4.2.2機(jī)械特性為了更清楚地說明轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，一般用n=f(T)曲線來描述異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。根據(jù)式（4-13）和式（4-2）可畫出n=f(T)機(jī)械特性曲線，如圖4-12所示。與圖4-11比較可以看出，圖4-12是在圖4-11的基礎(chǔ)上把轉(zhuǎn)差率換成了轉(zhuǎn)速，并把坐標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°。它直接反映了電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。圖中的Tst為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TN為額定轉(zhuǎn)矩，nN為額定轉(zhuǎn)速。圖4-12三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)由圖4-12可知，以臨界轉(zhuǎn)差率sm對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速nm為界，曲線分為兩個(gè)不同特征的區(qū)域。上邊為穩(wěn)定區(qū)，下邊為不穩(wěn)定區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)（nm＜n＜n1），電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡，因此電動(dòng)機(jī)勻速運(yùn)行。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，則電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)整，最后達(dá)到新的平衡狀態(tài)使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖4-13所示一個(gè)自適應(yīng)過程的曲線圖，設(shè)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Ta時(shí)，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于a點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩也等于Ta，轉(zhuǎn)速為na；若負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少為Tb，由于慣性，速度不能突變，負(fù)載改變后的最初的電磁轉(zhuǎn)矩仍為Ta，則由于T＞TL，電機(jī)加速，工作點(diǎn)上移，電磁轉(zhuǎn)矩減小，直到過渡過程到達(dá)b點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩等于Tb，轉(zhuǎn)速不再上升，電機(jī)便運(yùn)行于b點(diǎn)，電機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下開始穩(wěn)定運(yùn)行，完成一次自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程。同理，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，其過程相反，電機(jī)也可以自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。圖4-13自適應(yīng)過程曲線圖

在不穩(wěn)定區(qū)(0＜n＜nm)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的電機(jī)在任意點(diǎn)上均無法穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)槿绻?fù)載有所增加，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)立即小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)速急劇下降，又進(jìn)一步使電磁轉(zhuǎn)矩變小，即轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，造成電機(jī)停轉(zhuǎn)（堵轉(zhuǎn)）；而假如負(fù)載減少，電機(jī)會(huì)因電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩而升速，升速繼續(xù)造成電磁轉(zhuǎn)矩增大，進(jìn)一步升速的結(jié)果是使電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作區(qū)。從圖4-13可以看出，電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定區(qū)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的變化較小，曲線較平穩(wěn)。該段曲線越平穩(wěn)，則負(fù)載變化對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響越小，這種機(jī)械特征稱為硬特性。2.三個(gè)重要的轉(zhuǎn)矩（1）額定轉(zhuǎn)矩TN。額定轉(zhuǎn)矩是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載的情況下，其軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以可以用額定電磁轉(zhuǎn)矩來表示額定輸出轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可以通過電機(jī)銘牌上的額定功率和額定轉(zhuǎn)速求得，由

P2=TΩ

得（4-14）

式中,Ω為電機(jī)的角速度，單位為rad/s；P2為額定輸出功率，單位為kW，nN的單位為r/min，則T的單位為N·m。為了保證電機(jī)在運(yùn)行時(shí)安全可靠，不輕易停車，應(yīng)使電機(jī)的帶負(fù)載能力留有一定的余量，所以額定轉(zhuǎn)矩一般只能為最大轉(zhuǎn)矩的一半左右。(2)最大轉(zhuǎn)矩Tm。最大轉(zhuǎn)矩是指電動(dòng)機(jī)所能提供的極限轉(zhuǎn)矩，它是對(duì)應(yīng)于臨界轉(zhuǎn)差率的臨界轉(zhuǎn)矩，可用數(shù)學(xué)方法求得。對(duì)式（4-13）求s的導(dǎo)數(shù)，令其等于零，即則（4-15）將上式代入式（4-13），可得（4-16）

前面說過，最大轉(zhuǎn)矩是穩(wěn)定區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)，故電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)不能下滑超過此點(diǎn)，否則電機(jī)將停轉(zhuǎn)（堵轉(zhuǎn)）。電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流很大，一般可達(dá)額定電流的4~7倍，將造成電機(jī)的溫度升高超過允許值，若不立即采取措施，就會(huì)燒毀電機(jī)。

