第7章 三相异步电机的电力拖动

基本思想： 基本思想： 利用集肤效应，使得起动时转子感应电流的频率较高（ 利用集肤效应，使得起动时转子感应电流的频率较高（f 2 = f1）， 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， 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， 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 （ f 2 = (1 ~ 3) Hz 集肤效应基本消失，则转子电阻恢复，从而确 ），集肤效应基本消失，则转子电阻恢复， 保了正常运行时异步电动机的效率。 保了正常运行时异步电动机的效率。
N2 2 Tx = ( ) Tst N1
（7-7）
结论： 结论： 与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时， 与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时，电压 减低 N / N 倍，则起动电流和起动转矩均降低 ( N / N ) 倍。
2
2 1
2
1
三角（ c、星-三角（Y / ∆ ）降压起动
概念: 概念: 形联结的三相鼠笼式异步电动机， 对于正常运行采用 ∆ 形联结的三相鼠笼式异步电动机，起动时 形联结， 可改接成 Y 形联结，则定子每相电压可降为电源电压的 1 / 3 ，从 而实现降压起动， 起动。 而实现降压起动，这种方法被称为 Y / ∆ 起动。
I sY = I Y = ( 1
因此，有：
3
)I ∆
I sY I ∆ / 3 1 = = I s∆ 3 3I ∆
（7-8）
考虑到起动转矩正比于电压平方， 因此 Y / ∆ 降压起动时的起动转矩仅为 ∆ 接 直接起动的 1 / 3 。
结论： 结论： 降压起动时， 采用 Y / ∆ 降压起动时，电网所承担的起动电流和起动转 矩均为直接起动时的 1 / 3 。
Y/YY变极调速前后定子绕组的接线如图7.12所示。
图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线
假定变极调速前后定子的功率因数 cosϕ1 、效率 η 均不变，为了确保电动机得到充分 利用，每半相绕组中的电流应均为额定值 I 1N ，于是变极前后电动机的输出功率和输出转 矩分别满足下列关系：
A、变极调速 、
概念: 概念: 变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的
60 f 1 调速方式。在一定电源频率下，由于同步速 n1 = p 与极对数成反 调速方式。在一定电源频率下，
比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。 因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。
图7.11 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图
图7.4 异步电动机各种起动方法下的电流波形
解决方案： 解决方案： • 采用变频器的起动方案； 采用变频器的起动方案； • 采用软起动器（Soft Starter）的起动方案。 采用软起动器（ Starter）的起动方案。
这里仅介绍软起动方案。鉴于软起动方案很多，这里仅以电子式软起动器 电子式软起动器为例加以说明。 电子式软起动器
图7.10 频敏变阻器的结构与等效电路
基本工作原理： 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， 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， 自然较大， 流损耗与频率的平方成正比，等效铁耗电阻 rm 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， 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， 也随着下降， 子电流的频率下降，铁心内的涡流损耗以及相应的 rm 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， 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。 过集电环将频敏变阻器短接后切除。
第7章 三相异步电机的电力拖动
内容简介
三相异步电动机的各种起动 调速和制动方 三相异步电动机的各种起动、调速和制动方 起动、 各种方法的工作原理与相应的机械特性。 法，各种方法的工作原理与相应的机械特性。
7.1 三相异步电动机的起动
对三相异步电动机起动过程的要求： 对三相异步电动机起动过程的要求：
（7-4）
忽略激磁电流，由变压器的磁势平衡方程式得：
N1 I1 = N 2 I x
将式（7-5）代入（7-4）得：
（7-5）
I1 = (
式中， I 1 为起动时电网侧的电流。
N2 2 ) I st N1
（7-6）
考虑到起动转矩正比于定子绕组外加电压的平方，因此，降压前、后起动转矩的比值 为： Tx U N = ( x )2 = ( 2 )2 Tst U 1N N1 即：
a、转子串电阻的分级起动
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。图7.9a、b分别给出了转子外串三级电阻起动时的接线图与相应的机 械特性。
图7.9 绕线式异步电动机转子串电阻分级起动
