任務2.2 三相異步電動機運行分析

知識與能力目標

1)了解三相異步電動機的起動、調速和制動的特點。

2)熟悉三相異步電動機的起動、調速和制動的方法。

3)理解三相異步電動機的起動、調速和制動的運行過程。

2.2.1 三相異步電動機起動分析

異步電動機的起動就是轉速從零開始加速到穩定運行為止的過程。衡量異步電動機起動性能的好壞，要從起動電流、起動轉矩及起動過程的平滑性、起動時間及經濟性等方面來考慮，其中最主要的是：電動機應有足夠大的起動轉矩；保證一定大小的起動轉矩的前提下，起動電流越小越好。

降低起動電流的方法有：①降低電源電壓。②加大定子邊電抗或電阻。③加大轉子邊電抗或電阻。加大起動轉矩的方法只有適當加大轉子電阻，但不能過大，否則起動轉矩反而可能減小。

1.三相籠型異步電動機的起動

(1)直接起動

直接起動也稱為全壓起動。起動時，電動機定子繞組直接接入額定電壓的電網上，如圖2-22所示。直接起動簡單，不需要復雜的起動設備，但直接起動的起動電流I_st大，起動轉矩T_st小，只適用于小容量電動機。

在額定電壓下直接起動三相異步電動機，由于最初起動瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數cosφ₂很低，起動電流相當大而起動轉矩并不大。如普通三相籠型異步電動機，起動電流I_st＝K_II_N＝(4～7)I_N，起動轉矩T_st＝K_TT_N＝(0.9～1.3)T_N。

一般來說，容量在10kW以下的小容量籠型異步電動機都可直接起動。

(2)三相籠型異步電動機的減壓起動

1)定子串接電抗器起動。

三相異步電動機定子串接電抗器起動，起動時電抗器接入定子電路；起動后，切除電抗器，進入正常運行，如圖2-23所示。顯然此時的電抗器起到了分壓的作用。三相異步電動機直接起動時，電源電壓U₁直接加在短路阻抗z_k＝r_k＋jX_k上。定子邊串入電抗X起動時，電壓U₁加在(jX＋Z_k)上，而Z_k上的電壓小于U₁。定子邊串電抗起動可以理解為增大定子邊電抗值，也可以理解為降低定子實際所加電壓，其目的是減小起動電流。然而，定子串電抗器起動，降低了起動電流，但起動轉矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動，只能用于空載和輕載。

2) -△減壓起動。 -△減壓起動是起動時將定子繞組接成星形，起動結束后，將定子繞組接成三角形運行。這種方法只適用于正常運行時定子繞組為三角形聯結的電動機。 -△減壓起動原理接線圖如圖2-24所示。 -△減壓起動時，起動電流和起動轉矩都降為直接起動時的1/3。

圖2-22 直接起動

圖2-23 定子串接電抗器起動

圖2-24

-△減壓起動原理接線圖

即，起動電流關系： 起動轉矩關系： -△減壓起動特點：

起動方法簡單，起動設備簡單，成本低，應用廣泛。因為一般用途的小型異步電動機，當容量大于4kW時，定子繞組采用三角形聯結。由于起動轉矩是直接起動時的1/3，這種方法多用于空載或輕載起動的設備上。

3)自耦變壓器減壓起動。

自耦變壓器減壓起動是通過自耦變壓器把電壓降低后，再加到電動機的定子繞組上，以達到減小起動電流的目的。起動時電源電壓接到自耦變壓器的一次側，自耦變壓器的二次側接電動機的定子繞組，起動結束后，切除自耦變壓器，電源電壓直接接到電動機的定子繞組上，自耦變壓器減壓起動原理圖如圖2-25所示。

采用自耦變壓器減壓起動時，起動電流和起動轉矩都降低到直接起動時的1/k²，起動用的自耦變壓器有QJ2和QJ3兩個系列，QJ23個抽頭比(抽頭比即1/k)分別為73%、64%、55%，QJ33個抽頭比分別為80%、60%、40%。

這種起動方法對定子繞組采用星形或三角形接法的電動機都適用，可以獲得較大的起動轉矩，根據需要選用自耦變壓器二次側的抽頭，但是設備體積大。這種方法適用于不需頻繁起動的大容量電動機，常用于10kW以上的三相異步電動機。

