三相异步电动机的启动、制动与调速

三相异步电动机的启动、制动与调速

梁奎

梁奎

（湖南韦特电力科技有限公司）

摘要：随着人类对生活环境和生产生活能耗比的重视，绿色、节能、环保成为人们长久发展的共识，在生产生活中能耗最高的当属电动机。提高电动机的功率因数一直是国家电网的要求，降低能耗也是国家环保一直努力的方向。自从世界上出现第一台电动机开始，电机控制问题就伴随着人们的生产生活，而且在实际生产生活中，电动机的应用存在的很多的电能浪费现象，合理的控制电机的运转是节约能耗的关键点。三项异步电动机应用十分广泛，三项异步电动机的控制包括启动、制动、和调速，合理的控制这三个过程是降低能耗的关键，当然还有提升电动机的生产工艺。

其中启动控制方式有软启动、降压启动、直接启动、转子串电阻启动、转子串频敏变阻器启动。制动方式有反接制动、能耗制动、回馈制动。传统的调速方式有变极调速、变转差率调速，还有现在流行的变频调速、适量控制、和直接转矩控制。

关键词：三项异步电动机；能耗；启动控制；调速；适量控制

1.绪论

1.1研究背景

随着电子科技的不断发展，控制精度不断地提升，工业4.0马上就要到来。在我们工业生产中电动机的能耗比例越来越重，怎么能够有效的提高电动机能耗比是工厂节能减排的重要的一个关键点。当然对于整个的生产设备来说，合适的电动机控制方案可以有效的提高整个机械运转系统的稳定性。

1.2发展现状

对于三相异步电动机的状态控制分为三大类型：电动机启动、电动机制动、电动机调速。对于电动机启动随着电子技术的发展已经得到比较完善的解决方案，所以对于电动机的启动研究一直是附加在对电动机的调速控制和精准控制上。虽然对电动机的制动方式的研究也已经有很多的优秀方案，但是从能量回收再利用方面还需要努力，现在大多数的制动方式还是以转化为热能释放在空气中的方式来解决的，随着超级电容技术的成熟应用，未来在大型设备的电动机制动能量的回收一定有完善的解决方案。

2.三相异步电动机状态控制分析

2.1总体概述

三相异步电动机是生产生活中应用比较早的电动机类型，从转子的结构来分分为：一是鼠笼式异步电动机，二是绕线式异步电动机。绕线式三相异步电动机虽然制造复杂，维护成本高，但是它有启动性能好，启动转矩大特点，适合大型设备的使用。鼠笼式三相异步电动机制造工艺简单，维护成本低，但是常规启动的启动特性不好。随着非标自动化的发展，电动机应用已经遍布生产生活的个个环节，电动机的形态也发生着不小的变化，不仅有传统的转子型，还有滑块型和摆钟型等。无论是结构的不同，还是工作原理的不同，但是它们在使用中控制还是启动、制动与调速的问题。

2.2三相异步电动机的启动

三相异步电动机从通上电源到达到稳定的工作状态这段时间称之为启动状态。当然工程应用中对三相异步电动机启动的理想状态是启动时间短、启动时的电流要小、启动的转矩要大。当三相异步电动机刚开始启动时，由于定子的电磁旋转磁场比转子的机械旋转速度快的多，因此三相异步电动机的启动电流往往是它工作时额定电流的5-7倍，为什么说电动机堵转和电动机缺项是电动机损伤最大的隐患。三相异步电动机启动方式有多种，下面是两种不异步电动机的启动方式。

转子绕线式异步电动机启动方式常用有两种：绕线转子中串电阻启动、绕线转子串频敏电阻器。

笼型异步电动机启动方式常用的有三种方式：全压启动也叫直接启动、降压启动、软启动。

2.3三相异步电动机启动方式分析

2.3.1直接启动

电机启动时电机的定子极性绕组直接进入额定电压，这是生活经常看到的启动方式，但是这种启动方式对电网的干扰比较大，不适用于工厂和大型的机械加工设备。而且直接启动直接违背了启动的两大要求，所以对于普通的鼠笼式电动机直接启动的电机只是用7.5KW以下的三相异步电动机。

2.3.2降压启动

降压启动顾名思义就是降低异步电动机启动时的电流，限制电机的启动电流当然就会影响到电机的启动转矩，所以降压启动一般是空载或者是轻载启动。降压启动鼠笼式电动机一般有下列几种方法：

