三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速
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
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
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的运行特性摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。
固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用5.1 三相异步电动机的运行特性（返回顶部）三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机械特性。
和直流电动机一样，三相异步电动机的机械特性也是指电磁转矩与转子转速之间的关系。
由于转子转速与同步转速、转差率存在下列关系，即（5.1 ）则三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表ZK转速和转差率横坐标表示电磁转矩三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下： 5.1.1机械特性的物理表达式（返回顶部）由上一章三相异步电动机的转矩关系知，三相异步电动机转矩的一般表达式为（5.2 ）式中为三相异步电动机的转矩系数，是一常数；为三相异步电动机的气隙每极磁通量；为转子电流的折算值；为转子电路的功率因数；式（5.2）表明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成正比，它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描述了三相异步电动机的运行特性，因此这一表达式又称为三相异步电动机的物理表达式。
仅从式（5.2）不能明显地看出电磁转矩与转差率之间的变化规律。
要从分析气隙每极磁通量因数,转子相电流,以及为转子功率与转差率之间的关系，间接地找出其变化规律。
现分析如表5.1所示。
根据表5.1中的分析，可作出曲线、和分别如图5.2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲线。
曲线分为两段：当较小时（电磁转矩与转子相电流）,变化不大，成正比关系，表现为AB段近似为直线，）,如减少近一称为直线部分；当较大时（半，很小，尽管转子相电流增大，有功电流段，段为曲线不大，使电磁转矩反而减小了，此时表现为段，称为曲线部分。
由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转差率下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的转矩为称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。
三相异步电动机的起动、调速和制动
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
起动电阻
定子
转子
R
R R
•
电刷
滑环
起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
1）、转子串电阻起动
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
2）、转子串频敏变阻器起动
Z
W1
V2 V1
U2
起动
正常运行
降压起动时的电流 为直接起动时的 1
3
I lY 1 I l 3
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 (2) Y－ 起动
U V W QS1 FU
U1 V1
W1 △ (运行) QS2
U2 V 2
W2
Y(起动)
Y-△起动线路图
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 (2) Y－ 起动
M 3~
直接起动线路
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动
能否直接起动的经验公式：
I st 3 供电 变压 器容 量 ( KVA) IN 4 4 电动 机容 量KW ) (
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 其目的就是要减小起动电流， 但同时也限制了起动转矩，因此 只适用于轻载或空载情况下起动。
注意： 反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。
即切割磁力线的速度很大，造成 I 2 ，引起 I 1 。
为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。
