电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第十八讲异步电机的起动、调速和制动 重点：改善起动性能的方法，宽范围调速策略 难点：宽范围高效平滑调速方法 问题：什么是起动过程，起动时间，起动转矩（倍数），起动电流（倍数）？为什么异步电机起动 转矩小而起动电流大？怎样提高异步电机的起动转矩抑制起动电流？有哪些起动方法？什么是调 速？调速范围是什么？有哪些调速方法？什么是制动过程？有哪些制动方法？ 1、异步电机起动、调速和制动的分析方法 (1)起动、制动和调速的概念 起动是电机从零转速升到负载所需转速的动态过程： 制动是电机从负载转速下降到零的动态过程： 调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并可能伴随负载的变化。起动和制动可以看成是调 速的特例。 (2)分析方法 起动、调速和制动都是转速动态变化过程。正确理解它们需要用动态方程来分析。但是，由于电机 的电气时间常数（电感与电阻之比）远远小于机械时间常数，电流变化很快而转速变化相对较慢， 因此，电机学中常用准稳态的方法来分析，即在短时间内认为转速不变，而电流很快达到稳态。 假设异步电机的参数不变，利用电机机械特性、等效电路和各种平衡关系的数学公式等手段来理解 如何实现起动、调速和制动这些动态过程。 2、异步电机的起动 异步电机起动是指异步电机接交流电网后，从静止状态开始到稳定运行的动态升速过程。 异步电机起动性能主要包括起动电流、起动转矩、起动时间、起动时消耗的能量和绕组的发热、起 动设备的简便性和可靠性等。 初始状态特点：转速等于零，转差率为1.0。 普通鼠笼转子异步电机起动电流倍数5一7，而起动转矩倍数1一2。 绕线转子异步电机通过转子外接电阻能够以最大转矩起动。而鼠笼转子异步电机通常需要设计成深 槽或双笼转子结构才能满足高起动转矩负载的需要，其工作原理是利用集肤效应使得转子电阻和电 抗与频率有关，而达到起动电流小且起动转矩高的能力。 (1)起动电流和起动转矩 异步电机起动时，定转子电流很大，激磁电流可以忽略不计，为此考虑采用异步电机简化等效电路 分析起动性能，定子电压U1,电流I,起动时转子静止，转差率等于1，转子电流频率等于定子电流 频率，可以得到稳态起动电流和稳态起动转矩表达式。在全压起动条件下，异步电机的特点是短路 阻抗小，阻抗角大，因此起动电流大，而起动电流有功分量很小，因此起动转矩小。 原因有两个方面：转子功率因数很小，转子电流有功分量很小；定子漏电抗压降很大，导致气隙磁 场减小。这两个因素都促成起动转矩小。 例如：假设异步电机简化等效电路中的定转子电阻相同，漏电抗也相同，且电抗为电阻的5倍，额定 转差率为0.02，那么起动电流是额定电流的5倍，起动转矩是额定转矩的一半(0.52)。 起动时的功率因数0.196很低，气隙磁通及其对应的电势只有额定状态的一半。 (2)起动电流对电网和电机及其环境的影响 1
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第十八讲 异步电机的起动、调速和制动 重点：改善起动性能的方法，宽范围调速策略 难点：宽范围高效平滑调速方法 问题：什么是起动过程，起动时间，起动转矩（倍数），起动电流（倍数）？为什么异步电机起动 转矩小而起动电流大？怎样提高异步电机的起动转矩抑制起动电流？有哪些起动方法？什么是调 速？调速范围是什么？有哪些调速方法？什么是制动过程？有哪些制动方法？ 1、异步电机起动、调速和制动的分析方法 （1）起动、制动和调速的概念 起动是电机从零转速升到负载所需转速的动态过程； 制动是电机从负载转速下降到零的动态过程； 调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并可能伴随负载的变化。起动和制动可以看成是调 速的特例。 （2）分析方法 起动、调速和制动都是转速动态变化过程。正确理解它们需要用动态方程来分析。但是，由于电机 的电气时间常数（电感与电阻之比）远远小于机械时间常数，电流变化很快而转速变化相对较慢， 因此，电机学中常用准稳态的方法来分析，即在短时间内认为转速不变，而电流很快达到稳态。 