1、1第八章 交流电机电力拖动的运行状态电力拖动是指以电能为能源，以各种电机为驱动装置的运动系统。而以交流电动机为原动机的电力拖动系统称为交流电力拖动系统。交流电动机有异步电动机和同步电动机，由于异步电动机结构简单、价格便宜，而且其性能良好、运行可靠，因此交流电力拖动系统中的电动机主要是三相异步电动机。所以本书的交流电力拖动以三相异步电动机电力拖动的内容为主。三相异步电动机电力拖动主要内容是电动机的各种运行状态、起动及调速。本章讨论三相异步电动机起动的各种运行状态。在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机的转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定，这与直流电机电力拖动系统是一致的
2、。电力拖动系统种类很多，大到各种大型船舶、机车车辆的拖动，小到各种微小型伺服系统，都是以电机为驱动装置的。本章主要介绍三相异步电动机的机械特性和运行状态，为三相异步电动机的电力拖动系统的起动及调速打基础。8.1 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩与转速 (或转差率 )之间的函数关系 或 。通常把 称emTns()emTfn()emfs()emTfs为 曲线。s8.1.1 机械特性的表达式及运行 三相异步电动机的 曲线不是线性的，因此比直流电机复杂。根据对分析问题的Ts不同要求，三相异步电动机的机械特性有三种形式。一、机械特性物理表
3、达式在第七章已导出了机械特性物理表达式为 2cosemTCI虽然电磁转矩的物理表达式概念清晰，但式中的 和 22 (/)EIRsX随电机转差率 变化。这样 式中的三个量 、 、22 /cos()RsXsemTemT2I均随 变化，使 值不易确定。因此，机械特性的物理表达式在电机拖动系统中应2emT用较少。二、机械特性的参数表达式从式（748）可知，电磁转矩可用下式计算2（8 222111360emRIIsTInfp1）根据异步机的简化等效电路，可得（8 122 21UIRXs2）将式（82）代入（81）得（821 2132empUsTRfX3）式（83）是用电机参数表示的 关系式。等式右边包含
4、了定子电阻 、()emTfs1R定子漏抗 、转子归算电阻 、转子归算漏抗 ，这些参数当电机制造成以后就有确1X2R2X定值，供电频率 不变时这些参数不变，电机极对数 为常值。这就是三相异步电机的机f p械特性参数表达式。固定 、 时，可以将 之间的关系画成曲线，称为1Uf()emTfs曲线，如图 81 所示。Ts图 81 三相异步电动机的 曲线Ts1 曲线分析Ts从图 81 中可见，异步电动机的机械特性是一条曲线，并且跨、及三个象限。下面就异步电动机的 曲线进行分析。3（1）额定工作点 B异步电动机工作在额定点 B 时，电动机的各项参数均为额定值。其特点是， ， ， 。NnsemNT1NI（2
5、） 起动点 A起动点 A 的转速 ，转差率 ，启动电流为 ， ，对应的电0nsstI1(57)tNI磁转矩为 ， 称为起动转矩。将 代入式(83)，可得到异步电动机的起动stemTst 1转矩公式为（84）21 2132()()st URpfX由式(84)可知：当电源频率 和电动机的参数为常数时，起动转矩 与定子相电压的平stT方成正比。所以电源电压较低时，起动转矩明显降低。增加转子回路的电阻 ，可以增加2R起动转矩 。起动转矩 的大小常用起动转矩倍数 表示，即stTst stK（85）sttNTK反映了电动机的起动能力，是笼型异步电动机的一个重要技术参数，可在产品目stK录中查得。起动时，只
6、有当起动转矩 大于负载转矩 时，拖动系统才能起动。stTLT（3） 同步转速点 HH 点所对应的转速是理想空载转速，即同步转速 。从 曲线中可见，H 点的特1ns点是 ，电磁转矩 ，转子电流 ，定子电流 。在实际运行1n(0)s0emT20I10I中，没有外转矩拖动电机，电机转速是不能达到 点的。所以电机的实际空载转速是小于1的。1（4） 最大转矩点 P最大转矩点 P 对应的电磁转矩为异步电机电磁转矩的最大值 ，称为最大转矩。最mT大转矩 对应的转差率 称为临界转差率。最大转矩 可以通过对式（83）中的 s 求mTmsm导，并令 求出 时的转差率 ，即0edeTs4（8221()mRsX6）从