三、三相异步电动机的制动 4.发电反馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的 电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进 入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。
三相异步电动机的机械特性
空载时损耗占比例大，效率低；随P2增 加，增加，当负载过大，铜损耗增加快，使 效率下降，如图所示。
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
效率曲线和功率因数曲线都是在额定负载附近 达到最高，因此合理选用电动机容量时，对电动 机的寿命、功率因数和效率都有很实际的意义。 5、功率因数特性cos1=f(P2)
§4－5 三相异步电动机的机械特性
本节要点： 一、三相异步电动机的工作特性 二、机械特性：n = f ( T ) ㈠固有机械特性曲线分析 ㈡人为机械特性 三、运行性能 1、运行状态 2、启动转矩倍数
3、过载能力 4、异步电动机机械特性的结论
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
原因：是静止的转子导体与定子旋转磁 场之间的相对切割速度很大（n1）。将 产生很大的I2，使定子电流也增大。但 由于转子绕组的功率因数cosφ2很小， 由于Tst=CTφI2cosφ2，故启动转矩并不 很大。
只有当Tst达到一定值时，电动机才 能启动。
Tst>TL ，将 S = 1代入T公式，即 可得Tst 的表达式。
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
⑵额定运行点（TN、nN） TN = 9.55 PN/nN
⑶临界工作点（Tm、nm） 当S = Sm 时，电磁转矩达到最大
值。
Sm ∈( 0.04，0.14 ) ⑷同步点（0、n1）
n = n1
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
2、转矩特性T=f(P2) 空载时P2=0，电磁转矩T等于空载转矩 T0。随着P2的增加，已知T2=9.55P2/n， 如n基本不变，则T2为过原点的直线。 考虑到P2增加时，n稍有降低，故 T2=f(P2)随着P2增加略向上偏离直线。 在T=T0+T2式中。T0很小，且为常数。所 以T=f(P2)将比平行上移T0数值，如图所 示。
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三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速
作者：王峰
来源：《中国科技博览》2017年第35期
[摘要]异步电动机具备许多的特性，其中包括结构简单、价格相对较低、维护方便等。
所以，在电力拖动系统中经常能够看到异步电动机的身影。
电子技术以及交流调速技术的不断发展和逐渐成熟，极大地优化了异步电动机的调速技能。
到现在为止，在许多工业电气自动化领域中，异步电动机的电力拖动都得到了广泛运用。
[关键词]三相异步电动机；机械特性；启动；制动；调速
中图分类号：TP325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0038-01
1 三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性简单概括就是：在电动机的定子电压、频率还有绕组参数不变的情况下，电动机的转速或转差率与电磁转矩之间的关系，即n=f（T）或s=f（T）转速与转差率有某种程度上的对应关系。
机械特性可以用函数来表示，也可以用曲线来表示。
用函数表达机械特性曲线时有三种表达形式，包括物理表达式、参数表达式以及实用表达式。
物理表达式描述的是异步电动机电磁转矩是如何产生的，可知是因为主磁通与转子有功电流互相作用得以产生的电磁转矩。
参数表达式描述的是电动机和电源参数和电磁转矩的关系。
应用这一关系式，能够很便捷地描述参数变化对电磁转矩以及人为特性的影响。
实用表达式简单方便，有利于记忆，常常出现在工程计算中。
三相异步电动机的机械特性包括固有机械特性和人为机械特性。
固有机械特性指的是异步电动机在工作时达到额定电压和额定频率时，电动机按照正确的接线方式，在定子还有转子中没有外接电容电抗电阻时得到的机械特性曲线。
人为机械特性指的是人为改变电源电压、电流频率、定子极对数以及定子与转子电路的电阻与阻抗能够得到的不同机械特性。
用来反映过载能力和启动性能的两个非常主要的指标是电动机的最大转矩和启动转矩。
电动机的过载能力、启动性能和最大转矩、启动转矩有相同的变化趋势。
三相异步电动机的机械特性是以一条非线性曲线表现出来的。
2 三相异步电动机的启动
启动过程是指三相异步电动机以接入电网开始转动这一时刻开始算起，等到达额定转速时为止的这一段过程。
启动特点：启动电流比较大，大约是额定电流的5～8倍；启动转矩比较小，只能空载启动。