圖2-25 自耦變壓器減壓起動原理圖

4)延邊三角形減壓起動。

延邊三角形接法在起動時，把定子繞組的一部分連接成三角形，剩下的一部分連接成星形，如圖2-26a所示。從圖形上看就是一個三角形三條邊的延長，因此稱為延邊三角形。當起動完畢，再把繞組改接為原來的三角形接法，如圖2-26b所示。延邊三角形可以看出一部分是星形，一部分是三角形，星形部分比重越大，起動時電壓降得越多。當星形和三角形的抽頭比為1∶1時，電動機每相繞組的電壓為268V，抽頭比為1∶2時，每相繞組的電壓為290V。可見，延邊三角形可以采用不同的抽頭比，滿足不同的起動要求。與星形-三角形減壓起動相比較，這種起動方法的優點是既不增加專用的起動設備，又可提高起動轉矩，適用于電動機定子繞組有9個抽頭的籠型異步電動機。

圖2-26 延邊三角形起動原理圖

a)起動時接法 b)運行時接法

2.三相繞線轉子異步電動機的起動

三相籠型異步電動機的直接起動，起動電流大起動轉矩小，減壓起動時，雖然減小了起動電流，但起動轉矩也隨電壓的二次方關系減小，因此籠型異步電動機只能用于空載或輕載起動。

繞線轉子異步電動機，若轉子回路串入適當的電阻，既能限制起動電流，又能增大起動轉矩，這種起動方法適用于大、中容量異步電動機的重載起動。繞線轉子異步電動機起動分為轉子串電阻和轉子串頻敏變阻器起動。

(1)轉子串接電阻器起動

為了在整個起動過程中得到較大的加速轉矩，并使起動過程比較平滑，應在轉子回路中串入多級對稱電阻。起動時，隨著轉速的升高，逐段切除起動電阻，稱為串電阻分級起動。圖2-27所示為三相繞線轉子異步電動機轉子串接對稱電阻分級起動的接線圖和對應的三級起動時的機械特性。

起動過程中功率因數高，但設備投資大，維修不便。

圖2-27 三相繞線轉子異步電動機轉子串接對稱電阻分級起動的接線圖和對應起動時的機械特性

a)接線圖 b)機械特性

起動開始時，接觸器觸點KM閉合，KM₁、KM₂、KM₃斷開，起動電阻全部串入轉子回路中，轉子每相電阻為R₃＝r₂＋R_st1＋R_st2＋R_st3，對應的機械特性如圖2-27b中曲線1。起動瞬間，轉速n＝0，電磁轉矩T₁稱為最大加速轉矩，因T₁大于負載轉矩T_L，于是電動機從a點沿曲線1開始加速。隨著n上升，Tem逐漸減小，當減小到T₂時(對應于b點)，觸點KM₃閉合，切除R_st3，切換電阻時的轉矩值T₂稱為切換轉矩。切除后，轉子每相電阻變為R₂＝r₂＋R_st1＋R_st2，對應的機械特性變為曲線2。切換瞬間，轉速n不能突變，電動機的運行點由b點躍變到c點，T_em由T₂躍升為T₁。此后，n、T_em沿曲線2變化，待T_em又減小到T₂時(對應d點)，觸點KM₂閉合，切除R_st2。此后轉子每相電阻變為R₁＝r₂＋R_st1，電動機運行點由d點躍變到e點，工作點(n、T_em)沿曲線3變化。最后在f點觸點KM₁閉合，切除R_st1，轉子繞組直接短路，電動機運行點由f點變到g點后沿固有特性加速到負載點h穩定運行，起動過程結束。

在起動過程中，一般取最大加速轉矩T₁＝(0.6～0.85)T_m，切換轉矩T₂＝(1.1～1.2)T_N。

(2)轉子回路串頻敏變阻器起動

繞線轉子異步電動機采用轉子串接電阻起動時，若想在起動過程中保持有較大的起動轉矩且起動平穩，則必須采用較多的起動級數，這必然導致起動設備復雜化。為了解決這個問題，可以采用轉子串接頻敏變阻器起動。頻敏變阻器是一個鐵損耗很大的三相電抗器。從結構上看，它好像一個沒有二次繞組的三相心式變壓器，它的鐵心是用較厚的鋼板疊成的，3個繞組分別繞在3個鐵心柱上并作星形聯結，然后接到轉子集電環上，如圖2-28a所示。圖2-28b為頻敏變阻器每相繞組的等效電路，其中r₁為頻敏電阻器繞組的電阻，x_m為帶鐵心繞組的電抗，r_m為反映鐵損耗的等效電阻。因為頻敏變阻器的鐵心用厚鋼板制成，所以鐵損耗較大，對應的r_m也較大。