假设异步电机的参数不变，利用电机机械特性、等效电路和各种平衡关系的数学公式等手段来理解 如何实现起动、调速和制动这些动态过程。 2、异步电机的起动 异步电机起动是指异步电机接交流电网后，从静止状态开始到稳定运行的动态升速过程。 异步电机起动性能主要包括起动电流、起动转矩、起动时间、起动时消耗的能量和绕组的发热、起 动设备的简便性和可靠性等。 初始状态特点：转速等于零，转差率为1.0。 普通鼠笼转子异步电机起动电流倍数5－7，而起动转矩倍数1－2。 绕线转子异步电机通过转子外接电阻能够以最大转矩起动。而鼠笼转子异步电机通常需要设计成深 槽或双笼转子结构才能满足高起动转矩负载的需要，其工作原理是利用集肤效应使得转子电阻和电 抗与频率有关，而达到起动电流小且起动转矩高的能力。 （1）起动电流和起动转矩 异步电机起动时，定转子电流很大，激磁电流可以忽略不计，为此考虑采用异步电机简化等效电路 分析起动性能，定子电压Ｕ1，电流I1，起动时转子静止，转差率等于1，转子电流频率等于定子电流 频率，可以得到稳态起动电流和稳态起动转矩表达式。在全压起动条件下，异步电机的特点是短路 阻抗小，阻抗角大，因此起动电流大，而起动电流有功分量很小，因此起动转矩小。 原因有两个方面：转子功率因数很小，转子电流有功分量很小；定子漏电抗压降很大，导致气隙磁 场减小。 这两个因素都促成起动转矩小。 例如：假设异步电机简化等效电路中的定转子电阻相同，漏电抗也相同，且电抗为电阻的5倍，额定 转差率为0.02，那么起动电流是额定电流的5倍，起动转矩是额定转矩的一半（0.52）。 起动时的功率因数0.196很低，气隙磁通及其对应的电势只有额定状态的一半。 （2）起动电流对电网和电机及其环境的影响
电机学课堂进义第四部分异步电机10 上海交通大学电气工程系EE SJTU 起动电流大，电网电压短时跌落，电网品质变差，影响其它用户用电，尤其影响高品质产品加工。 起动电流大，电机绕组端部电磁力增大，可能损坏绝缘和端部机械结构。 起动电流大，电机绕组发热严重，影响电机绝缘和使用寿命。 起动电流大，对电机周围环境的电磁干扰增强。 大中型异步电机必须限制起动电流对电网的影响！ (3)异步电机起动方法 小功率异步电机通常定子电流小，对环境影响小，因此采用直接起动。大中型异步电机额定电流 大，短路阻抗标么值小，起动电流倍数大，需要采用传统的降压起动，和现代变流器技术的软起动 (调压或调压调频)。降压起动包括定子串联起动电抗、自耦变压器降压起动、星一三角转换起 动、延边三角形起动、绕线转子串电阻起动、特殊转子结构（如深槽转子与双笼结构）起动。软起 动包括变压恒频(VVCF)和变压变频(VVVF)起动。 A、定子串联电抗器起动 异步电机定子绕组串联足够大的电抗器后接电压源，实际异步电机获得的电压是电源电压经过分压 后的大小，由于电压下降，因此定子串联大电抗能显著减小起动电流，同时起动转矩与起动电流平 方呈正比减小。 B、定子接自耦变压器起动 三相异步电机通过自耦变压器接电源，电源电压经降压自耦变压器降乐加到异步电机，异步电机起 动电流则通过自耦变压器减小后作用到电网。设自耦变压器的变此为，那么异步电机电压与电流都 分别等于额定电压与全压起动电流的1/k,电网电流等于异步电机起动电流的1/k。所以接自耦变 压器后起动电流和起动转矩都只有全压起动时的1/ka。 C、星/三角转换起动 这种方法只适用于异步电机正常运行是三角形连接，并且三角形的六个出线端都在接线盒上，可以 根据需要改接。异步电机起动时，采用星形连接，这时每相绕组的电压只有额定电压的0.577倍，起 动线电流等于相电流按电压比例减小：采用三角形连接起动，起动线电流等于相电流的1.732倍。因 此，星/三角转换起动时，起动电流和起动转矩都只有三角形全压起动的1/3，与接变比为1.732的 自耦变压器一样。 D、绕线转子串电阻起动 绕线式异步电机转子外接电阻，机械特性的最大电磁转矩不变，而发生最大电磁转矩的转差率与转 子总电阻呈正比，因此选取金适的外接电阻，可使转子总电阻满足最大电磁转矩发生在转差率等于1 的状态，即以最大转矩起动 例如：异步电机转子电阻R2,自然机械特性最大电磁转矩对应的转差率为sm,计算外接电阻大小使 得异步电机以最大转矩起动。 解答：对于有然机械特性，发生最大电磁转矩的转差率 S =R2/X 要使起动转矩等于最大电磁转矩，那么 1=(R2+R)/X 于是，根据折算前后转子侧内外电阻值之比相同的条件，得到实际外接电阻与转子电阻之比 R/R2=R/R2=(1-5m)1sm 2
