交流异步电机及其控制

3.1 三相异步电动机的结构与铭牌 2课时 3.2 三相异步电动机的工作原理 4课时 3.3 三相异步电动机的电路分析 2课时 3.4 三相异步电动机的工作特性 2课时 3.5 三相异步电动机的起动 2课时 3.6 三相异步电动机的调速 2课时 3.7 三相异步电动机的制动 2课时 3.8 单相异步电动机 4课时,第三章 三相异步电动机,第三章 三相异步电动机,第三章 三相异步电动机,3.1 三相异步电动机的结构与铭牌,第三章 三相异步电动机,电动机的分类：,一、 三相异步电动机概述,第三章 三相异步电动机,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。容量从几十瓦到几千千瓦，由于其结构简单、体积小、重量轻、效率较高，不仅在工业生产中使用非常广泛，在农业方面也大都是用异步电动机来拖动的。据统计，在整个电能消耗中，电动机的耗能占总电能的65%左右，而在整个电动机的耗能中，三相异步电动机又居首位。随着变频技术的发展，三相异步电动机的平滑调速性能越来越凸显其优势，三相异步电动机将在更多的领域代替直流电动机的应用。,一、 三相异步电动机概述,第三章 三相异步电动机,三相异步电动机结构分类,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,三相异步电动机主要由定子部分、转子部分、气隙及其它附件构成。,1定子部分,（1）定子铁心导磁部分 定子铁心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，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。,（2）定子绕组放在定子铁心内圆槽内导电部分 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。,（3）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心紧贴机座内壁，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。,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,（1）定子铁心的结构,二、 三相异步电动机的结构,定子铁心,定子冲片,定子冲片,第三章 三相异步电动机,（2）定子绕组,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,（3）定子机座,二、 三相异步电动机的结构,定子机座,定子机座,第三章 三相异步电动机,转子部分,（1）转子铁心 转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁心材料也用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。,（2）转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。 2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,2、转子部分 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,（1）转子铁心,二、 三相异步电动机的结构,绕线型转子铁心,笼型转子铁心,第三章 三相异步电动机,（2）转子绕组,二、 三相异步电动机的结构,三相绕线式 转子绕组结 构示意图,鼠笼型转子绕组结构示意图,第三章 三相异步电动机,绕线式转子 实物图片,碳刷,二、 三相异步电动机的结构,3、气隙 异步电动机的气隙是均匀的，大小为机械条件所能允许达到的最小值。异步电机气隙比同容量的直流电动机气隙小得多，在中小型异步电机中，约为0.20.5mm。,第三章 三相异步电动机,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,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。,鼠笼式电动机与绕线式电动机的比较：,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,1) 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,异步电动机产品名称代号,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,2)接法,定子三相绕组的联接方法:,通常,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,5) 功率与效率,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。,6) 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)。,二、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,7) 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 0.7 0.9。空载时功率因数更低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。,8) 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,二、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,3.2 三相异步电动机的工作原理,第三章 三相异步电动机,3.2 三相异步电动机的工作原理,一.异步电动机转动演示,点击演示,第三章 三相异步电动机,定子三相对称绕组通入对称三相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,电流方向规定,()电流出,()电流入,当三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（动画1，动画2）,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,三相电流合成磁场的分布情况,A,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,由以上分析可知：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360,2.