用頻敏變阻器起動的過程如下：起動時觸點KM₂斷開，轉子串入頻敏變阻器。當觸點KM₁閉合時，電動機接通電源開始起動。起動瞬間，n＝0，s＝1，轉子電流頻率最大，頻敏變阻器的鐵心中與頻率二次方成正比的渦流損耗最大，即鐵損耗大，反映鐵損大小的等效電阻r_m較大，此時相當于轉子回路中串入一個較大的電阻。起動過程中，隨著n上升，s減小，f₂＝sf₁逐漸減小，頻敏變阻器的鐵損耗逐漸減小，r_m也隨之減小，這相當于在起動過程中逐漸切除轉子回路串入的電阻。起動結束后，觸點KM₂閉合，切除頻敏變阻器，轉子電路直接短路。

因為頻敏變阻器的等效電阻r_m是隨頻率f₂的變化而自動變化的，因此稱其為“頻敏”變阻器，它相當于一種無觸點的變阻器，頻敏變阻器是利用鐵心渦流損耗隨頻率變化而變化的原理改變起動電阻的。頻敏變阻器的電阻隨頻率降低而逐漸減小。在起動過程中，頻敏變阻器能自動、無級地減小電阻，如果參數選擇適當，可以在起動過程中保持轉矩近似不變，使起動過程平穩、快速。轉子串接頻敏變阻器起動時電動機的機械特性如圖2-28c中的曲線2所示，曲線1是電動機的固有機械特性。

頻敏變阻器靜止無觸點，結構簡單，成本低，大大提高了轉子回路功率因數，既限制了起動電流，又提高了起動轉矩，應用較為廣泛。

圖2-28 繞線轉子感應電動機轉子回路串頻敏變阻器起動原理圖

a)接線圖 b)等效電路 c)機械特性

2.2.2 任務訓練 三相異步電動機的起動方法測定

1.實訓目的

通過實訓掌握異步電動機的起動方法。

2.預習要點

1)復習異步電動機有哪些起動方法和起動技術指標。

2)復習異步電動機的調速方法。

3.實訓項目

1)直接起動。

2)星形-三角形 減壓起動。

3)自耦變壓器減壓法起動。

4.實訓設備

1)三相自耦調壓器。

2)XKDT11、XKDT12、XKDT13繼電器、接觸器控制掛箱。

3)三相籠型異步電動機。

4)三相可調電阻(900Ω)。

5.實訓電路及操作步驟

(1)三相籠型異步電動機直接起動實訓

安裝電動機使電動機和磁粉制動器同軸連接，旋緊固定螺釘。

按圖2-29接線，電動機繞組為△接法。

實訓前先把交流調壓器調到零位，然后接通電源。

按下電動機實訓臺的“起動”開關，調節實訓控制屏的調壓器，使輸出電壓達到電動機額定電壓220V，按下實訓臺的停止開關，等電動機完全停止旋轉后，再按下電動機實訓控制臺起動開關，使電動機全壓起動，電流表受起動電流沖擊而偏轉，電流表的最大偏轉雖不能完全代表起動電流的讀數，但用它可和下面幾種起動方法的起動電流作定性的比較。

圖2-29 三相籠型異步電動機直接起動

按下電動機實訓臺的“停止”開關，將實訓控制屏調壓器退到零位，用銷釘將校正過的直流電動機轉子銷住，按下電動機實訓臺的起動開關，調節實訓控制屏調壓器，使電動機電流達2～3倍額定電流，讀取電壓值U_K、電流值I_K、轉矩值T_K，實訓時通電時間不應超過10s，以免繞組過熱。按下電動機實訓臺停止開關，拔出銷釘。直接起動實訓數據記入表2-5中。

表2-5 異步電動機直接起動實訓測量數據表

對應于額定電壓時的起動轉矩T_st和起動電流I_st按下式計算：

式中 I_K——起動實訓時的電流值(A)；

T_K——起動實訓時的轉矩值(N·m)；

式中 U_K——起動實訓時的電壓值(V)；

U_N——電動機額定電壓(V)；

(2)星形-三角形 減壓起動

三相籠型異步電動機 -△減壓起動如圖2-30所示。為了定性地和1實訓比較，量程不變。

1)三相雙擲開關S合向右邊( 接法)。合上電源開關，把控制屏的調壓器調到零位，按下電動機實訓臺的起動開關，調節控制屏的調壓器使電壓逐漸升高至電動機額定電壓220V。斷開電源開關，待電動機停轉。

