电机及驱动技术1

第四章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4.1.1基本结构主要有定子、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。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：⑴鼠笼转子⑵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0.2～1.5mm。交流电动机结构照片4.1.2基本工作原理1、原理定子铁芯中嵌有三相绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2。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，又左手定则可以得出转子受力方向，从而得出转子旋转方向。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若转子转速n与同步转速n1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n<n1。由于达不到同步转速，因而称为异步电机，也称为感应电机。2、转差率S定义为：S的值在0～1之间，空载时n≈n1；若通电但转子未转则有n=0，此时S=1。正常运转时S=0.01～0.063、运行状态⑴电动机运行状态转子在电磁转矩的驱动下旋转，转向与电磁场旋转方向相同，且有n1>n>0,0＜S≤1⑵发电机运行状态转子的转动为外部机械动力驱动，且转速n>n1，方向与n1同向，此时电磁转矩成为制动转矩。⑶电磁制动在电源作用下旋转磁场为n1，外部机械拖动转子以n旋转，方向与n1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。由于n与n1方向相反，所以为“—”。故：电动情况下：0<n<n1;0≤S≤1发电情况下：n>n1;-∞<S<0制动情况下：n<0;S>14.1.3电机的铭牌和主要系列1.铭牌：标有电机的主要技术参数型号：Y—表示异步电机YR—表示绕线转子异步电机Y180L—8异步电动机，中心高180mm，长机座8极（同步转速750rpm）2.额定值①额定电压：UN正常工作状态下电机定子绕组上的线电压值V,KV

②额定电流:IN额定状态下运行时的线电流A，kA③额定功率：PN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：ηN—额定效率cosφN—电机额定功率因数当ηNcosφN=0.8时：

IN≈2PN

即我们通常所说的一个千瓦两个电流。④额定频率：fN—Hz⑤额定转速：nN—rpm2级电机：同步转速3000rpm4级电机：同步转速1500rpm6级电机：同步转速1000rpm8级电机：同步转速750rpmP—极对数（即极数/2）3、接线分为△和Y形两种接法，若标定为220/380V△/Y则表示220V时为△接法，380V时为Y形接法。

Y形连接

△形连接4、防护等级：以IP表示防护等级，后跟两位数字，第一位表示防尘的等级0～6（7级），第二位表示防水等级0～8（9级）。如IP45，IP68等4.2三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n与电磁转矩Tem之间的关系即n=f(Tem)。由于n=（1-s）n1所以机械特性也用Tem=f(S)的形式表示，简称T-S曲线。一、机械特性的物理表达式CT—异步电动机的电磁转矩系数ΦM—异步电动机的每极磁通I’2—转子相电流折算值（转子相电流折算到定子上的电流值）cosφ2—转子电路的功率因数Kw1—基波电动势绕组系数E2’：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Xδ2’：折算到定子上的转子漏抗（下标为“1”的参数表示定子参数）该式直接表达了电磁转矩Tem与转差率s的关系，由此可以得出特性曲线。二、特性曲线同步转速点最大转矩点起动点额定工作点第一象限中n＜n1，T＞0为电动运行方式。第二象限中n＞n1，T＜0为发电运行方式。Sm—临界转差率，sm≈0.2在电动运行状态下：0＜s＜sm时，s增加，T也增加。S=Sm时T达到最大值TmS=Sm后，增加S，电磁转矩反而减小。总结：①当电机参数及电源频率不变时，Tm与电源电压的平方成正比，但sm与U1无关。②改变转子电阻可以改变产生最大转矩Tm时的转差率—仅对绕线式转子异步电机有用。发电电动制动为了保证电机寿命，不能使电机长期工作在Tm上。即实际工作点TN应小于Tm，所以电机都具备一定的过载能力。过载能力以KT表示：一般电动机KT=1.6～2.2；起重、冶金机械

KT=2.2～2.84.2.2起动转矩S=1（n=0）时的转矩称为起动转矩。

可见：1、起动转矩Tst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。2、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。3、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Tst是恒值。4、将Tst与TN的比称为起动转矩倍数Kst。只有当Kst＞1时电机才能起动。4.2.3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A点，而在B点则可以平衡，但不稳定。固对恒转矩负载ab段为稳定运行区，bc段为非稳定运行区。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1、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0时的转速与电磁转矩T的关系曲线。2、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。⑴降低定子电压时的人为机械特性

Tem∝U12

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s增大；s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响（温升）。⑵转子电路中串入对称电阻这种方式只适合于绕线转子电动机。串入电阻后Tm不变n1也不变，Sm随电阻Rad的增加而增加，若电阻Rad选择合适可以使S=Sm=1，则有：Tst=Tm。此时若再增加Rad则Tst反而会减小。⑶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Xst，则随着Xst的增加Tm、Tst及Sm会减小。多用于降压起动的情况，限制起动电流。⑷改变电源频率的人为特性①工作频率从额定频率向下调公式：变形：因此：f1ΦmΦm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。避免的方法：降低电源电压。Δnm—最大转矩Tm时的转速降。为常数表示特性线为平行。忽略R1:由此，忽略R1时U1/f1为常数时，Tm也为常数。f1较低时R1造成的误差不可忽略，此时会造成Tm减小。②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U1=UN1，故随着f1增加Φm会减小。亦即：f1Φm由可见，随着f1的增加，最大转矩Tm会减小。结论：1、同步转速n1∝f1，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Tm不变，频率高于额定频率时Tm减小；频率低于额定频率较多时Tm同样减小。论述题1、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电流？3、电磁转矩在S为什么值时达到最大值？4、Sm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指的是电机的转子由静止开始加速到额定转速的过程。为避免电流冲击的问题，起动过程应满足如下要求：①起动电流小（减少对电网的冲击）。②起动转矩大（缩短起动时间）。③起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便。④起动过程的能量损耗越小越好。4.3.1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