①定子串电抗或电阻启动。在定子极性绕组上接上滑动变阻器或电抗器，改变绕组的静态电气特性，因此达到降低绕组电流的目的（如图1）。

图1串电阻启动和一相自耦变压器

电路运行逻辑为开关S2旋为“启动”之后闭合S1，此时系统进入启动状态启动中的电流被分担到启动电阻（或电抗）上，从而在电阻（或电抗）上产生了较大的压降，当转速到达一定的数值时，把S2切换为“运行”侧，电动机进入全压运行状态，当然这里的S2开关也可以使用交流接触器和速度继电器来实现自动模式切换。

采用串电阻（或电抗）降压启动时，电动机电压下降到异步电动机额定电压的，那么电机的启动电流也下降到直接启动电流的，当然启动转矩也下降到直接启动转矩的。即：

串电阻降压能耗比较大一般只适用于小功率电机启动，大功率一般采用串电抗的方式，降压启动本身也是一种不节能的启动方式。

②Y—Δ启动。这种启动方式适合Δ接线运行的异步电动机，启动使用Y连接启动，待启动完成切换为Δ运行电机启动的磁极电流降低为标准运行电流的，启动扭矩降低为电机标准扭矩的。

所以只适合轻型负载启动或空载启动。

③延边Δ启动。延边Δ启动是将定子绕组的一部分结成Δ形式，另一部分由三角形的顶端顶点延伸接到电源，达到降低启动电流的目的，启动完成后，换接为全Δ接入电源。这种方式的启动转矩比Y—Δ大，但是绕组比较复杂。

④自耦变压器降压启动。变电压启动就是通过变降压器方式降低电机启动时接入的电压，达到降低启动电流的目的。可以根据负载的要求选择调低电压的比例。

2.3.3软启动

软启动在国外称之为（SoftStarter）。软启动分为机械式和电气式两种，机械式就是使用液力偶合器逐步加速，电气式就是以晶闸管调压技术为基础，可以实现调压启动，也可以实现调频启动，是电机启动更加平稳，而且可以实现调速运行和过流保护功能。可以在一定的范围内更改电机的启动电流，加速度值、启动电压和启动时间。

2.3.4三相电机转子串电阻启动

三相转子绕制异步电动机，转子通过电刷连接到外部启动压敏电阻，当电动机处于启动状态时变阻器和转子线圈串联，当启动完成时短接启动电阻器使转子全功率运行。

2.3.5三相电机转子串接频敏变阻器启动

频敏变阻器是通过供电频率的变化电阻特性随之变化的用电器件，这种特性刚好可以应用于三相绕线式转子电动机的启动中，而且使得电机启动平滑性好。

2.4三相异步电动机启动方式应用分析

不同的启动方式都有其优点和缺点，直接启动成本最低。但是直接启动违背电机启动要求的准则，在用电环境要求不高，设备启动要求不高的情况下是最经济的启动方式。降压启动是对用电环境有要求而且大中型启动电机上使用，降压启动需要启动电路的配合才能完成。软启动是通过使用计算机系统精准的控制晶体管来实现调压调频的方式进行启动的，带有闭环控制系统的软启动能更好的发挥电机的性能。但是软启动是通过专用的电子设备控制的而且功率越大价格也越贵，经济成本相对较高，但是软启动无论是从能耗还是控制优化都得到很好的解决。转子串电阻器和串式压敏电阻仅用于绕线转子。

3.三相异步电动机的制动

三相异步电动机的制动，随着电子技术的发展已经发展成多种多样组合，再也不能用单一的一种制动方式去分析它，但是无论技术怎么革新基本原理还是没有改变，只是不同种类的组合。三相异步电动的电气制动方式从根本原理上分析还是分为一下三种类型：能耗制动、反接制动、回馈制动。

3.1三相异步电动机的制动方式分析

3.1.1能耗制动

正在运行的三项异步电动机在WUV三相，将三相的任何两相加上直流电压，并且定子产生固定磁场，转子在固定磁场中执行切割磁力线运动。当转子速度为n=0时电磁力F消失，电机停止运动。

3.1.2发电反馈制动

发电反馈制动是电动机在机械扭力的作用下旋转，当电动机接线端连接上负载时电动机就变成了发电机，发电需要消耗机械动能，所以对机械运转结构和自身就产生了制动力。

当电源反馈到制动器时电机的接线方式，电源和电机参数不变，因此机械特性方程与电动操作相同。但因为n>，那么：

机械特性曲线位于第二象限，电动机的输入电功率为：

方程中——分别为电动机的定子绕组相电压和相电流。所以发电反馈制动不但不消耗电网电能，而且还能给电网供电。

3.1.3反接制动

电源反接制动是正在运行的电动机，突然反接电源，改变电动机供电电源的相序，使旋转磁场与原来的相反，即。电动的转子由于惯性会继续按原来的方向旋转，n为正方向M为负方向，电机进入反向制动。此时的机械特性曲线是第二象限。反向拉制动器是当重量增加时，当n=0时，电动机的电磁转矩M仍然小于负载转矩M.然后，在位置负载转矩M的作用下，电动机反转n<0并进入制动操作状态。第四象限中人的机械特性是反向拉动和制动操作阶段。

