任务2.2 三相异步电动机运行分析

知识与能力目标

1)了解三相异步电动机的起动、调速和制动的特点。

2)熟悉三相异步电动机的起动、调速和制动的方法。

3)理解三相异步电动机的起动、调速和制动的运行过程。

2.2.1 三相异步电动机起动分析

异步电动机的起动就是转速从零开始加速到稳定运行为止的过程。衡量异步电动机起动性能的好坏，要从起动电流、起动转矩及起动过程的平滑性、起动时间及经济性等方面来考虑，其中最主要的是：电动机应有足够大的起动转矩；保证一定大小的起动转矩的前提下，起动电流越小越好。

降低起动电流的方法有：①降低电源电压。②加大定子边电抗或电阻。③加大转子边电抗或电阻。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过大，否则起动转矩反而可能减小。

1.三相笼型异步电动机的起动

(1)直接起动

直接起动也称为全压起动。起动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上，如图2-22所示。直接起动简单，不需要复杂的起动设备，但直接起动的起动电流I_st大，起动转矩T_st小，只适用于小容量电动机。

在额定电压下直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数cosφ₂很低，起动电流相当大而起动转矩并不大。如普通三相笼型异步电动机，起动电流I_st＝K_II_N＝(4～7)I_N，起动转矩T_st＝K_TT_N＝(0.9～1.3)T_N。

一般来说，容量在10kW以下的小容量笼型异步电动机都可直接起动。

(2)三相笼型异步电动机的减压起动

1)定子串接电抗器起动。

三相异步电动机定子串接电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行，如图2-23所示。显然此时的电抗器起到了分压的作用。三相异步电动机直接起动时，电源电压U₁直接加在短路阻抗z_k＝r_k＋jX_k上。定子边串入电抗X起动时，电压U₁加在(jX＋Z_k)上，而Z_k上的电压小于U₁。定子边串电抗起动可以理解为增大定子边电抗值，也可以理解为降低定子实际所加电压，其目的是减小起动电流。然而，定子串电抗器起动，降低了起动电流，但起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器起动，只能用于空载和轻载。

2) -△减压起动。 -△减压起动是起动时将定子绕组接成星形，起动结束后，将定子绕组接成三角形运行。这种方法只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的电动机。 -△减压起动原理接线图如图2-24所示。 -△减压起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的1/3。

图2-22 直接起动

图2-23 定子串接电抗器起动

图2-24

-△减压起动原理接线图

即，起动电流关系： 起动转矩关系： -△减压起动特点：

起动方法简单，起动设备简单，成本低，应用广泛。因为一般用途的小型异步电动机，当容量大于4kW时，定子绕组采用三角形联结。由于起动转矩是直接起动时的1/3，这种方法多用于空载或轻载起动的设备上。

3)自耦变压器减压起动。

自耦变压器减压起动是通过自耦变压器把电压降低后，再加到电动机的定子绕组上，以达到减小起动电流的目的。起动时电源电压接到自耦变压器的一次侧，自耦变压器的二次侧接电动机的定子绕组，起动结束后，切除自耦变压器，电源电压直接接到电动机的定子绕组上，自耦变压器减压起动原理图如图2-25所示。

采用自耦变压器减压起动时，起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的1/k²，起动用的自耦变压器有QJ2和QJ3两个系列，QJ23个抽头比(抽头比即1/k)分别为73%、64%、55%，QJ33个抽头比分别为80%、60%、40%。

这种起动方法对定子绕组采用星形或三角形接法的电动机都适用，可以获得较大的起动转矩，根据需要选用自耦变压器二次侧的抽头，但是设备体积大。这种方法适用于不需频繁起动的大容量电动机，常用于10kW以上的三相异步电动机。

图2-25 自耦变压器减压起动原理图

4)延边三角形减压起动。

延边三角形接法在起动时，把定子绕组的一部分连接成三角形，剩下的一部分连接成星形，如图2-26a所示。从图形上看就是一个三角形三条边的延长，因此称为延边三角形。当起动完毕，再把绕组改接为原来的三角形接法，如图2-26b所示。延边三角形可以看出一部分是星形，一部分是三角形，星形部分比重越大，起动时电压降得越多。当星形和三角形的抽头比为1∶1时，电动机每相绕组的电压为268V，抽头比为1∶2时，每相绕组的电压为290V。可见，延边三角形可以采用不同的抽头比，满足不同的起动要求。与星形-三角形减压起动相比较，这种起动方法的优点是既不增加专用的起动设备，又可提高起动转矩，适用于电动机定子绕组有9个抽头的笼型异步电动机。

