定，在电机技术参数数据中可查，反映电动机承受负载波动的能力，。特殊用途的电动机（如起重机、冶金机械等），。（）启动点电动机工作在启动点时，称为电动机的启动转矩或堵转转矩。电动机的启动转矩必须大于电动机所带的负载的转矩，电动机才能启动，因此的大小是衡量电动机启动性能好坏的技术指标。可知，启动转矩的大小与电源电压平方成正比，同时也受到转子电阻大小的影响。为了衡量电动机的启动性能，用与之比来表示。即有启动转矩倍数，反映电动机的启动能力，。（）额定点电动机工作在额定点时，额定工作点是希望的工作点。可计算得到：，和是电动机铭牌上标明的额定功率和额定转速6.8.2 人为机械特性
31、指人为地改变电动机的某些参数或电源电压的大小而得到的机械特性。人为机械特性的目的是为了获得所需要的拖动性能。由上面内容可知，改变电动机转子绕组中电阻的大小或改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面着重讨论这两种常用的人为机械特性。6.8.2.1 降低电源电压时的人为机械特性降低电源电压时，电动机转矩（和）将按电压的平方降低，但临界转差率不变。由其机械特性曲线可见，降压后的机械特性会变软，启动能力和过载能力都会下降。若此时负载转矩大于电磁转矩，电动机将停止运转；若此时负载转矩小于电磁转矩，电动机可继续运转，但转速下降，增大，转子电动势增大，导致转子电流和定子电流增大，使电动机过载。这样长
32、期过载会使电动机的温升超过允许值，影响电动机的使用寿命，甚至烧毁绕组。6.8.2.2 转子电路串对称电阻的人为机械特性转子绕组中串入电阻后，启动转矩将发生变化，也会发生变化，而最大转矩不变。可见，在一定范围内增加转子电阻，可增加电动机启动转矩，所以起重机上大多采用绕线式异步电动机。但若串接某一数值的电阻使得后，再继续增大转子电阻，启动转矩将开始减小。6.8.2.3 实用表达式以上关于电动机的机械特性性能都是通过特性方程式分析得到的。但方程式比较复杂，而且一般情况下，电动机的某些参数在产品目录或铭牌上是查不到的，给定量运算带来不便。通过对方程式的分析，可以得到一些实用表达式如下：6.9 启动和制
33、动指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止的这一段过程。电动机在启动时启动转矩并不大，但转子绕组中的电流很大，通常可以达到额定电流的47倍，从而使得定子绕组中的电流相应增大为额定电流的47倍。这么大的启动电流将使电压损失过大（电压降），启动转矩不够使用，电动机根本无法启动。还会使电动机绕组发热，缩短电动机的使用寿命。因此电动机启动时，在保证一定大小的启动转矩的前提下，还要求限制启动电流在允许范围内。6.9.1 鼠笼型异步电动机的启动两种方式：直接启动和降压启动。直接启动是将额定电压直接加在电动机定子绕组端；降压启动是在电动机启动时降低定子绕组上的外加电压，从而降低启动电流，启动
34、结束后，将外加电压升高为额定电压，进入额定运行。两种方法各有优点，应视具体情况而定。6.9.1.1 直接启动从电动机容量的角度讲，通常认为满足下列条件之一的即可直接启动，否则应降压启动。容量在10kW以下符合下列公式优点是设备少，启动方式简单，成本低，是小型鼠笼型异步电动机主要采用的启动方法6.9.1.2 降压启动指在启动过程中降低定子绕组端的外加电压，启动结束之后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。这种方法虽然可以降低启动电流，但启动转矩也减小了，故多用于空载或轻载启动。定子串电阻或电抗器降压启动启动时，在电动机定子电路串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端电压降低，减少了电动机上的启动
