模块3-异步电机及控制

交流异步电机及驱动控制交流异步电机概述

概述结构简单、维修方便转子多用鼠笼式应用非常广泛作为驱动电机，电动大巴应用较多交流异步电机基本结构根据转子结构不同有两种类型鼠笼型（常用）绕线型鼠笼型转子绕线型转子交流异步电机基本结构定子与转子定子铁心转子铁心定子机壳、铁心及绕组鼠笼式转子（整体铸铝）鼠笼式转子（铜导条及端环）定子铁心及绕组定子绕组与旋转磁场定子三相绕组的布置定子三相电流与合成磁场iAiBiC

说明：定子三相绕组的符号，由于历史原因，各种资料中有时用AX、BY、CZ，有时用U1U2、V1V2、W1W2，没有任何差别！

定子三相绕组空间按120°电角度分布，三相电流时间相位也相差120°电角度。

定义电流正向A-X、B-Y、C-Z。定子绕组与旋转磁场磁场如何能旋转各相绕组按空间对称分布各相电流随时间对称变化此处“各”相不一定是三相。理论上只要是“多”（>1）相就可以形成旋转磁场。定子绕组与旋转磁场定子磁场极数与磁场转速2极（p=1）4极（p=2）三相绕组按A-Z-B-X-C-Y分布在360°空间，合成磁场为2极（p=1，p为磁极对数），对应360°电角度。此时电角度=空间角度。

若三相绕组按A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y分布在360°空间，合成磁场为4极（p=2），对应720°电角度。此时电角度=2×空间角度。

一般说，若p>1，则有

电角度=p×空间角度

定子绕组通三相交流电时将形成旋转磁场，其转速称为同步转速n1。定子绕组与旋转磁场同步转速与频率和极对数的关系n1-同步转速（r/m）f1-定子供电频率p-磁极对数显然，同样的供电频率时，电机的磁极越多，磁场转速越慢。频率f1=50Hz极对数P=1P=2P=3P=4极数2极4极6极8极同步转速n1300015001000750转子绕组的感应电动势及电流转子为什么能转？转子能否转到同步转速？转子绕组：导条+端环（去掉了铁心）转子绕组是由导条+端环组成的、自行闭合的多相绕组，在旋转磁场中也会切割磁力线而感应电动势，并且很容易产生电流。转子导条电流在磁场中受力必然产生转矩，使得转子能够转起来。

不能。若转子与旋转磁场同步，转子导体就不会切割磁力线，也就没有感应电动势和电流，也就没有转矩。但转子又不可能不转，结果转子转速必将介于0与n1之间。事实上，转子转速小于n1而接近n1。转子转速及转差率转差率转子转速n=（1-s）n1转子绕组电势和电流的频率

注意转子绕组中感应电势和电流的频率f2很低，仅为sf1。例如定子电流频率为50Hz，转差率s=5%，则转子电动势和电流的频率仅为2.5Hz。（注）以后为了简单，常将电动势简称为电势，磁动势简称磁势。转子转速及转差率【例】某异步电机铭牌如下。问：该电机是几个极的？同步转速n1是多少？额定转差率s是多少？定转子合成磁场转子电流会不会产生旋转磁场？

会。因转子绕组是多相的，各相电流符合产生旋转磁场的条件。转子电流的磁场转速如何？合成磁场是怎样的？定转子电流合成一个旋转磁场，以同步转速n1旋转。

因转子绕组电流的频率f2=sf1，所产生的旋转磁场转速相对于转子为sn1，相对于定子为sn1+n=sn1+(1-s)n1=n1。就是说，转子电流的磁场与定子电流的磁场是同步旋转的。主磁通与漏磁通定子线圈的直线部分。定子电流在这部分产生的磁场要经过气隙到达转子，称为主磁通。定子线圈的弯曲部分（端部）。定子电流在这部分产生的磁场不经过转子，称为漏磁通。主磁通的感应电势气隙磁通（也叫主磁通）密度B沿圆周基本是按正弦分布的。当磁场旋转时，定子某一相线圈所穿过的磁通量以及感应电势E1也会随时间按正弦变化，并与电压U1基本平衡。即

U1≈E1∝f1Φ即是说，电势E1与定子供电频率f1、每极总磁通量Φ成正比，并与定子绕组的线圈数有关。主磁通在转子绕组也会感应电势E2，

类似有E2∝f2Φ即与转子电势频率f2以及每极总磁通量Φ成正比，也与转子鼠笼条的设计有关。

异步电机定转子绕组靠主磁通相联系，与变压器完全类似！异步电机的主磁场分布旋转磁场定转子电势电流与主磁通转子的感应电势产生转子电流。转子电路阻抗很小，所以转子电流很大。转子电流的增大通过影响旋转磁场进而引起定子电流大大增加。结果旋转磁场由定转子电流的磁动势所合成，并分别在定转子绕组感应电势E1和E2。可见定转子间靠磁场相互密切联系。从定子向转子的能量传递完全靠电磁感应而产生，所以异步电动机又叫感应电动机。定子电流I1转子电流I2合成旋转磁场转子电势E2U1定子电势E1异步电机定转子关系示意图

