电力拖动与运动控制三相交流异步电动机

1、第五章 三相交流异步电动机马昕北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院2022/9/5第五章三相交流异步电动机2交流电动机的分类感应电动机2022/9/5第五章三相交流异步电动机3三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理 工作原理 转动原理空载运行 电磁关系 定子电压平衡关系负载运行 电磁关系 转子绕组各电磁量特点 磁动势平衡方程 电压平衡方程式重点内容2022/9/5第五章三相交流异步电动机4三相交流异步电动机的主要内容等效电路 频率折算 绕组折算 T型等效

2、电路功率和电磁转矩 功率平衡方程式 转矩平衡方程式机械特性 固有机械特性 人为机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机5三相交流异步电动机的主要内容启动和制动 鼠笼型异步电动机的启动 绕线型异步电动机的启动 异步电动机的电气制动交流调速的基本方法 变极对数调速 变转差率调速 变频调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机6三相交流异步电动机的结构保护和固定定子绕组防护，支撑转子支撑转子轴固定转子保护和固定绕组引出端通风冷却电动机起吊搬抬电动机2022/9/5第五章三相交流异步电动机7三相交流异步电动机的结构2022/9/5第五章三相交流异步电动机8三相交流异步电动机的结构定子绕组定子

3、铁心：参与电动机磁路嵌放定子线圈定子绕组：三个彼此独立的绕组空间相差120电角度2022/9/5第五章三相交流异步电动机9三相交流异步电动机的结构定子绕组接线方式星形连接三角形连接1111222233334444555566662022/9/5第五章三相交流异步电动机10三相交流异步电动机的结构转子绕组绕线式转子绕组接线示意图鼠笼式转子绕组三相，一般接成星形各相引出线连到滑环上，滑环套在转轴上并与之绝缘，通过电刷与外电路相连有可能在转子电路中串接电阻，改善电动机运行性能2022/9/5第五章三相交流异步电动机11三相交流异步电动机的结构转子绕组铜条转子 铸铝转子2022/9/5第五章三相交流异

4、步电动机12三相交流异步电动机的铭牌参数 额定功率PN： 满负载运行时三相电动机轴上输出的机械功率 额定电压UN：接到电动机绕组上的线电压 额定电流IN： 三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时， 流入定子绕组的线电流 额定频率fN： 电动机所接交流电源每秒钟内周期变化的次数 额定转速nN： 三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速， 一般略小于对应的同步转速 其它包括：型号、绝缘等级、定额、接法、防护等级2022/9/5第五章三相交流异步电动机13三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相

5、交流异步电动机14三相交流异步电动机的工作原理三相异步电动机之所以会旋转，是因为电动机气隙内有一个旋转磁场气隙要保证定子绕组通电后空间形成对称磁势和电势定子绕组相序2022/9/5第五章三相交流异步电动机15三相交流异步电动机的工作原理两极旋转磁场示意图三相电流波形2022/9/5第五章三相交流异步电动机16三相交流异步电动机的工作原理2022/9/5第五章三相交流异步电动机17定子绕组的连接形成一对磁极时，电流变化一个周期，旋转磁场转动一圈若有p对磁极，交流电流每变化一个周期，旋转磁场在空间中转动1/p圈三相交流异步电动机的工作原理如何改变旋转磁场的转向？最简单的方法：改变三相交流电流的通入

6、方向动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机18三相交流异步电动机的工作原理同步转速2022/9/5第五章三相交流异步电动机19异步电动机靠电磁感应作用工作，其转子电流感应产生，故异步电动机又称为感应电动机转动原理概述三相交流异步电动机的转动原理2022/9/5第五章三相交流异步电动机20三相交流异步电动机的转动原理异步电动机名称的来历2022/9/5第五章三相交流异步电动机21三相交流异步电动机的转动原理转差率动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机22三相交流异步电动机的转动原理动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机23三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转

7、动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机24下标s表示转差率为s时物理量的情况下标1表示定子下标2表示转子三相交流异步电动机的空载运行1. 电磁关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机25三相交流异步电动机的空载运行1. 电磁关系转子漏磁通参见负载运行电磁关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机26三相交流异步电动机的空载运行1. 电磁关系异步电动机空载运行时的电磁关系示意图2022/9/5第五章三相交流异步电动机27三相交流异步电动机的空载运行2. 定子电压平衡关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机28三相交流

8、异步电动机的空载运行2. 定子电压平衡关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机29三相交流异步电动机的空载运行2. 定子电压平衡关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机30三相交流异步电动机的空载运行2. 定子电压平衡关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机31三相交流异步电动机的空载运行2. 定子电压平衡关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机32三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机33三相交流异步电动机的负载运行三相异步电动机负载运行时，轴上机械负载转矩增加，