图2-26 延边三角形起动原理图

a)起动时接法 b)运行时接法

2.三相绕线转子异步电动机的起动

三相笼型异步电动机的直接起动，起动电流大起动转矩小，减压起动时，虽然减小了起动电流，但起动转矩也随电压的二次方关系减小，因此笼型异步电动机只能用于空载或轻载起动。

绕线转子异步电动机，若转子回路串入适当的电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，这种起动方法适用于大、中容量异步电动机的重载起动。绕线转子异步电动机起动分为转子串电阻和转子串频敏变阻器起动。

(1)转子串接电阻器起动

为了在整个起动过程中得到较大的加速转矩，并使起动过程比较平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻。起动时，随着转速的升高，逐段切除起动电阻，称为串电阻分级起动。图2-27所示为三相绕线转子异步电动机转子串接对称电阻分级起动的接线图和对应的三级起动时的机械特性。

起动过程中功率因数高，但设备投资大，维修不便。

图2-27 三相绕线转子异步电动机转子串接对称电阻分级起动的接线图和对应起动时的机械特性

a)接线图 b)机械特性

起动开始时，接触器触点KM闭合，KM₁、KM₂、KM₃断开，起动电阻全部串入转子回路中，转子每相电阻为R₃＝r₂＋R_st1＋R_st2＋R_st3，对应的机械特性如图2-27b中曲线1。起动瞬间，转速n＝0，电磁转矩T₁称为最大加速转矩，因T₁大于负载转矩T_L，于是电动机从a点沿曲线1开始加速。随着n上升，Tem逐渐减小，当减小到T₂时(对应于b点)，触点KM₃闭合，切除R_st3，切换电阻时的转矩值T₂称为切换转矩。切除后，转子每相电阻变为R₂＝r₂＋R_st1＋R_st2，对应的机械特性变为曲线2。切换瞬间，转速n不能突变，电动机的运行点由b点跃变到c点，T_em由T₂跃升为T₁。此后，n、T_em沿曲线2变化，待T_em又减小到T₂时(对应d点)，触点KM₂闭合，切除R_st2。此后转子每相电阻变为R₁＝r₂＋R_st1，电动机运行点由d点跃变到e点，工作点(n、T_em)沿曲线3变化。最后在f点触点KM₁闭合，切除R_st1，转子绕组直接短路，电动机运行点由f点变到g点后沿固有特性加速到负载点h稳定运行，起动过程结束。

在起动过程中，一般取最大加速转矩T₁＝(0.6～0.85)T_m，切换转矩T₂＝(1.1～1.2)T_N。

(2)转子回路串频敏变阻器起动

绕线转子异步电动机采用转子串接电阻起动时，若想在起动过程中保持有较大的起动转矩且起动平稳，则必须采用较多的起动级数，这必然导致起动设备复杂化。为了解决这个问题，可以采用转子串接频敏变阻器起动。频敏变阻器是一个铁损耗很大的三相电抗器。从结构上看，它好像一个没有二次绕组的三相心式变压器，它的铁心是用较厚的钢板叠成的，3个绕组分别绕在3个铁心柱上并作星形联结，然后接到转子集电环上，如图2-28a所示。图2-28b为频敏变阻器每相绕组的等效电路，其中r₁为频敏电阻器绕组的电阻，x_m为带铁心绕组的电抗，r_m为反映铁损耗的等效电阻。因为频敏变阻器的铁心用厚钢板制成，所以铁损耗较大，对应的r_m也较大。

用频敏变阻器起动的过程如下：起动时触点KM₂断开，转子串入频敏变阻器。当触点KM₁闭合时，电动机接通电源开始起动。起动瞬间，n＝0，s＝1，转子电流频率最大，频敏变阻器的铁心中与频率二次方成正比的涡流损耗最大，即铁损耗大，反映铁损大小的等效电阻r_m较大，此时相当于转子回路中串入一个较大的电阻。起动过程中，随着n上升，s减小，f₂＝sf₁逐渐减小，频敏变阻器的铁损耗逐渐减小，r_m也随之减小，这相当于在起动过程中逐渐切除转子回路串入的电阻。起动结束后，触点KM₂闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

