三相异步电动机原理

7.1三相异步电动机的构造,第7章交流电动机,7.2三相异步电动机的转动原理,7.3三相异步电动机的电路分析,7.4三相异步电动机转矩与机械特性,7.5三相异步电动机的起动,7.6三相异步电动机的调速,7.7三相异步电动机的制动,7.8三相异步电动机铭牌数据,7.9三相异步电动机的选择,7.11单相异步电动机,7.10同步电动机,1.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。,本章要求：,2.理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的基本方法及调速和制动的方法。,3.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。,第7章交流电动机,电动机的分类：,鼠笼式异步交流电动机授课内容：基本结构、工作原理、机械特性、控制方法,第7章交流电动机,1.定子,7.1三相异步电动机的构造,转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2.转子,鼠笼转子,铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2)绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,7.2三相异步电动机的转动原理,7.2.1旋转磁场,定子三相绕组通入三相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相电流合成磁场的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动画,o,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,2.旋转磁场的旋转方向,结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,动画,任意调换两根电源进线(电路如图),3.旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：,若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,极对数,动画,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,4.旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数p的关系,7.2.2电动机的转动原理,1.转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势E20,电磁力F,7.2.3转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即,p=3,额定转差率为,7.3三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,1)变压器原、副绕组是与同一主磁通相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。,2）变压器：变化eU1E1=4.44fN1,异步机：旋转eU1E1=4.44fN1,3）变压器：I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。,7.3三相异步电动机的电路分析,异步机：当负载增加时，转子电流I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。,三相异步电动机与变压器的不同之处。,1）变压器是静止的。而异步机是旋转的。,2）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。,3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。,7.3.1定子电路,1.旋转磁场的磁通,异步电动机：旋转磁场切割导体e，U1E1=4.44f1N1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以,2.定子感应电势的频率f1,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f1=电源频率f,7.3.2转子电路,1.转子感应电势频率f2,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化,定子感应电势频率f1转子感应电势频率f2,转子感应电势频率f2,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,2.转子感应电动势E2,E2=4.44f2N2=4.44sf1N2,当转速n=0(s=1)时，f2最高，且E2最大，有,E20=4.44f1N2,转子静止时的感应电势,即E2=sE20,转子转动时的感应电势,3.转子感抗X2,当转速n=0(s=1)时，f2最高，且X2最大，有,X20=2f1L2,即X2=sX20,4.转子电流I2,5.转子电路的功率因数cos2,转子绕组的感应电流,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率s有关，即与转速n有关。,7.4三相异步电动机转矩与机械特性,7.4.1转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电机结构有关,旋转磁场每极磁通,转子电流,转子电路的功率因数,由此得电磁转矩公式,由公式可知,电磁转矩公式,1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T,2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。,3.R2的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。,7.4.2机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,动画,动画,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,(Nm),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为,2.最大转矩Tmax,转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当U1一定时，Tmax为定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,4.U1和R2变化对机械特性的影响,(1)U1变化对机械特性的影响,T2,(2)R2变化对机械特性的影响,R2,Tst,n,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,7.5电力拖动的基础,电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动生产机械运转的拖动方式。