模块三异步电机

模块三异步电机第1页，共71页，2023年，2月20日，星期一三相异步电动机的基本工作原理和结构

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。交流异步电动机三相异步电动机的电力拖动第2页，共71页，2023年，2月20日，星期一第一单元三相异步电动机的原理与结构第3页，共71页，2023年，2月20日，星期一第4页，共71页，2023年，2月20日，星期一下面是它主要部件的拆分图。

右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。第5页，共71页，2023年，2月20日，星期一1.1三相异步电动机的结构一、定子部分定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。二、转子部分转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。三、气隙定、转子之间的空气隙转轴及轴承：支撑转子第6页，共71页，2023年，2月20日，星期一第7页，共71页，2023年，2月20日，星期一第8页，共71页，2023年，2月20日，星期一定子三相绕组的结构完全对称，一般有6个出线端U1、U2、V1、V2、W1、W2置于机座外部的接线盒内，根据需要接成星形（Y）或三角形（Δ），如图所示。也可将6个出线端接入控制电路中实现星形与三角形的换接。第9页，共71页，2023年，2月20日，星期一第10页，共71页，2023年，2月20日，星期一鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图第11页，共71页，2023年，2月20日，星期一第12页，共71页，2023年，2月20日，星期一按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机第13页，共71页，2023年，2月20日，星期一如使磁极以n1的速度逆时针旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而感应电动势。在感应电动势的作用下，导体中就有电流流通。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，使转子以n的速度旋转起来。（n<n1)这也是异步的由来。1.2三相异步电动机的基本工作原理演示：一、基本工作原理第14页，共71页，2023年，2月20日，星期一三相对称绕组：——互差120度空间电角度。三相对称电流：——互差120度时间电角度。U1U2V1V2W1W2旋转磁场的产生规定：电流由线圈的首端流入、末端流出为正，反之为负。流入端用⊕表示，流出用⊙表示。第15页，共71页，2023年，2月20日，星期一NSNSNSNS第16页，共71页，2023年，2月20日，星期一旋转磁场的转向：由上分析各个瞬间磁场变化可以看出，当通入三相绕组中电流的相序为iu￫iv￫

iw，旋转磁场在空间是沿绕组始端U￫V￫W方向旋转，即按顺时针方向旋转。如果把通入三相绕组的电流相序变为iu￫

iw￫

iv，则旋转磁场将按逆时针方向旋转。由此可见，旋转磁场的转向是由通入三相绕组中电流相序决定的。旋转磁场的转速(同步转速）n1：取决于电源频率（f1)和旋转磁场的磁极对数（p），即第17页，共71页，2023年，2月20日，星期一U2U1W2V1W1V2n1.电生磁：三相对称绕组通入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：转子载流导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，将电能转化为机械能。转动原理第18页，共71页，2023年，2月20日，星期一转子未转动时，电机理想空载时，作为电动机，转速在范围内变化，转差率在0～1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：额定运行时，转差率一般在0.01～0.06之间，即电机转速接近同步速。

同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：对分析电机运行有重要意义哦！转差率第19页，共71页，2023年，2月20日，星期一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第20页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、异步电动机的铭牌和主要系列1.型号例:铭牌型号、额定值和有关技术数据第21页，共71页，2023年，2月20日，星期一第22页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.额定值额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.（220D/380Y）额定条件下转轴上输出的机械功率。在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.额定运行时电动机的转速.加在定子绕组上电压的允许频率绝缘等级电机内部所有绝缘材料允许的最高温度等级定额电机额定运行时的持续时间防护等级提示电机防止杂物与水进入的能力噪声量及震动量第23页，共71页，2023年，2月20日，星期一对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结3.接线采用哪种接线方式取决于相绕组能承受的电压设计值和电源电压而定。第24页，共71页，2023年，2月20日，星期一主要系列Y系列：一般用途的小型笼型异步电机YR系列：绕线型三相异步电机YD系列：变极多速三相异步电机YQ系列：高起动转矩异步电机YZ和YZR系列：起重和冶金用三相异步机YB系列：防爆式笼型异步电机YCT系列：电磁调速异步电机Y2和Y3系列：是Y系列的升级换代产品第25页，共71页，2023年，2月20日，星期一单元小结定子部分定子铁心定子绕组机座及端盖转子部分转子铁心转子绕组转轴及轴承气隙结构：工作原理：三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场；转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动。铭牌和主要系列第26页，共71页，2023年，2月20日，星期一第二单元三相异步电动机的电力拖动第27页，共71页，2023年，2月20日，星期一

本单元首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。2.1三相异步电动机的机械特性2.2三相异步电动机的起动2.3三相异步电动机的制动2.4三相异步电动机的调速第28页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.1三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电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即n=f(Tem)。由于电机的转速n与转差率s之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用表示。电磁转矩与电动机参数之间的关系可用下式表示：C：是与电动机结构和电源频率有关的常数。R2：为转子绕组电阻；X20为转子静止时的感抗；通常也为常数。第29页，共71页，2023年，2月20日，星期一对应的转差率sm称为临界转差率可求得：

