第2讲 异步电动机基础

第2讲：异步电动机基础知识内容简介：回顾异步电动机的工作原理和机械特性，介绍异步电动机的起动、制动和调速方法。通过比较各种调速方法的特点，说明变频调速是异步电动机的最佳调速方式。2-1异步电动机的工作原理2-2异步电动机的机械特性（矩速特性）2-3异步电动机的起动方法2-4异步电动机的制动方法2-5异步电动机的调速方法1一、异步电机结构1236457891011121-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-定子铁心；5-定子绕组；6-散热筋；7-转轴；8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座2-1异步电动机的工作原理2由于它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条(俗称鼠笼条)构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼”，故常称为笼形电动机。

笼形异步电动机本质上可被看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器。3二、异步电动机的工作原理1、磁场旋转定子三相对称绕组，加三相电压后流过三相交流电流。AXBYCZo4

i>0:

首端流入，尾端流出。AYCBZX规定

i<0:

尾端流入，首端流出。o××t=0时刻：iC为正，从C端流入，从Z端流出iB为负，从Y端流入，从B端流出5iA>0,iB<0,iC<0iA>0,iB<0,iC=0iA=0,iB<0,iC>0AXYCBZAXYCBZAXYCBZ合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场，一个电周期旋转磁场在空间转过360°。62、旋转磁场的极对数np当定子每相一个绕组时，产生一对磁极的旋转磁场AXBYCZAXYCBZ7若定子每相绕组由两个线圈串联，形成两对磁极的旋转磁场，则np=2；同理若定子每相绕组由m个线圈串联则，形成m对磁极的旋转磁场，则np=m。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC×●×●×●×●83、电机转子旋转—气隙磁链与转子电流相互作用产生转矩。定子三相绕组通入三相交流电切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩T转子转速n94、等效电路102-2异步电动机的机械特性（矩速特性）自然机械特性：额定工况下的转矩转速特性。人为机械特性：通过改变电动机的定子电压、转子电阻、定子频率等得到。机械特性主要指电机电磁转矩与转速之间的稳态关系。n，sTeTemTeQsms=0s=1异步电动机的转矩-转速特性11n，sTemTeQs=0s=1异步电动机的转矩-转速特性反接制动运行s>1回馈制动运行s<0电动运行0<s<112负载的转矩-转速特性nTL位能负载的转矩-转速特性TL恒定nTL风机、泵类负载的转矩-转速特性TL∝n213稳定工作点与不稳定工作点Te风机负载TL位能负载TL稳定工作点不稳定工作点Tn14异步电动机的起动方法：小容量电动机直接起动5~7倍起动电流。中、大容量电动机的起动电流大，常用降压起动。绕线式电动机转子电路串电阻起动。2-3异步电动机的起动方法15一、降压起动传统的降压起动方法星-三角（Y-Δ）起动定子串电阻（或电抗）起动自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动软起动器下面分析各种起动方式的起动电流和起动转矩：设：直接起动的起动电流为Isd，起动转矩为Tsd，采取起动措施后的起动电流为Is，起动转矩为Ts。161、星-三角（Y-Δ）起动+－

起动U1U2V1V2W1W2

+－正常运行U1U2V1V2W1W2起动时，定子绕组接成Y形，起动结束时接成Δ形。17+－U1U2V1V2W1W2设：电机每相阻抗为︱Z︱星—三角起动时的起动电流、起动转矩均为直接起动时1/3。+－U1U2V1V2W1W2182、自耦变压器起动ABP+–+–ilis193、软起动器起动M3~~TVC20软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动降下来。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。21异步电动机的起动过程与电流冲击降压起动

软起动器

直接起动22二、绕线式电动机转子电路串电阻起动RRR滑环电刷定子转子起动电阻•起动时将电阻R串入转子电路中，起动后将R短路。23注：转子电路串电阻起动不仅可以减小起动电流，而且还可以提高起动转矩。24制动是一边吸收负载的能量、一边运转的运行方式。按制动目的分类减速制动：目的是让电动机减速或停转，制动过程中要吸收负载及电动机所具有的能量，例如，列车停车过程。制动运行：目的是一边制动、一边以一定转速保持运转的运行状态，例如，电动机吊着物体下放就是这种制动，此时要吸收负载所具有的能量。2-4异步电动机的制动方法25按吸收能量的方法分类机械制动：制动器制动，负载能量转换为热能。机械制动的特征是即使在停止时也有制动转矩作用，其缺点是摩擦部分要产生损耗。电气制动：这是一种从电气上吸收能量的制动方法。这种制动方法适用于频繁制动，或连续制动，但在停止时，保持制动转矩较为困难。下面主要讨论电气制动。26电气制动又可分为：1、回馈制动（再生制动）：异步电动机的转子n转速超过同步转速n0，电动机工作在发电状态。其基本特征是：