9、原空载电磁转矩无法平衡负载转矩。电动机开始降速，旋转磁场与转子之间的相对运动速度加大。转子感应电动势增加，转子电流和电磁转矩增加。当电磁转矩增加到与负载转矩和空载转矩相平衡时，电动机以低于空载时的转速稳定运行2022/9/5第五章三相交流异步电动机34三相交流异步电动机的负载运行1. 电磁关系2022/9/5第五章三相交流异步电动机35三相交流异步电动机的负载运行1. 电磁关系动画演示动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机36三相交流异步电动机的负载运行1. 电磁关系异步电动机负载运行时的电磁关系示意图Back to 电压平衡方程式动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机37

10、三相交流异步电动机的负载运行. 转子各电磁量特点转子转速n或转差率s随负载转矩变化，s的变化会引起电动机内部许多物理量的变化2022/9/5第五章三相交流异步电动机38三相交流异步电动机的负载运行. 转子各电磁量特点2022/9/5第五章三相交流异步电动机39三相交流异步电动机的负载运行. 磁动势平衡方程2022/9/5第五章三相交流异步电动机40三相交流异步电动机的负载运行. 电压平衡方程式电磁关系示意图2022/9/5第五章三相交流异步电动机41三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步

11、电动机42目的： 将转子电路与定子电路作直接的电的连接原则：不改变定子绕组的物理量 （定子电动势、定子电流、定子侧功率因数等）且转子电路对定子电路的影响不变 （折算前后转子磁动势和各功率不变）具体操作： 转子频率折算转子绕组折算三相交流异步电动机的等效电路2022/9/5第五章三相交流异步电动机43将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率f1相同的等效静止转子电路三相交流异步电动机的等效电路. 频率折算转子折算值加 / 表示2022/9/5第五章三相交流异步电动机44三相交流异步电动机的等效电路. 频率折算经过频率折算后的异步电动机的电路示意图2022/9/5第五章三相交流异步电动机45方法

12、： 人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2，每相串联匝数为N2，绕组系数为KN2且经过频率折算的转子绕组。原则：保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、总的视在功率、铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变三相交流异步电动机的等效电路. 绕组折算2022/9/5第五章三相交流异步电动机46三相交流异步电动机的等效电路. 绕组折算2022/9/5第五章三相交流异步电动机47三相交流异步电动机的等效电路. 绕组折算2022/9/5第五章三相交流异步电动机48三相交流异步电动机的等效电路. 绕组折算2022/9/5第五章三相交流异步电动机49三相交流异步电

13、动机的等效电路. 绕组折算2022/9/5第五章三相交流异步电动机50三相交流异步电动机的等效电路. 绕组折算经过绕组折算后的异步电动机的电路示意图2022/9/5第五章三相交流异步电动机51型等效电路三相交流异步电动机的等效电路. 型等效电路反映F1反映F2反映Fm2022/9/5第五章三相交流异步电动机52三相交流异步电动机的等效电路. 型等效电路2022/9/5第五章三相交流异步电动机53三相交流异步电动机的等效电路. 型等效电路简化等效电路2022/9/5第五章三相交流异步电动机54三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制

14、动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机55三相交流异步电动机的功率和电磁转矩. 功率平衡方程式异步电动机的功率流图2022/9/5第五章三相交流异步电动机56三相交流异步电动机的功率和电磁转矩. 功率平衡方程式2022/9/5第五章三相交流异步电动机57三相交流异步电动机的功率和电磁转矩. 功率平衡方程式2022/9/5第五章三相交流异步电动机58三相交流异步电动机的功率和电磁转矩. 功率平衡方程式2022/9/5第五章三相交流异步电动机59三相交流异步电动机的功率和电磁转矩. 转矩平衡方程式物理表达式2022/9/5第五章三相交流异步电动机60三相交流异步电动机的主要内容结构工作原

15、理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机61三相交流异步电动机的机械特性参数表达式2022/9/5第五章三相交流异步电动机62三相交流异步电动机的机械特性. 固有机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机63三相交流异步电动机的机械特性. 固有机械特性固有机械特性曲线动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机64三相交流异步电动机的机械特性. 固有机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机65三相交流异步电动机的机械特性. 固有机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机66三相交流异步电动机的机械

16、特性. 固有机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机67三相交流异步电动机的机械特性. 人为机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机68三相交流异步电动机的机械特性. 人为机械特性（） 降低电源电压时的人为机械特性动画演示2022/9/5第五章三相交流异步电动机69三相交流异步电动机的机械特性. 人为机械特性（） 降低电源电压时的人为机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机70三相交流异步电动机的机械特性. 人为机械特性（）转子电路串对称电阻的人为机械特性在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机启动转矩2022/9/5第五章三相交流异步电动机71三相交流异步电动机的机械

