三相異步電動機的電力拖動

6.1異步電動機的機械特性

三相異步電動機的機械特性是指在定子電壓、頻率和參數(shù)固定的條件下，電磁轉矩Te與轉速n（或轉差率s）之間的函數(shù)關系。一、機械特性的三種表達式

1.物理表達式在第七章我們已導出異步電動機的電磁轉矩公式（6-1）

這樣，由上式可間接得到異步電動機的機械特性關系。雖然不能直接得到異步電動機的機械特性關系，但因其在形式上與直流電動機的轉矩方程相似，物理概念清楚，因此被稱為機械特性的物理表達式。2.參數(shù)表達式根據(jù)異步電動機電磁轉矩與電磁功率的關系，可以寫出電磁轉矩與轉子電流的關系（6-2）

在上式中，固定Us、f1及阻抗等參數(shù)，電磁轉矩只是轉差率的函數(shù)，也就是異步電動機的機械特性關系。這里，電磁轉矩方程是以異步電動機參數(shù)的形式表示的，便于根據(jù)電動機參數(shù)進行計算，因此稱為機械特性的參數(shù)表達式。由便可畫出Te

-s曲線。3.實用表達式實際應用時，三相異步電動機的參數(shù)不易得到，所以參數(shù)表達式使用不便。若能利用異步電機產(chǎn)品目錄中給出的數(shù)據(jù)，找出異步電動機的機械特性公式，即便是比較粗糙，但也很有實用價值，這就是實用公式。

(1)最大電磁轉矩在參數(shù)表達式（6-2）中令，可得到最大電磁轉矩（6-3）最大轉矩對應的轉差率稱為臨界轉差率，用sm表示為（6-4）式中“+”號適用于電動機狀態(tài)；“-”號適用于發(fā)電機狀態(tài)。一般情況下，的值不超過值的5%，可以忽略Rs的影響。這樣（6-5）

也就是說，異步發(fā)電機狀態(tài)和電動機狀態(tài)的最大電磁轉矩的絕對值可近似認為相等，臨界轉差率也近似認為相等，機械特性具有對稱性。上兩式說明：最大電磁轉矩與電壓的平方成正比，與漏電抗成反比；臨界轉差率與轉子電阻成正比，與電壓大小無關。

最大電磁轉矩與額定電磁轉矩的比值即最大轉矩倍數(shù)，又稱過載能力，用

表示為（6-6）

(2)實用表達式的推導用式（6-3）去除以式（6-4）得因為其中

當定子電阻的范圍為，q的范圍為。若定子電阻滿足，就有。所以只要滿足定子電阻很小的條件上式可簡化為

這就是三相異步電動機機械特性的實用公式。

(3)實用公式的使用從實用公式可知，必須在知道最大轉矩Tem和臨界轉差率sm的基礎上才能進行計算。額定輸出轉矩T2N可以通過額定功率PN和額定轉速nN計算，在實際應用中，忽略空載轉矩，近似認為TN=T2N。另外，過載能力可以從產(chǎn)品目錄中查到，這樣。將額定工作點的sN和TN代入式，得

這樣在實用表達式中，在按產(chǎn)品目錄求出Tem與sm后，只剩下Te與s兩個未知數(shù)了。如欲繪制異步電動機的機械特性，只要給定一系列的s值，按實用表達式求出相應的Te值即可繪制出機械特性曲線。當電動機在額定負載以下運行時，轉差率s很小，，實用表達式可進一步近似寫為由此可見，當時，Te與s成正比，機械特性是一條直線。上式稱為機械特性的近似計算公式，應用這個公式時，sm可按下式計算

對于異步電動機機械特性的3種表達式，其應用場合各有不同。一般物理表達式適用于定性地分析Te與及間的關系；參數(shù)表達式多用于分析各參數(shù)變化對電動機運行性能的影響；實用表達式最適用于進行機械特性的工程計算。

二、固有機械特性

1.固有機械特性曲線三相異步電動機在電壓、頻率均為額定值不變時，在定轉子回路中不串入任何電路元件條件下的機械特性稱為固有機械特性。其T-s曲線（也即T-n曲線）見圖1所示。其中曲線1為電源正相序時的機械特性曲線，此時異步電動機處于正向電動運行狀態(tài)；曲線2為電源負相序時的機械特性曲線，此時異步電動機處于反向電動運行狀態(tài)。

異步電機的機械特性可視為由兩部分組成，即當時，機械特性近似為直線，稱為機械特性的直線部分，又可稱為工作部分，因為電動機不論帶何種性質的負載均能穩(wěn)定運行；當時，機械特性為一曲線，稱為機械特性的曲線部分，有時又稱之為非工作部分。但所謂非工作部分是僅對恒轉矩負載或恒功率負載而言的，因為電動機這一特性段與這類負載轉矩特性的配合，使電力拖動系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，而對于泵類風機性負載，則在這一特性段上系統(tǒng)卻能穩(wěn)定工作。2.起動轉矩三相異步電動機起動時，即n=0，s=1時的電磁轉矩稱為起動轉矩，用Tst