,7.5.1电力拖动系统的稳定运行分析,根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示的运动方程为：,7.5.1电力拖动系统的稳定运行分析,或,根据上式可分析电动机的工作状态如下：,由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰,电力系统能否稳定运行，决定于电动机的n=f(T)和生产机械的负载转矩特性n=f(TL)的配合。,生产机械的负载类型：,1.恒转矩负载：即负载转矩TL的大小不随n变化。,（1）反抗性恒转矩负载,平衡被打破，转速将发生变化。,特点：负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反,2.恒功率负载：,方向特点属于反抗性负载，大小特点当n变化时，负载从电动机吸收的功率恒定。,如：机床切削加工,（2）位能性恒转矩负载,负载转矩的大小和方向始终不变,如：提升重物时，负载转矩为阻转矩。,如：下放重物时，负载转矩为驱动转矩。,电动机的稳定运行的条件,如拖动恒定负载，在直线段运行,TL,s,TLT,T=TL,n,T,达到新的平衡,若在曲线段运行,不能稳定运行,电动机的稳定运行的条件,H,P,通常称HP段为稳定运行段,通常称HQ段为不稳定运行段,Q,电力拖动的稳定运行的条件，不论对交流电动机还是直流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。,7.6三相异步电动机的起动,7.6.1起动性能,起动问题：起动电流大，起动转矩小。一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的57倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,起动：n=0，s=1,接通电源。,7.6.2起动方法,(1)直接起动二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于鼠笼式电动机）,(3)转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设：电机每相阻抗为,1.降压起动,(1)Y换接起动,降压起动时的电流为直接起动时的,Y起动器接线简图,静触点,Y起动器接线简图,Y起动,Y起动器接线简图,工作,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y-换接起动应注意的问题,(2)自耦降压起动,Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。,Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2Tst,T,O,转子电路串电阻起动的特点,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机正转,电动机反转,三相异步电动机的正、反转,例1:,1),解:,一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。,2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）,3）,解：,在上例中(1)如果负载转矩为510.2Nm,试问在U=UN和U=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,(1)在U=UN时Tst=551.8Nm510.2N.m,不能起动,(2)Ist=7IN=784.2=589.4A,在U=0.9UN时,能起动,例2:,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),例3:,对例8.5.1中的电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist和电动机的起动转矩Tst。,解：,设电动机的起动电压为U，电动机的起动电流为Ist,依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流Ist。,采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的电压与额定电压之比为x，则线路起动电流Ist为,电动机的起动转距Tst为,结论：,概述,7.7三相异步电动机的调速,直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。但在20世纪的大部分时间里，由于直流传动具有优越调速性能，因而高性能可调速传动都采用直流电动机，而不变速传动则采用交流电动机。直到70年代末这种交直流传动按调速分工的格局终于被打破。此后，交流调速系统主要沿下述三个方向发展和应用。,7.7三相异步电动机的调速,1.一般性能的节能调速,在过去大量的不变速调速系统中，风机、水泵等机械总量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是过去交流电动机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，从而使许多电能被白白浪费掉了。如果换成交流调速系统，来调节送风和供水的流量，每台风机、水泵平均可节能20%，效果很可观。,7.7三相异步电动机的调速,2.高性能交流调速系统,过去许多需用直流调速的场合，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，因此如果采用交流调速，其静、动态性能完全可以和直流调速系统的性能相媲美。但目前来讲，其控制系统相比与直流调速系统复杂。可用于轧机、造纸机等要求调速性能较高的场合。,3.特大容量、极高转速的交流调速系统,7.7三相异步电动机的调速,直流电极换向器的换向能力限制了它的容量和转速，而交流电动机则不受这个限制，因此特大容量的传动，如厚板轧机、矿井提升机等和极高转速的传动，都宜采用交流调速为宜。,7.7三相异步电动机的调速,异步电动机的调速方法,7.6.1变频调速(无级调速),变频调速应用最广，可构成高性能的交流调速系统，最具有发展前途。,电力电子和微机控制技术是现代交流调速的物质基础。有了电力电子变流装置，解决了调速装置过去设备多、体积大、成本高等问题，使交流调速得到飞跃的发展。,7.7三相异步电动机的调速,矢量控制的发明，提高了交流调速系统的性能，但其控制电路的设计、制造和调试都很麻烦，采用微机控制后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了可靠性，还可实现更复杂的控制技术。,7.7三相异步电动机的调速,各类电力电子器件,类型,不可控器件,代号,名称,全控器件,半控器件,电流控器件,场控器件,功率集成电路,D,整流二极管（Diode),Th、SCR,晶闸管（Thyristor),BJT,双极型晶体管（BipolarTransistor),GTO,门极关断晶闸管（GateTurn-off),P-MOSFET,电力场效应晶体管,IGBT,绝缘栅双极型晶体管,MCT,场控晶闸管,PIC,功率集成电路,（1）变频调速方法,频率调节范围：0.5几百赫兹,7.7三相异步电动机的调速,根据,1.变频调速原理及其机械特性,而在电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持不变。因为如果磁通减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。,若要求电机在不同转速下都达到额定电流,频率下调时，因为不变，所以转矩T也不变，属于恒转矩调速。