17、特性. 人为机械特性实用表达式2022/9/5第五章三相交流异步电动机72三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机73降压启动方式是指在启动过程中降低其定子绕组端的外加电压，启动结束后再将定子绕组两端电压恢复到额定值。该方法在降低启动电流的同时也降低了启动转矩，因此只适用于电动机空载或者轻载启动三相交流异步电动机的启动和制动2022/9/5第五章三相交流异步电动机74三相交流异步电动机的启动. 鼠笼型异步电动机的启动2022/9/5第五章三相交流异步电动机75三相交流异步电动机的启动

18、. 鼠笼型异步电动机的启动优点：不受电动机定子绕组接法形式的限制缺点：启动电阻使设备体积增大，电能损耗大 定子绕组串电抗或电阻 降压启动 线路2022/9/5第五章三相交流异步电动机76三相交流异步电动机的启动. 鼠笼型异步电动机的启动定子绕组串自耦变压器降压启动线路优点：启动性能好；缺点：线路相对复杂，设备体积大利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电动机定子绕组端，达到减小启动电流的目的2022/9/5第五章三相交流异步电动机77三相交流异步电动机的启动. 绕线型异步电动机的启动绕线型异步电动机转子可以通过滑环和电刷串接外加电阻，而增加转子串接电阻可以减小启动电流并且提高电动机的启动转矩20

19、22/9/5第五章三相交流异步电动机78三相交流异步电动机的启动. 绕线型异步电动机的启动为了获取较平滑的启动过程，将启动电阻分级，在启动过程中逐级切除绕线型异步电动机转子串电阻启动原理图及机械特性2022/9/5第五章三相交流异步电动机79三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机80交流调速的基本方法2022/9/5第五章三相交流异步电动机81 变极调速是在定子频率一定时，改变定子的极对数来改变同步转速，从而达到调速目的。 变极方法：1. 电动机运行时改变定子绕组接线方式 2. 定

20、子上独立缠绕23套极对数不同的绕组优点：设备简单，操作方便，机械特性较硬，效率高 既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速缺点：有级调速，只适用于鼠笼型异步电动机交流调速的基本方法1. 变极对数调速2022/9/5第五章三相交流异步电动机82交流调速的基本方法2. 变转差率调速 （1）转子串电阻调速特点：1. 同步转速不变，最大转矩也不变； 2. 串接电阻越大，机械特性越软； 3. 调速时如果定子电压不变，电动机主磁通不变； 4. 若保持转子电流为额定值，属于恒转矩调速 缺点：效率低，有级调速，调速精度差2022/9/5第五章三相交流异步电动机83交流调速的基本方法2. 变转差率调速 （2）定子

21、调压调速特点：1. 同步转速不变，最大转矩对应的转差率也不变； 2. 转矩与定子电压平方成正比； 3. 定子电压越低，机械特性越软； 4. 可实现平滑的无级调速； 5. 既非恒功率调速，又非恒转矩调速 低速时效率低，更适用于风机水泵类负载2022/9/5第五章三相交流异步电动机84交流调速的基本方法2. 变转差率调速（3）串极调速原理框图2022/9/5第五章三相交流异步电动机85交流调速的基本方法2. 变转差率调速 （3）串极调速 在转子上串入与转子电动势同频率的附加电动势，并通过改变其幅值和相位来实现调速，同时将转差功率返回到电源。优点：效率高，机械特性较硬，可实现无级平滑调速缺点：功率因

22、数较低2022/9/5第五章三相交流异步电动机86变频调速系统原理框图控制器逆变器电压/电流检测转速/位置检测给定M3交流调速的基本方法3. 变频调速 优点：不同转速时转差率不变，转差损耗小，机械特性硬， 调速范围宽，调速精度高缺点：变频装置成本较高，变频调速原理较复杂2022/9/5第五章三相交流异步电动机87交流调速的基本方法3. 变频调速变频调速机械特性曲线调速方法的比较2022/9/5第五章三相交流异步电动机89交流调速的基本方法3. 变频调速变频调速方法2022/9/5第五章三相交流异步电动机90本章小结三相异步电动机是靠电磁感应作用来工作的，其转子电流是感应产生的，故也称异步电动机

23、为感应电动机转差率是异步电动机的重要物理量，它的大小反映了电动机负载的大小，它的存在是异步电动机旋转的必要条件。转差率的大小可区分异步电动机的运行状态异步电动机按转子结构不同，分为鼠笼型和绕线型转子异步电动机两种，它们的定子结构相同，而转子结构不同 为求作异步电动机的等效电路，除了对转子绕组各量进行折算外，还需对转子频率进行折算。频率折算的实质就是用转子静止的异步电动机去代替转子旋转的异步电动机异步电动机的电磁转矩和功率反映了能量传递过程中的功率分配2022/9/5第五章三相交流异步电动机91本章小结三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。电磁转矩表达式有三种形式：物理表达式、参数表达式和实用表达式 电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好 三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区 固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率和启动转矩这三个量随参数的变化规律2022/9/5第五章三相交流异步电动机92本章小结小容量的三相异步电动