7、式（86）可见， 仅与电动机的参数有关，与电机电压和转速无关，与转子回ms路的电阻 成正比，因此改变转子回路电阻，可以改变产生最大转矩时的转差率 。当2R ms绕线式异步电动机转子回路串入电阻时， 将变大，当 时，起动转矩 ，达ms1msstT到最大。将 代入式(83)，即可求得最大电磁转矩 为ms T（8212134()mpUTfRX7）式(87)取正号时，对应于 中的 点，是异步电机电动机运行状态时可产生的TsP最大电磁转矩 ；取负号时，则对应图中的 点是发电运行状态时的最大转矩 。由mT mT于式(87)中的 前有正负号，所以 和 的绝对值并不相等，即 。当忽1Rm 略 时， 。1m从式
8、（87）可见，异步电动机的最大转矩 与电源电压 的平方成正比，与电源mT1U频率 成反比，但与转子电阻 无关。当转子回略串电阻时，虽然 变大，但 保持不1f 2RmsmT变。在实际使用中，不允许负载转矩 大于 。如果电动机所带负载转矩 ，拖动LmL系统就会减速而停转。为保证不会因短期过载而停转，异步电动机应有一定的过载能力。过载能力可以用转矩过载系数 表示，即TK（8mN8）（5）稳定运行区域异步电动机的机械特性分为以下两个区域。(a) 转差率 区域。在此区域内转差率 比较小，转矩公式（83）可以近似0mss为5（8212 12 21133empUsRTfsXpsff9）从式（87）可见， 与
9、 近似成直线关系，该区域是异步电动机的稳定区域，emTs()n一般情况下异步电机要求运行在这一区域。只要负载转矩小于电动机的最大转矩，电动机就可以在该区域内稳定运行。(b) 转差率 区域。在此区域内转差率 ，转矩公式（83）可以近似为1ms 1ms（821 21212132312e RpUTfXspsfR10）从式（810）可见， 与 近似成反比关系。即 增大时，在该区域为异步emTs()ns电动机的不稳定区域。但水泵、风机类负载可以在此区域稳定运行。2. 异步电动机在三个不同象限的运行(1) 象限，电机转速在 、转差率在 的范围内，电磁转矩1001s为正值，转子旋转方向与旋转磁场的旋转方向一
10、致，电动机处于电动运行状态。emT(2) 象限，电机转速 、转差率 ，电磁转矩 为负值，转速为正，转1nsemT子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，此时，电动机处于发电运行状态，也是一种制动状态。(3) 在象限，电机转速 、转差率 ，电磁转矩 为正，转子的旋转方01sem向与旋转磁场的旋转方向相反，电动机运行于制动状态。8.1.2 机械特性的实用表达式 上述两种表达式，对于分析电磁转矩 与电机参数间的关系时非常有用的。但是异emT步电机的定子和转子参数 、 、 、 不能在产品目录中查到。因此，参数表达1RX26式不利于绘制电机的机械特性曲线，不利于分析计算。而异步电机机械特性的实用公式可以克
11、服上述不足，下面推导实用公式并介绍使用中的一些问题。一、实用公式用式(83)去除式(87)得（8 22211 2()emRXTs11）从式(86)可得 ，并代入式（811）的分子有221()msRX（8221 211221 22 1 1memmRsTsRssRXs 12）再将 代入（812）分母并化简得221()msRX（812mesRT13）式中， ，其中 大约在 的范围内，因此有 ，而12msRms0.122ms，对于式（813） ，可忽略 。这样（813）可简化为1212msR（8emTs714）式（814）就是三相异步电动机的机械特性实用公式。可见，机械特性实用公式虽然粗糙，但是较为实
12、用。二、实用公式的应用1. 和 的计算mTs从实用公式看出，必须先知道最大转矩 及临界转差率 才能得到 曲线，它mTmsTs们可以由电动机的产品目录中查得的数据求得。从产品目录中查得的 、 、 ，可得 ，然后可求 ，即TKNPn950NNPnm（8m15）再根据产品目录中查得的 、 、 、 ，并将额定点数据代入（814）得TKNnps（82mNs16）将式（815）代入（816）得（82(1)mNTsK17）求出 和 后，机械特性实用公式（814）只剩下 和 两个未知数，可方便地绘出mTs emTs异步电机的 曲线。当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率()，使 。因