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 起动电流大，电网电压短时跌落，电网品质变差，影响其它用户用电，尤其影响高品质产品加工。 起动电流大，电机绕组端部电磁力增大，可能损坏绝缘和端部机械结构。 起动电流大，电机绕组发热严重，影响电机绝缘和使用寿命。 起动电流大，对电机周围环境的电磁干扰增强。 大中型异步电机必须限制起动电流对电网的影响！ （3）异步电机起动方法 小功率异步电机通常定子电流小，对环境影响小，因此采用直接起动。大中型异步电机额定电流 大，短路阻抗标幺值小，起动电流倍数大，需要采用传统的降压起动，和现代变流器技术的软起动 （调压或调压调频）。降压起动包括定子串联起动电抗、自耦变压器降压起动、星－三角转换起 动、延边三角形起动、绕线转子串电阻起动、特殊转子结构（如深槽转子与双笼结构）起动。软起 动包括变压恒频（VVCF）和变压变频（VVVF）起动。 A、定子串联电抗器起动 异步电机定子绕组串联足够大的电抗器后接电压源，实际异步电机获得的电压是电源电压经过分压 后的大小，由于电压下降，因此定子串联大电抗能显著减小起动电流，同时起动转矩与起动电流平 方呈正比减小。 B、定子接自耦变压器起动 三相异步电机通过自耦变压器接电源，电源电压经降压自耦变压器降压加到异步电机，异步电机起 动电流则通过自耦变压器减小后作用到电网。设自耦变压器的变比为ka，那么异步电机电压与电流都 分别等于额定电压与全压起动电流的1/ka，电网电流等于异步电机起动电流的1／ka。所以接自耦变 压器后起动电流和起动转矩都只有全压起动时的1／ka 2 。 C、星/三角转换起动 这种方法只适用于异步电机正常运行是三角形连接，并且三角形的六个出线端都在接线盒上，可以 根据需要改接。异步电机起动时，采用星形连接，这时每相绕组的电压只有额定电压的0.577倍，起 动线电流等于相电流按电压比例减小；采用三角形连接起动，起动线电流等于相电流的1.732倍。因 此，星／三角转换起动时，起动电流和起动转矩都只有三角形全压起动的1/3，与接变比为1.732的 自耦变压器一样。 D、绕线转子串电阻起动 绕线式异步电机转子外接电阻，机械特性的最大电磁转矩不变，而发生最大电磁转矩的转差率与转 子总电阻呈正比，因此选取合适的外接电阻，可使转子总电阻满足最大电磁转矩发生在转差率等于1 的状态，即以最大转矩起动。 例如：异步电机转子电阻R2，自然机械特性最大电磁转矩对应的转差率为sm，计算外接电阻大小使 得异步电机以最大转矩起动。 解答：对于自然机械特性，发生最大电磁转矩的转差率 ! sm = R2 ' /Xk 要使起动转矩等于最大电磁转矩，那么 ! 1= (R2 ' + Rst ' )/Xk 于是，根据折算前后转子侧内外电阻值之比相同的条件，得到实际外接电阻与转子电阻之比 ! Rst /R2 = Rst ' /R2 ' = (1" sm )/sm
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 如果外接电阻是分级串联的，那么只要分级电阻合适，切换时间得当，那么可以使得起动过程中保 持在期望的转矩范围。如果外接电阻是连续变化或可控的（如转子外接频敏变阻器），那么可以保 持最大转矩起动，直到进入自然机械特性恒转矩稳定运行区域。 E、设计特殊转子结构 鼠笼式异步电机转子鼠笼导条采用插入转子槽内的铜条或浇铸的铝条。为了使得导条参数与转子频 率有关，需要利用转子槽漏磁场的集肤效应和趋近效应，为此转子槽形设计成深而窄，或者设计成 上下双笼或多段式等特殊转子结构。 F、现代控制技术 软起动与变频器起动是异步电机结合现代电力电子技术的产物，利用相控调压、变频原理、更高级 的矢量控制技术或直接转矩控制技术自适应地控制异步电机在任意负载条件下平滑起动。