2)合上電源開關，觀察起動瞬間電流，然后把S合向左邊，使電動機三角形接法，觀察起動過程中電流表的偏轉角度以與其他起動方法作定性比較。

(3)自耦變壓器減壓起動

1)三相籠型異步電動機自耦變壓器減壓起動如圖2-31所示，電動機繞組 接法。

圖2-30 三相籠型異步電動機 -△減壓起動

圖2-31 三相籠型異步電動機自耦變壓器減壓起動

2)三相調壓器退到零位，開關S合向右邊。

3)合上電源開關，電動機就開始自耦變壓器減壓起動(自耦變壓器輸出電壓分別為80%、60%和40%)，并經過一定時間再把S合向左邊，切換至額定電壓正常運行，整個起動過程結束。觀察起動過程電流的偏轉角度以作定性的比較。

6.實訓報告

1)比較異步電動機不同起動方法的優缺點。

2)由起動實訓數據求下述3種情況下的起動電流和起動轉矩。

①外加額定電壓U_N(直接起動)。

②外加電壓U_N/3^1/2( -△起動)。

③外加電壓為U_K/K_A，式中K_A為起動用自耦變壓器的變比(自耦變壓器起動)。

7.思考題

1)起動電流和外加電壓成正比，起動轉矩和外加電壓的二次方成正比在什么情況下才能成立?

2)起動時的實際情況和上述假定是否相符，不相符的主要因素是什么?

2.2.3 三相異步電動機調速分析

由異步電動機的轉速關系式 可以看出，異步電動機的調速可分為以下三大類。

1)變極調速：改變定子繞組的磁極對數P。

2)變頻調速：改變供電電源的頻率f₁。

3)變轉差率調速：改變電動機的轉差率方法有繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速、串級調速和改變定子電壓調速。

1.三相籠型異步電動機變極調速

(1)變極原理

定子繞組產生的磁極對數的改變，是通過改變定子繞組的接線方式得到的。圖2-32為4極異步電動機定子U相繞組連接原理圖及產生的磁極數，只畫出了U相繞組的情況。每相繞組為兩個等效集中線圈正向串聯，例如U₁U₂繞組為a_lx₁與a₂x₂頭尾串聯，如圖2-32a所示。因此由U₁U₂繞組產生的磁極數便是4極，如圖2-32b所示，可以更直觀地看出三相繞組的磁極數為4極，即為4極異步電動機。

如果把圖2-32中的接線方式改變一下，每相繞組不再是兩個線圈頭尾串聯，而變成為兩個線圈尾尾串聯，即U相繞組U₁U₂為a_lx₁與a₂x₂反向串聯，如圖2-33a所示。或者，每相繞組兩個線圈變成為頭尾串聯后再并聯，即U₁U₂為a_lx₁與a₂x₂反向并聯，如圖2-33b所示。改變后的兩種接線方式，U相繞組產生的磁極數都是2極，如圖2-33c所示，即為2極異步電動機。

圖2-32 4極異步電動機定子U相繞組連接原理圖

圖2-33 2極異步電動機定子U相繞組連接原理圖

從上面分析可以看出，對于三相籠型異步電動機的定子繞組，若把每相繞組中一半線圈的電流改變方向，即半相繞組反向，則電動機的極對數便成倍變化。因此，同步轉速n₁也成倍變化，對拖動恒轉矩負載運行的電動機來講，運行的轉速也接近成倍改變。

繞線轉子異步電動機轉子極對數不能自動隨定子極對數變化，如果同時改變定、轉子繞組極對數又比較麻煩，因此不采用變極調速。

為了保證變極調速時電動機的轉向不變，變極調速的同時，需要改變繞組的相序或者說是電源的相序，否則，電動機將反轉。理由很簡單，要使電動機轉向不變，就要求磁通勢旋轉方向不變，也就是U、V、W三相繞組空間電角度依次相差120°不變。表2-6列出了空間機械角度與空間電角度之間的關系，顯然，改變極對數前的U、V、W三相繞組，在變極后相序變成了U、W、V三相繞組了。