三相异步电动机的机械特性曲线最大转矩Tm:过载能力：起动转矩：起动转矩倍数：第30页，共71页，2023年，2月20日，星期一1.固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。几个特殊点：起动点A:最大转矩点B:额定运行点C：同步运行点D：sn0nNsNnmsm10TNTstTmTemABCDn1异步电动机的机械特性也分固有机械特性和人为机械特性第31页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm

下降后,和均下降,但不变。

如果电机在额定负载下运行,下降后,下降,增大,转子电流因增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。

降压时的人为机械特性第32页，共71页，2023年，2月20日，星期一串电阻后,、不变，增大。在一定范围内增加电阻，可以增加。当时，若再增加电阻，减小。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。10TstTmTems

n0n1smR2TstsmR2+Rs转子回路串对称电阻时的人为机械特性第33页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.2三相异步电动机的起动

起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求：（1）起动电流要小，以减小对电网的冲击。（2）起动转矩要大，以加速起动过程，缩短起动时间。一、三相笼型异步电动机的起动两种起动方法：直接起动和降压起动第34页，共71页，2023年，2月20日，星期一1.直接起动直接起动就是将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上起动电机，故又称全压起动。这种起动方法最简单，不需要复杂的起动设备，但是它的起动性能恰好与所要求的相反，即起动电流大，而起动转矩不大适用于小容量电动机起动（7.5KW以下）第35页，共71页，2023年，2月20日，星期一降压起动的目的是限制起动电流。起动时通过起动设备使加到电机定子绕组上的电压小于额定电压，待电机转速上升到稳定值后，再使定子绕组承受额定电压，保证电机在额定电压下稳定工作。2.降压起动Y－△降压起动只适用于正常运行时定子绕组为三角形连接的电动机起动接线原理图如下图第36页，共71页，2023年，2月20日，星期一起动时Y接；运行时△接。起动电流关系:Y-△降压起动多用于空载或轻载起动起动转矩关系:特点：起动设备简单，操作方便，但仅适用于角形连接的电动机。起动转矩也减小。第37页，共71页，2023年，2月20日，星期一直接起动时的起动电流：降压后二次侧起动电流：变压器一次侧电流：电网提供的起动电流减小倍数：起动转矩减小的倍数：自耦变压器一般有三个分接头可供选用。自耦变压器降压起动第38页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、三相绕线型异步电动机的起动

在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。

为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。---称为电阻分级起动转子回路串电阻起动第39页，共71页，2023年，2月20日，星期一

电动机由a点开始起动，经b→c→d→e→f→g→h，完成起动过程。起动过程T1：称为最大加速转矩，一般取T1＝（0.7～0.85）TmT2：称为切换转矩，一般取T2＝（1.1～1.2）TL第40页，共71页，2023年，2月20日，星期一频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器

起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。起动时,,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着上升,减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

转子串频敏变阻器起动第41页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.3三相异步电动机的制动一、能耗制动实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。+－UNS第42页，共71页，2023年，2月20日，星期一

直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。

制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上——能耗制动。NS第43页，共71页，2023年，2月20日，星期一nTemA0n1C1B23

对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩。

对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩。能耗制动广泛用于要求平稳准确停车的场合；也广泛应用于矿井提升及起重运输机械等场合，用来限制重物下降的速度。第44页，共71页，2023年，2月20日，星期一1.电源两相反接的反接制动二、

反接制动实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。机械特性由曲线1变为曲线2，工作点由A→B→C，n=0,制动过程结束。绕线式电动机在定子两相反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩,曲线3。第45页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.倒拉反转的反接制动条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载下放重物时，以获得稳定的下放速度。实现：在转子回路串联适当大电阻RB。电机工作点由A→B→C，n=0，制动过程开始，电机反转，直到D点。在第四象限才是制动状态。第46页，共71页，2023年，2月20日，星期一三、回馈制动实现：电动机转子在外力作用下，使n>n1.1.下放重物时的回馈制动Tem•+Tem第47页，共71页，2023年，2月20日，星期一

回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。在下放开始时，|n|<|n1|，电机仍处于电动状态，工作点沿机械特性曲线2第三象限变化，至n=－n1、Tem＝0，然而在位能负载转矩作用下，转速将继续升高并超过同步转速，机械特性进入第四象限，|n|>|n1|，电磁转矩改变方向成为制动转矩，因而限制了转速继续升高，直到D点保持稳定运行，匀速下放重物。在这个过程中，电动机将机械能变为电能回馈送给电网——回馈制动。为了限制下放速度，转子回路串入的电阻值不应太大，或不串电阻第48页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线1，运行于A点。电机工作点由A变到B，电磁转矩为负，，电机处于回馈制动状态。当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为2。同步速变为。回馈制动经济性能好，但只有特定状态时才能实现制动，且只能限制转速，不能制停。第49页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子极对数调速。（2）改变电源频率调速。（3）改变转差率调速。第50页，共71页，2023年，2月20日，星期一一、变极调速1.变极原理变极调速只用于笼型电动机。以4极变2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场（2p=4）第51页，共71页，2023年，2月20日，星期一反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场（2p=2）可见，变极原理就是：使定子每相的一半绕组中的电流改变方向，就可改变极对数第52页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.三种常用变极接线方式Y→反并YY，2p-pY→反串Y，2p-p∆→YY，2p-p注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序，以保证电机转向不变第53页，共71页，2023年，2月20日，星期一3.变极调速时容许输出