这时加到 异步电机上的电源不是简单的正弦波，而是脉冲周期固定而脉冲宽度可调的脉宽调制波(P)。 (4)谐波磁场对起动的影响 异步电机气隙磁场谐波之间的相互作用，可以产生对异步电机起动不利的附加转矩， 根据磁场的性 质附加转矩分为异步和同步两种附加转矩。 A、异步附加转矩 异步附加转矩是指定子电流产生的谐波磁场在转子绕组中感应电势后产生的同次谐波磁场，两者空 间保持相对静止，但是异步状态的。主要是低次谐波，如5、7次谐波产生的电磁转矩。 定子5次谐波磁场转向与基波相反，其同步速为基波同步速的五分之 定子7次谐波磁场转向与基波相同，其同步速为基波同步速的七分之一： B、同步附加转矩 同步附加转矩是定子和转子的两个谐波磁场在特定转子转速下同步旋转产生的转矩。 假设三相四极异步电动机，定子24齿，转子28齿，电源频率50赫兹，那么考虑定转子低次齿谐波的 空间转速：定子最低次齿谐波磁场的次数分别为，=Zs/p±1=12士1，转向与基波相反(11次)和相 同(13次)，转速为m/mz:转子最低次齿谐被磁场的次数分别为n=Z/p±1=14±1，其中13次齿 谐波的转向与转子基波相反，相对于转子以(n-)/13转速旋转：定子13次齿谐波和转子13次齿谐波 在转子转速为-(n-n)/13=/13,即m/7。由此说明，定子13次齿谐波磁场和转子13次齿谐波磁 场在转子转速为同步转速的七分之时，达到同步运行，产生同步附加转矩。 异步电机起动总结：直接起动存在起动电流大而起动转矩小的问题，降压起动可以限制起动电流但 起动转矩也相应减小，只能满足轻栽或空载起动的需要。绕线转子异步电机转子串电阻或频敏变阻 器起动与鼠笼转子设计成深槽或双笼结构可以实现起动转矩大而起动电流小的起动性能。软起动采 用现代科技成果是高效节能的起动方法，是未来发展的方向。定转子绕组产生的谐波附加转矩对异 步电机起动有很大影响，异步电机设计时需要采取短距、分布绕组，合理选择定转子槽数，以及转 子斜槽结构等措施来减小甚至消除附加转矩。 3、异步电机的制动 异步电机根据转差率的变化范围有三种工作状态：发电机(s<0),电动机(0<s<1)和电磁制动 (s<1y。他们的分界线是理想空载(s=0)和堵转或短路运行状态(s=1)。 异步电机依靠负载被动制动是一种常用方法，但制动时间相对较长，通常需要采用主动制动方法。 A、电源反接正转制动 异步电机电源正接，正常运行在电动机状态。需要制动时，将电源反接，改变任意两相的连接方式 获得反相序电源电压输入。因转子机械惯性保持转速和转向不变，而电源电压施加到定子绕组上后 定子电流很快达到对称稳定状态，形成反向旋转的同步磁场，转差率由小于1变成大于1.0，异步电机 进入电磁制动状态。电磁转矩和负载转矩同时使转子转速下降，当转速下降到零时，如果负载转矩 3
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 如果外接电阻是分级串联的，那么只要分级电阻合适，切换时间得当，那么可以使得起动过程中保 持在期望的转矩范围。如果外接电阻是连续变化或可控的（如转子外接频敏变阻器），那么可以保 持最大转矩起动，直到进入自然机械特性恒转矩稳定运行区域。 E、设计特殊转子结构 鼠笼式异步电机转子鼠笼导条采用插入转子槽内的铜条或浇铸的铝条。为了使得导条参数与转子频 率有关，需要利用转子槽漏磁场的集肤效应和趋近效应，为此转子槽形设计成深而窄，或者设计成 上下双笼或多段式等特殊转子结构。 F、现代控制技术 软起动与变频器起动是异步电机结合现代电力电子技术的产物，利用相控调压、变频原理、更高级 的矢量控制技术或直接转矩控制技术自适应地控制异步电机在任意负载条件下平滑起动。这时加到 异步电机上的电源不是简单的正弦波，而是脉冲周期固定而脉冲宽度可调的脉宽调制波（PWM）。 （4）谐波磁场对起动的影响 异步电机气隙磁场谐波之间的相互作用，可以产生对异步电机起动不利的附加转矩，根据磁场的性 质附加转矩分为异步和同步两种附加转矩。 A、异步附加转矩 异步附加转矩是指定子电流产生的谐波磁场在转子绕组中感应电势后产生的同次谐波磁场，两者空 间保持相对静止，但是异步状态的。