《机电控制技术》图文-第三章

机电控制技术第三章三相交流异步电动机9/23/2024机电控制技术目录3.3三相交流异步电动机的启动3.4三相交流异步电动机的制动3.5三相交流异步电动机的调速3.6三相交流异步电动机的使用3.2三相交流异步电动机的运行特性3.1三相交流异步电动机的基本结构及工作原理9/23/2024机电控制技术3.1三相交流异步电动机的基本结构及工作原理3.1.1三相交流异步电动机的基本结构

就结构而言，三相交流异步电动机和直流电动机基本相似，主要由定子和转子两大部分组成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间存在一定的气隙，如图3-1所示为三相笼型交流异步电动机的结构示意图。

9/23/2024机电控制技术1.定子部分

定子部分是用来产生旋转磁场的。三相交流异步电动机的定子部分主要由三相交流异步电动机的外壳、定子铁芯和定子绕组等组成。1)三相交流异步电动机的外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件2）定子铁芯定子铁芯为圆桶形，由于定子铁芯是三相交流异步电动机主磁通磁路的一部分，为了减少旋转磁场的交变磁通通过铁芯所产生的涡流损耗，一般采用内周有槽的硅钢片叠成，硅钢片的导磁性能很好，厚约为0.35～0.5mm，在硅钢片的两面涂有绝缘漆。如图3-2所示为三相交流异步电动机的定子铁芯及硅钢片。3）定子绕组定子绕组是三相交流异步电动机的电路部分，当通入三相对称电流时，定子绕组内就会产生旋转磁场。9/23/2024机电控制技术9/23/2024机电控制技术2.转子部分

三相交流异步电动机的转子主要由转子铁芯和转子绕组组成。1）转子铁芯转子铁芯用0.5mm的硅钢片叠成后，套在转轴上，其作用与定子铁芯相同，一方面可作为三相交流异步电动机主磁通磁路的一部分，一方面可用来安放转子绕组。2）转子绕组由于三相交流异步电动机的转子绕组分为笼型转子绕组和绕线型转子绕组，因而三相交流异步电动机也相应地分为三相笼型交流异步电动机和三相绕线型交流异步电动机。9/23/2024机电控制技术（1）笼型转子绕组

笼型转子绕组是在转子铁芯的槽中放入铜条，并将其两端用环连接而成的，因此，也称为铜排转子，如图3-3(a)所示。目前，100kW以下的三相笼型交流异步电动机，一般采用铸铝绕组，这种转子绕组是将熔化了的铝液直接浇注在转子槽内，并连同其两端的短路环和风扇浇铸在一起，因此，称为铸铝转子，如图3-3(b)所示。9/23/2024机电控制技术

（2）绕线型转子绕组

绕线型转子绕组与定子绕组相似，也称为三相对称绕组，嵌放在转子槽内。绕线型转子绕组通常采用星形联结，即3个末端连在一起，3个首端分别与转轴上的3个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，三相绕线型交流异步电动机启动时，为改善其启动性能，应使转子绕组与外部变阻器相连；在其正常运转时，应将外部变阻器调到零位或短接。9/23/2024机电控制技术

3.1.2三相交流异步电动机的工作原理

1.三相定子绕组

三相交流异步电动机的三相定子绕组既可采用星形联结又可采用三角形联结，如图3-4所示。三相定子绕组分别为AX、BY、CZ，其末端连接在一起构成星形联结，如图3-4（a）所示；其首尾依次连接在一起构成三角形联结，如图3-4（b）所示。9/23/2024机电控制技术2.旋转磁场

三相交流异步电动机的转子之所以可以旋转，实现能量转换，是因为转子气隙内存在一个交变的磁场，通过电磁感应在转子绕组中产生感应电流，由于转子（相当于通电导体）在旋转磁场中会受到电磁力的作用，从而产生电磁转矩使转子旋转，因此，通常又把三相交流异步电动机称为感应电动机。

当三相交流电源不断地随时间做周期变化时，各相共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间中不断旋转，即形成所谓的旋转磁场，如图3-5所示（虚线部分）。

