任務(wù)2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行分析

知識(shí)與能力目標(biāo)

1)了解三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的特點(diǎn)。

2)熟悉三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的方法。

3)理解三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的運(yùn)行過程。

2.2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)就是轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_始加速到穩(wěn)定運(yùn)行為止的過程。衡量異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的好壞，要從起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及起動(dòng)過程的平滑性、起動(dòng)時(shí)間及經(jīng)濟(jì)性等方面來考慮，其中最主要的是：電動(dòng)機(jī)應(yīng)有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；保證一定大小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，起動(dòng)電流越小越好。

降低起動(dòng)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(zhuǎn)子邊電抗或電阻。加大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法只有適當(dāng)加大轉(zhuǎn)子電阻，但不能過大，否則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩反而可能減小。

1.三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

(1)直接起動(dòng)

直接起動(dòng)也稱為全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組直接接入額定電壓的電網(wǎng)上，如圖2-22所示。直接起動(dòng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的起動(dòng)設(shè)備，但直接起動(dòng)的起動(dòng)電流I_st大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_st小，只適用于小容量電動(dòng)機(jī)。

在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，由于最初起動(dòng)瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)cosφ₂很低，起動(dòng)電流相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。如普通三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流I_st＝K_II_N＝(4～7)I_N，起動(dòng)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)都可直接起動(dòng)。

(2)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的減壓起動(dòng)

1)定子串接電抗器起動(dòng)。

三相異步電動(dòng)機(jī)定子串接電抗器起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)電抗器接入定子電路；起動(dòng)后，切除電抗器，進(jìn)入正常運(yùn)行，如圖2-23所示。顯然此時(shí)的電抗器起到了分壓的作用。三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)可以理解為增大定子邊電抗值，也可以理解為降低定子實(shí)際所加電壓，其目的是減小起動(dòng)電流。然而，定子串電抗器起動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低得更多。因此，定子串電抗器起動(dòng)，只能用于空載和輕載。

2) -△減壓起動(dòng)。 -△減壓起動(dòng)是起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，起動(dòng)結(jié)束后，將定子繞組接成三角形運(yùn)行。這種方法只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)的電動(dòng)機(jī)。 -△減壓起動(dòng)原理接線圖如圖2-24所示。 -△減壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降為直接起動(dòng)時(shí)的1/3。

圖2-22 直接起動(dòng)

圖2-23 定子串接電抗器起動(dòng)

圖2-24

-△減壓起動(dòng)原理接線圖

即，起動(dòng)電流關(guān)系： 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)系： -△減壓起動(dòng)特點(diǎn)：

起動(dòng)方法簡(jiǎn)單，起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用廣泛。因?yàn)橐话阌猛镜男⌒彤惒诫妱?dòng)機(jī)，當(dāng)容量大于4kW時(shí)，定子繞組采用三角形聯(lián)結(jié)。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是直接起動(dòng)時(shí)的1/3，這種方法多用于空載或輕載起動(dòng)的設(shè)備上。

3)自耦變壓器減壓起動(dòng)。

自耦變壓器減壓起動(dòng)是通過自耦變壓器把電壓降低后，再加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。起動(dòng)時(shí)電源電壓接到自耦變壓器的一次側(cè)，自耦變壓器的二次側(cè)接電動(dòng)機(jī)的定子繞組，起動(dòng)結(jié)束后，切除自耦變壓器，電源電壓直接接到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，自耦變壓器減壓起動(dòng)原理圖如圖2-25所示。

采用自耦變壓器減壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)時(shí)的1/k²，起動(dòng)用的自耦變壓器有QJ2和QJ3兩個(gè)系列，QJ23個(gè)抽頭比(抽頭比即1/k)分別為73%、64%、55%，QJ33個(gè)抽頭比分別為80%、60%、40%。

這種起動(dòng)方法對(duì)定子繞組采用星形或三角形接法的電動(dòng)機(jī)都適用，可以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)需要選用自耦變壓器二次側(cè)的抽頭，但是設(shè)備體積大。這種方法適用于不需頻繁起動(dòng)的大容量電動(dòng)機(jī)，常用于10kW以上的三相異步電動(dòng)機(jī)。