35、电流。工作情况：开始启动时，主触点闭合主触点断开，电动机经电阻接入电源，电动机在低压状态下开始启动。当电动机的转速接近额定值时，使断开接通，切除电阻，电源电压直接加在电动机上，启动过程结束。这种启动方法不受电动机定子绕组接法形式的限制，但由于启动电阻的存在，将使设备体积增大，电能损耗大，目前已较少采用。定子串自耦变压器降压启动这种方法是利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电机定子绕组端达到减小启动电流的目的。设自耦变压器一次侧电压为（即电源电压），电流为，二次侧电压为，电流为，变压比为，则。启动时，经自耦变压器后加在三相笼型异步电动机定子绕组端的线电压为，此时电动机定子绕组上的启动电压为全压启
36、动时的，即。：电动机全压启动时的电流；：电动机电压为时电网上流过的电流，即自耦变压器一次侧电流；：电动机电压为时的启动电流，即自耦变压器二次侧电流。则电动机从电网吸取的电流为。也就是说，如果变压比为k，则电源电压降低了倍，启动电流降低了倍。控制原理：合上闸刀开关后，自耦变压器作星形连接，电动机定子绕组经自耦变压器实现减压启动。当电动机转速接近额定转速时，令自耦变压器从电路中断开，直接将全电压加在电动机上，启动过程结束，进入全压运行状态。自耦变压器降压启动的启动性能好，是目前常用的一种降压启动方法。6.9.2 绕线型异步电动机的启动三相绕线型异步电动机转子中有三相电阻，可以通过滑环和电刷串接外加
37、电阻。前面分析转子串电阻的人为机械特性时已知适当增加转子串接电阻，可以减小启动电流并提高电动机的启动转矩，绕线型异步电动机正是利用了这一特性。由于电阻是常数，为了获取较平滑的启动过程，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除。工作情况：合上刀开关后，交流接触器、和的主触点全部断开，全部电阻接入电路，对应工作的机械特性曲线为图中曲线，从点开始启动，转速逐渐升高；当转速升高到点时，令闭合，被短接，和仍串入电路，由于电阻减小，而转速不能突变，特性曲线瞬间过渡到曲线上的点并沿曲线继续加速；当加速到点时，令闭合，被短接，仍串入电路，由于电阻减小而转速不能突变，特性曲线瞬间过渡到曲线上的点并沿曲线继续加速
38、。当加速到点时，令闭合，被短接，由于电阻减小而转速不能突变，特性曲线瞬间过渡到固有机械特性曲线上的点并沿固有机械特性曲线继续加速，直到稳定运行，启动过程结束。6.9.3 异步电动机的电气制动三相异步电动机有能耗制动、反接制动和回馈制动种方式。反接制动又有电源两相反接的反接制动和倒拉反接制动两种形式。与直流电动机各电气制动过程类似。6.10 交流调速的基本方法交流调速的基本类型有多种，但它们都是来源于交流电机的转速公式：因而，异步电动机调速方法可以分为变频调速、变极调速和变转差率调速三种，其中变转差率的方法又可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压等方法来实现。归纳异步电动机基本调速方法如下：6.