因为频敏变阻器的等效电阻r_m是随频率f₂的变化而自动变化的，因此称其为“频敏”变阻器，它相当于一种无触点的变阻器，频敏变阻器是利用铁心涡流损耗随频率变化而变化的原理改变起动电阻的。频敏变阻器的电阻随频率降低而逐渐减小。在起动过程中，频敏变阻器能自动、无级地减小电阻，如果参数选择适当，可以在起动过程中保持转矩近似不变，使起动过程平稳、快速。转子串接频敏变阻器起动时电动机的机械特性如图2-28c中的曲线2所示，曲线1是电动机的固有机械特性。

频敏变阻器静止无触点，结构简单，成本低，大大提高了转子回路功率因数，既限制了起动电流，又提高了起动转矩，应用较为广泛。

图2-28 绕线转子感应电动机转子回路串频敏变阻器起动原理图

a)接线图 b)等效电路 c)机械特性

2.2.2 任务训练 三相异步电动机的起动方法测定

1.实训目的

通过实训掌握异步电动机的起动方法。

2.预习要点

1)复习异步电动机有哪些起动方法和起动技术指标。

2)复习异步电动机的调速方法。

3.实训项目

1)直接起动。

2)星形-三角形 减压起动。

3)自耦变压器减压法起动。

4.实训设备

1)三相自耦调压器。

2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制挂箱。

3)三相笼型异步电动机。

4)三相可调电阻(900Ω)。

5.实训电路及操作步骤

(1)三相笼型异步电动机直接起动实训

安装电动机使电动机和磁粉制动器同轴连接，旋紧固定螺钉。

按图2-29接线，电动机绕组为△接法。

实训前先把交流调压器调到零位，然后接通电源。

按下电动机实训台的“起动”开关，调节实训控制屏的调压器，使输出电压达到电动机额定电压220V，按下实训台的停止开关，等电动机完全停止旋转后，再按下电动机实训控制台起动开关，使电动机全压起动，电流表受起动电流冲击而偏转，电流表的最大偏转虽不能完全代表起动电流的读数，但用它可和下面几种起动方法的起动电流作定性的比较。

图2-29 三相笼型异步电动机直接起动

按下电动机实训台的“停止”开关，将实训控制屏调压器退到零位，用销钉将校正过的直流电动机转子销住，按下电动机实训台的起动开关，调节实训控制屏调压器，使电动机电流达2～3倍额定电流，读取电压值U_K、电流值I_K、转矩值T_K，实训时通电时间不应超过10s，以免绕组过热。按下电动机实训台停止开关，拔出销钉。直接起动实训数据记入表2-5中。

表2-5 异步电动机直接起动实训测量数据表

对应于额定电压时的起动转矩T_st和起动电流I_st按下式计算：

式中 I_K——起动实训时的电流值(A)；

T_K——起动实训时的转矩值(N·m)；

式中 U_K——起动实训时的电压值(V)；

U_N——电动机额定电压(V)；

(2)星形-三角形 减压起动

三相笼型异步电动机 -△减压起动如图2-30所示。为了定性地和1实训比较，量程不变。

1)三相双掷开关S合向右边( 接法)。合上电源开关，把控制屏的调压器调到零位，按下电动机实训台的起动开关，调节控制屏的调压器使电压逐渐升高至电动机额定电压220V。断开电源开关，待电动机停转。

2)合上电源开关，观察起动瞬间电流，然后把S合向左边，使电动机三角形接法，观察起动过程中电流表的偏转角度以与其他起动方法作定性比较。

(3)自耦变压器减压起动

1)三相笼型异步电动机自耦变压器减压起动如图2-31所示，电动机绕组 接法。

图2-30 三相笼型异步电动机 -△减压起动

图2-31 三相笼型异步电动机自耦变压器减压起动

2)三相调压器退到零位，开关S合向右边。

3)合上电源开关，电动机就开始自耦变压器减压起动(自耦变压器输出电压分别为80%、60%和40%)，并经过一定时间再把S合向左边，切换至额定电压正常运行，整个起动过程结束。观察起动过程电流的偏转角度以作定性的比较。

