第三篇交流电机及拖动

1、第三篇交流电机及拖动第1页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第一节 三相感应电动机的工作原理及结构第二节 三相感应电动机的定子绕组第三节 绕组的感应电动势第四节 绕组的磁动势 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第四章 三相感应电动机的基本原理第2页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第一节 三相感应电动机的工作原理及结构第3页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、三相感应电动机的结构（一）定子部分1、定子铁

2、心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。（二）转子部分1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2、转子绕组： 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。 包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上改装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却。（三）其它部分第4页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第5页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日按转子结

3、构分：绕线型感应电动机笼型感应电动机第6页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日下面是它主要部件的拆分图。 右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。第7页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图第8页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第9页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、三相感应电动机的工作原理U2U1W2V1W1V2n（一）转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载

4、流（有功分量电流）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。第10页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）转差率 转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。转子未转动时，电机理想空载时，作为电动机，转速在范围内变化，转差率在01范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为： 额定运行时，转差率一般在0.020.06之间，即电机转速接近同步转速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：第11页，共125页，2022年

5、，5月20日，12点25分，星期日（一）感应电动机的铭牌数据三、三相感应电动机的铭牌数据及主要系列第12页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日额定值关系有：额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.额定条件下转轴上输出的机械功率。在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.额定运行时电动机的转速.第13页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日绝缘等级决定了电动机的允许温升。绝缘等级 A E B F H C额定温升/ 65 80 90 110 140 140接法用Y或表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的联接方式。对绕线转子感应电动机，则还应有：转子绕组的开路电

6、压指转子接额定电压，转子绕组开路时的转子线电压，单位：V。转子绕组的额定电流单位：A。第14页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日电机上除了以上额定数据外，还表明了电机型号。Y (IP44) 200 L 8感应电机防护形式中心高铁心长度等级极数第15页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二） 三相感应电动机的主要系列 我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。Y系列 为小型笼型全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机

7、、小型起重机、运输机械等。JDO2系列 是小型三相多速感应电动机系列，主要用于各式机床及起重设备。JQ2 和JQO2系列 是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2 是防护式和JQO2是封闭式的。JS系列 是中型防护式三相鼠笼异步电动机。JR系列 是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。JSL2 和JRL2系列 是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2 是鼠笼式，JRL2是绕线式。YR系列 是一种大型三相绕线转子感应电动机系列，主要用于冶金工业和矿山中。第16页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，

8、星期日第二节 三相感应电动机的定子绕组第17页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、三相交流绕组的基本要求和分类（5）绕组用铜量少，性能可靠，制造和检修要方便。 （一）对三相交流绕组的基本要求（1）每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。（2）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。（3）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。（4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。（二）三相交流绕组的分类 按槽内元件边的层数，分为单层和双层绕组。单层绕组又可分为等元件、链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组则分为

9、双层叠绕组和波绕组。单层绕组与双层绕组比较，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此,小容量的电动机中（PN 10kW），一般都采用单层绕组。第18页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）关于交流绕组的一些基本量1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距：2、线圈节距一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。3、电角度第19页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日4、槽距角相邻两个槽之间的电角度：6、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为

10、相带。 每一个极面下每相所占的槽数为5、每极每相槽数第20页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日如图示为：600相带。第21页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。（一）单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。 链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。第22页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期

11、日（二）单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。 交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q1的且为奇数的小型三相异步电动机。第23页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。 同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。第24页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日优点不适宜于大中型电机元件少，结构简单

12、，嵌线方便，槽内无层间绝缘广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组单层绕组为整距绕组缺点电动势和磁动势波形较差铁损和噪声较大起动性能较差三相单层绕组的优缺点第25页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。第26页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 双层绕组的特点：1）线圈数等于槽数；2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3）每相绕组的电动势等于每条

13、支路的电动势。优点可以选择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化端部排列整齐机械强度高可组成较多的并联支路缺点嵌线困难用铜量大第27页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1 V1 W1U1 V1 W1W2 U 2 V2W2 U2 V2D联结Y联结四、外部接线第28页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第三节 绕组的感应电动势第