可以用电路表示定转子之间的关系，如下图所示。请注意：

（1）由于是正弦交流电，电压、电流、电势等都要用复数相量表示。

（2）定转子电流的频率不同，转子侧频率是f2=sf1U1-定子相电压；E1-定子相电势；I1-定子相电流；r1-定子绕组每相电阻；x1-定子绕组每相漏电抗；E2-转子相电势；I2-转子相电流；r2-转子绕组每相电阻；x2-转子绕组每相漏电抗。定子漏磁通转子漏磁通主磁通特别注意，图中为与输出机械功率对应的等效电阻。异步电机的等效电路*

为便于从定子侧分析整个异步电机的性能，需采用“等效”的方法，就是将实际的转子替换为一个不转的、并且具有与定子完全相同的绕组，只要替换之后定子的电流、功率等都与真实转子情况相同。经理论分析可得出如下等效电路，定转子电路可以画到一起了。转子侧所有符号都加了’，表示已经折算到定子侧，即从定子边看过去的量。中间的支路表示产生主磁通的等效电路。I0-励磁电流；rm-等效励磁电阻；xm-等效励磁电抗。异步电机的功率关系输入功率：P1=3U1I1cosφ1电磁功率：Pem=Te·Ω1=Te·2πn1/60总机械功率：PΩ=Te·Ω=Te·2πn/60输出功率：P2=Te·Ω-PΩ（电机铭牌上的额定功率，就是指输出功率）效率：η=P2/P1定子侧转子侧

这里用的是相电压、相电流。若用线电压、线电流计算，公式中的3改为异步电机的电磁转矩与输出转矩电磁转矩的几种表达式输出转矩（也叫扭矩）基本定义：

Ω1为同步角速度其中参数表达式：（分析异步电机的运行控制时常会用到）由一般公式可得输出转矩：其中功率的单位是kw，转矩的单位是N·m。异步电机的功率关系【例】一台三相异步电动机，额定功率1.1kw，额定（线）电压380V，额定（线）电流2.2A，额定转速1450r/m，额定功率因数cosφ=0.86。【求】输入功率；输出转矩；电机效率。【解】（1）输入功率：（2）输出转矩：由公式得到（3）电机效率：异步电机的机械特性Tst：起动转矩TM：最大转矩TN：额定转矩可以看出，异步电机的机械特性是比较硬的，即负载变化时引起的转速变化不大。

最大转矩TM通常为额定转矩TN的2倍左右，这意味着异步电机有很大的短时过载能力。同步转速额定运行点起动要求

起动电流尽可能小，转矩尽可能大，满足负载的转矩要求，并且起动平滑，避免冲击和剧烈振动不可直接起动

直接起动电流会很大（6-7倍额定电流），对电机和电源都是很大的冲击！变频器/逆变器控制起动

可实现低压低频起动，电动汽车中兼作起动与调速控制异步电机的起动额定运行点起动点TNTst逐渐升压异步电机的反转只要将任意两相对调相序相反，即A-B-C相序改为A-C-B相序旋转磁场将会反转电机也会反转正反转开关控制正转：相序A-B-C反转：相序A-C-B异步电机的制动制动方法反接制动：定子反相能耗制动：断开交流电源，定子两相接直流电源回馈制动：保持交流电源接通，n>n1时即进入异步发电状态异步电机的调速控制异步电机的调速特性低速：恒转矩区（保持I额定，Φ不变）高速：恒功率区（保持I额定，Φ减小）与直流电机类似这是一台驱动电机铭牌，注意恒转矩与恒功率范围。异步电机的调速控制降压调速调速范围有限，特性变软电压逐渐降低TNTst异步电机的调速控制变频调速（1）：基速n1以下

由U1≈E1∝f1Φ可知，单纯降低电源电压时，主磁通将减小，导致同样电流时转矩减小。若单纯降低电源频率f1而U1不变，则导致主磁通严重饱和、铁损耗增加、电机发热等问题。若同时降低U1及f1，使U1/f1≈常数，可保持磁通Φ基本恒定。此时定转子电流以及电磁转矩都基本不变，属恒转矩调速。

此方法也称VVVF（变压变频）变压变频VVVF电压频率太低时不能保证恒转矩，需作电压补偿TN异步电机的调速控制变频调速（2）：基速n1以上

需进一步调高转速时，可提高供电频率f1

，但保持U1基本不变，此时磁通Φ将减小，同样电流情况下电磁转矩T也相应减小，属恒功率调速。

此方法也属于弱磁调速。变频恒压（属弱磁调速）TN交流异步电动机驱动控制异步电机控制框图举例主电路：三相SP