6.实训报告

1)比较异步电动机不同起动方法的优缺点。

2)由起动实训数据求下述3种情况下的起动电流和起动转矩。

①外加额定电压U_N(直接起动)。

②外加电压U_N/3^1/2( -△起动)。

③外加电压为U_K/K_A，式中K_A为起动用自耦变压器的变比(自耦变压器起动)。

7.思考题

1)起动电流和外加电压成正比，起动转矩和外加电压的二次方成正比在什么情况下才能成立?

2)起动时的实际情况和上述假定是否相符，不相符的主要因素是什么?

2.2.3 三相异步电动机调速分析

由异步电动机的转速关系式 可以看出，异步电动机的调速可分为以下三大类。

1)变极调速：改变定子绕组的磁极对数P。

2)变频调速：改变供电电源的频率f₁。

3)变转差率调速：改变电动机的转差率方法有绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速、串级调速和改变定子电压调速。

1.三相笼型异步电动机变极调速

(1)变极原理

定子绕组产生的磁极对数的改变，是通过改变定子绕组的接线方式得到的。图2-32为4极异步电动机定子U相绕组连接原理图及产生的磁极数，只画出了U相绕组的情况。每相绕组为两个等效集中线圈正向串联，例如U₁U₂绕组为a_lx₁与a₂x₂头尾串联，如图2-32a所示。因此由U₁U₂绕组产生的磁极数便是4极，如图2-32b所示，可以更直观地看出三相绕组的磁极数为4极，即为4极异步电动机。

如果把图2-32中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即U相绕组U₁U₂为a_lx₁与a₂x₂反向串联，如图2-33a所示。或者，每相绕组两个线圈变成为头尾串联后再并联，即U₁U₂为a_lx₁与a₂x₂反向并联，如图2-33b所示。改变后的两种接线方式，U相绕组产生的磁极数都是2极，如图2-33c所示，即为2极异步电动机。

图2-32 4极异步电动机定子U相绕组连接原理图

图2-33 2极异步电动机定子U相绕组连接原理图

从上面分析可以看出，对于三相笼型异步电动机的定子绕组，若把每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化。因此，同步转速n₁也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电动机来讲，运行的转速也接近成倍改变。

绕线转子异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。

为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序，否则，电动机将反转。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变，也就是U、V、W三相绕组空间电角度依次相差120°不变。表2-6列出了空间机械角度与空间电角度之间的关系，显然，改变极对数前的U、V、W三相绕组，在变极后相序变成了U、W、V三相绕组了。

表2-6 空间机械角度与空间电角度之间的关系

(2)两种常用的变极接线方式

图2-34示出了两种双速电动机变极接线方式的原理图，其中图2-34a表示由单星形联结改接成并联的双星形联结；图2-34b表示由三角形联结改接成双星形联结。由图可见，这两种接线方式都是使每相的一半绕组内的电流改变了方向，因而定子磁场的极对数减少一半。

图2-34 双速电动机变极接线方式的原理图

a) 联结方式 b) 联结方式

1) 联结方式 改接成 联结后，磁极数减少一半，转速增大一倍，即n_YY＝2n_Y，允许输出功率增大一倍，而允许输出转矩保持不变，所以这种联结方式的变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。

2) 联结方式

△改接成 联结后，磁极数减少一半，转速增大一倍，即，n_YY＝2n_△，允许输出功率近似不变，允许输出转矩近似减小一半。这种联结方式的变极调速可认为是恒功率调速，它适用于恒功率负载。变极调速时的机械特性如图2-35所示。

变极调速电动机，有倍极比(如2/4极、4/8极等)双速电动机、非倍极比(如4/6极、6/8极等)双速电动机，还有单绕组三速电动机，这种电动机的绕组结构复杂一些。变极调速时，转速几乎是成倍变化，所以调速的平滑性差。但它在每个转速等级运转时，和通常的异步电动机一样，具有较硬的机械特性，稳定性较好。变极调速既可用于恒转矩负载，又可用于恒功率负载，所以对于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机及升降机等都采用多速电动机拖动。