表示。將s=1代入式中，得到起動轉矩

從式中看出，Tst

與電壓平方成正比，漏電抗越大，起動轉矩越小。將起動轉矩與額定電磁轉矩的比值稱為起動轉矩倍數(shù)，用KT

表示

電動機起動時，起動轉矩Tst大于1.1～1.2倍的負載轉矩就可以順利起動。一般異步電動機起動轉矩倍數(shù)KT=0.8～1.2。3.穩(wěn)定運行問題三相異步電動機的機械特性在范圍內，是一根下斜的曲線。根據(jù)電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定條件，三相異步電動機拖動恒轉矩負載和泵類負載運行時，均能穩(wěn)定運行。而在范圍，機械特性上翹，如果三相異步電動機拖動恒轉矩負載將不能穩(wěn)定運行。但如果是拖動泵類負載，若滿足的條件，即可以穩(wěn)定運行。但是由于這時候轉速低，轉差率大，轉子電動勢比正常運行時大很多。這將造成轉子電流、定子電流均很大，因此不能長期運行。所以，三相異步電動機穩(wěn)定運行在

范圍內，長期穩(wěn)定運行在范圍內。

三、人為機械特性三相異步電動機在改變電源電壓、電源頻率、定子極對數(shù)或增大定、轉子阻抗的情況下，所得到的機械特性稱為人為機械特性。

1.降低定子端電壓的人為機械特性在電磁轉矩的參數(shù)表達式中，保持其它量都不變，只改變定子電壓Us的大小。由于異步電動機的磁路在額定電壓下工作于近飽和點，故不宜再升高電壓，所以只討論降低定子電壓Us時的人為機械特性。

2.定子回路串三相對稱電阻的人為機械特性定子回路串入電阻并不影響同步轉速n1，但是最大電磁轉矩Tem、起動轉矩Tst

和臨界轉差率sm都隨著定子回路電阻值的增大而減小。3.定子回路串三相對稱電抗的人為機械特性定子回路串入三相對稱電抗的人為機械特性與串電阻的相似，只是這種情況下電抗不消耗有功功率，而串電阻時電阻消耗有功功率。

4.轉子回路串三相對稱電阻的人為機械特性繞線式三相異步電動機通過滑環(huán)，可以把三相對稱電阻串入轉子回路后再三相短路。轉子回路串入電阻并不影響同步轉速n1。又因為最大電磁轉矩與轉子回路電阻無關，即轉子串入電阻后，Tem不變。由于臨界轉差率與轉子回路電阻成正比，當轉子串入電阻后sm增大。轉子回路串三相對稱電阻的人為機械特性如圖4所示。

從圖4看出，在轉子回路中串入合適的電阻，可以增大起動轉矩，當所串入的電阻滿足（16）則有，即起動轉矩為最大電磁轉矩，其中。但是若串入轉子回路的電阻再增加，則，。因此，轉子回路串電阻增大起動轉矩并非是電阻越大越好，而是有一個限度。

6.2異步電動機的起動異步電動機定子繞組接入電網(wǎng)后，轉子從靜止狀態(tài)到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，稱為異步電動機的起動。在電力拖動系統(tǒng)中，通常要求電動機應具有足夠大的起動轉矩，以拖動負載較快地達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，而起動電流又不要太大，以免引起電網(wǎng)電壓波動過大，而影響電網(wǎng)上其它負載的正常工作。因此，衡量異步電動機起動性能的主要指標是起動轉矩倍數(shù)KT=Tst

/TN和起動電流倍數(shù)KI=Ist/IN。一、異步電動機起動性能分析普通的異步電動機如果不采取任何措施而直接接入電網(wǎng)起動時，往往起動電流Ist

很大，而起動轉矩Tst

不足。其原因可以根據(jù)下面異步電動機的轉矩公式來分析。

在起動初始，異步電動機轉速為n=0，轉差率s=1，轉子電流的頻率f2=sf1，轉子繞組的電動勢sEr0=Er0，比正常運行時（s=0.01～0.05）的電動勢值大20倍以上，此時轉子電流Ir很大，定子電流的負載分量也隨之急劇增大，使得定子電流（即起動電流）很大；其次，由于轉子頻率很高（f2=sf1≈50Hz），轉子漏磁sXr0>>Rr，使得轉子內的功率因數(shù)cosφ2很小，所以盡管起動時轉子電流Ir

很大，但其有功分量Ircosφ2并不大，而且，由于起動電流很大，定子繞組的漏阻抗壓降增大，使得感應電勢Es和與之成正比的主磁通

m減小，因此起動轉矩Tst并不大。

總之，異步電動機在起動時存在以下兩種矛盾：

1）起動電流大，而電網(wǎng)承受沖擊電流的能力有限；

2）起動轉矩小，而負載又要求有足夠的轉矩才能起動。因此，應根據(jù)情況，針對主要矛盾，尋求不同的解決方法。下面按4種情況分別討論常用的異步電動機的起動方法。

二、小容量電動機的輕載起動——直接起動直接起動就是利用開關或接觸器將電動機的定子繞組直接接到具有額定電壓的電網(wǎng)上,也稱為全壓起動。這種起動方法的優(yōu)點是操作簡便、起動設備簡單；缺點是起動電流大，會引起電網(wǎng)電壓波動?，F(xiàn)代設計的籠型異步電動機，本身都允許直接起動。因此對于籠型異步電動機而言，直接起動方法的應用主要受電網(wǎng)容量的限制。

