三相异步电动机的起动、调速与制动

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册下》第2658页（4942字）

1．3．1 三相异步电动机的起动

三相异步电动机分直接起动和降压起动两种。对于中小型三相异步电动机，当电源容量足够大时，可以直接起动，即将电源额定电压直接加于电动机定子绕组。直接起动方法简便，但起动电流I_Q大，一般I_Q=(4～7)I_N(I_N为电动机额定电流)。异步电动机能否采用直接起动方法，可按能否满足下列经验公式予以判定：

式中 P_S为电源容量(kVA)；P_N为电动机额定功率(kW)；I_Q为电动机起动电流(A)；I_N为电动机额定电流(A)。

对于容量较大的异步电动机，通常采用降压起动。其方法有以下几种：

①Y－△起动。工作时，定子绕组接成△形，而在起动时则是接成Y形，待电机转速达到额定值后再换接成△形。Y、△形不同接法的起动电流比较见图8．2－11。其中I_LΔ、I_ΦΔ分别为起动时接成△形的线电流和相电流；I_LY、I_ΦY分别为起动时接成Y形的线电流和相电流；Z为起动时每相绕组的等效阻抗。

图8．2－11 Y、△形不同接法的起动电流比较

可见，Y形起动时的电流仅为△形起动电流的1／3。

②延边△形起动。图8．2－12所示是起动时接成延边△形，正常工作时接成△形。其有关计算公式见表8．2－5。对于不同抽头情况的K_C值，其所对应的起动转矩比值也不相同。见表8．2－6。

图8．2－12 延边△形与△形接线比较

表8．2－5 延边△形起动方法、起动电流比较

表8．2－6 延边Δ形绕组前后段比值K_c与起动转矩比值关系

③串联电阻(或电抗)起动。起动时在定子电路内接入电阻，以达到降低起动电流作用。工作正常后，将电阻短接。这种方法的缺点是降低了起动转矩，同时在起动电阻中也要消耗一定的能量，因此，不适宜用于频繁起动的场合。其所串联的起动电阻R_Q可根据以下经验公式确定：

式中I_Q和I分别是未加和接入起动电阻时的起动电流(A)。

起动时也可接入电抗，以代替电阻，减少能量损耗。

④自耦变压器降压起动。利用自耦变压器在起动时降低加在定子电路的电压，在转速接近额定值后切断自耦变压器。这种方法适用于容量较大的低压电动机。为满足不同负载的要求，自耦变压器副绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的40%、60%和80%(或55%、64%和73%)，以供选择使用。

以上几种常用降压起动方法的比较见表8．2－7。应该指出，无论何种降压起动，均可降低起动电流，但也降低了起动转矩，因此不适宜重载起动。

绕线式电动机的主要优点，是可以在转子电路中串接电阻，通常是在转子电路中接入2～3级Y形联接的三相起动变阻器，以改善起动特性。在小容量和中等容量的电动机中，变阻器材料采用高电阻的合金或铸铁电阻片组成。起动变阻器通过电刷及滑环和转子绕组联接。绕线式电动机的起动接线和特性变化如图8．2－13所示。起动时，全部电阻接入转子电路，在起动过程中通过加速接触器触点、KM3、KM2和KM1先后闭合，将电阻分段切断。机械特性曲线的变化如图b)，箭头表示转矩与转速的动态平衡过程。起动完毕，转子绕组便被直接短路。为在电动机运行中减少电刷在滑环上的磨损，起动次数不多的大容量绕线式电动机，通常设有举刷装置，将电刷举起，同时滑环短路。

表8．2－7 几种降压起动方法对比

图8．2－13 绕线式电动机起动的接线和特性

a)接线图 d)特性曲线图

1．3．2 三相异步电动机的制动

三相异步电动机常用的有电源反接制动和能耗制动。

电源反接制动，是通过改变转动中电动机的定子绕组连接相序实现的，如图8．2－14所示。当电动机正转时，反接制动过程即将正向接触器KM1断开，同时接通反向接触器KM2。反接制动的机械特性如图b)。电源正接时，稳定运行在机械特性曲线1的a点。电源反接后，电动机机械特性实际变为曲线2。当反接瞬间，由于电机的惯性，仍为正向n₁转速，运行点将变为曲线2的b点，受一反向制动转矩，使电动机迅速减速，直到转速为零，即到达曲线2的c点。此时如不及时切断反向电源，电动机将反向旋转。为保证反接制动及时切断，配有专门的自动控制电路。

图8．2－14 电源反接制动

a)接线图 d)机械特性图

电源反接制动过程中，电机的转差率s＞1，因此制动电流比起动电流还大。一般对功率较大的电动机制动时，必须在定子电路中接入电阻。若为绕线式异步电动机，在转子电路串入电阻的效果更好。可见，反接制动结构简单，制动迅速，但能量耗损较大。

能耗制动如图8．2－15所示。制动时，先通过开关Q切断交流电源，同时反向接合直流电源，使定子绕组中通有一定的直流电流，形成一空间固定磁场。此时由于惯性的作用，电动机转子仍按原方向旋转，由转子上的导体切割其磁力线，形成一制动力F和制动转矩，使转子很快减速，直至停转。为限制转子电流和得到不同的制动特性，在直流电路中接有调节电阻R。