表2-6 空間機械角度與空間電角度之間的關系

(2)兩種常用的變極接線方式

圖2-34示出了兩種雙速電動機變極接線方式的原理圖，其中圖2-34a表示由單星形聯結改接成并聯的雙星形聯結；圖2-34b表示由三角形聯結改接成雙星形聯結。由圖可見，這兩種接線方式都是使每相的一半繞組內的電流改變了方向，因而定子磁場的極對數減少一半。

圖2-34 雙速電動機變極接線方式的原理圖

a) 聯結方式 b) 聯結方式

1) 聯結方式 改接成 聯結后，磁極數減少一半，轉速增大一倍，即n_YY＝2n_Y，允許輸出功率增大一倍，而允許輸出轉矩保持不變，所以這種聯結方式的變極調速屬于恒轉矩調速，它適用于恒轉矩負載。

2) 聯結方式

△改接成 聯結后，磁極數減少一半，轉速增大一倍，即，n_YY＝2n_△，允許輸出功率近似不變，允許輸出轉矩近似減小一半。這種聯結方式的變極調速可認為是恒功率調速，它適用于恒功率負載。變極調速時的機械特性如圖2-35所示。

變極調速電動機，有倍極比(如2/4極、4/8極等)雙速電動機、非倍極比(如4/6極、6/8極等)雙速電動機，還有單繞組三速電動機，這種電動機的繞組結構復雜一些。變極調速時，轉速幾乎是成倍變化，所以調速的平滑性差。但它在每個轉速等級運轉時，和通常的異步電動機一樣，具有較硬的機械特性，穩定性較好。變極調速既可用于恒轉矩負載，又可用于恒功率負載，所以對于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、通風機及升降機等都采用多速電動機拖動。

圖2-35 變極調速時的機械特性

a) 連接方式 b) 連接方式

2.變頻調速

根據轉速公式可知，當轉差率s變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率成正比。連續調節電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節電源頻率，將導致電動機運行性能的惡化，其原因可分析如下：

電動機正常運行時，定子漏阻抗壓降很小，可以認為U₁≈E₁＝4.44f₁N₁k_w1Φ_m，若端電壓U₁不變，則當頻率f₁減小時，主磁通Φ_m將增加，這將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數降低，鐵心損耗增大；而當f₁增大時，Φ_m將減少，電磁轉矩及最大轉矩下降，過載能力降低，電動機的容量也得不到充分利用。

因此，為了使電動機能保持較好的運行性能，要求在調節f₁的同時，改變定子電壓U₁，以維持Φ_m不變，或者保持電動機的過載能力不變。U₁隨f₁按什么樣規律變化最為合適呢?一般認為，在任何類型負載下變頻調速時，若能保持電動機的過載能力不變，則電動機的運行性能較為理想。

變頻調速時，U₁與f₁的調節規律是和負載性質有關的，通常分為恒轉矩變頻調速和恒功率變頻調速兩種情況。

額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調。

(1)從基頻向下變頻調速

1)保持E₁/f₁＝常數(這種方法稱為恒磁通控制方式)。

保持恒磁通變頻調速的機械特性如圖2-36所示。可見，在這種調速方式下，最大轉矩為常數，并且不同頻率的各條機械特性是平行的，硬度相同。這種調速方法機械特性較硬，在一定的靜差率要求下，調速范圍寬，而且穩定性好。由于頻率可以連續調節，因此變頻調速為無級調速，平滑性好。另外，電動機在正常負載運行時，轉差率s較小，因此轉差功率較小，效率較高。

恒磁通變頻調速是屬于恒轉矩調速方式。

2)保持U₁/f₁＝常數。

降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。保持U₁/f₁為常數，則Φ_m為常數，恒轉矩調速的機械特性如圖2-37所示，隨著f₁的降低，T_m減小。顯然此時的機械特性特別是在低頻低速時的機械特性變壞了。這種調速方式近似為恒轉矩調速方式。

圖2-36 恒磁通變頻調速機械特性

圖2-37 恒轉矩變頻調速機械特性

(2)從基頻向上變頻調速(恒功率調速方式)

升高電源電壓是不允許的，因此升高頻率向上調速時，只能保持電壓為U_N不變，頻率越高，磁通Φ_m越低，這種方法是一種降低磁通升速的方法，類似他勵直流電動機弱磁升速情況。保持U_N不變升速，近似為恒功率調速方式，圖2-38所示恒功率與恒轉矩變頻調速時的機械特性，頻率越高時，T_m越小，S_m也減小。