三、中、大容量電動機輕載起動——降壓起動若電動機容量較大，則不能直接起動。此時，若仍是輕載起動，起動時的主要矛盾就是起動電流大而電網(wǎng)允許沖擊電流有限的矛盾，對此只有減小起動電流才能予以解決。而對于籠型異步電動機，減小起動電流的主要方法是降壓起動。

1.星形-三角形（Y-Δ）換接起動

Y-Δ換接起動方法只適用于正常運行時定子繞組接成三角形的電動機，其每相繞組均引出兩個出線端，三相共引出六個出線端。在起動時將定子繞組接成星形，起動完畢后再換接成三角形。這樣，在起動時就把定子每相繞組上的電壓降到正常工作電壓的。設起動時接成Y形的定子繞組的線電壓為Us，該電壓也就是電網(wǎng)電壓，則相電壓為。這時線電流與相電流相等，則Y形起動電流為

三角形連接時每相繞組的相電壓與線電壓相等為Us，相電流是線電流的，即Δ形起動電流為

2.自耦降壓起動自耦降壓起動方法就是利用三相自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，以減小起動電流的起動方法。采用自耦變壓器降壓起動時，自耦變壓器的一次側（高壓邊）接電網(wǎng)，二次側（低壓邊）接到電動機的定子繞組上，待其轉速基本穩(wěn)定時，再把電動機直接接到電網(wǎng)上，同時將自耦變壓器從電網(wǎng)上切除。

根據(jù)變壓器原理，可知

設I2為定子繞組電壓為U2時的起動電流，Ist為全電壓U1時的起動電流，則（19）根據(jù)以上兩式，可得

上式表明：利用自耦變壓器后，電動機端電壓Us=U2降到，定子電流Is=I2也降到，通過自耦變壓器，又使從電網(wǎng)上吸取的電流I1降低為全電壓起動電流Ist的。由于，而異步機的電磁轉矩，所以利用自耦變壓器后，起動轉矩也降到（Tst為全電壓U1時的起動轉矩），即起動轉矩與起動電流降低同樣的倍數(shù)。3.串電阻（抗）起動方法所謂串電阻（抗）起動，即起動時，在電動機定子電路中串接電阻或電抗，待電動機轉速基本穩(wěn)定時再將其從定子電路中切除。由于起動時，在串接電阻或電抗上降掉了一部分電壓，所以加在電動機定子繞組上的電壓就降低了，相應地起動電流也減小了。起動電流：起動轉矩：起動電阻的求?。篩形接法：Δ形接法：

該起動方法的優(yōu)點是起動電流沖擊小，運行可靠，起動設備構造簡單；缺點是起動時電能損耗較多?；\式異步電動機定子串接電阻（抗）降壓起動時，串接電阻的大小應根據(jù)電動機的參數(shù)及起動要求來選擇計算，具體計算方法可參閱教材相關內容。

4.延邊三角形起動方法圖9a為正常運行時為三角形聯(lián)結的電動機（380/660V）的定子三相繞組，每相繞組的中間引出一個出線端，故定子三相繞組共有9個出線端。如起動時將繞組的1、2、3三個出線端接電源；4、5、6三個出線端分別與三個中間出線端8、9、7相連，如圖9b所示，即成了所謂的延邊三角形聯(lián)結法。三相繞組聯(lián)結成延邊三角形時，繞組的相電壓低于電源電壓，且降低值與繞組的中間引出端的抽頭比例有關。因此在起動過程中，將定子繞組聯(lián)結成延邊三角形，可使定子繞組的電壓降低，也能減小起動電流。

延邊三角形起動具有體積小、質量輕、允許經(jīng)常起動等優(yōu)點，而且采用不同的抽頭比例，可以得到延邊三角形聯(lián)結法的不同相電壓，其值比星形-三角形換接起動時星形聯(lián)結法的電壓值高，因此其起動轉矩比星形-三角形換接起動時大，它能用于重載起動。延邊三角形起動法預期將獲得進一步推廣，并將逐步取代自耦降壓起動方法。其缺點是電動機內部接線較為復雜。

