三相异步电动机的起动、调速和制动
基于Matlab的三相异步电动机起动、调速和制动特性仿真
信息工程学院基于Matlab的三相异步电动机起动、调速和制动特性仿真摘要：异步电动机目前在日常生活中已得到广泛应用，其主要特点为结构简单、运行可靠、效率较高和成本较低。
为使其应用更加广泛且性能更加完善，有必要对其最基本的起动、制动和调速性能进行深入研究。
而随着电机研究的不断深入，仿真就成为对其进行研究的一个重要手段，其中Matlab软件以其方便、高效、直观的特点，广泛应用于异步电动机的仿真研究，方便快捷且节约资源，为解决一些复杂问题带来了极大的方便。
本文通过Matlab软件进行仿真，研究异步电动机起动、调速和制动的各种方法，以找到提高其性能的途径，并通过与理论相对比，验证了本文模型的有效性和正确性。
关键词：Matlab；仿真；异步电动机Simulation for Start-up ,Speed Control and Braking Character of Three-phase Asynchronous Motor Based onMatlabAbstract:Asynchronous motor has been widely used in our daily life at present, the main characteristics of simple structure, reliable operation, high efficiency and low cost. In order to make its application more widely and performance will be improved, it is necessary for the most basic starting, braking and speed regulating performance for further research. And with the research of motor, the simulation has become an important means to study, the Matlab software, with its convenient, efficient and intuitive features, are widely used in the simulation research of asynchronous motor is convenient and save resources, to solve some complex problems has brought great convenience.Based on the Matlab software simulation, the asynchronous motor starting, speed and braking methods, in order to find ways to improve its performance, and compared with the theory, proves the correctness and the effectiveness of the model. Key words:Matlab; simulation; asynchronous motor1 设计目的和意义1.1 概述在科学技术发展迅速的当今社会，电机已经成为生活中必不可少的一部分，为人们的生产生活提供了极大的方便。
电机学 chap10三相异步电动机的起动和调速
斜槽
对谐波磁场，相 当于分布绕组的 作用
槽配合
定转子一阶齿谐波
Z1 1 Z2 1
p
p
即：Z1 Z2 , Z1 Z2 2 p
为要消除齿谐波同步转矩，定子齿数与
转子齿数不应相等，它们之间的差数也 不应等于极数。
异步电动机的调速与制动
一、异步电动机调速方法
异步电动机的转速
n 60 f 1 s
第10章 异步电动机的起动、 调速和制动
异步电动机的起动性能
1. 起动电流倍数 2. 起动转矩倍数 3. 起动时间 4. 起动时能量消耗与发热 5. 起动设备的简单性和可靠性 6. 起动中的过渡过程
一、起动电流和起动转矩
起动：从禁止不动到加速到工作转速的过程
要求：在起动时有较大的起动转矩（倍数），较小 的起动电流（倍数）
内层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较 低，所产生的电磁转矩也较小。
外层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻 较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。层鼠笼 又称起动鼠笼。
