异步电机拖动——制动和四象限运行 反接、能耗、回馈制动和四象限运行

T
F
×
TM3~
S2 Rb
＋
IZ
U －
n T与n反向 F
2) 能耗制动过程 —— 迅速停车
① 制动过程
2n
b
a1
制动前：特性 1。
制动时：特性 2。
a 点 惯性 b 点 (T＜0，制动开始)
O TL
T
n↓ 原点 O (n = 0，T = 0)，制动过程结束
② 制动效果
Rb →IZ →Φ →T →制动快。
2
若|Tc|>|TL|，则反向起动 b 进入III象限，稳定运行
n
n0
a
1
在d点，此时为反向电动 状态
－TL
T
c
O TL
d
－n0
若到 c 点时，若未切断电源：
（b）若为位能性负载
2
进入III象限，
b
Tem和TL均为拖动转矩， 使电机反向起动，
直到进入IV象限， 稳定运行在e点， 此时Tem>0，ne<0, 且|ne|>|-n0|,电机发电运行 状态，为回馈制动状态
S1 合上，S2 断开， S1 电机为电动状态。
S2 Rb
＋
U
－
M 3~
n
3、能耗制动
1)条件：
将需制动的三相异步电动机断开交流电源后，立 即在定子绕组中通入直流，建立一恒定磁场。
3~
制动前
S1 合上，S2 断开， S1 电机为电动状态。
制动时
S1 断开，S2 合上。
Φ
定子: U →IZ →Φ 转子: n →E2 → I2 电机为制动状态。
能耗制动 n n0 s=0 电动
反接制动
快速停车 s>1
TL
反接制动T |倒拉反转
反向电动 s=0
能耗制动 回馈制动
例：某起重机吊钩由一台绕线式三相异步电动机拖动， 电动机额定数据为：PN=40kW，nN=1464r/min， λT=2.2，R2=0.06Ω。电动机的负载转矩TL的情况是， 提升重物TL1=261Nm，下放重物TL2=208Nm。
n
n0
a
1
－TL
T
c
O TL
d
－n0
e
② 制动效果
2
取决于 Rb 的大小。 b
③ 制动时的功率
Pem = 3I2'2 R2'＋s Rb'＞0
c
PM = (1－s ) Pe＜m 0
PCu2 = 3(R2'＋Rb' ) I2'2
= Pem－PM
转子 电阻
= Pe＋|PM|
消耗
掉
三相电能 定子 电磁功率Pem 转子
d
3
2
T
L
② 制动效果
改变 Rb 的大小， 改变特性 2 的斜率， 改变 nd 。
③ 制动时的功率
第IV象限：
s
=
n0－n n0
＞1 (n＜0)
Pem = 3I2'2 R2'＋s Rb'＞0 —— 定子输入电功率
PM = (1－s ) Pem＜0 —— 轴上输入机械功率 （位能负载的位能）
PCu2 = 3(R2'＋Rb' ) I2'2
5) 能耗制动运行 —— 下放重物
a 点 惯性 b 点 (T＜0，制动开始)
n↓ 原点 O (n = 0，T = 0)
a）若为反抗性负载 电动机停车
b）若为位能性负载
在TL作用下 n 反向增加
c 点(T = TL),
以速度 nc 稳定下放重物。
n
2 b
a 1
T
Oc
TL
制动运 行状态
三相异步电动机四象限运行
Pem

3
I
' 2
2
R2'
反接制动时，电动机既从轴上吸入机械功率，也从电网输入电功 率，并全部消耗在转子绕组电阻中。
因此转子回路必须串入大电阻，减小I2。
3）机械特性
电源反接制动
反接制动 快速停车
n
n0 s=0
s>1 电动
TL
T
s=0n0'
倒拉反转（转向反向反接制动） 绕线转子回路接入电阻（位能转矩）
能耗制动转差率 n
n0
①Y接，输入直流电流IZ，则A相和B相绕组分别产生 F&A , F&B
FA FB N1IZ
合成磁动势 FZ 3FA 3N1IZ
②三相绕组中通过三相交流电流，合成磁动势F~
F~