四、小容量電動機重載起動——籠型異步電動機的特殊形式小容量電動機重載起動時的主要矛盾是起動轉矩不足。解決這一矛盾的方法有兩個：一是按起動要求選擇容量大一號或更大些的電動機；另一是選用起動轉矩較高的特殊形式的籠型電動機。通過改進其內部的結構，獲得較好起動性能的特殊型式的籠型異步電動機，主要有高轉差率籠型異步電動機、深槽式異步電動機、雙籠型異步電動機等。這些特殊形式的籠型異步電動機的共同特點是起動轉矩較大。1.高轉差率鼠籠式異步電動機這種電動機的轉子導條不是采用普通的鋁條，而是采用電阻率較高的ZL-14鋁合金，通過適當?shù)丶哟筠D子導條的電阻來改善起動性能，這樣既可限制起動電流，又可增大起動轉矩。但這種電動機在穩(wěn)定運行時轉差率比普通的鼠籠式電動機的轉差率高，鼓稱之為高轉差鼠籠式異步電動機。國產(chǎn)高轉差鼠籠式異步電動機的型號為JZ型，使用場合主要是起重運輸機械和冶金企業(yè)的輔助機械的電力拖動等，因此也稱之為起重-冶金型電動機。為了適應起動頻繁的要求，除適當增大了轉子導條的電阻改善其起動性能外，該電動機的結構也比較堅固，與普通鼠籠式電動機相比，定子和轉子間的氣隙較大，過載能力也高。但也正因為這種電動機的氣隙大，使得激磁電流也大，功率因數(shù)降低，再加上轉子電阻大而引起的正常運行時的損耗較大，效率比較低。所以不是經(jīng)常起動的拖動系統(tǒng)一般不采用這種電動機。2.深槽式異步電動機這種電動機是靠適當改變轉子的槽形，充分利用電動機起動過程中轉子導條內的“集膚效應”，以達到既改善起動性能又不降低正常運行效率的目的。所謂集膚效應即是轉子槽漏磁通引起轉子導條的電流集擠在導條表層的效應。

3.雙籠型異步電動機這種異步電動機的轉子上安裝了兩套籠，如圖11所示。兩個籠間由狹長的縫隙隔開，顯然里面的籠相連的漏磁通比外面的籠的大得多。外面的籠導條較細，采用電阻率較大的黃銅或鋁青銅等材料制成，故電阻較大，稱為起動籠；里面的籠截面較大，采用電阻率較小的紫銅等材料制成，故電阻較小，稱為運行籠。

五、中、大容量電動機重載起動——繞線轉子異步電動機的起動中、大容量電動機重載起動時，起動的兩種矛盾同時起作用，問題最尖銳。如果上述特殊形式的籠型電動機還不能適應，則只能采用繞線轉子異步電動機了。在繞線轉子異步電動機的轉子上串接電阻時，如果阻值選擇合適，可以既增大起動轉矩，又減小起動電流，兩種矛盾都能得到解決。三相繞線式異步電動機的起動方法通常有轉子串接電阻起動和轉子串接頻敏變阻器起動兩種方法。1.轉子串接電阻起動方法繞線式異步電動機的轉子是三相繞組，它通過滑環(huán)與電刷可以串接附加電阻，因此可以實現(xiàn)一種幾乎理想的起動方法，即在起動時，在轉子繞組中串接適當?shù)钠饎与娮瑁詼p小起動電流，增加起動轉矩，待轉速基本穩(wěn)定時，將起動電阻從轉子電路中切除，進入正常運行。解析法：推廣到m級起動的一般情況，則有：式中為對應電阻最大一級的電樞回路電阻。β為起動轉矩比。從而可得m級起動時各級電樞回路總電阻為：2.轉子串接頻敏變阻器起動方法轉子串接電阻起動的繞線式異步電動機，當功率較大時，轉子電流很大；若起動電阻逐段變化，則轉矩變化也較大，對機械負載沖擊較大；此外，大功率電動機的控制設備較龐大，操作維護也不方便。如果采用頻敏變阻器代替起動電阻，則可克服上述缺點。頻敏變阻器的特點是其電阻值隨轉速的上升而自動減小。6.3異步電動機的調速與直流拖動系統(tǒng)相似，在實際應用中往往也要求拖動生產(chǎn)機械的交流電動機的轉速能夠調節(jié)，但是要實現(xiàn)交流調速要比直流調速復雜和困難得多。本節(jié)僅討論異步電動機調速的基本原理和方法。按照異步電動機的基本原理，從定子傳入轉子的電磁功率Pem可分成兩部分：一部分為拖動負載的有效功率；另一部分是轉差功率，與轉差率成正比。從能量轉換的角度看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是回收，顯然是評價調速系統(tǒng)效率的一個指標。據(jù)此，又可把異步電動機的調速方法分為三類：

1）轉差功率消耗型

——全部轉差功率都轉換成熱能消耗掉。它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低（恒轉矩負載時），越向下調效率越低。這類調速方法的效率最低，

2）轉差功率回饋型

——轉差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉化成機械能予以利用，轉速越低時回收的功率越多，其效率比前者高。

3）轉差功率不變型

——轉差功率中轉子銅損部分的消耗是不可避免的，但由于這類調速方法無論轉速高低，轉差率保持不變，所以轉差功率的消耗也基本不變，因此效率最高。下面就以這種分類方法介紹幾種異步電動機主要調速方法的工作原理及其特性。

一、轉差功率消耗型異步電動機調速方法這類方法的共同特點是在調速過程中均產(chǎn)生大量的轉差功率，并消耗在轉子電路中。轉差功率消耗型調速方法主要有改變定子電壓調速法、轉子電路串接電阻調速法等。

1.改變定子電壓調速異步電動機在同步轉速n1和臨界轉差率sm

保持不變的情況下，輸出轉矩與所加定子電壓的平方成正比。因此，改變定子電壓就可以改變其機械特性的函數(shù)關系，從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。

