三相交流异步电动机2

第8章三相交流电动机内容提要三相异步电动机的根本结构三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的电磁转矩与机械特性三相异步电动机的铭牌和技术数据三相异步电动机的起动、反转、调速和制动本章重点与难点三相异步电动机的根本结构三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的电磁转矩特性和机械特性三相异步电动机的控制方法〔起动、反转、调速和制动〕电动机：电能转化为机械能的装置本章分析：三相交流异步电动机（感应电机）电动机分类：异步机同步机直流交流单相三相异步机同步机……其优点：结构简单，价格低廉，运行可靠，维修方便等8.1三相交流异步电动机的结构机壳(机座)—支承定子铁心、固定端盖定子绕组—接电源，获得电能产生旋转磁场可以星形获三角形连接，作为三相负载铁心—磁路的一局部，0.35或0.5mm硅钢片叠成。内外表有凹槽，放置绕组1.定子〔不动的局部〕：2.转子〔转动的局部〕：

转轴—支承转子、驱动机械负载铁心—磁路的一局部，0.35或0.5mm硅钢片外表有凹槽，放转子导体转子导体导条—鼠笼式绕组—绕线式：可改变转子电阻作用：产生感应电动势和感应电流来产生电磁转矩。

定转子之间的空气隙，也是磁路的一局部，它的大小对电机的性能有很大的影响过大：所需励磁电流大，功率因数小所以空隙要适宜3.气隙〔看不见的局部〕：三相异步机的结构演示YBZXAC转子定子铁心定子绕组（三相）机座空隙转轴(1)旋转磁场的产生1.旋转磁场8.2三相异步电动机的工作原理AXBYCZ三相定子绕组在空间上互差120度放置，并通入三相对称电流AXYCBZ设每相电流为正时，从首端流入，尾端流出，为负时尾端入，首端出，如图。且流入时标“〞，流出“〞AXYCBZ1nAXYCBZ1n产生两极磁场，且旋转同理分析，可得其它角度下的磁场位置及方向：AXYCBZAXYCBZ1nXBZ1nAYC旋转方向：取决于三相电流的相序。1n1n改变磁场的旋转方向：换接其中任意两相电源旋转磁场的旋转方向旋转磁场的转速大小分）转/(601fn=如上分析，当电流变化一周（频率为f1）时，两极磁场（磁极对数P=1）在空间转过360°，也完成一个周期。则旋转磁场的转速（同步转速）为：极对数〔P〕的概念AXBYCZ如前所示，此种接法下，旋转磁场只有一对磁极，则极对数为1。AXYCBZ极对数〔P〕的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'将每相绕组分成两段，按右以下图放入定子槽内。形成的磁场那么是两对磁极。AXBYCZ极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'分）转/(

601pfn=1n极对数和转速的关系三相异步电动机的同步转速r/min

601pfn=极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速1n1n磁铁闭合线圈2.电动机的转动原理磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线长磁感应强度切割速度〔右手定那么〕闭合导线产生电流i（左手定则）通电导线在磁场中受力1n1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：异步2.线圈比磁场转得慢1nn<1nT定子绕组通电转子导体〔闭合〕切割磁力线产生感应电动势及感应电流带电的转子导体在磁场中受力〔左手定那么〕旋转磁场〔转速为n1〕转子导体受到电磁转矩T的作用转子转动起来，且与旋转磁场同方向，转速为n，n<n1异步电动机的转动原理：电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:nn=电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机1nn<无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）转子无电流提示：如果1转子慢下来转差率的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差与同步转速的比值。即：%10011øöççèæ-=nnnS

一般地以额定转速运行时:转差率s是异步电动机运行的一个重要物理量。根据s的正负和大小可以判断出异步电动机的运行状态。当0＜s＜1时，为电动机电动运行状态；当s=1时，为电动机的起动状态；当s＜0时，为电动机的发电机运行状态；当s＞1时，为电磁制动状态。转速〔转差率〕与电动机运行状态之间关系可如下图电磁转矩T：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距之总和。常数每极磁通转子电流转子电路的功率因数8.3.1电磁转矩其物理表达式为：8.3三相异步电动机的电磁转矩与机械特性i2定、转子电路R1R2i1u1e1e

