郝用兴主编 华中科技大学出版社 第二版 机电传动控制课件第4章

1、第四章第四章 交流电动机的交流电动机的工作原理及特性工作原理及特性 交流电动机分为异步电动机和同步电动机。 4.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理 三相异步电动机的基本结构均可分为定子和转子两大部分三相异步电动机的基本结构均可分为定子和转子两大部分 定子绕组的接线方式定子绕组的接线方式 n图图4.5 出线端排列出线端排列 图图4.6定子星形接法定子星形接法 图图4.7 定子三角形接法定子三角形接法 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌n三相异步电动机型号三相异步电动机型号 n额定功率额定功率n额定频率额定频率 n额定电压额定电压n额定电流额定电流n额定接法额定

2、接法n额定转速额定转速n绝缘等级绝缘等级n工作方式工作方式 4.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 旋转磁场旋转磁场 图图4.8 定子三相绕组定子三相绕组 旋转磁场的产生 mI sinAitm2I sin3Bitm2I sin3Cit图图4.9 三相电源的电流波形图三相电源的电流波形图 磁场旋转方向磁场旋转方向n图图4.10 两极旋转磁场两极旋转磁场 旋转磁场的旋转速度 n三相异步电动机三相定子绕组每相只有一个线圈，三相绕组的首端之间在空间上相差120，所产生的旋转磁场具有一对磁极（磁极对数用P表示）即P=1。n若P1，则060nf060/nfp三相异步电动机的工作原理三相

3、异步电动机的工作原理 n三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。 n图图4.15三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 n转子的转速和旋转磁场的转速之间要有差值，这是电动机工作的前提，n正因如此这种电动机称为异步电动机。在异步电动机中常用转差率（用S表示）来表示转子转速n与旋转磁场的转速n0相差的程度00nnSnn三相异步电动机的工作原理是：n1）三相定子绕组中通入对称三相电流产生旋转磁场。n2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。n3）转子载流导体在磁场中受电磁力的作用，从而形成电磁转矩，进而驱动电动机转子旋转。 4.2三相异步电

4、动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的定子电路和转子电路图图4.16三相异步电动机的一相电路三相异步电动机的一相电路 11deNdt 22deNdt 222LLdieLdt 4.2.1定子电路定子电路 n定子每相绕组的感应电动势E1n感应电动势的频率f1 111114.44,1dpdpf N kk 0160nf p4.2.2 转子电路转子电路 n转子感应电动势转子感应电动势E2 n转子电动势的频率转子电动势的频率f2 n转子绕组的漏感抗转子绕组的漏感抗X2 n每相绕组的阻抗为 22224.44dpEf N k000210p()6060nnnn pnfSfn222122022LLXf LSf

5、LSX21dpkZ2=R2+jX2=R2+jSX202.222.L22.22.)E(XIjRIRIEX20：在n=0,即S=1时的转子感抗 n转子绕组的电流转子绕组的电流I2 n转子电路的功率因数转子电路的功率因数 222222222220cos()RRRXRSX2202222222220()ESEIRXRSX4.3三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的转矩与机械特性 n4.3.1 三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩为22costTKI 201222222220220(4.44)()()SESf NIRSXRSX转子电流 222122222220

6、220()()SR USR UTKKRSXRSX111111114.44,1,4.44dpdpf N kkf N 2222220cos()RRSX22114.44tNKKf N4.3.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 n三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特性和人为机械特性 图图4.17 三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性 固有机械特性n（1）理想空载转速点 （亦称同步转速点）n（2）额定运行点 n（3）临界工作点 （亦称最大转矩点） n（4）启动工作点 2222220stR UTKRXmax/mNTT2max202UTKX00NNnnSn人为机械特性

7、 n人为地改变电动机的参数或外加电源电压、电源频率，异步电动机的机械特性将发生变化，这时得到的机械特性称为异步电动机的人为机械特性。 n得到人为机械特性常用的方法有：（1）降低电动机定子电压（2）改变定子电源频率（3）转子电路串电阻 图图4.18改变电源电压时的人为机械特性改变电源电压时的人为机械特性 n图图4.19改变定子电源频率时的人为机械特性改变定子电源频率时的人为机械特性 n 图图4.20改变转子电阻时的人为机械特性改变转子电阻时的人为机械特性 4.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 n异步电动机对启动的要求：n（1）要求异步电动机有足够大的启动转矩。n（2）在满足生

8、产机械能启动的情况下，启动电流越小越好。n（3）启动过程中，平滑性越好对生产机械的冲击就越小；启动设备可靠性越高，电路越简单，操作维护就越方便。 n异步电动机启动的瞬间，由于转子的转速为零，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流，一般启动电流Ist可达额定电流IN的47倍；而启动时由于转子功率因数很低，启动转矩却不大，一般(0.81.5)。n解决这些矛盾，其核心问题就是减小启动电流和增大启动转矩。 4.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法n有直接启动和降压启动 直接启动又称全压启动，就是将电动机的定子绕组接在额定电压下启动。 344stNII启动电流电源总容量额定电流电

