三相異步電動機的機械特性、啟動、制動與調速

王峰

[摘 要]異步電動機具備許多的特性，其中包括結構簡單、價格相對較低、維護方便等。所以，在電力拖動系統中經常能夠看到異步電動機的身影。電子技術以及交流調速技術的不斷發展和逐漸成熟，極大地優化了異步電動機的調速技能。到現在為止，在許多工業電氣自動化領域中，異步電動機的電力拖動都得到了廣泛運用。

[關鍵詞]三相異步電動機；機械特性；啟動；制動；調速

中圖分類號：TP325 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）35-0038-01

1 三相異步電動機的機械特性

三相異步電動機的機械特性簡單概括就是：在電動機的定子電壓、頻率還有繞組參數不變的情況下，電動機的轉速或轉差率與電磁轉矩之間的關系，即n=f（T）或s=f（T）轉速與轉差率有某種程度上的對應關系。機械特性可以用函數來表示，也可以用曲線來表示。用函數表達機械特性曲線時有三種表達形式，包括物理表達式、參數表達式以及實用表達式。物理表達式描述的是異步電動機電磁轉矩是如何產生的，可知是因為主磁通與轉子有功電流互相作用得以產生的電磁轉矩。參數表達式描述的是電動機和電源參數和電磁轉矩的關系。應用這一關系式，能夠很便捷地描述參數變化對電磁轉矩以及人為特性的影響。實用表達式簡單方便，有利于記憶，常常出現在工程計算中。三相異步電動機的機械特性包括固有機械特性和人為機械特性。固有機械特性指的是異步電動機在工作時達到額定電壓和額定頻率時，電動機按照正確的接線方式，在定子還有轉子中沒有外接電容電抗電阻時得到的機械特性曲線。人為機械特性指的是人為改變電源電壓、電流頻率、定子極對數以及定子與轉子電路的電阻與阻抗能夠得到的不同機械特性。用來反映過載能力和啟動性能的兩個非常主要的指標是電動機的最大轉矩和啟動轉矩。電動機的過載能力、啟動性能和最大轉矩、啟動轉矩有相同的變化趨勢。三相異步電動機的機械特性是以一條非線性曲線表現出來的。

2 三相異步電動機的啟動

啟動過程是指三相異步電動機以接入電網開始轉動這一時刻開始算起，等到達額定轉速時為止的這一段過程。啟動特點：啟動電流比較大，大約是額定電流的5～8倍；啟動轉矩比較小，只能空載啟動。存在的問題：啟動電流比較大，啟動轉矩比較小。具有的危害：發熱損壞絕緣、沖擊點網以及不能重載啟動。啟動的方法。直接啟動的含義：直接啟動是指通過閘刀開關等一些因素，在電源上直接加上定子繞組，即直接將額定電壓加到定子繞組上。直接啟動的條件：需要較小容量的電動機，正常情況下是10kW以下。直接啟動的特點：操作不是很困難；啟動電流相對較大；適用范圍僅僅局限于小容量電動機。控制線路的方式：直接啟動。

對于容量不太大的三相異步電動機來說，可以采用直接啟動；對容量較大一些的籠型電動機，則需采用降壓啟動。降壓啟動主要包括定子串聯電阻或者電抗電壓啟動、Y-D降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動。降壓啟動方式是定子串接電阻和電機時，啟動電流隨著電壓的一次方關系逐漸減小，但啟動轉矩隨著電壓的平方關系逐漸減小，比較適合輕載啟動。Y-D降壓啟動只適合應用于在平時運行時是三角形聯結的電動機，這時它的啟動電流和轉矩都降低到直接啟動時候的1/3，和啟動轉矩一樣，同樣適用于輕載啟動。當自耦變壓器在進行降壓啟動時，啟動電流和轉矩都降低到應用直接啟動時的1/k2（k是自耦變壓器的變比），比較適合較大的負載啟動。