主要是低次谐波，如5、7次谐波产生的电磁转矩。 定子5次谐波磁场转向与基波相反，其同步速为基波同步速的五分之一； 定子7次谐波磁场转向与基波相同，其同步速为基波同步速的七分之一； B、同步附加转矩 同步附加转矩是定子和转子的两个谐波磁场在特定转子转速下同步旋转产生的转矩。 假设三相四极异步电动机，定子24齿，转子28齿，电源频率50赫兹，那么考虑定转子低次齿谐波的 空间转速：定子最低次齿谐波磁场的次数分别为nz＝Zs/p±1=12±1，转向与基波相反（11次）和相 同（13次），转速为n1/nz；转子最低次齿谐波磁场的次数分别为nz＝Zr/p±1＝14±1，其中13次齿 谐波的转向与转子基波相反，相对于转子以(n1-n)/13转速旋转；定子13次齿谐波和转子13次齿谐波 在转子转速为n-(n1-n)/13=n1/13，即n=n1/7。由此说明，定子13次齿谐波磁场和转子13次齿谐波磁 场在转子转速为同步转速的七分之一时，达到同步运行，产生同步附加转矩。 异步电机起动总结：直接起动存在起动电流大而起动转矩小的问题，降压起动可以限制起动电流但 起动转矩也相应减小，只能满足轻栽或空载起动的需要。绕线转子异步电机转子串电阻或频敏变阻 器起动与鼠笼转子设计成深槽或双笼结构可以实现起动转矩大而起动电流小的起动性能。软起动采 用现代科技成果是高效节能的起动方法，是未来发展的方向。定转子绕组产生的谐波附加转矩对异 步电机起动有很大影响，异步电机设计时需要采取短距、分布绕组，合理选择定转子槽数，以及转 子斜槽结构等措施来减小甚至消除附加转矩。 3、异步电机的制动 异步电机根据转差率的变化范围有三种工作状态：发电机（s<0），电动机（0<s<1）和电磁制动 （s<1）。他们的分界线是理想空载（s=0）和堵转或短路运行状态（s=1）。 异步电机依靠负载被动制动是一种常用方法，但制动时间相对较长，通常需要采用主动制动方法。 A、电源反接正转制动 异步电机电源正接，正常运行在电动机状态。需要制动时，将电源反接，改变任意两相的连接方式 获得反相序电源电压输入。因转子机械惯性保持转速和转向不变，而电源电压施加到定子绕组上后 定子电流很快达到对称稳定状态，形成反向旋转的同步磁场，转差率由小于1变成大于1.0,异步电机 进入电磁制动状态。电磁转矩和负载转矩同时使转子转速下降，当转速下降到零时，如果负载转矩
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 与电磁转矩的合成转矩沿气隙磁场旋转方向，那么异步电机将进入反向起动状态。为了防止出现这 种状态，必须切除电源，如果是重力负载，那么需要采取抱闸制动措施。 B、电源正接反转制动 绕线转子异步电机常用于起重机械，下放重物制动是必须的。为此电机电源正接而转子反转，转子 绕组需要外接串联电阻改变机械特性使电机稳定工作在正接反转状态，如起重机下放重物。增大或 减小转子串联电阻，能有效地改变人为机械特性，使得重物能自如地快慢下降甚至静止不动，转速 为零。 C、能耗制动 异步电动机正常运行时，切除三相对称交流电源，改接直流电源，使得定子绕组电流为直流，产生 空间静止的磁场，转子在定子静止磁场作用下，感应电势，形成感应电流和转子磁场，使得转子转 速不断下降，直至停止运转。 D、发电机制动 在异步电动机负载转矩与电磁转矩方向一致时，转子加速直到超过同步速后，电磁转矩改变方向并 与负载转矩相平衡。这时，异步电机工作在发电机状态，电磁转矩起制动作用，称为发电机制动， 由于负载转矩驱动异步电机向电源回馈电能，因此发电机制动也称为回馈制动。电源频率不变时， 同步速不变，发电机制动只能运行在高于同步速的状态，而不能使转子静止。为此，必须改变定子 电源的频率，这样同步速随频率变化，异步电机一直在发电机运行状态，逐渐减小电源频率，同时 调节电压使得气隙磁场保持基本不变，既实现能量回馈，又实现制动。 异步电机制动总结：电源反接正转制动，制动后立即切除电源。电源正接反转制动，适用于绕线转 子异步电机转子串大电阻，使得最大电磁转矩的转差率大于1的电磁制动方式。发电机回馈制动仅仅 限制在高于同步转速的某一转速运行。