电机及驱动技术1课件

1、第四章第四章 三相异步电动机的基本原理三相异步电动机的基本原理4.1 三相异步电动机的基本工作原理与结构三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.1 基本结构基本结构主要有定子、转子及其它辅助零部件构成。主要有定子、转子及其它辅助零部件构成。定子的铁芯由硅钢片叠成，并在内圆上冲有槽，槽中嵌放线圈。定子的铁芯由硅钢片叠成，并在内圆上冲有槽，槽中嵌放线圈。转子同样由硅钢片叠放而成，外圆上冲有槽，槽中所嵌线圈有转子同样由硅钢片叠放而成，外圆上冲有槽，槽中所嵌线圈有两种情况：两种情况：鼠笼转子鼠笼转子 绕线转子绕线转子另外转子与定子之间还有气隙存在，气隙越小越好，实际上由另外转子与定子之间还有气隙存在

2、，气隙越小越好，实际上由于机械加工及其它条件所限，气隙不能太小，一般中小型电机于机械加工及其它条件所限，气隙不能太小，一般中小型电机0.21.5mm。交流电动机结构照片4.1.2 基本工作原理基本工作原理1、原理、原理定子铁芯中嵌有三相绕组定子铁芯中嵌有三相绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2。三相绕组。三相绕组中通入三相交流电时会产生旋转磁场，该磁场的速度为同步中通入三相交流电时会产生旋转磁场，该磁场的速度为同步转速转速n1 。由右手定则可以得出转子中感生电流方向，又左手定则可以由右手定则可以得出转子中感生电流方向，又左手定则可以得出转子受力方向，从而得出转子旋转方向。得出转子受力方向，从

3、而得出转子旋转方向。 相当于转子向该方向切割磁力向相当于转子向该方向切割磁力向转子在旋转磁场的拖动下运转转子在旋转磁场的拖动下运转若转子转速若转子转速 n与同步转速与同步转速 n1相同，即相同，即n =n1则不会有切割磁力线效果，也就不会在转子中产生感则不会有切割磁力线效果，也就不会在转子中产生感生电动势及电流，转子便不能转动，因此异步电机工作的生电动势及电流，转子便不能转动，因此异步电机工作的必要条件是必要条件是n n0, 0S1 发电机运行状态发电机运行状态转子的转动为外部机械动力驱动，且转速转子的转动为外部机械动力驱动，且转速n n1，方向与，方向与n1同向，此时电磁转矩成为制动转矩。同

4、向，此时电磁转矩成为制动转矩。011nnnS 电磁制动电磁制动在电源作用下旋转磁场为在电源作用下旋转磁场为n1，外部机械拖动转子以，外部机械拖动转子以n旋转，旋转，方向与方向与n1相反。此时电磁转矩为制动转矩，电源输入的能量相反。此时电磁转矩为制动转矩，电源输入的能量与外部机械能在电机内部变为热能。与外部机械能在电机内部变为热能。由于由于n 与与n1方向相反，所以为方向相反，所以为“”。故：故： 电动情况下：电动情况下： 0nn1; -S0 制动情况下：制动情况下： n11)(1111nnnnnnS4.1.3 电机的铭牌和主要系列电机的铭牌和主要系列1.铭牌：标有电机的主要技术参数铭牌：标有电

5、机的主要技术参数型号：型号：Y表示异步电机表示异步电机 YR表示绕线转子异步电机表示绕线转子异步电机 Y180L8 异步电动机，中心高异步电动机，中心高180mm，长机座，长机座 8极极（同步转速（同步转速750rpm） 2.额定值额定值 额定电压：额定电压：UN正常工作状态下电机定子绕组上的正常工作状态下电机定子绕组上的线电压线电压值值V,KV 额定电流额定电流:I IN额定状态下运行时的额定状态下运行时的线电流线电流A，kA额定功率：额定功率：PN额定状态下，转子轴上输出的机械功率额定状态下，转子轴上输出的机械功率kW，W对于三相交流电机：对于三相交流电机：N额定效率额定效率cosN电机额

6、定功率因数电机额定功率因数当当N cosN=0.8时：时： I IN2PN 即我们通常所说的一个千瓦两个电流。即我们通常所说的一个千瓦两个电流。kWIUPNNNNN310cos3额定频率：额定频率：fNHz额定转速：额定转速：nNrpm2级电机：级电机： 同步转速同步转速 3000rpm4级电机：级电机： 同步转速同步转速 1500rpm6级电机：级电机： 同步转速同步转速 1000rpm8级电机：级电机： 同步转速同步转速 750rpmP极对数（即极数极对数（即极数/2）3、接线、接线分为分为和和Y形两种接法，若标定为形两种接法，若标定为220/380V /Y则表示则表示220 V时为时为接

