三相异步电动机控制方法

1.三相异步电动机的直接起动

三相异步电动机的起动就是把三相定子绕组与电源接通，使电动机的转子由静止加速到一定转速稳定运行的过程。异步电动机在直接起动的最初瞬间，其转速n=0，转差率s=1，转子电流达到最大值，这时定子电流也达到最大值，约为额定电流的5～7倍。由电磁转矩公式T=CTΦI2cosφ2可知，虽然异步电动机的起动电流很大，但是起动时转子电路的功率因数很低，故起动转矩并不大，一般笼型异步电动机的起动能力λst只有1.3～2.2。

三相异步电动机直接起动电流很大，在输电线路上造成的电压降也大，可能会影响同一电网中其他负载的正常工作，例如使其他电动机的转矩减小，转速降低，甚至造成堵转，或使日光灯熄灭等。电动机起动转矩不大，则起动时间较长，或不能在满载情况下起动。由于三相异步电动机存在起动电流很大而起动转矩不大的问题，所以必须要采取一些措施来减小起动电流，增大起动转矩。

因此，三相异步电动机能否直接起动需要满足以下条件：

（1）生产机械设备是否允许电机直接起动；

（2）直接起动的起动电流不会引起电源电压降低太大，影响电网中其他设备的正常使用。

2.三相异步电动机的降压起动

三相异步电动机功率较大时，为了避免电动机直接起动对电网或其他机械设备的冲击，一般不能采取直接起动，通常会采取降压起动方式。三相异步电动机降压起动控制常用的方式有定子绕组串联电阻起动、Y-△起动、自耦变压器起动等。

（1）定子绕组串联电阻起动。

三相异步电动机定子绕组与外加电源之间串联电阻，使三相异步电动机在起动过程中定子线圈上得不到全电压（电源电压被电阻分压了一部分），从而减小了定子线圈上的起动电压和起动电流。待电动机起动完成后，切除所串联的电阻将电源电压全部加在三相异步电动机的定子线圈上，电动机实施全压运行。三相异步电动机定子绕组串联电阻起动接线图如图4.15所示。

图4.15　三相异步电动机定子绕组串联电阻起动接线图

（2）Y-△起动。

三相异步电动机 Y-△起动只适用于电动机正常运行且定子绕组为三角形连接的情况。电动机在起动过程中，定子线圈先被连接成星形，线圈上的电压为交流220 V；随着起动过程的完成（利用时间继电器的延时），再将定子线圈连接成三角形，线圈上的电压为交流380 V，起动过程中电动机处于降压运行。三相异步电动机Y-△起动接线图如图4.16所示。

由于电动机起动过程属于减压起动，所以输出功率仅为运行时的1/3。由此可见，三相异步电动机 Y-△起动过程中，电动机处于过载运行，通常起动时间不应太长，禁止重载起动，以免电动机因过载严重而被损坏。

（3）自耦变压器起动。

三相异步电动机自耦变压器起动只适用于鼠笼式异步电动机且定子绕组为星形连接的情况。自耦变压器实际上是一组调压器，输入端直接与三相交流电源连接，输出端通过不同的抽头（输出不同级别的电压）与电动机定子绕组连接。电动机起动时，三相交流电源加在自耦变压器上，其输出端（某个抽头）给三相异步电动机定子绕组供电，此时定子绕组得到的电压为电源电压的一部分，三相异步电动机实施降压起动。随着起动过程的完成（利用时间继电器的延时），控制电路将自耦变压器从供电电路中摘除，将三相交流电压全部加在电动机的定子绕组上，电动机进入全压运行。三相异步电动机自耦变压器起动接线图如图4.17所示。

图4.16　三相异步电动机Y-△起动接线图

图4.17　三相异步电动机自耦变压器起动接线图

3.三相异步电动机的反转

三相异步电动机拖动的生产机械，往往需要改变运动方向，如电梯的上下、刨床的来回运动、起重的提升和下放重物，都需要电动机能快速地正反转。三相异步电动机改变转向的方法很简单，在以前的技能训练过程中曾多次使用过，只需调换任意两根电源线即可。

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转向，就能使三相异步电动机反转。图4.18是利用控制开关SA来实现电动机正、反转的原理线路图。当正转开关SA向上闭合，L1接U相，L2接V相，L3接W相，电动机正转；当正转开关SA向下闭合，L1接V相，L2接U相，L3接W相，将电动机U相和V相绕组与电源的接线互换，则旋转磁场反向，电动机跟着反转。