圖2-25 自耦變壓器減壓起動(dòng)原理圖

4)延邊三角形減壓起動(dòng)。

延邊三角形接法在起動(dòng)時(shí)，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(gè)三角形三條邊的延長(zhǎng)，因此稱為延邊三角形。當(dāng)起動(dòng)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(dòng)時(shí)電壓降得越多。當(dāng)星形和三角形的抽頭比為1∶1時(shí)，電動(dòng)機(jī)每相繞組的電壓為268V，抽頭比為1∶2時(shí)，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(dòng)要求。與星形-三角形減壓起動(dòng)相比較，這種起動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是既不增加專用的起動(dòng)設(shè)備，又可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于電動(dòng)機(jī)定子繞組有9個(gè)抽頭的籠型異步電動(dòng)機(jī)。

圖2-26 延邊三角形起動(dòng)原理圖

a)起動(dòng)時(shí)接法 b)運(yùn)行時(shí)接法

2.三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)，起動(dòng)電流大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，減壓起動(dòng)時(shí)，雖然減小了起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨電壓的二次方關(guān)系減小，因此籠型異步電動(dòng)機(jī)只能用于空載或輕載起動(dòng)。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，若轉(zhuǎn)子回路串入適當(dāng)?shù)碾娮瑁饶芟拗破饎?dòng)電流，又能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這種起動(dòng)方法適用于大、中容量異步電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分為轉(zhuǎn)子串電阻和轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)。

(1)轉(zhuǎn)子串接電阻器起動(dòng)

為了在整個(gè)起動(dòng)過程中得到較大的加速轉(zhuǎn)矩，并使起動(dòng)過程比較平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級(jí)對(duì)稱電阻。起動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐段切除起動(dòng)電阻，稱為串電阻分級(jí)起動(dòng)。圖2-27所示為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接對(duì)稱電阻分級(jí)起動(dòng)的接線圖和對(duì)應(yīng)的三級(jí)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性。

起動(dòng)過程中功率因數(shù)高，但設(shè)備投資大，維修不便。

圖2-27 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接對(duì)稱電阻分級(jí)起動(dòng)的接線圖和對(duì)應(yīng)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

a)接線圖 b)機(jī)械特性

起動(dòng)開始時(shí)，接觸器觸點(diǎn)KM閉合，KM₁、KM₂、KM₃斷開，起動(dòng)電阻全部串入轉(zhuǎn)子回路中，轉(zhuǎn)子每相電阻為R₃＝r₂＋R_st1＋R_st2＋R_st3，對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性如圖2-27b中曲線1。起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速n＝0，電磁轉(zhuǎn)矩T₁稱為最大加速轉(zhuǎn)矩，因T₁大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L，于是電動(dòng)機(jī)從a點(diǎn)沿曲線1開始加速。隨著n上升，Tem逐漸減小，當(dāng)減小到T₂時(shí)(對(duì)應(yīng)于b點(diǎn))，觸點(diǎn)KM₃閉合，切除R_st3，切換電阻時(shí)的轉(zhuǎn)矩值T₂稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除后，轉(zhuǎn)子每相電阻變?yōu)?span id="2pubzvr" class="italic">R₂＝r₂＋R_st1＋R_st2，對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性變?yōu)榍€2。切換瞬間，轉(zhuǎn)速n不能突變，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由b點(diǎn)躍變到c點(diǎn)，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(shí)(對(duì)應(yīng)d點(diǎn))，觸點(diǎn)KM₂閉合，切除R_st2。此后轉(zhuǎn)子每相電阻變?yōu)?span id="nq2dsqf" class="italic">R₁＝r₂＋R_st1，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由d點(diǎn)躍變到e點(diǎn)，工作點(diǎn)(n、T_em)沿曲線3變化。最后在f點(diǎn)觸點(diǎn)KM₁閉合，切除R_st1，轉(zhuǎn)子繞組直接短路，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由f點(diǎn)變到g點(diǎn)后沿固有特性加速到負(fù)載點(diǎn)h穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。

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

(2)轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動(dòng)

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子串接電阻起動(dòng)時(shí)，若想在起動(dòng)過程中保持有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩且起動(dòng)平穩(wěn)，則必須采用較多的起動(dòng)級(jí)數(shù)，這必然導(dǎo)致起動(dòng)設(shè)備復(fù)雜化。為了解決這個(gè)問題，可以采用轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)。頻敏變阻器是一個(gè)鐵損耗很大的三相電抗器。從結(jié)構(gòu)上看，它好像一個(gè)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(gè)繞組分別繞在3個(gè)鐵心柱上并作星形聯(lián)結(jié)，然后接到轉(zhuǎn)子集電環(huán)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?yàn)轭l敏變阻器的鐵心用厚鋼板制成，所以鐵損耗較大，對(duì)應(yīng)的r_m也較大。