要实现转速等于零，必须采取措施使得同步转速逐步降低为 零。能耗制动是电枢施加一个直流电压建立静止磁场使转子转速降低，适用于摩擦型负载，重力型 负载需要采取零速机械抱闸装置。能耗制动和反接制动是耗能型的，发电机回馈制动才是节能的。 4、异步电机调速 (1)调速的概念 调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并伴随负载转矩或功率的变化。起动和制动可以看 成是调速的特例。 (2)分析方法 调速是转速动态转移的过程。由于电机的电气时间常数远远小于机械时间常数，电流变化很快而转 速变化相对较慢，因此，电机学中常用准稳态的方法来分析调速过程。 假设电机电阻和电感参数不变，利用电机机械特性、等效电路和各种平衡关系的数学公式等手段来 理解如何实现调速过程，以及不同调速方法的特点。 (3)异步电机调速的特点 A、异步电机调速的优势： 鼠笼转子异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠、维护量少、适用于恶劣环境，作为 电动机应用最广泛。绕线转子异步电机转子串电阻可实现大转矩频繁起动和正反转，也可以从转子 输入或输出电能实现四象限运行。异步电机的转速与同步速没有严格的比例关系，不需要安装价格 昂贵的转子位置传感器来调速。 B、异步电机调速的应用场合 车辆、电梯、机床、造纸和纺织机械等以满足运行、生产和工艺的要求：风机、水泵等耗能设备需 要节能。 C、异步电机调速的性能指标 4
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 4 与电磁转矩的合成转矩沿气隙磁场旋转方向，那么异步电机将进入反向起动状态。为了防止出现这 种状态，必须切除电源，如果是重力负载，那么需要采取抱闸制动措施。 B、电源正接反转制动 绕线转子异步电机常用于起重机械，下放重物制动是必须的。为此电机电源正接而转子反转，转子 绕组需要外接串联电阻改变机械特性使电机稳定工作在正接反转状态，如起重机下放重物。增大或 减小转子串联电阻，能有效地改变人为机械特性，使得重物能自如地快慢下降甚至静止不动，转速 为零。 C、能耗制动 异步电动机正常运行时，切除三相对称交流电源，改接直流电源，使得定子绕组电流为直流，产生 空间静止的磁场，转子在定子静止磁场作用下，感应电势，形成感应电流和转子磁场，使得转子转 速不断下降，直至停止运转。 D、发电机制动 在异步电动机负载转矩与电磁转矩方向一致时，转子加速直到超过同步速后，电磁转矩改变方向并 与负载转矩相平衡。这时，异步电机工作在发电机状态，电磁转矩起制动作用，称为发电机制动， 由于负载转矩驱动异步电机向电源回馈电能，因此发电机制动也称为回馈制动。电源频率不变时， 同步速不变，发电机制动只能运行在高于同步速的状态，而不能使转子静止。为此，必须改变定子 电源的频率，这样同步速随频率变化，异步电机一直在发电机运行状态，逐渐减小电源频率，同时 调节电压使得气隙磁场保持基本不变，既实现能量回馈，又实现制动。 异步电机制动总结：电源反接正转制动，制动后立即切除电源。电源正接反转制动，适用于绕线转 子异步电机转子串大电阻，使得最大电磁转矩的转差率大于1的电磁制动方式。发电机回馈制动仅仅 限制在高于同步转速的某一转速运行。要实现转速等于零，必须采取措施使得同步转速逐步降低为 零。能耗制动是电枢施加一个直流电压建立静止磁场使转子转速降低，适用于摩擦型负载，重力型 负载需要采取零速机械抱闸装置。能耗制动和反接制动是耗能型的，发电机回馈制动才是节能的。 4、异步电机调速 （1）调速的概念 调速是电机从某一转速到另一转速的调节过程，并伴随负载转矩或功率的变化。起动和制动可以看 成是调速的特例。 （2）分析方法 调速是转速动态转移的过程。由于电机的电气时间常数远远小于机械时间常数，电流变化很快而转 速变化相对较慢，因此，电机学中常用准稳态的方法来分析调速过程。 假设电机电阻和电感参数不变，利用电机机械特性、等效电路和各种平衡关系的数学公式等手段来 理解如何实现调速过程，以及不同调速方法的特点。 （3）异步电机调速的特点 A、异步电机调速的优势： 鼠笼转子异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠、 维护量少、适用于恶劣环境，作为 电动机应用最广泛。绕线转子异步电机转子串电阻可实现大转矩频繁起动和正反转，也可以从转子 输入或输出电能实现四象限运行。异步电机的转速与同步速没有严格的比例关系，不需要安装价格 昂贵的转子位置传感器来调速。 B、异步电机调速的应用场合 车辆、电梯、机床、造纸和纺织机械等以满足运行、生产和工艺的要求；风机、水泵等耗能设备需 要节能。 C、异步电机调速的性能指标