因此，電機(jī)在運(yùn)行中應(yīng)避免出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)，立即切斷電源并卸掉過多負(fù)載。

通常用最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比來描述電機(jī)的過載情況，這個(gè)比值稱為過載系數(shù)，用λ表示，即

過載系數(shù)是衡量電機(jī)短時(shí)過載能力和穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，通常在1.8～2.2之間。

（3）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指電動(dòng)機(jī)剛接通電源以后，電機(jī)尚未轉(zhuǎn)動(dòng)起來，即轉(zhuǎn)速為0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)圖4-12中的n=0時(shí)的轉(zhuǎn)矩Tst，即

（4-17）

從圖4-12可以看出，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩，它決定了該電機(jī)的起動(dòng)能力。只要電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就可加速，沿機(jī)械特性曲線上升，越過最大轉(zhuǎn)矩到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。顯然，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)的起動(dòng)能力就越強(qiáng)，起動(dòng)所需的時(shí)間也就越短。反之，若起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)不能起動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值來表示，即起動(dòng)能力=一般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力較差，在0.8～2.2之間，所以有時(shí)采用輕載起動(dòng)。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以通過滑環(huán)外接的電阻器來調(diào)節(jié)起動(dòng)能力。起動(dòng)能力也是選用電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。

［例4-2］

已知兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)額定功率都是10kW，但轉(zhuǎn)速不同。其中n1N=2930r/min，n2N=1450r/min，如果過載系數(shù)都是2.2，求它們的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。

［解］

根據(jù)式（4-14）可知第一臺(tái)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩為第二臺(tái)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩為3.電源電壓對(duì)機(jī)械特性的影響由式（4-16）和式（4-17）可以看出，最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，因此，電源電壓的波動(dòng)對(duì)機(jī)械特性的影響極大，而臨界轉(zhuǎn)差率卻與電源電壓無關(guān)，即臨界轉(zhuǎn)速與電源電壓也無關(guān)。因此，當(dāng)電源電壓升高時(shí)，Tm、Tst增大，nm不變，機(jī)械特性曲線右移，如圖4-14所示?？梢姡娫措妷涸龃髸r(shí)，機(jī)械特性曲線變硬。為了保證電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，要求電源電壓的波動(dòng)不超過規(guī)定電壓的5%。圖4-14電源電壓對(duì)機(jī)械特性的影響4.轉(zhuǎn)子電阻對(duì)機(jī)械特性的影響轉(zhuǎn)子電阻的改變會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，其中sm與R2成正比。因此，當(dāng)R2增大時(shí)，sm也增大，nm降低，Tm保持不變，機(jī)械特性曲線下移，如圖4-15所示。可見，轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，機(jī)械特性曲線變軟。當(dāng)R2=X2時(shí)，sm=1，這時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩，達(dá)最大值。利用轉(zhuǎn)子電阻增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也增大的特性，可以在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)增加轉(zhuǎn)子電阻，以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。繞線式異步電動(dòng)機(jī)就是利用這一原理進(jìn)行起動(dòng)的。圖4-15轉(zhuǎn)子電阻對(duì)機(jī)械特性的影響4.2.3運(yùn)行特性

異步電動(dòng)機(jī)在不同的負(fù)載下工作時(shí)，它的運(yùn)行特性如圖4-16所示。在電源電壓及頻率不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子電路的功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)的效率與電動(dòng)機(jī)輸出功率之間的關(guān)系稱為異步電動(dòng)機(jī)的工作特性。這里僅介紹

I1=f(P2)、cosφ1=f(P2)和η=f(P2)三條曲線。圖4-16三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性曲線1.

定子電流工作特性曲線I1=f(P2)

異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速最接近同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)轉(zhuǎn)子電流很小，定子電流為勵(lì)磁電流I10。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載后，隨輸出功率P2的增加，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流也隨之增大?？蛰d電流約為額定電流的20%～40%。

2.