1e2e

2：漏磁通产生的感应电动势。：主磁通产生的感应电动势。e1e2、e

1e

2、设：则：定子边：该表达式不方便测量和计算，推导实用公式R1R2i1u1e1e

1e2e

2同理得转子边：：转子感应电动势的频率：转子线圈匝数取决于转子和旋转磁场的相对速度1111126060SfPnnnnPnnf=-=-=其中i1R1R2u1e1e

1e2e

2i2分别为n＝0时的转子电抗X2和电动势E2转子功率因数：将其中参数代入：得到转矩的实用公式：描述了电磁转矩和转差率之间的关系，即转矩特性T=f〔s〕在0＜s＜sm范围内，s值很小，sX20＜＜R2，忽略sX20的影响，那么在这一范围内，电磁转矩T与转差率s成正比。在sm＜s＜1范围内，sX20＞＞R2，忽略R2的影响，那么在这一范围内，电磁转矩T与转差率s成反比特性曲线：Tmax：最大转矩，对应s＝sm称为临界转差率Tst：起动转矩，对应s＝1，起动点TN：额定转矩，对应s＝sN额定运行点8.3.2机械特性把转矩特性曲线顺时针旋转90度，并将s轴改为n轴可得机械特性曲线(是分析电动机运行特性的重要依据〕10n0Tn三个重要转矩n1Tn电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率

时，电机转轴上输出的转矩。额定转矩：(1)nN单位：N•m〔牛顿•米〕如果电机将会因带不动负载而停转。最大转矩：(2)电机带动最大负载的能力。n1Tn求解过载系数：三相异步机工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使注意：（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。（2）电机严重过热起动转矩：(3)电机起动时的转矩。n1Tn即时的转矩体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。起动系数：笼型电机一般为1.0~2.0电动机的自适应负载能力

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。由其特性曲线决定常用特性段nn1T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。）直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。自行分析非稳定运行区在常用特性段〔稳定运行区〕，T随n的减小而增大机械特性和电路参数的关系和电压的关系结论：

1)0(nns==和转子电阻的关系R2的

改变

：鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。

令：得：结论：

但最大转矩与R2无关，大小不变机械特性的软硬硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

硬特性（R2小）软特性（R2大）不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。例:Y225M-2三相异步电动机输出功率PN=45kW，电源频率f=50Hz，额定转速nN=2970r/min，额定效率

N=91.5%起动能力Kst为2.0，过载系数KM=2.2求:额定转差率S、额定转距TN、起动转距Tst、最大转距Tmax、额定输入功率P1解：n1=3000r/minP1N=PN/N=45/0.915=49.18kWSN=〔n1-nN〕/nN=〔3000-2970〕/3000=0.01TN=9550PN/n=955045/2970=144.7N·mTst=KstTN=2TN=2144.7=289.4N·mTmax=KMTN=2.2144.7=318.3N·m8.4三相异步机的起动、反转、调速和制动转子感应电势转子电流定子电流原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大n1。电动机的起动1.起动性能：起动过程：从n＝0接通电源到稳定运行的过程起动电流Ist，起动转矩Tst，起动时间，起动发热等起动要求：小的起动电流Ist，足够大的起动转矩Tst实际性能：起动电流很大，为额定电流的5~7倍起动转矩较小，一般为额定转矩的1～2倍影响：大电流使电网电压降低，影响其他负载工作2.电动机的起动方法：〔1〕直接起动，也称全压起动。但是要满足以下条件之一〔2〕鼠笼型异步机的降压起动。串频敏变阻器起动串电阻起动〔3〕绕线式异步机的起动。Y－

起动自耦降压起动①电动机和照明共用同一电网，电动机起动时产生的电网压降不超过额定电压的20%；②电动机由专用变压器独立供电，且电动机不经常起动，电动机的功率不超过变压器容量的30%；③电动机由专用变压器独立供电，但电动机起动频繁，所以电动机的功率不超过变压器容量的20%；④电动机由专用发电机直接供电，电动机的功率不超过发电机容量的10%。Y－

