汽车电工电子课件 模块4 交流电动机及其控制

模块4交流电动机及其控制项目4.1分析三相异步电动机的运行

项目4.2分析三相异步电动机的控制电路项目4.1分析三相异步电动机

的运行4.1.1交流电动机概述4.1.2三相异步电动机的机械特

性分析4.1.3三相异步电动机的运行知识学习一、

三相异步电动机的结构二、三相异步电动机的铭牌三、三相异步电动机的工作原理4.1.1交流电动机概述它们的工作原理都是建立在电与磁的相互转化与相互作用的基础上，所依据的电磁定律都是电磁力定律和电磁感应定律。分类组成原理1.按照功能用途分类，可分为发电机、电动机、变压器和控制电动机4大类。2.按照用电性质分类，可分为直流电动机和交流电动机两大类。所有电动机都是由电路和磁路两个基本部分组成。4.1.1交流电动机概述图4-1三相异步电动机的构造1—接线盒2—定子铁芯3—定子绕组4—转轴5—转子6—风扇7—罩壳8—轴承9—机座10—端盖11—轴承盖一、

三相异步电动机的结构（1）外壳外壳包括机座、端盖、轴承盖及接线盒等部件。（2）定子铁芯定子铁芯是电动机磁路的一部分。（3）定子绕组定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。1．定子部分图4-2定子铁芯及冲片示意图图4-3定子绕组的连接（1）笼型转子2．转子部分图4-4转子铁芯冲片图4-5笼型转子示意图1—转子铁芯2—风叶3—铸铝条（2）绕线式转子图4-6绕线式转子示意图1—转轴2—集电环3—转子绕组4—变阻器5—电刷

其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用来支撑转轴。风扇则用来通风冷却电动机

3．其他部分二、

三相异步电动机的铭牌（1）型号

三相异步电动机的型号主要包括产品系列号、规格代号等。现以Y系列异步电动机为例，说明型号中各字母及数字代表的含义。（2）额定电压

额定电压（UN）是指接到电动机绕组上的线电压。三相异步电动机要求所接的电源电压值上下波动一般不应超过额定电压的±5%。（3）额定电流

额定电流（IN）是指三相异步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。若超过额定电流过载运行，三相异步电动机就会过热乃至烧毁。（4）额定功率

额定功率（PN）是指电动机在额定工作状态下运行时，转轴上输出的额定机械功率，单位是千瓦（kW）或瓦（W）。三相异步电动机的额定功率为（4-1）

（5）额定频率

额定频率（fN）是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数。我国规定标准电源频率为50Hz。（6）额定转速

额定转速（nN）是指三相异步电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，一般是略小于对应的同步转速（n1）。（7）绝缘等级

缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。（8）接法

三相电动机定子绕组的连接方法有星形（Y）和三角形（△）两种。定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。三、

三相异步电动机的工作原理1．旋转磁场图4-7三相异步电动机的三相绕组图4-8三相绕组的星形联结

电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。图4-9对称三相电流波形图4-10旋转磁场的分布情况从上述分析可知如下几点。①三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场，是随电流的交变而在空间旋转的磁场，即为旋转磁场。②旋转磁场的转速—同步转速。旋转磁场的转速（n1）为 （4-2）式中，n1单位为转/分（r/min）。表4-1 同步转速与极对数对应表（f1

=

50Hz）极对数（p）123456同步转速（n1）/（r/min）300015001000750600500③旋转磁场的旋转方向。旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组的三相电流的相序决定的。①当三相异步电动机定子的三相绕组通入三相对称电流后，产生了旋转磁场。②设旋转磁场在气隙中以同步转速（n1）沿顺时针方向旋转，这时静止的转子与旋转的磁场之间有了相对运动，根据电磁感应定律，转子导体受到旋转磁场的磁力线切割，就会在导体中产生感应电动势，根据右手螺旋定则，可判断出转子导体感应电动势的方向。2．转子转动原理③由于转子绕组是闭合回路，因此在感应电动势的作用下，形成感应电流。④感应电流又在旋转磁场的作用下而产生电磁力（F）。根据左手定则，可以确定电磁力（F）的方向，如图4-11转子转动原理图所示。图4-11转子转动原理图