2．起动过程结束后
转子电流的频率很小，内层鼠笼的漏抗很小， 两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。
内层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生 电磁转矩方面起主要的作用，内层鼠笼称为运 行鼠笼。
•由于电流的分布不均匀，等效槽导体的 有效面积减小——集肤效应使槽导体电阻 增加；
•集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转 子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩 增大，改善了起动特性。
•启动瞬间，由于磁路饱和，转子漏抗将 明显减小。
等效截面
深槽式异步电动机
2．正常运行时 在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的 漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布， 转子电阻恢复到固有的直流电阻。
三相异步电动机的启动调速反转与制动一PPT课件
6
（2）Y-Δ降压启动
适用范围： 正常运行时定子绕组为三角形连接。
优点： 启动电流为全压启动时的1／3。
缺点：
TstY
1 3 TSt
不适合高启动转矩场合，适合空载或轻载启动
A
L1 L2 L3
UP' Z X
启 正常
QS1 FU
CY
B 动 运行
UP Z A
C
X
YB
U1 V W1
1
U2 V2 W2
Δ运行时，首尾相接构成闭环
回馈制动常用于高速且要求匀速下放重物的场合，另外在变极或变频调速过 程中，也会产生回馈制动。
16
•4
1、全压启动（直接启动）
全压启动是将电动机直接接到额定电压上的启动方式，又叫直 接启动。 优点：设备简单，操作方便，启动时间短。 缺点：启动电流较大，将使线路电压下降，影 响负载正常工作。
适用范围：电动机容量在10kW以下
5
2、降压启动
（1）定子串电阻启动
缺点：
外接启动电阻上有较大的功率损耗，经 济性较差。
——三相异步电动机的启动、 调速、反转与制动
1
三相异步电动机的启动、调速、反转与制动 能力目标：
1、能根据交流电动机的类型和使用场合，分析交流电动机 的启动、调速和制动
知识目标：
1、了解交流电机的结构，熟悉交流电机的工作原理 2、掌握交流电机的启动、调速与制动
任务一、认识交流异步电动机 任务二、三相异步电动机的启动、调速、反转与制动
流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0。
电动机由于惯性仍在运转。
n1 0 N
转子导体切割固定磁场感应电流，载 流导体受到与转子惯性方向相反的电
三相异步电动机启动,调速,制动
任务3.三相异步电动机的制动及实现
（1）电源反接制动
三相异步电动机的电源反接制动是将三相电 源中的任意两相对调，使电动机的旋转磁场反 向，产生一个与原转动方向相反的制动转矩， 迅速降低电动机的转速，当电动机转速接近零 时，立即切断电源。
这种制动方法制动转矩大，效果好，但冲击 剧烈，电流较大，易损坏电动机及传动零件。
（4）绕线型异步电动机转子串 电阻起动
绕线型异步电动机的起动，只要在转子回 路串入适当的电阻，就既可限制起动电流， 又可增大起动转矩，但在起动过程中，需 逐级将电阻切除。现在多用在转子回路接 频敏变阻器起动。
任务1：三相异步电动机的起动及实现
任务1：三相异步电动机的起动及实现
3.三相异步电动机启动控制电 路
任务1：三相异步电动机的起动及实现
自锁(自保): 依靠接触器自身辅助常开 触头
而使线圈保持通电的控制方 式 自锁触头: 起自锁作用的辅助常开触 头 工作原理： 按下按钮（SB1），线圈（KM）通 电，电机起动；同时，辅助触头 （KM）闭合，即使按钮松开，线圈 保持通电状态，电机 连续运行。
图为单向连续运行控制电路
K1为起动电流倍数：Ist为电动机的起动电流(A)；In为电 动机的额定电流(A)；Sn为电源变压器总容量；Pn为电 动机的额定功率。
Hale Waihona Puke 任务1：三相异步电动机的起动及实现
（2）.星-三角降压起动 正常运行时，接成△形的鼠笼电动机，在起动时接成 星形，起动完毕后再接成△，称星-三角起动。
任务1：三相异步电动机的起动及实现
任务3.三相异步电动机的制动及实现
3.反接制动控制电路
任务3.三相异步电动机的制动及实现
4.能耗制动控制电路