7、法，接法，380V时为时为Y形接法。形接法。 pfn1160 Y形连接形连接 形连接形连接 4、防护等级：以、防护等级：以IP表示防护等级，后跟两位数字，第一位表示防护等级，后跟两位数字，第一位表示防尘的等级表示防尘的等级06（7级），第二位表示防水等级级），第二位表示防水等级08（9级）。如级）。如IP45， IP68等等4.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性4.2.1描述在一定条件下电动机的转速描述在一定条件下电动机的转速n与电磁转矩与电磁转矩Tem之间之间的关系的关系 即即n=f(Tem)。由于。由于n=（1-s）n1 所以机械特性也用所以机械特性也用Tem= f(S)

8、的形式表示，简称的形式表示，简称T-S曲线。曲线。 一、机械特性的物理表达式一、机械特性的物理表达式2315cos1122wTmTemkpNCICTCT异步电动机的电磁转矩系数异步电动机的电磁转矩系数M异步电动机的每极磁通异步电动机的每极磁通I2转子相电流折算值（转子相电流折算到定子上的电流值）转子相电流折算值（转子相电流折算到定子上的电流值）cos2转子电路的功率因数转子电路的功率因数Kw1基波电动势绕组系数基波电动势绕组系数35.)/(/cos25.)/(2 222222 22222XsRsRXsREIE2：折算到定子上的转子电动势：折算到定子上的转子电动势R2：折算到定子上的转子每相电阻

9、：折算到定子上的转子每相电阻X2：折算到定子上的转子漏抗：折算到定子上的转子漏抗（下标为（下标为“1”的参数表示定子参数）的参数表示定子参数）该式直接表达了电磁转矩该式直接表达了电磁转矩Tem与转差率与转差率s的关系，由此可以得的关系，由此可以得出特性曲线。出特性曲线。二、特性曲线二、特性曲线45.)()/(/3222122 212211XXsRRsRUfpTem同步转速点同步转速点最大转矩点起动点额定工作点第一象限中第一象限中nn1，T0为电动运行方式。为电动运行方式。第二象限中第二象限中n n1，T0为发电运行方式。为发电运行方式。Sm临界转差率，临界转差率，sm0.2在电动运行状态下：在

10、电动运行状态下：0 s sm时，时，s增加，增加，T也增加。也增加。S=Sm时时T达到最大值达到最大值Tm S=Sm后，增加后，增加S，电磁转矩反而减小。，电磁转矩反而减小。总结：总结：当电机参数及电源频率不变时，当电机参数及电源频率不变时，Tm与电源电压的平方成正与电源电压的平方成正比，但比，但sm与与U1无关。无关。改变转子电阻可以改变产生最大转矩改变转子电阻可以改变产生最大转矩Tm时的转差率时的转差率仅对仅对绕线式转子异步电机有用。绕线式转子异步电机有用。发电发电电动电动制动制动为了保证电机寿命，不能使电机长期工作在为了保证电机寿命，不能使电机长期工作在Tm上。即实际上。即实际工作点工作

11、点TN应小于应小于Tm ，所以电机都具备一定的过载能力。过，所以电机都具备一定的过载能力。过载能力以载能力以KT表示：表示：一般电动机一般电动机KT=1.6 2.2；起重、冶金机械；起重、冶金机械 KT=2.2 2.84.2.2 起动转矩起动转矩S=1 （n=0）时的转矩称为起动转矩。）时的转矩称为起动转矩。 75.NmTTTK85.)()(3222122 212211XXRRRUfpTst可见：可见：1、起动转矩、起动转矩Tst仅与电机本身的参数及电源电压有关，与电仅与电机本身的参数及电源电压有关，与电机所带的负载无关。机所带的负载无关。2、对三相绕线转子异步电动机来说，在一定范围内增大转、

12、对三相绕线转子异步电动机来说，在一定范围内增大转子电阻（转子电路外接电阻），可以增大起动转矩。子电阻（转子电路外接电阻），可以增大起动转矩。3、对三相鼠笼式异步电动机，转子不能外接电阻，在额定、对三相鼠笼式异步电动机，转子不能外接电阻，在额定电压下电压下Tst是恒值。是恒值。4、将、将Tst与与TN的比称为起动转矩倍数的比称为起动转矩倍数Kst 。只有当。只有当Kst 1时时电机才能起动。电机才能起动。NststTTK4.2.3 稳定运行范围稳定运行范围对于恒转矩负载，可以判定可以平衡稳定地工作与对于恒转矩负载，可以判定可以平衡稳定地工作与A点，而在点，而在B点则可以平衡，但不稳定。点则可以平