容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。（1）Y-YY联结方式Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为

可见，Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。第54页，共71页，2023年，2月20日，星期一（2）∆-YY联结方式∆-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为

可见，∆-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。同理可以分析，正串Y-反串Y联结方式的变极调速属恒功率调速。第55页，共71页，2023年，2月20日，星期一4.变极调速时的机械特性Y-YY联结方式△-YY联结方式

变极调速时，转速成倍变化，调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好,既可用于恒功率负载又可用于恒转矩负载，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、升降机等都采用多速电动机拖动。第56页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、变频调速

当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率f1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是单一调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化。因此，为了使电动机能保持较好的运行性能，要求在调节频率f1的同时

，改变定子电压U1。所以要实现异步电动机的变频调速，必须有能够同时改变电压和频率的供电电源。随着电力电子技术发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，所以目前变频调速得到了广泛的应用。第57页，共71页，2023年，2月20日，星期一变频器本身价格较贵，但它可以在较大范围内实现较平滑的无极调速，且具有硬的机械特性，是一种较理想的调速方法。第58页，共71页，2023年，2月20日，星期一变频调速的特点1)机械特性基本平行，属硬特性，调速范围宽，转速稳定性好。2)运行时s小，转差功率损耗小，效率高。3)可以连续调节，能实现无级调速。优点：具有良好的调速性能。缺点：需一套性能优良变频电源。应用：冶金，化工，机械制造业，采矿等。第59页，共71页，2023年，2月20日，星期一三、变转差率调速1.绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。第60页，共71页，2023年，2月20日，星期一2.绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势同频率的附加电动势。通过改变的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。第61页，共71页，2023年，2月20日，星期一改变电动机的电压时，机械特性为3.调压调速

调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。第62页，共71页，2023年，2月20日，星期一4.电磁调速异步电动机是由电磁滑差离合器与异步电动机构成的一种无级调速电动机第63页，共71页，2023年，2月20日，星期一

交流变频控制技术1．变频调速原理过去传统的调速方式是由晶闸管直流电动机传动系统所组成，但直流电动机本身存在一些固有的缺点：直流电动机造价高、维护工作量大；受使用环境制约条件多；最高速度和容量都有一定限制等。交流调速系统具有结构简单、成本低廉、节能、高精度和响应快速等突出优点，现已广泛应用在工业、交通运输、家用电器等各个领域。交流电动机分为同步电动机和异步电动机，异步电动机又分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。对于同步电动机，其转速为：

n=60f/p式中,p为电动机的极对数；f为电动机的定子电源频率。而对于异步电动机，其转速为：

n=60f（1-s）/p式中,s为电动机的转差率。从上式可以看出，改变极对数p、转差率s和电源频率f都可以进行调速。对于同步电动机来说，运行中改变极对数p会引起失步；对于异步电动机来说，改变极对数p是有级调速。改变转差率s大部分是耗能调速，唯有改变电源频率调速是交流电动机较为理想的调速方式。第64页，共71页，2023年，2月20日，星期一

交流变频控制技术

但是只改变电源频率并不能使交流电动机得到经济可靠的运行，原因是异步电动机是铁磁结构。对于任何具有铁磁结构的电气设备，只有使它的磁通保持为额定值，才能使铁磁材料得到充分利用，对于异步电动机，有如下的关系式：

U≈E=4.44fNKWΦ

式中,U为定子相电压；E为定子电动势；f为定子电源频率；N为定子每相绕组的匝数；KW为绕组系数；Φ为异步电动机的每极气隙磁通。在变频调速时，为了得到所需的电磁转矩，使电动机的铁磁材料得到充分利用，应尽可能地使气隙磁通恒定为额定磁通。由上式可知，为保持气隙磁通Φ近似不变，在调节定子电源频率f时必须同时改变定子电压U，即U／f=常数。为此，用于交流电动机变频调速的变频器实际上都是变压变频器，即VVVF。由于电动机的电压不能超过额定电压，因此，在基频以上调频时，电压U只能保持在额定电压，当电压U一定时，电动机的气隙磁通Φ由随着频率f的升高成比例下降，类似直流电动机的弱磁调速，因此，基频以上的调速属于恒功率调速。

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交流变频控制技术

2．变频器的主电路结构及工作原理变频器的主电路分为两种交═交变频交═直═交变频下面以应用较多的交═直═交变频主电路为例加以说明。变频器的主电路是从整流到逆变的整个功率电路，如图所示。第66页，共71页，2023年，2月20日，星期一

交流变频控制技术第67页，共71页，2023年，2月20日，星期一交流变频控制技术工频电源由R、S、T端输入，从U、V、W端逆变输出，各部分的结构和工作原理说明如下：（1）整流及滤波电路图中VD1～VD6为6只整流二极管，将三相工频交流电全波整流为直流电；C1、C2为滤波电容，将整流后的直流电进行滤波；R2、R3为均