2三相异步电动机原理异步电动机智能控制硬件设计

1、2 三相异步电动机原理分析2.1 异步电动机的损耗分析异步电动机在运行中产生的各种损耗，根据GB755电机基本技术要求中规定，将异步电动机损耗划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。2.1.1 恒定损耗 恒定损耗是指异步电动机运行时固有损耗， 它与电动机材料、 制造工艺、 结 构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。恒定损耗包括铁心损耗（含空载 杂散损耗）及机械损耗。（ 1）铁心损耗铁心损耗 PFe （含空载杂散损耗 ）亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所 引起的涡流损耗和磁滞损耗。 异步电动机在正常运行时， 转差率很小， 转子铁心 中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒 13周，故异步电动机铁耗

2、主要为定子 铁心损耗。铁耗大小取决于组成电动机的铁心材料性能、 频率及磁通密度， 包括磁滞损 失和涡流损失，它是铁芯在磁场中受交变磁化作用产生的。PFe kf1.3B2式中，k为常数；f 为电源频率；B 为磁通密度；由于 BE1 U 1式中， 为磁通量；Ei为定子绕组的感应电动势；Ui为定子绕组的相电压。空载杂散损耗 Ps 。是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖 等金属中产生的损耗， 一般空载电流近似不变， 因此这些损耗也是恒定的。 铁耗 一般占异步电动机总损耗的 2025。（2）机械损耗机械损耗p通常包括通风系统损耗P及轴承摩擦损耗Pt ,绕线式转子还有 电刷摩擦损耗。通风系统的

3、风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率。P 9.81-HV kV3式中，H为风扇有效压力;V为气体流量；为风扇效率。可见，合理的选用冷却风扇所用材料及合理的风道设计等可降低通风系统损 耗。轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。对于滚动轴承，轴承摩擦损耗一般形式为:Pt 9.81G s式中，G为轴承承受的负荷;为轴径线速度;为摩擦系数机械损耗一般占总损耗的10% 50%,电动机容量越大，由于通风损耗变大, 在总损耗中比重也增大。2.1.2负载损耗负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦称铜损。铜损失包括定子铜损失 PCu1和转子铜损失凡Fcu2。

4、它们是由定子电流和转子电流流过定子、转子绕组而产生的2Pcu1 3Ii Ri式中，R1为定子每相电阻；I1为定子每相电流；PCu2 SPe式中，S为转差率；Pe为电磁功率。2.1.3杂散损耗电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失由于齿磁通在转 子旋转时发生脉动而产生的，通常称为脉动损失或表面损失。近似认为铁杂 损失与外加电压的平方成正比。铜杂损失是由于高次谐波磁势的影响产生的。 近似认为铜杂损失与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。杂散损失部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应电动机来说，铜 杂损失是主要的，约占电动机杂散损耗的 70%90%.感应电动机杂散损失在总损失中占的比例

5、很小。在小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载下杂散损失可达输出功率的1%3%，在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的5%。2.1.4总损失（P ）图1-1感应电动机的功率图图中，R为输入功率；P为机械功率;P2为输出功率。电动机的总损失 P由定子铜损失Pcu1、转子铜损失Pcu2、铁损失PFe、机械损失Pfw和杂散损失Ps组成。即：PPCu1PCu2PFePfwPS2.2 /Y转换的工作特性转换丫后是否节能的核心问题是施加到定子每相绕组上的电压u，降为接时的1/ 3，使得电动机的铁损PFe、降低为接时的1/3,同时电动机 的定子铜损与转子铜损根据负载变化而变化。所以电动机总的损耗是增加还

6、 是减少，则需根据负载而定。电动机的工作特性，是指在电网电压 U =380V,频率f =50Hz时，电动机在接和丫接两种状态下定子电流Ii、功率因数COS，效率 与负载率 的关系。其中：P2/ Pn1.6式中的Pn为额定功率。下面对 /Y转换时各项关系分别进行分析。2.2.111与关系分析三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示：图1-2三相交流异步电动机的定子一相等效电路图中，X1为定子每相绕组的电抗；R2为转子相电阻的折算值；X2为转子相电抗的折算值；Rm为激磁电阻；Xm为激磁电抗；丨2为转子电流的折算值；-为激磁电流。当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率S0, R2/S