图2-35 变极调速时的机械特性

a) 连接方式 b) 连接方式

2.变频调速

根据转速公式可知，当转差率s变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化，其原因可分析如下：

电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为U₁≈E₁＝4.44f₁N₁k_w1Φ_m，若端电压U₁不变，则当频率f₁减小时，主磁通Φ_m将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增大；而当f₁增大时，Φ_m将减少，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。

因此，为了使电动机能保持较好的运行性能，要求在调节f₁的同时，改变定子电压U₁，以维持Φ_m不变，或者保持电动机的过载能力不变。U₁随f₁按什么样规律变化最为合适呢?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。

变频调速时，U₁与f₁的调节规律是和负载性质有关的，通常分为恒转矩变频调速和恒功率变频调速两种情况。

额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

(1)从基频向下变频调速

1)保持E₁/f₁＝常数(这种方法称为恒磁通控制方式)。

保持恒磁通变频调速的机械特性如图2-36所示。可见，在这种调速方式下，最大转矩为常数，并且不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。另外，电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高。

恒磁通变频调速是属于恒转矩调速方式。

2)保持U₁/f₁＝常数。

降低电源频率时，必须同时降低电源电压。保持U₁/f₁为常数，则Φ_m为常数，恒转矩调速的机械特性如图2-37所示，随着f₁的降低，T_m减小。显然此时的机械特性特别是在低频低速时的机械特性变坏了。这种调速方式近似为恒转矩调速方式。

图2-36 恒磁通变频调速机械特性

图2-37 恒转矩变频调速机械特性

(2)从基频向上变频调速(恒功率调速方式)

升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为U_N不变，频率越高，磁通Φ_m越低，这种方法是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。保持U_N不变升速，近似为恒功率调速方式，图2-38所示恒功率与恒转矩变频调速时的机械特性，频率越高时，T_m越小，S_m也减小。

三相异步电动机变频调速的特点：

1)从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式。

图2-38 恒功率与恒转矩变频调速时的机械特性

2)调速范围大。

3)转速稳定性好。

4)运行时转差率小，效率高。

5)频率可以连续调节，变频调速为无级调速。

3.改变转差率调速

改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大的转差率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。

(1)改变电源电压调速

对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，对于恒转矩负载T_L对应于不同的电源U₁、U₂、U₃，可获得不同的工作点a₁、a₂、a₃，大转子电阻高转差率的笼型异步电动机机械特性如图2-39所示，显然电动机的调速范围很宽。其缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度反馈的闭环控制系统提高低速时机械特性的硬度。

改变电源电压调速这种方法主要应用于专门设计的较大转子电阻的高转差率的笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。目前广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。这种调速方法，当转子电阻较小时，调节速度的范围不大。

(2)绕线转子异步电动机转子回路串接电阻调速

从绕线转子异步电动机转子回路串接对称电阻的机械特性(见图2-40)上可以看出，转子串入附加电阻时，n₁、T_m不变，但S_m增大，机械特性的斜率增大。若带恒转矩负载，工作点将随着转子回路串联的电阻的增加而下移，转差率增加，对应的工作点的转速将随着转子串联电阻的增大而减小。这种调速方法的优点是方法简单，但调速是有级的，转子的铜损耗随着转差率的增加而增加，经济性差。主要用于中小容量的绕线转子异步电动机，如桥式起重机等。

图2-39 大转子电阻高转差率的笼型异步电动机串电阻调速

图2-40 绕线转子异步电动机转子串电阻调速

(3)串级调速

在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率P_em＝T_emΩ₁＝常数，转子铜损耗与转差率成正比，所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时，转速调得越低，转差功率越大，输出功率越小，效率就越低，所以转子串接电阻调速很不经济。

如果在转子回路中不串接电阻，而是串接一个与转子电动势E_2s同频率的附加电动势E_ad，串级调速原理如图2-41所示，通过改变E_ad幅值大小和相位，同样也可实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差功率只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势E_ad所吸收，利用产生E_ad的装置可以把这部分转差功率回馈到电网，使电动机在低速运行时仍具有较高的效率。这种在绕线转子异步电动机转子回路串接附加电动势的调速方法称为串级调速。

