《机电传动控制》讲义(5)

1、第三章 交流异步电机第一节 三相异步电机 v一、三相异步电动机的基本结构与工作原理三相异步电动机的基本结构1、定子铁心：由导磁性能很好的互相绝缘的硅钢片叠成导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。问题：为什么问题：为什么定子要用互相定子要用互相绝缘的硅钢片绝缘的硅钢片叠成？叠成？按结构分类：按结构分类： 鼠笼式鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。 绕线式绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。VVWUUW三相异步机的结构三相异步机的结构定子定子转子转子v转子1、转子铁心：由硅钢片叠

2、成，也是磁路的一部分。2、转子绕组：笼型绕组笼型绕组的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插入铜条的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，。再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状象个笼子，对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。剩下来的绕组形状象个笼子，对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。绕线式绕组绕线式绕组的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小

3、和相位的里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速。方式进行调速。v气隙：异步电动机的气隙是均匀的。对电机的性能影响很大，对电机的性能影响很大，大小为机械条件所能允许达到的最小值， 0.2-1mm 。基本工作原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。4、转动方向：转动方向与输入绕组的三相电流的相序有关，只要任意调换两相就可改变电机转动方向。BlvBliU1U2V2W1V1W2FvF0nNS1600f

4、np转分 120sin120sinsintIitIitIimWmVmUViAXBYCZUiWiiWiVimIotUiiWiVimIotUi600结论：电流变化一周，磁场旋转结论：电流变化一周，磁场旋转3600 (p=1）。）。定子通入三相电流，定子通入三相电流，定子内产生定子内产生旋转磁场旋转磁场t=0t=60t=120t=180极对数极对数2p旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关iWiVimIotUi极对数极对数2p 四极旋转磁场四极旋转磁场在电流变化一周时，在电流变化一周时， 旋转旋转磁场在空间旋转磁场在空间旋转 180。 1060 fnp旋转磁场转

5、速旋转磁场转速n0与定子电流频率与定子电流频率f1、磁极对数、磁极对数p有关。有关。（4-2）式中式中: n0旋转磁场的转速，又称同步转速，单位为旋转磁场的转速，又称同步转速，单位为r/min； f1定子电流的频率，单位为定子电流的频率，单位为Hz，市电频率为，市电频率为50Hz； p旋转磁场的极对数。旋转磁场的极对数。 异步电动机转速和极对数的对应关系（异步电动机转速和极对数的对应关系（f1=50Hz z) )p1234n0(r/min) 3000150010007500nn如果如果:0nn转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况:转子未转动时，; 1,0sn电机理想空载时

6、，0,0.nns作为电动机，转速在00 n范围内变化，转差率在01范围内变。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：0(1)ns n转子转速转子转速1060()1)1fns nsp(00nnsn例例1 1：一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率，电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。极对数和额定负载下的转差率。解：解：0010009750.0251000nnns由于电动机的额定转速应接近且略小于同步转速由于电动机的

7、额定转速应接近且略小于同步转速 n0，而，而 n0 对应于磁极对数对应于磁极对数p有一系列固定值。所有一系列固定值。所以，以，n0=1000 r/min , 例例2 2 一台三相四极一台三相四极50Hz异步电动机，已知额定转速为异步电动机，已知额定转速为 1440 r/min。求额定转差率。求额定转差率SN。 解解: : 该电动机的同步转速为该电动机的同步转速为 因而电动机的额定转差率为因而电动机的额定转差率为106060 501500 /min2fnrp001500 14400.041500Nnnsn三相异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能

8、和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态00nn0n0nn10 s1s0s定子绕组连接方式3三角形接法电机输出功率是星形接法输出功率的三角形接法电机输出功率是星形接法输出功率的 倍，及倍，及1.732倍。倍。 三相交流异步电机在启动的瞬间需要电网馈给的功率是三相交流异步电机在启动的瞬间需要电网馈给的功率是5到到10倍，例如倍，例如55KW的电机直接用三角形接法启动需要至少的电机直接用三角形接法启动需要至少250KW电网驱动容量，电网驱动容量，当电网无法满足这些要求时，电网的电