用頻敏變阻器起動(dòng)的過程如下：起動(dòng)時(shí)觸點(diǎn)KM₂斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器。當(dāng)觸點(diǎn)KM₁閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)接通電源開始起動(dòng)。起動(dòng)瞬間，n＝0，s＝1，轉(zhuǎn)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(shí)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)較大的電阻。起動(dòng)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(dāng)于在起動(dòng)過程中逐漸切除轉(zhuǎn)子回路串入的電阻。起動(dòng)結(jié)束后，觸點(diǎn)KM₂閉合，切除頻敏變阻器，轉(zhuǎn)子電路直接短路。

因?yàn)轭l敏變阻器的等效電阻r_m是隨頻率f₂的變化而自動(dòng)變化的，因此稱其為“頻敏”變阻器，它相當(dāng)于一種無觸點(diǎn)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(dòng)電阻的。頻敏變阻器的電阻隨頻率降低而逐漸減小。在起動(dòng)過程中，頻敏變阻器能自動(dòng)、無級(jí)地減小電阻，如果參數(shù)選擇適當(dāng)，可以在起動(dòng)過程中保持轉(zhuǎn)矩近似不變，使起動(dòng)過程平穩(wěn)、快速。轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖2-28c中的曲線2所示，曲線1是電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。

頻敏變阻器靜止無觸點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，大大提高了轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)，既限制了起動(dòng)電流，又提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用較為廣泛。

圖2-28 繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動(dòng)原理圖

a)接線圖 b)等效電路 c)機(jī)械特性

2.2.2 任務(wù)訓(xùn)練 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法測(cè)定

1.實(shí)訓(xùn)目的

通過實(shí)訓(xùn)掌握異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法。

2.預(yù)習(xí)要點(diǎn)

1)復(fù)習(xí)異步電動(dòng)機(jī)有哪些起動(dòng)方法和起動(dòng)技術(shù)指標(biāo)。

2)復(fù)習(xí)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。

3.實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

1)直接起動(dòng)。

2)星形-三角形 減壓起動(dòng)。

3)自耦變壓器減壓法起動(dòng)。

4.實(shí)訓(xùn)設(shè)備

1)三相自耦調(diào)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(dòng)機(jī)。

4)三相可調(diào)電阻(900Ω)。

5.實(shí)訓(xùn)電路及操作步驟

(1)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)實(shí)訓(xùn)

安裝電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)和磁粉制動(dòng)器同軸連接，旋緊固定螺釘。

按圖2-29接線，電動(dòng)機(jī)繞組為△接法。

實(shí)訓(xùn)前先把交流調(diào)壓器調(diào)到零位，然后接通電源。

按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的“起動(dòng)”開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)控制屏的調(diào)壓器，使輸出電壓達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電壓220V，按下實(shí)訓(xùn)臺(tái)的停止開關(guān)，等電動(dòng)機(jī)完全停止旋轉(zhuǎn)后，再按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)控制臺(tái)起動(dòng)開關(guān)，使電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)，電流表受起動(dòng)電流沖擊而偏轉(zhuǎn)，電流表的最大偏轉(zhuǎn)雖不能完全代表起動(dòng)電流的讀數(shù)，但用它可和下面幾種起動(dòng)方法的起動(dòng)電流作定性的比較。

圖2-29 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)

按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的“停止”開關(guān)，將實(shí)訓(xùn)控制屏調(diào)壓器退到零位，用銷釘將校正過的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銷住，按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的起動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)控制屏調(diào)壓器，使電動(dòng)機(jī)電流達(dá)2～3倍額定電流，讀取電壓值U_K、電流值I_K、轉(zhuǎn)矩值T_K，實(shí)訓(xùn)時(shí)通電時(shí)間不應(yīng)超過10s，以免繞組過熱。按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)停止開關(guān)，拔出銷釘。直接起動(dòng)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)記入表2-5中。

表2-5 異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)實(shí)訓(xùn)測(cè)量數(shù)據(jù)表

對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_st和起動(dòng)電流I_st按下式計(jì)算：

式中 I_K——起動(dòng)實(shí)訓(xùn)時(shí)的電流值(A)；

T_K——起動(dòng)實(shí)訓(xùn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩值(N·m)；

式中 U_K——起動(dòng)實(shí)訓(xùn)時(shí)的電壓值(V)；

U_N——電動(dòng)機(jī)額定電壓(V)；

(2)星形-三角形 減壓起動(dòng)