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 异步电机调速的性能指标 快速性：以速度阶跃响应的上升时间来衡量。 经济性：调速系统的性价比。如投入成本与节能增效比较。 简易性：操作简单可靠，交互式界面提示。 精确性：异步电机一般用于调速精度要求不高的场合，高精度调速通常采用同步电动机。 (4)异步电机调速的历史进展 传统交流电机调速始于上世纪30年代，主要采用电阻器、电抗器、调压器、电磁滑差离合器和机组 调速等手段。异步电机定子串饱和电抗器调速属于调压的一种形式。鼠笼转子异步电机转子鼠笼能 自适应定子磁场极对数，变极调速是有级调速，异步风力发电机。绕线转子异步电机转子串电阻调 速：吊车、卷扬机，可以频繁正反转，电磁能量大部分消耗在转子外接电阻上。绕线转子异步电机 还可以采用高效的串级调速方法，转子绕组通过三相整流桥获得直流电供直流电动机，再同轴驱动 异步电机，或者直流电动机驱动与电网并联的交流发电机实现能量回馈电网。电磁滑差离合器调 速，改变耦合磁场的作用。 交流电机调速真正迅猛发展是在上世纪70年代以后，直流电机调速范围有限，尤其在环境比较恶劣 的场合，需要异步电机实现调压调速和变频调速。这主要归功于电力电子技术的发展。 现代交流电机调速采用电力电子技术实现各种调压调频(VVV℉)策略。如采用恒频相控调压 (PCV)技术，调压调频(VVVF)技术，脉冲宽度调制(PWM)技术，正弦脉冲宽度调制(SPWM)技 术，特定谐波消除(SHE)技术，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)技术，磁场定向控制(FOC)技 术(1974年)，直接转矩控制(DTC)技术或者直接自控(DSC)技术(1985年)，变结构控制 (VSC)中的滑模控制(SMC),模型参考自适应控制(MRAC),智能控制技术中的模糊逻辑控制 (FLC)和神经网络控制(NNC),所有这些控制都需要电力电子可控器件（主要有SCR、IGBT、 GTO、IGCT、MOSFET、GTR)和专用集成功率模块(IPW)的硬件支撑和相应的软件环境（数字信号 处理)。 (5)、异步电机的调速方法 异步电机转速根据转差率的定义可以发现主要取决于极对数、电源频率和转差率三个因素。由此将 调速方法分为三大类：变极调速、变频调速和改变转差率调速。 A、变极调速 例如：24槽，2/4极变极方式，4极电枢绕组节距为整距，节距系数等于1，那么2极电枢绕组的节 距系数为0.5，短距系数和分布系数不同，每相串联匝数与连接方式有关，电势与有效串联匝数呈正 比，与每极磁通有关。变极前后，电机的转矩和功率变化与连接方式有关：在绕组电流额定，外部 电压恒定时，通常YY到△的变换适用于恒功率，YY到Y的变换适用于恒转矩调速。 变极调速总结：主要适用于鼠笼转子异步电机：变极调速改变同步转速，调速不平滑：2/4极绕组变 极的同时改变相序，单绕组倍极比变极调速的电枢绕组每相分成两个半相，再进行串联或并联连 接，三相构成Yy或A等形式；YY到△的变换适用于恒功率调速；YY到Y的变换适用于恒转矩调速：可 以有非倍极比变极调速，如三速或四速的变极绕组：效率比较高，但绕组结构复杂。 B、变频调速 分析异步电机额定负载运行状态：转差率s在0.020.05之间，转子等效阻抗比定子阻抗大很多。忽 略相对很小的定子漏阻抗压降，那么定子电压与气隙磁场感应电势相平衡。电势和电压空间矢量相 位相反且幅值相同；磁链空间矢量滞后电压空间矢量90°且幅值等于电压幅值与电角频率之比：主磁 通幅值正比于电压与频率之比：忽略定子电阻时机械特性硬度不变。 变频调速具有如下特点： 额定频率状态的同步转速以下变频调速通常维持气隙磁通恒定原则，这样电压和频率之比恒定，属 于恒转矩调速性质：此外，有恒功率调速、转矩与转速平方关系调速等。 5