9/23/2024机电控制技术

9/23/2024机电控制技术3.转子的受力分析

由于旋转磁场中的转子切割磁力线，因而便会产生感应电动势和感应电流，如图3-6所示。静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩，电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。

9/23/2024机电控制技术3.1.3三相交流异步电动机的铭牌参数

在三相交流异步电动机的铭牌上注明了这台三相交流异步电动机的主要技术参数，是选择、安装、使用和修理三相交流异步电动机的重要依据。三相交流异步电动机铭牌的示意图如图3-7所示。

9/23/2024机电控制技术三相交流异步电动机的运行特性是指其在额定状态下运行时的转速特性、转矩特性、定子电流特性、效率特性和功率因素特性。运行特性是三相异步电动机的重要特性，通过对它进行分析可以了解三相交流异步电动机运行性能的优劣以及设计和工艺制造水平的高低。

三相交流异步电动机每相绕组的电路图如图3-8所示，图中u1为定子相电压，R1和X1分别为定子绕组的电阻和漏磁感抗，R2和X2分别为转子绕组的电阻和漏磁感抗。3.2三相交流异步电动机的运行特性9/23/2024机电控制技术3.2.1三相交流异步电动机的固有机械特性

三相交流异步电动机的固有机械特性是指在额定电压和额定频率下，定子电路和转子电路按规定的接线外接的电阻和电抗为零时，其转速n与电磁转矩Tem之间的关系，用n=f(Tem)表示。三相交流异步电动机的固有机械特性曲线如图3-10所示。

9/23/2024机电控制技术3.2.2三相交流异步电动机的人为机械特性

由式（3-17）可知，人为地降低定子电压、改变定子电源频率、在转子电路中串入电阻和改编磁极对数，可得到各种不同的机械特性。

1.降低定子电压时的人为机械特性

由于三相交流异步电动机受磁路饱和、绝缘以及温升等因素的限制，因而只有采用降低定子电压时的人为机械特性。

将s=1代入式（3-17）中，得到三相交流异步电动机启动转矩的表达式为

9/23/2024机电控制技术2.改变定子电源频率时的人为机械特性

若保持三相交流异步电动机的磁极对数p不变，改变定子电源频率时，同步转速n0将随定子电源频率的变化而变化。定子电源频率越大，同步转速n0越大；反之，则同步转速n0越小。

3.转子电路串入电阻时的人为机械特性

在三相绕线型交流异步电动机的转子电路中分别串入阻值相等的电阻后，人为机械特性曲线是一组过同步转速点的曲线簇，如图3-12所示。9/23/2024机电控制技术

4.改变磁极对数时的人为机械特性

在保持定子电源频率f1不变的情况下，改变磁极对数p，同步转速n0将随着磁极对数p的增大而减小。一个普通的三相交流异步电动机的磁极对数是固定不变的，但是为了满足某些生产机械实现多级变速的要求，专门生产磁极对数可变的变极多速三相交流异步电动机。变极多速三相交流异步电动机是利用改变绕组的接法来改变其磁极对数的。如图3-13所示为双速三相交流异步电动机中定子绕组的连接方式。9/23/2024机电控制技术3.3三相交流异步电动机的启动三相交流异步电动机从接通电源开始加速到稳定运行状态的过程称为启动过程。一般中小型三相交流异步电动机启动过程的时间很短，通常是几秒到几十秒。

三相交流异步电动机按照启动方式的不同，可分为直接启动和降压启动。

3.3.1三相交流异步电动机的直接启动

直接启动就是直接加额定电压启动，也称为全压启动。这是一种简便的启动方法，不需要复杂的启动设备，但启动电流大，一般可达额定电流的4～7倍，所以只适用于小容量三相交流异步电动机的启动。这里所指的“小容量”，不仅取决于三相交流异步电动机本身的容量，还与供电电源的容量有关。供电电源的容量越大，允许直接启动的三相交流异步电动机的容量也就越大。9/23/2024机电控制技术3.3.2三相交流异步电动机的降压启动