三相籠型異步電動(dòng)機(jī) -△減壓起動(dòng)如圖2-30所示。為了定性地和1實(shí)訓(xùn)比較，量程不變。

1)三相雙擲開關(guān)S合向右邊( 接法)。合上電源開關(guān)，把控制屏的調(diào)壓器調(diào)到零位，按下電動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的起動(dòng)開關(guān)，調(diào)節(jié)控制屏的調(diào)壓器使電壓逐漸升高至電動(dòng)機(jī)額定電壓220V。斷開電源開關(guān)，待電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

2)合上電源開關(guān)，觀察起動(dòng)瞬間電流，然后把S合向左邊，使電動(dòng)機(jī)三角形接法，觀察起動(dòng)過程中電流表的偏轉(zhuǎn)角度以與其他起動(dòng)方法作定性比較。

(3)自耦變壓器減壓起動(dòng)

1)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器減壓起動(dòng)如圖2-31所示，電動(dòng)機(jī)繞組 接法。

圖2-30 三相籠型異步電動(dòng)機(jī) -△減壓起動(dòng)

圖2-31 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器減壓起動(dòng)

2)三相調(diào)壓器退到零位，開關(guān)S合向右邊。

3)合上電源開關(guān)，電動(dòng)機(jī)就開始自耦變壓器減壓起動(dòng)(自耦變壓器輸出電壓分別為80%、60%和40%)，并經(jīng)過一定時(shí)間再把S合向左邊，切換至額定電壓正常運(yùn)行，整個(gè)起動(dòng)過程結(jié)束。觀察起動(dòng)過程電流的偏轉(zhuǎn)角度以作定性的比較。

6.實(shí)訓(xùn)報(bào)告

1)比較異步電動(dòng)機(jī)不同起動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2)由起動(dòng)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)求下述3種情況下的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

①外加額定電壓U_N(直接起動(dòng))。

②外加電壓U_N/3^1/2( -△起動(dòng))。

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

7.思考題

1)起動(dòng)電流和外加電壓成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)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(dòng)時(shí)的實(shí)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(dòng)機(jī)調(diào)速分析

由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式 可以看出，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可分為以下三大類。

1)變極調(diào)速：改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)P。

2)變頻調(diào)速：改變供電電源的頻率f₁。

3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率方法有繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速和改變定子電壓調(diào)速。

1.三相籠型異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速

(1)變極原理

定子繞組產(chǎn)生的磁極對(duì)數(shù)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(dòng)機(jī)定子U相繞組連接原理圖及產(chǎn)生的磁極數(shù)，只畫出了U相繞組的情況。每相繞組為兩個(gè)等效集中線圈正向串聯(lián)，例如U₁U₂繞組為a_lx₁與a₂x₂頭尾串聯(lián)，如圖2-32a所示。因此由U₁U₂繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)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(shù)為4極，即為4極異步電動(dòng)機(jī)。

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(gè)線圈頭尾串聯(lián)，而變成為兩個(gè)線圈尾尾串聯(lián)，即U相繞組U₁U₂為a_lx₁與a₂x₂反向串聯(lián)，如圖2-33a所示。或者，每相繞組兩個(gè)線圈變成為頭尾串聯(lián)后再并聯(lián)，即U₁U₂為a_lx₁與a₂x₂反向并聯(lián)，如圖2-33b所示。改變后的兩種接線方式，U相繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)都是2極，如圖2-33c所示，即為2極異步電動(dòng)機(jī)。

圖2-32 4極異步電動(dòng)機(jī)定子U相繞組連接原理圖

圖2-33 2極異步電動(dòng)機(jī)定子U相繞組連接原理圖

從上面分析可以看出，對(duì)于三相籠型異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)便成倍變化。因此，同步轉(zhuǎn)速n₁也成倍變化，對(duì)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)來講，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速也接近成倍改變。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)不能自動(dòng)隨定子極對(duì)數(shù)變化，如果同時(shí)改變定、轉(zhuǎn)子繞組極對(duì)數(shù)又比較麻煩，因此不采用變極調(diào)速。

為了保證變極調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，變極調(diào)速的同時(shí)，需要改變繞組的相序或者說是電源的相序，否則，電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。理由很簡(jiǎn)單，要使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變，就要求磁通勢(shì)旋轉(zhuǎn)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(jī)械角度與空間電角度之間的關(guān)系，顯然，改變極對(duì)數(shù)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(jī)械角度與空間電角度之間的關(guān)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(dòng)機(jī)變極接線方式的原理圖，其中圖2-34a表示由單星形聯(lián)結(jié)改接成并聯(lián)的雙星形聯(lián)結(jié)；圖2-34b表示由三角形聯(lián)結(jié)改接成雙星形聯(lián)結(jié)。由圖可見，這兩種接線方式都是使每相的一半繞組內(nèi)的電流改變了方向，因而定子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)減少一半。