13、此忽略 给分析问题造成的影响不大，机械特性实0.1.5Nsmsms用公式（814）可以简化为（818）2emTs经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈直线变化关系，使用起来更为方便。但是，上式只能用于转差率在 的范围内。在这个条件下，把额定工作点的值代入上式0Ns得到对应于最大转矩的转差率 为m（82TNsK819）2. 实用公式应用中注意的问题若使用实用公式时，不知道额定工作点数据，更多的情况是异步电机不在额定工作点上运行，机械特性实用公式照样可以计算。但该特性上没有额定运行点，这时可将任一已知点的 和 代入式(814)，找出 的表达式，过程如下：emTsms， 即 2.emNmTs2e
14、mNTmsK解上式，得这种情况下最大转矩对应的转差率 为m21NNmTTememsK异步电动机的实用公式很简单，使用起来也较方便。同时最大转矩对应的转差率 的公式ms也是很有用的。例 81 一台三相绕线式异步电动机，已知额定功率 ，额定电压150NPkW，额定频率 ，额定转速 ，过载倍数 。130NUV150fHz1460/inNnr2.3TK求电动机的转差率 时的电磁转矩及拖动恒转矩负载 时电动机的转速。.2s 8m解：根据额定转速 的大小可以判断出旋转磁场的转速 。则额定转差率Nn15/ir150146.027s临界转差率 2 2()3.10.8mNTK额定转矩 15095098.46PN
15、mn当 时的电磁转矩 0.2s22.31.743.508Tem Nms设电磁转矩为 的转差率 ，由实用公式得86N92TNemKs代入数据得 （由于定、转子回路阻抗没变，所以 不变）2.3981.860.s ms上式是一个二次方程，解得 ， 。根据 曲线可知，当电机负载102420.596sTs转矩 小于额定转矩 时，对应转差率 也应小于 。所860Nm 98.NTm 0.27N以 不合题意舍去。2.59s电机转速为 1()(0.234)156/inns r8.2 固有机械特性和人为机械特性 8.2.1 固有机械特性三相异步电动机在额定电压、额定频率不变，定、转子回路不接入任何电路元件条件下的
16、机械特性称为固有机械特性。固有机械特性的参数表达式如式（83）所示。其曲线如图 81 所示。()emTfs前面“8.1.1 机械特性的参数表达式”中已经详细的分析了固有机械特性的一些特性，这里不再赘述。一般讲，对于任一异步电动机，固有的机械特性曲线只有一条。当改变式中任一参数时，就变为一条人为机械特性曲线了。8.2.2 人为机械特性三相异步电动机用于电力拖动时，固有的机械特性远远不能满足负载运行的要求，因此常常需要人为地改变电机的机械特性。人为地改变异步电机的电源电压 、电源频率1U、定子极对数 、定子回路的电阻 、电抗 和转子回路电阻 、电抗 这些参1fp1R1X2R2X数中的一个或两个时，
17、异步电机的机械特性就会发生变化，从而得到不同的人为特性。下面介绍几种常用的人为机械特性。一、改变定子电压的人为机械特性一般情况下，改变定子电压 的大小指的是降低定子电压，这是由于异步电机的磁路1U在额定电压下已有些饱和以及电机绝缘的限制，因而不宜再升高电压。下面只讨论降低定10子端电压 时的人为机械特性。在降低定子电压时，电机其它参数均不变。其特点是：1U1. 异步电机的同步转速 ，与电压 无关，可见，不管 降至何值， 的160fnp1U1U1n大小不会改变。就是说，不同电压 的人为机械特性，都通过 点；1 1n2. 异步电机临界转差率 ，与电压 无关，不同电压 的221()mRsX11人为机
18、械特性， 相同；ms3. 异步电机的电磁转矩 。因此，最大转矩 以及起动转矩 都要随 的21emTUmTstT1U降低而按 规律减小。把不同电压 的人为特性如图 82 所示。21U图 82 改变定子电压的人为机械特性从图 82 可见，随异步电机定子电压的降低，异步电机认为机械特性是过 点曲线1n簇，其转矩按 降低。这样异步电动机的定子电压 改变时，可以引起异步电机电力拖1U1U动系统的转速改变。异步电机拖动不同形式的负载时，定子电压 改变对电机的影响是不同的。对于恒转1矩负载 。异步电机拖动的额定电压为 时，稳定运行在 A 点。此时， 、LTN 1NI、 ，如图 82 所示。如果电机的端电压
