第5章 异步电机

第五章异步电机,本章章节,5.1概述5.2三相异步电动机的运行原理5.3三相异步电动机的运行特性5.4三相异步电动机的启动与调速5.5单相异步电动机5.6特殊用途的异步电机,异步电机(也叫感应电机)是一种定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转接的交流旋转电机。异步电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。对于异步电机的研究先说明空载和负载时三相感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出异步电动机的基本方程和等效电路，接着分析它的运行特性和启动、调速问题。,主要研究内容,异步电动机的特点及应用,应用：广泛，主要作电动机使用。如：机床；水泵；家用电器；优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和较好的工作特性。缺点：目前尚不能在较大范围内平滑调速，其必须从电网吸受滞后的无功功率，增加了线损。,5.1概述,5.1.1基本类型和基本结构按相数分（针对定子绕组上的电枢电源）：单相（并非指电枢只有一相绕组，且转子均为笼型）三相（转子有笼型和绕线式两种）。按结构分类笼型异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的启动，调速等性能。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,一、定子机座机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁芯紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,定子铁芯定子铁芯是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁芯常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁芯内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,定子绕组定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或形。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,二、转子转轴其作用是固定转子铁芯和传递机械功率。为保证其强度和刚度，转轴一般由低碳钢或合金钢制成。转子铁芯是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁芯材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,转子绕组笼型转子绕组在转子铁芯的每一个槽中，插有一根裸铜导条，并在转子铁芯两端槽口外用两个端环将全部导条短接，形成一个自身闭合的多相绕组。中、小型异步电动机还常采用铸铝型转子。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,转子绕组绕线式转子绕组转子铁芯槽中，嵌放着三相对称绕组，采用星形接法，即三相绕组的末端连在一起，三个首端分别接到转子轴上三个彼此绝缘的滑环上。转子绕组通过滑环和电刷可外串电阻以改善异步电动机的启动和调速性能。,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,与笼型转子相比较，绕线式转子造价高，制造工艺和维修较复杂。因此，仅用于要求启动转矩大，启动电流小和需要调速的场合。为了减小电刷磨损和摩擦损耗，绕线式异步电动机一般还装有提刷短路装置，在电动机启动完毕而不需调速时，可将电刷提起并同时将3个滑环短接。转子绕组通过滑环和电刷可外串电阻以改善异步电动机的启动和调速性能。,5.1.1基本类型和基本结构,绕组式三相异步电动机接线示意图,5.1.1基本类型和基本结构,5.1.1基本类型和基本结构,三、气隙定转子之间的间隙，很小，0.2-1.5mm，对电机的性能影响很大。为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小，但气隙太小可能造成定、转子在运行中发生磨檫。,理论基础：,5.1.2基本工作原理,三相异步电动机工作原理图,动态效果图,5.1.2基本工作原理,基本电磁过程：定子三相对称绕组通三相对称电流旋转磁场，n1转子导体切割磁力线产生感应电势产生转子电流转子导体受电磁力作用形成转矩转子同向转动，n。转差率,5.1.2基本工作原理,说明：nn1，否则，不可能产生感应电势。由于nn1，所以称之为异步电机。转子转速n除与电网频率有关外，还随负载的变化而变动。转差率s是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。,5.1.2基本工作原理,异步电机的三种工作状态,5.1.2基本工作原理,启动瞬间，n=0，s=1理想空载运行时：n=n1，s=0作为电动机运行时，s的范围在01之间。转差率一般很小，s=0.010.06。制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s1发电运行时，n高于同步转速n1，sR2,R2上R2下由于趋肤效应，X2下X2上故I2上I2下，上笼cos2大，Tst大正常运行时：f2=sf1,R2X2由于R2上R2下,故I2下I2上，此时漏抗X2小，cos2，Tem,5.4.1异步电动机的启动,5.4.1异步电动机的启动,优点：较大的Tst和较小Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。