14、29页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、线圈的感应电动势（一）一根导体的电动势（二）整距绕组的电动势 每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的电动势:电动势频率:电动势大小:电动势波形:随时间变化的波形取决于气隙磁密在空间的分布波形第30页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）短距线圈的电动势每个短距线圈的电动势:称为短距因数：线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣第31页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、线圈组的感应电动势 一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，

15、线圈组电动势为: 若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差电角度,电动势为:称为分布因数:线圈组电动势等于集中线圈组电动势打的一个折扣。称为绕组因数。第32页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、一相绕组的感应电动势 每相绕组的电动势等于每一条并联之路的电动势。一般情况下，每条支路中所串联的机个线圈的电动势的大小相等，相位相同，因此，可以直接相加，可得绕组相电动式的公式。对单层绕组：对双层绕组：第33页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日四、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响对V次谐波：第34页，共125页，2022年，

16、5月20日，12点25分，星期日改善电动势波形的方法:（）采用短距绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波改善主磁极磁场的分布改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波第35页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第四节 绕组的磁动势第36页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、单相绕组的磁动势（一）整距线圈的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得: 忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为: 空间分布为矩形波,随时间按

17、正弦规律变化。变化频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。第37页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:基波磁动势为:基波磁动势最大值为: 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为脉振磁动势。第38页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）整距分布绕组的磁动势 每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：（三）短距分布绕组的磁动势 双层短距分布绕组的基

18、波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：第39页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（四）相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为Ip: 单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉振磁动势。第40页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、三相绕组的磁动势旋转磁动势三相的合成磁动势： 取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参考方

19、向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：可见：三相合成磁动势是一个圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。第41页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V2第42页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日用图解法分析不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的旋转方向决定于绕组中电流的相序，总是从电流超前相转到电流滞后相。如果改变绕组中电流

20、的相序，就可以改变旋转磁动势的转向。第43页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质：(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相。(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上。第44页，共125页，2022年，5月20

21、日，12点25分，星期日第一节 三相感应电动机的空载运行第二节 三相感应电动机的负载运行 第三节 感应电动机的功率和电磁转矩第四节 三相感应电动机的工作特性 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第五章 三相感应电动机的运行原理第45页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第一节 三相感应电动机的空载运行第46页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。第47页，共125页，2

22、022年，5月20日，12点25分，星期日二、空载时的定子电压平衡关系 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。第48页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场。4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大。5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1。第49页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第二节

23、 三相感应电动机的负载运行第50页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、负载运行时的物理情况 负载运行时，电机将以低于同步转速n1的速度n旋转，其转向仍与n1的方向相同，因此，气隙磁场与转子的相对速度为n=n1-n=sn1, n也就是气隙磁场切割转子绕组的速度，于是在转子绕组中感应出电势，产生电流，其频率为 负载运行时，除了定子电流产生一个磁动势外，转子电流也产生一个磁动势，总的磁动势由它们合成，因此必须对转子磁动势要有所了解。（一）转子磁动势的分析 无论是笼型电机还是绕线型转子电机，其转子绕组都是一个对称的多相系统。转子中的电流也一定是一个对称的多相电流。第51页，共

24、125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势。1)幅值2)转向转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。（二）电动势平衡方程式根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：第52页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日其中：（三）磁动势平衡方程式由于定转子磁动势相对静止，因此可以合并成一个磁动势FM 。即： F1+F2=FMFM 也称为励磁磁动

25、势，它产生气隙中的旋转磁场。对上述公式其物理意义如下： 在平衡方程式中，表现出：在转子绕组中通过电流产生磁动势F2的同时，定子绕组中必然要增加一个分量，使这一分量产生磁动势 - F2抵消转子电流产生的磁动势F2，从而保持总磁动势FM不变，显然FM等于空载时的定子磁动势F0。第53页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、相量图 按照基本方程可以作出异步电动机的相量图。第54页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、感应电机的等效电路（一）用静止的转子代替转动的转子频率折算 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