19、降低到 时，电机的机械NNn NU0.8特性由曲线 1 降低到曲线 2。由于负载转矩 不变，电压虽然减小了，但是电机的电磁转LT矩依然要满足 不变的条件，电机稳定运行于 B 点，转速降低，转差率由 升至 。emLT Nsx11从式（81）可得 ，由于降压前后转矩相等，所以21emTIs（822NxI20）式中， 降压后的转子电流折算值。2xI由于 ，使 ，即电机电压降低后电机电流将会超过额定值，铜耗增加。Ns2xNI如果电压降低过多，拖动额定负载的异步电动机会长期处于低电压下运行，由于铜损耗增大很多，有可能烧坏电机。如果 降低过多（如降低到 ） ，电机将会停转（堵转状1U0.5NU态） 。相反
20、地，如果异步电机处于半载或者轻负载下运行，降低它的定子端电压 ，主磁1通减小以降低电机的铁损耗，从节能的角度看，又是有好处的。对于水泵和风机类负载， ( 为风机轴承摩擦损耗) 。当电机电压降低，20LTkn0转速降低时，负载转矩同时降低。所以，对于水泵和风机类负载，降压调速是一种简便的调速方法。二、定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性在其它量不变条件下，仅改变异步电机定子回路电阻，如串入三相对称电阻 。显然，fR定子回路串入电阻，不影响同步转速 。但是，从式(83)、(84) 、(86)和(87)1n看出，电磁转矩 、起动转矩 、最大电磁转矩 和临界转差率 都随着定子回路电emTst mTm
21、s阻值增大而减小。在分析计算异步电机定子回路串接三相对称电阻的各种情况时，其计算公式中的 代入定子回路的电阻和串接值 之和(一相值 )即可。用绘制固定机械特性曲1RfR线的同样方法，可以画出定子串三相对称电阻人为机械特性，如图 83 所示。图 83 定子串三相对称电阻的人为机械特性三、定子回路串三相对称电抗的人为机械特性异步电机定子回路串入三相对称电抗 时， 不变，但是由式（84） 、 （86） 、cX1n12（87）可知 、 及 均减小了，其人为机械特性如图 84 所示。这种情况一般用于stTm笼型异步电机的降压启动。图 84 定子回路串入三相对称电抗时的人为机械特性四、转子回路串入三相对称
22、电阻的人为机械特性绕线式三相异步电动机转子绕组可以串入三相对称电阻。串入三相对称电阻后 不变，1n从式(87)看出，最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后， 不变。从mT式(86)看出，临界转差率 ，这里 是包括串接电阻 后的总电阻。可见2msR22cR转子回路串电阻后，只有 的值随电阻的增加而增加。转子回路串三相对称电阻后的人为机械特性如图 85 所示。图 85 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性从图 85 可见，起动转矩 也随串入转子电阻值的增大而增大。如果串入电阻合适，stT13可以使 ，即起动转矩等于最大电磁转矩。但是若串入转子回路的电阻 再增加，1ms 2cR则 ， 。
23、因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一stT个限度。三相异步电动机改变定子电源频率，转子回路串对称电抗等的人为机械特性将在异步电动机起动和调速方法中介绍。8.3 电力拖动中异步电机的运行状态 使用三相异步电动机的电力拖动系统运中，在不同的负载情况下，改变异步电动机电源电压 、频率 、相序或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异1U1f步电动机就会运行在不同状态，处于 坐标的四个象限中的一个。 坐标是分析异TnTn步电机运行状态的重要工具。为了分析方便，三相异步电动机各种运行状态的定义与直流电动机取得一致，即1. 当电磁转矩 与转速 的方向相同时，电动机运行于电
24、动状态。emT2. 当电磁转矩 与转速 的相反时，电动机运行于制动状态。在制动运行状态中，n根据 与 的不同情况，又分成了回馈制动、反接制动、倒拉反转和能耗制动四种。本emn节介绍异步电机的各种运行状态。8.3.1 电动运行根据对电机运行状态的定义，当电磁转矩 与转速 的方向相同时，电动机运行于emTn电动状态，因此三相异步电动机在第 象限和第象限时为电动状态，如图 86 所示。图 86 三相异步电动机机械特性14当电动机工作点在第 象限时，如曲线 1 和负载转矩 的交点 A 点，电动机的电磁转LT矩 与负载转矩 相等，负载转矩 和转速 均为正值，称为正向电动运行状态；当工emTLLTn作点在