3 2
2I1N1
I1 定子相电流的有效值
N1 定子每相绕组匝数
③由F~=FZ得
= Pem－PM
= Pem＋|PM| —— 电功率与机械功率均
消耗在转子电路中。
倒拉反转运行与反接制动运行的异同
功率关系相同
n与n0反向，s>1
倒拉反转 n0>0，n<0，s>1 电源反接 n0<0，n>0，s>1
倒拉反转运行时的负载向电动机送入机械功率是 靠负载贮存的位能的减小；而反接制动是靠电机 惯性。
B点转差率
sB

n0 nB n0
1500 366 1500
0.756
过B点机械特性临界转差率 smB sB (T T2 1)
0.756(2.2 2.22 1) 3.145
低速时每相串入电阻RsB
解：首先根据题意画出该电动机运行时的机械特性
n
A、B为提升重物时的两个工作点 C、D为下放重物时的两个工作点
n0
A
其次计算固有机械特性相关数据
额定转差率 固sN有特n性0 n临0n界N 转 1差5率0105010464 0.024 0
sm sN (T T2 1)
B
TL2 T
1、反接制动
1)条件：
转子实际旋转方向与定子磁场旋转方 向相反：n与n0方向相反。
转差率：
s n0 n 1 n0
3~
制
动
前
的
M
电
3~
路
3~
制
动
M
时
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3~
的
电
Rb
路
2)功率平衡关系：
Pem

3
I
' 2
2
R2' s
0
P2＝PM＝3
I
' 2
2
1 s
s
R2'

0
电动机输入功率为：
－P2

(Xm

X
' 2
)2
电磁转矩
Tem
Pem 0

3I
'2 2
R2'

0

0[

3I12
X
2 m
R2'

R2'

2

(Xm

X
' 2
)2
]
Tem
Pem 0

3I
'2 2
R2'

0

0[

3I12
X
2 m
R2'

R2'

2


(Xm

X
' 2
)2
]
由上式可知，异步电动机能耗制动时的转矩决定于等效电流I1， 并且还是转子相对转速ν与转子回路电阻R2’的函数。
FZ 3FA
3 3N1IZ 2
2I1N1 F~
I1
2 3 IZ
即定子Y接方式，IZ产生的磁动势可以由定子绕组通入
大小为 I1
2 3 IZ 的三相交流电流产生的磁动势等效。
4)电磁转矩及机械特性
从相量图中，由余弦定理得
I12

I
'2 2

I m2

2I
' 2
Im
cos(90 2 )
③ 制动时的功率
定子输入：P1 = 0，轴上输出：P2 = TΩ＜0 。
动能 P2 → 转子电路的电能 → PCu2消耗掉
3)定子等效电流
电磁转矩Tem的产生，仅与定子磁动势的大小以及 它与转子之间的相对运动有关。
可以用三相交流电流产生的旋转磁动势F~等效代替 直流磁动势FZ。
等效原则： a）保持磁动势幅值不变 b）保持磁动势与转子之间相对转速不变，为0-n=-n。
令 dTem 0
d
可求得能耗制动时的最大转矩Tm 及对应的临界相对转速νm
m

R2'
Xm

X
' 2
Tm

3 0
I12
X
2 m
2( Xm

X
' 2
)
机械特性图：
能耗制动 Tmax
sn 0 n0
电动
1
0 TL
T
机械特性图：
变电阻
sn 0 n0
变励磁 能耗制动
电动
Tmax
1
0 TL
T
能耗制动时的机械特性特点：
D TL1
0.024(2.2 2.22 1) 0.1
额定转矩
-n0
TN
( 60 ) PN
2 nN
9550 40 261Nm 1464
C
（1）提升重物时负载转矩 TL1 261 TN
即高速点A点为额定工作点
nA nN 1464r / min
低速点B点
nB 0.25nA 366r / min
对鼠笼式异步电动机： IZ (4 ~ 5)I0
对绕线式异步电动机： IZ (2 ~ 3)I0
Rs (0.2 ~ 0.4)
E2 N 3I2N
R2
E2N 转子堵转时两集电环间的感应电动势
I2N 转子额定电流
R2 转子每相绕组回路电阻
R2

sN E2N 3I2N
I0 (0.2 ~ 0.5)I1N

I
'2 2

I
2 m

2
I
' 2
I
m
sin 2
忽略铁损
Im

E1 Xm

E2' Xm

I
' 2
Z 2'
Xm
I&m

I
' 2
Xm

R2'

2

X
'2 2
sin2
X
' 2

R2'

2


X
'2 2
由前式得到
I
'2 2


R2'