26、子电路有相同的频率。 因为感应电动机定、转子的电动势、电流的频率不相等，所以它们之间不能直接进行运算。 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流第55页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日上述公式说明，进行频率折算后，只要用 代替Rr,就可以保持转子电流的大小不变。而转子电流滞后电动势的角度为：说明频率折算后，转子对定子的影响不变。1-ss由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为 Rr 的等效转子去代替电阻为Rr的实际旋转的转子,等效转子将于实际转子具有相同的转子磁动势。用静止的转子等效转动的转子时，

27、转子上的动能就用消耗在电阻 Rr上的电能来表示了。1-ss第56页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 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。（二）绕组的折算1、电流的折算根据折算前后转子磁动势不变，得：第57页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日2、电压的折算根据折算前后主磁通不变3、阻抗的的折算a)电阻的折算根据折算前后转子铜耗不变即b)电抗的折算根据折算前后电路的功率因数角不变即c)阻抗的

28、折算电压变比第58页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）感应电动机的等效电路经过绕组折算后，感应电机的基本方程可写为：1、基本方程式第59页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日2、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第60页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日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。第61页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（四）感应电机的向量图第62页，共1

29、25页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第三节 感应电动机的功率和电磁转矩第63页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、功率转换过程和功率平衡方程式异步电动机的功率和损耗有：输入功率定子铁损电磁功率定子铜损转子铜损输出功率 P2=P-（p+ps）机械功率 P=Pem-pcu2第64页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日功率平衡方程式P1=Pem+pcu1+pFePem=P +pcu2P =P2+p +Ps两个重要关系式pcu2=sPemP=（1-s）Pem 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变

30、为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。第65页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、转矩平衡方程式3）由电机所拖动的负载的反作用转矩T2。以上公式也可以表示为：当电动机稳定运行时，作用在电动机转子上有三个转矩。1）使电动机旋转的电磁转矩Tem。2）由电机的机械损耗和附加损耗引起的空载制动转矩T0。显然： Tem = T0 + T2 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。第66页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、电磁转矩公

31、式（一）电磁转矩的物理表达式称为转矩常数，对制造好的电机为一定值。第67页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）电磁转矩的参数表达式假定:U1 E2 可得： 第68页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第四节 三相感应电动机的工作特性第69页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日异步电动机的工作特性: 指 时电动机的转速n、定子电流 I1 、功率因数 、电磁转矩Tem、效率等与输出功率P2的关系曲线。 三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步转速n1。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势增大，转子电流增大,以产

32、生大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大。一、转速特性第70页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 空载时,转子电流基本上为零,此时的定子电流就是励磁电流I0,随着负载的增加,转速降低,转子电流增大,定子电流也增大。二、定子电流特性第71页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 已知三相异步电动机运行时必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场,所以它的功率因数永远小于1.空载时,定子侧的功率因数很低,仅为：0.10.2,接近额定负载时,定子电流中的有功电流增加,使功率因数提高,接近负载时,功率因数接近于1。但是如

33、果进一步增大负载,由于转差率的增大,使功率因数角增大,则功率因数减小。三、功率因数特性第72页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 稳定运行时异步电动机的转矩方程为 输出功率 ，所以 ，当电动机空载时，电磁转矩 。随着负载增加， 增大，由于机械角速度变化不大，电磁转矩T的变化近似地认为一条直线。四、转矩特性第73页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日五、效率特性: 空载时， = 0， =0，随着输出功率的增加，效率也在增加。在正常运行范围内因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来叫不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，变化

34、很大，叫可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对中、小型异步电动机，大约 时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。此点对应的条件是：不变损耗等于可变损耗。第74页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第一节 三相感应电动机的机械特性第二节 三相感应电动机的起动第三节 感应电动机的电磁制动第四节 三相感应电动机的调速本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。第六章 三相感应电动机的电力拖动第75页，共125页，2022年，5月20日，12点25