串级调速系统的组成如图2-42所示。整流器将转差频率的电势整为直流，再经逆变器将直流变为工频交流，将电能送回电网，获得较高的效率。逆变器的电压即为加在转子电路中的反电势，控制逆变器的逆变角，可改变逆变器的电压，从而达到调速的目的。

图2-41 串级调速原理

图2-42 串级调速系统的组成

串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点，但附加电动势装置比较复杂。随着晶闸管技术的发展，现已广泛应用于水泵和通风机节能调速，应用于不可逆轧钢机、压缩机等生产机械的调速。

2.2.4 三相异步电动机制动分析

从三相异步电动机的工作原理可知，电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向，因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使异步电动机反转。

三相异步电动机运行于电动状态时，电磁转矩与转速的方向相同，是驱动性质的。运行于制动状态时，电磁转矩和转速的方向相反，是制动转矩。制动可以使电动机快速停车，或者使位能性负载(如起重机下放重物，运输工具在下坡运行时)获得稳定的下降速度。异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动。机械制动是利用机械设备(如电磁抱闸)在电动机断电后，使电动机迅速停转。电气制动是利用电磁转矩与转速方向相反的原理制动的，常用的制动方法有反接制动、能耗制动和回馈制动。

1.能耗制动

三相异步电动机的能耗制动如图2-43所示。制动时接触器触点KM₁断开，电动机脱离电网，同时触点KM₂闭合，在定子绕组中通入直流电流(称为直流励磁电流)，于是定子绕组便产生一个恒定的磁场。转子因惯性而继续旋转并切割该恒定磁场，转子导体中便产生感应电动势及感应电流。由图2-43b可以判定，转子感应电流与恒定磁场作用产生的电磁转矩为制动转矩，因此转速迅速下降。当转速下降至零时，转子感应电动势和感应电流均为零，制动过程结束。制动期间，转子的动能转变为电能消耗在转子回路的电阻上，故称为能耗制动。

能耗制动过程可分析如下：设电动机原来工作在固有机械特性曲线(见图2-44)上的A点，制动瞬间，因转速不突变，工作点便由A点平移至能耗制动特性(曲线1)上的B点，在制动转矩的作用下，电动机开始减速，工作点沿曲线1变化，直到原点，n＝0，T_em＝0。如果拖动的是反抗性负载，则电动机便停转，实现了快速制动停车；如果拖动的是位能性负载，当转速过零时，若要停车，必须立即用机械抱闸将电动机轴刹住，否则电动机将在位能性负载转矩的倒拉下反转，直到进入第四象限中的C点(T_em＝T_L)，系统处于稳定的能耗制动运行状态，这时重物保持匀速下降，C点称为能耗制动运行点。由图2-44可见，改变制动电阻R_B或直流励磁电流的大小，可以获得不同的稳定下降速度。

能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合，也可应用于起重机一类带位能性负载的机械上，用来限制重物下降的速度，使重物保持匀速下降。

图2-43 三相异步电动机能耗制动

a)接线图 b)能耗制动原理图

图2-44 能耗制动的机械特性

2.反接制动

当异步电动机转子的旋转方向与定子旋转磁场的方向相反时，电动机便处于反接制动状态。反接制动分为两种情况，一是在电动状态下突然将电源两相反接，使定子旋转磁场的方向由原来的顺转子转向改为逆转子转向，这种情况下的制动称为电源两相反接的反接制动；二是保持定子磁场的转向不变，而转子在位能负载作用下进入倒拉反转，这种情况下的制动称为倒拉反转的反接制动。

(1)电源两相反接的反接制动

处于正向电动运行的三相绕线转子异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。反接制动过程中，电动机电源相序为负序，图2-45b为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从A→B→C，到C点后，如果-T_L<T<T_L，可以准确停车。

如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩或拖动位能性恒转矩负载运行，如果进行反接制动停车，则必须在降速到n＝0时切断电源并停车，否则电动机将会反向起动。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，为了迅速改变转向，提高生产率，经常采用反接制动停车接着反向起动的方法。

(2)倒拉反接制动

拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线转子异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值则会使电动机反转，称为倒拉反转制动运行状态。