25、第象限时，如 B 点，电动机电磁转矩 、负载转矩 和转速 均为负值，称为emLn反向电动运行状态。电动运行状态下，电磁转矩为拖动性转矩。需要注意的是，只要把正向电动运行时电机电源三相中的任意两相调换，就可得到反向电动运行的机械特性 2。就是说，曲线 1 和曲线 2 是同一台异步电机不同电源相序时的机械特性，因此有 。1n8.3.2 能耗制动运行一、能耗制动基本原理能耗制动是，当三相异步电动机处于电动运行状态，并有转速 时，切断电动机的三n相交流电源，并立即把直流电通入它的定子绕组的运行状态，其电路原理如图 87 所示。 图 87 三相异步电动机能耗制动的电路原理能耗制动时，开关 K1 打开、开
26、关 K2 闭合，电源切换后的瞬间，直流电流 从 A 相fI流入 B 相流出，如图 88（a）所示。 在 A、B 两相绕组产生空间固定磁动势 和 ，fI FB其合成磁动势 是一个不旋转的空间固定磁通势，如图 88 (b)所示。fF15（a ） (b)图 88 异步电动机定子通入直流时的磁动势在电源切换后，由于电机继续以转速 转动，所以转动的转子绕组切割空间磁动势n感应电动势 ， 引起电流 ，转子电流 与恒定磁场作用产生转矩 ，根据fF2SE2SI2SI emT左手定则可以判定 的方向与转速 的转向相反，如图 89 所示。emT图 89 异步电动机能耗制动力产生原理如果电动机拖动的负载为反抗性恒转
27、矩负载，在制动转矩作用下，电动机减速运行。直至转速 时，磁动势 与转子相对静止， ， ， ，减速过程0nfF20sE2sI0emT终止。 上述制动停车过程中，系统原来贮存的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中，与他励直流电动机的能耗制动过程相似。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。二、能耗制动的机械特性1. 定子电流的等效根据图 88 所示的电路，当定子绕组 Y 接时，直流电流 从 A 相流入，B 相流出时，fI从单相绕组产生磁动势幅值计算式 得 及 分别为142wpNkFF12ABfI由图 87 (b)中的几何关系求 和 的矢量和 ，并计算 为FfFf（81432wf
28、 fNkIp21）为了分析方便，常常采用三相分析法，因此用一个三相绕组产生的合成磁动势 等效1FA、B 两相绕组的合成磁动势 ，即 表示为fF1f161111344232wwfNkNkFIIpp（813fI22）等效之后，可以用 按三相异步电动机的方法分析能耗制动运行状态。1I式（822）是图 88 的 Y 型连接的定子绕组的直流电流 与等效电流 之间的关fI1I系。当能耗制动的定子三相绕组连接方法不同时， 与 之间的关系式是不同的，但分析fI1方法一样，读者也可以参阅其它相关书籍，这里不在赘述。2. 转差率及各电流间的关系磁动势 与转子相对转速为( )， 的转速即同步转速为 ，能耗制动时1F
29、n1F160fnp的转差率用 表示，则 为v（81n23）则转子绕组感应电动势 为.2vE（8224）式中， 是磁动势与转子相对转速为( )，即 时转子绕组电势。利用三相异步电.2 1n1机等效电路图，对于转子电路有 。由于 ，在忽略铁耗时有2EIZ2E（810 2mmRI XXv25）根据异步电机的基本原理，能耗制动时异步电机 、 、 之间的相量关系如图 810.1I.2.0I所示。 17图 810 能耗制动时的电流关系由相量图可见，各电流值之间有如下关系（822102cos(90)II26）同时 （822sinXRv27）将式（825） 、 （827）代入（826）得（8221 2mIXI
30、Rv28）3能耗制动的机械特性类似于式（81）可得能耗制动时的机械特性为（82112 213emmRIPvTIXRv29）能耗制动时的机械特性式(829)与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的。所不同的是电动运行状态时，是用电源电压 来表示，而能耗制动时用等效的定子电流 来1U1I表示。能耗制动时 为给定量。1I18根据式(829)可以画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性，如图 811 所示。图 811 能耗制动机械特性从图中可见，能耗动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值的曲线，电磁转矩 时，所对应的转差率 ，但其相应0emT0v的转速 。能耗动