⑴n与n0同方向；⑵n>n0。Ten原矩速特性频率下降后的矩速特性TBn0nn0’272、反接制动：电动机的实际旋转方向与磁场旋转方向相反时的状态即为反接制动状态。其基本特征是：n与磁场旋转的方向相反。（1）磁场反转的反接制动：这种制动方法是在电动机正常运转中，将其与电源的接线反接(或相序反接)而进行制动。Ten原矩速特性磁场反转时的矩速特性TB28（2）倒拉式反接制动：转子串电阻调速的起重机在缓慢下放重物时，电动机的电磁转矩力图使重物上升，但因“带不动”，结果转子的实际旋转方向被重物倒拉成反转。Ten原矩速特性转子串电阻后的矩速特性TBn293、直流制动（能耗制动）方法和原理：在定子绕组中通入直流电流，从而产生一个固定磁场，当转子旋转时切割该磁场，从而产生制动转矩。Ten原矩速特性直流制动时的矩速特性TB直流制动的原理与再生制动类似，其矩速特性实际上就是f=0Hz时再生制动的矩速特性。302-5异步电动机的调速方法异步电动机的转速：一、异步电动机的调速方法分类31因此异步电动机的调速方法可以大致分为：变转差率s调速（5）变极np调速（6）变频fs调速（1）定子调压调速（2）绕线转子串电阻调速（4）绕线转子串级调速交-直-交变频交-交变频（3）电磁转差离合器调速主电路电机转矩控制方法V/F控制转差频率控制矢量控制直接转矩控制32异步电动机中从定子传入转子的电磁功率Pm可以分为两部分：Pd=(1-s)Pm

－拖动负载的有效功率Ps=sPm

－转差功率按转差功率处理方式不同，异步电动机调速方法又可分为三大类：转差功率消耗型（不改变同步转速）

：调压调速；转子串电阻调速；电磁离合器调速转差功率回馈型（不改变同步转速）

：串级调速转差功率不变型（改变同步转速）：变极对数np调速；变频调速33二、电力传动系统性能指标稳态性能指标调速范围：电动机调速系统所能提供的最高转速和最低转速之比。静差率：电动机带负载运行时，由理想空载增加到额定负载所对应的转速降落与理想空载转速之比。静差率与系统的机械特性有关，特性越硬，静差率越小，转速稳定性越高。34动态性能指标跟随性能指标：通常指在阶跃输入下系统的响应。35抗扰性能指标：在给定值不变时，突加某一使输出量变化的阶跃扰动后，输出量的变化过程被称作抗扰过程。36（一）变极调速如何改变定子绕组的极对数？三、异步电动机的调速方法的原理及特点1、变极调速原理改变电动机的定子极对数np便可改变同步转速，从而实现调速。372、变极对数的方法

通过改换定子绕组的连接来改变异步机的极对数。若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向，由两对极变成一对极电机。383、变极调速过程分析当增大极对数时，电机速从nA变换到nB转矩变化曲线为：A→C→Bnn2n1TeBAC4、变极调速的特点：①调速范围有限（只有有限个稳速点）②属于有级调速，转速改变时转矩冲击很大。③机械特性较硬，电机转速受负载的影响比较小；④属于转差功率不变型，效率高。

39（二）定子调压调速1、调压调速原理根据异步电动机的机械特性，当异步电动机定子与转子回路的参数一定时，在一定的转差率s下，电机电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此改变电动机的定子电压就可以改变其机械特性，从而实现调速。402、调压调速的方法常用的调压调速方法主要有三种：自耦变压器调压调速，饱和电抗器调压调速，晶闸管交流调压器调压调速。（1）自耦变压器调压调速（2）晶闸管交流调压器调压调速41（3）饱和电抗器调压调速饱和电抗器是利用直流磁化电流控制铁心的饱和程度，来改变串接在定子回路中的交流电抗,从而调节电机定子绕组上的电压。铁心饱和时，交流电抗小，加在电机定子上的电压高；不饱和时，交流电抗大，因此加在定子上的电压低，通过改变直流磁化电流,实现调压调速。MWWW饱和电抗器423、调压调速过程分析当降低电压时，电机转速从nA变化到nB转矩变化曲线为：A→C→B稳定区TeBAnBnAnC不稳定区4、特点：①调速范围有限（电机只能在稳定区运行）；②在低电压情况下，机械特性变软，转速受负载影响较大；③效率低（Us↓→s↑→η↓）；④用可控硅调压时，电动机电压和电流畸变严重。43注：为了扩大恒转矩负载情况下的调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性如右图。增大了变压调速范围，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。5、应用场合