7、fK, 转子相当于开路。此时转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流。即:1 m 1 0I 11 01 2式中，Io为定子空载电流。式1.8可表示为图1-3的矢量图。分析电动机由接转换为丫接运行时，定子电流Ii，随负载的变化情况， 则需分析定子空载电流Io和转子折算电流丨2随负载变化的情况。空载电流Io一方面，电动机的电势平衡条件为：Ui Ei Ii(Ri jXJ1.9因为Ri、Xi很小，故可以认为，当电动机由接转换为 丫接运行时， 定子每相绕组上感应的主电势 Ei将近似地随Ui的降低而降为接时的 1/ 3。由：E14.44 fw1kc m1.10式中，Wi为定子每相绕组串联的匝数；kc为绕

8、组系数；m为定子绕组 回路的磁通最大值。可见，对于某一在用的电动机， 丫接时的m也将近似的降为接时的1/.3。一般说来，设计电动机时选取B值在磁化曲线的拐角处，因而，当电 动机由接转换为丫接运行时，定子每相绕组的空载相电流将降为接时的 1/ .3还要低一些。综上所述，当电动机由接转换为丫接运行时，空载线电流将降为接 时的1/3。转子折算电流12由电动机的近似等效电路得：I2 Uj 1.11(Ri R2)2 (X1 X2)2由式1.11可见，电动机由接转换为丫接时，一方面U1的降低会使丨2减小，另一方面S的增大会使I?增大。一般说来，负载很轻时，丨2是降低的；随着负载的增大，S明显增大，I2呈上

9、升趋势。根据上述内容，定子电流I1与B的关系分析如下:1009080706030403020/rA/A/L/rV10L1 一 一.人02040 6U100图1-4 接和丫接状态下h /I n与 的关系曲线图1-4为电动机在丫接时以及接时的I1与 关系曲线。电动机在空载情况下，丫接时的空载线电流近似等于接时的1/3。轻载时，由于Io起主要作用，同时I 2尚未增加或增加不大，这就使得丫接时的I 1明显低于接时的Il当负载增大到一定程度(大约 70%)时，由于电动机依靠增大转差率S 来提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态，导致 12随着S的增大值超 过了空载电流Io的减少值，使得Y接时的Ii大于

10、接时的Ii。2.2.2 COS与关系分析电动机的功率因数与其端电压及负载率之间存在如下关系 ：COS ncos 13(Ki Ku)2(1/21)(3 Ku)21.12式中，Ku为电动机的调压系数，Ku U,Un( Un和分别为电动机额定工况和降压运行时的实际电压)；电动机在丫接时，Ku 1/ 3Ki为电动机的空载电流系数。K1 Io/In1.13式中，Io为电动机的空载电流；In为电动机的额定电流 特定的电动机，其空载电流系数 K1为定值。图1-5为电动机在接和丫接状态下COS与 的关系曲线，由图可知, Y接的COS 要高于接的COS。223 /Y转换时与关系分析电动机的效率与其端电压及转差率

11、之间存在如下关系SNCOS nKU s cos1.14式中，Sn为电动机额定工况时的转差率S为电动机降压运行时的转差率；N为电动机额定工况时的效率；为电动机降压运行时的效率。考虑到转差率与功率因数随负载的变化， 得出电动机在接和丫接状态下n与B的关系曲线如图1-6所示。由关系曲线分析可知：当 40%时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，一丫切换后电动机转矩也随之下降而小于负载转矩，电动机只有依靠增大转差率，提高电 磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。由于此时转差率增大，导致2随着 S的增大值超过了空载电流I0的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜 损PCu1和转子铜损PCu2的增大值超过铁损