繞線轉子異步電動機的啟動方式可以是轉子串接電阻和頻敏變阻器，啟動轉矩較大，啟動電流較小，比較適合應用于大型、中型異步電動機的重載啟動。軟啟動器是一種新型電動機控制裝置。它集許多功能于一體，包括電機軟啟動、軟停車、輕載節能以及多種保護功能，在國外被稱作Soft？Starter。這種新型電動機控制裝置主要是由三相反并聯晶閘管及其電子控制電路組成，串接在被控電動機和電源之間。軟啟動器是被應用于串接在被控電動機和電源之間的。它通過許多方法來控制存在于它本身內部晶閘管的導通角，使得電動機在輸入電壓時，通過運用預設函數的關系，從零開始逐漸上升，直到它的啟動程序結束，給電動機增加全電壓，即所謂的軟啟動。在軟啟動過程中，電動機上面的啟動轉矩慢慢增加，轉速也隨之逐漸增加。前面所說的軟啟動器其實是個調壓器，它被應用于電動機啟動時，這種輸出只使電壓發生了變化，頻率并沒有發生改變。

3 三相異步電動機的調速

三相異步電動機的轉速公式為n=60*f*（1-s）/P，所以可以從（1）改變極對數P；（2）改變電源頻率f；（3）改變轉差率s三方面進行。

3.1 變極調速

在電源頻率為恒定的情況下，改變電動機的極對數，就可以改變旋轉磁場和轉子的轉速。一般常用的有雙速，三速和四速電機，但是它們的尺寸比同容量的異步機稍大，并且運行性能稍差，電機的出線端子比較多，需要用接觸器進行換接。但是在僅需要等級調速時，此法依然是非常好的方法。

3.2 變頻調速

現代化的變頻器功能非常強大，所以異步機變頻調速系統，既具有優良的性能，又能發揮結構簡單，運行可靠的優越性。具體來說，有如下優點：（1）在電動機額定轉速以下，可以實現恒轉矩調速，使電動機的轉速特性非常硬。（2）在電動機額定轉速以上，可以實現恒功率調速，使調速的范圍變寬。（3）變頻起動時，電機可以在最大轉矩下起動，且起動電流倍數，比直接啟動時要小得多，從而減小了定子繞組端部的電磁應力，延長了電機使用壽命。（4）通過對變頻器參數的合理設置，可以使異步機變頻調速系統，適用于風機泵類，傳送帶等各類負載。并且獲得近乎于完美的特性補償。而且根據需要，設定電動機的轉速，進而實現了節能。

3.3 變轉差率調速

此法是只適用于繞線轉子電動機，其優點是方法簡單，調速范圍廣，缺點是在工作的時候，要在調速電阻中，消耗一定的電功率。所以主要用于中小功率的異步機中，例如：橋式起重機的主副起升電動機。

4 三相異步電動機的保護措施

4.1 短路保護

當電動機發生短路故障時，必須及時可靠地切斷電源。否則過大的短路電流將會很快燒毀電機，動力線路或者其他設備。對于500V以下的低壓電動機一般采用斷路器的瞬動電磁脫扣器進行保護。

4.2 過載保護

通常采用熱繼電器或者斷路器的熱脫扣器，進行過載保護，亦稱為過負荷保護。熱繼電器常和中間繼電器接觸器等，組成過負荷保護裝置。

4.3 缺相保護

三相異步電動機運行時，因為某種原因一相電壓突然丟失，造成電動機兩相運行的“單相”運行狀態，叫缺相。常用的缺相保護方法有下列4種：（1）采用帶缺相保護裝置的熱繼電器進行保護。（2）欠電流繼電器保護。（3）專用的電動機保護器進行保護。（4）零序電壓繼電器進行保護。

4.4 失電壓和欠電壓保護

失壓和欠壓保護，是為了防止電動機，在過低電壓下繼續運行，而燒毀的裝置。它可以在電壓消失或者過低時，斷開電動機的電源，同時可以防止，在電源電壓突然恢復時，電動機自啟動。其常用的是，交流接觸器的電磁機構，減壓啟動器，或者斷路器上的失壓和欠壓脫扣器，及電壓繼電器保護。

5 結論

在對三相異步電動機的技術方面不斷改進得以提升的過程中，運用多種方法，如從國外引進一些設計經驗和新技術、國內不斷自主創新等，提高了車輪軋機的軋制精度，加工車削量減少，并在很大程度上提高了車輪的生產效率。

參考文獻

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