13、衡，但不稳定。固对恒转矩负载固对恒转矩负载a b段为稳定运行区，段为稳定运行区，b c段为非稳定运行区。段为非稳定运行区。对于风机类负载则可以在对于风机类负载则可以在C点平衡稳定运行，故而风机类负载点平衡稳定运行，故而风机类负载可以在整条曲线上平衡稳定运行。可以在整条曲线上平衡稳定运行。4.2.4 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性1、固有机械特性：异步电动机在额定电压和频率下，按规、固有机械特性：异步电动机在额定电压和频率下，按规定接线方式接线；定子、转子外接电阻为定接线方式接线；定子、转子外接电阻为0时的转速与电磁时的转速与电磁转矩转矩T的关系曲线。的关系曲线。2、人为机

14、械特性：人为地改变电动机参数或电源参数而得、人为机械特性：人为地改变电动机参数或电源参数而得到的机械特性。到的机械特性。 降低定子电压时的人为机械特性降低定子电压时的人为机械特性 TemU12 当电机在某一负载下运行时，降低电压将使电机转速降低，当电机在某一负载下运行时，降低电压将使电机转速降低，转差率转差率s增大；增大；s增大会导致转子电动势的增加，而电流会因增大会导致转子电动势的增加，而电流会因此而增大，引起定子电流增加。长期如此会使电机寿命受影此而增大，引起定子电流增加。长期如此会使电机寿命受影响（温升）。响（温升）。 转子电路中串入对称电阻转子电路中串入对称电阻这种方式只适合于绕线转子

15、电动机。这种方式只适合于绕线转子电动机。串入电阻后串入电阻后Tm不变不变n1也不变，也不变，Sm随电阻随电阻Rad的增加而增加，的增加而增加，若电阻若电阻Rad选择合适可以使选择合适可以使S=Sm=1，则有：则有：Tst=Tm。此时若再增加此时若再增加Rad则则Tst反而会减小。反而会减小。 定子电路中串接电阻或电抗的人为特性定子电路中串接电阻或电抗的人为特性 定子电路中分别接入对称的电抗定子电路中分别接入对称的电抗Xst，则随着则随着Xst的增加的增加Tm、Tst及及Sm会减小。会减小。多用于降压起动的情况，限制起动电流。多用于降压起动的情况，限制起动电流。 改变电源频率的人为特性改变电源频

16、率的人为特性 工作频率从额定频率向下调工作频率从额定频率向下调公式：公式：变形：变形：因此：因此：f1 mm增加，导致磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数降低，增加，导致磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数降低，铁心损耗增加，所以电机发热增加。铁心损耗增加，所以电机发热增加。避免的方法：降低电源电压。避免的方法：降低电源电压。194.44. 411111mwkNfEU145 .44. 444. 411111111wwmkNfUkNfE常数pLLRpfXXRnsnnnmmm60)(260212121211nm最大转矩最大转矩Tm时的转速降。为常数表示特性线为平行。时的转速降。为常数表示特性线为平行。

17、)(43221211121XXRRfpUTm忽略忽略R1 :21121121221121)()()(83143fUfULLpXXfpUTm由此，忽略由此，忽略R1时时U1/f1为常数时，为常数时，Tm也为常数。也为常数。f1较低时较低时R1造造成的误差不可忽略，此时会造成成的误差不可忽略，此时会造成Tm减小。减小。 工作频率从额定频率向上调工作频率从额定频率向上调由于定子电压不能超过额定值，即由于定子电压不能超过额定值，即U1=UN1，故随着，故随着f1增加增加m会减小。亦即：会减小。亦即： f1 m由由可见，随着可见，随着f1的增加，最大转矩的增加，最大转矩Tm会减小。会减小。结论：结论：1

18、、同步转速、同步转速n1f1，机械特性曲线的斜率不变。，机械特性曲线的斜率不变。2、频率接近额定频率且小于额定频率时可以保证、频率接近额定频率且小于额定频率时可以保证Tm不变，不变，频率高于额定频率时频率高于额定频率时Tm减小；频率低于额定频率较多时减小；频率低于额定频率较多时Tm同样减小。同样减小。211212)()(83fULLpTNm论述题论述题1、鼠笼式三相异步电动机为何能转动？、鼠笼式三相异步电动机为何能转动？2、鼠笼式三相异步电动机工作时转子绕组中有无、鼠笼式三相异步电动机工作时转子绕组中有无电流？电流？3、电磁转矩在、电磁转矩在S为什么值时达到最大值？为什么值时达到最大值？4、S