关于三相异步电动机的启动与制动问题的分析
关于三相异步电动机的启动与制动问题的分析摘要现阶段，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。
本文就三相异步电动机的启动、制动等技术问题进行分析。
关键词三相异步电动机；启动；制动；分析1 三相异步电动机的启动电动机接上电源，转速由零开始增大，直至稳定运转状态的过程，称为启动过程。
对电动机启动的要求是：启动电流小，启动转矩大，启动时间短。
当异步电动机刚接上电源，转子尚未旋转瞬间（n=0），定子旋转磁场对静止的转子相对速度最大，于是转子绕组感应电动势和电流也最大，则定子的感应电流也最大，它往往可达额定电流的5-7倍。
笼型异步电动机的启动方法有直接启动（全压启动）和降压启动两种。
1.1 直接启动直接启动也称全压启动。
启动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上。
这是一种最简单的启动方法，不需要复杂的启动设备，但是，它的启动性能恰好与所要求的相反，即：1）启动电流I大。
对于普通笼型异步电动机，启动电流是额定电流的4—7倍。
启动电流大的原因是：启动时n＝0，s＝1，转子电动势很大，所以转子电流很大，根据磁通势平衡关系，定子电流也必然很大。
2）启动转矩TST不大。
对于普通笼型异步电动机，启动转矩倍数KST＝1-2。
由上可见，笼型异步电动机直接启动时，启动电流大，而启动转矩不大，这样的启动性能是不理想的。
过大的启动电流对电网电压的波动及电动机本身均会带来不利影响，因此，直接启动一般只在小容量电动机中使用，如：7.5kW以下的电动机可采用直接启动。
如果电网容量很大，就可允许容量较大的电动机直接启动。
若电动机的启动电流倍数K1、容量与电网容量满足下列经验公式：则电动机便可直接启动，否则应采用下面介绍的降压启动方法。
1.2 降压启动降压启动的目的是为了限制启动电流，但问题是在限制启动电流的同时，启动转矩也受限制，因此它只适用于在空载或轻载情况下启动。
启动时，通过启动设备使加到电动机上的电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值时，再使电动机承受额定电压，保证电动机在额定电压下稳定工作。
三相异步电动机的起动调速和制动PPT学习教案
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7.2.1转子回路串电阻起动
➢起动电阻 的计算
Z2s
sN E2N 3I2N
r2
jx2
r2
sN E2N 3I2N
R3 R2 3r2 3
R3 r2
3
SA SD
3
SA T1sN / TN
3
TN T1sN
m Rm m TN
r2
T1sN
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k k
zk
其中短路 阻抗为
zk
UN 3I s
UN 3K1I N
若定子回 路串电 阻起动 ，也属 于降压 起动， 也可以 降低起 动电流 。但由 于外串 的电阻 上有较 大的有 功功率 损耗， 特别对 中型、 大型异 步电动 机更不 经济。
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7.1.5 延边三角形起动
U
2
U
2 x
U121
2U xU11
co s1 2 0
U
2 x
U121
U
xU11
Ux
U11
U12
U11
I11 3
z12
U11
U11 3 z11
z12
z11 z12 U X 0.71U
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三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较
7.2.2 转子串频敏变阻器起动
2 结构 变阻器是一种无触点电磁元件，相当 于一个 等值阻 抗。在 电动机 过程中 ，由于 等值阻 抗便随 转子电 流频率 减小而 自动下 降（自 动变阻 ），从 而只须 一级变 阻器， 就可以 把电动 机平稳 地起动 起来。 变阻器 实质上 是一个 铁芯损 耗特大 的三相 电抗器 。它由 数片E 型钢板叠 合成的 铁芯及 线圈 两个主 要部份 组成。 钢板间 来以垫 圈，保 持片间 距离， 以利散 热。
三相异步电动机的起动与调速实验原理
三相异步电动机的起动与调速实验原理三相异步电动机是工业和家庭使用中最普遍的电动机。
其结构简单、性能稳定、故障率低、使用寿命长、维护成本低等优点，使得其被广泛应用于各种机械设备、压缩机、水泵、风扇等领域。