對于恒轉矩調速，如能增加異步電動機的轉子電阻（如繞線式轉子異步電動機或高轉差率鼠籠式異步電動機），則改變電動機定子電壓可獲得較大的調速范圍，如圖15所示。

但此時電動機的機械特性太軟，往往不能滿足生產(chǎn)機械的要求，且低壓時的過載能力較低，負載的波動稍大，電動機就有可能停轉。對于恒轉矩性質的負載，如果要求調速范圍較大，往往采用帶轉速反饋控制的交流調壓器，以改善低速時電動機的機械特性。

2.轉子電路串接電阻調速這種方法只適用于繞線式異步電動機，如圖16所示：

二、轉差功率回饋型異步電動機調速方法——串級調速針對上述串電阻調速存在的低效問題，設想如果在繞線式異步電動機轉子電路中串入附加電動勢Eadd

來取代電阻，通過電動勢這樣一種電源裝置吸收轉子上的轉差功率，并回饋給電網(wǎng)，以實現(xiàn)高效平滑調速——這就是串級調速的思想。根據(jù)電機的可逆性原理，異步電機既可以從定子輸入或輸出功率，也可以從轉子輸入或輸出轉差功率，因此同時從定子和轉子向電機饋送功率也能達到調速的目的。所以，串級調速又稱為雙饋調速。1.串級調速的基本原理串級調速的原理圖如圖17所示，在繞線式異步電動機的三相轉子電路中串入一個電壓和頻率可控的交流附加電動勢Eadd

，通過控制使Eadd與轉子電動勢Er

具有相同的頻率，其相位與Er

相同或相反。

當電動機轉子沒有串接的附加電動勢，即Eadd=0時，異步電動機處在固有機械特性上運行。若電動機轉子串接附加電動勢，即Eadd≠0，這時，由式（2）轉子電流Ir為（40）

由此可見，可以通過調節(jié)Eadd的大小來改變轉子電流Ir的數(shù)值，而電動機產(chǎn)生的電磁轉矩Te也將隨著Ir的變化而變化，使電力拖動系統(tǒng)原有的穩(wěn)定運行條件Te=TL被打破，迫使電機變速。這就是繞線式異步電動機串接調速的基本原理。在串級調速過程中，電機轉子上的轉差功率Ps=sPem

只有一小部分消耗在轉子電阻上，而大部分被Eadd吸收，再設法通過電力電子裝置回饋給電網(wǎng)。因此，串級調速與串電阻調速相比，具有較高的效率。2.串級調速的控制方式

(1)次同步調速方式使Eadd的相位與Er相差180

，這時轉子電流的表達式為（28）

由上式可知，增加附加電動勢Eadd的幅值，將減少轉子電流Ir，也就是減少轉矩Te，從而降低電機的轉速n。在這種控制方式中，轉速是由同步速向下調節(jié)的，始終有n<n1。

(2)超同步調速方式如果使串接的附加電勢Eadd與Er同相，則轉子電流Ir變?yōu)椋?9）

這時，隨著Eadd的增加，轉子電流Ir增大，電動機輸出轉矩Te也增大，使電動機加速。與此同時，轉差率s將減小，而且隨著s的減小，Ir也減小，最終達到轉矩平衡Te=TL。

3.串級調速的工作狀態(tài)串級調速可實現(xiàn)5種基本運行狀態(tài)，不同運行狀態(tài)下的功率傳遞關系如右圖所示：

次同步轉速電動狀態(tài)超同步轉速電動狀態(tài)超同步轉速發(fā)電狀態(tài)次同步轉速發(fā)電狀態(tài)倒拉反接制動狀態(tài)4.串級調速的機械特性（31）

上式表明：串級調速異步電動機的轉矩是由兩部分合成的，T1=Te為未串接Eadd時的固有轉矩，T2為串接所引起的轉子電流分量與旋轉磁場相互作用所產(chǎn)生的轉矩分量。5.串級調速的實現(xiàn)串級調速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是產(chǎn)生交流附加電動勢Eadd

的裝置。由于異步電動機轉子中感應電勢sEr0的頻率是隨著轉速而變化的，在任何轉速下串入轉子的Eadd

必須與sEr0保持相同的頻率，這就要求交流附加電勢Eadd的頻率可以調節(jié)，且在電機調速時Eadd的頻率必須隨著sEr0頻率的改變而同步變化。目前Eadd大多采用由電力電子器件組成的變頻裝置，其具體線路及其控制方式可參閱有關文獻。

三、轉差功率不變型異步電動機調速方法這類調速系統(tǒng)中，轉差功率只有轉子銅耗，而且無論轉速高低，轉差功率基本不變。這類調速方法主要有變極調速和變頻調速兩種。

1.變極調速——多速異步電動機由于一般異步電動機正常運行時的轉差率很小，電動機的轉速n=n1(1-s)主要取決于同步轉速。從n1=60f1/np可知，在電源頻率保持不變的情況下，改變定子繞組的極對數(shù)np，即可改變電動機的同步轉速n1，從而使電動機的轉速n也隨之改變，這就是變極調速的基本原理。改變定子繞組的極對數(shù)，通常用改變定子繞組的聯(lián)結方式來實現(xiàn)。變極可以采用多種方式方法，下面僅以“倍極比反向變極法”為例說明其原理。