功率因數(shù)工作特性曲線cosφ1=f（P2）異步電動(dòng)機(jī)的定子功率因數(shù)空載時(shí)很低，通常只有0.2～0.3，額定運(yùn)行時(shí)約為0.7～0.9。因此，選用電動(dòng)機(jī)的容量時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況正確選用，使其盡量在功率因數(shù)較高的情況下運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能的目的。3.

效率工作特性曲線η=f（P2）電動(dòng)機(jī)的效率η是指輸出功率P2與輸入功率P1的比值，即式中Pm為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率增大時(shí)，鐵損、機(jī)械損耗都為常數(shù)，開始時(shí)銅損很小，效率增大很快；后來因銅損增加速度較快，所以效率開始減小。從圖4-16可以看出，效率最大出現(xiàn)在額定功率的80%左右4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

每臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的外殼上都有一塊銘牌，上面標(biāo)示著這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，使使用者正確選用和維護(hù)電機(jī)。下表為某一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)。三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y100L1—4接法△/Y

功率2.2kW工作方式S1

電壓220/380V絕緣等級(jí)B電流8.6/5A溫升70℃轉(zhuǎn)速1430r/min重量34kg頻率50Hz編號(hào)

××電機(jī)廠出廠日期1.型號(hào)型號(hào)表示電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、機(jī)座號(hào)和極數(shù)。

例如Y100L1—4中，Y表示鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)（YR表示繞線式異步電動(dòng)機(jī)）；

100表示機(jī)座中心高為100mm；L表示長機(jī)座(S表示短機(jī)座，M表示中機(jī)座)；1為鐵心長度代號(hào)；4表示4極電動(dòng)機(jī)。2.額定電壓UN

額定電壓是電動(dòng)機(jī)定子繞組應(yīng)加線電壓的額定值，有些異步電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)有220/380V，相應(yīng)的接法為△/Y。它說明當(dāng)電源線電壓為220V時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組應(yīng)接成△型；當(dāng)電源線電壓為380V時(shí)，應(yīng)接成Y型。

3.額定電流IN

額定電流是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，定子繞組的線電流。

4.額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速是指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。5.額定頻率fN

額定頻率是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的交流電源的頻率，我國工頻為50Hz。

6.工作方式工作方式是指電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)發(fā)熱條件可分為三種：S1表示連續(xù)工作方式，允許電機(jī)在額定負(fù)載下連續(xù)長期運(yùn)行；S2表示短時(shí)工作方式，在額定負(fù)載下只能在規(guī)定時(shí)間短時(shí)運(yùn)行；S3表示斷續(xù)工作方式，可在額定負(fù)載下按規(guī)定周期性重復(fù)短時(shí)運(yùn)行。7.絕緣等級(jí)絕緣等級(jí)是由電動(dòng)機(jī)所用的絕緣材料決定的。按耐熱程度不同，將電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)分為A、E、B、F、H、C等幾個(gè)等級(jí)，它們?cè)试S的最高溫度如表4-3所示。絕緣等級(jí)AEBFHC最高允許溫度105°120°130°155°180°＞180°表4-3電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)8.功率與效率額定功率是指電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的機(jī)械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。注意：實(shí)用中應(yīng)選擇合適容量的電機(jī)，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。9.功率因數(shù)PNP2cos

三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，在額定負(fù)載時(shí)約為0.7~0.9。空載時(shí)功率因數(shù)很低，只有0.2~0.3。額定負(fù)載時(shí)，功率因數(shù)最高。10.溫升溫升是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電動(dòng)機(jī)各部分允許超出的最高溫度。通常規(guī)定的環(huán)境溫度是40℃，如果電機(jī)銘牌上的溫升為70℃，則允許電機(jī)的最高溫度可以是40+70=110℃。顯然，電動(dòng)機(jī)的溫升取決于電機(jī)的絕緣材料的等級(jí)。電機(jī)在工作時(shí)，所有的損耗都會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，溫度上升。在正常的額定負(fù)載范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的溫度是不會(huì)超出允許溫升的，絕緣材料可保證電機(jī)在一定期限內(nèi)可靠工作。如果超載，尤其是故障運(yùn)行，則電機(jī)的溫升超過允許值，電機(jī)的壽命將受到很大的影響。