起动和调速是三相异步电动机运行的两个重要参数。
起动是指当电动机停止工作后重新启动的过程，调速是指根据工况需要改变电动机转速的过程。
本实验旨在探究三相异步电动机的起动和调速原理，并提供相关实验过程和数据分析。
一、起动实验原理三相异步电动机旋转时，电机产生的磁通量与旋转的同步速度不同。
当电动机停止后，转子上的磁通量与定子绕组中的磁通量存在差异。
这种差异会产生感应电动势，从而产生电流，这个过程被称为转子电动势或者诱导电动势。
在起动过程中，需要通过外部直流电源加上励磁电流，与转子电动势产生作用，使转子开始旋转。
起动时，电源的直流电压加到电动机定子绕组上，电动机的转子开始旋转，开始产生诱导电动势。
当转子旋转速度接近同步速度时，电动机称为同步运行。
在起动期间，由于初始转矩低，转子转速较慢，同步速度不易达到。
这时候，为了防止电动机过载，需要启动电动机保护器，保护器中的热继电器会自动切断电源，从而保护电动机。
二、实验过程1. 实验设备准备：三相异步电动机、电源电缆、电池、保护器、电流表、万用表、转速表、电阻箱等。
2. 接线并设定电流值：将电动机与电源电缆接入，接线过程中需要注意接线正确。
设定适当的电流值，并开始记录数据。
3. 启动电动机：通过保护器开关启动电动机，等待电动机开始旋转。
4. 记录数据：记录电动机转速、电流和电压值，同时获得电动机启动时间和转矩。
5. 重复实验：重复上述步骤，多次进行实验并记录数据，以便进行平均数计算和结果验证。
三、数据分析在起动实验中，需要记录的数据包括电动机启动时间、电流、电压和转速值。
在多次实验后，根据数据计算出平均值，并进行结果分析。
启动时间：启动时间是电动机开始运转到转子开始旋转的时间间隔。
三相异步电动机启动制动和调速
软启动器的工作原理简单，它通过软硬件方法，实时检测定子电流、 电压、功率因数或电动机的转矩值，经过计算得到一个准确的晶闸管 的移相角，使加在电动机上的电压或启动电流按某一规律变化（如斜 坡电压软启动、恒流软启动等），优化异步电动机的启动性能。软启
动器也可用PWM方式实现。
21
4.2 三相异步电动机的制动
复杂度 最简单
一般 简单 较复杂
适用性 电机小于7.5kW
任意容量，轻载 正常 ，频繁启动 大容量，大负载
15
Y
自耦变压器
3 1 k
改善结构
通过改变鼠笼式异步电动机的结构，既减小启动电流，又能获得较大 的启动转矩，即通过改变结构来改善电动机的启动性能。
1、增大转子电阻 这种电动机又称为高转差率鼠笼型异步电动机，其转子导条不用普通 的铝条，而是采用电阻率较高的铝合金（ZL-14），通过适当加大转 子导条的电阻来改善启动性能。
如同直流电动机一样，异步电动机制动的目的有两个： • 使传动系统迅速减速或停车； • 限制位能性负载的下放速度。
如果三相异步电动机的电磁转矩Te和转速n的方向相反，电动机便 处于制动状态。在制动状态下，电动机的电磁转矩起反抗旋转的作 用，为制动性转矩。
异步电动机的制动方法有：回馈制动、反接制动和能耗制动 。
n0 n s n0
n n0 (1 s)
1、直流电动机使用静差率，利用理想空载转速和转速（转速降）来
描述，它们都是转子的转速，是机械运动；
2、异步电动机使用转差率，利用旋转磁场的转速和转子的转速来描述， 同步转速非机械转速，也不是理想空载转速；
3、转差率与空载转速无关，更不能等同于转速降。
U L 3U P UL UP
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较复杂，有三 种抽头可选
12.2
双鼠笼和深槽式三相异步电动机
一、深槽式三相异步电动机
深槽转子中漏磁通的分布和起动时电流密度分布
起动时，转子频率最高，则漏抗最大，与电阻相 比，它起主要作用，这时影响转子电流分布的主 要因素是漏抗，因槽底部分漏抗较槽口部分大， 因此起动时，转子导体的电流就被“挤”到了槽 口部分(即趋肤效应)，其电流密度分布如图12－ 7(b)所示。其效果就相当于转子导体的有效截面 减小，电阻增大，从而增加了起动转矩又限制了 起动电流。 正常运转时，转子频率很低，转子漏抗大为减小， 甚至比转子电阻还小，此时转子电流的分布主要 取决于电阻，故转子导条电流近于均匀分布(趋肤 效应消失)，相当于使转子绕组电阻自动减小，改 善了运行性能。
图12－5 自耦变压器起动线路
图12－6 自耦变压器降压起动时的一相电路
自耦变压器起动参数关系：
U N2 k U N N1
I st k2 I st U I st k I st U N
Tst U 2 k Tst U N
2
N2 I st k N1 I st