由此可知，若要使定子繞組的極對數(shù)改變一倍，只要改變定子繞組的連接方式，即將每相繞組分成兩個“半相繞組”，通過改變其引出端的聯(lián)結方式，使其中任一“半相繞組”中的電流反向，即可使定子繞組的極對數(shù)增大（或減少）一倍。常用的改變定子繞組極對數(shù)的連接方法有兩種，如下圖所示：

上述兩種變極連接方法，雖然都能使定子繞組的極對數(shù)減少一半，轉速增大一倍，但電動機的負載能力的變化卻不同。所謂調速過程中電動機負載能力的變化，是指在保持定子電流為額定值的條件下，調速前后電動機軸上輸出的轉矩和功率的變化。現(xiàn)分析以上兩種變極調速方法改接前后電動機的輸出轉矩和功率的變化情況。設電源線電壓為UN，當定子繞組由單星形改接成雙星形時，改接前電動機的輸出功率為

改接成雙星形后，如保持定子繞組相電流Is不變，并假設在改接后，η和cos

φ

1均保持不變，則電動機的輸出功率為

比較兩式可知：改接前后電動機的輸出功率之比，即改接后電動機的輸出功率增加了一倍。根據(jù)異步電動機的輸出轉矩與輸出功率間的關系，由于改接后輸出功率增加一倍，轉速也增加一倍，因此改接前后電動機輸出的轉矩之比為（32）

上式說明：Y/YY變極調速屬于恒轉矩性質，其機械特性如圖23所示。這種變極調速方法適用于恒轉矩負載的拖動系統(tǒng)，如起重機、傳輸帶等機械。

當定子繞組由三角形改接成雙星形時，改接前電動機的輸出功率為

改接成雙星形后，如保持定子繞組相電流Is不變，并假設在改接后，η和cosφ1均保持不變，則電動機的輸出功率為比較兩式可得改接前后電動機的輸出功率之比為（33）

即采用△/YY改接方法，電動機的輸出功率在改接前后基本保持不變，所以△/YY變極調速屬于恒功率性質。根據(jù)轉矩關系式可知，采用△/YY改接方法，當轉速增加一倍時，轉矩則減小一半。其機械特性如圖24所示。

從以上分析可以看出，異步電動機的變極調速簡單可靠、成本低、效率高、機械特性硬，且既可適用于恒轉矩調速也可適用于恒功率調速，屬于轉差功率不變型調速方法，但變極調速是有級調速，不能實現(xiàn)均勻平滑的無級調速，且能實現(xiàn)的速度檔也不可能太多。此外，多速電動機的尺寸一般比同容量的普通電動機稍大，運行性能也稍差一些，且接線頭較多，并需要專門的換接開關，但總體上，變極調速還是一種比較經(jīng)濟的調速方法。

2.變頻調速從異步電動機的轉速公式n=n1(1-s)可知，若改變電源頻率f1，則可平滑地改變異步電動機的同步轉速n1=60f1/np，異步電動機的轉速n也隨之改變，所以改變電源頻率可以調節(jié)異步電動機的轉速。變頻調速屬于轉差功率不變型調速類型，具有調速范圍寬，平滑性好等特點，是異步電動機調速最有發(fā)展前途的一種方法。隨著電力電子技術的發(fā)展，許多簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜的變頻調速裝置已得到廣泛應用。這里僅介紹變頻調速的原理、性能及特性，而不具體研究各種變頻調速系統(tǒng)的控制電路。

在異步電動機調速時，總是希望主磁通

m保持為額定值，這是因為如果磁通太弱，電動機的鐵心得不到充分利用，是一種浪費；而如果磁通太強，又會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時甚至會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電動機，其勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，容易保持

m不變，而在異步電動機中，磁通是定子和轉子磁勢共同作用的結果，所以保持

m不變的方法與直流電動機的情況不同。根據(jù)異步電動機定子每相電動勢有效值的公式如果略去定子阻抗壓降，則定子端電壓Us≈Es，即有上式表明，在變頻調速時，若定子端電壓不變，則隨著頻率f1的升高，氣隙磁通

m將減小。（34）又從轉矩公式可知，在I’r

相同的情況下，

m

減小勢必導致電動機輸出轉矩下降，使電動機的利用率惡化。同時，電動機的最大轉矩也將減小，嚴重時會使電動機堵轉。反之，若減小頻率f1，則

m將增加，使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵損急劇增加，這也是不允許的。因此，在變頻調速過程中應同時改變定子電壓和頻率，以保持主磁通不變。而如何按比例改變電壓和頻率，這要分基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況討論。