在選用電機(jī)時(shí)，除了要看電機(jī)上的銘牌數(shù)據(jù)外，還要了解電機(jī)的其他技術(shù)數(shù)據(jù)，通?？稍诋a(chǎn)品資料中查到。表4-4異步電動(dòng)機(jī)Y160M—4的技術(shù)數(shù)據(jù)

電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率／KW

滿載

起動(dòng)

電流

起動(dòng)

轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩

Y160M

一4l電流／A轉(zhuǎn)速／(r／min)效率／％

功率因數(shù)

額定電流

額定轉(zhuǎn)矩

額定轉(zhuǎn)矩

22．5

146088．50．84

4.02．22．2

［例4-3］

一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：PN=7.5kW，UN=380V，Y接法，nN=1440r/min，ηN=87.5%，cosφ=0.85，Ist/IN=7.0，起動(dòng)能力=2.2，λ=2.2。試求：（1）額定電流IN；（2）額定轉(zhuǎn)差率sN；（3）起動(dòng)電流Ist；（4）額定轉(zhuǎn)矩TN；（5）最大轉(zhuǎn)矩Tm；（6）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。

［解］

（1）電動(dòng)機(jī)的輸入功率為額定電流

（4）額定轉(zhuǎn)矩

（5）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tst=2.2×TN=2.2×49.7=109.3N·m

（6）最大轉(zhuǎn)矩

Tm=λTN=2.2×49.7=109.3N·m4.4三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)接通電源，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)到轉(zhuǎn)子以一定速度穩(wěn)定運(yùn)行的過程稱為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)橐?jīng)常起動(dòng)和停車，所以電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題是一個(gè)非常重要的問題。

對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求，一般從以下幾個(gè)方面來考慮：（1）

起動(dòng)電流應(yīng)盡可能小,Ist≤（4～7）IN。（2）

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)盡可能大，Tst≥(1.1～1.2)TL。（3）

起動(dòng)的時(shí)間應(yīng)盡可能短。（4）

轉(zhuǎn)速的提升應(yīng)盡可能平穩(wěn)。（5）

起動(dòng)方法應(yīng)方便、可靠，起動(dòng)設(shè)備應(yīng)簡單、經(jīng)濟(jì)，易維護(hù)修理。

前三項(xiàng)較為重要。異步電動(dòng)機(jī)剛接通電源瞬間，轉(zhuǎn)速為零，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差很大，因此轉(zhuǎn)子電流非常大，相應(yīng)定子電流也很大，我們把這時(shí)的定子電流稱為起動(dòng)電流。

由于起動(dòng)過程非常短，一般為幾秒到幾十秒，且隨著轉(zhuǎn)速的上升，起動(dòng)電流不斷減小，所以如果不是頻繁起動(dòng)，起動(dòng)電流造成的電機(jī)發(fā)熱問題并不大，對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行沒有影響。

大的起動(dòng)電流會(huì)引起電源電壓的下降，影響接在同一電源上的其他設(shè)備的正常工作，比如使日光燈變暗、電機(jī)堵轉(zhuǎn)甚至停轉(zhuǎn)等。為解決起動(dòng)電流造成的不良影響，對(duì)容量較大的電機(jī)應(yīng)采取一定的起動(dòng)方法。鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種。4.4.1直接起動(dòng)直接起動(dòng)又稱為全壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)，將電機(jī)的額定電壓通過刀開關(guān)或接觸器直接接到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上進(jìn)行起動(dòng)。直接起動(dòng)最簡單，不需附加的起動(dòng)設(shè)備，起動(dòng)時(shí)間短。只要電網(wǎng)容量允許，應(yīng)盡量采用直接起動(dòng)。但這種起動(dòng)方法起動(dòng)電流大，一般只允許小功率的異步電動(dòng)機(jī)（PN≤4.5kW）進(jìn)行直接起動(dòng)；對(duì)大功率的異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)采取降壓起動(dòng)，以限制起動(dòng)電流。4.4.2降壓起動(dòng)通過起動(dòng)設(shè)備將電機(jī)的額定電壓降低后加到電機(jī)的定子繞組上，以限制電機(jī)的起動(dòng)電流，待電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定值時(shí)，再使定子繞組承受全壓，從而使電機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，這種起動(dòng)方法稱為降壓起動(dòng)。前面講過，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，所以當(dāng)定子端電壓下降時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。這說明降壓起動(dòng)適用于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場(chǎng)合，如果電機(jī)必須采用降壓起動(dòng)，則應(yīng)輕載或空載起動(dòng)。