31、时的机械特性是一条过零点的曲线。0n对（829）微分，并使 ，则得到能耗制动运行时的最大转矩 及相应的emdt mT转差率 为mv（82123()mmTIXRv30）根据式（830） ，当转子电阻不变，励磁电流 （对应 ）增加时， 不变，最大fI1Imv转矩 增加，如图 8l1 中曲线 l 与曲线 2，前者励磁电流大。电动机若为绕线式电机，mT当励磁电流 （对应 ）不变，增加时转子电阻时，最大转矩 不变， 增加，如图fI1I mTv8l1 中曲线 l 与曲线 3，前者转子回路没串电阻，后者转子回路串入了电阻。从图 8l1机械特性看出，改变直流励磁电流 的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每
32、相所fI串的电阻值 ，就都可以调节能耗制动时制动转矩的大小。2R用式(830)去除式(829)，则得到能耗制动机械特性的实用公式为19（82mTev31）三、能耗制动的应用1. 能耗制动时的励磁电流选择采用能耗制动停车时，考虑到既要有较大的制动转矩，又不能使定、转子回路电流过大而使绕组过热，根据经验，对图 86 所示接线方式的异步电动机，能耗制动时对鼠笼式异步电动机定子直流励磁电流取 （80(45)fII32）对绕线式异步电动机取 （80(23)fII33）转子串电阻 （82(0.4)NcERRI34）式中， 为转子堵转时的开路线电势； 为转子额定电流， （由于转子绕组一般为 Y 接，2NE2
33、NI所以 亦为额定状态下的转子相电流） ； 为转子每相绕组的电阻， 。2I 2R23NsERI2. 不同负载形式的能耗制动（1）反抗性恒转矩负载时的能耗制动与停车三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载 、 ，采用能耗制动运行时，电动机运行1LT点如图 812 所示。制动前，电机拖动负载 在固有特性上的 A 点稳定运行，采用能耗制动后，运行点立即从 A 点变到 B 点，然后异步电动机在第象限沿能耗制动曲线运行，转速逐步降低，如果不改变运行方式，最后将准确停在 处，这就是能耗制动过程。0n也就说，三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载时，采用能耗制动可以准确制动停车。20图 812 能耗制动1固有机械特性
34、；2能耗制动机械特性（2）位能性恒转矩负载的能耗制动运行三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载 、 运行时，如果需要制动停车，在1LT2时需及时切断直流电源，才能保证准确停车；如果需要反转运行，则不能切断直流0n电源，这时电动机拖着负载先减速到 后，接着便反转，运行点如图 812 所示。电0n动机运行点从 点平移到 点是由于在制动瞬间拖动系统转速来不及变化的缘故。AB，最后稳定运行于第象限的工作点 ，这是能耗制动运行。BCC这种运行状态下，电动机电磁转矩 ，而转速 ，即电磁转矩 方向与转速emT0nemT方向相反。例如起重机低速(指转速绝对值比同步速 小)下放重物时，经常运行在这种n 1状态。通过
35、改变直流励磁电流 的大小，或改变转子回路所串电阻 的值，均可以调节fI cR能耗制动运行时电动机的转速。能耗制动运行时功率关系与能耗制动停车时是一致的，电动机轴上输入的机械功率来自负载位能的减少。机械功率在电机内转换为电功率后消耗在转子回路中。8.3.3 反接制动一、反接制动基本原理当异步电动机带动负载稳定运行在电动状态时，突然改变定子电源相序，使异步电机的旋转磁场瞬间与转速相反，电动机便进入了反接制动状态。对于绕线式异步电机，为了限制反接制动时过大的电流冲击，电源相序反接的同时在转子电路中串接较大电阻，对于笼型异步电机可在定子回路中串入电阻。三相绕线式异步电动机的反接制动接线原理如图 813