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 5 异步电机调速的性能指标 快速性：以速度阶跃响应的上升时间来衡量。 经济性：调速系统的性价比。如投入成本与节能增效比较。 简易性：操作简单可靠，交互式界面提示。 精确性：异步电机一般用于调速精度要求不高的场合，高精度调速通常采用同步电动机。 （4）异步电机调速的历史进展 传统交流电机调速始于上世纪30年代，主要采用电阻器、电抗器、调压器、电磁滑差离合器和机组 调速等手段。异步电机定子串饱和电抗器调速属于调压的一种形式。鼠笼转子异步电机转子鼠笼能 自适应定子磁场极对数，变极调速是有级调速，异步风力发电机。绕线转子异步电机转子串电阻调 速：吊车、卷扬机，可以频繁正反转，电磁能量大部分消耗在转子外接电阻上。绕线转子异步电机 还可以采用高效的串级调速方法，转子绕组通过三相整流桥获得直流电供直流电动机，再同轴驱动 异步电机，或者直流电动机驱动与电网并联的交流发电机实现能量回馈电网。电磁滑差离合器调 速，改变耦合磁场的作用。 交流电机调速真正迅猛发展是在上世纪70年代以后，直流电机调速范围有限，尤其在环境比较恶劣 的场合，需要异步电机实现调压调速和变频调速。这主要归功于电力电子技术的发展。 现代交流电机调速采用电力电子技术实现各种调压调频（VVVF）策略。如采用恒频相控调压 （PCV）技术，调压调频（VVVF）技术，脉冲宽度调制（PWM）技术，正弦脉冲宽度调制（SPWM）技 术，特定谐波消除（SHE）技术，空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术，磁场定向控制（FOC）技 术（1974年），直接转矩控制（DTC）技术或者直接自控（DSC）技术（1985年），变结构控制 （VSC）中的滑模控制（SMC），模型参考自适应控制（MRAC），智能控制技术中的模糊逻辑控制 （FLC）和神经网络控制（NNC），所有这些控制都需要电力电子可控器件（主要有SCR、IGBT、 GTO、IGCT、MOSFET、GTR）和专用集成功率模块（IPM）的硬件支撑和相应的软件环境（数字信号 处理）。 （5）、异步电机的调速方法 异步电机转速根据转差率的定义可以发现主要取决于极对数、电源频率和转差率三个因素。由此将 调速方法分为三大类:变极调速、变频调速和改变转差率调速。 A、变极调速 例如：24槽，2／4极变极方式，4极电枢绕组节距为整距，节距系数等于1，那么2极电枢绕组的节 距系数为0.5，短距系数和分布系数不同，每相串联匝数与连接方式有关，电势与有效串联匝数呈正 比，与每极磁通有关。变极前后，电机的转矩和功率变化与连接方式有关；在绕组电流额定，外部 电压恒定时，通常YY到Δ的变换适用于恒功率，YY到Y的变换适用于恒转矩调速。 变极调速总结：主要适用于鼠笼转子异步电机；变极调速改变同步转速，调速不平滑；2/4极绕组变 极的同时改变相序；单绕组倍极比变极调速的电枢绕组每相分成两个半相，再进行串联或并联连 接，三相构成YY或∆等形式；YY到Δ的变换适用于恒功率调速；YY到Y的变换适用于恒转矩调速；可 以有非倍极比变极调速，如三速或四速的变极绕组；效率比较高，但绕组结构复杂。 B、变频调速 分析异步电机额定负载运行状态：转差率s在0.02~0.05之间，转子等效阻抗比定子阻抗大很多。忽 略相对很小的定子漏阻抗压降，那么定子电压与气隙磁场感应电势相平衡。电势和电压空间矢量相 位相反且幅值相同；磁链空间矢量滞后电压空间矢量90 0 且幅值等于电压幅值与电角频率之比；主磁 通幅值正比于电压与频率之比；忽略定子电阻时机械特性硬度不变。 变频调速具有如下特点： 额定频率状态的同步转速以下变频调速通常维持气隙磁通恒定原则，这样电压和频率之比恒定，属 于恒转矩调速性质；此外，有恒功率调速、转矩与转速平方关系调速等