交流异步电动机的运行控制优化方案

三相交流异步电动机的运行控制主要包括启动、调速、正反转和制动等。

1.三相异步电动机的启动控制

评价异步电动机的启动性能时，主要是看它的启动转矩和启动电流。一般期望在启动电流比较小的情况下，能得到较大的启动转矩。但异步电动机直接接入电网启动瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对转速（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电动势。在刚启动时，n=0，s=1，若设异步电动机在额定转速n_N转动时的转差率s_N=0.05，由于E_2N=sE₂₀，可知，刚启动时的转子电动势E₂₀可达额定转速时的转子电动势E_2N的20倍。考虑到启动时转子漏抗X₂₀也较大，因此实际上启动时转子电流I_2st约为额定转子电流I_2N的5～8倍，而启动时定子电流I_1st约为额定定子电流I_1N的4～7倍。因启动时s=1，f₂=f₁，转子漏抗X₂₀远大于转子电阻，转子功率因数cosϕ₂很低，使其有功分量I_2st cosϕ_2st并不大，故启动转矩T_st=K_TΦI_2stcosϕ_2st也不大。一般T_st=（0.8～2.2）T_N，固有启动特性如图1-20所示。显然异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的。为了解决该矛盾，必须根据具体情况，采用不同的启动方法限制启动电流，增大启动转矩，从而改善启动性能。

图1-20 异步电动机的固有启动特性

（1）笼型异步电动机的启动方法 笼型异步电动机有直接启动和减压启动两种方法。

1）直接启动（全压启动）。直接启动就是利用闸刀开关或接触器将定子绕组直接接入额定电压的电源上启动。由于直接启动的启动电流很大，因此在什么情况下才允许采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。一般在有独立变压器供电的情况下，若电动机启动频繁，电动机的功率小于供电变压器容量的20%，则允许直接启动。若电动机不经常启动，电动机的功率小于供电变压器容量的30%，则允许直接启动。如果没有独立的变压器（即与照明共用电源），电动机启动又比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下面的关系则可直接启动：

I_st/I_N≤3/4+电源总容量/（4×电动机功率） （1-9）

直接启动无需附加启动设备，操作和控制简单、可靠，所以在条件允许的情况下应尽量采用。考虑到目前在大中型厂矿企业中，变压器容量已足够大，为此，一般对于20～30kW以下的异步电动机都可以采用直接启动。

2）减压启动。不允许直接启动时，则可以采用减压启动，即在启动时利用某些设备降低加在电动机定子绕组上的电压，减小启动电流。笼型异步电动机减压启动常用下面几种方法：

①定子串电阻或电抗器减压启动。这种启动方法的优点是启动平稳，运行可靠，设备简单。其缺点是：启动转矩随定子电压的平方关系下降，只适用于空载或轻载启动的场合；不经济，在启动过程中，电阻器上的消耗能量大；不适用于经常启动的电动机。若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。

②/△减压启动。/△减压启动的方法只适用于正常运行时定子绕组接成△的电动机。设U₁为电源线电压，及为接成或△的启动电流（线电流），Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗，则有，所以，=I_st△/3，即定子绕组接成时的启动电流等于接成△时启动电流的1/3。而接成时的启动转矩：；接成△时的启动转矩：T_st△∝（U₁）²，所以，=T_st△/3，即定子绕组接成时的启动转矩只有接成△时启动转矩的1/3。

此种启动方法的优点是设备简单，经济，运行可靠，维修方便，启动电流小。缺点是启动转矩小，且启动电压不能按实际要求调节，故只能适用于空载或轻载启动的场合。由于这种方法应用广泛，我国已专门生产有能采用/△换接启动的三相异步电动机，其定子额定电压为380V，此即为电源线电压，联结方式为△。