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。主要指的是起动电流和起动转矩。

异步电动机在起动时转差率S=1（n=0）此时电流却很大，约为额定电流的5～7倍，可此时的转矩却不大，通常约为额定转矩的0.9～1.3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：①起动时功率因数低②起动电流大，定子漏阻抗压降大，使定子电动式E1减小，所以磁通Φ减小。

改善起动特性：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—深槽式电动机，双笼型电动机。4.3.2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1、直接起动也称全压起动，适合于小容量电机的起动。在一般电网容量下，7.5kw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。通常要求起动电流引起的电网压降＜10%～15%线路电压。直接起动时起动电流倍数：起动转矩倍数：直接起动应满足的条件为：

2、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电流，由于Tem与U1成正比，所以这种方法只适合于空载或轻载起动的情况。

⑴定子电路串电阻或电抗器减压起动

①起动线路

②起动电流和起动转矩

设加在电子绕组上的电压为U1′并令令：直接起动时：

减压起动时：同理可以得出：可见降压起动时电流减为全压时的1/α，而起动转矩减为全压时的1/α2。⑵自耦变压器减压起动

①起动线路

②起动电流和起动转矩设自耦变压器的电压比为k,则

直接起动电流电网起动电流为：I2为减压启动情况下的定子电流起动电流的减小倍数为：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10kw以上的电机起动。(3)Y—△起动

这种方法适用于电机工作于△方式下的情况。起动时改为Y形联接.①起动线路起动时采用Y形接法所以每相的电压为.起动结束后转为△形接法正常工作。

②起动电流和起动转矩△形接法时电网提供的起动电流(线电流)为:Zδ—定子线圈电抗。则Y形接法时起动电流：Y形接法时电流减小的倍数为：由于Tem正比于U，所以：③Y—△起动的注意事项：1.适合于空载或轻载起动2.不适合高电压电机（只限于<500v的电机）3.电机运转时必须采用△接法4.3.3三相绕线转子异步电动机的起动1、转子串电阻起动①起动线路接入分级电阻，可以使起动过程平滑，开始起动时S1,S2,S3均断开，而后S3接通→S2接通→S1接通，电机进入正常工作状态

②起动过程一般最大加速转矩Tst1=(1.5～2)TN

切换转矩Tst2=(1.1～1.2)TN2、转子串接频敏变阻器起动频敏电阻是一个铁芯损耗大的电抗器，其阻抗与流过电流的频率成正比。启动时，由于s=1流过转子的电流频率为50Hz（f2=sf1=f1=50Hz），此时变阻器呈现大的电阻；随着转子转速提高，s减小，转子中电流的频率变低变阻器呈现的电阻变小。转子串接频繁变阻器起动起动过程结束，K闭合，将频敏电阻短路，去除频敏电阻的影响4.4三相异步电动机的制动

分为：能耗制动，反接制动和回馈制动三种形式。4.4.1能耗制动能耗制动时先切断电动机的供电电源，而后再定子绕组中接入直流电，则电机进入能耗制动阶段，情况与直流电动机类似。制动开始时n的大小方向不变，在磁场作用下产生与旋转方向相反的电磁转矩。对反抗性负载n=0时制动结束，而对位能性负载，电机将在负载的带动下继续转动（与原转向相反），直到Tem与负载转矩相等，则重物匀速下降，此时的Tem为制动转矩。改变Rad2或直流励磁电流可以得到不同的Tem因而有不同的匀速下降速度。1）直流励磁电流不变，增加Rad2：最大制动转矩不变，产生最大转矩的转速增加。2）Rad2不变，直流励磁电流增加：最大制动转矩增加，产生最大转矩的转速不变。曲线1、3的转子制动电阻不同。（Rad2）3>（Rad2）1曲线1、2的直流励磁电流不同。（If）2>（If）14.4.2反接制动1、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，从而造成反转的效果。在这种制动方式下转差率s>1电动运行制动开始反抗性负载反向稳定运行点回馈制动段制动结束点，应切断制动电源1、倒拉反接制动在这种制动方式下转差率s>1电动运行点KM2闭合制动开始点KM2打开倒拉稳定运行点4.5三相异步电动机的调速

根据公式可知调速方法有三种①改变极对数p②改变电源频率f1③改变转差率S

4.5.1变极调速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化。

根据公式当f1,S为固定时，改变极对数P进行调速。P的取值为1，2，3，4，…

1、Y/YY变极调速ABCYY形连接极对数为p/2（p为Y形接法时的极对数）2、Δ/YY变极调速ABCYY形连接极对数为p/2（p为Δ形接法时的极对数）3、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矩和输出功率的变化情况。1）Y-YY电压UN,电流（相）为IN,变极前后的功率因数及效率不变，则：Y联接：YY联接：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Y-YY调速有：n1YY=2n