36、(a)所示。21(a) (b)图 813 三相绕线式异步电动机的反接制动运行原理(a) 接线原理图；(b) 机械特性1固有机械特性，2负序电源、转子回路串电阻的人为机械特性图中当接触器 KM1、KM3 闭合时，电动机在第象限的机械特性曲线 1 上的 A 点稳定电动运行，反接制动时，KM1、KM3 断开 KM2 闭合，改变了电源相序，转子回路串入电阻，为反接制动状态。反接制动后，电动机的运行点从曲线 1 的 A 点，平移到反相序联接特性曲线 2 的 B 点，电机的电磁转矩为 。在 和负载转矩共同作用下，电机转速急速下emTe降，从运行点 B 沿曲线 2 降到 C 点，转速为零。从 的运行过程称为
37、反接制动。反接BC制动到 C 点后，根据负载形式和大小，可能出现以下三种运行状态：1. 反抗性负载且 Lc如果反接制动曲线上的 C 点转矩 与负载转矩 满足 ，如图 812 cTLTLcT(b)所示，异步电机将准确停车。2. 反抗性负载且 Lc当反接制动到 C 点的转矩 与反抗性负载转矩 满足 时，由于异步TLTLcT电机反向起动转矩大于反向负载转矩，异步电机将反转起动，运行点沿反接制动曲线 2 运行至 D 点，最终稳定运行在第象限，这时异步电机工作在反向电动机状态，如图 812(b)所示。在这种条件下，如果需要制动停车，必须在反接制动到 C 点时切断电源，确保准确停车。3. 位能性负载当异步
38、电机拖动位能性负载反接制动到 C 点时，运行点沿曲线 2 从，最后稳定运行到 点，异步电机工作在反向回馈制动状态。1BCDnEE关于回馈制动状态要在后面专题分析。综上分析，稳定电动运行的异步电机，相序突然反接以后，其最终的运行状态与负载形式与大小有关。所谓反接制动，只是指电机的旋转磁场和转速相反的在第象限的一段运行过程。22二、反接制动功率分析与反接制动前相比，电动机电源相序改变，因此同步转速为 ，但转速仍为 ，相应1nn的转差率为（811ns35）总机械功率为（82130mzsPIR36）式中， 转子回路总电阻归算值。2zR从式（836）可见，反接制动时负载向电动机内输入机械功率。显然负载提
39、供机械功率是靠系统转动部分的动能减少。另外从定子传到转子的电磁功率为230zemRPIs转子回路铜损耗为 22CuzemempIP显然，转子回路中消耗了从电源输入而来的电磁功率和负载送入的机械功率，因此数值很大，在转子回路中必须串入较大的外串电阻，以消耗大部分转子回路铜损耗，保护电动机不致由于过热而损坏。三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车接着反向起动，就是为了迅速改变转向，提高生产率。反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。为了简单起见，可以认为反接制动后瞬间的转差率 ，处于反接制动机械特性的 之间
40、。对于2s0ms鼠笼型异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。例 81 一台三相绕线式异步电动机， ， ，2NPkW723/inNnr， ， 。电机运行在固有机械特性曲线的额定工作点上，2197NEV20.5NIA3TK现采用电源反接制动，要求制动开始时的制动转矩为 。求制动时转子每相串入的电阻NT值 。cR解 异步电机额定转差率 175023.6Nns转子绕组每相电阻 298()3705NERI23固有机械特性的临界转差率： 2210.3610.9mNTsK反接制动机械特性上开始制动时的转差率 1.64NBnss根据实用转矩公式计算反接制动机械特性的临界转差率 ：m将 、 、
41、 代入实用转矩公式得msB2eNT 2mBTsK化减得 220mTBs代入数据得 31.964.ms解之得 ， 15.2ms275转子每相串入电阻：根据式 可知，当 不变时，临221()mRsX12,RX界转差率与转子回路电阻成正比，故有 22mccsR化减为 21cms将 和 分别代入上式解得1ms2125.140.581.3699mcsR2.7cms根据计算结果，电机分别串入 、 时均能满足题意要求，显然1.369cR20.15c不同的串接电阻对应了不同的反接制动特性曲线，如图 814 中曲线 2、3 所示。24图 814 例题 82 图8.3.4 倒拉反转运行三相绕线式异步电动机拖动位能