三相異步電動機變頻調速的特點：

1)從基頻向下調速，為恒轉矩調速方式；從基頻向上調速，近似為恒功率調速方式。

圖2-38 恒功率與恒轉矩變頻調速時的機械特性

2)調速范圍大。

3)轉速穩定性好。

4)運行時轉差率小，效率高。

5)頻率可以連續調節，變頻調速為無級調速。

3.改變轉差率調速

改變定子電壓調速，轉子電路串電阻調速和串級調速都屬于改變轉差率調速。這些調速方法的共同特點是在調速過程中都產生大的轉差率。前兩種調速方法都是把轉差功率消耗在轉子電路里，很不經濟，而串級調速則能將轉差功率加以吸收或大部分反饋給電網，提高了經濟性能。

(1)改變電源電壓調速

對于轉子電阻大、機械特性曲線較軟的籠型異步電動機而言，如加在定子繞組上的電壓發生改變，對于恒轉矩負載T_L對應于不同的電源U₁、U₂、U₃，可獲得不同的工作點a₁、a₂、a₃，大轉子電阻高轉差率的籠型異步電動機機械特性如圖2-39所示，顯然電動機的調速范圍很寬。其缺點是低壓時機械特性太軟，轉速變化大，可采用帶速度反饋的閉環控制系統提高低速時機械特性的硬度。

改變電源電壓調速這種方法主要應用于專門設計的較大轉子電阻的高轉差率的籠型異步電動機，靠改變轉差率s調速。目前廣泛采用晶閘管交流調壓線路來實現。這種調速方法，當轉子電阻較小時，調節速度的范圍不大。

(2)繞線轉子異步電動機轉子回路串接電阻調速

從繞線轉子異步電動機轉子回路串接對稱電阻的機械特性(見圖2-40)上可以看出，轉子串入附加電阻時，n₁、T_m不變，但S_m增大，機械特性的斜率增大。若帶恒轉矩負載，工作點將隨著轉子回路串聯的電阻的增加而下移，轉差率增加，對應的工作點的轉速將隨著轉子串聯電阻的增大而減小。這種調速方法的優點是方法簡單，但調速是有級的，轉子的銅損耗隨著轉差率的增加而增加，經濟性差。主要用于中小容量的繞線轉子異步電動機，如橋式起重機等。

圖2-39 大轉子電阻高轉差率的籠型異步電動機串電阻調速

圖2-40 繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速

(3)串級調速

在負載轉矩不變的條件下，異步電動機的電磁功率P_em＝T_emΩ₁＝常數，轉子銅損耗與轉差率成正比，所以轉子銅損耗又稱為轉差功率。轉子串接電阻調速時，轉速調得越低，轉差功率越大，輸出功率越小，效率就越低，所以轉子串接電阻調速很不經濟。

如果在轉子回路中不串接電阻，而是串接一個與轉子電動勢E_2s同頻率的附加電動勢E_ad，串級調速原理如圖2-41所示，通過改變E_ad幅值大小和相位，同樣也可實現調速。這樣，電動機在低速運行時，轉子中的轉差功率只有小部分被轉子繞組本身電阻所消耗，而其余大部分被附加電動勢E_ad所吸收，利用產生E_ad的裝置可以把這部分轉差功率回饋到電網，使電動機在低速運行時仍具有較高的效率。這種在繞線轉子異步電動機轉子回路串接附加電動勢的調速方法稱為串級調速。

串級調速系統的組成如圖2-42所示。整流器將轉差頻率的電勢整為直流，再經逆變器將直流變為工頻交流，將電能送回電網，獲得較高的效率。逆變器的電壓即為加在轉子電路中的反電勢，控制逆變器的逆變角，可改變逆變器的電壓，從而達到調速的目的。

圖2-41 串級調速原理

圖2-42 串級調速系統的組成

串級調速完全克服了轉子串電阻調速的缺點，它具有高效率、無級平滑調速、較硬的低速機械特性等優點，但附加電動勢裝置比較復雜。隨著晶閘管技術的發展，現已廣泛應用于水泵和通風機節能調速，應用于不可逆軋鋼機、壓縮機等生產機械的調速。