9、压就会严重下降。如正常的电网电当电网无法满足这些要求时，电网的电压就会严重下降。如正常的电网电压是压是380V，当有大电机启动时电压会降抵到，当有大电机启动时电压会降抵到300V以下，这样就会严重干以下，这样就会严重干扰电网中的其它用电设扰电网中的其它用电设 备。备。而改用星形启动就会减少电网需要馈给的功率，减少对电网的干扰。而改用星形启动就会减少电网需要馈给的功率，减少对电网的干扰。 铭牌，型号中小型电机大型电机额定值关系有：NNNNNIUPcos3)(VkVUN或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.)(kWPN额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。)(AIN额定电流在额定运行状

10、态下流入定子绕组的线电流.min)/(rnN额定转速额定运行时电动机的转速.NNf额定效率额定频率额定功率因数Ncos二、额定值额定参数值二、异步电动机的电磁转矩与机械特性二、异步电动机的电磁转矩与机械特性u定子线圈的感应电动势电动势频率:0160pnf 每相绕组的磁通：单个线圈的最大电动势:每相所有线圈的电动势:1114.44effmEf N课外作业：推导这些公式课外作业：推导这些公式u转子线圈的感应电动势与转子电流频率 与定子绕组类似，与定子绕组类似， 转子绕组中感应电动势转子绕组中感应电动势E2的有效值为的有效值为 E2eff= 4.44 f2N2m 式中：式中： f2转子电动势频率；转

11、子电动势频率； N2转子绕组匝数。转子绕组匝数。112mmef111124.4422mmeffmefef有效值：sinmt 三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩22TICTcos 常数，与电常数，与电机结构有关机结构有关旋转磁场旋转磁场每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的功率因数功率因数ilBF 22 , ,cosTI22122220()TsRTCURsX22 TICTcos 22022202)( XREIss 2202222XRRs)(cos mNfU11144.4 分析知：分析知：课外作业：与教材上的公式对比，推导电磁转矩公式课外作业：与教材上的公式对比，推导电

12、磁转矩公式提示提示：（：（1）阻抗的概念：电压相量与电流相量之比）阻抗的概念：电压相量与电流相量之比RURI ; XR阻性元件： c11UI ; Xj Cj C容性元件： LUI ; Xj Lj L感性元件： （2）阻抗的并联和串联：）阻抗的并联和串联：12XXX串联：12111XXX并联：21U21220222TUsXRsRCT )(maxTmSNSOTS根据转矩公式根据转矩公式22022212T)sX(RUsRCT 得特性曲线：得特性曲线：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NT异步电动机的转矩曲线异步电动机的转矩曲线异步电动机的机械特性曲线异步电动机的机械特性曲线cnNnNT电机在额

13、定电压下，以额定转电机在额定电压下，以额定转速速nN 运行，输出额定功率运行，输出额定功率PN 时，电机转轴上输出的转矩。时，电机转轴上输出的转矩。)/()(9550NNN分分转转千瓦千瓦nPT TN、Tm、TstOnT0n(N m) 例如某普通机床的主轴电机例如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型型) 的额定的额定功率为功率为7.5kw, 额定转速为额定转速为1440r/min, 则额定转矩则额定转矩为为m.N7 .4914405 . 795509550NNN nPTTbTmax0nn0TstaTNnN 正常情况下，电动机都工作在特性曲线的正常情况下，电动机都工作在特性曲线的 ab 段，当

14、负载转矩增加时，电动机转速要降低，但段，当负载转矩增加时，电动机转速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为对应的电磁转矩却要增加，因为 ab 段比较平坦，段比较平坦，所以电动机的转速变化不大。这种特征称为所以电动机的转速变化不大。这种特征称为硬的硬的机械特性。机械特性。21220222UsXRsRKT)(21202mTUTCXd0dsT令：令：求得求得2c20RXss临界转差率临界转差率On0nTmax将将sc代入转矩公式，可得代入转矩公式，可得scncn m121mTUUT )1,(2021TmX2UCT NmTTT 一般三相异步电动机的过载系数为一般三相异步电动机的过载系数为2281T.