3.2三相异步电动机的制动方式应用分析分析

发电反馈制动方式，制动方式电气结构简单但是发出的电能很难有效的利用，发电反馈制动发出的电能质量并不理想，但是随着电子技术的发展会得到有效的解决办法，晶闸管技术的成熟应用，以及超级电容技术的应用，一定是制动方式的发展方向。反接制动和能耗制动都是将电能转化为热能的制动方式，这种制动方式与节能减排的宗旨相违背，发展空间不是很大。

4.三项异步电动机的调速控制

为了使生产机械以最合理的速度工作。要求在不同的情况下。三相异步电动机以不同的速度运行，并且使用某种方法来改变生产机器的运行速度，这种方法通常称为速度调节。

从三相异步电动机的原理可知。电动机的转速n与电源电压的频率f1和定子极对的数量以及滑移率S有关。即：

有公式可得，异步电动机有下列三种调速方法：

（1）改变供电电源的频率。

（2）改变定子绕组的极对数P。

（3）改变异步电动机的转差率S。

4.1.三相异步电动机的调速方式分析

（1）V/F调速（变频调速）

当额定速度高于额定速度时，电机电源频率会增加而不会改变电压。因此，电动机的磁通量减弱并且扭矩减小。通常，当V/F控制低于额定频率时，恒转矩控制高于额定速度。当它是恒定功率控制时，也称为弱磁控制。

（2）变极性调速

可变极性调速是一种改变定子磁极对数量的调速方法。该方法不仅适用于鼠笼式电动机，也适用于绕线式转子电动机。通过改变磁极对P来调节速度，但是需要磁极对数可变的三相异步电动机。

（3）改变转差率调速

改变转差率顾名思义就是通过改变转子和定子之间的磁场转差率，这种转差率的改变对与绕线式转子比较好实现。通过转子末端串入电阻的方式，改变电动机运行机械曲线点a的位置，使转子机械特性变软，扭矩变小。从而达到减速的目的。

（4）直接转矩控制

电机的最终控制也是为了控制电机的扭矩，直接转矩控制的控制目标是转矩。如果电流用于进行克拉克和派克变化，则与先前设定的转矩电流和励磁电流相比，它回到矢量控制的旧路径。直接转矩不一样，它使用定子电压和电流，或定子电流和速度，然后将其与设定扭矩进行比较，根据比较结果，选择所需的电压矢量以增加或减小转矩。

4.2三相异步电动机的调速控制方式分析

不同的场合对电动机控制要求是不一样的，电动机调速控制的当今最流行的是变频控制，变频控制技术比较成熟，经济效益好。直接转矩控制和空间矢量控制是一种闭环控制方式，控制方式相对复杂，而且维护成本高。虽然是主流的发展方向但是还没有得到大量的应用。

5.总结与展望

通过对上电动机控制方式的分析，可以得出电子技术的介入使得电动机的控制方式有了质的飞跃。而且控制算法也更加复杂，对对电机的控制更加精确，调速更加稳定，使的机床加工的精度也有很大的提升。随着空间矢量控制的应用成熟，直接转矩控制不断的深入研究，电机控制还会有一次大的提升。传统的速度控制模式具有可变极调速，可变转差率调速，以及当今流行的变频调速，适量控制和直接转矩控制。随着人类对生活环境和生产生活能耗比的重视，绿色、节能、环保成为人们长久发展的共识，在生产生活中能耗最高的当属电动机。提高电动机的功率因数一直是国家电网的要求，降低能耗也是国家环保一直努力的方向。

随着电子技术中晶闸管的成熟应用，使得对异步电动机的控制变得十分方便，无论是从节约能耗还是控制精度都有了质的飞跃。当今国内外对三相异步电机的控制的研究方向有V/F控制、适量控制、直接转矩控制，目前最成熟的是按转子磁场定向的矢量控制方法，能够达到较好的效果。最新发展起来的直接转矩控制，因转矩脉动比较大，现在难以规模化应用。

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