降压启动就是在定子电路中串联电阻或电抗，用降低每相定子绕组上电压的方法来限制启动电流的一种启动方法。降压启动的目的是减小启动电流对电网的不良影响。由图3-8可知，定子电流近似等于转子电流的折算值，即

9/23/2024机电控制技术三相交流异步电动机切断电源后，由于其转动部分具有一定的惯性，因而还会继续转动一定时间。为了缩短辅助工时，提高机械的生产率，并为了生产安全，往往要求三相交流异步电动机能够迅速停车和反转，这就需要对三相交流异步电动机制动，也就是要求施加于转子上的转矩与转子的转动方向相反，这种反向转矩称为制动转矩。制动时三相交流异步电动机将转轴上吸收的机械能转换成电能，该电能将消耗于转子电路或反馈回电网。

制动的方法有电磁抱闸机械制动和电气制动。这里只介绍电气制动的原理。所谓电气制动，就是使三相交流异步电动机产生一个与转动方向相反的电磁转矩，以实现快速停车。3.4三相交流异步电动机的制动9/23/2024机电控制技术3.4.1三相交流异步电动机的能耗制动

所谓能耗制动是指在切断三相交流异步电动机定子绕组的三相电源后，在其中通入直流电，以形成恒定磁场。感应电流与直流电产生的恒定磁场相互作用，产生电磁转矩的方向与三相交流异步电动机转子转动的方向相反，从而起到制动作用。

由于旋转磁场中的转子切割磁力线，因而产生与转轴转动方向相反的制动力矩，使得转速急速下降。如图3-15所示为三相交流异步电动机能耗制动的特性曲线。

9/23/2024机电控制技术3.4.2三相交流异步电动机的反接制动

反接制动有两种情况：一种是保持定子电路中的旋转磁场不变，使转子反转，这种方法称为转子反转的反接制动；另一种是保持转子的转向不变，使定子电路中所产生的旋转磁场方向改变，这种方法称为定子两相反接制动。

1.转子反转的反接制动

三相交流异步电动机带有位能负载，如果加大转子电路中的电阻，使其反接制动的特性曲线的斜率绝对值增大。如图3-16所示。9/23/2024机电控制技术2.定子两相反接制动

三相交流异步电动机在电动状态运行时，若将其两相定子绕组的出线端对调，则定子电路中旋转磁场的方向将改变，使得三相交流异步电动机的转矩和转速方向相反，进而起到制动作用。如图3-17所示，三相交流异步电动机工作在电动状态时的工作点为A。

9/23/2024机电控制技术3.4.3三相交流异步电动机的反馈制动

反馈制动是指当三相交流异步电动机的转速超过同步转速时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反，从而限制了转子的转速，起到了制动作用。

如图3-18所示为三相交流异步电动机反馈制动的特性曲线。图中随着制动转距增大，转速一直在减小到零。9/23/2024机电控制技术

3.5三相交流异步电动机的调速三相交流异步电动机的调速是指通过改变其参数来进行调速。为了满足生产过程的要求，三相交流异步电动机在调速时要依据的公式为3.5.1三相交流异步电动机的变极调速

通过变换三相交流异步电动机定子绕组的联结方法来改变同步转速的方法称为变极调速。变极调速就是通过改变三相交流异步电动机旋转磁场的磁极对数来调节转速的。其转速只能按阶跃方式变化，不能连续变化，因此，也称为有极调速。由上式可知，通过改变电源频率f1、磁极对数p以及转差率s都可以实现对三相交流异步电动机的转速的调节，具体可归纳为变极调速、变转差率调速和变频调速三类。9/23/2024机电控制技术1.变极调速的基本原理

变极调速的基本原理是在电网频率不变的情况下，三相交流异步电动机的同步转速与它的磁极对数成反比。如图3-19（a）所示，若将A相绕组两个线圈串联，则将产生4极磁场，即p=2；如图3-19（b）所示，若将A相绕组两个线圈并联，则将产生2极磁场，即p=1。9/23/2024机电控制技术2.双速三相交流异步电动机