常用的降壓起動(dòng)方法有下面三種：

1.Y-△降壓起動(dòng)這種起動(dòng)方法適用于電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)接法為三角形的異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組接成星形，起動(dòng)完畢后，電動(dòng)機(jī)切換為三角形。

圖4-17是一個(gè)Y-△降壓起動(dòng)控制線路，起動(dòng)時(shí)，電源開關(guān)QS閉合，控制電路先使得KM2閉合，電機(jī)星形起動(dòng)，定子繞組由于采用了星形結(jié)構(gòu)，其每相繞阻上承受的電壓比正常三角形接法時(shí)下降了。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定值時(shí)，控制電路再控制KM1閉合，于是定子繞組換成三角形接法，電機(jī)開始穩(wěn)定運(yùn)行。圖4-17Y-△降壓起動(dòng)控制線路采用Y連接降壓起動(dòng)時(shí)，每相繞組的線電流為則（4-19）定子繞組每相阻抗為

|Z|

，電源電壓為U1，則采用△連接直接起動(dòng)時(shí)的線電流為

由式（4-19）可以看出，采用Y-△降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流比直接起動(dòng)時(shí)下降了1/3。電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，由于電源電壓下降了

，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小了1/3。以上分析表明，這種起動(dòng)方法確實(shí)使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流減小了，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也下降了，因此這種起動(dòng)方法是以犧牲起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來減小起動(dòng)電流的，只適用于允許輕載或空載起動(dòng)的場(chǎng)合。2.自耦變壓器降壓起動(dòng)

這種起動(dòng)方法是指起動(dòng)時(shí)，定子繞組接三相自耦變壓器的低壓輸出端，起動(dòng)完畢后，切掉自耦變壓器并將定子繞組直接接上三相交流電源，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4-18自耦變壓器降壓起動(dòng)控制線路

圖4-18為自耦變壓器的降壓起動(dòng)線路，自耦變壓器的原邊接電源電壓，副邊接接觸器KM1。起動(dòng)時(shí)，電源開關(guān)閉合，先通過控制電路使得KM1閉合，接通自耦變壓器的副邊，則定子繞組所加電壓低于額定電壓，電機(jī)開始起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到一定速度時(shí)，KM1斷開,KM2閉合，切除自耦變壓器，電機(jī)開始穩(wěn)定運(yùn)行。

自耦降壓起動(dòng)時(shí)，定子繞阻所加電壓下降為額定電壓的1/K（K為自耦變壓器的變比），一次側(cè)起動(dòng)電流下降為1/K2，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩則下降為直接起動(dòng)時(shí)的1/K2。自耦變壓器體積大，而且成本高，所以這種起動(dòng)方法適用于容量較大的或正常運(yùn)行繞組接法為Y形，不能采用Y-△方法起動(dòng)的三相異步電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)用的自耦變壓器又叫做起動(dòng)補(bǔ)償器，通常每相有三個(gè)抽頭，供用戶選擇不同等級(jí)的輸出電壓，分別為原輸出電壓的55%、64%、73%，可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選擇。3.轉(zhuǎn)子串電阻降壓起動(dòng)在分析轉(zhuǎn)子電阻R2對(duì)機(jī)械特性的影響時(shí)已經(jīng)知道，轉(zhuǎn)子電阻增大不但會(huì)減小轉(zhuǎn)子電流，從而減小定子電流（起動(dòng)電流），而且可以提高電磁轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩），但鼠籠式電機(jī)不能采用此種起動(dòng)方法。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子從各相滑環(huán)處可外接變阻器，可以很方便地改變轉(zhuǎn)子電阻來改善電機(jī)的起動(dòng)性能，所以繞線式電機(jī)都采用此種起動(dòng)方案。圖4-19為轉(zhuǎn)子串電阻的起動(dòng)電路圖，起動(dòng)時(shí)，將變阻器調(diào)到最大，電源開關(guān)閉合，轉(zhuǎn)子串電阻開始起動(dòng)運(yùn)行。隨著轉(zhuǎn)速的上升，不斷減小轉(zhuǎn)子電阻，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，短接轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。繞線式電機(jī)還可以采用轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器進(jìn)行起動(dòng)，這種起動(dòng)方式不需切除頻敏變阻器，因?yàn)轭l敏變阻器本身具有阻值隨轉(zhuǎn)子頻率變化的特性。圖4-19轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)控制線路圖三相繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)（一）轉(zhuǎn)子回路串電阻起動(dòng)