2.2.4 三相異步電動機制動分析

從三相異步電動機的工作原理可知，電動機的旋轉方向取決于定子旋轉磁場的旋轉方向，因此只要改變旋轉磁場的旋轉方向，就能使異步電動機反轉。

三相異步電動機運行于電動狀態時，電磁轉矩與轉速的方向相同，是驅動性質的。運行于制動狀態時，電磁轉矩和轉速的方向相反，是制動轉矩。制動可以使電動機快速停車，或者使位能性負載(如起重機下放重物，運輸工具在下坡運行時)獲得穩定的下降速度。異步電動機的制動方法有機械制動和電氣制動。機械制動是利用機械設備(如電磁抱閘)在電動機斷電后，使電動機迅速停轉。電氣制動是利用電磁轉矩與轉速方向相反的原理制動的，常用的制動方法有反接制動、能耗制動和回饋制動。

1.能耗制動

三相異步電動機的能耗制動如圖2-43所示。制動時接觸器觸點KM₁斷開，電動機脫離電網，同時觸點KM₂閉合，在定子繞組中通入直流電流(稱為直流勵磁電流)，于是定子繞組便產生一個恒定的磁場。轉子因慣性而繼續旋轉并切割該恒定磁場，轉子導體中便產生感應電動勢及感應電流。由圖2-43b可以判定，轉子感應電流與恒定磁場作用產生的電磁轉矩為制動轉矩，因此轉速迅速下降。當轉速下降至零時，轉子感應電動勢和感應電流均為零，制動過程結束。制動期間，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路的電阻上，故稱為能耗制動。

能耗制動過程可分析如下：設電動機原來工作在固有機械特性曲線(見圖2-44)上的A點，制動瞬間，因轉速不突變，工作點便由A點平移至能耗制動特性(曲線1)上的B點，在制動轉矩的作用下，電動機開始減速，工作點沿曲線1變化，直到原點，n＝0，T_em＝0。如果拖動的是反抗性負載，則電動機便停轉，實現了快速制動停車；如果拖動的是位能性負載，當轉速過零時，若要停車，必須立即用機械抱閘將電動機軸剎住，否則電動機將在位能性負載轉矩的倒拉下反轉，直到進入第四象限中的C點(T_em＝T_L)，系統處于穩定的能耗制動運行狀態，這時重物保持勻速下降，C點稱為能耗制動運行點。由圖2-44可見，改變制動電阻R_B或直流勵磁電流的大小，可以獲得不同的穩定下降速度。

能耗制動廣泛應用于要求平穩準確停車的場合，也可應用于起重機一類帶位能性負載的機械上，用來限制重物下降的速度，使重物保持勻速下降。

圖2-43 三相異步電動機能耗制動

a)接線圖 b)能耗制動原理圖

圖2-44 能耗制動的機械特性

2.反接制動

當異步電動機轉子的旋轉方向與定子旋轉磁場的方向相反時，電動機便處于反接制動狀態。反接制動分為兩種情況，一是在電動狀態下突然將電源兩相反接，使定子旋轉磁場的方向由原來的順轉子轉向改為逆轉子轉向，這種情況下的制動稱為電源兩相反接的反接制動；二是保持定子磁場的轉向不變，而轉子在位能負載作用下進入倒拉反轉，這種情況下的制動稱為倒拉反轉的反接制動。

(1)電源兩相反接的反接制動

處于正向電動運行的三相繞線轉子異步電動機，當改變三相電源的相序時，電動機便進入了反接制動過程。反接制動過程中，電動機電源相序為負序，圖2-45b為拖動反抗性恒轉矩負載，反接制動的同時轉子回路串入較大電阻時的反接制動機械特性。電動機的運行點從A→B→C，到C點后，如果-T_L<T<T_L，可以準確停車。

如果電動機拖動負載轉矩較小的反抗性恒轉矩或拖動位能性恒轉矩負載運行，如果進行反接制動停車，則必須在降速到n＝0時切斷電源并停車，否則電動機將會反向起動。三相異步電動機反接制動停車比能耗制動停車速度快，但能量損失較大。一些頻繁正、反轉的生產機械，為了迅速改變轉向，提高生產率，經常采用反接制動停車接著反向起動的方法。

(2)倒拉反接制動

拖動位能性恒轉矩負載運行的三相繞線轉子異步電動機，若在轉子回路內串入一定值的電阻，電動機轉速可以降低。如果所串的電阻超過某一數值則會使電動機反轉，稱為倒拉反轉制動運行狀態。