9、动机功率定子回路串对称三相电阻或电抗器降压启动定子回路串对称三相电阻或电抗器降压启动 n采用电阻或电抗器降压启动时，若电压下降到额定电压的K倍（K1），则启动电流也下降到直接启动电流的K倍，但启动转矩却下降到直接启动矩的K2倍。这表明串电阻或电抗器降压启动虽然降低了启动电流，但同时启动转矩也大为降低。 星星-三角形降压启动三角形降压启动 n对于电动机正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，在启动时将定子绕组接成星形，这时定子每相绕组上的电压为正常运行时定子每相绕组上的电压的0.58倍，起到了降压的作用；待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程完成而转入正常运行。 n

10、图图4.23 星星-三角形降压启动的原理图三角形降压启动的原理图软启动软启动 n软启动是一种近年来发展起来用于控制鼠笼式异步电动机的全新启动方式。它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机启动控制装置，通过控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同功能的启动方式。由于电动机启动时电压和电流都可以从零连续调节，对电网电压无浪涌冲击，电压波动小，而电动机的转矩亦连续变化，对电动机及机械设备的机械冲击也几乎为零。 4.4.2 线绕式异步电动机的启动方法线绕式异步电动机的启动方法 n逐级切除启动电阻法逐级切除启动电阻法 n转子回路串

11、频敏变阻器法转子回路串频敏变阻器法n频敏变阻器的主要优点是：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的良好启动特性，且结构简单，运行可靠。 4.5三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性 n4.5.1 调压调速调压调速 图图4.28 调压调速时的机械特性调压调速时的机械特性 这种调速方法能够实现无级调速，但当降低电压时，转矩也按电压的平方比例减小，电动机在低速时的机械特性太软，其静差率和运行稳定性往往不能满足生产工艺要求。因此，现代的调压调速系统通常采用速度反馈的闭环控制，以提高低速时机械特性的硬度。从而在满足一定的静差率条件下，获得较宽的调速范围，同时也能保证电动机具有一定的过载能力。 4

12、.5.2 转子电路串电阻调速转子电路串电阻调速 n转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速，不能实现连续平滑调速。随转速降低，特性变软，影响了系统的稳定性。转子电路电阻损耗与转差率成正比，随着串入电阻的增大而增大，低速时损耗大，是一种不经济的调速方法。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转对调速性能要求不高的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。 4.5.3 变极调速变极调速 n变极对数调速就是在电源频率不变的条件下 ，改变电动机的极对数 ，就可以改变电动机的同步转速n0，电动机的转速也变化，从而实现电动机转速的有级调节。 4.5.4 变频调速变频调速 n图图4.29 额定频率额定频率

13、fN以上变频调速的机械特性以上变频调速的机械特性 4.6 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性 n4.6.1 反接制动反接制动 1电源反接制动 图图4.30 电源反接时反接制动的机械特性电源反接时反接制动的机械特性 电源反接时会在转子回路中感电源反接时会在转子回路中感应出很大的电流，为了限制转应出很大的电流，为了限制转子电流，对鼠笼型异步电动机子电流，对鼠笼型异步电动机可在定子电路中串接电阻；对可在定子电路中串接电阻；对线绕型异步电动机可在转子电线绕型异步电动机可在转子电路中串接电阻，限制电流的同路中串接电阻，限制电流的同时增大制动转矩时增大制动转矩 n2. 倒拉反接制动 图图4.

14、31 倒拉反接制动时的机械特性倒拉反接制动时的机械特性 在重物下降过程中，重物下降时减小的位能转化为电动机轴上的机械功率，机械功率通过电动机转化为电功率，电动机把转化的电功率及从电源吸收的电功率均消耗在线绕型异步电动机转子所串电阻上。 异步电动机的转速高于它的同步速度，即nn0 ，S0，转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时相反，转子电流的方向也发生了变化，电动机的转矩变为与转速方向相反，电动机处于制动状态，这种制动称为回馈制动。这时电动机处于发电机运行状态，把系统的机械能转化为电能，一部分消耗在转子回路的电阻上，剩余的大部分电能则反馈回电网。 4.6.2 回馈制动回馈制动 图图4.32 重物

15、下放时回馈制动机械特性重物下放时回馈制动机械特性 图图4.33 变极调速时回馈制动机械特性变极调速时回馈制动机械特性 4.6.3 能耗制动能耗制动 异步电动机正在运行时，把定子绕组从三相交流电源上断开，将其中两相绕组接到直流电源上，就构成了能耗制动 图图4.34 异步电动机能耗制动时的电路图及机械特性异步电动机能耗制动时的电路图及机械特性（a）电路图 （b）机械特性 4.7单相异步电动机单相异步电动机 n4.7.1 单相异步电动机结构和工作原理单相异步电动机结构和工作原理 1. 单相异步电动机的结构 单相异步电动机的转子通常做成笼型结构，定子的铁芯也是由硅钢片叠压而成，定子铁芯内有定子工作绕组。 n而单相绕组通以单相交流电流时产生的磁场是脉动的，并不旋转，因此单相异步电动机在通电后没有启动转矩。 2. 单相异步电动机的工作原理 图图4.36 单相异步电动机单相绕单相异步电动机单相绕组时的机械特性组时的机械特性 （1）当转速n=0（S=1）时，电磁转矩为零，（2）n0时T0, n0时T0,因而这时电动机的电磁转矩为拖动转矩，可以拖