双笼型异步电动机的启动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。,四、采用绕线式异步电动机对于需要在重载下启动的生产机械或需要频繁启动的电力拖动系统，不仅要限制启动电流，而且还要有足够大的启动转矩。在这种情况下，必须采用绕线式异步电动机。启动方法：转子回路串电阻分级启动转子回路串频敏变阻器启动,5.4.1异步电动机的启动,1.转子回路串电阻分级起动,5.4.1异步电动机的启动,一般取最大加速转矩T1=(0.70.85)Tm，切换转矩T2=(1.11.2)TN,5.4.1异步电动机的启动,1.转子回路串电阻分级起动只要转子回路串的电阻合适，既可以减小启动电流，又能提高启动转矩。为什么？Tst=CmmI2cos2R,I2,m,R,cos2,I2cos2,Tst=CmmI2cos2,2.转子回路串频敏变阻器启动,频敏变阻器的铁芯由几片或十几片3050mm厚的钢板或铸铁板组成。频敏变阻器的等值电路与变压器空载时的等值电路相似。,5.4.1异步电动机的启动,Rm,工作原理：刚启动时，f2f1，f2较高，铁耗较大，其等效电阻Rm也很大，此时相当于在转子回路中串入一个较大的电阻。随着转速的升高，f2变低，铁耗减小，使Rm减小，相当于随转速的升高自动减小启动电阻值；当转速接近额定值时，f2极低，所以Rm很小，相当于将启动电阻全部切除。此时应把电刷提起且将三只滑环短接，起动过程结束。,5.4.1异步电动机的启动,5.4.2异步电动机的制动,制动方法：机械制动：加抱闸。电磁制动：电磁转矩与转速方向相反，电动机就工作在电磁制动状态。在此状态下，电动机转轴从外部吸收机械功率转而转换成电功率。,5.4.2异步电动机的制动,一、反接制动1、转速反向的反接制动（正接反转）属于下放重物这种情况。,5.4.2异步电动机的制动,由机械特性方程式可得如下特性曲线：,电动机启动转矩与负载转矩反方向，且TLTst，在TL作用下，电动机反向加速在A点达到平衡。,5.4.2异步电动机的制动,2、两相反接的反接制动（反接正转）,5.4.2异步电动机的制动,注意：反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成I2上升，引起I1上升。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。对于以上两种反接制动，s1，则：,说明电机从转轴上吸收的机械功率和从电网上吸收的电磁功率全部消耗在转子回路里。,二、反向回馈制动是在位能性负载作用下电动机转速大于同步转速，重物以高于同步转速的速度下放。,5.4.2异步电动机的制动,5.4.2异步电动机的制动,三、能耗制动停车时，断开交流电源，接至直流电源上，转子由于惯性继续转动，转子绕组中感应电势、电流，产生制动转矩。转子将动能变成电能消耗在转子电阻上，直至动能消耗完，转子停转。,负载不变时，人为地改变电动机的转速，称为调速。要求：电动机具有几种转速；在一定的范围内可以连续调速。调速的方法：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电源的频率f1；（3）改变电动机的转差率s。,5.4.3异步电动机的调速,一、变极调速由nn1=60f1/p知：n1/pp为整数，故变极调速不能实现平滑调速。变极调速只适用于笼型异步电动机。变极调速常用的方法是单绕组变极调速，即在定子铁芯中装一套绕组，通过改变定子绕组的连接方式，使部分绕组中电流的方向改变，来实现电动机的磁极对数和转速的改变。,5.4.3异步电动机的调速,以一台4/2极的双速电动机为例,p=2,p=1,5.4.3异步电动机的调速,单绕组双速电机：一套定子绕组具备两种极对数而得到两个不同同步转速；三速或四速电机：定子内放两套独立的绕组；,5.4.3异步电动机的调速,5.4.3异步电动机的调速,实际工程中，一般三相绕组之间的联接有两种方式，一种是Y/YY，即低速时接为Y，高速时接为YY。如下图。此接法适用于恒转矩变极调速。,另一种是/YY，即低速时接为，高速时接为YY。如下图。此接法适用于恒功率变极调速。,5.4.3异步电动机的调速,在相邻两相之间的空间相位角在高速时为120，则在改变为低速接法时，由于极数增加一倍，空间相位角变为240，也就是说，在改变后，三相之间的相序将改变，为了在改变转速后电动机转向不变，因而在改接的同时，应将任意两个出线端互换。,5.4.3异步电动机的调速,二、变频调速属无级光滑调速此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器（AC-DC)、逆变器(DC-AC)等组成）。,5.4.3异步电动机的调速,5.4.3异步电动机的调速,单一调频，U1不变，f1mTem(Tmax)电机得不到充分利用；f1m磁路过饱和，励磁电流cos1，pFem保持不变，调f1同时，调U1。,5.4.3异步电动机的调速,1、恒转矩调速电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有，则若令电压随频率作正比变化：，则主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。,5.4.3异步电动机的调速,2、恒功率调速电机变频调速前后它的电磁功率相等，即1）若主磁通不变：2）若过载能力不变：，主磁通发生变化；优点：调速范围广，平滑性好。缺点：价格比较贵。,三、转子回路串电阻调速适用于绕线式电动机。串电阻前后保持转子电流不变，则有：；保持不变，即属于恒转矩调速。