（4-3）根据式（4-3）可以得到电动机的转速常用公式为 （4-4）3．转差率【例4-1】一台三相异步电动机，额定功率PN

=

11kW，额定频率fN

=

50Hz，额定电压UN

=

380V，额定效率ηN

=

0.89，额定功率因数

=

0.77，额定转速nN

=

975r/min。试求：（1）同步转速（n1）；（2）极对数（p）；（3）额定电流（IN）；（4）额定转差率（sN）。4.1.2三相异步电动机的机械特性分析一、三相异步电动机的电磁转矩二、

三相异步电动机的机械特性电磁转矩（T）表达式为 （4-5）式中，KT

—

与电动机本身结构有关的常数。式（4-5）是分析异步电动机转矩特性的重要依据。一、三相异步电动机的电磁转矩

电磁转矩与转差率之间的关系T=f(s)，称为电动机的转矩特性。通过分析可以推得 或写成 （4-6）

当电源电压（U1）和转子电路参数为定值时，转速（n）和电磁转矩（T）的关系n=f（T）称为三相异步电动机的机械特性。二、三相异步电动机的机械特性图4-12三相异步电动机的机械特性1．额定工作点（C）（4-7）

最大转矩时的临界转差率（sm）为 （4-8）将sm值代入式（4-6），即可求得最大转矩为 （4-9）2．临界工作点（B）图4-13改变定子电压的人为机械特性曲线图4-14转子回路外串电阻的人为机械特性曲线

电动机刚接通电源的瞬间，转速n

=

0（s

=

1），这时的电磁转矩称为启动转矩（Tst），对应启动工作点（A）。3．启动工作点（A）

Tst与电源电压（U1）的平方成正比启动转矩倍数Kst一般笼型异步电动机的Kst为0.8～24.1.3三相异步电动机的运行一、

三相异步电动机的启动二、

三相异步电动机的调速三、

三相异步电动机的反接制动

和反转一、

三相异步电动机的启动1．笼型异步电动机直接启动

启动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上的启动方法，称为直接启动或者全压启动。

启动开始时，旋转磁场与静止的转子之间有很大的相对转速，转子电路的感应电动势很大。因此转子电流也很大，为额定情况时的5～8倍。转子电流很大时，定子电流也相应增大，即启动电流（Ist）也很大，一般约为额定电流（IN）的4～7倍。

一般规定，三相异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接启动。如果功率大于7.5kW，而供电变压器容量较大，能符合下列经验公式要求的异步电动机也可采用直接启动法： （4-12）

在启动时将电源电压适当降低加到电动机定子绕组上，以限制电动机的启动电流，等电动机的转速升高后，再使电动机定子绕组上的电压恢复到额定值，这就是降压启动。常用的降压方法有Y-△启动法。2．笼型异步电动机降压启动—Y-△启动法

图4-15I2=f（s）、cosφ2=f（s）的曲线图

图4-16笼形电动机Y-Δ启动接线图表4-2 绕组Y形和△形联结时的电压、电流比较

Y-△启动法只适用于正常工作时定子绕组为三角形连接的电动机。采用Y-△启动法，减小启动电流的同时，启动转矩按与电源电压平方成正比的比例大为下降。因此，Y-△启动法仅适用于空载或轻载启动。注意：

由转差率公式和同步转速公式，可得出转子转速（n）为

由式可见，改变p、f1、s三者中的任一物理量，都能改变电动机的转速。下面分别介绍3种调速方法。二、三相异步电动机的调速1．变极调速图4-17变极调速原理图（2p=4）图4-18变极调速原理图（2p=2）变极调速只适用于笼型异步电动机。(笼型异步电动机的转子磁极对数能自动跟随定子磁极对数的改变而改变)

根据转速公式，改变异步电动机的供电频率（f1）就可改变电动机的转速（n1和n），达到调速目的。但f1的升高或降低影响到异步电动机的其他参数，如定子绕组中的输入电流（I1）和磁通（Φ）等。2．变频调速

图4-19变频调速在fN以下，常采用定子电压补偿的U1/f1为常数的恒转矩调速方式，保持

不变。在fN以上，常采用U1

=

U1N

且为常数的恒功率调速方式，f

m不变。变频调速具有优异的性能:①调速范围大。②平滑性好。连续改变供电频率，可以实现无级调速。③稳定性好。调速时机械特性的硬度基本不变，所以转矩波动时，转速变化不大。④能适应各种不同负载的要求。