圖2-34 雙速電動(dòng)機(jī)變極接線方式的原理圖

a) 聯(lián)結(jié)方式 b) 聯(lián)結(jié)方式

1) 聯(lián)結(jié)方式 改接成 聯(lián)結(jié)后，磁極數(shù)減少一半，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩保持不變，所以這種聯(lián)結(jié)方式的變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，它適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

2) 聯(lián)結(jié)方式

△改接成 聯(lián)結(jié)后，磁極數(shù)減少一半，轉(zhuǎn)速增大一倍，即，n_YY＝2n_△，允許輸出功率近似不變，允許輸出轉(zhuǎn)矩近似減小一半。這種聯(lián)結(jié)方式的變極調(diào)速可認(rèn)為是恒功率調(diào)速，它適用于恒功率負(fù)載。變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖2-35所示。

變極調(diào)速電動(dòng)機(jī)，有倍極比(如2/4極、4/8極等)雙速電動(dòng)機(jī)、非倍極比(如4/6極、6/8極等)雙速電動(dòng)機(jī)，還有單繞組三速電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些。變極調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎是成倍變化，所以調(diào)速的平滑性差。但它在每個(gè)轉(zhuǎn)速等級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，和通常的異步電動(dòng)機(jī)一樣，具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性較好。變極調(diào)速既可用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，又可用于恒功率負(fù)載，所以對(duì)于不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、通風(fēng)機(jī)及升降機(jī)等都采用多速電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

圖2-35 變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

a) 連接方式 b) 連接方式

2.變頻調(diào)速

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的惡化，其原因可分析如下：

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子漏阻抗壓降很小，可以認(rèn)為U₁≈E₁＝4.44f₁N₁k_w1Φ_m，若端電壓U₁不變，則當(dāng)頻率f₁減小時(shí)，主磁通Φ_m將增加，這將導(dǎo)致磁路過分飽和，勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增大；而當(dāng)f₁增大時(shí)，Φ_m將減少，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過載能力降低，電動(dòng)機(jī)的容量也得不到充分利用。

因此，為了使電動(dòng)機(jī)能保持較好的運(yùn)行性能，要求在調(diào)節(jié)f₁的同時(shí)，改變定子電壓U₁，以維持Φ_m不變，或者保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變。U₁隨f₁按什么樣規(guī)律變化最為合適呢?一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時(shí)，若能保持電動(dòng)機(jī)的過載能力不變，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能較為理想。

變頻調(diào)速時(shí)，U₁與f₁的調(diào)節(jié)規(guī)律是和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)的，通常分為恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速和恒功率變頻調(diào)速兩種情況。

額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時(shí)，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。

(1)從基頻向下變頻調(diào)速

1)保持E₁/f₁＝常數(shù)(這種方法稱為恒磁通控制方式)。

保持恒磁通變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖2-36所示。可見，在這種調(diào)速方式下，最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，并且不同頻率的各條機(jī)械特性是平行的，硬度相同。這種調(diào)速方法機(jī)械特性較硬，在一定的靜差率要求下，調(diào)速范圍寬，而且穩(wěn)定性好。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此變頻調(diào)速為無級(jí)調(diào)速，平滑性好。另外，電動(dòng)機(jī)在正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s較小，因此轉(zhuǎn)差功率較小，效率較高。

恒磁通變頻調(diào)速是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

2)保持U₁/f₁＝常數(shù)。

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

圖2-36 恒磁通變頻調(diào)速機(jī)械特性

圖2-37 恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速機(jī)械特性

(2)從基頻向上變頻調(diào)速(恒功率調(diào)速方式)

升高電源電壓是不允許的，因此升高頻率向上調(diào)速時(shí)，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(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速情況。保持U_N不變升速，近似為恒功率調(diào)速方式，圖2-38所示恒功率與恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，頻率越高時(shí)，T_m越小，S_m也減小。