42、性恒转矩负载运行时，转子回路内串入较大电阻值，使电机反转运行于第象限的运行状态，称之为倒拉反转运行状态。前面分析人为机械特性时已知，三相绕线式异步电动机转子串电阻可以使转速降低，如果拖动位能性恒转矩负载运行时，所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，进入倒拉反转运行状态。图 815(a)为倒拉反转运行的接线原理图。(a) (b)图 815 三相绕线式异步电动机的倒拉反转运行(a) 原理接线 ；(b) 机械特性1固有机械特性；2转子回路串较大电阻的人为机械特性在图 815(a)中，当 KM1、KM2 闭和时，转子回路不串入电阻，电动机带动重物以转速 稳定上升，电机运行于图 815(b)中的固有
43、机械特性（曲线 1）上的 A 点。倒拉反转An运行时 KM2 断开，转子回路串入电阻 ，此时电动机的机械特性变为曲线 2，运行点从 AcR点平移到曲线 2 上的 B 点，使电机转矩小于负载转矩，拖动系统减速运行。当 时的0n25C 点，电机转矩仍小于负载转矩，电机将在位能负载的倒拉作用下沿曲线 2 反向加速转动，直到电机的电磁转矩等于负载转矩为止，电机稳定运行于倒拉制动状态的 D 点。显然在倒拉制动状态是一种稳定运行状态。在这种状态下电机的旋转磁场转向没变，而电机转速变为 ，所以转差率为n11()nns倒拉反转运行是转差率 的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率，机械功率 ，转子回
44、路总铜耗 。但是倒拉反转运行时负载0emP0mPCuempP向电动机送入机械功率是靠负载贮存的位能的减少。8.3.5 回馈制动异步电机的转速超过同步转速时，便进入回馈制动运行状态。在异步电机电力拖动系统中，只有在外界能量（位能、动能）的作用下，转速才有可能超过同步转速，引起电磁转矩反向成为制动转矩，电机进入回馈制动状态。异步电机回馈制动分正向回馈制动和反向回馈制动两种情况。一、正向回馈制动正向回馈制动是指异步电动机在正向电动机运转时，超过同步转速而进入回馈制动状态（象限） 。正向回馈一般发生在电传动机车牵引车辆下坡、电动机正向运行时降低定子电流频率或增加定子绕组的极对数等情况下。下面举例说明。
45、当异步电机在固有特性上 A 点运行，如图 816 所示。如果突然过渡降低定子电流频图 816 异步电机频率过渡降低时的正向回馈制动率，使同步转速由 降为 ，机械特性由曲线 1 变为曲线 2。由于电机转速不能突变，使1n电机转速 ，运行点从曲线 1 的 A 点平移至曲线 2 的 B 点，电磁转矩变负。在电磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机很快减速，运行点沿 最终稳定运行在 点。1nCC在 段，异步电机的电磁转矩为负，而转速为正，而且电机转速大于同步转速 ，1Bn1n这就是正向回馈制动状态。在正向回馈制动过程中，转差率 ，电动机输出的机械功率为10ns262130msPIR从定子到转子的电磁功率为
46、2eIs可见从定子到转子的电磁功率 ，说明此时电磁功率 是由转子流向定子，并0ememP回馈到电源。也就是说，回馈制动过程中，转子边送过来的电磁功率 ，除了转子绕组上铜损耗 消耗外，其余的传送给定子，通过定子回馈给电源。这时的三相异23CupIR步电动机实际上是一台发电机，它把系统减小的动能转变为电能送入交流电网。在一般的交流拖动系统中，异步电机不能稳定运行在第象限。而在电力牵引的交通列车中，当列车在的下坡道上运行时，异步电机可以运行在正向回馈制动状态的第象限。以上是第象限正向回馈制动过程分析。二、反向回馈制动运行当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，并且电源为负相序时，电动机会高速运行于第象限，此时电磁转矩为 ，转速为 ，如图 817 中的 B 点。emTn图 817 三相异步电动机反向回馈制动运行1固有机械特性；2负相序固有机械特性；3负相序，转子回路串电阻的人为机械特性起重机高速下放重物经常采用反向回馈制动的运行方式，其转速达到 。若负载1n大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值会进一步加大，如图 817 中的 C 点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。反向回馈制动时的同步转速为 ，电机转速为 ，