在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?既能限制起動(dòng)電流，又能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、使起動(dòng)過程平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級(jí)對(duì)稱電阻，并隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸切除起動(dòng)電阻。

電動(dòng)機(jī)由a點(diǎn)開始起動(dòng)，經(jīng)b→c→d→e→f→g→h，完成起動(dòng)過程。起動(dòng)過程（二）轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器。

起動(dòng)時(shí)，S2斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器,S1閉合，電機(jī)通電開始起動(dòng)。起動(dòng)時(shí),,頻敏變阻器鐵損大,反映鐵損耗的等效電阻大,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子回路串入一個(gè)較大電阻。隨著上升,減小,鐵損減少,等效電阻

減小,相當(dāng)于逐漸切除,起動(dòng)結(jié)束,S2閉合，切除頻敏變阻器，轉(zhuǎn)子電路直接短路。

（三）深槽式及雙籠型電動(dòng)機(jī)

從籠型電機(jī)來看，采用直接起動(dòng)，電流太大；采用降壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。為了解決這一矛盾，人們從籠型電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽形著手，利用集膚效應(yīng)來達(dá)到啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻較大，正常運(yùn)行時(shí)電阻自動(dòng)變小的要求。1、深槽式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

深槽式電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形深而窄，當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中有電流通過時(shí)，磁通如圖：

可見，槽底的漏磁通要比槽口的多，越靠近槽口的比槽底的小，對(duì)電流來說，槽底電流小而槽口的大。這種效應(yīng)成為集膚效應(yīng)，也叫擠流效應(yīng)。

當(dāng)起動(dòng)完畢，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電流頻率很低，轉(zhuǎn)子漏電抗很小，集膚效應(yīng)基本消失，導(dǎo)條內(nèi)電流分布均勻，電阻自動(dòng)變小。2、雙籠型感應(yīng)電機(jī)雙籠型感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有兩套籠，如圖：1是上籠為起動(dòng)籠，2是下籠為運(yùn)行籠。

［例4-4］

已知一臺(tái)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，PN=75kW，△連接運(yùn)行，UN=420V，IN=126A，cosφN=0.88，nN=1480r/min，Tst/TN=1.9，Ist/IN=5.0，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=100N·m，現(xiàn)要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)Tst≥1.1TL，Ist＜240A，問：（1）

電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)？（2）

電動(dòng)機(jī)能否采用Y-△起動(dòng)？（3）

若采用三個(gè)抽頭的自耦變壓器起動(dòng)，則應(yīng)用50%、60%、80%中的哪個(gè)抽頭？

［解］

（1）一般來說，4.5kW以上的電動(dòng)機(jī)不能采用直接起動(dòng)法，也可以進(jìn)行以下計(jì)算。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tst=1.9×TN=1.9×483.95=919.5N·m

又1.1TL=1.1×100=110N·m

因Tst＞1.1TL,故直接起動(dòng)電流Ist=5IN=5×126=630A

遠(yuǎn)大于本題要求的240A。（2）采用Y-△起動(dòng)方式，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)為起動(dòng)電流起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都滿足要求，故可以采用Y-△起動(dòng)。