③自耦变（调）压器减压启动。这种启动方法是利用一台降压的自耦变压器（又称启动补偿器），使施加在定子绕组上的电压降低，待启动完毕后，再把电动机直接接到电源上。

图1-21 一相等效电路

图1-21所示为自耦变压器启动的一相等效电路。由变压器的原理可知，此时二次电压与一次电压之比K为：K=U₂/U₁=N₂/N₁＜1。启动时，加在电动机定子每相绕组上的电压U₂=KU₁，只有全电压启动的K倍，即I₂=KI_st（注意：I₂是自耦变压器的二次电流）。但变压器一次电流I₁=KI₂=K²I_st，此时从电网吸取的电流I₁只有直接启动时的K²倍。

这种启动方式的优点是：在降压比K一定、启动转矩一定的条件下，采用自耦变压器减压启动，比前述的各种减压启动的电流减小，即对电网的冲击电流减小，或者说在启动电流一定的情况下，启动转矩增大了，启动不受电动机转子绕组接法的限制，并且电压比可以改变，即启动电压大小可调。其缺点是自耦变压器的体积大，质量大，价格高，维修麻烦。启动用自耦变压器的设计是按短时工作考虑的，启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此不适于启动频率的电动机，每小时内允许连续启动的次数和每次启动的时间，在产品说明书上都有明确的规定，选配时应充分注意。它在启动不太频繁、要求启动转矩较大、容量较大的异步电动机上应用较为广泛。通常自耦变压器的输出端有固定抽头（一般有K=80%、65%和50%三种电压，可根据需要进行选择）。

为了便于根据实际要求选择合理的启动方法，现将上述几种常用启动方法的启动电压、启动电流和启动转矩的相对值列于表1-1中。表中U_N、I_st和T_st为电动机的额定电压、全压启动时的启动电流和启动转矩，其数值可从电动机的产品目录中查到；U_st、I_st′和T_st′为按各种方法启动时实际加在电动机上的线电压、实际启动电流（对电网的冲击电流）和实际的启动转矩。

4）延边三角形启动。需要厂家提供特殊电动机，目前已很少使用。

笼型异步电动机除了可在定子绕组想办法减压启动外，还可以通过改进笼的结构来改善启动性能，这类电动机主要有深槽式和双笼式。

（2）绕线转子异步电动机的启动方法 笼型异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩、低启动电流的要求。而绕线转子异步电动机由于能在转子回路中串入电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。

表1-1 笼型异步电动机几种启动方法的比较

在转子电路中串入电阻启动，常用的方法有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。

1）逐级切除启动电阻法。采用逐级切除启动电阻的方法，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩，缩短启动时间。启动过程如图1-22所示。

2）频敏变阻器启动法。采用逐级切除启动电阻的方法来启动绕线转子异步电动机时，由于转矩的突变会引起机械上的冲击。为了克服这一缺点，采用频敏变阻器作为启动电阻。其特点是：它的电阻值会随着转速的上升而自动减小，即能做到自动变阻，使电动机平稳地完成启动，而且不需要控制电器。频敏变阻器的结构、接线和等效电路如图1-23所示。

图1-22 逐级切除启动电阻法的启动过程

a）原理接线 b）启动特性

图1-23 频敏变阻器启动法

a）结构 b）接线 c）等效电路

2.异步电动机一般调速方法

异步电动机实际转速n与电动机输入定子电源频率f₁、转差率s和电动机磁极对数P的关系式为：n=60×（f₁/P）×（1-s）。可以看出，异步电动机的调速可通过改变磁极对数P、调节转差率s及改变定子频率f₁三种方式来实现。常用的异步电动机调速方法及其比较见表1-2。由表中的对比可以看出，PWM变频调速是最理想的调速方式。几种调速方法的机械特性可参考上述人为机械特性。(www.xing528.com)

表1-2 常用的异步电动机调速方法及其比较

3.异步电动机的反转

从三相异步电动机的工作原理可知，电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相异步电动机反转。实用中常用两台接触器进行换相，即任意调换电动机的两根电源接线即可，如图1-24所示。

