第4章交流电动机的基本原理及拖动

第4章交流电机基本原理及拖动范国伟安徽工业大学4.1三相异步电动机结构和工作原理三相异步电动机是现代工农业生产中最多的电动机之一，学习三相异步电动机的有关知识有利于职业技术工作人员更好地掌握生产技能，维护和管理好生产设备，能够降低损耗和提高企业的产出效益。在机电传动系统中了解三相异步电动机的结构和工作原理，有利于运用三相异步电动机的机械特性拖动生产机械进行优化运行。4.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的结构主要有定子和转子两个基本部分组成，三相异步电动机的分拆图如下图所示。4.1.2三相异步电动机的铭牌数据电动机的外壳上都有一块铭牌，标出了电动机的型号以及主要技术数据，以便能正确使用电动机。表4-1所示为一台三相异步电动机的铭牌。表4-1三相异步电动机的铭牌4.1.3三相异步电动机的工作原理三相异步电动机是指由三相交流电源供电，利用电磁感应原理，输出转矩的旋转电动机。其转动的关键是旋转磁场的形成。由此可见，随着定子绕组中三相对称电流的不断变化，所产生的合成磁场也在空间不断地旋转。从两极旋转磁场可以看出，电流变化一周，合成磁场在空间旋转360°（一转），且旋转方向与线圈中电流的相序一致。通常转速是以每分钟的转数来表示的，所以旋转磁场转速的计算公式为：

4.1.4三相异步电动机转差率和运行状态异步电动机的转子转速n低于同步转速n1，两者的差值(n1-n)称为转差。转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速。转差率就是相对转速（即转差）与同步转速之比，用S表示，即：S=4.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机转速与电磁转矩之间的关系。把电磁转矩作为横坐标，把转子转速作为纵坐标，将它画成曲线，如右图所示，这就是三相异步电动机的机械特性曲线。4.3三相异步电动机的起动电动机从静止状态过渡到稳定运行状态的过程称为起动过程。对三相异步电动机来说，当定子绕组接通三相电源后，转子就开始转动，其起动转矩的大小、起动电流的大小以及由静止到稳定运行所需的起动时间的长短，标志着电动机的起动性能。衡量电动机起动性能的两个主要指标是起动转矩和起动电流。对起动性能的要求是：第一，起动电流要小；第二，起动转矩要大。4.3.1.笼型异步电动机的直接起动一般规定，额定功率低于7.5kW的三相异步电动机允许直接起动；在用电单位有独立变压器且电动机容量小于变压器容量的20%时，也允许直接起动。若大些电机想直接起动，须满足经验公式：KI=≤[]4.3.2.笼型异步电动机的降压起动所谓降压起动，是利用起动设备将电压适当减小后，加到电动机定子绕组上进行起动，待电动机起动完毕后，再使电压恢复到额定值。此时降压起动电流随电压降低成正比例减小，但起动转矩随电压降低成平方减小，所以降压起动只适用于空载或轻载下起动的电机。异步电动机降压起动的方法主要有：自耦变压器降压起动、星-三角（Y/△）降压起动和在定子电路中串电阻（或电抗）降压起动。4.3.3.绕线式异步电动机的起动对于鼠笼式异步电动机，采用降压起动方法来减小起动电流的同时起动转矩也减小了。所以对于既要求起动电流小，又要求起动转矩大的生产机械，如：卷扬机、锻压机、起重机等，可以采用起动性能好的绕线式异步电动机。4.4三相异步电动机的制动所谓制动是指使电动机产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反。异步电动机拖动生产机械时，经常要求电动机处于制动状态运行，如：当切断电动机电源时，要求电动机快速停车；起重机下放重物时，为了安全，要控制重物下放速度等等。在制动状态下，电机吸收轴上的机械能，将其转变为电能。4.4.1.反接制动反接制动的方法是把正在运行中的异步电动机三相供电线的任意两相互换改接。此时由于相序反了，其磁场的转向也反了，但因转子机械惯性，转子此时仍按原转向转动。这时转差率S=＞1，因此电磁转矩方向与转子相反，电机工作在电磁制动状态。故反接制动亦称为电磁制动。这时产生的电磁制动转矩使转子转速降下来，在转子停止转动的瞬间，电动机应立即从电源上断开，否则它将会向着反方向重新起动。4.4.2.能耗制动能耗制动的方法是将正在电动机状态下运行的电动机的定子绕组从电源断开的同时，换接一个直流电源上。直流电源通入定子绕组，在气隙中建立一个静止不动的磁场，而转子由于惯性继续沿原方向旋转，根据右手定则和左手定则不难断定，这时电磁转矩的方向与电动机转动的方向相反，因而起制动作用。这时转子的动能全部消耗于转子铜耗和铁耗中，故称为能源制动。4.4.3.回馈制动所谓回馈制动是指三相异步电动机转子实际转速超过同步转速的一种制动状态。实现回馈制动的条件是在电动机轴上机械能，使其转速大于旋转磁场的转速，这时电磁转矩与转速相反，电动机处于制动状态。回馈制动又称为再生制动或发电反馈制动。4.5三相异步电动机的速度调节一般来说，三相异步电动机的调整性能比直流电动机差，但异步电动机结构简单，运行可靠，应用极为广泛。由式4-3可知，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：变极调速、变频调速和改变转差率调速三种。4.5.1.变极调速变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步转速与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。原则上，定子可以通过两套独立的绕组实现极对数的改变。但实际应用中，定子绕组极对数的改变大都是通过一套定子绕组、几种不同的接线方式来实现的.4.5.2.变转差率调速三相异步电动机通过改变转差率S可以达到调节转子转速的目的，具体调速方法包括改变定子电压调速、转子绕组串电阻调速和电磁滑差离合器调速等。1、改变定子电压调速改变定子电压调速又称为变压调速，它适合于笼型异步电动机的调速。由于电动机的转矩与电压的平方成正比，对于不同的定子电压，可以得到一组不同的机械特性曲线。2、转子绕组串电阻调速转子绕组串电阻调速又称为变阻调速，它适合于绕线式异步电动机的调速。绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。3、电磁滑差离合器调速滑差离合器电动机又称电磁调速电动机，它是在鼠笼型异步电动机的转子机械轴上装一电磁滑差离合器，通过调节离合器的励磁电流，来调节离合器的输出转速，最终实现调速。滑差离合器电动机的