旋转磁场的旋转方向,结论： 旋转磁场的方向取决于三相电流的相序，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,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：P=1,3.旋转磁场的极对数P,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,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。,结论：旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,4.旋转磁场的转速,p=1时,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,p=2时,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,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,三.三相异步电动机转动原理,1、转动原理,第三章 三相异步电动机,转动原理,电生磁,磁生电,产生电磁力,旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流,三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,转子载流体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,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n=n0,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,2. 转差率,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,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=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。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=1000 r/min , 即,p=3,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,3.3 三相异步电动机的电路分析,一、定子绕组各物理量二、转子绕组各物理量三、三相异步电机的空载运行四、三相异步电动机的负载运行五、三相异步电动机的等效电路六、三相异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,异步电动机：旋转磁场切割导体 e U1 E1= 4.44 f 1N1,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f 1= 电源频率 f,一、定子电路各物理量,1)旋转磁场的磁通,2)定子感应电势的频率 f1,第三章 三相异步电动机,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,所以转子感应电势频率 f 2:,所以定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,异步电机运行时,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,二、转子电路各物理量,1）转子感应电势频率 f 2,第三章 三相异步电动机,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2最高，且 E2 最大，有,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时的感应电势,即E2= s E20,转子转动时的感应电势,当转速 n = 0(s =1)时， f 2最高，且 X2 最大，有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,2）转子感应电动势E 2,3)转子感抗X 2,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,4)转子绕组的感应电流I2,5) 转子电路的功率因数 cos2,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,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。,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,1）空载电流,2）感应电动势,三、三相异步电机的空载运行,第三章 三相异步电动机,与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,同样也有：,根据上两式，可以作出空载时等效电路。,3）电压平衡方程与等效电路,三、三相异步电机的空载运行,第三章 三相异步电动机,根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,1）电动势平衡方程,四、三相异步电机的负载运行,第三章 三相异步电动机,物理意义：定子电流一部分为励磁电流，另一部分为负载电流，负载电流的作用是抵消转子电流所产生的磁场效应。,2）基本方程式,异步电动机的电流比,四、三相异步电机的负载运行,第三章 三相异步电动机,2）基本方程式,四、三相异步电机的负载运行,下图为异步电机负载运行时的等效电路，根据此等效电路，可以进行频率及绕组各物理量的折算。折算时要求不改变转子磁动势以及功率关系。频率归算后，就将旋转的电机等效为转子静止时的状态。,第三章 三相异步电动机,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。,在折算的过程中，要保持电机的电磁效应不变，所以要保证：一保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。,转子回路电流,五、三相异步电动机的等效电路,1）频率折算,第三章 三相异步电动机,实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的”电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,绕组折算后的基本方程,五、三相异步电动机的等效电路,2）绕组折算,第三章 三相异步电动机,3、T型等效电路和简化等效电路,由基本方程可以作出等效电路:,T型等效电路,简化等效电路,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；,4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,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。