35、分，星期日第一节 三相感应电动机的机械特性第76页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 三相感应电动机的机械特性是指在一定的条件下，电动机的转速n与转矩Tem之间的关系,n = f(Tem) 。一、固有机械特性的分析0S=1S=0HPTemPTMTstTNSmnsAn1感应电动机的固有机械特性曲线如右图：1) H-P部分（转矩由0Tem，转差率由0Sm）。这一部分为电机的稳定工作部分，特性曲线为一条直线。 三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时，n与Tem的关系。第77页，共125页，2022年，

36、5月20日，12点25分，星期日0S=1S=0HPTemPTMTstTNSmnsAn12）PA部分（转矩由 TTst，转差率由Sm1）。在这部分随着转矩的减小，转速也减小，特性为一曲线。称为电机的非工作部分。有几个特殊点需要分析一下。（一）理想空载点H 此时n=n1,s=0,电磁转矩Tem=0，转子电流I2=0，定子电流I1=I0。（二）最大转矩点P此时s=sm,Tem=Tm。第78页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令 求得: 最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:2、 越大， 越大； 与 无关。1、 与

37、 成正比； 与 无关。3、 和 都近似与漏抗成反比一般电机的为:1.62.2，它反映了电机短时过载的极限。第79页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）起动点 A0S=1S=0HPTemTMTstTNSmnsAn1P此时，n=0,s=1,电磁转矩Tm=Tst。公式为：结论：当其它参数一定时1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4、起动转矩倍数第80页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而

38、得到的机械特性。（一）降低定子电压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 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。第81页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）转子回路中串接对称电阻时的人为机械特性串电阻后, 、 不变， 增大。在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻， 减小。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有改变电源频率、

39、极对数等人为机械特性。1 0TstTmTems n0n1smR2TstsmR2+Rs由以下公式可知：第82页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、机械特性的实用表达式 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式。利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：第83页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第二节 三相感应电动机的起动第84页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 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

40、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从下述公式分析 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.第85页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、三相笼型转子感应电动机的起动（一）直接起动可以直接起动的条件：起动电流倍数 直接起动也叫全压起动，启动时，电机定子绕组承受额定电压。这种起动方法最简单，也不需要复杂的起动

41、设备，但起动电流大一般可达到额定电流的47倍，对电机的稳定运行不利。一般只允许在小功率电机中（PN7.5KW）使用。（二）降压起动1、电阻降压或电抗降压起动 降压起动的目的是限制起动电流，通过起动设备使定子绕组承受的电压小于额定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。第86页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日若起动电压降为原先的 ，起动电流减为原先的 起动转矩为全压时的 。这种起动方法能耗较多，已被其他方法取代。第87页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日2、自耦补偿起动自耦补偿起动利用自耦变压器来

42、降低定子电压以实现减小启动电流的目的。自耦补偿起动适用于中小容量电机。若起动电压降为原先的 ，起动电流减为原先的 起动转矩为全压时的 。第88页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日3、Y 起动若起动电压降为原先的 ，起动电流减为原先的 起动转矩为全压时的 。这种起动操作方便，设备简单，应用广泛。适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时 Y接；运行时接。第89页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（三）深槽式及双笼型电动机 从笼型电机来看，采用直接起动，电流太大；采用降压起动虽然可以减小起动电流，但起动转矩相应减小。为了解决这一矛盾，人们从

43、笼型电机的转子槽形着手，利用集肤效应来达到启动时转子电阻较大，正常运行时电阻自动变小的要求。1、深槽式感应电动机 深槽式电机转子槽形深而窄，当转子导条中有电流通过时，磁通如图：第90页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 可见，槽底的漏磁通要比槽口的多，越靠近槽口的比槽底的小，对电流来说，槽底电流小而槽口的大。这种效应成为集肤效应，也叫挤流效应。 当起动完毕，当电机正常运行时，由于转子电流频率很低，转子漏电抗很小，集肤效应基本消失，导条内电流分布均匀，电阻自动变小。第91页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日2、双笼型感应电机双笼型感应电机的转子上有