19、m与电源电压有什么关系？与电源电压有什么关系？4.3 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动 三相异步电动机的启动指的是电机的转子由静止开始加速到三相异步电动机的启动指的是电机的转子由静止开始加速到额定转速的过程。额定转速的过程。 为避免电流冲击的问题，起动过程应满足如下要求：为避免电流冲击的问题，起动过程应满足如下要求： 起动电流小（减少对电网的冲击）。起动电流小（减少对电网的冲击）。 起动转矩大（缩短起动时间）。起动转矩大（缩短起动时间）。 起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便。起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便。 起动过程的能量损耗越小越好。起动过程的能量损耗越小越好。4.3

20、.1异步电动机的固有起动特性异步电动机的固有起动特性 4.3.1异步电动机的固有起动特性异步电动机的固有起动特性 将笼型或绕线转子异步电动机直接接入电源起动，而不将笼型或绕线转子异步电动机直接接入电源起动，而不采取任何措施，这样的起动特性称为固有起动特性。主要指采取任何措施，这样的起动特性称为固有起动特性。主要指的是起动电流和起动转矩。的是起动电流和起动转矩。 异步电动机在起动时转差率异步电动机在起动时转差率S=1（n=0）此时电流却很大，）此时电流却很大，约为额定电流的约为额定电流的57倍，可此时的转矩却不大，通常约为额倍，可此时的转矩却不大，通常约为额定转矩的定转矩的0.91.3倍（有些电

21、机会大些）。倍（有些电机会大些）。起动电流大，起动转矩不大的原因主要有：起动电流大，起动转矩不大的原因主要有：起动时功率因数低起动时功率因数低起动电流大，定子漏阻抗压降大，使定子电动式起动电流大，定子漏阻抗压降大，使定子电动式E1减小，减小，所以磁通所以磁通减小。减小。 改善起动特性：改善起动特性： 绕线转子异步电动机：转子回路串接电阻。绕线转子异步电动机：转子回路串接电阻。 笼型异步电动机：对转子作适当改进笼型异步电动机：对转子作适当改进深槽式电动机，双笼深槽式电动机，双笼型电动机。型电动机。4.3.2 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动分为直接起动和减压起动两种方法分为直接起动和减压

22、起动两种方法 1、直接起动、直接起动也称全压起动，适合于小容量电机的起动。在一般电网容量也称全压起动，适合于小容量电机的起动。在一般电网容量下，下，7.5kw以下的电动机可认为是小容量电动机，对电网容以下的电动机可认为是小容量电动机，对电网容量大的情况下，较大功率的电动机也可以直接起动。量大的情况下，较大功率的电动机也可以直接起动。通常要求起动电流引起的电网压降通常要求起动电流引起的电网压降10%15%线路电压。线路电压。185.kWkVA3411）起动电机容量（）电源容量（NstII直接起动时起动电流倍数：直接起动时起动电流倍数： 起动转矩倍数：起动转矩倍数：直接起动应满足的条件为：直接起动

23、应满足的条件为： 16-.5. 751NstIIIk175 .3 . 19 . 0NststTTk2、减压起动、减压起动对于不适合直接起动的情况只能采用降低电压的方式来限制对于不适合直接起动的情况只能采用降低电压的方式来限制电流，由于电流，由于Tem与与U1成正比，所以这种方法只适合于空载或成正比，所以这种方法只适合于空载或轻载起动的情况。轻载起动的情况。 定子电路串电阻或电抗器减压起动定子电路串电阻或电抗器减压起动 起动线路起动线路 起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩 设加在电子绕组上的电压为设加在电子绕组上的电压为U 1并令并令令：令：直接起动时：直接起动时： 11UUN221221)(

24、)(xxrrUINstszxxrr221221)()(sNstzUI减压起动时：减压起动时：同理可以得出：同理可以得出：可见降压起动时电流减为全压时的可见降压起动时电流减为全压时的1/，而起动转矩减为全，而起动转矩减为全压时的压时的1/2。 自耦变压器减压起动自耦变压器减压起动 起动线路起动线路 205 .1stsNsstIzUzUI215 .2ststTT1212NNUU起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩设自耦变压器的电压比为设自耦变压器的电压比为k,则则 直接起动电流直接起动电流电网起动电流为：电网起动电流为：kUU12sstzUI1ssskzUzkUzUI1122212211kIzUk