15、12 II(2) sc与与 R2 有关，有关， R2 sc n 。绕线式电机。绕线式电机改变转子附加电阻改变转子附加电阻R 2 可实现调速。可实现调速。 （4-19）22022212)(sXRUsRKT 22022212stXRURKT 电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。起动时起动时n= 0 时时，s =1 st121st, ) 1 (TUUT(2) Tst与与 R2 有关，有关， 适当使适当使 R2 Tst 。对绕线式。对绕线式 电机改变转子附加电阻电机改变转子附加电阻 R 2 , 可使可使Tst =Tm 。体现了电动机带体现了电动机带载起动的能力。载起动的能力。 0nOnTNstst

16、TTK 起动能力起动能力一般一般 Kst=1.02.2。 TL sTL TT =TLn T T L达到新的平衡达到新的平衡TL0nnTOn由电动机的机械特性参数表达式可见：异步电动机电磁转矩T 的数值是在某一转速 n（或 s ）下，由定子电压 U1、电源频率 f1、定子极对数 p、定子及转子电路的电阻 R1、R2及电抗 X1、X2 等参数决定的。人为地改变电源电压、电源频率、定子极对数、定子和转子电路的电阻及电抗等参数，可得到不同的人为机械特性。最大转矩最大转矩 Tm 及起动转矩及起动转矩 Tst 与与 Ux2 成正比地降低；成正比地降低；sc 与与 U1 的降低无关的降低无关降低电网电压对电

17、动机的影响降低电网电压对电动机的影响过载能力下降负载电流上升原因： 电动机带一定负载转矩情况下，差转率长高，转子电动势增加，转子电流增加。最大转矩最大转矩 Tm 不变；不变；sc 随串联电阻增大而增加随串联电阻增大而增加转子电路串联对称电阻用途转子电路串联对称电阻用途:(1)绕线转子异步电动机的起动(2)调速同步转速同步转速n0改变改变: 当同步转速增大时最大转矩当同步转速增大时最大转矩Tm和启和启动转矩动转矩Tst将变小，而临界转差将变小，而临界转差Sc率将变率将变大大; 当同步转速降低时最大转矩当同步转速降低时最大转矩Tm和启和启动转矩动转矩Tst将变大，而临界转差将变大，而临界转差Sc率

18、将变率将变小小;如果如果f1不变，则同步转速不变，则同步转速n0改变。改变。最大转矩最大转矩 Tm 随串联电随串联电抗增大而减小；抗增大而减小；sc 随随串联电抗增大而减小串联电抗增大而减小最大转矩最大转矩 Tm 随串联电阻增大随串联电阻增大而减小；而减小；sc 随串联电阻增大随串联电阻增大而减小而减小用途：用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流 问题：问题：。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4 7 倍倍; 电电动机的起动动机的起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。直接起动。(

19、3) 转子串电阻起动转子串电阻起动星形星形-三角形三角形(Y ) 换接起动换接起动自耦降压起动自耦降压起动定子串电抗器起动定子串电抗器起动UV WQS1FUM3直接起动线路 串电抗器起动 这种起动方法是在电这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器，其接入一个三相电抗器，其接线如图线如图 所示。所示。 其目的就是要减小起动其目的就是要减小起动电流，但同时也限制了起动电流，但同时也限制了起动转矩，因此只适用于轻载或转矩，因此只适用于轻载或空载情况下起动。空载情况下起动。ZUIll3:Y 星形联结时星形联结时ZUIll3 三三角角形形联联结结时时：31Y llI

20、I31YlIZlU+U1U2V1V1W1W2 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2Z图 4 - 21Y-起动线路图U V WQS1FUU1W1W2U2V1V2QS2(运行)Y(起动)lUU31P (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )(2StUT (b) Y 起动起动 ststTIY 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合SYtst31TT UlU1W2V2W1+U2V1UP+Ul+U1W2V2W1U2V1L1L3L2FUQQ2R 12220220)(st2IIRXREIRR滑环滑环电刷电刷定子定子转子转子起动电阻起动电阻4-23绕线式电动机的启动线路AB CR2 Tst 22022212TstXRURCT 22RR stTTOn0nmaxT2R2R stT M3M3制动方法制动方法机械制动：加机械抱闸机械制动：加机械抱闸电气制动电气制动能耗制动能耗制动反接制动反接制动发电反馈制动发电反馈制动 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相在断开三相电源的