1、直接起动 直接起动是利用刀闸开关或交流接触器把电动机 定子绕组直接接到额定电压的电源上，所以也称为 全压起动。 2. 降压起动 所谓降压起动就是在起动时，降低加在电动机 定子绕组上的电压，以减小起动电流，待电机转速 趋向于稳定后，再将定子绕组上电压恢复到正常值。
(1)定子回路串电抗器起动
2 2 r x U1 k k k 2 2 UN rk ( x xk )
f1
2、从基频向上调节
由于电源电压不能高于电动机的额定电压，因此 当频率从基频向上调节时，电动机端电压只能保持为 额定值。这样，频率越高，主磁通越低，最大转矩也 越小。因此，从基频向上调节不适合于拖动恒转矩负 载。 目前，变频调速通过使用变频器来实现。变频器 是一种采用电力电子器件的固态频率变换装置，作为 异步电动机的交流电源，其输出电压的大小和频率都 可以连续调节，可使异步电动机转速在较宽范围内平 滑调节。
从基频向下调节时，若电压不变，则主磁通 将增大，使磁路过于饱和而导致励磁电流急剧增 加、功率因数降低，因此在降低频率调速的同时， 必须降低电源电压。
根据机械负载的情况，在调速中可采用不同的 降低电压方法。例如，在拖动恒转矩负载时，保持 主磁通 不变，以保证最大转矩基本不变，此时需按 照 U1 E1 f1 f1 保持不变的规律来调节电压，也就是所谓的调 频调压。在异步电动机拖动风机负载低速运行时， 为了减小电动机铁 耗，可使主磁通低于其额定值， 为此电压应比 U1 保持不变时的电压更低一些。
第12章 三相异步电动机的 起动、调速和制动
12.1
三相笼型异步电动机的起动
一、对起动性能的要求
① 起动电流要小，以尽量减少由起动电流引 起的电网上电压降，而直接影响接在同一电 网上的其他电气设备的正常运行； ② 起动转矩要大，大于负载转矩，确保能够 起动，并使起动过程加快。
二、鼠笼式异步电动机起动
Tst U1 1 Tst 3 UN
2
(3)自耦变压器降压起动 自耦变压器降压起动原理接线如图12－5所示， 其一次侧接电源，二次侧降低的电压接电动机定子 绕组，起动前先将K合向起动位置(此时电动机定子
绕组接在自耦变压器二次侧)，待电动机转速接近额
定转速时，迅速把K切换到运行位置，此时自耦变压 器被切除(脱离电源)，电动机直接与电网相连。
二、变频调速
当转差率基本不变时，电动机转速与电源频率 成正比，因此改变频率就可以改变电动机的转速， 这种方法称为变频调速。 把异步电动机额定频率称为基频，变频调速时， 可以从基频向下调节，也可以从基频向上调节。
1、从基频向下调节 异步电动机正常运行时
U1 E1 4.44 f1 N1 K N1Φm
二、双鼠笼三相异步电动机
图12－9 双鼠笼转子绕组中漏磁通的分布和铸铝转子
起动时，转子频率较高，转子漏抗远较电阻大， 此时影响转子绕组电流分布的主要因素是漏抗，因 上笼漏抗小，故起动时转子电流主要集中于上笼 (即趋肤效应)，因此，起动时上笼起主要作用。又 由于上笼的结构特点是电阻大，功率因数高，故有 较大起动转矩，因此，上笼亦称起动笼。 正常运行时，转子频率很低，漏抗就很小，此时 影响转子绕组电流分布的主要因素是电阻，因下笼 电阻小，故大部分电流从下笼流过，此时漏抗又较 小，功率因数就较高，故有较大转矩，因此运行时 主要靠下笼，故下笼亦称运行笼。
kIst Ist
Tst k 2Tst
(2)星—角换接起动 对于正常运行时定子绕组接成角形的三相鼠笼 型异步电动机，为了减小起动电流，可以采用星— 角换接起动，即起动时，定子绕组星接，起动后换 成角接。 U
U1 1 3 UN UN 3
N
UN I st 3Z k 1 I st 3U N 3 Zk
表12－1 三相鼠笼式异步电动机起动方法的比较
起动方法 直接起动 串电抗起 动 星－角起 动 自耦变压 器 起动电流相对值 起动电压相对值 (供电变压器线电流 (电动机相电压) ) 1 1 起动转矩相对 值 1 起动设备 最简单
k
1 3
k
1 3
k
1 3
2
2
一般 简单只用于△ 接380V电机
k
k
k
2
一、转子串电阻起动
12.3
三相绕线式异步电动机的起动
图12－11 绕线式异步电动机转子串电阻分级起动 (a)接线图； (b)机械特性
二、转子串频敏变阻器起动
图12－12 频敏变阻器 (a)结构示意图； (b)等效电路
12.4 三相异步电动机的调速
60 f1 n (1 s)n1 (1 s ) P
异步电动机的调速有以下几种方式： • 改变转差率s调速，称为变转差率调速； • 改变磁极对数P调速，称为变极调速；
• 改变电动机供电电源频率调速，称为变频调速。
一、 变极调速
2 p 4 时一相绕组的连接
(a) 连接图；(b) 展开图
2 p 时一相绕组的连接
(a) 把每相绕组分成两组；(b) 两组线圈反向串联；(c)两组线圈反向并联