存在的问题：启动电流比较大，启动转矩比较小。
具有的危害：发热损坏绝缘、冲击点网以及不能重载启动。
启动的方法。
直接启动的含义：直接启动是指通过闸刀开
关等一些因素，在电源上直接加上定子绕组，即直接将额定电压加到定子绕组上。
直接启动的条件：需要较小容量的电动机，正常情况下是10kW以下。
直接启动的特点：操作不是很困难；启动电流相对较大；适用范围仅仅局限于小容量电动机。
控制线路的方式：直接启动。
对于容量不太大的三相异步电动机来说，可以采用直接启动；对容量较大一些的笼型电动机，则需采用降压启动。
降压启动主要包括定子串联电阻或者电抗电压启动、Y-D降压启动、自耦变压器降压启动。
降压启动方式是定子串接电阻和电机时，启动电流随着电压的一次方关系逐渐减小，但启动转矩随着电压的平方关系逐渐减小，比较适合轻载启动。
Y-D降压启动只适合应用于在平时运行时是三角形联结的电动机，这时它的启动电流和转矩都降低到直接启动时候的1/3，和启动转矩一样，同样适用于轻载启动。
当自耦变压器在进行降压启动时，启动电流和转矩都降低到应用直接启动时的1/k2（k是自耦变压器的变比），比较适合较大的负载启动。
绕线转子异步电动机的启动方式可以是转子串接电阻和频敏变阻器，启动转矩较大，启动电流较小，比较适合应用于大型、中型异步电动机的重载启动。
软启动器是一种新型电动机控制装置。
它集许多功能于一体，包括电机软启动、软停车、轻载节能以及多种保护功能，在国外被称作Soft？Starter。
这种新型电动机控制装置主要是由三相反并联晶闸管及其电子控制电路组成，串接在被控电动机和电源之间。
软启动器是被应用于串接在被控电动机和电源之间的。
它通过许多方法来控制存在于它本身内部晶闸管的导通角，使得电动机在输入电压时，通过运用预设函数的关系，从零开始逐渐上升，直到它的启动程序结束，给电动机增加全电压，即所谓的软启动。
在软启动过程中，电动机上面的启动转矩慢慢增加，转速也随之逐渐增加。
前面所说的软启动器其实是个调压器，它被应用于电动机启动时，这种输出只使电压发生了变化，频率并没有发生改变。
3 三相异步电动机的调速
三相异步电动机的转速公式为n=60*f*（1-s）/P，所以可以从（1）改变极对数P；（2）改变电源频率f；（3）改变转差率s三方面进行。
3.1 变极调速
在电源频率为恒定的情况下，改变电动机的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。
一般常用的有双速，三速和四速电机，但是它们的尺寸比同容量的异步机稍大，并且运行性能稍差，电机的出线端子比较多，需要用接触器进行换接。
但是在仅需要等级调速时，此法依然是非常好的方法。
3.2 变频调速
现代化的变频器功能非常强大，所以异步机变频调速系统，既具有优良的性能，又能发挥结构简单，运行可靠的优越性。
具体来说，有如下优点：（1）在电动机额定转速以下，可以实现恒转矩调速，使电动机的转速特性非常硬。
（2）在电动机额定转速以上，可以实现恒功率调速，使调速的范围变宽。
（3）变频起动时，电机可以在最大转矩下起动，且起动电流倍数，比直接启动时要小得多，从而减小了定子绕组端部的电磁应力，延长了电机使用寿命。
（4）通过对变频器参数的合理设置，可以使异步机变频调速系统，适用于风机泵类，传送带等各类负载。
并且获得近乎于完美的特性补偿。
而且根据需要，设定电动机的转速，进而实现了节能。
3.3 变转差率调速
此法是只适用于绕线转子电动机，其优点是方法简单，调速范围广，缺点是在工作的时候，要在调速电阻中，消耗一定的电功率。
所以主要用于中小功率的异步机中，例如：桥式起重机的主副起升电动机。
4 三相异步电动机的保护措施
4.1 短路保护
当电动机发生短路故障时，必须及时可靠地切断电源。
否则过大的短路电流将会很快烧毁电机，动力线路或者其他设备。
对于500V以下的低压电动机一般采用断路器的瞬动电磁脱扣器进行保护。
4.2 过载保护
通常采用热继电器或者断路器的热脱扣器，进行过载保护，亦称为过负荷保护。
热继电器常和中间继电器接触器等，组成过负荷保护装置。
4.3 缺相保护
三相异步电动机运行时，因为某种原因一相电压突然丢失，造成电动机两相运行的“单相”运行状态，叫缺相。
常用的缺相保护方法有下列4种：（1）采用带缺相保护装置的热继电器进行保护。
（2）欠电流继电器保护。
（3）专用的电动机保护器进行保护。
（4）零序电压继电器进行保护。
4.4 失电压和欠电压保护
失压和欠压保护，是为了防止电动机，在过低电压下继续运行，而烧毁的装置。
它可以在电压消失或者过低时，断开电动机的电源，同时可以防止，在电源电压突然恢复时，电动机自
启动。
其常用的是，交流接触器的电磁机构，减压启动器，或者断路器上的失压和欠压脱扣器，及电压继电器保护。
5 结论
在对三相异步电动机的技术方面不断改进得以提升的过程中，运用多种方法，如从国外引进一些设计经验和新技术、国内不断自主创新等，提高了车轮轧机的轧制精度，加工车削量减少，并在很大程度上提高了车轮的生产效率。
参考文献
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