优点：简单、可靠、价格便宜；缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速，即在转子回路中串一个与转子同频率的Ead。,5.4.3异步电动机的调速,四、改变定子端电压调速适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。,5.4.3异步电动机的调速,电源接有大的单相负载或发生两相短路；定子三相绕组中一相断线，一相接地或发生匝间短路，都将引起电网三相电压不对称。单相异步电动机只需要单相交流电源供电，其分析方法与三相异步电动机在不对称电压下运行时的分析方法基本相同。,5.5单相异步电动机,5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行,由于三相异步电动机的不对称运行是电压不对称所引起，因此可用对称分量法将不对称电压分解成对称分量。接法Y型但无中线引出，则无零序电流；若接成D，由于三相线电压之和为零，则零序电流也为零。因此只需分析正序和负序分量，即：,5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行,正序电压分量作用在电动机上的等效电路如下：,异步电动机在正序电压作用下定转子绕组产生正序电流产生一个以同步速n1旋转的正序旋转磁场正向电磁转矩；,5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行,负序电压分量作用在电动机上的等效电路如下：,异步电动机在负序电压作用下定转子绕组产生负序电流产生一个以同步速n1旋转的反序旋转磁场反向电磁转矩。,5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行,合成电磁转矩为：Tem=Tem+Tem-实际电流为：缺点：三相定子绕组流有三相不对称电流，产生椭圆形旋转磁场幅值时大时小转速时大时小电机振动转速不均和电磁噪音。负序阻抗近似等于短路阻抗，不大的负序电压会产生较大的负序电流，引起电机过热。,以一相断线为例，分析其发生的后果。三相异步电动机的定子绕组接线有Y和两种接法。一相断线可分成4种情况。其中图(a)、(b)、(c)为单相运行，图(d)为两相运行。,异步电动机的缺相运行,(a)(b)(c)(d),当异步电动机在断线前为额定负载运行，缺相后，如果这时电动机的最大转矩仍大于负载转矩，则电动机还能继续运行，由于电动机的负载不变，定子电流会超过额定值，转速会下降，噪音会增大，长时间运行会烧坏电机。如果电动机的最大转矩小于负载转矩，这时电动机的转子会停转，由于这时电源电压仍加在电机上，定、转子电流将很大，如果不及时切断电源，将有可能烧毁运行相的定子绕组。,异步电动机的缺相运行,单相、三相等是从电源的角度考虑，并非是从绕组角度考虑，故单相电动机并非只有一相绕组。单相异步电动机广泛用于小于1kW或只有单相电源的场合。其结构和三相笼型异步电动机相似，其转子也为笼型。,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,一、工作原理（单绕组异步电动机）,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。,设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为对反转磁场而言，转差率s-为,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,单相异步电动机的特点：转子静止时，合成转矩为0，即单相异步电动机无启动转矩。正推正转、反推反转。当s1时，Tem0，且Tem无固定方向，取决于s的正负。由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,二、启动方法单绕组异步电动机不能自行启动，常采用裂相的方法启动。裂相又称分相，即在定子上另装一套启动绕组，使之与工作绕组在空间上互差90电角度，当电动机转速达到同步转速的7080%时切除启动绕组。,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,1.电容启动单相异步电动机,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,启动绕组与电容C串联后和工作绕组并联接在同一电源上。启动时，利用电容分相，使I1与I2有相位差，产生旋转磁动势，若电容与绕组参数匹配恰当，使I1与I2相位差90，启动时可获得圆形旋转磁动势，因而有较好的启动性能。该电机的启动绕组是按短时运行设计的，因此，当转速升到75%80%同步转速时，由离心开关把启动绕组从电源断开，故实际运行时只有工作绕组接在电源上。适用：洗衣机、电扇、空调，从几十瓦到几千瓦。,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,2.电阻启动电动机启动绕组不是串电容，而是串电阻来分相。由于启动绕组与工作绕组中电流的相位差较小，因此，电阻启动电动机的启动转矩较小，只适用于比较容易启动的场合。适用：电冰箱，几瓦到几百瓦。注意：R既可是单个电阻，又可将绕组线变细得到。,5.5.2单相电容（电阻）启动异步电动机,3.电容运转单相异步电动机在电容启动电动机的基础上去掉离心开关S，把启动绕组按连续方式设计长期运行，不切除串有电容器的启动绕组，就成了电容运行电动机。它的运行性能、启动特性、过载能力都比电容启动电动机好，功率因数也高。,洗衣机单相电容运转电动机的正反转,5.5.2单相电容（电阻）动启异步电动机,4.电容启动运转单相异步电动机由于电动机工作时比启动时所需的电容量小