（3）采用自耦降壓起動(dòng)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為50%抽頭：

Tst1=(0.5)2×Tst=(0.5)2×919.5=229.88N·mIst1=(0.5)2×Ist=(0.5)2×630=157.5A60%抽頭：

Tst2=(0.6)2×Tst=331.02N·mIst2=(0.6)2×Ist=226.8A80%抽頭：

Tst3=(0.8)2×Tst=588.48N·mIst3=(0.8)2×Ist=403.2A

從以上結(jié)果可以看出，80%抽頭的起動(dòng)電流大于起動(dòng)要求，60%抽頭的起動(dòng)電流較大，選用50%的抽頭較為合適。4.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

調(diào)速是指在同一負(fù)載下人為改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由前面所學(xué)可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為（4-20）要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有三種方式：變頻調(diào)速；變極調(diào)速；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。4.5.1變頻調(diào)速變頻調(diào)速是指通過改變電源的頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。它采用一套專用的變頻器來改變電源的頻率以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。變頻器本身價(jià)格較貴，但它可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較平滑的無極調(diào)速，且具有硬的機(jī)械特性，是一種較理想的調(diào)速方法。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)采用這種方式進(jìn)行調(diào)速越來越普遍。

變頻調(diào)速(無級(jí)調(diào)速)f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調(diào)+–~頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5~320赫茲4.5.2變極調(diào)速變極調(diào)速是指通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線以改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法。由式（4-20）可知，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)總是成倍變化的，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就階段性上升下降，無法實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)能自動(dòng)與定子繞組的極數(shù)相適應(yīng)，所以一般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)采用這種方法調(diào)速。

異步電動(dòng)機(jī)可以通過改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組接法來實(shí)現(xiàn)變極調(diào)速，也可通過在定子上安裝不同的定子繞組來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種能改變定子磁極對(duì)數(shù)的電動(dòng)機(jī)又稱為多速電動(dòng)機(jī)。圖4-20所示為一個(gè)4/2極雙速電機(jī)的定子繞組接法及對(duì)應(yīng)的單相磁場(chǎng)分布示意圖。電動(dòng)機(jī)每相有兩個(gè)線圈，如果把兩兩線圈并聯(lián)起來，接成雙Y形，則合成磁場(chǎng)為一對(duì)磁極。如果將兩兩線圈串聯(lián)起來，接成△形，則合成磁場(chǎng)為兩對(duì)磁極。這兩種接法下電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速差一倍。

圖4-20變極調(diào)速（a）△形接法；（b）雙Y形接法

變極調(diào)速方式轉(zhuǎn)速的平滑性差，但它經(jīng)濟(jì)、簡單，且機(jī)械特性硬，穩(wěn)定性好，所以許多工廠的生產(chǎn)機(jī)械一般采用這種方法和機(jī)械調(diào)速協(xié)調(diào)進(jìn)行調(diào)速

采用變極調(diào)速方法的電動(dòng)機(jī)稱作雙速電機(jī)，由于調(diào)速時(shí)其轉(zhuǎn)速呈跳躍性變化，因而只用在對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，如銑床、鏜床、磨床等機(jī)床上。4.5.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速在繞線式異步電動(dòng)機(jī)中，可以通過改變轉(zhuǎn)子電阻來改變轉(zhuǎn)差率，從而改變電機(jī)的速度。如圖4-21所示，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變，轉(zhuǎn)子電阻R2增大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)速下降，工作點(diǎn)下移，機(jī)械特性變軟。當(dāng)平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但調(diào)速范圍較小，且要消耗電能，一般用于起重設(shè)備上。圖4-21變轉(zhuǎn)差率調(diào)速T00TSnn'??TLTLS'S??