,变压器： 变化 e U1 E1=4.44 f N1 异步电机： 旋转 e U1 E1=4.44 f N1,1)磁通与电势的对比,通过上面的分析，我们可以得出结论：三相异步电动机的电磁关系与变压器类似:,六、异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,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。异步电机：当负载增加时，转子电流增大 增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。,（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。,2)原副边电流关系对比,3) 三相异步电动机与变压器的不同之处,六、异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,3.4 三相异步电动机的工作特性,一、电磁转矩二、功率平衡与转矩平衡方程三、固有机械特性四、人为机械特性五、异步电机拖动系统稳定运行分析六、三相异步电机转矩与转差率的关系,第三章 三相异步电动机,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,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,由此得电磁转矩公式,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T , 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。, 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。,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,异步电动机的功率和损耗有：,1）功率平衡,输入功率,定子铁损,电磁功率,机械功率,输出功率,定子铜损,转子铜损,二、功率平衡和转矩平衡 方程,第三章 三相异步电动机,在等效电路上表示功率和损耗：,二、功率平衡和转矩平衡方程,功率流程图,三相异步电机等效电路,第三章 三相异步电动机,2）转矩平衡,即,或,电磁转矩,在式 的两边同时除以机械角速度 得,电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。,二、功率平衡和转矩平衡方程,第三章 三相异步电动机,根据转矩公式,可得特性曲线：,三、固有机械特性曲线,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,第三章 三相异步电动机,电动机在额定负载时的转矩。,1）额定转矩TN,额定转矩,(N m),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,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,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,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,当 U1 一定时，Tmax为定值,过载系数,一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,1)降压时的人为机械特性,下降后, 和 均下降, 但 不变, 和 减少。,如果电机在定额负载下运行, 下降后, 下降, 增大, 转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,四、人为机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,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。 ,2) 转子绕组串电阻的人为机械特性,第三章 三相异步电动机,或,根据上式可分析电动机的工作状态如下：,由上面的分析可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰，系统的平衡状态将被打破。,五、异步电机拖动系统的稳定运行分析,电机运行于直线段：当负载发生变化时，由电磁转矩公式可知：,第三章 三相异步电动机,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。,此过程中， n 、sE2 , I2 I1 电源提供的功率自动增加。,电机稳定运行区段,五、异步电机拖动系统的稳定运行分析,第三章 三相异步电动机,若在曲线段运行：,所以电动机运行于曲线段时不能稳定运行,电动机的稳定运行的条件,五、异步电机拖动系统的稳定运行分析,第三章 三相异步电动机,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。,电动机的稳定运行的区段,五、异步电机拖动系统的稳定运行分析,1）2）由简化等效电路图可知：,第三章 三相异步电动机,六、三相异步电机转矩与转差率的关系,第三章 三相异步电动机,六、三相异步电机转矩与转差率的关系,由1）与2）可得到电机转矩与转差率的关系曲线,第三章 三相异步电动机,3.6 三相异步电动机的起动,一、三相异步电动机的起动性能二、三相异步电动机的起动方法三、例题,第三章 三相异步电动机,起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。,1）起动电流大的原因,起动时, ,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.,2）起动转矩不大的原因,起动时, ,远大于运行时的 ,转子漏抗 很大, 很低,尽管 很大,但 并不大.,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小。由上述两个原因使得起动转矩不大.,一、三相异步电动机的起动性能,后果,第三章 三相异步电动机,直接起动小容量异步电动机一般可以直接起动。,(2) 降压起动：,星形-三角形(Y ) 换接起动,自耦降压起动,（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）,二、三相异步电机起动方法,可以直接起动的条件：起动电流倍数,容量比较大的异步电动机必须要采取以下的起动方法。