2
I12
X
2 m
p0 p fv p =风摩损耗＋杂散损耗（含各谐波损耗）
3）机械特性：
Tem

2
f [ R1

3 pU12

R2' s
2

R2' s
X1

X
' 2
2
]
sn
S<0
0 n0
回馈制动
电动
1
T
4）回馈制动的产生
1. 调速过程中的回馈制动（转向不变）
n f1' ＞ f1"
（1）提升重物，要求有低速、高速两档，且高速时 转速nA为工作在固有特性上的转速，低速时转速为 nB=0.25nA，工作与转子回路串电阻的特性上。求两 档转速及转子回路应串入的电阻值。
（2）下放重物，要求有低速、高速两档，且高速时 转速nC为工作在负序电源的固有机械特性上的转速， 低速时转速nD=-nB，仍然工作于转子回路串电阻的特 性上。求两档转速及转子应串入的电阻值。说明电动 机运行在哪种状态。
三相异步电动机的制动
n n0 s=0 电动
s>1
TL
T
反向电动 s=0
电动状态下 电磁转矩为拖动性转矩，即Tem与n同向 正向电动运行 I象限 反向电动运行III象限
制动状态下 电磁转矩为阻力矩，即Tem与n反向
有无正、反向制动运行呢？
三相异步电动机的制动的方法
1、反接制动 2、回馈制动 3、能耗制动
n
a
b
a
YY
b
f1'
cd
f1"
cd Y
O TL
T
O TL
T
2. 位能性负载拖动电机高于同步转速回馈制动 （转向不变） 如：电车下坡
sn
S<0
0 n0
回馈制动
电动
1
T
T’L
TL
3.下放位能负载时的回馈制动（转向改n变）正向电动
3~
b
n0
a
T
n
M
TL
3~
反接制动 c
O
TL
T
Rb
d
回馈制动
G
－n0
反向电动
n
n0
a1
O
T
－n0
机械功率PM
5）倒拉反转过程
① 制动过程
n
低速提 升重物
n0
b
a1
定子相序不变，转子
e TL
电路串联对称电阻 Rb。
T
Oc
a 点 惯性 b 点(Tb＜TL)， 制动运
n↓ c 点 ( n = 0，Tc＜TL ) 行状态
在TL 作用下 电机 反向起动
d 点( nd＜0，Td = TL )
2、回馈制动
1）条件：
n

n0 , s

n0 n0
n

0
2）功率平衡关系：（电动机发电运行）
pCu1
pFe
pcu 2 p f sPem
·Is
转差功率
输入有功功率
I·m －
P1
E&1 E&2'
R2'
Pem
(1 s)R&2'
电磁功率 s
I&2'
P0 轴上输出功率
PM
P2
＋
机械功率
回馈
sn
nS0N
电动
10 SL1 s>1
反接制动
重载低速下放 （绕线转子）
TL
T
TN T
TL
反接
反接制动的产生两个条件：
电源反接——适用于反抗性负载快速停机
倒拉反转（转向反接或绕线转子回路接入电阻） ——适用于位能负载的匀低速下放
4）电源反接制动过程——快速停车
①制动过程
制动前：正向电动状态。
n
制动时：定子相序改变， 2
n0 变向。
b
n0
a
1
s
=
－n0 －n －n0
=
n0＋n n0
即：s ＞1 (第II象限)。
－TL
T
c
O TL
同时：E2s、I2 反向，Tem 反向。 a 点 惯性 b 点(T＜0，制动开始)
d
n↓ c 点(n = 0，T ≠ 0)，
－n0
制动结束。
若到 c 点时，若未切断电源：
（a）若为反抗性负载
① 因T 与 n 方向相反， n－T 曲线在第二、 四象限。
② 因 n = 0 时， T = 0， n－T 曲线过原点。
③ 制动电流增大时， 制动转矩也增大； 产生最大转矩的转速不变。
n
T
O
I1'＜I1"
采用能耗制动停车，既要有较大的制动转矩，
又不要使定、转子回路电流过大而使绕组过热，
根据经验：
e
制动效果
Rb →下放速度 。 ※ 为了避免危险的高速，
一般不串联 Rb。
n n0
O
TL
T
－n0
5）反馈制动时的功率
第II象限： s =
n0－n n0
第IV象限：
s=
－n0－n －n0
Pem =3I2'2
R2'＋Rb' s
＜0
＜0 (n > n0)
=
n0＋n n0
＜0 (n＜-n0)
——发出电功率，向电源回馈电能。
PM= (1－s ) Pem＜0 —— 轴上输入机械功率(位能负载的位能)。
PCu2 = Pem－PM
|Pem | = |PM|－PCu2
—— 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。
3、能耗制动
1)条件：
将需制动的三相异步电动机断开交流电源后，立即 在定子绕组中通入直流，建立一恒定磁场。
3~
制动前