图4.18　三相异步电动机正、反转原理电路图

4.三相异步电动机的调速

近年来，随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流电动机调速系统的趋势。

从异步电动机的转速关系式可以看出，异步电动机的调速可分以下三大类：

① 改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速；

② 改变供电电源的频率f1，称为变频调速；

③ 改变电动机的转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速和串级调速。

（1）变极调速。

在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。

通常用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机称多速电动机。其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。下面以一相绕组来说明变极原理。先将其两个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图4.19（a）所示，产生两对磁极。若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向，如图4.19（b）所示，产生一对磁极。

图4.19　三相四极电动机定子U相绕组

目前，在我国多极电动机定子绕组联绕方式最多有3种，常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图4.20所示；另一种是从三角形改成双星形，写作△/YY，如图4.21所示，这两种接法可使电动机极数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。

变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、质量轻，但电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。

图4.20　感应电动机Y/YY变极调速接线

图4.21　感应电动机△/YY变极调速接线

（2）变频调速。(www.xing528.com)

三相异步电动机的同步转速为。因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。

① 变频调速的条件。

三相异步电动机的每相电压U为U1≈E1=4.44f1N1ΦmKw1。若电源电压U1不变，当降低电源频率f1调速时，则磁通Φm将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通Φm不变，就必须降低电源电压，使。

额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

② 从基频向下调变频调速。

降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压，有以下两种控制方法：

a.保持为常数。降低电源频率f1时，保持为常数，则Φm为常数，是恒磁通控制方式，也称恒转矩调速方式。降低电源频率f1调速的人为机械特性，如图4.22所示。降低电源频率f1调速的人为机械特性特点为：同步速度n1与频率f1成正比；最大转矩不变；转速降落Δn=常数，特性斜率不变（与固有机械特性平行）。这种变频调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定静差率的要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好，另外，转差功率Ps较小，效率较高。

b.保持为常数。降低电源频率f1，保持为常数，则Φm近似为常数，在这种情况下，当降低频率f1时，Δn不变。但最大转矩Tm会变小，特别在低频低速时的机械特性会变坏，如图4.23所示。其中虚线是恒磁通调速时为常数的机械特性，以示比较。保持为常数，则低频率调速近似为恒转矩调速方式。

异步电动机变频调速具有良好的调速性能，可与直流电动机媲美。

图4.22　保持为常数时变频调速机械特性

图4.23　保持为常数时变频调速机械特性

（3）改变转差率调速。

改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。

① 改变定子电压调速。

对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a、a3，如图4.24所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转

2速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。

改变电源电压调速，这种方法主要应用于笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。过去都采用定子绕组串电抗器来实现，目前已广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。

② 转子串电阻调速。

绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图4.25所示。转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。

转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的绕线转子异步电动机如桥式起动机等。

图4.24　高转子电阻笼型电动机调压调速

图4.25　转子串电阻调速机械特性

5.三相异步电动机的制动

制动就是刹车。当电动机断电后，由于电动机及生产机械存在惯性，要经过一段时间才能停转。为了提高生产效率及安全性，必须对电动机进行制动。制动的方法有机械制动和电气制动两类。

机械制动通常利用电磁抱闸制动器来实现。电动机起动时，电磁抱闸线圈同时通电，电磁铁吸合，使抱闸松开；电动机断电时，抱闸线圈同时断电，电磁铁释放，在弹簧作用下，抱闸把电动机转子紧紧抱住，实现制动。起重机常用这种方法制动。

电气制动就是在电动机转子中产生一个与转动方向相反的电磁转矩，使电动机迅速停止转动。常用的电气制动方法有以下几种：

（1）反接制动。

电源反接制动是通过改变电动机定子绕组与电源的连接相序，如图4.26所示，断开QS1，接通QS2即可。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。

图4.26　电源反接制动的电路和原理图

（2）能耗制动。

能耗制动的方法是，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，立即接到直流电源上，如图4.27所示。

图4.27　感应电动机能耗制动原理图

当定子绕组通入直流电源时，在电动机中将产生一个恒定磁场。转子因机械惯性继续旋转时，转子导体切割恒定磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩，根据右手定则可以判电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，为制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速迅速下降，当n=0时，T=0，制动过程结束。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。

（3）回馈制动。

回馈制动又称再生制动或发电制动，主要用在起重设备中，如图4.28所示。例如当起重机下放重物时，因重力的作用，电动机的转速n超过旋转磁场的转速n1，转子中感应电动势、电流和电磁转矩的方向都发生了变化，电动机转入发电运行状态，将重物的位能转换为电能，再回送到电网，所以称为回馈制动或发电制动。

图4.28　回馈制动原理图