,转矩T随磁通变化。,1.变频调速原理及其机械特性,变频调速的优点：具有较硬的机械特性，转速稳定性好，调速范围宽，可实现无级调速。,7.7.2变极调速(有级调速),P=2,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,7.7.3变转差率调速,变转差率调速，绕线式电动机转子回路串电阻。其优点是调速方法简单、设备简单投资少，缺点是能耗较大。轻载时调速范围小。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。对泵类也能应用,R2ITnIT达到新的平衡,T,O,此调速方法属于恒转矩调速,根据,在不变,调速时I=IN，,R2ITnIT达到新的平衡,此调速方法属于恒转矩调速,根据,在不变,调速时I=IN，,此调速方法属于恒转矩调速,7.7.4调速的性能指标,1.调速的技术指标,电动机在额定负载转矩下，能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比。,具体采用的调速方法，要考虑技术和经济指标。如技术指标，调速范围，平滑性，调速时允许的输出。调速的经济指标，调速系统的设备投资、运行中的能量损耗和维修费用等。,1）调速范围D,2）静差率,电动机在一条机械特性上运行，由理想空载到额定负载的转速降nN与理想空载转速n0的百分比。,静差率，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速的变化也越小。,3）调速的平滑性,指相邻两级转速的接近程度，用,4）调速时允许的输出的功率和转矩,是指电动机在保持额定电流的条件下，在调速过程中电动机所能输出的功率和转矩。,采用不同的调速方法时，允许的输出的功率和转矩随转速的变化规律是不同的。,允许输出的最大转矩与转速无关的调速方法为恒转矩调速，允许的输出的最大功率与转速无关的调速方法为恒功率调速。,电动机稳定运行时实际输出的功率和转矩是由负载决定的。负载可分为恒转矩负载和恒功率负载，这就要求调速方法和负载类型相匹配，否则电动机得不到充分利用。,如恒功率负载用恒转矩调速方法。为了使电动机不过载，应保证低速时电动机的转矩满足要求。,则在高速时电动机得不到充分利用。,同理，如恒转矩负载用恒功率调速方法。应保证高速时电动机的转矩满足要求。,则在低速时电动机得不到充分利用。,所以在调速时，应使调速方法适应负载的要求，使电动机既能得到充分利用，又能长期安全运行。,2.经济指标：决定于调速系统的设备投资，能量损耗及维修费用等。,7.8三相异步电动机的制动,7.8.1能耗制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,7.8.2反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,7.8.3发电反馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,nn0,7.9三相异步电动机铭牌数据,1.型号,例如：Y132M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表8.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,异步电动机产品名称代号,2.接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y联结,联结,3.电压,例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用联结。,说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。,4.电流,例如：Y/6.73/11.64A表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。,5.功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。,注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。,6.功率因数,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9。空载时功率因数很低，只有0.20.3。额定负载时，功率因数最高。,7.额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如：nN=1440转/分sN=0.04,8.绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。,7.10.1功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1.对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2.对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,7.10三相异步电动机的选择,7.10.2种类和型式的选择,1.种类的选择,一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。,2.结构型式的选择,根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。,7.10.3电压和转速的选择,根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。,Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。,同步电动机在结构上比异步机复杂，但比直流机简单。和同容量的直流机相比，它具有效率高，过载能力大，体积小，转动惯量小，等优点，并可做到大容量、高电压、高转速。和异步电动机调速系统相比，它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、控制性能好等优点。,7.11同步电动机,同步调速系统的缺点,（1）同步机需在转子侧加一套励磁装置，其维护量增加。,（2）同步机的控制比异步机的复杂。,同步机的定子（电枢）和三相异步电动机的一样；而它的转子是磁极，由直流励磁。,7.10.1同步电动机的工作原理,7.10同步电动机,1.转动原理,定子三相绕组通入三相交流电,若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等。,7.10.2机械特性曲线,根据转速公式,可知，当电源频率一定时，同步电动机的转速是恒定的，不随负载而变。,7.10.3同步机的功率因数调节,7.10.3同步机的功率因数调节,同步电动机电枢等效电路,+,1.同步机的电枢电压平衡方程,+,2.同步机的电磁功率,7.10.3同步机的功率因数调节,2.同步机的电磁功率,由相量图可得：,当负载一定时，P1也一定,设U1不变，则,7.10.3同步机的功率因数调节,设U1不变，则,当改变励磁电流If时，E0随之改变。,所以调节励磁电流可达到调节功率因数的目的。,7.10.4同步机的用途,同步电动机：用于拖动恒速运转的大、中型机械负载。,调相机：实为不带负载的同步电动机，用于改善电网的功率因数。,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。定子绕组中通入单相交流电后,形成脉动磁场，若不采取措施，将无法