b、转子串频敏变阻器的起动
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。 图7.10a、b分别给出了频敏变阻器的结构和相应的单相等效电路图。
很显然，Y / ∆ 降压起动相当于自耦变压器降压起动抽头为 (1 / 3 ) 的情况。
C、三相鼠笼式异步电动机的软起动 、
传统降压起动方法的不足： 传统降压起动方法的不足： 传统降压起动要求： 传统降压起动要求：在转子升至一定转速时均需切换至全压正 常运行，切换时刻把握不好不仅会造成起动过程的不平滑，而且也 常运行，切换时刻把握不好不仅会造成起动过程的不平滑， 会引起起动过程中的两次电流冲击（见图7.4）。
图7.11a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，a1 x1 代表A相 的半相绕组， 2 x 2 代表A相的另一半相绕组。 a
结论: 结论: 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的 改变。 改变。
为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般 仅适用于鼠笼式异步电动机。
具体措施如下：
a、直接增大转子电阻的鼠笼式异步电动机
为了增大转子电阻，转子导条不是采用纯铝，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。
b、深槽式鼠笼式异步电动机
深槽式异步电动机的转子采用深而窄的槽形，如图7.6所示。
图7.6 深槽式鼠笼异步电动机的转子导条及电流分布
b、自耦变压器的降压起动 、
图7.1 自耦变压器的降压起动
图7.2 自耦变压器降压起动时的一相电路
图7.2给出了降压起动时自耦变压器一相的电路原理图。 与额定电压直接起动相比，降压起动时定子绕组的电压降为 U x ，于是有：
其中， I x 为定子电压 U x
Ix Ux N2 = = I st U 1N N1 时的起动电流； I st 为定子电压 U 1N 时的起动电流；
图7.5 异步电动机软起动器的组成框图
工作原理： 工作原理： 在起动过程中， 来调节定子电压， 在起动过程中，通过控制移相角 α 来调节定子电压，并采用系 统闭环限制起动电流，确保起动过程中的定子电流、 统闭环限制起动电流，确保起动过程中的定子电流、电压或转矩按 预定函数关系（或目标函数）变化，直至起动过程结束。 预定函数关系（或目标函数）变化，直至起动过程结束。然后将软 起动器切除，使得电动机与电源直接相连。 起动器切除，使得电动机与电源直接相连。
Tst
要足够大 ; I st 不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击； 不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击； 要尽量短； 起动时间 t st 要尽量短； 经济性: 起动设备简单，起动过程中能量消耗低。 经济性: 起动设备简单，起动过程中能量消耗低。
起动时，n = 0 ， s
=1
，于是有：
I st = U1 (r1 + r2′ ) 2 + ( x1σ + x ′ σ ) 2 2
结论: 结论: 对于三相异步电动机， 对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向 不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。 不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。
这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。
下面就两种典型的变极接线方法及其变极前后的调速性质与机械特性介绍如下:
a、Y/YY接变极调速 、 接变极调速
图7.3 起动时的电流和电压之间的关系
起动时，三相定子绕组接成 Y 接，降压起动。一旦转子达到一定转速后，三 相定子绕组恢复 ∆ 接，进入正常运行状态。 当采用 ∆ 接直接起动时，每相绕组的电压即电网线电压。设此时定子每相绕 组的起动电流为 I ∆ ，则线电流为 I s∆ = 3I ∆ ；若采用 Y 接法，由于每相绕组的 电压降为电网线电压的 (1 / 3 ) ，相应的相电流也必然降为 ∆ 接时的 (1 / 3 )，于是：
7.2 三相异步电动机的调速
三相异步电动机的转子转速可由下式给出：
60 f 1 n= (1 − s ) p
(7-9)
由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 变极调速； 变极调速； 变频调速； 变频调速； 改变转差率调速； 改变转差率调速； 其中，改变转差率的调速方法涉及： 其中，改变转差率的调速方法涉及： 改变定子电压的调压调速； 改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速； 电磁离合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。
c、双鼠笼式异步电动机
转子绕组采用上、下鼠笼式结构，如图7.7所示。上笼采用电阻率较大的材料如黄铜， 且截面积较小；下笼采用电阻率较小的材料如紫铜，且截面积较大。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上笼（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下笼（或运行笼 运行笼）。 运行笼