電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也稱為滑差電動(dòng)機(jī)，從原理上看，它是一臺(tái)帶有電磁滑差離合器的普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

電磁滑差離合器由電樞和磁極兩部分組成，他們之間無機(jī)械聯(lián)系，各自能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。電樞由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱為主動(dòng)部分。磁極由直流勵(lì)磁，與生產(chǎn)機(jī)械聯(lián)接，稱為從動(dòng)部分。4.6三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)脫離電源之后，由于慣性，電動(dòng)機(jī)要經(jīng)過一定的時(shí)間后才會(huì)慢慢停下來,，但有些生產(chǎn)機(jī)械要求能迅速而準(zhǔn)確地停車，那么就要求對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)控制。電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法可以分為兩大類：機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)一般利用電磁抱閘的方法來實(shí)現(xiàn)；電氣制動(dòng)一般有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋發(fā)電制動(dòng)三種方法。

圖4-22能耗制動(dòng)示意圖(a)接線圖；(b)原理示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，將QS閉合，電動(dòng)機(jī)接三相交流電源起動(dòng)運(yùn)行。制動(dòng)時(shí)，將QS斷開，切斷交流電源的連接，并將直流電源引入電機(jī)的V、W兩相，在電機(jī)內(nèi)部形成固定的磁場(chǎng)。電動(dòng)機(jī)由于慣性仍然順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子繞阻作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，依據(jù)右手螺旋法則，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)左手定則可以判斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反的電磁力作用，由于該力矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，稱為制動(dòng)力矩，該力矩使得電動(dòng)機(jī)很快停轉(zhuǎn)。這種制動(dòng)的特點(diǎn)是制動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、耗能小，但需直流電源，且制動(dòng)時(shí)間較長，多用于起重提升設(shè)備等生產(chǎn)機(jī)械中。4.6.2反接制動(dòng)反接制動(dòng)是指制動(dòng)時(shí)，改變定子繞組任意兩相的相序，使得電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)換向，反向磁場(chǎng)與原來慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間相互作用，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，切斷電機(jī)的電源，如圖4-23所示。

顯然反接制動(dòng)比能耗制動(dòng)所用的時(shí)間要短。圖4-23反接制動(dòng)示意圖(a)接線圖；(b)原理圖正常運(yùn)行時(shí)，接通KM1，電動(dòng)機(jī)加順序電源U—V—W起動(dòng)運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，接通KM2，從圖可以看出，電動(dòng)機(jī)的定子繞組接逆序電源V—U—W，該電源產(chǎn)生一個(gè)反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于慣性，電動(dòng)機(jī)仍然順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的方向按右手螺旋法則可以判斷，再根據(jù)左手定則判斷轉(zhuǎn)子的受力F。顯然，轉(zhuǎn)子會(huì)受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反，而與新旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同的制動(dòng)力矩，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，應(yīng)切斷反接電源，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反方向起動(dòng)。

反接制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)時(shí)間短，操作簡單，但反接制動(dòng)時(shí)，由于形成了反向磁場(chǎng)，所以使得轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大大增大，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流很大，能耗也較大。為限制電流，一般在制動(dòng)回路中串入大電阻。另外反接制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，會(huì)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成一定的機(jī)械沖擊，影響加工精度，通常用于一些頻繁正反轉(zhuǎn)且功率小于10kW的小型生產(chǎn)機(jī)械中。4.6.3回饋發(fā)電制動(dòng)回饋發(fā)電制動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下，由于某種原因，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，比如在起重機(jī)械下放重物、電動(dòng)機(jī)車下坡時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)這種情況，這時(shí)重物拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變運(yùn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及轉(zhuǎn)子電流也反向，于是轉(zhuǎn)子受到制動(dòng)力矩，使得重物勻速下降。此過程中電動(dòng)機(jī)將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋給電網(wǎng)，所以稱為回饋發(fā)電制動(dòng)。4.7三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇4.4.1種類選擇選擇電動(dòng)機(jī)的種類應(yīng)首先使電動(dòng)機(jī)滿足生產(chǎn)設(shè)備的需求，然后再考慮結(jié)構(gòu)、價(jià)格、可靠性、維修等方面的問題。異步電動(dòng)機(jī)有鼠籠式和繞線式兩種。

鼠籠式的優(yōu)點(diǎn)明顯多于繞線式，所以一般多選用鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的調(diào)速方法起動(dòng)，但調(diào)速性能較差，可以用于沒有特殊要求（調(diào)速要求不嚴(yán)）的場(chǎng)合，比如各種泵、通風(fēng)機(jī)、普通機(jī)床等設(shè)備上。

采用變頻器提供的變頻電源供電之后，鼠籠式異