图8．2－15 能耗制动

能耗制动的工作平稳。对绕线式异步电动机，还可在转子电路中串接电阻，用以调节制动机械特性。

1．3．3 三相异步电动机的调速

可知，异步电动机调速可通过下列几种方法实现(其中①、②两种方法属于改变转差率S调速)：

①转子电路串接变阻器调速。在绕线式异步电动机转子电路接入调速变阻器时，设转子电路电阻由R₂增加至R，如图8．2－16所示，在拖动恒转矩负载时，运行点将由R₂线的a点调整到R线的c点，所串电阻越大，转速越低。这种调速法的优点是方法简便，缺点是因转子电路接入电阻，而使机械特性变软，稳定性较差，转子损耗增大。一般适用于起重运输和通风机等设备。

图8．2－16 变阻调速过程

②转子电路引入附加电动势调速(串级调速)。绕线式异步电动机串级调速，即在转子电路内引入附加电动势_f，通过改变_f的大小和相位，即可调节电动机转速。引入附加电动势E_f后，电动机的电磁转矩

T=T₁+T₂ (8．2－14)

式中T₁为固有的机械特性，T₂为附加电动势E_f引起的转矩，如图8．2－17所示。合成转矩M随E_f值和相位而改变。串级调速的调速范围宽，能实现无级调速，其机械特性较硬，效率高，但低速运行时过载能力降低，设备体积较大。

图8．2－17 绕线式异步电动机串级调速机械特性

③改变定子电源频率f₁调速。变频调速时，为使励磁电流和功率因数基本保持不变，要求磁通Φ也保持不变。由定子电路(8．2－10)式有：U₁=4．44K₁f₁N₁Φ(V)。为使f₁变化时Φ保持不变，则应使电压与频率成比例变化，即：

额定频率称为基频。变频调速可以从基频向上调，也可从基频向下调。在电源频率从基频向下调时，即转速从额定转速向下调，此时按U_pf1=定值的控制方式，电机的最大转矩M_max不变，称恒转矩调速。在电源频率从基频向上调时，即转速从额定转速向上调，此时不能再保持磁通Φ不变，否则U₁将大于额定电源电压，这是不容许的。因此，从基频向上调时，一般保持U₁不变，故Φ将下降，输出转矩下降。但因f₁增加，转速加大，输出功率基本保持不变，故升频调速为恒功率调速。图8．2－18所示是变频调速的机械特性。可以看出，改变f时，特性曲线的硬度几乎不变。这种调速方法的特点是，调速范围大，调速稳定性好，运行时转差率s小，效率高，可实现无级调速。

图8．2－18 变频调速机械特性

④改变磁极对数P调速。实际就是分级变速。改变磁极对数可用两种方法：一是在定子上绕制两个独立的、具有不同磁极的绕组；二是在定子上绕制一个分段绕组，通过改变分段连接方法来改变磁极对数。改变绕组连接而造成不同磁极对数的形式有多种，采用较多的有△形一双Y形改换接法。从一个△形改接成双Y形时，极对数减少为1／2，转速增加1倍，其机械特性如图8．2－19所示，近似为恒功率调速。此外，改变极对数还有采取Y形一双Y形的接法，这种接法具有恒转矩调速特性。采用变极调速，只能是有级变速，有二速、三速或四速。另外，绕组结构也比较复杂，电机体积较大。但优点是有较硬的机械特性，稳定性较好。

图8．2－19 双速电动机在恒功率运行下机械特性

⑤滑差离合器调速。又称电磁离合器调速。电磁离合器，是将异步电动机的转轴和生产机械的转轴作软性连接以传递功率的装置，其结构示意见图8．2－20，主要包括电枢和磁极两部分。电枢与电动机以及磁极与负载轴均为硬连接，电枢为铸钢制成的圆筒形结构，磁极由铁心和励磁绕组组成，绕组可通过滑环和电刷与直流电源相接。当电动机带动电枢旋转时，因切割磁极的磁力线而在电枢内感应产生的涡流与磁极相互作用产生转矩，使磁极跟随电枢转动，其原理见图b)。实际的电磁作用关系与异步电动机类似，两者转速亦必然有一“转差”。当励磁绕组中无励磁电流时，磁极不跟随电枢转动，相当于电磁离合器“脱开”，在励磁绕组中通有励磁电流时，磁极即跟随电枢转动，相当于电磁离合器“接合”。调节励磁电流的大小，即可改变“转差”，即改变生产机械的转速。电磁滑差离合器的自然机械特性是软的，在实际的调速系统中增加速度负反馈环节，可使机械特性变硬。

图8．2－20 电磁离合器原理图

a)电磁离合器连接 b)电枢和磁极

电磁离合器调速的优点是：调速平滑，可实现无级调速，能承受冲击性负载，其结构简单，且运行可靠，维护方便。而缺点是低速时的效率低，因此不适宜用于长期处于低速的生产机械。