图1-24 正反转接触器的换相

4.异步电动机的制动

上述电动机在启动、调速和反转运行时有一个共同的特点，即电动机的电磁转矩和电动机的旋转方向相同，故称电动机处于电动运行状态。

三相异步电动机还有一类运行状态称为制动，包括机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。它的结构有几种形式，应用较普遍的是电磁抱闸，它主要用于起重机械上吊重物时，使重物迅速而又准确地停留在某一位置上。电气制动是指电动机所产生的电磁转矩和电动机旋转方向相反的状态，如在负载转矩为位能转矩的机械设备中（例如起重机下放重物时，运输工具在下坡运行时）使设备保持一定的运行速度；在机械设备需要减速或停止时，电动机能实现减速和停止。

电气制动通常可分为能耗制动、反接制动和再生（反馈）制动等三类。

（1）能耗制动 将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电源上，这种方法是将转子的动能转变为电能，消耗在转子回路的电阻上，所以称能耗制动。

对于采用能耗制动的异步电动机，既要求有较大的制动转矩，又要求定、转子回路中电流不能太大而使绕组过热。根据经验，能耗制动时对笼型异步电动机取直流励磁电流为（4～5）I₀，对绕线转子异步电动机取直流励磁电流为（2～3）I₀，制动所串电阻。

能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳；缺点是需要一套专门的直流电源供制动用。能耗制动时的原理电路及机械特性如图1-25所示。

（2）反接制动 反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种。

1）电源反接制动。改变电动机定子绕组与电源的连接相序。电源的相序改变，旋转磁场立即反转，而使转子绕组中感应电动势、电流和电磁转矩都改变方向，因机械惯性，转子转向未变，电磁转矩与转子的转向相反，电动机进行制动，因此称电源反接制动。电源反接制动的机械特性如图1-26所示。

图1-25 能耗制动电路图及机械特性

a）原理电路 b）机械特性

2）倒拉反接制动。当绕线转子异步电动机拖动位能性负载时，在其转子回路串入很大的电阻。在位能负载的作用下，使电动机反转。因这是由于重物倒拉引起的，所以称为倒拉反接制动（或称倒拉反接运行）。倒拉反接制动时的机械特性，如图1-27所示。

图1-26 电源反接制动的机械特性

图1-27 倒拉反接制动时的机械特性

绕线转子异步电动机倒拉反接制动状态，常用于起重机低速下放重物。

（3）反馈制动 当异步电动机由于某种原因，使其转速n＞n₀（理想空载转速）时，转差率s=（n₀-n）/n₀＜0，异步电动机进入发电状态，此时T与n的方向相反，T起制动作用。电动机从轴上吸取机械功率转换为电磁功率后，一部分转子铜耗，大部分通过气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁损后，反馈给电网，所以被称为反（回）馈制动或发电（再生）制动。异步电动机的反馈制动运行状态有两种情况：

1）起重机下放重物时，负载转矩为位能负载。当电动机的转速超过旋转磁场的同步转速时，转矩方向与转子转向相反，成制动转矩，并随着转速的下降而增大。当T=T_L时，达到稳定状态，重物匀速下降。改变转子回路串入的电阻，可以调节重物下降的稳定运行速度。为了限制下放速度过高，转子回路不应串入过大的电阻。其机械特性如图1-28所示。

2）电动机在变极或变频调速时其同步转速n₀会突然降低，转子转速n将超过同步转速n₀，s＜0，异步电动机进入反馈制动状态，特性曲线进入第三象限的发电区域内。此时转子所产生的电磁转矩为负，和负载转矩一起，迫使电动机降速，电动机将运动系统中的动能转换成电能反馈到电网。当电动机将高速挡所储存的动能消耗完后，便进入低速挡稳定运行。其机械特性如图1-29所示。

三相异步电动机四象限运行及制动特性如图1-30所示。

图1-28 下放重物时机械特性

图1-29 突降转速时的机械特性

图1-30 四象限运行及制动特性