倒拉反转反接制动适用于绕线转子异步电动机拖动位能性负载的情况，它能够使重物获得稳定的下放速度。图2-46是绕线转子异步电动机倒拉反转反接制动时的原理图及其机械特性。设电动机原来工作在固有特性曲线上的A点提升重物，当在转子回路串入电阻R_B时，其机械特性变为曲线2。串入R_B瞬间，转速来不及变化，工作点由A点平移到B点，此时电动机的提升转矩T_B小于位能负载转矩T_L，因此提升速度减小，工作点沿曲线2由B点向C点移动。在减速过程中，电动机仍运行在电动状态。

图2-45 电源两相反接的反接制动

a)反接制动原理 b)反接制动机械特性

图2-46 绕线转子异步电动机倒拉反转的反接制动

a)倒拉反转制动原理 b)倒拉反转制动的机械特性

当工作点到达C点时，转速降至零，对应的电磁转矩T_C仍小于负载转矩T_L，重物将倒拉电动机的转子反向旋转，并加速到D点，这时T_D＝T_L，拖动系统将以转速n_D稳定下放重物。在D点，T_em＝T_D>0，n＝-n_D<0，负载转矩成为拖动转矩，拉着电动机反转，而电磁转矩起制动作用，如图2-46a所示，故把这种制动称为倒拉反转的反接制动。由图2-46b可见，要实现倒拉反转反接制动，转子回路必须串接足够大的电阻，使工作点位于第四象限。这种制动方式的主要目的是限制重物下放的速度。

倒拉反转反接制动运行是转差率s>1的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率>0，机械功率<0。但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载储存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。

3.回馈制动

若异步电动机在电动状态运行时，由于某种原因，使电动机的转速超过了同步转速(转向不变)，这时电动机便处于回馈制动状态。

回馈制动时n>n₁，此时电动机转子导体与旋转磁场的相对切割方向同电动状态时相反，则转子电流、电磁转矩的方向也相反，T_em与n方向相反，变为制动转矩。此时电动机将轴上的机械能变成电能并回馈到电网，故称为回馈制动，此时异步电动机处于发电运行状态。

在实践中异步电动机回馈制动有两种情况：一种是位能性负载下放；另一种是电动机变极调速或变频调速过程。

(1)下放重物时的回馈制动

在图2-47中，设A点是电动状态提升重物工作点，D点是回馈制动状态下放重物工作点。电动机从提升重物工作点A过渡到下放重物工作点D的过程如下：首先，将电动机定子两相反接，这时定子旋转磁场的同步转速为-n₁，下放重物时回馈制动机械特性如图2-47所示。反接瞬间，转速不能突变，工作点由A平移到B，然后电动机经过反接制动过程(工作点沿曲线2由B变到C)、反向电动加速过程(工作点由C向同步点-n₁变化)，最后在位能负载作用下反向加速并超过同步转速，直到D点保持稳定运行，即匀速下放重物。如果在转子电路中串入制动电阻，对应的机械特性如图2-47中曲线3所示，这时的回馈制动工作点为D′，其转速增加，重物下放的速度增大。为了限制电动机的转速，回馈制动时在转子电路中串入的电阻值不应太大。

(2)变极或变频调速过程中的回馈制动

变极或变频调速过程中的回馈制动可用图2-48来说明。设电动机原来在机械特性曲线1上的A点稳定运行，当电动机采用变极(如增加极数)或变频(如降低频率)进行调速时，其机械特性变为曲线2，同步转速变为n₁′。在调速瞬间，转速不能突变，工作点由A变到B。在B点，转速n_B>0，电磁转矩T_B<0，为制动转矩，且因为n_B>n′₁，故电动机处于回馈制动状态。工作点沿曲线2的B点到n′₁点这一段变化过程为回馈制动过程，在此过程中，电动机吸收系统释放的动能，并转换成电能回馈到电网。电动机沿曲线2的n′₁点到C点的变化过程为电动状态的减速过程，C点为调速后的稳态工作点。

图2-47 下放重物时回馈制动机械特性

图2-48 变极调速时回馈制动过程

回馈制动的优点是经济性能好，可将负载的机械能转换成电能回馈到电网上。缺点是仅当电动机的转速n>n₁(同步转速)时才能实现制动，应用范围较窄。