,第三章 三相异步电动机,1、降压起动,Y 换 接起动,降压起动时的电流为直接起动时的1/3,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,静触点,Y 起动器接线简图,Y 换 接起动,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,Y 起动器接线简图,Y起动,二、异步电机起动方法,Y 换 接起动,第三章 三相异步电动机,Y 起动器接线简图, 工作,二、异步电机起动方法,Y 换 接起动,第三章 三相异步电动机,Y- 起动法 适用场合,适用于正常运行时为三角形联结的电机,结论：Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,起动电流与起动转矩,Y 换 接起动,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,直接起动时的起动电流：,降压后二次侧起动电流：,变压器一次侧电流：,电网提供的起动电流减小倍数：,起动转矩减小的倍数：,自耦变压器一般有三个分接头可供选用。,(2) 自耦变压器降压起动,自耦降压起动原理图,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,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。,适用场合：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。,自耦降压起 动接线图,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,2.绕线式电动机转子串电阻起动,原理示意图,接线示意图,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,电动机由a点开始起动，经bcdef gh，完成起动过程。,转子回路串电 阻起动过程,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,转子回路串电阻起动特点,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。,适用场所：常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,二、三相异步电机起动方法,第三章 三相异步电动机,1),解:,例1：一台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 。,三、例题,第三章 三相异步电动机,2）由nN=1480r/min，可知 p=2,3）,三、例题,第三章 三相异步电动机,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 = 551.8Nm 510.2 N. m,(2) Ist =7IN=784.2=589.4 A,在U= 0.9UN 时,例2:,三、例题,第三章 三相异步电动机,在80%额定负载时,在50%额定负载时,(3),三、例题,第三章 三相异步电动机,例3：对例2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。,三、例题,第三章 三相异步电动机,结论：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,三、例题,第三章 三相异步电动机,一、调速概述二、三相异步电动机调速方法三、变频调速四、变极调速六、变转差率调速,3.6 三相异步电动机的调速,直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。,第三章 三相异步电动机,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，交流调速主要沿下述三个方向发展和应用。,一、调速概述,1）节能调速,风机、水泵等机械总量几乎占工业电气传动总容量的一半。以前依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，使许多电能被白白浪费掉了。如果换成交流调速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。,第三章 三相异步电动机,交流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高，其静、动态性能完全可以和直流调速的性能相媲美。可用于轧机、造纸机等要求调速性能较高的场合。,2）高性能交流调速系统,3）特大容量、极高转速的交流调速系统,直流电机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。,一、调速概述,第三章 三相异步电动机,变频器具有卓越的调速性能与显著的节能作用,作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。,二、三相异步电机的调速方法,变转差率调速,变极调速,变频调速,一、变频调速,第三章 三相异步电动机,频率调节范围：0.5几百赫兹,根据,三、变频调速,变频器,第三章 三相异步电动机,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，电机出力不足；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。,三、变频调速,第三章 三相异步电动机,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。,变频调速的机械特性,三、变频调速,第三章 三相异步电动机,四、变极调速,第三章 三相异步电动机,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。,缺点：有级调速。,四、变极调速,变极调速只用于笼型电动机。,第三章 三相异步电动机,五、变转差率调速,改变定子电压调速,绕线式电机转子外串电阻调速,电磁转差离合器调速,第三章 三相异步电动机,改变电动机的电压时，机械特性为：,调压调速,调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。,五、变转差率调速,第三章 三相异步电动机,转子回路串电阻调速需于典型的变转差率调速。优点：调速方法简单、设备简单投资少。缺点：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。,五、变转差率调速,串电阻调速,第三章 三相异步电动机,3.7 三相异步电动机的制动,一、三相异步电动机的能耗制动二、三相异步电动机的反接制动四、三相异步电动机的反馈制动,电动机自由停车时间较长，随惯性大小而不同，而某些生产机械要求迅速、准确地停车，这就使得必须采用快速、可靠的制动方式。