换接降压起动：

正常运行AZBYXC

起动ABCXYZ设：电机每相阻抗为手动Y－

降压起动控制原理图AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP'（2）Y－

起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合Y－

起动。自耦变压器降压起动：采用自耦变压器降压起动，〔自耦变压器的变比为K，原边电压为U1，副边电压为U2，原边电流为Ist1，副边电流为Ist2〕电动机定子绕组的电压为副边电压U2=U1/K，定子绕组的输入电流即为副边电流Ist2那么：设直接起动时电动机的起动电流和起动转矩分别为Ist和Tst，可见，用自耦变压器降压起动时电网供给的起动电流为直接起动时的1/K2倍。起动电流大大减小了但相应地，降压后的起动转矩也降低了，也为直接起动时的1/K2倍。又根据变压器的变电流功能有：采用自耦变压器降压起动，自耦变压器的副绕组通常有几个独立的抽头，使副边电压按不同的变压比提供低电压给用户选用，例如选用60%的抽头〔即1/K〕作为起动电压，起动电流只为直接起动时的36%，相应起动转矩也降为直接起动时的36%。降压起动是根据起动电流与端电压成正比来实现的,如以上两种起动方法。异步电动机欲能稳定运行，必须满足TN=TL，而异步电动机欲能起动，则必须满足Tst≥TL。设直接起动时，加在定子绕组上的端电压和电动机的起动转矩分别为U1和Tst，而降压起动时端电压和起动转矩分别为因为T∝所以：仅适用于空载或轻载起动。转子串电阻起动起动时将适当的Rst串入转子绕组中，起动后将Rst逐渐切除直至短路掉，过程如图。转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。（1）〔2〕R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一种三相铁心电抗器在起动瞬间，n=0，s=1，f2=f1，涡流等效电阻Rp最大，等效感抗Xp也最大，电流最小。随着转速的升高，s减小，f2减小，Rp和Xp自动减小，电流逐渐增大到运行状态适中选取频敏变阻器的参数，可以使Tst＞TN。缺点：起动过程中由于感抗影响，功率因数较低，起动转矩也不太高。【例】

已知某三相异步电动机的额定数据如下：PN=55kW，nN=1460r/min，UN=380V，KM=2.0，Kst=1.8，ηN=92.6%，，Ist/IN=7.0。求：⑴该电动机的额定转矩、起动转矩、最大转矩、额定电流；⑵当电动机带额定负载运行时，电源电压短时间降低，最低允许降低到多少伏？〔3〕假设要满足满载起动，电源电压至少应为多少伏？〔4〕采用Y－△降压起动时的起动转矩和起动电流；〔5〕带70%额定负载能否采用Y—△降压起动？解：(1)

所以不能在带动70%额定负载时采用Y—△降压起动。〔4〕Y-△降压起动时⑵当电源电压降低，电磁转矩会随之成平方倍数下降，为使电动机维持运转和不堵转停车，必须使Tmax≥TN，设最低允许电压为，对应的最大转矩为,则，即(3)设电源电压至少为，对应的起动转矩为,则即（5）带70%额定负载时上例中的电动机〔额定数据如下：PN=55kW，nN=1460r/min，UN=380V，KM=2.0，Kst=1.8，ηN=92.6%，，Ist/IN=7.0。〕求：如果采用自耦变压器降压起动，使电动机的起动转矩为额定转矩的70%，试求？〔1〕自耦变压器的变压比；〔2〕供电线路上的起动电流解：（1）自耦变压器的变压比设自耦变压器副边电压为为了方便用户选用，自耦变压器往往做出若干抽头，如73%、64%、55%或80%、60%、40%等规格。（2）供电线路中的起动电流Ist1上题中，IN=102.55AIst=7.0×102.55=717.85A所以自耦变压器的抽头比为方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。8.4.2三相异步电动机的正、反转正转反转ABCM3~电源ABCM3~电源原理：互换任意两相电源线，即改变了相序，也就改变了旋转磁场的转向，就可实现反转。8.4.3三相异步电动机的调速()()pfsnsn116011-=-=1.变极(P)调速2.

变转差率S调速调速方法：调速：人为地改变电机转速〔负载不变〕3.变频（）调速

P=2P=1假设每相定子绕组由两个线圈组成，以A相为例，如图。当两个线圈串联时，所产生的旋转磁场磁极对数P=2；当两个线圈并联时，所产生的旋转磁场磁极对数P=1。1.变极(P)调速，即改变磁极对数P特点：简单、运行可靠、机械特性较硬，但P成对变化，不能连续调节，只能实现有级调速2.

变转差率S调速所以改变转子回路电阻R2的大小也就改变了转差率s，从而实现调速n1n2TL特点：设备简单、操作方便，平滑性较好，起重机械上广泛应用但机械特性变软，稳定性差，电阻耗能大变频电源可变特点：调速范围大，平滑性好，可实现无级调速但是变频电源比较复杂，价格较贵。3.变频（）调速

要求：变频器在变频同时也要改变电压大小，使U1/f1=const，这是恒磁通变频调速的协调控制条件制动方法：除机械制动外，电气制动方法有

1.反接制动：停车时，将电动机接电源的两相反接，使旋转磁场由原来的旋转方向反过来，得到反方向的电磁转矩，以达制动的目的；8.5.4三相异步电动机的制动1.反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成，引起。注意:2.制动即将结束时〔转速很低〕，要及时切断电源，防止又反方向转动起来M3~+-运行制动n

F转子2.能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩；特点：能耗制动方法准确、平稳、耗能少。但需直流电源，且电动机停转后，要立即切断直流电源3.发电反响制动：令电机转子的转速超过旋转磁场的同步转速，便会产生制动转矩。n

Fn1例：起重机快速下放重物时，重物拖动转子，使转子转速n超过旋转磁场