三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn)：

1)從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式。

圖2-38 恒功率與恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

2)調(diào)速范圍大。

3)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。

4)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率小，效率高。

5)頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速為無級(jí)調(diào)速。

3.改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變定子電壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速都屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。這些調(diào)速方法的共同特點(diǎn)是在調(diào)速過程中都產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)差率。前兩種調(diào)速方法都是把轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路里，很不經(jīng)濟(jì)，而串級(jí)調(diào)速則能將轉(zhuǎn)差功率加以吸收或大部分反饋給電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟(jì)性能。

(1)改變電源電壓調(diào)速

對(duì)于轉(zhuǎn)子電阻大、機(jī)械特性曲線較軟的籠型異步電動(dòng)機(jī)而言，如加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載T_L對(duì)應(yīng)于不同的電源U₁、U₂、U₃，可獲得不同的工作點(diǎn)a₁、a₂、a₃，大轉(zhuǎn)子電阻高轉(zhuǎn)差率的籠型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖2-39所示，顯然電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍很寬。其缺點(diǎn)是低壓時(shí)機(jī)械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大，可采用帶速度反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)提高低速時(shí)機(jī)械特性的硬度。

改變電源電壓調(diào)速這種方法主要應(yīng)用于專門設(shè)計(jì)的較大轉(zhuǎn)子電阻的高轉(zhuǎn)差率的籠型異步電動(dòng)機(jī)，靠改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。目前廣泛采用晶閘管交流調(diào)壓線路來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)，調(diào)節(jié)速度的范圍不大。

(2)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速

從繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接對(duì)稱電阻的機(jī)械特性(見圖2-40)上可以看出，轉(zhuǎn)子串入附加電阻時(shí)，n₁、T_m不變，但S_m增大，機(jī)械特性的斜率增大。若帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，工作點(diǎn)將隨著轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)的電阻的增加而下移，轉(zhuǎn)差率增加，對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速將隨著轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的增大而減小。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，但調(diào)速是有級(jí)的，轉(zhuǎn)子的銅損耗隨著轉(zhuǎn)差率的增加而增加，經(jīng)濟(jì)性差。主要用于中小容量的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，如橋式起重機(jī)等。

圖2-39 大轉(zhuǎn)子電阻高轉(zhuǎn)差率的籠型異步電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速

圖2-40 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

(3)串級(jí)調(diào)速

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率P_em＝T_emΩ₁＝常數(shù)，轉(zhuǎn)子銅損耗與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子銅損耗又稱為轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)得越低，轉(zhuǎn)差功率越大，輸出功率越小，效率就越低，所以轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速很不經(jīng)濟(jì)。

如果在轉(zhuǎn)子回路中不串接電阻，而是串接一個(gè)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)E_2s同頻率的附加電動(dòng)勢(shì)E_ad，串級(jí)調(diào)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(shí)現(xiàn)調(diào)速。這樣，電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差功率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組本身電阻所消耗，而其余大部分被附加電動(dòng)勢(shì)E_ad所吸收，利用產(chǎn)生E_ad的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，使電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)仍具有較高的效率。這種在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接附加電動(dòng)勢(shì)的調(diào)速方法稱為串級(jí)調(diào)速。

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖2-42所示。整流器將轉(zhuǎn)差頻率的電勢(shì)整為直流，再經(jīng)逆變器將直流變?yōu)楣ゎl交流，將電能送回電網(wǎng)，獲得較高的效率。逆變器的電壓即為加在轉(zhuǎn)子電路中的反電勢(shì)，控制逆變器的逆變角，可改變逆變器的電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

圖2-41 串級(jí)調(diào)速原理

圖2-42 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成

串級(jí)調(diào)速完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點(diǎn)，它具有高效率、無級(jí)平滑調(diào)速、較硬的低速機(jī)械特性等優(yōu)點(diǎn)，但附加電動(dòng)勢(shì)裝置比較復(fù)雜。隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水泵和通風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速，應(yīng)用于不可逆軋鋼機(jī)、壓縮機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速。

2.2.4 三相異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)分析

從三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，因此只要改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，就能使異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相同，是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的。運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方向相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)可以使電動(dòng)機(jī)快速停車，或者使位能性負(fù)載(如起重機(jī)下放重物，運(yùn)輸工具在下坡運(yùn)行時(shí))獲得穩(wěn)定的下降速度。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)是利用機(jī)械設(shè)備(如電磁抱閘)在電動(dòng)機(jī)斷電后，使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。電氣制動(dòng)是利用電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反的原理制動(dòng)的，常用的制動(dòng)方法有反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