,第三章 三相异步电动机,制动方法,第三章 三相异步电动机,一、三相异步电动机的能耗制动,制动时， 三相绕组脱离三相电源， 由直流电流流过定子绕组，在气隙中形成恒定磁场。,过程分析：,由于惯性， 转子仍以n速度旋转。,转子旋转，切割磁力线,感应电势,感应电流,产生电磁力,制动转矩,在制动转矩和负载转矩共同作用下， 转子减速至n0。,能耗制动可使反抗性负载准确停机， 使位能性负载匀速下放。,直流励磁电流产生一个恒定的磁场,制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。,第三章 三相异步电动机,能耗制动示意图,一、三相异步电动机的能耗制动,第三章 三相异步电动机,1） 转向反向的反接制动（正接反转）,重物下放时，TZ与转速n方向一致。稳态时， 电磁转矩TTZ， 方向与n相反。,从机械特性分析：,二、三相异步电动机的反接制动,第三章 三相异步电动机,转差率：,等效电阻：,机械功率吸收机械功率,电能从定子传向转子,全部消耗在电阻上,二、三相异步电动机的反接制动,第三章 三相异步电动机,2） 两相对调反接制动,电机原运行于电动状态，两相对调后， 气隙磁密立即反向， 以-n1转速旋转； 电机机械特性从1到2；,两种反接制动， 均有S1。区别： 前者由负载提供机械功率 后者由整个转动部分提供储能。,二、三相异步电动机的反接制动,第三章 三相异步电动机,两相对调反接制动示意图,2） 两相对调反接制动,二、三相异步电动机的反接制动,第三章 三相异步电动机,3）发电反馈制动,n n0,三、三相异步电动机的反馈制动,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。,第三章 三相异步电动机,3.8 单相异步电动机,一、单相异步电动机的结构二、单相异步电动机的工作原理三、电容分相式异步电动机四、罩极式异步电动机五、单相异步电动机的调速,在单相交流电源下工作的电动机称为单相电动机。按其工作原理、结构和转速等的不同可分为三大类，即单相异步电动机、单相同步电动机和单相串励电动机。 单相异步电动机是接单相交流电源运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛应用于家用电器、电动工具、医疗器械等方面，在工、农业生产及其他领域中，单相异步电动机的应用也越来越广泛。如台扇、吊扇、电冰箱、吸尘器、洗衣机、电钻、小型鼓风机、医疗器械等均需要单相异步电动机驱动。,第三章 三相异步电动机,一、单相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,一、单相异步电动机的结构,水泵电动机,电风扇电动机,电容运行台扇电动机结构,电容运行吊扇电动机结构,第三章 三相异步电动机,1定子结构,（1）定子铁心 定子铁心大多用0.35mm硅钢片冲槽后叠压而成，片与片之间涂有绝缘漆，槽形一般为半闭口槽，槽内则用以嵌放定子绕组，如图所示。 定子铁心的作用是作为磁通的通路。,（2）定子绕组 单相异步电动机定子绕组采用两相绕组的形式，即定子上有两相绕组，在空间互差900电角度，一相为主绕组，又称为运行绕组；另一相为副绕组，又称起动绕组。两相绕组的槽数和绕组匝数可以相同，也可以不同，视不同种类的电动机而定。定子绕组的作用是通入交流电，在定、转子及空气隙中形成旋转磁场。,（3）机座与端盖 机座一般由铸铁、铸铝或钢板制成，其作用是固定定子铁心，并借助两端端盖与转子连成一个整体，使转轴上输出机械能。单相异步电动机机座通常有开启式、防护式和封闭式等几种。,一、单相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,2转子结构,（1）转子铁心 转子铁心用0.35mm硅钢片冲槽后叠压而成，槽内置放转子绕组，最后将铁心及绕组整体压入转轴。,（2）转子绕组 单相异步电动机的转子绕组均采用笼型结构，一般均用铝或铝合金压力铸造而成。,（3）转轴 用碳钢或合金钢加工而成，轴上压装转子铁心，两端压上轴承，常用的有滚动轴承和含油滑动轴承。,一、单相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,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，将无法获得所需的起动转矩。,定子,定子 绕组,转子,二、 单相异步电动机的工作原理,第三章 三相异步电动机,定子绕组产生的脉动磁场，可用正、反两个旋转磁场合成来等效。即,二、 单相异步电动机的工作原理,第三章 三相异步电动机,二、 单相异步电动机的工作原理,正反向旋转磁场的合成转矩特性,第三章 三相异步电动机,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不同。,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕组 BB ,两个绕组在空间相隔90。起动时， BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,三、 电容分相式异步电动机,三、 电容分相式异步电动机,第三章 三相异步电动机,设两相电流为,两相电流,波形如图所示:,起动绕组,工作绕组,三、 电容分相式异步电动机,第三章 三相异步电动机,两相旋转磁场,三、 电容分相式异步电动机,第三章 三相异步电动机,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，可使单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与B绕 组 串联，电流 iB较iA超前近90；当将S切 换到位置2，电容C与A绕组串联，电流 iA 较iB 超前近90。这样就改变了旋转 磁场的转向，从而实现电动机的反转。,电动机转子转动起来后，利用离心力将开关S断开(S是离心开关)，使起动绕组BB断电。,电容分相式异步电动机正反转电路,三、 电容分相式异步电动机,第三章 三相异步电动机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),四、罩极式单相异步电动机,罩极式单相异步电动机结构示意图,第三章 三相异步电动机,当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场， 使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。,四、罩极式单相异步电动机,第三章 三相异步电动机,单相异步电动机的调速原理可以用改变电源频率（变频调 速）、改变电源电压（调压调速）和改变绕组的磁极对数（变 极调速）等多种。 其中目前使用最普遍的是改变电源电压调速。 调压调速有两个特点：一是电源电压只能从额定电压往下