1）基頻以下調速根據(jù)式（34），要保持

m不變，應使定子端電壓Us與頻率f1成比例地變化，即（35）

由最大轉矩公式其中，當f1相對較高時，因可忽略定子電阻Rs，這樣上式可簡化為（36）

由于Tem=KTTN，因此為了保證變頻調速時電機過載能力不變，就要求變頻前后的定子端電壓、頻率及轉矩滿足（37）

式（37）表示了，在變頻調速時為了使異步電動機的過載能力保持不變，定子端電壓的變化規(guī)律。對于恒轉矩調速，因為TN=T’N，由式（37）可得即對于恒轉矩負載，采用恒壓頻比控制方式，既保證了電機的過載能力不變，同時又滿足主磁通

m保持不變的要求。這說明變頻調速適用于恒轉矩負載。

下面分析恒壓頻比控制變頻調速時，異步電動機的人為機械特性。因為Us/f1=常數(shù)，故磁通

m基本保持不變也近似為常數(shù)，此時異步電動機的電磁轉矩可表示為（38）

由于Us/f1=常數(shù)，且當f1相對較高時，從式（36）可看出，不同頻率時的最大轉矩Tem保持不變，所對應的最大轉差率為（39）

不同頻率時最大轉矩所對應的轉速降落為（40）

因此，恒壓頻比控制變頻調速時，由于最大轉矩和最大轉矩所對應的轉速降落均為常數(shù)，此時異步電動機的機械特性是一組相互平行且硬度相同的曲線，如圖25所示。但在f1變到很低時，也很小，Rs

不能被忽略，且由于Us和Es都較小，定子阻抗壓降所占的份額比較大。此時，最大轉矩和最大轉矩對應的轉速降落不再是常數(shù)，而是變小了。為保持低頻時電動機有足夠大的轉矩，可以人為地使定子電壓Us抬高一些，近似地補償一些定子壓降。

對于恒功率調速，由于保持恒定，則，即代入式（37）可得（42）

由此可見，在恒功率調速時，如按控制定子電壓的變化，能使電機的過載能力保持不變，但磁通將發(fā)生變化；若按控制定子電壓的變化，則磁通

m將基本保持不變，但電機的過載能力保持將在調速過程中發(fā)生變化。

2）基頻以上調速頻率f1從額定頻率f1N往上增加，若仍保持Us/f1=常數(shù)，勢必使定子電壓Us超過額定電壓UN，這是不允許的。這樣，基頻以上調速應采取保持定子電壓不變的控制策略，通過增加頻率f1，使磁通

m與f1成反比地降低，這是一種類似于直流電機弱磁升速的調速方法。設保持定子電壓Us=UN，改變頻率時異步電動機的電磁轉矩（43）

由于f1較高，可忽略定子電阻Rs，故最大轉矩為

其對應的最大轉差與轉速降落同式（39）和式（40），為常數(shù)。這樣，保持定子電壓Us不變，升高頻率調速時，最大轉矩隨頻率的升高而減小，而最大轉矩對應的轉速降落是常數(shù)，因此對應的機械特性是平行的，硬度也相同的。但頻率越高，最大轉矩越小，如右圖所示。

基頻以上變頻調速過程中，異步電動機的電磁功率為

在異步電動機的轉差率s很小時，由于上式中的Rs、均可忽略，即基頻以上變頻調速時，異步電動機的電磁功率可近似為（44）

由于變頻調速過程中，若保持Us不變，轉差率s變化也很小，故可近似認為調速過程中Pem是不變的，即在基頻以上的變頻調速，可近似為恒功率調速。

把基頻以下和基頻以上兩種情況綜合起來，可得到異步電動機變頻調速控制特性，如圖27所示。

要實現(xiàn)變頻調速必須有專用的變頻電源，隨著新型電力電子器件和半導體變流技術、自動控制技術等的不斷發(fā)展，變頻電源目前都是應用電力電子器件構成的變頻裝置。圖28所示為采用電力電子變頻器供電的異步電動機變頻調速系統(tǒng)。

綜上所述，三相異步電動機變頻調速具有優(yōu)異的性能，調速范圍大，調速的平滑性好，可實現(xiàn)無極調速；調速時異步電動機的機械特性硬度不變，穩(wěn)定性好；變頻時Us按不同規(guī)律變化可實現(xiàn)恒轉矩或恒功率調速，以適應不同負載的要求，是異步電動機調速最有發(fā)展前途的一種方法。但是，要實現(xiàn)變頻調速必須有專用的變頻電源。隨著新型電力電子器件和半導體變流技術、自動控制技術等的不斷發(fā)展，變頻電源目前都是應用電力電子器件構成的變頻裝置。關于變頻電源及其變頻調速的具體控制線路將在本專業(yè)后續(xù)課程中介紹，有興趣的同學也可參考有關的專著或文獻。6.4異步電動機的制動與直流電動機一樣三相異步電動機也可以工作在制動運轉狀態(tài)。制動狀態(tài)時，電動機的電磁轉矩方向與轉子轉動方向相反，起著制止轉子轉動的作用，電動機由軸上吸收機械能，并轉換成電能。電動機制動作用有制動停車、加快減速過程和變加速運動為等速運動等三種，制動的方法主要有能耗制動、反接制動和回饋制動三種。