12、PFe的下降值，致使电动机的效率 下降。2.3异步电动机的功率关系当异步电动机以转速n稳定运行时，输入功率为P ；P 3U1I1 cos 1式中：U1定子相电压;I1定子相电流； cos 1定子边功率因数 定子铜损耗为：Pcu1 31 1 R1式中：R定子相电阻正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁 场与转子铁心的相对转速很小，故磁滞损耗小。转子铁心和定予铁心同样是用 O. 5m厚的硅钢片（大、中型异步电动机还涂漆）叠压而成，故涡流损耗也不大。 因此转子铁损耗很小，所以电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即：PFe PFe1 3 mRm式中：PFe电动机铁损；PFel定

13、子铁损；Im励磁电流;Rm励磁电阻进行频率规算和绕组规算后，得到异步电动机的 T型等效T电路，如图2. 1所 示：图2 . 1交流异步电动机 T型等效电路图从等效电路可见，异步电动机从电源输入的电功率 Pi，其中一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗Pcui，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗 PFe，余下 的大部分功率将借助于气隙旋转磁场的作用，从定予通过气隙传送到转子，这部 分功率称为电磁功率，用P表示。写成方程有：Fe R PCu1 PFe电磁功率也可以表示为：R m1E112 cos 2 mJ 22 氏其中，cos 2为转子的内功率因数,引 22R2arctanX2R2s转子铜损耗Pc

14、u为：如前所述，转子铁耗一般可以略去不计，因此，从传到转子的电磁功率Pe中扣除转子铜损FCu2后，可得转换为机械能的总机械功率(即转换功率)P，即:P Pe PCu2 mjj JR2s用电磁功率表示时，上式亦可改写成，氐2 sPP (1 S)P上式说明：传送到转子的电磁功率 Pe中，s部分变为转子铜耗，(1 一s)部 分转换为机械功率。由于转子铜耗等于 SP，所以它亦称为转差功率。从P中再扣除转子的机械损耗P和杂散损耗P，可得转子轴上输出的机械 功率P2，即:P2 P (P P )异步电动机功率流程图如图所示Px厲尻图异步电动机功率流程图从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、

15、损耗和机械功率 三者之间的定量关系是：R : Pcu2 : P 1: s: (1 s)上式说明，若电磁功率一定，转差率s越小，转子回路铜损耗越小，机械功 率越大。2.4异步电动机输入电压、电流之间的关系当异步电动机以某一转速nx ,给定频率为fx)拖动某一负载t时，定子电压Ui 的大小对定子电流I1的影响，即I1 f (U1) 首先假定：(1) 异步电动机的给定频率fx不变；(2) 负载转矩Tl不变。2.4.1 Te恒定的充要条件Te CT m12 COS 2式中，Ct转矩常熟，且CTpm2N2 kw2 0上式说明，电磁转矩与气息主磁通m和转子电流有功分量I 2 COS 2成正比。如忽略COS

16、 2的微小变化不计，则保持T COSSt的充分和必要条件是：ml 2 constm由励磁电流Im产生，可以粗略的认为，只要m小于铁心饱和点时的磁通mA， m的增大或减小，将同时引起Im和丨2的变化，从而也必将影响J的大小。242磁通m与电流I2、丨0和I1的关系分析(1) m对丨2的影响设a为磁通变化系数，则有：m a mA磁通的变化量m为:m a mA mAmA1)由式推得，这时I2为:I 2Aa式中：i2A是mA时转子电流。由转子电流I 2得变化量 J为:I212A |1 21 aI2-a一般认为，m是和Im成正比的，所以Im 3 I 0A变化量：I mI0A(a1)(2)m对Im的影响式中：lA是 mmA 时励磁电流当铁心饱和后，当 m增加 m时，Im的变化量 5将是很大的(3)m对Il的影响m减小(mmA)，这时，3 1，铁心没有饱和。由式和式可知I2的增大的比例比 m和Io减小的比例大。此外，Im通常只有定子额定电流IlN的10%20%左右，比12小的多，所以I2Io由式Ii I2 Im，Ii也将增加。(4) Ii f(Uj