倒拉反轉反接制動適用于繞線轉子異步電動機拖動位能性負載的情況，它能夠使重物獲得穩定的下放速度。圖2-46是繞線轉子異步電動機倒拉反轉反接制動時的原理圖及其機械特性。設電動機原來工作在固有特性曲線上的A點提升重物，當在轉子回路串入電阻R_B時，其機械特性變為曲線2。串入R_B瞬間，轉速來不及變化，工作點由A點平移到B點，此時電動機的提升轉矩T_B小于位能負載轉矩T_L，因此提升速度減小，工作點沿曲線2由B點向C點移動。在減速過程中，電動機仍運行在電動狀態。

圖2-45 電源兩相反接的反接制動

a)反接制動原理 b)反接制動機械特性

圖2-46 繞線轉子異步電動機倒拉反轉的反接制動

a)倒拉反轉制動原理 b)倒拉反轉制動的機械特性

當工作點到達C點時，轉速降至零，對應的電磁轉矩T_C仍小于負載轉矩T_L，重物將倒拉電動機的轉子反向旋轉，并加速到D點，這時T_D＝T_L，拖動系統將以轉速n_D穩定下放重物。在D點，T_em＝T_D>0，n＝-n_D<0，負載轉矩成為拖動轉矩，拉著電動機反轉，而電磁轉矩起制動作用，如圖2-46a所示，故把這種制動稱為倒拉反轉的反接制動。由圖2-46b可見，要實現倒拉反轉反接制動，轉子回路必須串接足夠大的電阻，使工作點位于第四象限。這種制動方式的主要目的是限制重物下放的速度。

倒拉反轉反接制動運行是轉差率s>1的一種穩態，其功率關系與反接制動過程一樣，電磁功率>0，機械功率<0。但是倒拉反轉運行時負載向電動機送入的機械功率是靠著負載儲存的位能的減少，是位能性負載倒過來拉著電動機反轉。

3.回饋制動

若異步電動機在電動狀態運行時，由于某種原因，使電動機的轉速超過了同步轉速(轉向不變)，這時電動機便處于回饋制動狀態。

回饋制動時n>n₁，此時電動機轉子導體與旋轉磁場的相對切割方向同電動狀態時相反，則轉子電流、電磁轉矩的方向也相反，T_em與n方向相反，變為制動轉矩。此時電動機將軸上的機械能變成電能并回饋到電網，故稱為回饋制動，此時異步電動機處于發電運行狀態。

在實踐中異步電動機回饋制動有兩種情況：一種是位能性負載下放；另一種是電動機變極調速或變頻調速過程。

(1)下放重物時的回饋制動

在圖2-47中，設A點是電動狀態提升重物工作點，D點是回饋制動狀態下放重物工作點。電動機從提升重物工作點A過渡到下放重物工作點D的過程如下：首先，將電動機定子兩相反接，這時定子旋轉磁場的同步轉速為-n₁，下放重物時回饋制動機械特性如圖2-47所示。反接瞬間，轉速不能突變，工作點由A平移到B，然后電動機經過反接制動過程(工作點沿曲線2由B變到C)、反向電動加速過程(工作點由C向同步點-n₁變化)，最后在位能負載作用下反向加速并超過同步轉速，直到D點保持穩定運行，即勻速下放重物。如果在轉子電路中串入制動電阻，對應的機械特性如圖2-47中曲線3所示，這時的回饋制動工作點為D′，其轉速增加，重物下放的速度增大。為了限制電動機的轉速，回饋制動時在轉子電路中串入的電阻值不應太大。

(2)變極或變頻調速過程中的回饋制動

變極或變頻調速過程中的回饋制動可用圖2-48來說明。設電動機原來在機械特性曲線1上的A點穩定運行，當電動機采用變極(如增加極數)或變頻(如降低頻率)進行調速時，其機械特性變為曲線2，同步轉速變為n₁′。在調速瞬間，轉速不能突變，工作點由A變到B。在B點，轉速n_B>0，電磁轉矩T_B<0，為制動轉矩，且因為n_B>n′₁，故電動機處于回饋制動狀態。工作點沿曲線2的B點到n′₁點這一段變化過程為回饋制動過程，在此過程中，電動機吸收系統釋放的動能，并轉換成電能回饋到電網。電動機沿曲線2的n′₁點到C點的變化過程為電動狀態的減速過程，C點為調速后的穩態工作點。

圖2-47 下放重物時回饋制動機械特性

圖2-48 變極調速時回饋制動過程

回饋制動的優點是經濟性能好，可將負載的機械能轉換成電能回饋到電網上。缺點是僅當電動機的轉速n>n₁(同步轉速)時才能實現制動，應用范圍較窄。