⑤运行效率高。由于机械特性较硬，运行时转差率小、效率高。

图4-20转子电路串电阻调速绕线式转子异步电动机的改变转子电路电阻的调速方法3．变转差率（s）三、三相异步电动机的反接制动和反转制动可分为机械制动和电气制动电气制动是通过改变电动机线路或某些参数值，使电动机产生一种与实际旋转方向相反的电磁转矩的方法，此时的电磁转矩即制动转矩电动机在电动状态时，电磁转矩是拖动转矩；而工作在制动状态时，电磁转矩是制动转矩。电动状态和制动状态是电动机运行的两种方式。三相异步电动机的制动方法有反接制动、能耗制动、回馈制动等。1.

三相异步电动机的反接制动图4-21反接制动对调任意两根电源线,产生制动转矩。任意对调两根电源线—即改变电源相序，就可改变旋转磁场方向，从而改变电动机旋转方向。需要注意的是：若希望改变电动机旋转方向，一般应在停车之后换接。

2.三相异步电动机的反转一、任务目的1．掌握三相异步电动机基本参数的计算方法。2．掌握直接启动、Y-△启动法的分析与计算方法。二、任务内容

一台三相笼型异步电动机，额定功率PN=30kW，额定频率fN

=

50Hz，额定电压UN=380V，额定效率

N

=92%，额定功率因数=

0.87，额定转速nN

=1470r/min，定子绕组采用三角形连接。启动电流倍数Ki=Ist/IN=7，启动转矩倍数Kst=Tst/TN=2，过载系数

=Tm/TN=2.2。项目实施任务分析与计算三相异步电动机

基本参数和启动二、任务内容PN=30kW，fN=50Hz，UN=380V，

N=92%，=0.87，

nN

=1470r/min，三角形连接。启动电流倍数Ki=Ist/IN=7，启动转矩倍数Kst=Tst/TN=2，过载系数

=Tm/TN=2.2。（1）求同步转速（n1）、磁极对数（p）、额定转差率（sN）。（2）求额定电流（IN）、启动电流（Ist）。（3）求额定转矩（TN）、启动转矩（Tst）、最大转矩（Tm）。（4）电源容量为50kV·A时，电动机能否直接启动？（5）负载转矩TL=112N·m时，采用Y-△启动法，电动机能否带负载启动？若负载转矩TL=150N·m，又如何？

三、分析与计算过程项目4.2分析三相异步电动机

的控制电路4.2.1三相交流电动机的控制电路4.2.2三相异步电动机的正反转

控制电路知识学习以三相异步电动机的起停控制电路为例，如图4-22所示。介绍低压电器的应用。电路由刀开关（QS）、熔断器（FU、FU1）、热继电器（FR）、启动按钮（SB2）、停止按钮（SB1）、交流接触器（KM）和三相异步电动机（M）组成。4.2.1三相交流电动机的控制电路图4-22三相异步电动机的启动、停止电路图1—刀开关2—熔断器3—热继电器4—控制按钮5—交流接触器主电路是指直接给电动机供电的电路。控制电路是指对主电路实施动作控制的电路，由单相电源、控制按钮、热继电器触点、交流接触器线圈及辅助触点组成。（1）刀开关：手动电器（2）熔断器：短路保护。一般情况下，要求通过熔体的电流等于或小于熔体额定电流的1.25倍。（3）热继电器：过载保护。利用电流热效应动作1．低压电器图4-23热继电器原理示意图及图形符号1—热元件2—双金属片3—扣板4—弹簧5—动断触点6—复位按钮（4）控制按钮图4-24控制按钮结构示意图及符号1、2—动断静触点3、4—动合静触点5—动触点6—复位弹簧7—按钮帽（5）交流接触器图4-25交流接触器结构图及图形符号1、3—辅助触头2—主触头4—动铁芯5—静铁芯6—线圈7、8—弹簧图4-22三相异步电动机的启动、停止电路图1—刀开关2—熔断器3—热继电器4—控制按钮5—交流接触器

闭合刀开关（QS），引入电源，按下启动按钮（SB2），交流接触器（KM）线圈