1.能耗制動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)如圖2-43所示。制動(dòng)時(shí)接觸器觸點(diǎn)KM₁斷開，電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，同時(shí)觸點(diǎn)KM₂閉合，在定子繞組中通入直流電流(稱為直流勵(lì)磁電流)，于是定子繞組便產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子因慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并切割該恒定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流。由圖2-43b可以判定，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與恒定磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)速迅速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至零時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流均為零，制動(dòng)過程結(jié)束。制動(dòng)期間，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路的電阻上，故稱為能耗制動(dòng)。

能耗制動(dòng)過程可分析如下：設(shè)電動(dòng)機(jī)原來工作在固有機(jī)械特性曲線(見圖2-44)上的A點(diǎn)，制動(dòng)瞬間，因轉(zhuǎn)速不突變，工作點(diǎn)便由A點(diǎn)平移至能耗制動(dòng)特性(曲線1)上的B點(diǎn)，在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)開始減速，工作點(diǎn)沿曲線1變化，直到原點(diǎn)，n＝0，T_em＝0。如果拖動(dòng)的是反抗性負(fù)載，則電動(dòng)機(jī)便停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)停車；如果拖動(dòng)的是位能性負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速過零時(shí)，若要停車，必須立即用機(jī)械抱閘將電動(dòng)機(jī)軸剎住，否則電動(dòng)機(jī)將在位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的倒拉下反轉(zhuǎn)，直到進(jìn)入第四象限中的C點(diǎn)(T_em＝T_L)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的能耗制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)重物保持勻速下降，C點(diǎn)稱為能耗制動(dòng)運(yùn)行點(diǎn)。由圖2-44可見，改變制動(dòng)電阻R_B或直流勵(lì)磁電流的大小，可以獲得不同的穩(wěn)定下降速度。

能耗制動(dòng)廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場(chǎng)合，也可應(yīng)用于起重機(jī)一類帶位能性負(fù)載的機(jī)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(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)

a)接線圖 b)能耗制動(dòng)原理圖

圖2-44 能耗制動(dòng)的機(jī)械特性

2.反接制動(dòng)

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，電動(dòng)機(jī)便處于反接制動(dòng)狀態(tài)。反接制動(dòng)分為兩種情況，一是在電動(dòng)狀態(tài)下突然將電源兩相反接，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向由原來的順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向改為逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，這種情況下的制動(dòng)稱為電源兩相反接的反接制動(dòng)；二是保持定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向不變，而轉(zhuǎn)子在位能負(fù)載作用下進(jìn)入倒拉反轉(zhuǎn)，這種情況下的制動(dòng)稱為倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動(dòng)。

(1)電源兩相反接的反接制動(dòng)

處于正向電動(dòng)運(yùn)行的三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r(shí)，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了反接制動(dòng)過程。反接制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)電源相序?yàn)樨?fù)序，圖2-45b為拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，反接制動(dòng)的同時(shí)轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻時(shí)的反接制動(dòng)機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從A→B→C，到C點(diǎn)后，如果-T_L<T<T_L，可以準(zhǔn)確停車。

如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小的反抗性恒轉(zhuǎn)矩或拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，如果進(jìn)行反接制動(dòng)停車，則必須在降速到n＝0時(shí)切斷電源并停車，否則電動(dòng)機(jī)將會(huì)反向起動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)停車比能耗制動(dòng)停車速度快，但能量損失較大。一些頻繁正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，為了迅速改變轉(zhuǎn)向，提高生產(chǎn)率，經(jīng)常采用反接制動(dòng)停車接著反向起動(dòng)的方法。

(2)倒拉反接制動(dòng)

拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，若在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入一定值的電阻，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低。如果所串的電阻超過某一數(shù)值則會(huì)使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，稱為倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載的情況，它能夠使重物獲得穩(wěn)定的下放速度。圖2-46是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)時(shí)的原理圖及其機(jī)械特性。設(shè)電動(dòng)機(jī)原來工作在固有特性曲線上的A點(diǎn)提升重物，當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路串入電阻R_B時(shí)，其機(jī)械特性變?yōu)榍€2。串入R_B瞬間，轉(zhuǎn)速來不及變化，工作點(diǎn)由A點(diǎn)平移到B點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的提升轉(zhuǎn)矩T_B小于位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L，因此提升速度減小，工作點(diǎn)沿曲線2由B點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)。在減速過程中，電動(dòng)機(jī)仍運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。

圖2-45 電源兩相反接的反接制動(dòng)

a)反接制動(dòng)原理 b)反接制動(dòng)機(jī)械特性

圖2-46 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動(dòng)

a)倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)原理 b)倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)的機(jī)械特性