25、kIIIstsstI2为减压启动情况下的定子电流21kIIstst起动电流的减小倍数为：起动电流的减小倍数为：同理起动转矩的减小倍数为：同理起动转矩的减小倍数为：自耦变压器启动适用于容量较大的电动机的起动，一般用于自耦变压器启动适用于容量较大的电动机的起动，一般用于10kw以上的电机起动以上的电机起动 。(3) Y起动起动 这种方法适用于电机工作于这种方法适用于电机工作于方式下的情况。起动时改为方式下的情况。起动时改为Y形联接形联接 .22121)(kUUTTstst起动线路起动线路起动时采用起动时采用Y形接法所以每相的电压为形接法所以每相的电压为 . 起动结束后转起动结束后转为形接法正常工作

26、。为形接法正常工作。 起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩形接法时电网提供的起动电流形接法时电网提供的起动电流(线电流线电流)为为 :Z定子线圈电抗。定子线圈电抗。则则Y形接法时起动电流：形接法时起动电流：Y形接法时电流减小的倍数为：形接法时电流减小的倍数为：31NU3ststYIIzUINst13313311zUzUIINNststY由于由于Tem正比于正比于U，所以：，所以： Y起动的注意事项：起动的注意事项： 1.适合于空载或轻载起动适合于空载或轻载起动 2.不适合高电压电机（只限于不适合高电压电机（只限于（Rad2）1曲线曲线1、2的直流励磁电流的直流励磁电流不同。（不同。（I If）

27、2 （I If）14.4.2 反接制动反接制动1、反相序反接（电源反接）制动、反相序反接（电源反接）制动任意反接三相中的两相，就可以产生相反的旋转磁场，从而任意反接三相中的两相，就可以产生相反的旋转磁场，从而造成反转的效果。造成反转的效果。在这种制动方式下转差率在这种制动方式下转差率s1电动运行电动运行制动开始制动开始反抗性负载反反抗性负载反向稳定运行点向稳定运行点回馈制动段回馈制动段制动结束点，应切断制动结束点，应切断制动电源制动电源1、倒拉反接制动、倒拉反接制动在这种制动方式下转差率在这种制动方式下转差率s1电动运行点电动运行点KM2闭合闭合制动开始点制动开始点KM2打开打开倒拉稳定运行点

28、倒拉稳定运行点4.5 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 根据公式根据公式可知调速方法有三种可知调速方法有三种改变极对数改变极对数p p改变电源频率改变电源频率f f1 1改变转差率改变转差率S S 4.5.1 变极调速变极调速变极调速即改变极对数变极调速即改变极对数p，只能是电动机的转速成倍数地变，只能是电动机的转速成倍数地变化。化。 245.).1 (60)1 (11spfsnn)1 (601spfn根据公式根据公式当当f1,S为固定时，改变极对数为固定时，改变极对数P进行调速。进行调速。 P 的取值为的取值为1，2，3，4， 1、Y/YY变极调速变极调速 ABCYY形连接形连接极对

29、数为极对数为p/2（p为为Y形形接法时的极对数）接法时的极对数）2、/YY变极调速变极调速ABCYY形连接形连接极对数为极对数为p/2（p为为形形接法时的极对数）接法时的极对数）3、 变极调速时的允许输出变极调速时的允许输出指保持电流为额定值的情况下，调速前后电动机轴上输出转指保持电流为额定值的情况下，调速前后电动机轴上输出转矩和输出功率的变化情况。矩和输出功率的变化情况。1）Y-YY电压电压UN,电流（相）为电流（相）为IN,变极前后的功率因数及效率不变，变极前后的功率因数及效率不变，则：则：Y联接联接 ：YY联接：联接：YYYNNNNYnPTIUP9550cos3YYYYYYYYNNNNYYTnPTPIUP95502cos)2(3因此为恒转矩调速，即：可以保证调速前后的输出转矩不变。因此为恒转矩调速，即：可以保证调速前后的输出转矩不变。对对Y-YY调速有：调速有：n1YY=2n1YTmYY=2TmYTstYY=2TstYsmYY=smYPYY=2PY2）-YY联接联接 ：YY联接：联接：为近似横功率调速。为近似横功率调速。nPTIUPNNNN9550cos)3(3TnPTPIUPYYYYYYNNNNYY58. 0955015. 1cos)2(3对于对于-YY调速有：调速有：n1YY=2n1TmYY=2/3TmTstYY=2/3Tst