一、異步電動機的能耗制動

1.能耗制動的原理如下圖所示，是將轉子的動能轉換成電能，消耗在轉子回路中，所以稱為能耗制動。

2.等效交流電流與直流勵磁電流的關系為了分析異步電動機能耗制動的特性，可將直流電流產(chǎn)生的不對稱勵磁系統(tǒng)用磁動勢幅值與它等效的對稱三相交流電流系統(tǒng)來代替。右圖為定子繞組為Y形聯(lián)接時，在定子繞組中通入直流電流Id

所產(chǎn)生的磁動勢為Fd，此磁勢相當于C相電流為零的瞬間，三相電流通入定子繞組所產(chǎn)生的磁勢。所不同的是通入直流電所產(chǎn)生的磁場在空間是靜止的，而通入三相交流電所產(chǎn)生的磁場在空間是旋轉的。但在切換電源的瞬間，站在轉子上看定子磁勢，它們相對于轉子，都是旋轉的。

設定子繞組Y形聯(lián)接時，通入定子電流為Id，在A相和B相繞組產(chǎn)生的磁動勢分別FA和FB，其合成磁動勢為Fd（46）（45）

假如通入三相交流電時，每相交流電流的有效值為Is

，所產(chǎn)生的定子磁勢Fs大小為（47）按等效原則，應有Fs=Fd，所以（48）

式（48）表明：對于圖30所示的定子繞組Y形聯(lián)接時通入直流電Id所產(chǎn)生的磁動勢，可以用定子繞組通入大小為的三相交流電產(chǎn)生的磁動勢等效。

3.轉差率和等效電路能耗制動時，由直流電流產(chǎn)生的磁動勢Fd相對于定子是靜止的，而相對于轉子是反方向旋轉，轉速為-n。因此，能耗制動時等效異步電動機的轉差率sd為（49）

經(jīng)過以上等效后，分析能耗制動特性就可以應用分析異步電動機的方法來進行。對應于轉速n，轉子繞組的感應電動勢、轉子頻率及轉子電抗分別為

再把轉子繞組折算到定子側，則可得到三相異步電動機能耗制動的等效電路及相量圖，如圖31所示。

4.能耗制動的機械特性根據(jù)等效電路，能耗制動時異步電動機的磁動勢關系可表示為若用電流表示則為根據(jù)相量圖，各電流大小關系為（53）若忽略鐵耗，則有（54）將式（54）、（55）代入式（53）并整理后可得（55）（56）（57）根據(jù)電磁轉矩與電磁功率的關系可得

上式表明，異步電動機能耗制動時的轉矩取決于等效電流Is，并且是轉子相對轉速sd與轉子電路電阻R’r的函數(shù)。圖32是異步電動機能耗制動時的機械特性曲線。

能耗制動結束時，n=0，Te=0，sd=0，這與電動機運行在電動狀態(tài)時機械特性不同。這表明：采用能耗制動使電動機轉速下降為零時，其制動轉矩也降為零，因此能耗制動可用于反抗性負載準確停機，也可使位能負載勻速下放。

二、異步電動機的反接制動實現(xiàn)異步電動機的反接制動有轉速反向與定子兩相對調兩種方法。

1.轉速反向的反接制動這種反接制動相當于直流電動機的電勢反向反接制動，適用于位能性負載的低速下放，也稱為倒拉反接制動。

2.定子兩相對調反接制動異步電動機定子兩相反接制動也稱為電壓反接制動，其接線原理圖和機械特性曲線如圖34所示。

轉速反向反接制動和定子兩相對調反接制動，它們雖然實現(xiàn)制動的方法不同，但在能量傳遞關系上是相同的。這兩種反接制動，電動機的轉差率都大于1，其機械功率和電磁功率分別為

這表明：與電動機電動狀態(tài)相比，反接制動時機械功率的傳遞方向相反，此時電動機實際上是輸入機械功率，所以異步電動機反接制動時，一方面從電網(wǎng)吸收電能，另一方面從旋轉系統(tǒng)獲得動能（定子兩相對調反接制動）或勢能（轉速反向反接制動）轉化為電能，這些能量都消耗在轉子回路中。因此，從能量損失來看，異步電動機的反接制動是很不經(jīng)濟的。轉子電流的無功分量為

三、異步電動機的回饋制動若異步電動機工作在正向電動狀態(tài)時，由于某種原因，在轉向不變的條件下，使轉速n大于同步轉速n1，則轉差率轉子感應電勢為負值，轉子電流有功分量為（58）（59）

由上兩式可以看出，當轉差率變負時，轉子電流的有功分量改變了方向，為負值，而無功分量的方向不變。這樣可繪出異步電動機在回饋制動狀態(tài)下的相量圖，如圖35b所示。

與直流電機相似，異步電動機的回饋制動還可用于正向回饋制動運行（例如電車下坡）或反向回饋制動運行（位能性負載）的拖動系統(tǒng)中，以獲得穩(wěn)定的轉速，這時負載的勢能轉化為回饋給電網(wǎng)的電能。

四、異步電動機運行狀態(tài)小結綜上所述，異步電動機可以工作在電動運行狀態(tài)，也可以工作在制動狀態(tài)，這些運轉狀態(tài)處于機械特性的不同象限內。當電動機正轉時，固有特性曲線1與人為特性曲線1’在第一象限為正向電動運行特性，第二象限為回饋制動特性，第四象限為反