當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速降至零，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T_C仍小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L，重物將倒拉電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，并加速到D點(diǎn)，這時(shí)T_D＝T_L，拖動(dòng)系統(tǒng)將以轉(zhuǎn)速n_D穩(wěn)定下放重物。在D點(diǎn)，T_em＝T_D>0，n＝-n_D<0，負(fù)載轉(zhuǎn)矩成為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，拉著電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，而電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用，如圖2-46a所示，故把這種制動(dòng)稱為倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動(dòng)。由圖2-46b可見，要實(shí)現(xiàn)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)，轉(zhuǎn)子回路必須串接足夠大的電阻，使工作點(diǎn)位于第四象限。這種制動(dòng)方式的主要目的是限制重物下放的速度。

倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng)運(yùn)行是轉(zhuǎn)差率s>1的一種穩(wěn)態(tài)，其功率關(guān)系與反接制動(dòng)過程一樣，電磁功率>0，機(jī)械功率<0。但是倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)負(fù)載向電動(dòng)機(jī)送入的機(jī)械功率是靠著負(fù)載儲(chǔ)存的位能的減少，是位能性負(fù)載倒過來拉著電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.回饋制動(dòng)

若異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于某種原因，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)向不變)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)便處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。

回饋制動(dòng)時(shí)n>n₁，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)切割方向同電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，則轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩的方向也相反，T_em與n方向相反，變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)電動(dòng)機(jī)將軸上的機(jī)械能變成電能并回饋到電網(wǎng)，故稱為回饋制動(dòng)，此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

在實(shí)踐中異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)有兩種情況：一種是位能性負(fù)載下放；另一種是電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速或變頻調(diào)速過程。

(1)下放重物時(shí)的回饋制動(dòng)

在圖2-47中，設(shè)A點(diǎn)是電動(dòng)狀態(tài)提升重物工作點(diǎn)，D點(diǎn)是回饋制動(dòng)狀態(tài)下放重物工作點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)從提升重物工作點(diǎn)A過渡到下放重物工作點(diǎn)D的過程如下：首先，將電動(dòng)機(jī)定子兩相反接，這時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速為-n₁，下放重物時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性如圖2-47所示。反接瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由A平移到B，然后電動(dòng)機(jī)經(jīng)過反接制動(dòng)過程(工作點(diǎn)沿曲線2由B變到C)、反向電動(dòng)加速過程(工作點(diǎn)由C向同步點(diǎn)-n₁變化)，最后在位能負(fù)載作用下反向加速并超過同步轉(zhuǎn)速，直到D點(diǎn)保持穩(wěn)定運(yùn)行，即勻速下放重物。如果在轉(zhuǎn)子電路中串入制動(dòng)電阻，對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性如圖2-47中曲線3所示，這時(shí)的回饋制動(dòng)工作點(diǎn)為D′，其轉(zhuǎn)速增加，重物下放的速度增大。為了限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，回饋制動(dòng)時(shí)在轉(zhuǎn)子電路中串入的電阻值不應(yīng)太大。

(2)變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動(dòng)

變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動(dòng)可用圖2-48來說明。設(shè)電動(dòng)機(jī)原來在機(jī)械特性曲線1上的A點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用變極(如增加極數(shù))或變頻(如降低頻率)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，其機(jī)械特性變?yōu)榍€2，同步轉(zhuǎn)速變?yōu)?span id="c3f7496" class="italic">n₁′。在調(diào)速瞬間，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由A變到B。在B點(diǎn)，轉(zhuǎn)速n_B>0，電磁轉(zhuǎn)矩T_B<0，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且因?yàn)?span id="rs89h9n" class="italic">n_B>n′₁，故電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。工作點(diǎn)沿曲線2的B點(diǎn)到n′₁點(diǎn)這一段變化過程為回饋制動(dòng)過程，在此過程中，電動(dòng)機(jī)吸收系統(tǒng)釋放的動(dòng)能，并轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。電動(dòng)機(jī)沿曲線2的n′₁點(diǎn)到C點(diǎn)的變化過程為電動(dòng)狀態(tài)的減速過程，C點(diǎn)為調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

圖2-47 下放重物時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性

圖2-48 變極調(diào)速時(shí)回饋制動(dòng)過程

回饋制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性能好，可將負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)上。缺點(diǎn)是僅當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n>n₁(同步轉(zhuǎn)速)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，應(yīng)用范圍較窄。