39、10.1 变极对数调速变极调速是在定子频率一定时，改变定子的极对数来改变同步转速，从而达到调速的目的。这种方法需要在电动机运行时，改变定子绕组的接线方式。也可以在定子上绕上独立的两套或三套不同极对数的绕组，形成双速电机或三速电机，这样会使电机的成本、体积和重量增加较多。另外，极对数必需是整数（1对磁极时，同步转速为3000r/min；2对磁极时，同步转速为1500r/min；3对磁极时，同步转速为1000r/min），因此变极调速只能是有级调速。变极调速只能用于鼠笼型异步电动机，这是因为绕线式转子的变极非常麻烦，而鼠笼式转子能自动跟踪定子绕组的变极。尽管这种调速方法有这些缺点，但它的优点也是很
40、明显的：设备简单，操作方便，机械特性较硬，效率高，即适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速。6.10.2 变转差率调速6.10.2.1 转子串电阻调速转子串电阻调速时的机械特性具有如下特点：（） 转子串电阻时，同步转速不变，最大转矩也不变；（） 转子串接电阻越大，机械特性越软；（） 调速时定子电压不变，所以电动机主磁通不变；（） 当保持转子电流额定值时，调速前后转矩不变，属于恒转矩调速。显然，这是靠增加转差功率来降低转速的。由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机效率很低。同时，这种调速方法只能是有极的和有触点的。由于机械特性很软，低速时负载稍有变化，转速波动就很大，调速精度差。
41、6.10.2.2 定子调压调速当负载转矩一定时，如果改变电动机定子电压，可以使得电动机在不同的转差率下运行，从而达到转速调节的目的。因此，这也是一种改变转差率的调速方法，低速时转差功率损耗大，效率低。调压调速主要特点是：（） 改变定子电压时，同步转速不变，最大转矩对应的转差率不变；（） 电动机转矩与定子电压的平方成正比；（） 定子电压越低，机械特性越软；（） 调压调速即不是恒功率调速，也不是恒转矩调速；（） 可以实现平滑的无级调速。调压调速方法更适于风机水泵类负载。为了改善调压调速特性，使用时常采用闭环控制，即加入转速闭环，这样可提高机械特性的硬度，同时在静差一定的情况下，可提高调速范围和过载
42、能力。6.10.2.3 电磁转差离合器调速从调速系统原理上看，电磁转差离合器调速和变压调速很相似，都是属于转差功率消耗型的，只是转差功率并非消耗在电动机内部，而是消耗在与电动机同轴的电磁转差离合器中。电磁转差离合器调速系统，由作为原动机的鼠笼型异步电动机、由作为调速装置的电磁转差离合器及其控制装置组合而成，为改善其运行特性，常常加上测速反馈形成闭环控制系统。这种调速系统的优点是装置简单、运行可靠；缺点是低速带载运行时，离合器发热比较严重，损耗较大，效率较低，容量大时需要水冷。6.10.2.4 串极调速前面介绍的改变转差率的调速方法（调压调速、串电阻调速等），都是以转差功率损耗为代价的，效率较低
43、，浪费大。如何将消耗于转子电阻的功率利用起来，同时又能提高调速性能，这就是串极调速方法的指导思想。对于绕线式异步电动机，在其转子上不是串入电阻，而是串入与转子电动势同频率的附加电动势，并通过改变的复制和相位来实现调速，同时通过产生的电路将转差功率返回到电源去。因此即使电动机运行在低速，也只有少量功率消耗在转子电阻上，仍具有较高的效率。串极调速要求有一个与转子电动势同频率的附加电动势，真正实现起来非常困难。因为转子电动势的频率是随着转速调节和转差率的变化而变化的。但是，串极的目的是利用附加电动势和转子电流的相互作用来吸收或提供转差功率，为此我们可以通过变换的方法，将转子的交流电压变成直流电压，再
44、串入直流的附加电动势，直流附加电动势由晶闸管逆变装置提供，这样就避免了需要随时改变附加电动势频率的复杂问题。串极调速的特点是效率较高，机械特性比较硬，可以实现无级平滑调速，闭环控制结构与变频调速相比较为简单；但是也存在着功率因数较低的缺点，满载运行时也只有0.6左右。6.10.3 变频调速变频控制器根据转速的给定值和反馈量（开环控制和无速度传感器控制时可无转速传感器）运用相应的控制算法控制逆变器中各功率器件的关断时序。恒压恒频的三相交流电通过逆变器产生电压和频率均可变的三相交流电，供给交流电动机的定子，以实现平滑的交流电动机调速。在多数情况下，把逆变器与控制器合二为一，称为变频器。变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，也就是不同转速时转差率不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性能要求较高的场合。但是另一方面，变频调速装置的成本较高，变频调速原理较为复杂。变频调速的方法也有很多种，按照控制方法分有VVVF控制、矢量控制和直接转矩控制，在后续各章中我们将介绍以上各种变频调速方法的原理。