通常用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电机传动场合。Ten0n，sUs0.5Us0.8UsTL恒转矩负载44（三）绕线转子异步电动机转子串电阻调速1、转子串电阻调速原理根据异步电动机的机械特性，当异步电动机定子电压一定时，改变电动机的转子电阻Rr也可以改变其机械特性，从而实现调速。452、转子串电阻调速过程分析当增大转子电阻时，电机转速从nA变化到nB转矩变化曲线为：A→C→BnTenBnACAB3、特点①调速范围有限（有限个稳速点）②一般通过多级电阻切换实现调速，因此也属于有级调速，转速变化时存在转矩冲击；③增大转子电阻后，机械特性变软，电机转速受负载的影响比较大；④速度越低，效率越低。⑤起动转矩大。464、应用场合升降系统等。绕线转子异步电动机转子串电阻调速起动转矩大，在变频调速技术推广以前，它几乎是解决恒转矩重负载起动和调速的唯一手段。47（四）绕线式串级调速1、串级调速的基本思想：在转子回路中设法接入一个与转子电势sE20同频率(f2)的附加电势Ef，调节Ef的大小和方向便可改变转子电流I2和电磁转矩Te的值，从而使电动机转速发生变化。48492、串级调速的基本原理三相异步电动机M以转差率s运行，其转子相电动势经三相不可控整流电路整流，输出电压Ed。三相有源逆变电路将经整流后输出的电动机转差功率逆变回馈到电网。U2E2s50异步电动机转子相电压为：经三相整流器后变为直流电压为：逆变器直流侧直流电压为：U2E2s51于是直流回路电流为：上式可写为：忽略R后，上式变为：U2E2s52当整流器、逆变器都为三相桥式电路时，k1=k2=2.34，得转差率s为：改变逆变角β的大小，就能改变电动机的转差率s，从而实现调速。U2E2s53电网送入异步电动机的功率电动机输出的功率为总效率为采用串级调速能把其中大部分转差功率Ps回馈给电源，因此总效率较高。3、功率传递关系544、串级调速的特点：①转差功率回馈，效率高；②

属无级调速，调速过程平稳，无转矩冲击；③在低速区，最大转矩降低，机械特性较软，故电机转速受负载影响较大；④调速范围与调速系统的容量有关，调速范围越大，要求调速系统的容量越大，因此调速范围受系统容量限制，一般用在大容量且调速范围比较小的场合；⑤电机和系统的功率因数低。55（五）电磁转差离合器调速1、电磁转差离合器的结构电磁转差离合器由电枢与磁极两个部分组成。电枢部分与调速异步电动机连接，在运行时随电机转子同速旋转，转速为n，是主动部分；磁极部分与所拖动的负载连接，是从动部分。562、电磁转差离合器的工作原理当磁极内励磁电流If为零时，磁极与电枢无任何电磁联系，磁极不动；当磁极内通入励磁电流时，磁极产生磁场，电枢绕组因与该磁场有相对运动而产生感应电势，从而产生感应电流，该感应电流与磁极磁场相互作用产生转矩，带动磁极旋转。改变励磁电流If便可改变转矩，从而改变磁极（负载）转速。电磁转差离合器原理与异步电动机很相似，机械特性也相似，但理想空载点的转速为异步电动机转速n，而不是同步转速n1。573、机械特性曲线励磁电流If越大，磁极内磁通越大，转矩越大。当励磁电流If过小时，磁场太弱，转矩很小，从动部分将无法运转而失控。注：电磁转差离合器与异步电动机做成一体，称为滑差电机或电磁调速异步电动机。Tnn，sIf1If2If3If4If1>If2>If3>If4失控区584、电磁转差离合器调速特点①可平滑调速。②机械特性较软，所以转速稳定性较差，调速范围较小。③低速时，效率也较低。59（六）变频调速1、变频调速原理改变