44、两套笼，如图：1是上笼为起动笼，2是下笼，运行笼。第92页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、三相绕线型感应电动机的起动（一）转子回路串电阻起动 在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。 为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。第93页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 电动机由a点开始起动，经bcdef gh，完成起动过程。起动过程第94页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）转子串接频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电

45、抗器。 起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。起动时, ,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻 大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着 上升, 减小,铁损减少,等效电阻 减小,相当于逐渐切除 ,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。 第95页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第三节 感应电动机的电磁制动第96页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、能耗制动实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁

46、场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。 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97页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 。 对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 。制动电阻大小： 其中，曲线1、2是转子电阻相同，曲线2的直流励磁大于曲线1。曲线1、3是直流励磁相同，曲线3的转子电阻大于曲线1。第98页，共125页，2022年，5月20日，12点

47、25分，星期日二、反接制动 反接制动过程: 处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。 反接制动过程中，电动机电源相序为负序。如右图所示:（一）定子两相反接制动第99页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 由曲线我们注意到反接制动结束后一定要立即切断电源，否则电机会反向起动。绕线式电动机在定子两反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩 ,如曲线3所示。反接制动时，理想空载转速n1变为-n1。1特点：其机械特性曲线为：第100页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（二）倒拉反转的反

48、接制动条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现：在转子回路串联适当大电阻RB。电机工作点由AB C，n=0，制动过程开始，电动机反转，直到电动机稳定工作在D点。在第四象限才是制动状态。由于电机反向旋转，n1。此时电磁转矩方向与电动工作状态时相同，而转向与电动工作状态时相反，电动机处于制动工作状态。第101页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日所以有：机械功率为电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。而表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电

49、阻上，所反接制动的能量损耗较大。第102页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日三、回馈制动 若感应电动机在电动机工作状态时，由于某种原因，在转向不变的情况下，使转速n大于n1，电动机便处于回馈制动状态。从向量图上可看出，定子电压与定子电流的相位差大于900，此时的输入功率为负值，电机向外发电，好似一台发电机。因此，回馈制动也称为：再生发电制动。第103页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日机械特性：此制动过程中，转子电路串入电阻越大，稳定转速就越高，所以回馈制动时，转子电路中不宜串入过大的电阻。Tnn1AA回馈制动时的电动机的机械特性是电动工作状态的

50、机械特性在第二象限的延长部分。其中虚线表示绕线转子感应电动机转子串电阻后回馈制动的机械特性。第104页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日第四节 感应电动机的调速第105页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子极对数 调速。（2）改变电源频率 调速。（3）改变转差率 调速。称为变极调速称为变频调速转子串电阻调速和串极调速第106页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日一、变极调速以4极变2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场：反向串联和反向并

51、联，定子绕组产生2极磁场： 要改变电机的极数，当然可以在定子槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组，从制造的角度看，这种方法很不经济。通常是利用改变定子绕组的接法来改变极数，这种电动机就被称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，因为这时转子的极数能自动地与定子极数相适应。第107页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日多速电机定子绕组的接线方式很多，其中有两种常用。（1）/YY联结方式T6T1T5T3T4T2低速时T1、T2、T3输入，T4、T5、T6开路高速时T4、T5、T6输入，T1、T2、T3连在一起-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输

52、出功率和转矩为第108页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 可见，-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。/YY变极调速方法对应的机械特性曲线：第109页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日（2）Y/YY联结方式T1T2T3T4T5T6低速时T1、T2、T3输入，T4、T5、T6开路高速时T4、T5、T6输入，T1、T2、T3连在一起T6T1T5T3T4T2Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输出功率和转矩为第11

53、0页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日 可见，Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。Y/YY变极调速方法对应的机械特性曲线： 变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好, 可用于恒功率和恒转矩负载。第111页，共125页，2022年，5月20日，12点25分，星期日二、变频调速变频调速是改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的。（一）电压随频率调节的规律 当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率f1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动