双速三相交流异步电动机的定子绕组的联结方式常有两种：一种是绕组从三角形联结变换成双星形联结，如图3-20(a)所示的联结方式变换成如图3-20(c)所示的联结方式，另一种是绕组从单星形联结变换成双星形联结，如图3-20(b)所示的联结方式变换成如图3-22(c)所示的联结方式，这两种联结方式都能使双速三相交流异步电动机产生的磁极对数减少一半，即使其转速提高一倍。9/23/2024机电控制技术1.变压调速变压调速是三相交流异步电动机调速系统中比较简便的一种。当三相交流异步电动机的等效电路参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变三相交流异步电动机在一定输出转矩下的转速。3.5.2三相交流异步电动机的变转差率调速2.转子电路串入电阻调速转子电路串入电阻调速是在三相绕线型交流异步电动机转子电路串入可变电阻，通过调节可变电阻，来改变三相交流异步电动机的机械特性曲线的斜率，从而实现调速的一种方式。3.串级调速三相绕线型交流异步电动机的转子绕组能通过集电环与外部电气设备相连接，可在其转子侧引入控制变量（如附加电动势）进行调速。9/23/2024机电控制技术3.5.3三相交流异步电动机的变频调速

为了实现无级调速，可采用频率可调的变频电源。目前，应用较多的是晶交—交变频器和交—直—交变频器。

交—交变频器是将某一固定频率（如50Hz）、固定电压的交流电源，变换成电压和频率都可调的交流电源，所以又称为直接变频器。如图3-21所示为交—交变频器调速的原理示意图。9/23/2024机电控制技术交—直—交变频器则是将交流电源先整流成幅值可变的直流电源，再将此直流电源变换成频率可调的交流电源，所以又称为间接变调器。如图3-22所示为交—直—交变频器调速的原理示意图。9/23/2024机电控制技术若在图3-22中的直流输出端并联一个大电容元件，该电容元件能起到储能和滤波的作用，这时交—直—交变频器的输出阻抗小，具有电压源特性，称为电压型变频器，如图3-23（a）所示；若在图3-22中的直流输出端串联一个大电感元件，用电感滤波来限制电流的变化，这时交—直—交变频器的输出阻抗大，具有电流源特性，称为电流型变频器，如图3-23（b）所示。9/23/2024机电控制技术3.6三相交流异步电动机的使用1.三相交流异步电动机使用前的检查

对新安装或久未运行的电动机，在通电使用之前必须先进行下列检查工作，以验证其能否通电运行。(1)看三相交流异步电动机是否清洁，内部有无灰尘或脏物等，一般可用不大于0.2MPa(2个大气压)的干燥压缩空气吹净各部分的污物。如图3-24所示为采用压缩空气清洁电动机的示意图。9/23/2024机电控制技术(2)拆除三相交流异步电动机出线端上的所有外部接线，用兆欧表测量其各相绕组之间及每相绕组与地(机壳)之间的绝缘电阻，看是否符合要求。(3)除检查三相绕线型交流异步电动机定子绕组的绝缘电阻外，还要检查转子绕组、集电环对地及集电环之间的绝缘电阻(4)对照三相交流异步电动机铭牌参数，检查其定子绕组的连接方法是否正确，电源电压、频率是否合适。(5)检查三相交流异步电动机轴承的润滑脂(油)是否正常，观察是否有泄漏的迹象，转动其转轴，看转动是否灵活，有无摩擦声或其他异声。(6)检查三相交流异步电动机接地装置是否良好。(7)检查三相交流异步电动机的启动设备是否完好，操作是否正常，所带的负载是否良好。9/23/2024机电控制技术(1)三相交流异步电动机在通电试运行时必须提醒在场人员注意，不应站在三相交流异步电动机及被拖动设备的两侧，以免旋转物切向飞出造成伤害事故。

(2)接通电源之前就应做好切断电源的准备，以防接通电源后三相交流异步电动机出现不正常的情况(如三相交流异步电动机不能启动、启动缓慢、出现异常声音等)时能立即切断电源。

(3)三相笼型交流异步电动机采用全压启动时，启动次数不宜过于频繁，尤其是功率较大时